【摘 要】
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温度传感器广泛应用于航天、海洋、汽车、家电、医学等领域。其核心元器件负温度系数热敏电阻(NTC)是温度测量,控制和抑制浪涌电流的重要组成部分。广泛使用的NTC热敏电阻陶瓷材料是过渡金属氧化物,例如Mn-Co-Cu-O,Mn-Co-Ni-O和Mn-Cu-Ni-O体系,具有典型的AB2O4尖晶石结构,这是由于NTC热敏电阻材料具有较好的重现性。这种材料由于具有混合价态和晶体结构特殊的优势,得到了研究者
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温度传感器广泛应用于航天、海洋、汽车、家电、医学等领域。其核心元器件负温度系数热敏电阻(NTC)是温度测量,控制和抑制浪涌电流的重要组成部分。广泛使用的NTC热敏电阻陶瓷材料是过渡金属氧化物,例如Mn-Co-Cu-O,Mn-Co-Ni-O和Mn-Cu-Ni-O体系,具有典型的AB2O4尖晶石结构,这是由于NTC热敏电阻材料具有较好的重现性。这种材料由于具有混合价态和晶体结构特殊的优势,得到了研究者们的广泛研究。Mn-Co-Ni-O体系尖晶石材料则具有环境友好,高活性和稳定性,自然丰度低以及锰和钴的低成本等优势已被广泛报道。而富含碱金属(Li,Na,K)锰基氧化物广泛用于电池材料,电催化,高灵敏传感器件,红外探测器等领域,随着可再生能源技术,智能电网和电动汽车的革命性发展,碱金属成本低、质量轻,已逐渐成为这个行业的“新宠”。碱金属陶瓷结构紧凑,重量轻,热稳定性好,成本低,性能优良,烧结温度低(<960°C)及良好的介电性能满足现代集成电子行业的需求。但是关于这种热敏陶瓷中的掺杂研究的报道则很少。本论文分三部分初步研究了碱金属(Li/Na/K)掺杂Mn-Ni-Co-O基NTC热敏陶瓷,具体研究结果分以下三部分:(1)通过共沉淀法合成用于低温区的负温度系数(NTC)热敏陶瓷Mn0.6Ni0.9Co1.5-x Lix O4(x=0、0.05、0.1、0.2)。Mn0.6Ni0.9Co1.5-x Lix O4陶瓷具有低B值和高电阻值的性能。XRD测试表明形成单相Li Mn2O4尖晶石结构。SEM测试显示,锂的掺入降低了陶瓷烧结活性并且使晶粒尺寸从2μm增加至6.8μm。XPS测试表明Mn3+/Mn4+和Co2+/Co3+含量的显著变化印证了跃迁极力遵循可变价离子跃迁导电机理。电阻率和温度之间的关系表明Li掺杂后Mn0.6Ni0.9Co1.5O4陶瓷材料电阻值增加并且材料常数B值降低。(2)采用快速液相法烧结获得高效致密的陶瓷样品,通过Li F烧结助剂的添加,达到高效,快速的液相烧结。减少了传统高温和长时间烧结下低熔点锂的挥发,这样可使大规模生产过程中节约能源,降低生产成本。烧结助剂Li F的添加采用快速液相烧结原理,在1000°C,烧结时间5min的条件下得到致密陶瓷样品。XRD和拉曼测试分析Li F的加入并未产生除立方尖晶石以外的其他杂质相,而且Li F的加入明显地优化了晶体结晶性。SEM测试表明陶瓷致密性变高,电性能测试表明电阻率总体随Li的掺杂变小的趋势,同时验证了致密性增加。(3)采用溶胶凝胶法制备碱金属(Li/Na/K)掺杂Mn-Co-Ni-O系氧化物,获得性能更加优良的热敏陶瓷材料Mn1.2Ni0.3Co1.5-x(Li/Na/K)x O4,烧结方法分别采用传统固相烧结法和二步烧结法。对样品进行了XRD相结构分析,SEM表面形貌测试分析,XPS材料内部离子价态分析以及电性能测试分析。XRD结果表明Li/Na/K的掺杂,并未引入除Mn Co2O4立方尖晶石相以外的任何杂质相。通过SEM测试图谱发现,Li的掺杂使晶粒尺寸增加,Na的掺杂降低了晶粒尺寸,K的掺杂对晶粒大小影响较小。主要原因是晶界效应与晶界有序程度的共同作用导致。二步烧结陶瓷样品晶粒大小较均匀,并且改善在高温长时间烧结导致的低熔点材料挥发问题。其导电机理可以用小极化子跳跃导电模型解释,电子主要在Mn3+和Mn4+离子之间传输完成跃迁。
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