氧化鋅壓敏陶瓷應(yīng)用及制備

1、 安徽建筑大學(xué)CDIO 探究摻雜二氧化鈦對氧化鋅壓敏陶瓷性能的影響 指導(dǎo)老師：徐海燕老師 第二組 組員：畢利鋒 杜宏波 江超 何云發(fā) 孫成浩 劉方軍 黃景理 馬狀 任偉儒 丁金平 目錄目錄 一一. 知識點總結(jié)知識點總結(jié) 二二. . 研究背景研究背景 三三. 實驗實驗方案方案 四四. 具體步驟具體步驟 五五. 表征方法表征方法 六六. 結(jié)論結(jié)論 一一. 知識點總結(jié)知識點總結(jié) （1） 晶體結(jié)構(gòu)缺陷與燒結(jié) 無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 材料物理性能 （2） 電學(xué)性能 材料物理性能 （3）表征方法 材料研究方法 二二. . 研究背景研究背景 1.壓敏陶瓷 壓敏電阻陶瓷材料是指在一定溫度下和某一特定電壓范圍內(nèi)具有非

2、線性伏-安特性、其電阻隨電壓的增加而急劇減小的一種半導(dǎo)體陶瓷材料。一般的電阻器，其U-I特性呈線性關(guān)系，而ZnO壓敏電阻器的UI特性呈現(xiàn)出特殊的非線性，其U-I特性曲線可以分為預(yù)擊穿區(qū)，擊穿區(qū)和回升區(qū)三個部分。當(dāng)電壓值達到擊穿電壓的數(shù)值以前，壓敏電阻接近于絕緣體；而在電壓高過擊穿電壓時，壓敏電阻呈現(xiàn)出導(dǎo)體的性質(zhì)，而正是這個階段成就了壓敏電阻最重要的用途。 圖4理想的I-V特性曲線 圖5 ZnO壓敏電阻V-I特性曲線 如圖5所示，圖中曲線可分為三個區(qū)域，在預(yù)擊穿區(qū)，壓敏電阻表現(xiàn)為歐姆特性，漏電流依賴于溫度，在開關(guān)電壓以上，可分為兩個區(qū)域：一個是非線性區(qū)域，即很小的電壓增長，導(dǎo)致電流急速增大，甚至

3、會有105或 106數(shù)量級的變化；另一個是回升區(qū)，在很高的電壓下，材料又表現(xiàn)歐姆特性，與低壓區(qū)類似。在非線性區(qū)域，電流電壓特性可表示為下式：為非線性系數(shù)，非線性系數(shù)可以達到很大，因此，即使電壓的變化很小，電流的變化卻可以達到幾個數(shù)量級。 Bi系（本次試驗） ZnO 系（性能最優(yōu)） TiO2系 壓敏陶瓷 Pr系 SrTiO3系 BaTiO3系 ZnO 系：造價低廉 漏電流小非線性特性優(yōu)良 響應(yīng)速度快2.氧化鋅壓敏陶瓷 ZnO壓敏電阻的晶胞結(jié)構(gòu)壓敏電阻的晶胞結(jié)構(gòu)ZnO是六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其化學(xué)鍵處于離子鍵與共價鍵的中間鍵型狀態(tài)，氧離子以六方密堆，鋅離子占據(jù)一半的四面體空隙，鋅和氧都是四面體配位。

4、其能帶由其能帶由O2-的滿帶的滿帶2p電子能級和電子能級和Zn2+的空的的空的4s能級所組成，價帶與導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為3.37ev，因此，理想狀態(tài)的ZnO晶體應(yīng)該是絕緣體。無機材料科學(xué)基礎(chǔ)氧化鋅壓敏陶瓷是由具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的晶粒組成，其他氧化物添加劑除少量與ZnO固熔外，主要在ZnO晶粒間形成晶界相，ZnO晶粒晶界-ZnO晶粒形成一個隨機的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由于陶瓷導(dǎo)電時是電子通過晶界，所以ZnO壓敏陶瓷的電學(xué)性能主要由晶界決定，晶界對ZnO壓敏陶瓷性能影響最大元素摻雜對ZnO壓敏陶瓷的影響 Ti元素的作用 在氧化鋅壓敏陶瓷配方中，Ti02是作為一種晶粒助長劑加入的，在燒結(jié)過程中Ti02可以有效地促進晶

