氧化锌基陶瓷的冷烧结制备及电学性能研究

【摘要】：氧化锌(ZnO)具有较宽的带隙和较大的激发结合能,在热电、气体传感器、太阳能电池和压敏电阻等方面有着广泛的应用前景。但是,传统的高温烧结引起晶粒长大,弱化其导电性能,并造成大量的能源消耗。因此,降低烧结温度和减小晶粒尺寸具有重要意义。冷烧结法可以在较低温度下制备出高度致密化的陶瓷,且陶瓷的晶粒尺寸在致密化过程中几乎不生长。本论文采用冷烧结法成功制备出ZnO基陶瓷,系统研究了冷烧结的基本原理及热处理工艺对陶瓷显微结构和电学性能的影响。以乙酸溶液作为溶剂,系统研究了乙酸浓度、烧结温度和保温时间对氧化锌陶瓷冷烧结特性的影响。研究发现,当乙酸浓度为1 mol.L-1、烧结温度为260℃、保温时间为1 h时,冷烧结法可以制备致密度高达97.5%的氧化锌陶瓷,且晶粒尺寸控制在1 μm以下。通过高温热处理改变氧化锌粉体的尺寸和反应活性,同时改变液相溶剂的种类,对冷烧结的机理进行了探索。研究发现,采用乙酸锌溶液作为溶剂,同样可以获得与乙酸相似的致密度和显微结构,表明提供合适的沉淀源并实现沉淀的转化是冷烧结的关键。对氧化锌原料在800℃、1000℃和1200℃分别进行处理,研究发现随着原始颗粒尺寸的增大,冷烧结陶瓷密度有所降低,表明氧化锌的原始颗粒尺寸对冷烧结的实现至关重要。对冷烧结氧化锌陶瓷在不同温度和气氛下进行了热处理。研究发现,热处理后陶瓷的结晶性得到改善,晶粒略有增大,但是其尺寸仍然保持在2μm以下。值得注意的是,在惰性气氛(氩气)、500℃条件下可获得最高电导率 16.4S/cm,Seebeck 系数为-370μV.K-1,功率因子为230μW.m-1K-2,这与惰性气氛热处理提高了陶瓷的结晶性并形成了大量氧空位有关。采用共沉淀法合成了不同铝含量的氧化锌铝(ZAO)粉体,以乙酸溶液为溶剂,采用冷烧结法成功制备了致密度高达96.0%,晶粒尺寸约为200 nm的氧化锌铝陶瓷。进一步对ZAO陶瓷在900℃氩气气氛中进行热处理,陶瓷的电导率在铝掺杂量为0.5%时达到最大值458.7 S/cm。本课题的研究表明,采用冷烧结技术可获得高性能的氧化锌基陶瓷。