碱土金属离子掺杂Co-Mn-Ni-O系热敏材料电荷输运机制研究

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在NTC热敏电阻研究领域,尖晶石型过渡金属氧化物Co-Mn-Ni-O因其良好的性能,被广泛的应用于温度测量与控制、温度补偿、抑制浪涌电流等领域。但由于NTC应用领域非常广泛,测量区间从20 K~1200 K左右,鉴于目前研究的材料体系,不能适用于所有领域,因此,需要对NTC热敏材料体系的导电机制进行规律性的研究,使它可适用于更多的领域。本论文以Co-Mn-Ni-O体系为主体,选用碱土金属Ca、Mg、Sr、Ba离子进行掺杂。通过采用不同的制备方法以及不同的组分配比,结合激光粒度分析、XRD、SEM、TG/DSC和电性能测试等手段对制备的粉体和陶瓷材料进行分析和表征。主要研究结果如下:(1)采用水热法制备了Co1.5Mn1.2Ni0.3O4粉体,当反应条件为210℃,8 h时,样品表面孔隙最少,晶粒生长均匀,致密性最好,样品的表面形貌达到最佳。当烧结温度为1200℃时,Co1.5Mn1.2Ni0.3O4陶瓷片晶粒完全长大,出现较明显的晶界、晶粒,致密度最好。(2)采用水热法制备了Co1.5-xCaxMn1.2Ni0.3O4(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)单相粉体材料,粉体的粒径随着掺杂量的增大而减小。当x=0.4时晶粒生长均匀,致密性最好,晶粒、晶界最为明显。该材料的电阻率和B值均随着Ca离子含量的增加而减小。电阻率ρ25与材料常数B25/50,激活能Ea值的变化范围分别为1108.61Ω·cm~416.17Ω·cm和3804 K~3320 K,0.3282 e V~0.2864 e V。(3)采用传统氧化物固相法制备了Co1.5-xCaxMn1.2Ni0.3O4(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)单相粉体材料。随着Ca离子含量的增加,衍射峰向小角度偏移。该材料的电阻率和B值均随着Ca离子含量的增加而减小。其室温电阻率ρ25,材料常数B25/50,激活能Ea变化范围分别为:1291.5Ω·cm~180.8Ω·cm,3860 K~3077 K,0.333e V~0.2655 e V。(4)采用传统的氧化物固相法制备了Co1.1M0.4Mn1.2Ni0.3O4(M=Mg,Ca,Sr,Ba)粉体,粉体的XRD分析表明,均形成了单一的尖晶石结构,没有第二特征峰的出现。随着原子序数的增大,衍射峰向低角移动。1200℃烧结的Co1.1M0.4Mn1.2Ni0.3O4(M=Mg,Ca,Sr,Ba)陶瓷材料表面SEM表明,Mg离子、Sr离子和Ba离子有改善陶瓷微观结构,增加陶瓷均匀性的作用。(5)陶瓷材料的电性能结果表明,Co1.1M0.4Mn1.2Ni0.3O4(M=Ca,Mg,Sr,Ba)陶瓷材料随着原子序数的增大,材料常数B值呈现先减小再增大的趋势,电阻率ρ25呈现出先减小再增大的过程。电阻率ρ25、材料常数B25/50和激活能Ea的值变化范围分别为:1206.7Ω·cm~443.2Ω·cm,3881 K~3521 K,0.3348 e V~0.3038 e V。
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