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      復(fù)合NTC熱敏電阻材料的制備與電性能研究

      2019-10-21 00:00:32黃翠萍
      青年生活 2019年27期
      關(guān)鍵詞:熱敏電阻能帶氧化物

      黃翠萍

      摘要:負(fù)溫度系數(shù)(NTC,Negative Temperature Coefficien)熱敏電阻具有靈敏度高,響應(yīng)快且成本低廉,體積小等眾多優(yōu)點(diǎn),NTC熱敏電阻材料在溫度傳感器,溫度補(bǔ)償器件,金屬熱電偶,半導(dǎo)體陶瓷等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前,最常用的一種NTC熱敏電阻器是由Mn、Ni、Co、Cu等過(guò)渡金屬元素氧化物組成的通式為AB2O4的單一結(jié)構(gòu)的尖晶石相。此類材料的應(yīng)用溫區(qū)較窄,且燒結(jié)后材料內(nèi)部缺陷分布的不均勻性使材料的電性能容易發(fā)生改變,在中溫區(qū)使用時(shí)穩(wěn)定性較差。因此,探索新型的使用溫區(qū)較寬、穩(wěn)定性較好的熱敏電阻材料具有重要意義。

      關(guān)鍵詞:熱敏電阻;電阻材料

      熱敏電阻材料是一種電阻率對(duì)溫度敏感的元件,因其對(duì)溫度敏感的特性該材料被用于制造各種熱敏電阻器件[1]。根據(jù)熱敏電阻材料的阻-溫特性,主要可以將其分為:隨溫度升高電阻率呈指數(shù)降低的負(fù)溫度系數(shù)( NTC,Negative Temperature Coefficien)熱敏電阻,隨溫度升高電阻率呈指數(shù)增大的正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC,Positive Temperature Coefficien)和在特定溫度下電阻率急劇變化的臨界溫度熱敏電阻 (CTR, Critical Temperature Resistor)[2]。

      1.1 NTC熱敏電阻簡(jiǎn)介

      負(fù)溫度系數(shù)(NTC,Negative Temperature Coefficien)熱敏電阻是指其阻值隨溫度升高而呈指數(shù)關(guān)系降低的材料。鑒于其靈敏度高,響應(yīng)快,穩(wěn)定性好且成本低廉,體積小,適于批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn),NTC熱敏電阻材料在航空航天、深海探測(cè),工農(nóng)商等領(lǐng)域都占有舉足輕重的地位,被廣泛應(yīng)用于溫度傳感器、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)壓、超高頻率檢測(cè)設(shè)備,金屬熱電偶,抑制浪涌電流等方面,具有很大的發(fā)展?jié)摿1, 3-6]。常見(jiàn)的NTC熱敏電阻材料是以Ni、Mn、Co、Fe、Zn等過(guò)渡族金屬氧化物中摻雜部分稀土金屬氧化物為原料,經(jīng)傳統(tǒng)半導(dǎo)體陶瓷工藝而制成。

      1.2 NTC熱敏電阻材料的基本參數(shù)

      NTC熱敏電阻的基本特性主要有:阻溫特性,靜態(tài)伏安特性,老化特性和時(shí)間常數(shù)特性,與之對(duì)應(yīng)的基本參數(shù)主要包括:標(biāo)稱電阻R25,材料常數(shù)B、電阻的溫度系數(shù)α25,電阻漂移率ΔR/R0及耗散系數(shù)H等。

      1.3 NTC熱敏電阻的發(fā)展方向及存在問(wèn)題

      NTC熱敏電阻材料根據(jù)其使用溫度可以分為三種類型:低溫?zé)崦綦娮?,高溫?zé)崦綦娮?、常溫?zé)崦綦娮韬蛯挏貐^(qū)熱敏電阻。低溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在-269 ~-60 ℃;常溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在-60 ~300 ℃,溫度系數(shù)一般在-1 ~-6 %,多為Mn的尖晶石型氧化物陶瓷材料;高溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在300 ~1000 ℃。寬溫區(qū)熱敏電阻的使用范圍較寬,可以適用于不同溫度下電阻的控制和測(cè)量,是當(dāng)今NTC熱敏電阻的四大技術(shù)課題之一。

