鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻無鉛化研究及性能優(yōu)化.pdf

1、本文主要進(jìn)行了鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻元件無鉛化的研究，并總結(jié)了實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)元件除居里溫度之外其它性能的優(yōu)化。我們的研究目的在于響應(yīng)環(huán)境保護(hù)的呼聲，尋找合適的鉛替代物以減小它對(duì)環(huán)境和人類帶來的危害，并提高元件的性能指標(biāo)。研究過程中，我們力求加深對(duì)鈦酸鋇系元件微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)并提出自己較為新穎的看法。目前主要取得了如下成果:
　　(1)結(jié)合鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻理論模型的指導(dǎo)，開發(fā)出能夠顯著降低元件晶界氧含量從而降低元件室溫電阻

2、率的熱處理方法。該方法利用一定的降阻試劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多阻值元件電阻的調(diào)節(jié)。該方法一方面有利于回收企業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的電阻過大的元件，能夠創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值;另一方面促進(jìn)了我們對(duì)鈦酸鋇系元件晶界模型認(rèn)識(shí)的加深?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，我們提出了半定量的晶界模型。該模型解釋了氧含量變化對(duì)元件電阻溫度特性的影響，也明確了自發(fā)極化補(bǔ)償晶界受主態(tài)的程度。
　　此外，結(jié)合對(duì)其它類型受主作用的分析，該模型有助于判斷制備無鉛元件時(shí)，添加劑向元件內(nèi)引入受主的程度。

3、上述實(shí)驗(yàn)方法已在企業(yè)中獲得良好的應(yīng)用，根據(jù)此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容申請(qǐng)的發(fā)明專利已經(jīng)取得授權(quán)。
　　(2)采用固相方法，制備了含有K0.5Bi0.5TiO3（簡(jiǎn)寫為KBT）的無鉛化鈦酸鋇系元件。通過添加純相KBT和分開添加K2CO3、 Bi2O3和TiO2兩種添加方式，結(jié)合不同的技術(shù)手段，制備出了實(shí)用性強(qiáng)的無鉛化元件。元件具有高于鈦酸鋇的居里溫度（135℃左右）和極低的室溫電阻率(13.84Ω·cm)。這一結(jié)果說明添加KBT會(huì)大幅增加元件室溫電

4、阻的問題可以克服，為進(jìn)一步增加KBT含量奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的過程中，我們提出了在K2O和Bi2O3熔點(diǎn)附近增加保溫階段的燒結(jié)制度。該方法有效促進(jìn)了元件居里溫度的提高和室溫電阻的降低，也豐富了我們對(duì)燒結(jié)過程熱動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)。
　　(3)采用固相方法，將KBT與鉛按照一定比例共同添加，獲得了居里點(diǎn)在200℃的元件。與具有同樣居里點(diǎn)的含鉛元件相比，元件中鉛含量下降了50％。此成果有效減少了元件中的鉛含量，實(shí)現(xiàn)了高溫

5、發(fā)熱體中鉛的部分替代。
　　(4)進(jìn)行了添加Ca、Y、Na0.5Bi0.5TiO3（簡(jiǎn)寫為NBT）和KBT的研究，制備出居里點(diǎn)各異的元件。綜合對(duì)比各組實(shí)驗(yàn)過程，我們發(fā)現(xiàn)晶界應(yīng)力是能夠抑制元件居里點(diǎn)提高的不利因素。這說明無鉛化研究中，晶界結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布是影響材料性能的兩個(gè)重要因素，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了優(yōu)化元件制備技術(shù)的必要性。
　　(5)采用分開添加K2CO3、Bi2O3和TiO2的方式，將元件的電阻溫度系數(shù)從16％/℃提高到了53％/

6、℃，大幅度提高了元件的靈敏度。該結(jié)果說明晶界上殘余的K起到了表面受主態(tài)的作用，對(duì)電阻溫度系數(shù)的提高做出了較大貢獻(xiàn)。另外，元件居里溫度在此實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)生變化的事實(shí)，說明燒結(jié)過程中，K和Bi揮發(fā)較多而未能有效提高居里點(diǎn)，也表明在微觀局域范圍，K和Bi是否具有1∶1的摩爾比例對(duì)元件居里點(diǎn)的提高非常重要。
　　(6)基于熔融態(tài)晶體冷卻析出的相關(guān)理論，我們提出了在K2O和Bi2O3的熔點(diǎn)附近增加降溫冷卻階段的燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)有效提高了元

7、件的半導(dǎo)化效率，使元件的室溫電阻率從514.55Ω·cm下降到112.95Ω·cm（降幅80％）。
　　利用冷卻析出的晶體會(huì)優(yōu)先在晶界缺陷較多位置結(jié)晶的理論，上述增加降溫冷卻階段的技術(shù)是陶瓷燒結(jié)上較為新穎的制備手段。結(jié)合液相燒結(jié)的相關(guān)理論，該技術(shù)完全可以移植到其它富含液相的陶瓷元件制備過程中。
　　基于上述成果，我們對(duì)鈦酸鋇系元件的認(rèn)識(shí)得到了加深，并由此總結(jié)出制備無鉛元件必須解決的重要問題:
　　(1)元件中K和Bi不

8、僅僅需要達(dá)到配方層面1∶1的摩爾比例，在微觀結(jié)構(gòu)上，這一比例的實(shí)現(xiàn)對(duì)提高居里點(diǎn)十分重要;
　　(2)作為鉛替代物的各類添加劑通常與鈦酸鋇具有不同的晶格常數(shù)，由此產(chǎn)生的晶界應(yīng)力是不利于居里點(diǎn)提高的因素。有效消除這一影響并保持元件較低的電阻率，才能最終制備出實(shí)用性較好的元件;
　　(3)由于PTC效應(yīng)起源于連貫性較差的晶界，使得元件性能容易受到少數(shù)晶界的調(diào)控，也就是說電學(xué)性能對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)和成分十分敏感。綜合各種添加劑的特性來設(shè)計(jì)