钛酸钡系正温度系数热敏电阻无铅化研究及性能优化

发布时间：2018-01-04 01:15

本文关键词：钛酸钡系正温度系数热敏电阻无铅化研究及性能优化　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文主要进行了钛酸钡系正温度系数热敏电阻元件无铅化的研究,并总结了实验过程中对元件除居里温度之外其它性能的优化。我们的研究目的在于响应环境保护的呼声,寻找合适的铅替代物以减小它对环境和人类带来的危害,并提高元件的性能指标。研究过程中,我们力求加深对钛酸钡系元件微观机理的认识并提出自己较为新颖的看法。目前主要取得了如下成果：(1)结合钛酸钡系正温度系数热敏电阻理论模型的指导,开发出能够显著降低元件晶界氧含量从而降低元件室温电阻率的热处理方法。该方法利用一定的降阻试剂,实现了对多阻值元件电阻的调节。该方法一方面有利于回收企业生产中出现的电阻过大的元件,能够创造可观的经济价值；另一方面促进了我们对钛酸钡系元件晶界模型认识的加深。基于实验结果,我们提出了半定量的晶界模型。该模型解释了氧含量变化对元件电阻温度特性的影响,也明确了自发极化补偿晶界受主态的程度。此外,结合对其它类型受主作用的分析,该模型有助于判断制备无铅元件时,添加剂向元件内引入受主的程度。上述实验方法己在企业中获得良好的应用,根据此实验内容申请的发明专利已经取得授权。(2)采用固相方法,制备了含有K0.5Bi0.5TiO3(简写为KBT)的无铅化钛酸钡系元件。通过添加纯相KBT和分开添加K2CO3、Bi2O3和Ti02两种添加方式,结合不同的技术手段,制备出了实用性强的无铅化元件。元件具有高于钛酸钡的居里温度(135℃左右)和极低的室温电阻率(13.84Ω.cm)。这一结果说明添加KBT会大幅增加元件室温电阻的问题可以克服,为进一步增加KBT含量奠定了良好的基础。在进行本实验的过程中,我们提出了在K20和Bi203熔点附近增加保温阶段的烧结制度。该方法有效促进了元件居里温度的提高和室温电阻的降低,也丰富了我们对烧结过程热动力学的认识。(3)采用固相方法,将KBT与铅按照一定比例共同添加,获得了居里点在200℃的元件。与具有同样居里点的含铅元件相比,元件中铅含量下降了50%。此成果有效减少了元件中的铅含量,实现了高温发热体中铅的部分替代。(4)进行了添加Ca、Y、Na0.5Bi0.5TiO3(简写为NBT)和KBT的研究,制备出居里点各异的元件。综合对比各组实验过程,我们发现晶界应力是能够抑制元件居里点提高的不利因素。这说明无铅化研究中,晶界结构和应力分布是影响材料性能的两个重要因素,同时强调了优化元件制备技术的必要性。(5)采用分开添加K2CO3、Bi2O3和Ti02的方式,将元件的电阻温度系数从16%/℃提高到了53%/℃,大幅度提高了元件的灵敏度。该结果说明晶界上残余的K起到了表面受主态的作用,对电阻温度系数的提高做出了较大贡献。另外,元件居里温度在此实验过程中没有发生变化的事实,说明烧结过程中,K和Bi挥发较多而未能有效提高居里点,也表明在微观局域范围,K和Bi是否具有1：1的摩尔比例对元件居里点的提高非常重要。(6)基于熔融态晶体冷却析出的相关理论,我们提出了在K2O和Bi2O3的熔点附近增加降温冷却阶段的烧结技术。该技术有效提高了元件的半导化效率,使元件的室温电阻率从514.55Ω·cm下降到112.95Ω·cm(降幅80%)。利用冷却析出的晶体会优先在晶界缺陷较多位置结晶的理论,上述增加降温冷却阶段的技术是陶瓷烧结上较为新颖的制备手段。结合液相烧结的相关理论,该技术完全可以移植到其它富含液相的陶瓷元件制备过程中。基于上述成果,我们对钛酸钡系元件的认识得到了加深,并由此总结出制备无铅元件必须解决的重要问题：(1)元件中K和Bi不仅仅需要达到配方层面1：1的摩尔比例,在微观结构上,这一比例的实现对提高居里点十分重要；(2)作为铅替代物的各类添加剂通常与钛酸钡具有不同的晶格常数,由此产生的晶界应力是不利于居里点提高的因素。有效消除这一影响并保持元件较低的电阻率,才能最终制备出实用性较好的元件；(3)由于PTC效应起源于连贯性较差的晶界,使得元件性能容易受到少数晶界的调控,也就是说电学性能对于微观结构和成分十分敏感。综合各种添加剂的特性来设计和开发新的制备技术,也是实现元件无铅化的重要手段。综上所述,本文取得的成果和经验对于其他研究者具有较好的参考价值,也克服了无铅化研究中常见的一些困难。我们认为随着材料科学的发展,元件无铅化的研究具有良好的前景。
[Abstract]:In this paper , we have made a research on the lead - free element of barium titanate series positive temperature coefficient thermistor element , and summed up the optimization of other properties besides Curie temperature in the process of experiment . The results show that K and Bi have different lattice constants in the process of sintering . The results show that the properties of K and Bi are very important to the improvement of Curie point .

【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN37

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