功能材料—PTC熱敏陶瓷制備與性能的綜合實驗實驗目的通過實驗，使學生加深對“電子信息材料專業方向”中有關基礎理論知識的理解。1.了解PTC熱敏陶瓷制備原理及方法2.使學生熟練掌握PTC電阻的測試方法二、實驗原理PTC效應與許多因素有關，PTC熱敏電阻(正溫度系數熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻，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、具有正溫度系數的熱敏電阻或材料。當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區域，此時當電壓繼續升高時，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，是一種優良的陶瓷電容器材料，也是一種典型的鈣鈦礦型結構的鐵電材料。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，會使其性能發生變化，出現PTC效應，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和開關阻溫特性，通過摻雜，它的居里溫度可在很寬的范圍內(室溫～400℃)任意調節，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、生物技術、能源及交通等領域，它得到了廣泛的應用。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的峰值發生移動的現象，稱為移峰效應。居里溫度通常滿足以下經驗公式：tc=tc1(1-x)+tc2x（x-摩爾分數）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BaTiO3的半導化，受主摻雜是為了提高材料PTCR性能可通過調整施、受主的種類和添加量來實現材料的低阻化。（3）促進燒結添加劑——Al2O3、SiO2（BaTiO3系半導瓷的PTC效應來源于晶界，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對材料的半導體化起著有害作用Al2O3、SiO2和預燒反應后剩余的Ti02在一起形成AST相，燒結時形成低共晶液相存在于晶界上，包圍著晶粒，具有吸附晶粒內部對半導體化起著有害作用的雜質的功能，使晶粒凈化，并能增強晶界處的受主表面態勢壘，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）燒結將壓制好的片在1350℃下燒結，保溫30min。四、實驗數據處理及結果討論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，在兩側焊電極。將燒結后的產品測試電性能。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境不同，從而影響其燒結程度，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