题名BaTiO3基复合NTC热敏电阻材料微观形貌及其电学性能研究
作者桑旭
答辩日期2020-08-22
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师张惠敏
关键词NTCR热敏材料 复合材料 线性拟合
学位名称硕士
学位专业材料物理与化学
英文摘要

负温度系数热敏电阻(NTCR,Negative Temperature Coefficient Resistance)具有高灵敏度、快响应、低成本、易制备等众多优点,被广泛应用于制造业、医疗、航空航天等领域。目前,不同尖晶石结构材料体系与钙钛矿结构材料体系构成的NTCR多应用于低温、常温与常温、高温等环境。但是随着航空航天、深空探测的发展,对中低温区用热敏材料的需求变得十分迫切。因此探索一种可在中低温下应用的NTC热敏电阻材料十分重要。本文试图采用复合材料的方式,利用复合材料的乘积效应及电流渗导理论,将高阻值材料(高温材料)与低阻值材料相(低温材料)复合,以期达到调节热敏陶瓷材料工作温度范围的目的。以钙钛矿结构高阻相BaTiO3材料为基相,通过与低阻相La1-xCaxMnO3(0≤x≤1)、Mn0.6Ni0.65Cu0.9Fe0.85O4材料复合,优化复合热敏陶瓷材料烧结温度、复合含量使复合热敏材料满足中低温区(-120 ℃~350 ℃)应用。本文采用传统固相法研究了不同烧结温度下的(BaTiO3)1-y-(LaMnO3)y (0.125≤y≤0.5)、(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(La1-xCaxMnO3)y(0≤x≤1; 0.125≤y≤1)与(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y- (Mn0.6Ni0.65Cu0.9Fe0.85O4)y (0.125≤y≤1)复合热敏陶瓷材料体系相结构、表面形貌以及电学特性。采用TG/DSC、XRD、SEM、EDS、XPS与电阻-温度等测试分析手段对复合热敏陶瓷材料进行了分析与表征。具体研究如下所示:(1)采用传统固相法制备了(BaTiO3)1-y- (LaMnO3)y (0.125≤y≤1)复合热敏陶瓷材料。通过XRD分析确定复合热敏陶瓷材料呈四方晶系。在1200 ℃~1300 ℃烧结温度范围内,复合热敏陶瓷材料电阻率随复合含量的增加而降低。复合热敏陶瓷材料室温电阻率与B值的取值范围分别为2.87×105 Ω·cm~3.77×108 Ω·cm,2119 K~3920 K。根据复合热敏材料中测试的B值与烧结温度的关系,对实验结果的拟合获得B值与烧结温度的相互关系式,经实验结果拟合的B值与实验B值偏差小于200 K。(BaTiO3)1-y-(LaMnO3)y热敏材料的工作温区在0℃~350 ℃。(2)固相法制备了(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(La1-xCaxMnO3)y (0≤x≤1; 0.125≤y≤0.5)复合热敏陶瓷材料。经XRD分析可知,随着复合含量的增加复合热敏陶瓷材料由立方钙钛矿结构向四方晶系转变。研究发现La3+对复合热敏陶瓷材料晶粒尺寸具有抑制作用,随着Ca2+含量的增加,复合热敏陶瓷材料室温电阻率先减小后增大。复合热敏陶瓷材料室温电阻率与B值的取值范围分别为235 Ω·cm~4.49×108 Ω·cm,2357 K~6052.3 K,复合材料遵循极化子(Mn3+/Mn4+与Ti3+/Ti4+)跳跃导电模型。经验证(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(La1-xCaxMnO3)y复合热敏材料适用于此前实验结果拟合的B值与烧结温度的关系式,经实验结果拟合的B值与实验B值的偏差小于100 K。(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(La1-xCaxMnO3)y热敏材料的使用工作温区在-125 ℃~350 ℃。(3)固相法制备了(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(Mn0.6Ni0.65Cu0.9Fe0.85O4)y (0.125≤y≤1)复合热敏陶瓷材料。经XRD分析可知,在不同的复合含量下复合热敏陶瓷材料均呈现尖晶石与钙钛矿两种相结构。复合热敏陶瓷材料电阻率随着复合含量的增加而减小。复合热敏陶瓷材料室温电阻率与B值的取值范围分别为1.6×104 Ω·cm~2.51×108 Ω·cm,2815 K~3416 K,复合材料以低阻值尖晶石与高阻值钙钛矿形成的导电网络导电(遵循渗流模型)。经实验结果拟合的B值与烧结温度的关系式具有普适性,可应用于钙钛矿与尖晶石的(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(Mn0.6Ni0.65Cu0.9Fe0.85O4)y复合材料中,其中实验结果拟合的B值与实验B值偏差小于50 K。(Ba0.5Sr0.5TiO3)1-y-(Mn0.6Ni0.65Cu0.9Fe0.85O4)y热敏材料的使用工作温区在-40 ℃~350 ℃。

内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/7459]  
专题新疆理化技术研究所_材料物理与化学研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
桑旭. BaTiO3基复合NTC热敏电阻材料微观形貌及其电学性能研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2020.
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