WO3基低压压敏陶瓷的制备及其性能研究

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WO3作为一种具有重要研究价值和潜在应用能力的无机功能材料,在很多研究方面都得到了积极的尝试,例如光催化降解、电致变色、有毒气体传感器、微波吸收及新型蓄电池应用等,但在功能性陶瓷方面的研究甚少。因为WO3基陶瓷压敏电压低,工作电流小,所以在低电压、低电流的电子电路中,我们可以考虑将WO3基陶瓷作为低压压敏电阻进行实际应用,但目前对于WO3陶瓷的工艺探索和配方体系并不多,制备工艺单一,压敏非线性低。因此,开发新型的烧结工艺和提升非线性系数的配方也就显得尤为重要。本文基于放电等离子体辅助冷烧结工艺,探索了新型制备工艺和新型掺杂体系对于WO3基试样微观结构和宏观电性能的影响及规律,制备出了具有高非线性系数的WO3基压敏陶瓷,并探究了其微观结构与宏观电性能之间的关联。采用放电等离子体辅助冷烧结技术,探究了不同含量MnO2掺杂对WO3基压敏陶瓷的电性能和显微结构的影响。研究表明新型烧结工艺放电等离子体辅助冷烧结可以成功制备出致密性高的WO3基陶瓷,其中Mn O2掺杂含量为5 mol%时试样的压敏性能明显改善,击穿场强12.5 V/mm,非线性系数达到10.3,与未掺杂Mn O2的试样(12.3 V/mm)的击穿电压基本一样但其非线性高4倍左右。同时采用XRD和SEM分析了WO3试样的显微结构和物相分布,发现生成的Mn2+WO4会影响其晶粒界面从而影响WO3的压敏性能。通过阻抗谱图谱分析了试样晶粒和晶界电阻,发现MnO2掺杂后,晶界电阻从纯样的6.29×10~4Ω增加到6.75×10~6Ω。适量掺杂可以使WO3陶瓷的介电常数增大,介电损耗tanδ降低到0.08。在同样的工艺基础上进一步探究了不同含量NiO掺杂对WO3基压敏陶瓷的电性能和显微结构的影响。实验表明,Ni O掺杂体系同样可以制备出致密性高的WO3基压敏陶瓷,其中Ni O掺杂含量掺杂为1 mol%时试样的压敏性能明显改善,击穿场强11 V/mm,非线性系数达到16。根据XRD、SEM及EDS测试分析,Ni O的添加会抑制WO3的晶粒生长,但过多的Ni O添加会降低WO3的击穿电压和非线性系数。Ni O掺杂后在WO3陶瓷中形成了新的物相Ni WO4,影响其晶粒界面进而影响压敏性能。介电性能测试发现,适量的Ni O掺杂可有效提升WO3的晶界电阻,在1 kHz附近的介电损耗tanδ值下降到0.47。
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