鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻無鉛化研究及性能優(yōu)化.pdf

1、本文主要進行了鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻元件無鉛化的研究，并總結了實驗過程中對元件除居里溫度之外其它性能的優(yōu)化。我們的研究目的在于響應環(huán)境保護的呼聲，尋找合適的鉛替代物以減小它對環(huán)境和人類帶來的危害，并提高元件的性能指標。研究過程中，我們力求加深對鈦酸鋇系元件微觀機理的認識并提出自己較為新穎的看法。目前主要取得了如下成果:
　　(1)結合鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻理論模型的指導，開發(fā)出能夠顯著降低元件晶界氧含量從而降低元件室溫電阻

2、率的熱處理方法。該方法利用一定的降阻試劑，實現(xiàn)了對多阻值元件電阻的調節(jié)。該方法一方面有利于回收企業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的電阻過大的元件，能夠創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟價值;另一方面促進了我們對鈦酸鋇系元件晶界模型認識的加深?；趯嶒灲Y果，我們提出了半定量的晶界模型。該模型解釋了氧含量變化對元件電阻溫度特性的影響，也明確了自發(fā)極化補償晶界受主態(tài)的程度。
　　此外，結合對其它類型受主作用的分析，該模型有助于判斷制備無鉛元件時，添加劑向元件內引入受主的程度。

3、上述實驗方法已在企業(yè)中獲得良好的應用，根據(jù)此實驗內容申請的發(fā)明專利已經(jīng)取得授權。
　　(2)采用固相方法，制備了含有K0.5Bi0.5TiO3（簡寫為KBT）的無鉛化鈦酸鋇系元件。通過添加純相KBT和分開添加K2CO3、 Bi2O3和TiO2兩種添加方式，結合不同的技術手段，制備出了實用性強的無鉛化元件。元件具有高于鈦酸鋇的居里溫度（135℃左右）和極低的室溫電阻率(13.84Ω·cm)。這一結果說明添加KBT會大幅增加元件室溫電

4、阻的問題可以克服，為進一步增加KBT含量奠定了良好的基礎。
　　在進行本實驗的過程中，我們提出了在K2O和Bi2O3熔點附近增加保溫階段的燒結制度。該方法有效促進了元件居里溫度的提高和室溫電阻的降低，也豐富了我們對燒結過程熱動力學的認識。
　　(3)采用固相方法，將KBT與鉛按照一定比例共同添加，獲得了居里點在200℃的元件。與具有同樣居里點的含鉛元件相比，元件中鉛含量下降了50％。此成果有效減少了元件中的鉛含量，實現(xiàn)了高溫

5、發(fā)熱體中鉛的部分替代。
　　(4)進行了添加Ca、Y、Na0.5Bi0.5TiO3（簡寫為NBT）和KBT的研究，制備出居里點各異的元件。綜合對比各組實驗過程，我們發(fā)現(xiàn)晶界應力是能夠抑制元件居里點提高的不利因素。這說明無鉛化研究中，晶界結構和應力分布是影響材料性能的兩個重要因素，同時強調了優(yōu)化元件制備技術的必要性。
　　(5)采用分開添加K2CO3、Bi2O3和TiO2的方式，將元件的電阻溫度系數(shù)從16％/℃提高到了53％/

6、℃，大幅度提高了元件的靈敏度。該結果說明晶界上殘余的K起到了表面受主態(tài)的作用，對電阻溫度系數(shù)的提高做出了較大貢獻。另外，元件居里溫度在此實驗過程中沒有發(fā)生變化的事實，說明燒結過程中，K和Bi揮發(fā)較多而未能有效提高居里點，也表明在微觀局域范圍，K和Bi是否具有1∶1的摩爾比例對元件居里點的提高非常重要。
　　(6)基于熔融態(tài)晶體冷卻析出的相關理論，我們提出了在K2O和Bi2O3的熔點附近增加降溫冷卻階段的燒結技術。該技術有效提高了元

7、件的半導化效率，使元件的室溫電阻率從514.55Ω·cm下降到112.95Ω·cm（降幅80％）。
　　利用冷卻析出的晶體會優(yōu)先在晶界缺陷較多位置結晶的理論，上述增加降溫冷卻階段的技術是陶瓷燒結上較為新穎的制備手段。結合液相燒結的相關理論，該技術完全可以移植到其它富含液相的陶瓷元件制備過程中。
　　基于上述成果，我們對鈦酸鋇系元件的認識得到了加深，并由此總結出制備無鉛元件必須解決的重要問題:
　　(1)元件中K和Bi不

8、僅僅需要達到配方層面1∶1的摩爾比例，在微觀結構上，這一比例的實現(xiàn)對提高居里點十分重要;
　　(2)作為鉛替代物的各類添加劑通常與鈦酸鋇具有不同的晶格常數(shù)，由此產(chǎn)生的晶界應力是不利于居里點提高的因素。有效消除這一影響并保持元件較低的電阻率，才能最終制備出實用性較好的元件;
　　(3)由于PTC效應起源于連貫性較差的晶界，使得元件性能容易受到少數(shù)晶界的調控，也就是說電學性能對于微觀結構和成分十分敏感。綜合各種添加劑的特性來設計