      由于導(dǎo)電機(jī)制不同,不同結(jié)構(gòu)的熱敏電阻材料的載流子運(yùn)動(dòng)機(jī)理也存在差別,主要可以概括為能帶理論,自旋極化理論和窄帶理論,極化子理論。傳統(tǒng)的單晶半導(dǎo)體材料(Si、Ge)的本征電導(dǎo)是載流子受激從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生定向移動(dòng)形成,非本征電導(dǎo)是激發(fā)到導(dǎo)帶中的施主摻雜離子或價(jià)帶中的受主摻雜離子形成的載流子的定向漂移形成,這種材料的的導(dǎo)電行為可以用經(jīng)典的能帶理論解釋。

      對(duì)于過(guò)渡族金屬氧化物陶瓷材料,能帶理論的應(yīng)用開(kāi)始出現(xiàn)局限性,不能充分地解釋一些電學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)能帶理論,過(guò)渡族金屬氧化物的導(dǎo)帶是由未填滿的d軌道構(gòu)成,那么這些氧化物都應(yīng)該是導(dǎo)電材料,但是事實(shí)情況卻并不如此,許多單一過(guò)渡族金屬氧化物都是絕緣體。例如MnO材料:按照能帶理論,MnO電阻率應(yīng)為10-6~10-2 Ω·cm,但是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明純凈的MnO的室溫電阻率為1017 Ω·cm是絕緣體,相似的,能帶理論也不適用于NiO與CoO的導(dǎo)電特性的解釋。因此,科研工作者對(duì)這些過(guò)渡族金屬氧化物的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,提出了很多解釋,最后建立了新的跳躍導(dǎo)電模型,該模型將過(guò)渡金屬氧化物的導(dǎo)電實(shí)質(zhì)是不同價(jià)態(tài)相鄰原子間電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程。Mott提出了一種窄帶理論,其具體內(nèi)容為:假設(shè)由于外力作用,堿金屬原子間距變的足夠大,原子的電子云不發(fā)生重疊,從而導(dǎo)致電子不能在原子間發(fā)生跳躍,因此堿金屬變?yōu)榻^緣體。

      本論文成功采用鈣鈦礦相和尖晶石相復(fù)合分別制備了以Ni0.66Mn2.34O4為基準(zhǔn)相的(LaMn1-yCoyO3)x-(Ni0.66Mn2.34O4)1-x (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5)與(BaSn1-ySbyO3)x(Ni0.66Mn2.34O4)1-x (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5)復(fù)合NTC熱敏電阻材料,研究了復(fù)合材料在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中兩相結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化及離子遷移規(guī)律。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對(duì)改變單相材料的使用溫度范圍及提高材料的老化穩(wěn)定性方面都有 重要意義,為復(fù)合NTC熱敏電阻的發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Huang C. P, Chen L, Zhang Q. N, Chang S. N, Zhang B, Chang A. M, Zhang H. M. Preparation and characterization of LaMn0.5Co0.5O3–Ni0.66Mn2.34O4 composite NTC ceramics[J].J Mater Sci: Mater Electron. 2016, DOI 10. 1007/s10854-016-4737 -5

      [2] Chen L, Wang J. H, Huang C. P, Zang Q N, Chang S. N, Chang A. M, Yao J. C.

      High performance of Ni0.9Mn1.8Mg0.3O4 spinel nanoceramic microbeads via inkjet printing and two step sintering[J]. RSC Advances.2016, DOI: 10. 1039/ C5RA26760A.

      [3]Chang S. N, Huang C. P, Zhang H. M, Chang A. M.? Preparation and electrical characterization of a new linear negative temperature coefficient (1-x)BaSn0.96Sb0.04O3-xCoFe0.5Co1.5O4 composite ceramics[J]. Mater. Lett. 2016, 177: 9-12.

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