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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
BaTiO3 陶瓷本征PTC效應(yīng)影響因素的改善
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)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(guò)程中，我們科學(xué)地采用了先進(jìn)的制備工藝：低溫(室溫)固相研磨法、液相摻雜法以及無(wú)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(xì)介紹：
本作品運(yùn)用先進(jìn)獨(dú)特的低溫(室溫)固相研磨法與液相摻雜法，科學(xué)采用無(wú)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L(zhǎng)a、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(shí)間為20min，降溫速率為150℃/h（1050℃—1340℃內(nèi)）時(shí)所得的樣品，它的室溫電阻為19.12Ω,升阻比高達(dá)4.028×105,電阻溫度系數(shù)-達(dá)到了22.23%?℃-1，具有極佳的PTC效應(yīng)，為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所接受，技術(shù)可達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。 低溫（室溫）固相研磨法與液相摻雜法，相對(duì)于其他的制備方法，其流程簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，溫度低，產(chǎn)率高，降低了產(chǎn)物的硬團(tuán)聚，使用溶劑少，對(duì)環(huán)境的污染小，符合綠色化學(xué)的理念和國(guó)家節(jié)能減排的政策。運(yùn)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(shí)現(xiàn)了離子水平對(duì)鈦酸鋇的摻雜改性。對(duì)于燒結(jié)過(guò)程，本作品只需采用普通的程序可控高溫爐進(jìn)行無(wú)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(jiǎn)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(duì)燒結(jié)制度（最高燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及降溫速率）進(jìn)行改善來(lái)制備PTC性能極佳的納米材料，并得出了以上有價(jià)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(dòng)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(chǎng)調(diào)查資料顯示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增長(zhǎng)，因此PTC陶瓷材料的研究會(huì)帶來(lái)較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，值得國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

鈦酸鋇基PTC材料因其獨(dú)特的電熱性能得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到相對(duì)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(shí)驗(yàn)致力于通過(guò)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(jìn)性及獨(dú)特之處

在La、Nb雙施主摻雜和Mn受主摻雜的前提下，本實(shí)驗(yàn)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(duì)于其他制備方法，其流程簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，溫度低，產(chǎn)率高，降低了產(chǎn)物的硬團(tuán)聚，主要反應(yīng)過(guò)程不使用溶劑，對(duì)環(huán)境污染小，符合綠色化學(xué)的理念和國(guó)家節(jié)能減排的政策。通過(guò)對(duì)不同燒結(jié)條件進(jìn)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

納米鈦酸鋇系列PTC陶瓷材料具有獨(dú)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(dòng)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(chǎng)調(diào)查資料顯示，PTC陶瓷材料需求量以每年27%的速度增長(zhǎng)，因此PTC陶瓷材料的研究會(huì)帶來(lái)較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

學(xué)術(shù)論文摘要

本實(shí)驗(yàn)以TiCl4為鈦源,通過(guò)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(jiǎn)單,反應(yīng)時(shí)間短,產(chǎn)率高,能耗低,有效避免了產(chǎn)物的硬團(tuán)聚現(xiàn)象，不使 用溶劑,對(duì)環(huán)境污染小,基本實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng),有很高的理論和實(shí)用價(jià)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(guò)對(duì)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(shí),最高燒結(jié)溫度為1340℃，保溫時(shí)間20min，在燒結(jié)溫度為1050℃—1340℃的范圍內(nèi)，降溫速率為150℃/h時(shí)，得到了室溫電阻19.12Ω,升阻比達(dá)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(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

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同類(lèi)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(huì)對(duì)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(kāi)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(diǎn)，但同時(shí)也存在一些不足。（1）固相合成法：該方法工藝簡(jiǎn)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),故日本的TDK公司,村田公司;國(guó)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(jí)PTCR粉末，由于工序多，需要長(zhǎng)時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)所要求的精確度，晶粒不易細(xì)化。（2）液相合成法：其可細(xì)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(guò)程比較復(fù)雜,產(chǎn)率比較低，成本高而難以實(shí)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(shí)間長(zhǎng)、能耗高，而且需要在堿性條件下進(jìn)行，這對(duì)設(shè)備要求高、洗滌過(guò)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(lái)制備高純超細(xì)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(shí)均勻地沉淀下來(lái)。 針對(duì)各法的不足，我們采用普通無(wú)機(jī)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(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)率高,能耗低,有效避免了產(chǎn)物的硬團(tuán)聚，不使用溶劑,對(duì)環(huán)境污染小，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)反應(yīng)，有很高的工業(yè)化價(jià)值。用此種方法合成PTC電阻材料在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。 燒結(jié)是一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。目前國(guó)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(zhǎng)，降低陶瓷的燒結(jié)溫度，改善介電性能。還有摻入低熔點(diǎn)化合物，如V2O5、B2O3，來(lái)實(shí)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(cè)試環(huán)境來(lái)改善介電性能，另外還有微波燒結(jié)。 本實(shí)驗(yàn)用程序可控式無(wú)壓燒結(jié)法，此法主要通過(guò)燒結(jié)制度的選擇來(lái)達(dá)到在晶粒生長(zhǎng)最少的前提下使坯體實(shí)現(xiàn)致密化。通過(guò)對(duì)升降溫速度、最高燒結(jié)溫度、保溫時(shí)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(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
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