基本信息
- 项目名称：
- BaTiO3 陶瓷本征PTC效应影响因素的改善
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品致力于在La、Nb双施主和Mn受主的共掺杂体系下，制备性能极其优良的钛酸钡基纳米陶瓷材料。在此过程中，我们科学地采用了先进的制备工艺：低温(室温)固相研磨法、液相掺杂法以及无压烧结法。并且有效地改善了烧结条件，得到了ＰＴＣ效应极佳的钛酸钡基纳米陶瓷材料。
- 详细介绍：
- 本作品运用先进独特的低温(室温)固相研磨法与液相掺杂法，科学采用无压烧结方法，有效地改善了烧结条件，制备出了性能极其优良的钛酸钡基纳米陶瓷材料。该材料为La、Nb双施主和Mn受主的共掺杂体系，最优掺杂配比分别为0.1%,0.4%和0.04%(摩尔分数)。在最高烧结温度为1340℃，保温时间为20min，降温速率为150℃/h（1050℃—1340℃内）时所得的样品，它的室温电阻为19.12Ω,升阻比高达4.028×105,电阻温度系数-达到了22.23%•℃-1，具有极佳的PTC效应，为国内外学者所接受，技术可达国际先进水平。 低温（室温）固相研磨法与液相掺杂法，相对于其他的制备方法，其流程简单，反应时间短，温度低，产率高，降低了产物的硬团聚，使用溶剂少，对环境的污染小，符合绿色化学的理念和国家节能减排的政策。运用液相离子掺杂的方法，可以使掺杂物质在钛酸钡主晶相中均匀分布，实现了离子水平对钛酸钡的掺杂改性。对于烧结过程，本作品只需采用普通的程序可控高温炉进行无压烧结，相比于现有的有压烧结法、微波烧结法及火花等离子体烧结法等，其设备简单，成本低，易于工业化生产，可广泛应用于纳米陶瓷烧结。本作品即为在以上条件下，对烧结制度（最高烧结温度、保温时间及降温速率）进行改善来制备PTC性能极佳的纳米材料，并得出了以上有价值的结论。 目前，纳米钛酸钡系列PTC陶瓷材料在电子信息、自动控制、生物技术、能源和交通领域都得到了广泛的应用，最近市场调查资料显示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增长，因此PTC陶瓷材料的研究会带来较大的社会经济效益，值得国内外学者进一步地研究讨论。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 钛酸钡基PTC材料因其独特的电热性能得到了国内外学者的关注，越来越多的学者意识到相对于掺杂改性，合成方法的研究，陶瓷的烧结是影响PTC材料性能的关键所在。本实验致力于通过调节不同的烧结条件探寻改善陶瓷材料的最佳烧结程序。
科学性、先进性及独特之处
- 在La、Nb双施主掺杂和Mn受主掺杂的前提下，本实验采用低温固相研磨法合成了一系列掺杂Ba0.93-x-yLaxNbySr0.07Mn0.04Ti0.96O3纳米固溶体粉末，相对于其他制备方法，其流程简单，反应时间短，温度低，产率高，降低了产物的硬团聚，主要反应过程不使用溶剂，对环境污染小，符合绿色化学的理念和国家节能减排的政策。通过对不同烧结条件进行分析改善，得出了最佳PTC效应的纳米陶瓷材料。
应用价值和现实意义
- 纳米钛酸钡系列PTC陶瓷材料具有独特的电、热、物理性能，作为一种重要的基础控制元件，在电子信息、自动控制、生物技术、能源和交通领域都得到了广泛的应用。最近市场调查资料显示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增长，因此PTC陶瓷材料的研究会带来较大的社会经济效益。
学术论文摘要
- 本实验以TiCl4为钛源,通过低温固态反应合成了一系列掺杂Ba0.93-x-yLaxNbySr0.07Mn0.04Ti0.96O3纳米固溶体粉末。此方法工艺简单,反应时间短,产率高,能耗低,有效避免了产物的硬团聚现象，不使 用溶剂,对环境污染小,基本实现了绿色化学反应,有很高的理论和实用价值。经XRD物相分析证明,产品为立方晶系的完全互溶取代固溶体。TEM电镜形貌分析,粒子分布较均匀,基本呈规则球形,粒径大约75nm。通过对制备方法与烧结体制的研究,改善了材料的PTC效应,当施主La,Nb和受主Mn的掺杂量分别为0.1%,0.4%和0.04%(摩尔分数)时,最高烧结温度为1340℃，保温时间20min，在烧结温度为1050℃—1340℃的范围内，降温速率为150℃/h时，得到了室温电阻19.12Ω,升阻比达到4.028×105,电阻温度系数α为22.23%•℃-1的性质优良的PTC陶瓷材料。