Page 41 - 机械工程材料2025年第三期

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

0.002 0，0.002 2时，陶瓷晶粒尺寸为7~8 μm，陶瓷 外的电子，增加材料中的自由载流子数量；这些自由
中出现异常长大的晶粒以及气孔，此时陶瓷的致密 电子是通过施主掺杂的电子补偿机制产生的 ［24-25］ 。

性较差；随着铌掺杂量的增加，陶瓷的晶粒尺寸减 当掺杂铌的物质的量分数为0.002 0与0.002 2时，自
小，气孔数量减少，这是因为铌掺杂量的增加会导 由移动的载流子较少，因此陶瓷的室温电阻率较大；
致施主离子在晶界处发生偏析，从而使晶界处受主 随着铌掺杂量的增加，自由移动的载流子数量增加，
杂质的浓度增大，阻碍晶界移动的效果增强，因此 陶瓷的室温电阻率逐渐减小；当铌物质的量分数为
晶粒尺寸减小。但是当掺杂铌的物质的量分数大于 0.002 4时，电子补偿机制最为显著，室温电阻率达
0.002 4时，过量的铌可能导致烧结过程中晶界处的 到最小，且升阻比达到最大；当铌物质的量分数达到
铌离子过度富集，阻碍晶界的有效移动和重新排列， 0.002 6及以上时，大量TiO 2 在晶界处偏析，引起晶
从而无法完全消除气孔，导致气孔数量增多，致密性 界势垒的增加，阻碍晶界移动，同时陶瓷结构中产生
降低。此外，铌的过量掺杂可能改变材料的烧结特 钡空位，通过空位补偿机制来平衡电荷，由于空位不
性，导致局部过烧或烧结不足，形成更多的气孔或使 具备导电性，自由移动的载流子数量减少，因此陶瓷
原有的气孔尺寸进一步增大。当掺杂铌的物质的量 室温电阻率增大。综上，当烧结温度为1 290 ℃，掺
分数为0.002 4时，陶瓷晶粒尺寸均匀，在4~5 μm范 杂锰和铌的物质的量分数分别为0.001 0，0.002 4时，
围，气孔数量较少，致密性最好，因此体积密度最大。 钛酸铅钡基PTC陶瓷的电学性能最佳，升阻比和温
由表2可以发现，随着铌掺杂量的增加，陶瓷的 度系数最大，分别为 7.011×10 和 20.19%，室温电
3
3
升阻比和温度系数均先增大后减小，室温电阻率先 阻率为2.13×10 Ω · cm，居里温度为281 ℃，这与此
−3
减小后增大，居里温度在270~281 ℃。铌作为施主 时陶瓷晶粒尺寸均匀、体积密度最大（5.882 g · cm ）
4+
5+
离子（Nb ）进入晶格后，会替代Ti ，从而释放额 有关。
表2 1 290 ℃烧结温度下掺杂不同物质的量分数铌的陶瓷的阻温特性参数(锰物质的量分数为0.001 0)
Table 2 Resistance temperature characteristic parameters of ceramics doped with different molar fractions of Nb under
sintering temperature of 1 290 ℃ (Mn molar fraction of 0.001 0)

铌物质的量分数 室温电阻/Ω 室温电阻率/(Ω · cm) 升阻比 居里温度/℃ 温度系数/%
0.002 0 3 300 8.34×10 4 8.622×10 2 270 15.22
4 3
0.002 2 1 677 4.11×10 1.241×10 274 17.19
3 3
0.002 4 75 2.13×10 7.011×10 281 20.19
3 3
0.002 6 155 4.55×10 6.212×10 277 18.57
4 3
0.002 8 400 1.14×10 2.917×10 276 16.84
0.003 0 807 2.42×10 4 8.121×10 2 270 14.04

3 结 论 270~281 ℃。
（3）当烧结温度为 1 290 ℃，掺杂锰和铌的物
（1）随着烧结温度的升高，掺杂不同物质的量分
质的量分数分别为 0.001 0，0.002 4 时，钛酸铅钡
数锰或铌的陶瓷的体积密度均呈先升后降的趋势，
基PTC陶瓷的阻温特性最佳，升阻比和温度系数
当烧结温度在1 290 ℃，陶瓷的体积密度均最大，结
最大，分别为 7.011×10 和 20.19%，室温电阻率为
3
构均为纯钙钛矿结构。
2.13×10 Ω · cm，居里温度为281 ℃，这与此时陶瓷
3
（2） 当烧结温度为1 290 ℃时，固定铌的物质的
−3
晶粒尺寸均匀、体积密度最大（5.882 g · cm ）有关。
量分数为0.002 8，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， 参考文献：
升阻比和温度系数基本呈先增后减的趋势，居里温

［1］ HUAN Y，WANG X H，FANG J，et al. Grain size
度稳定为 271~280 ℃。固定锰的物质的量分数为
effect on piezoelectric and ferroelectric properties of
0.001 0时，随着铌掺杂量的增加，陶瓷的体积密度 BaTiO 3 ceramics［J］. Journal of the European Ceramic
先增后减，晶粒尺寸减小，升阻比和温度系数先增大 Society，2014，34（5）：1445-1448.
后减小，室温电阻率先减小后增大，居里温度稳定在 ［2］ CHENG X X，ZHOU D X，FU Q Y，et al. Influence

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