低直流电压用BaTiO3基PTCR陶瓷的制备及其性能研究

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BaTiO3基正温度系数电阻(PTCR)陶瓷是一种应用广泛的热敏元件,其在低直流电压领域中的使用要求具有较低的室温电阻率。但陶瓷室温电阻率的降低会导致其耐电压强度的恶化,因此制备低阻高耐压BaTiO3基PTCR陶瓷是需要解决的难点问题。  本文分别以(Ba0.881Pb0.074Sr0.02Ca0.025)TiO3及(Ba0.881Pb0.02Sr0.074Ca0.025)TiO3陶瓷为基体,研究制备工艺、施受主掺杂、烧成工艺等对陶瓷性能的影响。  实验通过对比确定最佳陶瓷制备工艺方案为:一次配料将BaCO3、SrCO3、CaCO3及Pb3O4粉体分别与TiO2粉体混合,采用固相反应法预先合成BaTiO3、SrTiO3、CaTiO3、PbTiO3粉体,二次配料再加入施、受主掺杂剂和烧结助剂。二次配料时添加施主掺杂剂制备陶瓷的晶粒尺寸比一次配料时添加施主掺杂剂制备陶瓷的晶粒尺寸略小。一次配料时添加施主掺杂剂能有效促进陶瓷晶粒半导化。  以(Ba0.881Pb0.074Sr0.02Ca0.025)TiO3陶瓷为基体,研究Y2O3施主掺杂、高温烧成温度及降温时低温保温温度对陶瓷相组成、表面形貌及电性能的影响。随着施主杂质Y2O3添加量的增加,陶瓷的室温电阻率先减小后增大,当Y2O3添加量为0.26mol%时,陶瓷室温电阻率最小为74Ω·cm。一定温度区间内,烧成温度的升高使陶瓷晶粒尺寸增大,室温电阻率降低,当烧成温度为1280℃时,制备陶瓷的室温电阻RRT为8.0Ω,温度系数α为14.22%/℃,升阻比lg(ρmax/ρRT)为4.63。继续升高温度,陶瓷晶粒异常生长,室温电阻率增大。降低低温保温温度可进一步减小陶瓷的室温电阻率,但一定程度上会减弱其PTC效应与耐电压强度。当低温保温温度为1045℃时,制备陶瓷的室温电阻RRT为4.4Ω,温度系数α为13.8%/℃,升阻比lg(ρmax/ρRT)为4.46,耐电压强度E为100V·mm-1。继续降低温度,陶瓷的PTC效应与耐电压强度急剧恶化。  以(Ba0.881Pb0.02Sr0.074Ca0.025)TiO3陶瓷为基体,研究最佳Y、Mn掺杂量、降温时低温保温温度、低温保温时间及Y、Nb双施主掺杂对陶瓷相组成、表面形貌及电性能的影响。随着Y2O3添加量的增加,陶瓷的室温电阻率先减小后增大,当Y2O3添加量为0.26mol%时,陶瓷室温电阻率最小为44.8Ω·cm。当Y2O3添加量大于临界施主浓度时,随着Y2O3添加量的增加,陶瓷的晶粒尺寸逐渐减小。随着MnCO3添加量的增加,陶瓷的晶粒尺寸、室温电阻率、温度系数、升阻比及耐电压强度均增大。当MnCO3添加量为0.07mol%,制备陶瓷的室温电阻RRT为5.4Ω,温度系数α为11.6%/℃,升阻比lg(ρmax/ρRT)为4.1,耐电压强度E为76V·mm-1。提高低温保温温度可进一步增强陶瓷的耐电压强度,但一定程度上会减弱其PTC效应,并且使其室温电阻率增大。当低温保温温度为1090℃时,制备陶瓷的室温电阻RRT为7.4Ω,温度系数α为12.4%/℃,升阻比lg(ρmax/ρRT)为4.28,耐电压强度E为126V·mm-。随着低温保温时间的增加,陶瓷的室温电阻率、温度系数、升阻比及耐电压强度均增大。随着Nb2O5添加量的增加,陶瓷的晶粒尺寸逐渐减小。在一定范围内,随着Nb2O5添加量的增加,陶瓷的室温电阻率增大,耐电压强度增强。
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