femnnio尖晶石型负温度系数热敏陶瓷的制备和老化性能研究

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1、摘要负温度系数(NegativeTemperatureCoefficient，NTC)陶瓷材料在温度测量、温度控制和温度补偿等方面得到广泛应用。NTC陶瓷的电阻率与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程关系：p=poexp(EJkT)，其中P是温度为丁时的电阻率，丘是电导活化能，缸是Boltzmann常数，丁是绝对温度，其温度敏感系数定义为fit=．B／严，其中B=巴侬。最常用的NTC陶瓷材料是具有尖晶石结构的3d过渡金属复合氧化物，如Mn．Ni．O，Mn—Ni．Co一0．Mn．Ni—Fe．O和Mn，Ni—Cu—O等，其电阻率和B值与阳离子分布有关，也与晶粒尺寸和晶界等微结构有关。另外，NTC陶

2、瓷的阻值随时间而发生变化，这种现象称为老化。通常认为，NTC的老化现象与阳离子在尖晶石结构中A．位和B．位之间的重新分布有关，但也有人认为与阳离子空位的迁移有关。本论文以Mn—Ni．Fe．0这一得到广泛应用的材料体系为对象，研究了其电学性能和老化现象，分析了尖晶石晶胞中阳离子分布的变化与热敏电阻老化的关系，探索了氮气气氛热处理和引入Zr02第二相等抑制老化的新方法。本论文第一章首先介绍了NTC热敏电阻的历史、基本参数、分类以及应用，并综述了我国目前的发展现状及国际上的发展趋势：然后讨沦了浚类材料的晶体结构、导电机理、阳离子分布和老化机理；最后还详细介绍了材料的制备方法。第二章研究了Fe

3、MnNi04热敏陶瓷的制备方法及其对电学性能的影响。采用Pechini方法制备氧化物粉体，发现控制乙二醇(EG)的含量可以调整粉体的一次粒径。～次粒径小的粉体可以在10500C较低的温度烧结致密，烧结体的晶粒较小，其电阻率和B值较大。烧结温度升高，尖晶石分解出的NiO相增多，导致电阻率和B值变大。研究还发现，对于1250。C烧结的样品，降温速率越大，电阻率和B值也越大第三章首先介绍了利用x．射线衍射方法研究阳离子分布的原理，并通过计算机模拟了阳离子分布对x一射线衍射强度的影响。然后，用x．射线衍射和红外吸收光谱方法研究了Fe。Mn2．34-xNi0．6604(O

4、Fe3+离子的占位情况，特别是老化前后Fe”离子分布的差异。结果表明：当x0．6时，新增加的中国科学技术大学博士论文摘芸Fe原子主要进入B位，电阻率显著增加。该系列样品在高Fe含量和低Fe含量时老化值较小，而在x=O．4．0．6时老化最大。x一射线衍射分析表明：对于老化大的样品，其I,220／1440值变化明显，这意味着更多的Fe3+离子在A位和B位互跳。第四章以Fe。Mn234_、Nio6604(0

5、的Zr02第二相均nJJ显著降低老化。通过对比在02气氛中和N2气氛中退火的样品的老化行为，分析了的刖能机制。Fep离子可能通过阳离子空位的跳动，在A位和B位之间重新分布。N2气氛退火可以有效地消除阳离子空位，Zr02第二相的存在也可能对阳离子空位有钉扎作用，所以都能有效地减小老化。第而章研究了Cu掺杂的Mn-Ni—Fe一0体系。发现掺入的Cu元素越多，电阻率和B值越低．这是因为电子传导不仅可以通过在Mn”离子和Mn4+离子之间的跳跃实现，还可通过Cu一离子和Cu”离子之间的跳跃实现。对于cuo3Feo5Mn¨4Nio6604，在150。C／1000小时处理，阻值变化高达19．9％，掺

6、cu样品的老化行为很可能由Cu+离子氧化成cu”离子所致。对于该样品，02和N2气氛退火均能降低老化，但效果有限。研究发现：掺入10mol％的Zr02相后，其老化显著降低，对该样品再经N2气氛退火处理后，老化更小，仅Ot3。Zr02粒子不仅有钉扎尖晶石相中阳离子空位的作用，还可能对Cu+离子氧化成Cu”离子有抑制作用。附录是我硕士期间的工作，合成了一种Ru系Ruddlesden—Popper结构的层状化台物Na2SrlsNb3-xRu。Olo(x=0．5，1．0，I．5)，并研究了其低温、高温电学性质和离子交换性质。中国科学技术大学博卜论文AbstractNegativeTempera

7、tureCoefficient(NTC)ceramicareincreasinglyusedinvariousindustrialanddomesticapplications，suchaselementsforthesuppressionofin—rushcurrent，fortemperaturemeasurementandcontrol，andforthecompensationofothercircuitelementsThespeci