5、粒長大，降低壓敏電壓梯度。一般認為Ti是不穩(wěn)定的過渡金屬元素，具有較大的電子親和力，易變價。ZnO壓敏電阻中添加Ti02，會使晶格畸變，使鋅離子，氧離子活化，從而促進傳質(zhì)和燒結(jié)，有利于ZnO晶粒長大燒結(jié)時的相轉(zhuǎn)變 由于主添加劑Bi203的熔點僅為817，所以實驗中樣品燒結(jié)時必然有液相參與。與單純的固相反應(yīng)不同，液相燒結(jié)主要是溶解沉積的傳質(zhì)過程。通常情況下，液相的參與使物質(zhì)的遷移率提高，因此晶粒的生長速率要比固相燒結(jié)快得多。在燒結(jié)溫度時Bi203變成液相，Ti02迅速溶解在富鉍的液相中。 反應(yīng)式 2Bi203(I)+3Ti02(s)Bi4(Ti04)3 由于ZnO在Bi4(Ti04)3液相中的溶

6、解度大于在Bi203液相中的溶解度，傳質(zhì)速率加快，導(dǎo)致晶粒生長速率加快。 同時在這一溫度范圍，有少量Ti02與ZnO發(fā)生反應(yīng)生成Zn2Ti04尖晶石相，Zn2Ti04尖晶石相釘扎在晶界阻礙晶粒長大。 反應(yīng)式 Zn02(s)+2ZnO(s)Zn2Ti04(s) 所以在添加多量的TiO2時會出現(xiàn)高壓現(xiàn)象。二二. . 實驗方案實驗方案 根據(jù)前期文獻調(diào)研確定了影響低壓 ZnO 壓敏陶瓷電性的6個主要 摻雜元素：Bi、Ti、Co、Mn、Sn、Sb。其中 Ti為我們研究的元素。 經(jīng)典配方：（100-x）ZnO+(x/6)(Bi2O3+MnO2+Cr2O3+Co2O3+Sb2O3)實驗所用原料均為分析純。將

7、 ZnO、Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、SnO2、Sb2O3等原料按一定的 ZnO 壓敏陶瓷配方比例稱量。 只考慮Ti02添加量不同時對ZnO壓敏陶瓷性能的影響。對此我們設(shè)計了4個平行實驗組。 第一組：不添加，其他組分不變。 第二組：低于資料獲得數(shù)據(jù)摻加一定的Ti02。 第三組：資料獲得準確數(shù)據(jù)摻加一定的Ti02。 第四組：高于資料獲得數(shù)據(jù)摻加一定的Ti02。 四四. 具體步驟具體步驟1.流程圖計算計算稱量稱量球磨球磨干燥干燥造粒造粒壓片壓片排膠排膠燒結(jié)燒結(jié)XRD丶丶SEM被銀被銀上電極上電極上導(dǎo)線上導(dǎo)線測電學(xué)性能測電學(xué)性能1.計算 根據(jù) （100-x）ZnO+(x/6)(Bi2

8、O3+MnO2+Cr2O3+Co2O3+Sb2O3)向各個樣品中加入不同摩爾比的TiO22.稱量 稱量的電子天平可以精確到小數(shù)點后四位，但是我們的只需要精確到小數(shù)點后三位。按物料的配比稱量后每一份貼上標簽1,2,3,4放置于紙箱內(nèi)保管。3.球磨（1）目的：使物料間充分混合，研磨更加細膩。（2）原理：研磨體在慣性、離心力、摩擦力的作用下研用使磨物料使得物料更加的細膩均勻。 4. 干燥（1）目的：除去原料中的流動水和結(jié)合水（2）先在90度下干燥10h,烘干燒杯里的流動水。再在110下干燥12h，烘去原料中的結(jié)合水。（3）不能直接110度烘干是為了防止水沸騰，損失原料，損壞儀器。 5. 造粒（1)

