功材班-功能陶瓷实验指导书.pdf

实验三 功能陶瓷材料的配料、混合与成型 一、[实验目的] 了解和掌握在实验室条件下制备陶瓷材料的典型工艺和原理，包括配方计算、混料、造 粒、成型、排塑、烧结、等基本过程。本实验以多功能TiO 压敏陶瓷的制备为实例。 2 二、[实验原理] 多功能压敏陶瓷是指具有压敏性和电容性的双功能陶瓷元件，其电阻值随外加电压成显 著的非线性变化，同时还具有超高的介电常数。目前，在过电压保护和噪声吸收等方面有着 十分广泛的应用。要制备 TiO2 压敏陶瓷，需要获得充分半导化的晶粒和高电阻率的绝缘化 晶界层。根据固溶体取代规则，本征离子 A 和杂质离子 B 的半径之间满足（RA-RB ） /RA ·100%15%时，杂质离子容易进入晶格而形成固溶体。因此，通常选择离子半径与Ti4+ 相近的高价态的Nb5+作为施主掺杂，以实现晶粒半导化；而选择离子半径与Ti4+相差较大的 低价态 Ba2+ 、La3+等作为受主型离子，使它们在晶界处偏析或在晶粒表面扩散形成受主态， 从而形成电子耗尽层，改善压敏陶瓷的电流- 电压非线性特性。烧结温度和保温时间一直是 工艺研究的主要内容，直接影响材料的半导化、致密化及添加物在主成分中的扩散过程。烧 结温度显著影响材料的电学性能。适当的烧结温度，可使晶粒生长充分，并降低压敏电压、 完善晶界的形成；过高的烧结温度会使晶粒过分长大，导致晶界不稳定；过低的烧结温度不 利于势垒的形成，压敏性能较差。适当的保温时间是获得一定高度晶界势垒、形成良好压敏 特性晶界的必备条件。TiO2 压敏电阻器在烧成时容易受氧分压的控制，较低的氧分压有利 于晶粒的半导化，获得较好的压敏性能。在烧结后冷却过程中，空气中的氧沿晶界扩散，使 晶界层绝缘化更加充分，但在高氧化气氛条件下，非线性系数主要取决于表面氧化层。由此 表明，工艺极大地影响TiO2 压敏电阻的微观结构和电学性能。 实验室中制备TiO2 压敏陶瓷的工艺流程图如图3-1 所示。 配方计算 称料 混料 干燥 造粒 烧后加工 清洗 烧结 排塑 成型 图3-1 制备TiO 压敏陶瓷的工艺流程图 2 被电极 测试 三、[实验内容及步骤] 1.确定实验方案 制造压敏电阻器的半导体陶瓷材料主要有 SiC、ZnO 、BaTiO 、Fe O 、SnO 、SrTiO 、 3 2 3 2 3 TiO 等。其中BaTiO 、Fe O 利用的是电极与烧结体界面的非欧姆特性，而SiC、ZnO 、SrTiO 、 2 3 2 3 3 TiO2 利用的是晶界的非欧姆特性，目前在高压领域中应用最广、性能最好的是ZnO 压敏陶 瓷，在中低压领域中最广泛使用的是 SrTiO 和TiO 系列多功能压敏电阻器。Nb O 是一种 3 2 2 5 良好的半导化剂，能使晶粒电阻率降至0.6~5•cm。但当Nb O 含量超过0.5mol%时，过多 2 5 的Nb O 反而会阻碍电子的运动，此时可添加适量的 SiO 以降低Ti-O 键的结合能来增加 2 5 2 Nb O 的掺入量，使半导化更加充分。材料的压敏特性主要来源于晶界，受主杂质常用来改 2 5 善材料的压敏性