TiO_2基低压压敏陶瓷材料的制备与性能研究

【摘要】：TiO_2基压敏陶瓷是一种具有压敏特性的半导体功能材料，其突出的优点是压敏电压低和介电常数高等，可用于低压领域起过电压保护和浪涌吸收的作用，越来越受到人们的关注。本论文以TiO_2为主晶相，通过添加几种氧化物对TiO_2压敏陶瓷进行掺杂改性，以降低压敏电压，提高非线性系数，改善介电性能。 要想获得电压非线性特性，首先必须使陶瓷晶粒半导化。本论文首先添加不同Nb源掺杂剂进行施主掺杂，分别对比了氧化铌（Nb_2O_5）和草酸铌（C_(10)H_5NbO_(20)）掺杂对TiO_2压敏陶瓷微观结构和电性能的影响。结果表明，氧化铌和草酸铌施主掺杂都能促进TiO_2压敏陶瓷的半导化；草酸铌的掺杂改性优于氧化铌，这主要与草酸铌的水溶性使其在瓷体内部分布比较均匀有关。随着氧化铌或草酸铌掺杂量的增加，样品的压敏电压和非线性系数都是先减小后增大，而介电常数先增大后减小。 为了进一步提高所研究材料的电压非线性系数，我们尝试提高晶界势垒。在草酸铌施主掺杂的基础上，我们引入了CaCO_3作为受主掺杂。结果表明，少量的Ca~(2+)固溶到TiO_2晶格中，促进晶粒长大，降低了压敏电压；大部分Ca~(2+)存在于晶界，有利于晶界势垒的形成，提高了非线性系数。过量掺杂会使样品内部气孔和缺陷增多，性能变差。当CaCO_3掺杂量为1.5wt%时，样品的综合性能最好，压敏电压约为10.3V，非线性系数约为5.5，介电常数达到1.21×10~5，介电损耗约为0.113。烧结温度对样品性能起到关键的作用，提高烧结温度，样品的压敏性能和介电性能都有所改善。 在氧化铌施主掺杂的基础上，我们添加CuO进行掺杂改性。结果表明，掺杂CuO会阻碍晶粒生长，晶粒尺寸有所减小，压敏电压增大，非线性系数也明显增大；过量掺杂会使样品内部气孔和缺陷增多，介电常数减小，介电损耗增大。这是由于CuO高温下会分解成Cu_2O和O_2，离子半径较大的Cu~+会在晶界处积聚，阻碍晶粒长大，导致压敏电压增大；而分解出的O_2会少量吸附在晶界，使得界面态密度增大，提高晶界势垒，从而使非线性系数增大。当CuO掺杂量为0.1wt%时，样品的综合性能最佳，压敏电压约为40.7V，非线性系数约为8.03，介电常数为8.74×10~3。