9、目的：使細粉粘結(jié)起來，有利于后期的壓片工作（2）工具：我們使用的是瑪瑙研缽，每粒氧化鋅陶瓷原料0.8g（3）粘結(jié)劑:我們選用的是PVA,粘結(jié)劑目的使細粉流動性好，增加胚體致密度。每片用一滴。（PVA：防止氧化，降溫，粘度強提高致密度，減小空隙，500度高溫揮發(fā) ） 6. 壓片（1）目的：采用單向加壓將經(jīng)過造粒的流動性好的粉料裝入模具通過施加外壓力，使粉料成型。（2）儀器：粉末壓片機（3）壓片時的油壓壓力為8Mp,每片需要保壓5min.（4）每片測量并記下厚度后編號，按順序擺好放入表面皿。（5）注意事項：需要注意的是壓片有斷面或者裂紋的需要重新壓片。壓片的數(shù)據(jù): 7. 排膠1）原理：PVC在空氣

10、中，加熱至500時會高溫揮發(fā)（2）操作：將壓片依次排好，放入電爐。六十片分兩次放入。（3）設(shè)置程序：從20度到500度，每分鐘升高2度，歷時240min，當(dāng)溫度達到500度后，保溫120min。8.燒結(jié)（1）原理：高溫使晶界上的物質(zhì)向氣孔擴散、填充，小孔隙消失和孔 隙數(shù)量減少，陶瓷胚體愈發(fā)致密化，晶粒長大。（2）過程：燒結(jié)初期燒結(jié)中期燒結(jié)末期（3）再結(jié)晶和晶粒長大：初次再結(jié)晶晶粒長大二次再結(jié)晶（4）燒結(jié)的影響因素：燒結(jié)溫度時間物料粒度五.表征方法（1）XRD和SEM測試意圖：了解和鑒定其中某種相的含量；XRD：利用X射線衍射儀進行物相分析；SEM：通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，利用二

11、次電 子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)。 （2）電學(xué)性能檢測目的：分析工藝條件對陶瓷的電性能參數(shù)的影響XRD 氧化鋅陶瓷中主要由氧化鋅晶粒組成，其中*表示的是尖晶石相的衍射峰。SEM 圖1 0%Ti 圖2 0.5%Ti 圖3 1.0%Ti Y圖1：晶粒比較小且大小不等、雜亂無章，即存在8um左右的大晶粒也存在很多1um以下的小晶粒，其中以小尺寸晶粒居多；Y圖2：晶粒形貌呈現(xiàn)多樣性生長趨勢，ZnO平均晶粒尺寸為1015um，且小尺寸晶粒數(shù)量大量減少，尺寸生長比較均勻，晶粒生長堆積緊密;Y圖3：ZnO主晶相之問存在較多存在孔洞、縫隙，晶界出現(xiàn)了大量液相熔融，且晶界較寬，而且晶粒邊緣有尖晶石相存在使晶粒長大受限。Y 結(jié)論：隨著TiO2的加入ZnO壓敏陶瓷的平均晶粒尺寸增大，但加入量過多時，生成的尖晶石相又抑制的其生長。電學(xué)性能測試Y利用壓敏電阻測試儀測量各試樣的電性能參數(shù)，主要為：Y 壓敏電壓 V1mA Y 漏電流 IL Y 非線性系數(shù) 壓敏電壓 V1mA 壓敏電壓有減小的趨勢，第三 組達到最小 ，第四組又增大 。 Y漏電流 IL 漏電流有減小的趨勢，第三 組達到最小 ，第四組又增大 。Y非線性系數(shù) 非線性系數(shù)有增大的趨勢，第 三組達到最大