敏感陶瓷教学课件PPT.ppt
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1、第七章 敏感陶瓷,第一节 敏感陶瓷概述,湿度计,烟雾报警器,敏感陶瓷,物理量变化,电信号变化,第一节 敏感陶瓷概述,某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、声、光、磁、电压及气体、离子的变化特别敏感,这类陶瓷称为敏感陶瓷。,敏感陶瓷定义,第一节 敏感陶瓷概述,分类,热敏陶瓷;对温度变化敏感,气敏陶瓷;对气体浓度敏感,湿敏陶瓷;对湿度敏感,声敏陶瓷;对声波强度敏感,光敏陶瓷;对光照强度敏感,磁敏陶瓷;对磁通量和磁场信息敏感,压敏陶瓷. 对电压变化敏感,第一节 敏感陶瓷概述,敏感陶瓷半导化,绝缘陶瓷,半导体陶瓷,增加载流子,电导率,第一节 敏感陶瓷概述,结构与性能,主要利用晶粒本身,如NTC热敏
2、电阻、高温热敏电阻、氧气传感器。 主要利用晶界,如PTC热敏电阻,ZnO系压敏电阻。 主要利用陶瓷表面,如各种气体传感器、湿度传感器。,第一节 敏感陶瓷概述,第二节 半导体,能带结构,导体、半导体、绝缘体能带结构,第二节 半导体,本征半导体,共价晶体中的电子受到热激发,第二节 半导体,本征半导体,载流子浓度,第二节 半导体,杂质半导体,施主杂质电子浓度,价带,导带,n型半导体,第二节 半导体,杂质半导体,受主杂质空穴浓度,价带,导带,受主能级,P型半导体,杂质半导体,杂质半导体(单元素),也适用于离子晶体,但离子晶体更复杂,第二节 半导体,在能带的禁带中形成附加能级(施主能级和受主能级),使绝
3、缘材料变成半导体材料。,第三节 敏感陶瓷,关键:形成一定数量的载流子,敏感陶瓷半导化,第三节 敏感陶瓷,化学计量比偏离 掺杂,半导化方法,1、化学计量比偏离,敏感陶瓷高温烧结时,如果烧结气氛中含氧量较高或氧不足,造成填隙离子或空格点,因而引起能带畸变,使材料半导体化。,第三节 敏感陶瓷,在晶体中的周期势能和能带模型图 1导带;2价带;Eg禁带,在理想的无缺陷氧化物晶体中,价带是全满的而导带是空的,中间隔着一定宽度的禁带。,第三节 敏感陶瓷,1、化学计量比偏离,第三节 敏感陶瓷,1、化学计量比偏离,MO晶体失去阳离子形成P型半导体,电子空穴,电子,第三节 敏感陶瓷,1、化学计量比偏离,第三节 敏
4、感陶瓷,1、化学计量比偏离,金属离子空位形成P型半导体,第三节 敏感陶瓷,1、化学计量比偏离,氧离子空位形成n型半导体,1) 施主掺杂(高价取代低价),第三节 敏感陶瓷,2、异价离子掺杂,2) 受主掺杂(低价取代高价),第三节 敏感陶瓷,2、异价离子掺杂,O2得到电子形成O2-,第三节 敏感陶瓷,化学计量比偏离 掺杂,半导化方法,可变价,第三节 敏感陶瓷,晶界势垒 应变能,晶界偏析,第三节 敏感陶瓷,晶界势垒,晶界偏析,Nacl,第三节 敏感陶瓷,晶界势垒,晶界偏析,Nacl,第三节 敏感陶瓷,晶界势垒,晶界偏析,晶界,晶界,电势,电势,对温度变化敏感的陶瓷材料,其电阻率随温度发生明显变化。,
5、第四节 热敏陶瓷,定义,PTC热敏电阻:positive temperature coefficient NTC热敏电阻:negative temperature coefficient 临界温度热敏电阻:critical temperature resistor 线性阻温特性热敏陶瓷,第四节 热敏陶瓷,分类,阻温特性,电阻温度系数:,PTC热敏电阻阻温特性,第五节 PTC热敏陶瓷,BaTiO3产生PTC条件,第五节 PTC热敏陶瓷,晶界适当绝缘,晶粒充分半导化,单晶和其他条件均无PTC效应!,BaTiO3半导化,第五节 PTC热敏陶瓷,1、强制还原(化学计量比偏离),先强制还原,再氧化晶界,
6、BaTiO3半导化,第五节 PTC热敏陶瓷,2、异价离子掺杂(价控半导体),氧化气氛烧结氧化晶界,PTC特性机理,第五节 PTC热敏陶瓷,在居里温度附近,巧合?,BaTiO3,PTC特性机理,第五节 PTC热敏陶瓷,e,e,e,BaTiO3晶界带有负电荷,两边吸附正空间电荷,O2,PTC特性机理,第五节 PTC热敏陶瓷,晶界,电势,势垒高度h与介电常数成反比。,Heywang理论,-,-,-,+,-,+,+,+,e,PTC特性机理,第五节 PTC热敏陶瓷,晶界,电势,铁电畴电荷补偿使晶界势垒大幅下降,Jonker理论,-,-,-,+,-,+,+,+,解释TC下的低阻态,BaTiO3PTC陶瓷工
7、艺,第五节 PTC热敏陶瓷,原料,一般应采用高纯度的原料,特别要严格控制原料中受主杂质的含量。 使用工业纯原料时,AST(Si、Al、Ti氧化物)作抗杂剂形成玻璃相,吸收Fe2+,Mg2+等受主杂质离子。,BaTiO3PTC陶瓷工艺,第五节 PTC热敏陶瓷,掺杂,施主掺杂物(La2O3、Y2O3、Nb2O5)等宜在合成主晶相时引入较好。 其它少量加入物(Mn、Li、Si、Al等氧化物)宜在合成主晶相后加入,可提高PTC性能。,BaTiO3PTC陶瓷工艺,第五节 PTC热敏陶瓷,混料与合成,严防Fe杂质的混入 传统的固相法存在纯度和均匀性问题。 液相法可大大提高均匀性,BaTiO3PTC陶瓷工艺
8、,第五节 PTC热敏陶瓷,烧结,对工艺很敏感。严控烧结温度,降温速率 1240-1260度易晶粒异常长大,该区间需快速升温。,BaTiO3PTC陶瓷工艺,第五节 PTC热敏陶瓷,电极制备,欧姆电极:电极和材料之间无接触电阻或接触电阻低、无整流性、正反电场方向的电阻值一致。 PTC用欧姆性接触电极(如Ni、Zn、A1等电极)弱电场下使用,如生产焊接包封型的PTC,为便于焊接引线,还要镀银电极。,影响PTC陶瓷的因素,第五节 PTC热敏陶瓷,组成。移峰作用 晶粒大小。提高耐压性能,提高正温度系数 化学计量比。Ti稍过量易降低电阻,Ba稍过量易细晶 Al2O3的作用,应用,第五节 PTC热敏陶瓷,恒
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