掺杂或复合氧化物压敏陶瓷材料的结构及电性能研究

【摘要】：压敏材料由于其优异的电学非线性行为,在电子元器件的保护,避雷器和输电线路过压保护等方面得到了广泛的应用,以WO_3 或TiO_2 为主要成分的新型压敏材料的研究目前正处于深入开展的阶段,很多问题需要进一步研究,这正是本文选取WO_3和TiO_2为研究对象的原因。 本文用掺杂和复合两种不同方法制备了三个不同系列的样品,研究了掺杂量或复合量及其他制备工艺对压敏材料重要特性的影响,并在实验研究的基础上进行了一些理论和模型分析。主要的工作和结果有下面几点: (1) 在Y_2O_3 掺杂量为0.2-2mol%的范围内研究了Y_2O_3 掺杂对WO_3 的非线性伏-安特性及介电性能的影响。实验结果表明:随着Y_2O_3掺杂量的增加,样品的非线性系数先增大后减小,在Y_2O_3掺杂量为0.8mol%附近达到最大值(3.61); 样品的介电常数(在1kHz 频率下测量)也是先增大后减小,其最大值(1.16×104)出现在Y_2O_3含量为1.2mol%附近的样品中。测量了各样品的阻抗频率依赖关系,并由此估算了不同Y_2O_3 含量样品的晶粒电阻,利用德拜弛豫关系式解释了Y_2O_3 掺杂引起WO_3 介电常数与晶粒电阻变化的关系。 (2) 研究了Sr 掺杂对TiO_2·Nb_2O_5系陶瓷压敏非线性伏-安特性及介电性能的影响。研究结果表明:非线性系数的最大值(13.15)出现在SrCO3掺杂量为0.75mol%的样品,最大的介电常数1.33×104(在1kHz 下测量)出现在Sr 掺杂量为1.0mol%的样品中,说明Sr 掺杂的TiO_2·Nb_2O_5 系陶瓷是一种较为理想的压敏-电容器。为了进一步说明晶界势垒的形成,引入了晶界缺陷模型,该模型能很好的解释Sr 掺杂的TiO_2·Nb_2O_5 系陶瓷的非线性电学行为产生的原因。 (3) 探索了用复合方法制备Cu/TiO_2 复合压敏材料的可能性,测量了样品的非线性伏-安特性及介电性能。研究结果表明:随着Cu 含量的增加,复合样品可以呈现出明显的非线性特征,在Cu 含量为30mol%时,非线性系数达到3.33。对样品介电性能的研究表明,Cu 含量的增加,有利于降低样品晶界电阻和提高样品在低频下的介电常数。同时,为了进一步研究这类复合材料的介电性能,我们根据样品的复阻抗谱图像,建立了相应的模拟等效电路。用这种复合方法制备的样品的非线性系数虽然还不大,但