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- １．Markus W,Rolf B,Frank C,etal.Barium titanate-based PTCR thermistor fibers: Processing and properties[J],Sensors and Actuators A: Physical,2007,135:394-404. 2. 宁青菊,李艳洁,章春香,等.影响BaTiO3基PTC陶瓷材料性能因素的分析[J],陕西科技大学学报, 2008,26(1):75-79. 3. L IAN G C K, TSAI C C. Evaluation of a novel PTCthermistor fortelecom overcurrent protection[J ] . SensActuators A , 2005 , 121 (2) : 4432449. 4. 王爽.Mn掺杂对BaTiO3体系介电性能的影响[J] ,2007,16(4):86-89. 5. 赵双群，高斌，范文斌，胡绪洲. 掺杂剂对BaTiO3 PTC材料特性的影响 [J]云南大学学报（自然科学版），1998,20（物理学专辑）：68—71 6. 肖长江,王春华.钛酸钡结构和性能尺寸效应的研究进展[J],硅酸盐通报,2008,27(1):111-114. 7. 李小燕，曲远方，高晶. （Ba，Sr）TiO3 半导化陶瓷PTC效应的改善[J]压电与声光 2009，10. 8. TAKENAKA T,SAKATAK.Grain orientation and electrical properties of hot-forged Bi4Ti3O12[J].Jpn J Appl Phys 1980,19(1):31-39 9. 周东祥，龚树萍. [M]PTC材料及应用 华中理工大学出版社1989年9月 10. 侯峰，曲远方，徐庭献，等。Ni/PTC陶瓷复合材料的研究。[J]热固性树脂，1999（4）：50—53 11. 张晨，梁波.PTC陶瓷材料制备与应用 [J]硅酸盐通报 2003年第5期
同类课题研究水平概述
- 现代功能陶瓷材料应用发展极快,社会对其性能的要求在不断的提高。因此在其粉体制备方法和陶瓷烧结技术方面,人们开展了一系列的研究工作。 钛酸钡粉体的制备方法通常可以分为固相法和液相法。在目前PTCR瓷粉的制备工艺中，每种方法都具有一定的优点，但同时也存在一些不足。（1）固相合成法：该方法工艺简单，原料易得，成本低，所制造的PTCR热敏电阻元件具有能承受高的电压和使用寿命长等优点,故日本的TDK公司,村田公司;国内的七一五厂等,均采用此法。但传统固相法反应制得的以钛酸钡为基质的微米级PTCR粉末，由于工序多，需要长时间球磨、高温煅烧，使得粉体易受污染，粉体各成分配比不易达到设计所要求的精确度，晶粒不易细化。（2）液相合成法：其可细分为溶胶-凝胶法、水热法、化学沉淀法等.①溶胶-凝胶合成法：反应过程比较复杂,产率比较低，成本高而难以实现工业生产。②水热合成法：高温高压的反应条件，不仅水热处理的时间长、能耗高，而且需要在碱性条件下进行，这对设备要求高、洗涤过程中造成了环境污染，不符合绿色化学理念。③化学沉淀法：W.C.Clabangh等人最早将草酸盐共沉淀法用来制备高纯超细钛酸钡原料，但其工艺较复杂，易引入杂质，粉体粒度分布较宽，反应条件不易控制，且不易找到合适的沉淀剂将钡、钛以及各种掺杂物的金属盐溶液同时均匀地沉淀下来。 针对各法的不足，我们采用普通无机盐为原料，尝试一种全新的合成方法—低温固相反应法制备纳米钛酸钡系列固溶体。低温固相反应法的优点是：工艺简单，反应时间短，产率高,能耗低,有效避免了产物的硬团聚，不使用溶剂,对环境污染小，实现了绿色化学反应，有很高的工业化价值。用此种方法合成PTC电阻材料在国内外尚未见报道。 烧结是一个关键过程。目前国内外陶瓷的烧结方法很多，如清华大学齐建全采用蒸汽掺杂法，由于蒸汽的存在可大幅度抑制晶粒的生长，降低陶瓷的烧结温度，改善介电性能。还有掺入低熔点化合物，如V2O5、B2O3，来实现液相烧结，从而降低烧结温度。南韩Inha大学采用不同的烧结和测试环境来改善介电性能，另外还有微波烧结。 本实验用程序可控式无压烧结法，此法主要通过烧结制度的选择来达到在晶粒生长最少的前提下使坯体实现致密化。通过对升降温速度、最高烧结温度、保温时间等条件的控制，得到了室温电阻低，升阻比大，性能优异的材料。该方法使用的设备简单，易于工业化生产。
