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基本信息

項目名稱：
BaTiO3 陶瓷本征PTC效應(yīng)影響因素的改善
小類：
能源化工
簡介：
本作品致力于在La、Nb雙施主和Mn受主的共摻雜體系下，制備性能極其優(yōu)良的鈦酸鋇基納米陶瓷材料。在此過程中，我們科學(xué)地采用了先進的制備工藝：低溫(室溫)固相研磨法、液相摻雜法以及無壓燒結(jié)法。并且有效地改善了燒結(jié)條件，得到了ＰＴＣ效應(yīng)極佳的鈦酸鋇基納米陶瓷材料。
詳細介紹：
本作品運用先進獨特的低溫(室溫)固相研磨法與液相摻雜法，科學(xué)采用無壓燒結(jié)方法，有效地改善了燒結(jié)條件，制備出了性能極其優(yōu)良的鈦酸鋇基納米陶瓷材料。該材料為La、Nb雙施主和Mn受主的共摻雜體系，最優(yōu)摻雜配比分別為0.1%,0.4%和0.04%(摩爾分?jǐn)?shù))。在最高燒結(jié)溫度為1340℃，保溫時間為20min，降溫速率為150℃/h（1050℃—1340℃內(nèi)）時所得的樣品，它的室溫電阻為19.12Ω,升阻比高達4.028×105,電阻溫度系數(shù)-達到了22.23%?℃-1，具有極佳的PTC效應(yīng)，為國內(nèi)外學(xué)者所接受，技術(shù)可達國際先進水平。 低溫（室溫）固相研磨法與液相摻雜法，相對于其他的制備方法，其流程簡單，反應(yīng)時間短，溫度低，產(chǎn)率高，降低了產(chǎn)物的硬團聚，使用溶劑少，對環(huán)境的污染小，符合綠色化學(xué)的理念和國家節(jié)能減排的政策。運用液相離子摻雜的方法，可以使摻雜物質(zhì)在鈦酸鋇主晶相中均勻分布，實現(xiàn)了離子水平對鈦酸鋇的摻雜改性。對于燒結(jié)過程，本作品只需采用普通的程序可控高溫爐進行無壓燒結(jié)，相比于現(xiàn)有的有壓燒結(jié)法、微波燒結(jié)法及火花等離子體燒結(jié)法等，其設(shè)備簡單，成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于納米陶瓷燒結(jié)。本作品即為在以上條件下，對燒結(jié)制度（最高燒結(jié)溫度、保溫時間及降溫速率）進行改善來制備PTC性能極佳的納米材料，并得出了以上有價值的結(jié)論。 目前，納米鈦酸鋇系列PTC陶瓷材料在電子信息、自動控制、生物技術(shù)、能源和交通領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，最近市場調(diào)查資料顯示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增長，因此PTC陶瓷材料的研究會帶來較大的社會經(jīng)濟效益，值得國內(nèi)外學(xué)者進一步地研究討論。

作品圖片

  • BaTiO3 陶瓷本征PTC效應(yīng)影響因素的改善

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

鈦酸鋇基PTC材料因其獨特的電熱性能得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，越來越多的學(xué)者意識到相對于摻雜改性，合成方法的研究，陶瓷的燒結(jié)是影響PTC材料性能的關(guān)鍵所在。本實驗致力于通過調(diào)節(jié)不同的燒結(jié)條件探尋改善陶瓷材料的最佳燒結(jié)程序。

科學(xué)性、先進性及獨特之處

在La、Nb雙施主摻雜和Mn受主摻雜的前提下，本實驗采用低溫固相研磨法合成了一系列摻雜Ba0.93-x-yLaxNbySr0.07Mn0.04Ti0.96O3納米固溶體粉末，相對于其他制備方法，其流程簡單，反應(yīng)時間短，溫度低，產(chǎn)率高，降低了產(chǎn)物的硬團聚，主要反應(yīng)過程不使用溶劑，對環(huán)境污染小，符合綠色化學(xué)的理念和國家節(jié)能減排的政策。通過對不同燒結(jié)條件進行分析改善，得出了最佳PTC效應(yīng)的納米陶瓷材料。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

納米鈦酸鋇系列PTC陶瓷材料具有獨特的電、熱、物理性能，作為一種重要的基礎(chǔ)控制元件，在電子信息、自動控制、生物技術(shù)、能源和交通領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。最近市場調(diào)查資料顯示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增長，因此PTC陶瓷材料的研究會帶來較大的社會經(jīng)濟效益。

