La1-xBaxCrO3-YSZ复合陶瓷的构筑及热敏特性研究

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NTC热敏电阻材料稳定性好、灵敏度高、价格低廉,广泛应用于温度测量与控制、抑制浪涌电流及温度补偿等领域。目前,实际用于宽温区的NTC热敏电阻还较少。太空中背光和向光连续测温等领域对宽温区NTC热敏电阻有广泛地需求,并且对稳定性有着很高的要求,因此需研究具有高稳定性的宽温区NTC热敏电阻。LaCrO3是一类典型的钙钛矿结构的材料,具有高的电学稳定性、热稳定性、化学稳定性和结构稳定性等特点。该材料可作为潜在的热敏陶瓷材料,这主要是由于该材料A、B位阳离子的稳定分布、不易重排,显示出极高的稳定性。但其在较高温时,电阻率较低无法使用。本文以LaCrO3为基体材料,通过离子取代和复合高阻相材料对其电性能进行了改进。使用高温固相法和低热固相法制备了La1-xBaxCrO3(x=0~0.2),研究了Ba2+对材料电性能等的影响;并探究了低热固相法中不同铬盐水合物对LaCrO3陶瓷制备的影响。YSZ材料具有化学性质稳定、耐腐蚀、高阻值等特征,因此制备了以YSZ为“核”、La0.8Ba0.2CrO3为“壳”具有“包覆结构”NTC热敏电阻,研究了不同“核”尺寸对NTC热敏电阻电性能的影响。随后以LaCrO3与YSZ复合,研究复合材料的复合度对陶瓷结构及电性能的影响;并研究了0.2LaCrO3-0.8YSZ在不同温度点的复阻抗,探究其导电机理。主要研究结果如下:  (1)高温固相法制备了La1-xBaxCrO3(x=0~0.2)陶瓷材料,陶瓷样品均形成单一与LaCrO3同构的正交钙钛矿相。随着Ba掺杂量的增加,陶瓷样品逐渐变得致密。掺杂Ba2+形成了Ba-Cr-O的液相烧结,增强了其烧结活性。La1-xBaxCrO3陶瓷样品的电阻率随着温度的升高而降低,且具有良好的NTC特性。随着Ba2+掺杂量的增加,La1-xBaxCrO3陶瓷样品的电阻率逐渐减小。XPS表明随Ba2+掺杂量的增加,提高了Cr6+的浓度,说明Cr6+离子浓度是影响材料电阻率的主要因素。La1-xBaxCrO3陶瓷样品的自然对数(lnρ)与绝对温度倒数(1000/T)具有线性关系,该陶瓷导电机理符合小极子跳跃导电,其电导主要是Cr3+与Cr6+之间传输。陶瓷样品的ρ-50(Ω·cm)、B-25/-50(K)和Ea(eV)变化范围分别为:49.278-1.9839×105Ω·cm、1767.4-3496.9K和0.1523-0.3013eV。  (2)低热固相法制备了La1-xBaxCrO3(x=0~0.2)陶瓷材料,研究发现以La(NO3)3·6H2O和Cr(NO3)3·9H2O为原料制备的LaCrO3粉体比以La(NO3)3·6H2O和CrCl3·6H2O为原料制备的粉体更为均匀、细小,且LaCrO3陶瓷片的致密性更好,这是由于Cr离子配位的离子不同。制备的La1-xBaxCrO3(x=0~0.2)陶瓷样品,当Ba2+掺杂量为0.2时,陶瓷样品相结构中有杂相析出。陶瓷体的ρ-50、B-25/-50变化范围为177.1-16118.9Ω·cm、1876.4-3188.7K。  (3)La1-xBaxCrO3-YSZ“包覆结构”陶瓷具有高阻、低B特性。通过调节内“核”YSZ的尺寸,实现陶瓷片阻值的调节,但其B值不变。在高温下,内部“核”YSZ与外部壳“La1-xBaxCrO3”界面连接处发生了反应,生成了BaZrO3。La1-xBaxCrO3-YSZ“包覆结构”陶瓷在测试温区-198℃~75℃内具有良好的NTC特性。陶瓷样品的R-50变化范围为13.52-418.88Ω,B-25/-50范围为1682-2167K。  (4)xLaCrO3-(1-x)YSZ复合陶瓷相结构仅存在LaCrO3的钙钛矿相与YSZ相;当LaCrO3与YSZ摩尔比为2∶8时,复合陶瓷体致密度最好,EDS表明两相材料均匀分布。随着YSZ复合比例的增加,复合陶瓷的电阻率成倍增加,其B值变化较小,具有高阻、低B的特性。在25℃时,复合陶瓷的电阻率范围为:424.8-9.119678×105Ω·cm;B0/25值的范围为:3252.5-3684.9K。0.2LaCrO3-0.8YSZ的复合陶瓷体在-50℃~600℃温区间内具有良好的NTC特性。在500℃时,ρ500=3.561×103Ω·cm,B400/500=3710.2K。0.2LaCrO3-0.8YSZ的复合陶瓷的复阻抗表明,其NTC特性主要是来源于晶界电阻,晶粒电阻几乎不随温度变化。
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