低膨胀导电陶瓷的制备与性能研究

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本文研究了新的低膨胀导电氧化物陶瓷系统,涉及ZrO2(TiO2)-Ta2O5、Sb2O3(Ta2O5,Cr2O3)-SnO2、R2O3-TiO2-Cr2O3系统。用烧结法制备出多种类型的低膨胀导电陶瓷。采用绝缘电阻仪、热膨胀仪(TD)、X-射线衍射分析仪(XRD)、电子显微镜(SEM)等仪器对导电陶瓷的电导性、热膨胀性和晶体结构进行了研究;讨论了导电陶瓷的低膨胀机理和电导率与组成、结构的依存关系。结果表明:1、在Ta2O5基导电陶瓷材料中,二元ZrO2-Ta2O5陶瓷表现出在较大组成范围有低热膨胀性。在X(掺杂金属原子摩尔百分比)等于13~66.6%的范围,陶瓷的热膨胀系数为0.82~6.22×10-6K-1,热膨胀系数随掺杂金属原子百分比X的增加而增大;在X小于13%的范围,表现出负膨胀:在X=2.0~10%之间,热膨胀系数为-3.231×10-6K-1~-4.730×10-7K-1。Ga2O3-Ta2O5陶瓷在低掺杂量时出现负膨胀,在X=4~10%时,热膨胀系数为-1.43×10-7K-1~-2.41×10-6K-1。二元TiO2-Ta2O5陶瓷在X=2~20%的范围,膨胀系数都小于2.5×10-6K-1,随着TiO2的掺杂百分比的增加,先增加后降低,趋于1.5×10-6K-1。ZrO2-Ta2O5陶瓷的电导率在低组分比的时候,随着ZyO2组分的增加,820℃的电导率逐渐升高,当X=16%时,电导率达到最大值0.385×10-3S/cm。当X≥16%时,随着掺杂比例的增加电导率逐渐降低,对应高于200~820℃的电导活化能为0.90eV。TiO2-Ta2O5陶瓷随着TiO2的百分比的增加,820℃的电导率先升高后降低,在X=2.0~20%的范围,电导率0.261~2.422×10-3S/cm,当X=4.2%时达到最大值,对应高于200~820℃的电导活化能为0.77eV。2、在SnO2基导电陶瓷材料中,Sb2O3-SnO2系统陶瓷在X=0.5~3%,820℃的电导率为0.25~3.013×10-3S/cm,当X=1.70%,电导率有最大值3.013×10-3S/cm,对应于30~400℃的电导活化能为0.04eV,400~800℃的电导活化能为0.22eV:其膨胀系数在4.0~4.7×10-6K-1之间。Ta2O5-SnO2系统陶瓷在X=0.5~3%,820℃的电导率为0.44~9.42×10-3S/cm,当X=1.6%,电导率有最大值9.42×10-3S/cm;其膨胀系数在2.81~4.42×10-6K-1之间。Cr2O3-SnO2系统电导率随X先升高后降低,在X=15~83%的范围,820℃的电导率为0.22~3.37×10-3S/cm,当X=55.6%时,有最高值3.37×10-3S/cm,随着Cr2O3量的增多电导率又呈下降趋势,其电导活化能为0.99eV;其膨胀系数在4.5~6.7×10-6K-1范围。3、TiO2-Cr2O3系统陶瓷的电导率很高,在X=5~95%的范围,820℃的电导率为1.1~62.7×10-3S/cm,当X=29.41%时,有最高值62.7×10-3S/cm;其膨胀系数在5.8~8.5×10-6K-1范围;4、多组分系统导电陶瓷R2O3-TiO2-Cr2O3系统中以Al2O3、Y2O3、La2O3替代TiO2,替代量为20%,40%,60%和80%时,820℃的电导率为0.29~4.75×10-3S/cm,膨胀系数为5.78~7.35×10-6K-1。Ta2O5-Sb2O3-SnO2系统陶瓷以Ta2O5和Sb2O3同比例掺杂SnO2,掺杂量为0.5~2.5%,820℃的电导率为0.34~1.78×10-4S/cm,膨胀系数为4.17~4.75×10-6K-1。Sb2O3/CuO-Cr2O3-SnO2系统陶瓷中,不同比例组成陶瓷820℃的电导率为0.06~4.17×10-3S/cm;膨胀系数为3.74~6.29×10-6K-1
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