學(xué)術(shù)論文摘要

本實驗以TiCl4為鈦源,通過低溫固態(tài)反應(yīng)合成了一系列摻雜Ba0.93-x-yLaxNbySr0.07Mn0.04Ti0.96O3納米固溶體粉末。此方法工藝簡單,反應(yīng)時間短,產(chǎn)率高,能耗低,有效避免了產(chǎn)物的硬團聚現(xiàn)象，不使 用溶劑,對環(huán)境污染小,基本實現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng),有很高的理論和實用價值。經(jīng)XRD物相分析證明,產(chǎn)品為立方晶系的完全互溶取代固溶體。TEM電鏡形貌分析,粒子分布較均勻,基本呈規(guī)則球形,粒徑大約75nm。通過對制備方法與燒結(jié)體制的研究,改善了材料的PTC效應(yīng),當(dāng)施主La,Nb和受主Mn的摻雜量分別為0.1%,0.4%和0.04%(摩爾分?jǐn)?shù))時,最高燒結(jié)溫度為1340℃，保溫時間20min，在燒結(jié)溫度為1050℃—1340℃的范圍內(nèi)，降溫速率為150℃/h時，得到了室溫電阻19.12Ω,升阻比達到4.028×105,電阻溫度系數(shù)α為22.23%?℃-1的性質(zhì)優(yōu)良的PTC陶瓷材料。

獲獎情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻

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同類課題研究水平概述

現(xiàn)代功能陶瓷材料應(yīng)用發(fā)展極快,社會對其性能的要求在不斷的提高。因此在其粉體制備方法和陶瓷燒結(jié)技術(shù)方面,人們開展了一系列的研究工作。 鈦酸鋇粉體的制備方法通?？梢苑譃楣滔喾ê鸵合喾?。在目前PTCR瓷粉的制備工藝中，每種方法都具有一定的優(yōu)點，但同時也存在一些不足。（1）固相合成法：該方法工藝簡單，原料易得，成本低，所制造的PTCR熱敏電阻元件具有能承受高的電壓和使用壽命長等優(yōu)點,故日本的TDK公司,村田公司;國內(nèi)的七一五廠等,均采用此法。但傳統(tǒng)固相法反應(yīng)制得的以鈦酸鋇為基質(zhì)的微米級PTCR粉末，由于工序多，需要長時間球磨、高溫煅燒，使得粉體易受污染，粉體各成分配比不易達到設(shè)計所要求的精確度，晶粒不易細化。（2）液相合成法：其可細分為溶膠-凝膠法、水熱法、化學(xué)沉淀法等.①溶膠-凝膠合成法：反應(yīng)過程比較復(fù)雜,產(chǎn)率比較低，成本高而難以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。②水熱合成法：高溫高壓的反應(yīng)條件，不僅水熱處理的時間長、能耗高，而且需要在堿性條件下進行，這對設(shè)備要求高、洗滌過程中造成了環(huán)境污染，不符合綠色化學(xué)理念。③化學(xué)沉淀法：W.C.Clabangh等人最早將草酸鹽共沉淀法用來制備高純超細鈦酸鋇原料，但其工藝較復(fù)雜，易引入雜質(zhì)，粉體粒度分布較寬，反應(yīng)條件不易控制，且不易找到合適的沉淀劑將鋇、鈦以及各種摻雜物的金屬鹽溶液同時均勻地沉淀下來。 針對各法的不足，我們采用普通無機鹽為原料，嘗試一種全新的合成方法—低溫固相反應(yīng)法制備納米鈦酸鋇系列固溶體。低溫固相反應(yīng)法的優(yōu)點是：工藝簡單，反應(yīng)時間短，產(chǎn)率高,能耗低,有效避免了產(chǎn)物的硬團聚，不使用溶劑,對環(huán)境污染小，實現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)，有很高的工業(yè)化價值。用此種方法合成PTC電阻材料在國內(nèi)外尚未見報道。 燒結(jié)是一個關(guān)鍵過程。目前國內(nèi)外陶瓷的燒結(jié)方法很多，如清華大學(xué)齊建全采用蒸汽摻雜法，由于蒸汽的存在可大幅度抑制晶粒的生長，降低陶瓷的燒結(jié)溫度，改善介電性能。還有摻入低熔點化合物，如V2O5、B2O3，來實現(xiàn)液相燒結(jié)，從而降低燒結(jié)溫度。南韓Inha大學(xué)采用不同的燒結(jié)和測試環(huán)境來改善介電性能，另外還有微波燒結(jié)。 本實驗用程序可控式無壓燒結(jié)法，此法主要通過燒結(jié)制度的選擇來達到在晶粒生長最少的前提下使坯體實現(xiàn)致密化。通過對升降溫速度、最高燒結(jié)溫度、保溫時間等條件的控制，得到了室溫電阻低，升阻比大，性能優(yōu)異的材料。該方法使用的設(shè)備簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
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