LaCrO3-Mg(Al1-xCrx)2O4复合热敏陶瓷的制备及性能研究

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目前能实际应用的高温NTC热敏电阻还较少,因此需研究新型高稳定性、宽温区的高温NTC热敏电阻材料,以满足应用需求。MgAl2O4是一种典型的尖晶石结构(AB2O4)化合物,其化学性质非常稳定,熔点高(>2200℃)。但由于MgAl2O4电阻率很高,不能被直接应用于高温热敏电阻器。本研究通过离子取代和复合高电导相材料的办法对其电性能进行改进。本文以MgAl2O4为基体材料,研究Cr离子取代部分Al离子对材料的电导率的影响,并研究其导电机理;采用常规烧结与真空热压烧结制备Mg(Al1-xCrx)2O4陶瓷材料,研究不同烧结方法对材料电性能及结构的影响;随后与高稳定性、高电导率的LaCrO3复合,研究复合材料的复合度、结构和电性能之间的关系,并对复合陶瓷材料进行老化试验,研究其老化机理。主要研究结果如下:  1.通过常规烧结方法成功制备了Mg(Al1-xCrx)2O4陶瓷材料,其相结构为与MgAl2O4(JCPDF21-1152)同构的立方尖晶石相,该材料在500~1000℃测试范围内,随着测试温度的升高其电阻率逐渐降低,表现出负温度系数特性。Mg(Al1-xCrx)2O4陶瓷样品的ρ500、B500/800、Ea数值,其变化范围分别为2.67×103~3.72×107Ωcm,6731~11886K,0.581~1.025eV。当材料中Cr掺杂量的增多时,电阻率逐渐降低。这是由于Cr3+离子取代部分Al3+,在高温烧结过程中有铬挥发,会产生空穴,为达到电荷平衡,部分Cr3+变为Cr4+,在Cr3+和Cr4+之间会发生跳跃导电,随着Cr离子浓度的提高,其电阻率降低。  2.采用常规烧结和真空热压烧结制备Mg(Al1-xCrx)2O4陶瓷材料,研究不同烧结方法对陶瓷材料微观结构和电性能的影响。两种方法制备的陶瓷材料,其相结构都为与MgAl2O4(JCPDF21-1152)同构的立方尖晶石相。经真空热压烧结后,其平均晶粒尺寸为200~500nm纳米级,且烧结致密性有很大提高,在x=0.3时达到最大值92.3%,而常规烧结陶瓷材料在x=0.3时为77.7%。真空热压烧结过程中,外界给予的机械压力为材料中晶界移动、粒子重排提供了驱动力,低氧分压抑制了Cr挥发,从而提高了材料的致密性。当测试温度升高时,材料的电阻率下降,具有负温度系数特性。由于真空热压烧结过程中,Cr挥发量减少,导致Cr4+离子减少,使电阻率增加,使得真空烧结材料样品有更高的电阻率和B值。  3.采用常规烧结法成功制备了LaCrO3-Mg(Al07Cr0.3)2O4复合陶瓷材料,该材料为两相复合材料,存在与MgAl2O4(JCPDS21-1152)同构的立方尖晶石相和LaCrO3(JCPDS24-1016)钙钛矿相。复合热敏电阻材料的ρ300、B400/800、Ea值的变化范围分别为1.55×102~1.41×108Ωcm、756~11317K、0.065~0.976eV。可以通过调节LaCr03含量,对复合陶瓷材料的电性能进行大幅度的调节。由于渗流现象,复合陶瓷材料在复合度为0.1~0.2时其电阻率、B值发生剧烈下降。对0.2LaCrO3-0.8Mg(Al07Cr03)2O4复合陶瓷材料制成热敏电阻元件在900℃条件下进行700h的高温老化实验,结果表明在前400h的老化实验中,其电阻漂移率较大,最高可达11.7%,随着老化时间延长电阻漂移率下降,老化500h后其电阻漂移率均在6%以内。真空热压烧结制备0.2LaCrO3-0.8Mg(Al07Cr03)2O4复合陶瓷材料,随着烧结温度的升高,其致密度降低,导致电阻率升高。
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