第五章-敏感陶瓷精品PPT课件

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采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之一是 施主掺杂法，该法也称原子价控制法。
如果用离子半径与Ba2+相近的三价离子(
如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、
Y3+、Bi3+、Sb3+等)置换Ba2+，或者用离子半径
与Ti4+相近的五价离子(如Ta5+、Nb5+、Sb5+等)
即在其禁带中引入一些浅的附加能级： 施主能级或受主能级。
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通常情况下，施主能级多数是靠近导带 底的；而受主能级多数是靠近价带顶的。
施主能级或受主能级的电离能一般比较 小，因此，在室温下就可受到热激发产生导 电载流子，从而形成半导体。
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形成附加能级主要通过两种途径：化 学计量比偏离和掺杂，使得晶粒具有优良 的导电性，而晶界具有高的势垒层，形成 绝缘体。
按其相应的特性，可把这些材料分别称 作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏 感陶瓷。
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此外，还有具有压电效应的压力、位置、 速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的 磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感 陶瓷等。
这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、 控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、 防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
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1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，如CdS、CdSe等； 热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR 热敏陶瓷等； 磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；
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声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、 BaTiO3、PZT等；
压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。
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②化学敏感陶瓷 氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等； 湿敏陶瓷，TiO2—MgCr2O4、ZnOLi2O-V2O5等。 生物敏感陶瓷也在积极开发之中。
NTC热敏电阻材料是用特定组分合成， 其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类 材料，分低温型、中温型和高温型三大类。
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NTC热敏电阻材料绝大多数是具有尖晶 石型结构的过渡金属固熔体。
其中，二元系主要有：Cu-Mn、Co-Mn 、Ni-Mn等系。
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其中，最有实用意义的为Co-Mn系材料 。它在20℃时的电阻率为103cm，主晶相为 立方尖晶石MnCo2O4。
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采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之二 是 AST 掺 杂 法 ， 以 SiO2 或 AST ( 1/3A12O3 ·3/4SiO2·1/4TiO2 )对BaTiO3进 行掺杂，AST加入量3％(摩尔分数)于1260 --1380℃烧成后，电阻率为40--100cm。
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典型的PTC热敏电阻的配方如下：
第五章 敏 感 陶 瓷
随着科学技术的发展，在工业生产领 域、科学研究领域和人们的日常生活中， 需要检测、控制的对象(信息)迅速增加。
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信息的获取有赖于传感器，或称敏感 元件。
在各种类型的敏感元件中，陶瓷敏感 元件占有十分重要的地位。
敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材 料之一，用于制造敏感元件。
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敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某 些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、 光、电压及某种气体、某种离子的变化特别 敏感的特性而制得的。
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3. 热敏陶瓷
热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性 等性质随温度发生明显变化的材料，主要用 于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的 元件--热敏电阻(thermistor)。
热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制 造工艺简单及价格便宜等特点。
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⑴ 热敏陶瓷的特性分类
①电阻随温度升高而增大的热敏电阻 称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏 电阻( positive temperature coefficient )；
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⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷 BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由 其晶粒和晶界的电性能所决定。
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纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子 激发很少，其室温下的电阻率为1012cm， 已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
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将BaTiO3的电阻率降到104cm以下， 使其成为半导体的过程称为半导化。
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BaTiO3的化学计量比偏离半导化采用 在真空、惰性气体或还原性气体中加热
BaTiO3。 由于失氧，BaTiO3内产生氧缺位，为
了 保 持 电 中 性 ， 部 分 Ti4+ 将 俘 获 电 子 成 为
Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下
重新热处理，才能得到较好的PTC特性，电
阻率为1--103cm。
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2. 敏感陶瓷的结构与性能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相 系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表 面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏 析及晶格缺陷等。
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另外，在晶界 处也会产生异质相的析 出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异 性等。
这些晶粒边界层的组成、结构变化， 显著改变了晶界的电性能，从而导致整个 陶瓷电学性能的显著变化。
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②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻 称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电 阻( negative temperature coefficient )；
③电阻在某特定温度范围内急剧变化的 热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻( critical temperature resistor )。
主成分：( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 + 0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧)；
辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06％， MnO2 0.04％，SiO2 0.5％，A12O3 0.167％，
Li2CO3 0.1％。
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② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有负的电阻温度系数，但 温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用 于高温和低温场合。
置换Ti4+，采用普通陶瓷工艺，即能获得电阻
率为103--105cm的n型BaTiO3半导体。
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五价离子掺杂浓度对BaTiO3的电阻率影 响很大。
一般情况下，电阻率随掺杂浓度的增加 而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低 值，继Fra Baidu bibliotek增加浓度，电阻率则迅速提高，甚 至变成绝缘体。
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BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓 度(质量分数)为：Nd 0.05％，Ce、La、 Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35％