BaTiO3基无铅PTC热敏电阻器性能优化研究

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长期以来,在实际应用中很多领域要求高居里温度的材料,而BaTiO3本身居里温度比较低,为了提高其居里温度,科研工作者发现采用Pb置换Ba的A位掺杂,可以使居里温度大大提高,于是含铅PTC材料得到广泛应用。但含铅陶瓷生产过程中会不可避免地排出含铅物质,这对环境和人体危害很大,随着人们环保意识的增强,无铅化已成为未来各类产品的基本要求。(K0.5Bi0.5)TiO3(KBT)是具有较高的四方-立方晶体结构转变温度(即居里温度,为380℃)的ABO3型钙钛矿材料,是无铅铁电、压电及PTC材料的主要选择对象。就笔者所知,目前人们对BaTiO3基无铅PTC热敏电阻材料的研究主要集中于A位置换或者B位置换,而对置换过程中晶界处应力对居里温度的影响的报道极少。另外,随着科技的进步,人们对PTC热敏电阻器性能的要求不再单纯仅限于高居里温度,更尖端的技术就要求更精细的控制,于是反应更灵敏的低阻高跃迁成了人们对PTC元件的追求目标,这就要求PTC元件具有高升阻比和大的温度系数。本文采用固相法制备了掺杂KBT的钛酸钡基无铅PTC陶瓷材料(K0.5Bi0.5)xBa(1-x)TiO3。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、电阻—温度测试仪对材料的微观组织和热敏特性进行了表征,研究了晶界处应力对所制陶瓷材料居里温度(TC)的影响。掺杂剂KBT对钛酸钡基无铅PTC陶瓷材料的制备具有重要的影响。而制备KBT的原料之一的氧化铋具有一定的挥发性,因而在常规的制备过程中会因为微量的氧化铋挥发而出现副产物,最终导致制备出的KBT纯度下降。本试验尝试增加1%的氧化铋,发现此实验组相较于不补偿的实验组可以形成更为纯净的KBT相。离子(如K+、Bi3+)在置换过程中无法全部进入A位,会残余少量堆积在晶界处,这些堆积在晶界处的离子会增大晶界应力,压迫晶体晶型改变。居里温度处的相变转折点不仅是BaTiO3晶体由铁电相转变到顺电相,而且也是BaTiO3晶体由四方相进入立方相的转变点,而当BaTiO3晶体晶界处存在较大的应力时,会使BaTiO3晶体处于受压状态,更容易将BaTiO3晶体由四方相进入立方相,所以即便是在低于初始相变温度的条件下也可以使得BaTiO3晶体由四方相进入立方相,即由铁电相转变为顺电相,从而使得居里温度降低;反之,通过增加TiO2用量来增加氧八面体的相对含量,使晶界处堆积离子进入A位,降低晶界处应力,可以达到提高居里温度的效果。另外,烧结过程中在700℃保温一段时间能提高BaTiO3基PTC材料的性能:可以增大PTC材料的温度系数;能够提高PTC材料的升阻比,且存在最大值点,超过这个最大值,升阻比会有所下降。
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