功能材料—PTC熱敏陶瓷制備與性能的綜合實驗實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗，使學(xué)生加深對“電子信息材料專業(yè)方向”中有關(guān)基礎(chǔ)理論知識的理解。1.了解PTC熱敏陶瓷制備原理及方法2.使學(xué)生熟練掌握PTC電阻的測試方法二、實驗原理PTC效應(yīng)與許多因素有關(guān)，PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，一旦超過一定的溫度(居里溫度)時，它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高。也可以說，PTC(positivetemperaturecoefficient)電阻是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻或材料。當(dāng)PTC陶瓷元件接通電源后，電流將隨電壓的升高而迅速增加，達到居里溫度時，電流達到最大值，這時PTC陶瓷元件進入PTC區(qū)域，此時當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，由于PTC陶瓷元件的電阻急劇增大，電流反而減小。純BaTiO3陶瓷是良好的絕緣體，是一種優(yōu)良的陶瓷電容器材料，也是一種典型的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電材料。純的BaTiO3在常溫下幾乎是絕緣的，電阻率大于1012Ω?cm，通過不等價取代在BaTiO3中摻雜微量的元素后，會使其性能發(fā)生變化，出現(xiàn)PTC效應(yīng)，并且伴隨著室溫電阻率的大幅度下降。制成的鈦酸鋇基PTC陶瓷具有較大的正溫度系數(shù)和開關(guān)阻溫特性，通過摻雜，它的居里溫度可在很寬的范圍內(nèi)(室溫～400℃)任意調(diào)節(jié)，所以，在航空航天、電子信息通訊、自動控制、家用電器、汽車工業(yè)、生物技術(shù)、能源及交通等領(lǐng)域，它得到了廣泛的應(yīng)用。鈦酸鋇基PTC陶瓷的組成：（1）移峰劑——添加后能夠移動居里點（BaTiO3瓷120oC）添加物與主晶相形成固溶體使鐵電陶瓷的特性在居里溫度處出現(xiàn)的峰值發(fā)生移動的現(xiàn)象，稱為移峰效應(yīng)。居里溫度通常滿足以下經(jīng)驗公式：tc=tc1(1-x)+tc2x（x-摩爾分?jǐn)?shù)）該添加物稱為移峰劑。PTC陶瓷中常用鈣鈦礦型鐵電體的移峰劑有兩種：鈦酸鉛、PbTiO3（490℃）、鈦酸鍶SrTiO3(-250℃)。（2）半導(dǎo)體化:施主摻雜：將BaTiO3基本組成離子分成三種離子群：其中至少在兩個位置上的部分離子，用離子半徑相接近，而原子價相差1價的不同離子進行置換。置換可得到低電阻率的陶瓷材料。對于Ba2+位可用La3+、Ce3+、Sb3+、Sm3+、Dy3+或K+、Na+等離子；對于Ti4+可用W5+、Ti4+、Ta5+、Nb5+或Co3+、Cr3+等離子；對于O2-可用Br-、I-、Cl-等離子。受主摻雜：施主摻雜是為了實現(xiàn)BaTiO3的半導(dǎo)化，受主摻雜是為了提高材料PTCR性能可通過調(diào)整施、受主的種類和添加量來實現(xiàn)材料的低阻化。（3）促進燒結(jié)添加劑——Al2O3、SiO2（BaTiO3系半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)來源于晶界，故細化晶粒，使晶粒均勻化是很重要的。原料中不可避免的一些受主雜質(zhì)對材料的半導(dǎo)體化起著有害作用Al2O3、SiO2和預(yù)燒反應(yīng)后剩余的Ti02在一起形成AST相，燒結(jié)時形成低共晶液相存在于晶界上，包圍著晶粒，具有吸附晶粒內(nèi)部對半導(dǎo)體化起著有害作用的雜質(zhì)的功能，使晶粒凈化，并能增強晶界處的受主表面態(tài)勢壘，同時還具有抑制晶粒長大）ZnO、CeO2、B2O3、WO3。三、實驗步驟（1）配方計算鈦酸鋇基PTC材料的配方為：98.96Ba0.9915Ca0.007La0.0015Ti1.0095Nb0.0005O3—ASTZ(Ti:Zr=1:2)—0.04Mn原料名稱分子式純度用途碳酸鋇BaCO3ARBa源二氧化鈦TiO2ARTi源氧化釔Y2O3ARY源氧化鈮Nb2O5ARNb源氧化鑭、La2O3ARLa源氯化鑭LaClLa源 硝酸錳Mn(NO3)250wt%的溶液Mn源三氧化二鋁Al2O3高純試劑Al源二氧化硅SiO2ARSi源（2）稱量與球磨將原料按配方稱量好放入球磨機中，濕磨6小時，均勻混合，料：水：球=1：2：2。將球磨好的料放在干燥箱中110℃干燥，干燥好的料取出，放入研缽中研磨充分，備用。（3）煅燒將混合好的粉末分別在1200℃下煅燒6h，隨爐冷卻。將煅燒好的料取出，放入研缽中研磨充分，備用。（4）二次球磨將研細的料放入球磨機中濕磨6小時，加入ASTZ，跟Mn（NO3）溶液均勻混合，，料：水：球=1：2：2。將球磨好的料放在干燥箱中110℃干燥，干燥好的料取出，放入研缽中研磨充分，備用。（5）壓片成型將研磨好的料放入瑪瑙研缽中，加6%的PVA粘結(jié)劑，研磨充分后，1.4g/片，在6MPa的條件下加壓并保壓3min，尺寸為φ15。（6）燒結(jié)將壓制好的片在1350℃下燒結(jié)，保溫30min。四、實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論1.鍍電極、極化及性能測試樣品的上下兩面涂銀，樣品在400~750℃下燒銀10分鐘，在兩側(cè)焊電極。將燒結(jié)后的產(chǎn)品測試電性能。在油浴中測定材料從50℃到250℃的電阻，繪制電阻-溫度曲線樣品1溫度T/℃5075100125150175200225250電阻R/Ω000001285594000296200174600樣品2溫度T/℃5075100125150175200225250電阻R/Ω0000032390192200493000577000樣品3溫度T/℃5075100125150175200225250電阻R/Ω000001309256638345320185200繪制PTC熱敏電阻的T—R特性曲線樣品3的T-R曲線樣品3的T-R曲線2.實驗誤差分析實驗中由于具體的操作不太規(guī)范，往往使得實驗存在誤差，且誤差來自多個方面，如在進行配合料的研磨混合過程中，會不可避免的損耗一些原料，混合進行并不能使各組分混合到均勻程度，造成各個樣品的組分會略有區(qū)別，從而會造成各個樣品的T-R特性曲線的不同。在樣品的燒結(jié)過程中，由于使用的硅碳棒電阻爐，其溫度場并不能得以均勻分布，各個樣品的所處位置不同，有可能造成其在相同的時間時所處的溫度環(huán)境不同，從而影響其燒結(jié)程度，進而影響其性能的測試。由各個樣品的T-R特性曲線可知，雖然各個樣品的組成成分及其含量是相同的，其特性曲線的總體趨勢相同，但在不