稀土掺杂氧化物系电容压敏双功能材料的制备及性能研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文摘要压敏材料由于其优异的非线性电学行为,在电子元器件的保护、避雷器和输电线路过压保护等方面得到了广泛应用。随着自动化控制电路和半导体技术的发展,人们对压敏材料的要求趋向于多功能化和低压化。。,压敏电压比较低,介电常数较高,。、压敏电压低、介电常数高以及生产工艺简单等优点,已应用于低压领域中,作为过电压保护、消噪和浪涌吸收元件等。W03压敏陶瓷具有较低的压敏电压和势垒电压,而Ti02压敏陶瓷具有较好的压敏性能。但是,W03或Ti02 系列压敏材料仍存在一些问题需要迸一步研究,其综合电学性能还有待提高, 还不能完全满足市场的需要。特别是W03陶瓷,由于其结构的复杂性,其电学稳定性较差,还需要有效地改善。已有研究报道,稀土氧化物作为掺杂物被应用到ZnO压敏材料体系中,能有效地改善其综合电学性能。我们希望通过稀土氧化物掺杂改善W03和Ti02压敏陶瓷的性能,并对相关的物理机理进行研究分析。,研究了掺杂量及制备工艺对压敏材料电学性能的影响,测试了不同系列样品的显微结构,在实验研究的基础上进行了一些理论和模型分析,论述了样品的晶界势垒形成机制,完善了人们对W03和Ti02压敏电阻非线性电学行为的理解。研究了稀土氧化物的掺杂及制备工艺对W03陶瓷的显微结构和电学性能的影响。结果表明:烧结温度对稀土氧化物掺杂的W03陶瓷的密度和电学性能都有较大影响。在1150℃的烧结温度下,掺杂稀土氧化物的W03样品具有最大的密度和最大的非线性系数。在此温度下,样品形成了最有效的晶界势垒层。掺杂少量稀土氧化物Pr6011、Y203、La203、Er2%、Nd203和Sm203的样品的相结构为单斜相和三斜相共存,当掺杂量增多时,样品的相结构会出现少量的第二相。在这几种稀土氧化物中,Er203和Y203对晶粒尺寸影响不大,其余都能促进W03晶粒的生长。稀土氧化物Pr60ll、Y203、L8203、Er203、Nd203和Sm203 对W03样品的非线性系数提高不大,。但是这些武汉理工大学博士学位论文稀土氧化物能明显降低W03陶瓷的压敏电压,而且在不同程度上可以提高W03 的介电常数,。稀土氧化物的掺杂在一定程度上改善了W03陶瓷样品的电学稳定性。这可能是因为在W03掺杂稀土氧化物,将掩盖W03晶粒本征缺陷对W03电学性能的影响,使其电学性能主要受稀土氧化物掺杂影响,受外界气氛影响小,使得样品在低电场下具有稳定的电学性质。,研究了掺杂Pr6011对W03压敏陶瓷电学性能的影响。结果表明: t001%,与该样品也具有最高的晶界势垒高度()相一致。并用缺陷理论解释了掺杂Pr60ll的W03压敏陶瓷产生非线性电学行为的机制。研究了掺杂及制备工艺对Ti02陶瓷的显微结构和电学性能的影响。结果表明:施主型添加剂Ta205对Ti02压敏陶瓷样品的电学性能有一定的影响。随着 Ta205的掺杂量增加,样品的压敏电压、非线性系数呈现一定的变化规律,掺杂 %Ta205的电阻率最小,。采取样品埋烧工艺可以明显降低压敏电压。掺杂稀土氧化物Er203和Sm203的样品的压敏电压较高, 非线性系数提高不大。而添加La205、Pr60lt、Y203和Nd203这些稀土氧化物对 Ti02压敏陶瓷的电学性能有较大影响,适量的掺杂能够降低样品的压敏电压, 提高样品的非线性系数和介电常数。%La203的样品表现出优良的综合电性能,,,并具有很高的介电常数(),较低的介电损耗(),。研究了纳米Ti02的添加对Ti02样品的显微结构电学性能的影响。研究结果表明,Ti02陶瓷中添加纳米Ti02后,Ti02陶瓷的晶粒尺寸减小,其原因是纳米 Ti02颗粒在烧结过程中降低了亚微米颗粒的表面活性,使亚微米Ti02颗粒之间的空位扩散传质减弱,阻碍了晶界迁移,使晶粒尺寸减小。适量的纳米Ti02掺杂可提高样品的非线性系数。纳米Ti02的掺杂量过多会升高样品的压敏电压, 不利于Ti02压敏陶瓷的低压化,而且还会导致样品的介电常数下降。因此