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论文总结了压敏电阻材料研究与发展现状,着重强调了低压压敏电阻材料研究和开发的重要意义。通过对比传统低压电阻材料,阐明了三氧化钨(WO3)陶瓷作为低压压敏材料的优势,分析了WO3压敏陶瓷研究和开发所存在的主要问题。文章以未掺杂烧结的WO3陶瓷为研究对象,分析了陶瓷压敏行为的物理机理,研究了过渡金属氧化物十一氧六镨(Pr6O11)和三氧化二铋(Bi2O3)掺杂对WO3陶瓷微观结构特征,烧结特性和电学行为的影响。
通过研究未掺杂的WO3陶瓷样品微观结构及形貌特征和电学行为特性,表明,WO3陶瓷的压敏特性与传统的氧化锌(Zno)和二氧化锡(SnO2)系压敏陶瓷有明显的不同,可能归结于不同的压敏行为机理；研究也显示,WO3陶瓷的压敏行为对不同的气氛非常的敏感。俄歇电子能谱(AES)分析表明,WO3陶瓷在冷却过程中晶粒表面吸附的氧组成了界面态,进一步在晶界形成势垒可能是WO3陶瓷压敏行为的起源。
通过大离子半径和低熔点的过渡金属氧化物Pr6O11和Bi2O3掺杂,课题首次在常规烧结条件下制备出了高致密度的WO3陶瓷样品。对WO3陶瓷烧结行为的研究结果表明,由于WO3熔点低在烧结过程中易产生分压,从而阻止陶瓷的致密化,所以烧结性能差无法获得致密的陶瓷样品。而通过引入掺杂元素Pr和Bi后,由于离子半径较大熔点较低在晶界形成液相,促进了烧结过程中物质传输作用从而起到了助烧结剂的作用。热机械分析(TMA)分析显示,液相烧结和固相反应作用是陶瓷致密化的主要机理。因此液相烧结是提高WO3致密性能一个有效手段。在高致密度的WO3陶瓷的基础上,论文首次研究了致密化的WO3陶瓷的微观结构和电学行为特性。实验结果表明,Pr6O11和Bi2O3掺杂使陶瓷结构由疏松多孔结构变成致密化的结构,且掺杂明显地促进了陶瓷晶粒的生长,更高浓度的掺杂使陶瓷的相结构发生了变化。
对陶瓷电学行为的研究表明,虽然Pr6O11和Bi2O3掺杂在很大程度上提高了陶瓷的致密性,但不能改善陶瓷的压敏性能。Pr6O11掺杂甚至使陶瓷的压敏特性随陶瓷致密度的提高而快速下降,直至消失为线性低阻值的欧姆电阻。而Bi2O3掺杂的WO3陶瓷低压特性显著,压敏系数略微下降但压敏电压值急剧减少,最低可达3V／mm。从论文的研究结果来看,为了进一步的提升WO3陶瓷的压敏特性使其实用化,除改善其致密性外,还需要添加其它合适的掺杂元素,以改善其压敏性能。