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TiO2压敏陶瓷具有较好的非线性V-I特性,压敏电压V1mA较低,且介电常数大等优点,可以作为压敏-电容双功能元件,用于电路保护和消除噪声干扰。随着电子系统小型化、低压化、多功能化,TiO2压敏电阻的开发和性能的改进成为研究热点。本论文实验以金红石TiO2为主晶相,分别添加不同的施主、受主掺杂剂,采用传统电子陶瓷工艺制备了具有压敏效应的TiO2陶瓷材料,并研究添加剂的作用。
本文首先研究了分别添加Nb2O5和Sb2O3作为施主掺杂对TiO2压敏陶瓷微观结构、压敏性能和介电性能的影响。研究发现,适量的Nb2O5和Sb2O3施主掺杂都能促进TiO2压敏陶瓷的烧结和TiO2晶粒的半导化。样品的压敏电压V1mA随着Nb2O5或Sb2O3添加量的增加而降低,分别添加2.5wt%的Nb2O5和1.0wt%的Sb2O3时,样品的压敏电压V1mA分别约为15V和36V。非线性系数的变化与压敏电压呈现相同的变化规律。从扫描电镜图片看,添加Nb2O5的样品晶粒尺寸随Nb含量的增加先增大后减小;而添加Sb2O3则抑制了晶粒的长大。适量的施主掺杂有利于提高材料的介电常数,这主要是因为晶粒实现了良好的半导化。综合对比两种不同施主掺杂样品的电学性能,结果发现Nb2O5施主掺杂的效果比Sb2O5好。
在施主掺杂的基础上以CaCO3形式引入Ca2+进行受主掺杂研究。实验结果表明:Ca2+受主掺杂促进了TiO2陶瓷的烧结,却抑制了TiO2晶粒的长大,原因可能是Ca2+在晶界的偏析产生了第二相。适量的CaCO3掺杂有利于晶界势垒的建立,压敏电压随掺杂量的增加而增大;当Ca2+添加量小于0.8wt%时,非线性系数呈增长趋势;Ca2+添加量大于0.8wt%时,非线性系数减小。样品的介电常数随CaCO3掺杂量先增加后减小,在添加量为0.8wt%时,介电常数高达235000,然后随Ca含量增加而有所下降。
研究了MnO2的引入对TiO2压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响。结果表明:少量MnO2的引入对陶瓷微观形貌影响不大,但却使得压敏电压明显升高,少量的MnO2有助于提高样品非线性系数;但过量的MnO2会使样品半导化变差,并且非线性系数有所下降,介电常数明显降低:未添加MnO2时,样品介电常数高达117000;在MnO2含量为0.3wt%时,介电常数已降低至7961。
研究了SiO2的引入对TiO2压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响;并且研究了烧结温度的变化对含SiO2样品性能的影响。实验结果表明,少量的SiO2对于TiO2压敏陶瓷的致密烧结有良好的促进作用,添加SiO2为0.6wt%时,样品相对密度达到最高为96.39%; SiO2添加量较多时,相对密度却有所下降;样品压敏电压随SiO2含量的增加先是略有下降而后增加,非线性系数变化也是如此。由SEM和XRD分析,SiO2的加入可能是因为产生过多的第二相导致样品压敏电压上升;烧结温度升高时,样品压敏性能和介电性能都有所改善。
本论文实验所制备的TiO2压敏陶瓷压敏电压为15~140V,非线性系数3.66~7.2,介电常数可达2.35×105,适用于压敏-电容双功能元件。但仍需进一步改善性能,如进一步降低压敏电压,提高非线性系数,降低损耗等。
本文首先研究了分别添加Nb2O5和Sb2O3作为施主掺杂对TiO2压敏陶瓷微观结构、压敏性能和介电性能的影响。研究发现,适量的Nb2O5和Sb2O3施主掺杂都能促进TiO2压敏陶瓷的烧结和TiO2晶粒的半导化。样品的压敏电压V1mA随着Nb2O5或Sb2O3添加量的增加而降低,分别添加2.5wt%的Nb2O5和1.0wt%的Sb2O3时,样品的压敏电压V1mA分别约为15V和36V。非线性系数的变化与压敏电压呈现相同的变化规律。从扫描电镜图片看,添加Nb2O5的样品晶粒尺寸随Nb含量的增加先增大后减小;而添加Sb2O3则抑制了晶粒的长大。适量的施主掺杂有利于提高材料的介电常数,这主要是因为晶粒实现了良好的半导化。综合对比两种不同施主掺杂样品的电学性能,结果发现Nb2O5施主掺杂的效果比Sb2O5好。
在施主掺杂的基础上以CaCO3形式引入Ca2+进行受主掺杂研究。实验结果表明:Ca2+受主掺杂促进了TiO2陶瓷的烧结,却抑制了TiO2晶粒的长大,原因可能是Ca2+在晶界的偏析产生了第二相。适量的CaCO3掺杂有利于晶界势垒的建立,压敏电压随掺杂量的增加而增大;当Ca2+添加量小于0.8wt%时,非线性系数呈增长趋势;Ca2+添加量大于0.8wt%时,非线性系数减小。样品的介电常数随CaCO3掺杂量先增加后减小,在添加量为0.8wt%时,介电常数高达235000,然后随Ca含量增加而有所下降。
研究了MnO2的引入对TiO2压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响。结果表明:少量MnO2的引入对陶瓷微观形貌影响不大,但却使得压敏电压明显升高,少量的MnO2有助于提高样品非线性系数;但过量的MnO2会使样品半导化变差,并且非线性系数有所下降,介电常数明显降低:未添加MnO2时,样品介电常数高达117000;在MnO2含量为0.3wt%时,介电常数已降低至7961。
研究了SiO2的引入对TiO2压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响;并且研究了烧结温度的变化对含SiO2样品性能的影响。实验结果表明,少量的SiO2对于TiO2压敏陶瓷的致密烧结有良好的促进作用,添加SiO2为0.6wt%时,样品相对密度达到最高为96.39%; SiO2添加量较多时,相对密度却有所下降;样品压敏电压随SiO2含量的增加先是略有下降而后增加,非线性系数变化也是如此。由SEM和XRD分析,SiO2的加入可能是因为产生过多的第二相导致样品压敏电压上升;烧结温度升高时,样品压敏性能和介电性能都有所改善。
本论文实验所制备的TiO2压敏陶瓷压敏电压为15~140V,非线性系数3.66~7.2,介电常数可达2.35×105,适用于压敏-电容双功能元件。但仍需进一步改善性能,如进一步降低压敏电压,提高非线性系数,降低损耗等。