Page 38 - 机械工程材料2025年第三期
P. 38

莫志伟，等：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


              合掺杂对陶瓷微观结构、体积密度和阻温特性的影                            1 310 ℃时，掺杂不同物质的量分数锰的陶瓷的体积
              响，以期为提升陶瓷的PTC效应和高温稳定性提供                           密度均呈先升后降的趋势。当烧结温度为1 250 ℃
              试验参考。                                             时，陶瓷未烧结完全，陶瓷晶粒生长不均匀，未达到
                                                                良好的致密化，陶瓷的体积密度较低；随着烧结温
              1 试样制备与试验方法
                                                                度的升高，陶瓷逐渐致密化，体积密度增大；但是当
                  试验原料包括BaCO 3 粉末（阿拉丁公司提供，                      烧结温度超过1 290 ℃时，陶瓷出现过烧现象，导致
              纯度 99.95%）、Pb 3 O 4 粉末（阿拉丁公司提供，纯度                 致密性变差。当烧结温度为 1 290 ℃时，陶瓷的体
              98%）、TiO 2 粉末（阿拉丁公司提供，纯度 99.8%）、                  积密度最高，因此后面研究锰掺杂对陶瓷性能影响
                                                                时，烧结温度设定为1 290 ℃。固定铌的物质的量分
              Nb 2 O 5 粉末（阿拉丁公司提供，纯度99.99%）、MnCO 3
              粉末（阿拉丁公司提供，纯度99.95%）、CaCO 3 粉末                    数为0.002 8，在1 290 ℃烧结温度下随着锰掺杂量
             （天津市光复精细化工研究所提供，纯度99.99%）、                         的增加，陶瓷的体积密度先升后降，当掺杂锰的物
              SrCO 3 粉末（阿拉丁公司提供，纯度99.99%）、SiO 2 粉               质的量分数为0.001 0时，陶瓷的体积密度最大，为
              末（阿拉丁公司提供，纯度99.99%） 、聚乙烯醇（PVA）                    5.845 g · cm  −3 。
              溶液（质量分数6%） 、无水乙醇和银浆SA-5120（武
              汉硕美特提供）。采用固相反应法制备陶瓷，按照
              Ba 0.976 6 Ca 0.021 2 Sr 0.002 2 Ti 1‒x‒y Mn x Nb y O 3 与PbTiO 3 物质
              的量比（0.66∶0.34） 分别称取原料，其中， x为锰的物
              质的量分数，取0.000 5，0.000 8，0.001 0，0.001 5，
              0.002 0，0.002 5， y为铌的物质的量分数，取0.002 0，
              0.002 2，0.002 4，0.002 6，0.002 8，0.003 0。将配好
              的各原料倒进氧化锆球磨罐中，加入无水乙醇后在
                                                                   图 1 掺杂不同物质的量分数锰陶瓷的体积密度随烧结温度的
              QM-QX1L型全方位行星球磨机中湿法球磨4 h，放
                                                                           变化曲线 ( 铌物质的量分数为 0.002 8)
              入90 ℃烘箱中干燥6 h，再分别在1 050 ℃与950 ℃                      Fig. 1 Curves of volume density vs sintering temperature of
              的马弗炉中煅烧2 h；将煅烧后的各原料混合并加入                                ceramics doped with different molar fractions of Mn
              烧结助剂SiO 2 ，二次球磨1 h，然后加入适量PVA溶                                   (Nb molar fraction of 0.002 8)
              液，混合均匀后在300 MPa压力下压制成圆片； 将圆                            由图2可知：掺杂不同物质的量分数锰的陶瓷的
              片置于马弗炉中进行排胶，然后分别在1 250，1 270，                     XRD谱与四方相BaTiO 3 相似，说明所有陶瓷均为纯
              1 290，1 310 ℃保温30 min烧结，再降温至1 100 ℃保              钙钛矿结构，未出现二次非钙钛矿相；随着锰掺杂量
              温2 h，随炉冷却到室温。                                     的增加，陶瓷的主晶相峰并未出现明显偏移，这是由

                  采用D2 PHASER型X射线衍射仪（XRD）对陶                     于锰的离子半径（0.066 nm）与钛（0.068 nm）接近，
              瓷的物相组成进行分析，采用铜靶，K α 射线，扫描                         当锰进入晶格时，优先取代钛。
              范围为10°~60°。使用阿基米德法对陶瓷的体积密                              由图3可以看出：当掺杂锰的物质的量分数为
              度进行测试。使用SU 8010 型场发射扫描电子显                         0.000 5，0.000 8时， 陶瓷晶粒生长不均匀，气孔较多；
              微镜（SEM） 对陶瓷断面的微观形貌进行表征。先                          随着锰掺杂量的增加，陶瓷晶粒尺寸逐渐增大，当掺
              将陶瓷片表面抛光打磨，然后涂上SA-5120型欧姆                         杂锰的物质的量分数增加到0.001 0时，陶瓷的致密

              银浆，在550 ℃下保温30 min，完成电极烧结；使用                      性最好，晶粒较饱和，晶粒尺寸均匀；当掺杂锰的物
              WRT-II型电阻温度特性测定仪对两面涂覆电极的                          质的量分数达到0.002 0和0.002 5时， 晶粒尺寸过大，
              陶瓷进行阻温特性测试，测试电压为9 V，升温速率                          同时陶瓷中出现较大气孔，致密性较差。可知，锰的
              为2 ℃ · min  −1 。                                  掺杂有效促进了陶瓷晶粒的生长，这归因于锰掺杂
                                                                使得氧空位增多，有利于烧结过程中传质的进行，从
              2 试验结果与讨论
                                                                而增加了晶粒生长的驱动力             ［21］ 。
              2.1 锰掺杂对陶瓷性能的影响                                        由表1可以看出：随着锰掺杂量的增加，陶瓷的
                  由图 1 可知，当烧 结温度 由 1 250  ℃ 升高 到                室温电阻率增大，这是因为在烧结时，偏析晶界处

               30
   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43