Page 37 - 机械工程材料2025年第三期

2025 年 3 月 第 49 卷 第 3 期 Vol. 49 No. 3 Mar. 2025

DOI：10. 11973/jxgccl230591

烧结温度和铌、锰掺杂量对钛酸铅钡基高居里点 PTC

陶瓷阻温特性的影响

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莫志伟 ，王焕平 ，李登豪 ，林孝杰 ，马红萍 ，高 照 ，蒋宗恒 ，徐时清 1
（1. 中国计量大学光电材料与器件研究院，杭州 310018；2. 海宁永力电子陶瓷有限公司，海宁 314415；

3. 浙江科技大学机械与能源工程学院， 杭州 310023）
摘 要： 向钛酸钡陶瓷中掺入铅、锶、钙、铌、锰后，采用固相反应法制备了铌、锰共掺钛酸铅钡
基高居里点正温度系数（PTC） 陶瓷，研究了不同烧结温度（1 250~1 310 ℃）下铌、锰的复合掺杂
（物质的量分数分别为0.002 0~0.003 0，0.000 8~0.002 5）对陶瓷微观结构、体积密度和阻温特性
的影响。结果表明：随着烧结温度的升高，掺杂不同物质的量分数锰或铌的陶瓷的体积密度均先
升后降，当烧结温度在1 290 ℃，体积密度均最大，结构均为纯钙钛矿结构。当烧结温度为1 290 ℃
时，随着锰掺杂量的增加，陶瓷的体积密度先升后降，晶粒尺寸增加，室温电阻率增大，升阻比和温
度系数基本呈先增后减的趋势，居里温度稳定为271~280 ℃； 随着铌掺杂量的增加，陶瓷的体积密
度先增后减，晶粒尺寸减小，升阻比和温度系数先增大后减小，室温电阻率先减小后增大，居里温
度稳定在270~281 ℃。当烧结温度为1 290 ℃，掺杂锰和铌的物质的量分数分别为0.001 0，0.002 4
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时，陶瓷的阻温特性最佳，升阻比和温度系数最大，分别为7.011×10 和20.19%，室温电阻率为
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2.13×10 Ω · cm，居里温度为281 ℃，此时晶粒尺寸均匀，体积密度最大。
关键词： 钛酸铅钡基PTC陶瓷；铌-锰共掺；高居里点；阻温特性
中图分类号：TN373 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2025）03-0029-07

0 引 言 温度（即居里温度）。此外，铅的掺杂还可以稳定材
料的晶相，提高材料的高温性能 ［10-11］ 。目前，钛酸铅
钛酸钡（BaTiO 3 ）陶瓷是一种具有代表性的绝缘
体铁电材料，其晶格结构为典型的钙钛矿结构 ［1-2］ ， 钡基PTC陶瓷因其较高的居里温度 （约 250 ℃至
300 ℃） 逐渐成为高温应用领域中的重要材料 ［12］ 。
当向BaTiO 3 陶瓷中掺入稀土元素时，BaTiO 3 晶体
新能源汽车的蓬勃发展对PTC陶瓷的电学
会发生AB位离子取代，发生半导化，这种掺杂得到
性能提出了更高的要求，为此国内外学者致力于
的BaTiO 3 基半导体陶瓷的电阻随着温度升高而增
研究掺杂和烧结工艺对其性能的改善作用 ［13-15］ 。

大，呈现正温度系数（positive temperature coefficient，
PTC）效 应 ［3-5］ 。具有良好阻温特性的BaTiO 3 基 适量的钙元素掺杂可以有效改善陶瓷晶粒尺寸，提
高陶瓷的耐压性能 ［16］ 。雷佳 ［17］ 提出，适量的锶元素
PTC陶瓷由于具有恒温加热、制作成本低、发热效
掺杂可以提高陶瓷的PTC性能。CHENG等 ［18］ 通
率快等优点而被广泛应用于新能源电动汽车空调
以及电池加热元件上 ［6-8］ 。在许多电子和电力设备 过向BaTiO 3 中掺杂施主杂质铌以及改变烧结工艺，
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中，工作环境温度可能超过200 ℃。如果PTC陶瓷 制备出了室温电阻只有0.14 Ω、 升阻比大于10 的低
的居里温度过低，在高温下将无法继续发挥有效的 阻PTC陶瓷。受主杂质锰的掺杂可以有效提高陶瓷
［9］
PTC效应，从而影响设备的正常运行 。由于铅具 的PTC效应 ［19］ 。DING等 ［20］ 通过改变锰含量、优化
有较大的离子半径，掺杂铅可以改变BaTiO 3 基陶瓷 烧结温度和保温时间，制备出了室温电阻只有14 Ω、
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的晶格参数，进而提高材料的铁电相-顺电相转变 升阻比达到10 、温度系数约为22%的高性能PTC
陶瓷。然而，有关铌-锰共掺钛酸铅钡基高居里点
收稿日期：2023-12-15；修订日期：2024-09-13
PTC陶瓷的研究较少。为此，作者通过向BaTiO 3 陶
基金项目：浙江省科技计划资助项目（2023C01090）
瓷中掺入铅、锶、钙、铌、锰来制备钛酸铅钡基高居
作者简介： 莫志伟（1999—），男，湖南邵阳人，硕士研究生
通信作者（导师） ： 王焕平教授 里点PTC陶瓷，研究了不同烧结温度下铌、锰的复
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