包覆型粉体制备的NTC热敏材料及其性能研究

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负温度系数(NTC)热敏电阻作为常用的电子元器件,其主要特点是阻值随温度升高而降低,在航空航天、船舶海洋、机械机电等领域都有着广泛的应用。材料常数(B值)、电阻率(ρ)和老化率是NTC热敏电阻的关键参数,通过改变材料的化学成分或微观结构可以调控这些电学性能参数。本论文采用成分和微观结构双重调控来优化其电学性能,主要是通过包覆的方法,分别以Al2O3和LiMn2O4为壳层,镍锰尖晶石为核,制备出包覆型NTC粉体,并烧结得到NTC热敏材料。研究包覆结构、包覆量对其电学性能的影响规律,主要研究内容如下:(1)首先,采用溶胶凝胶法制备Ni0.7Mn2.3O4粉体,并用溶胶法在其表面包覆Al2O3,包覆比例分别为2 at%、5 at%、10 at%和15 at%。之后通过两步法在1550℃-1250℃下对包覆粉体进行烧结,研究了包覆量对B值、ρ、和老化率的影响规律。结果表明:不同包覆比例的样品均具有明显的NTC特性,随着A12O3包覆含量的提高,材料的晶粒尺寸减小,相对密度增大,其中,包覆15 at%Al2O3的样品相对密度达到96%;且随着Al2O3含量的增加,电阻率从2969Ω·cm增加到26787 Ωcm,B值从3816 K增加至4376 K,主要是因为随着包覆量的增加,一方面电阻率大的氧化铝相增多,另外一方面,晶粒尺寸逐渐变小,晶界数量增多,导致晶界势垒增加,最终使B值和电阻率增加;老化率均小于2%。此外,利用复阻抗分析,结果表明随着包覆含量的增加,晶界电阻会逐渐取代晶粒电阻在晶体内部的主导地位。(2)在Ni0.7Mn2.3O4粉体上包覆LiMn2O4材料,粉体制备方法同(1),烧结温度为1200℃。结果表明:随着LiMn2O4包覆量的增加,材料的相对密度先上升后下降,所制备的材料均具有明显的NTC特性;在包覆量在2%-15%内,材料常数和电阻率随包覆量的增加而增大,分别从2798 K增加到4197 K,2969 Ω·cm增加到4314Ω·cm,老化率随LiMn2O4包覆量的增加而减小;复阻抗分析表明在Ni0.7M2.3O4@LiMn2O4热敏电阻中,晶粒电阻均大于晶界电阻,晶粒和晶界的电阻均随温度的升高而减小。当LiMn2O4含量等于5 at%时,可以得到低电阻率,高B值的材料。
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