BaTiO_3基无铅高居里温度PTCR材料的制备研究

【摘要】：论文通过Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(BNT)改性BaTiO_3(BT)基陶瓷材料的实验,研究了无铅高居里点正温度系数热敏电阻器(PTCR)的组成、制备工艺与性能的关系,主要分为三个部分:Bi_2O_3的引入方式及合成BNT工艺研究;BNT预合成工艺及引入次序研究和高居里温度PTCR陶瓷材料的制备及机理研究。 首先,论文中研究了Bi_2O_3的引入方式及合成BNT的工艺。从常见的预合成为BNT后引入和以原料氧化物形式直接引入两个方面入手,并考虑了Bi_2O_3的不同过量程度,以加入0.1mol%BNT为例,研究了预烧温度、保温时间、烧结温度等对材料PTC性能的影响。将原料在780℃预合成为BNT(Bi_2O_3过量0.5mol%)后再引入到BT基体中与以原料氧化物形式直接加入到BT基体中(Bi_2O_3过量1.0mol%),但合成BT-BNT固溶体时,在850℃另加一30min保温以合成BNT,两种工艺都可以得到最高居里温度在142℃以上,升阻比超过4.5个数量级的PTCR材料。随后,通过在同样烧成环境(空气气氛)中研究当BNT加入量超过1mol%,Bi_2O_3引入方式及BNT加入量对材料性能的影响,获得了BNT的最佳引入工艺:采用Bi_2O_3过量0.5mol%,780℃预合成为BNT后引入到BT基体中。 其次,论文也研究了一种BNT预合成新方法。由于BNT的加入会引起材料半导化困难程度的增加,实验中以摩尔比Bi_2O_3:Na2CO3:TiO2:Nb2O5:Sb2O3=1~ 1.005:1:4:0.00046:0.0010引入施主来辅助其半导化,并在加入0.5mol%BNT时进行了实验,其最佳预合成工艺及引入次序是当Bi_2O_3过量0.5mol%,780℃预合成后,在一次料中引入加有施主的BNT,可以得到居里温度为149.7℃,升阻比在3.5个数量级以上的PTCR材料。 最后,实验通过上述BNT引入方式研究了高居里温度PTCR材料的制备工艺与性能。①讨论了不同烧结工艺对材料PTC性能的影响,当BNT加入量(x)小于4mol%时,可以直接在还原气氛下烧结,得到最高居里温度约192℃,升阻比接近3个数量级的PTCR材料,当x再增大时(x≤20mol%),可以用先氧化气氛烧结后还原气氛热处理或先还原气氛烧结再还原气氛热处理的方法使其半导化,但试样都仅具有弱NTC效应,而不是PTC效应;②研究了采用上述BNT预合成新方法对x=6mol%,8mol%,10mol%和15mol%的试样在还原气氛下烧结制备PTCR材料的工艺,得到材料的居里温度分别在210℃,226℃,237℃和243℃,但它们的升阻比随着x的增大而不断减小,在x=15mol%时,只接近1个数量级。③实验还研究了加入MnO_2受主以提高材料升阻比的制备工艺,认为加入一定量的MnO_2在适当温度及气氛中烧结、一定温度下热处理可以提高材料的升阻比。