铁酸铋陶瓷的NTC性能研究

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负温度系数(Negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻是一种电阻值随着温度升高而降低的传感材料,具有体积小,成本低,响应快,灵敏度高等特点,被广泛应用于日常生活与工业生产中。随着航空航天,金属冶炼,能源化工等行业的发展,研究人员对高温环境的温度检测需求大大增加。传统的尖晶石结构热敏电阻高温下不稳定,无法满足高温检测的要求。钙钛矿结构的热敏电阻能够在高温条件下保持稳定的相结构,被认为可以开发为高温NTC热敏电阻。铁酸铋是一种具有钙钛矿结构的多铁材料,可以应用在智能传感器,新型磁性存储器等多功能集成器件上。研究发现BiFeO3(BFO)材料具有电阻率随温度升高而降低的特性,可以开发为NTC热敏电阻。相比起传统的尖晶石结构热敏电阻,具有钙钛矿结构的铁酸铋材料在高温下有着更高的稳定性,能够应用在高温环境下。但铁酸铋材料由于铋易挥发和铁易变价,很容易在制备过程中产生杂相,对电学性能造成影响。本研究通过快速液相烧结法,大大缩短了烧结时间,减少了陶瓷在烧结过程中的Bi挥发。并通过分别在A,B位进行La,Ti元素掺杂,来对铁酸铋陶瓷进行掺杂改性。研究了铁酸铋陶瓷的相结构,微观结构及电学性能,讨论了导电机理。主要研究结果如下:(1)采用溶胶凝胶法合成了x=0.0、0.1、0.2和0.3的LaxBi1-xFe O3(LBFO)陶瓷粉体。采用快速液相烧结法和常规烧结法分别制备了LBFO陶瓷。研究发现快速液相烧结相可以抑制Bi元素的挥发,这是因为常规烧结需要数个小时,液相烧结只需要十分钟,BFO陶瓷在如此短的烧结时间内能够大大减少Bi元素的挥发,控制氧空位的产生和抑制Fe元素的变价,改善电学性能。X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和拉曼光谱分析表明,随着La离子掺杂量的增加,晶体结构由扭曲菱形R3c向正交的Pbnm转变。扫描电镜(Scanning Electronic Microscopy,SEM)表明,纯相BFO陶瓷的晶粒尺寸为10μm。当x=0.3时,LBFO陶瓷的晶粒尺寸减小到1μm。随着La离子掺杂量从0.1增加到0.3,Bi的挥发率由6.48%降低到1.43%。结果表明,LBFO陶瓷具有负温度系数(NTC)特性,电阻率(100°C)为4.3×10~6~2.7×10~8Ω·cm,材料常数(B100/700值)为6000K~9000K,LBFO热敏陶瓷的应用温度范围为100~700℃。在300℃下老化500小时后,LBFO的电阻率变化小于1%。(2)采用溶胶凝胶法合成了x=0.0、0.1、0.2和0.3的Bi Fe1-xTixO3(BFTO)陶瓷粉体。采用快速液相烧结法制备了BFTO陶瓷。X射线衍射显示随着Ti离子掺杂量的增加,晶体结构由扭曲菱形R3c向斜方晶系转变。扫描电镜表明,BFTO陶瓷的掺杂量从0增加到0.3,晶粒尺寸从10μm减小到2μm。BFTO陶瓷具有负温度系数(NTC)特性,电阻率(100°C)为2.7×10~8~1.92×1011Ω·cm,材料常数(B100/700值)约为8000K~10000K,BFTO热敏陶瓷的应用温度范围为100~700℃。掺杂Ti离子替代了B位的Fe离子,抑制了Fe的变价,电阻率上升。
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