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针对日益扩大的导电填料市场需求,为解决我国导电粉体材料存在的品种单一、电导率低、颗粒形貌差等问题,本文进行了导电氧化锌粉体的制备和性能研究,主要研究工作如下:
1.对共沉淀-煅烧法制备导电氧化锌粉体的工艺过程进行了系统研究。利用Zn2+离子和掺杂离子的共沉淀方法合成了碱式碳酸锌前驱物,全面考察了反应过程中发生共沉淀反应的温度、pH值、反应物浓度和反应原料对前驱物颗粒形貌、团聚及导电性能的影响;研究了由前驱物制备导电氧化锌粉体的热处理过程中煅烧温度、恒温时间、反应气氛与产物性能之间的关系;确立了共沉淀-煅烧法制备导电氧化锌粉体的合理工艺参数,制备出了分散性能良好、粒径分布比较均匀、颗粒尺寸在10~30m范围内的导电氧化锌粉体。
2.设计并探索了一些新型制备导电氧化锌粉体的方法,包括共沉淀-微波等离子体热解法、均匀沉淀-煅烧法、共沉淀-水热-煅烧法和酯化反应法。研究了这些方法制备导电氧化锌粉体的工艺过程及产物性能,对各种方法的优缺点进行了比较分析。
3.结合ZnO能带结构(BandStructure,BS)和电子态密度(DensityofStates,DOS)的理论模拟结果,分析了n-型掺杂对ZnO导电性能的影响规律。
运用梯度修正的局域密度近似理论(Generalized-Gradient-CorrectedLocalDensityApproximation),采用基于平面波的几何优化(GeometryOptimization)赝势法,对包含32个原子的n-型掺杂氧化锌的能带结构和电子态密度进行模拟。分析了费米能级处掺杂原子各轨道的PDOS(PartialDOS)对TDOS(TotalDOS)的贡献,及其扩展与杂化情况,在理论上阐述了ZnO掺杂Ga3+、Al3+和In3+后具有优良导电性能的原因,并且对y3+和Sc3+掺杂的情况进行了讨论。结合理论模拟结果,在实验中分别对不同比例Ga3+、Al3+、In3+、Y3+、Sc3+和混合掺杂导电氧化锌粉体的电阻率进行了测定比较,参考离子半径错配度和载流子散射机理对电阻率的变化趋势进行了讨论,确定了不同需求情况下导电氧化锌粉体的合理掺杂工艺。研究结果表明,上述掺杂离子中Ga3+离子掺杂效果最好,掺杂比例为2.2mol%时制得的导电氧化锌粉体的电阻率为3.0Ω·cm
4.对导电氧化锌粉体作为功能填料使用时添加比例过高的问题进行了探讨。导电氧化锌粉体作为导电填料使用时,一般需要较高的添加比例,大大影响了其使用性能。为此,提出了包括表面改性、表面包覆和针状导电粒子制备三种可能的解决方案,以实现在降低导电氧化锌粉体添加比例的同时尽可能地提高其填充效果。具体研究内容包括:采用钛酸酯和硅烷偶联剂对导电氧化锌粒子进行了表面改性实验,以改善氧化锌颗粒在聚酯中的填充效果;利用原位氮化法,进行了导电氧化锌粒子表面包覆TiN的实验研究;通过调节共沉淀反应的pH值,成功制备出了针状的碱式碳酸锌前驱物粒子,通过控制煅烧过程,制备出从针状到链状到类球状的导电氧化锌粒子。