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Ni–Mn–Sn–O 体系相组成及其在负温度系数热敏电阻中的应用

发布时间:2018/2/2    访问人数:494次
(1. 合肥工业大学化学与化工学院,合肥 230009;2. 南京时恒电子科技有限公司,南京 211121)
摘 要:采用固相法制备 Ni–Mn–Sn–O 系单相尖晶石结构化合物。使用 X-射线衍射技术确定了该体系的成相范围和温度,并判定该尖晶石结构的阳离子分布。结果表明:Ni 元素摩尔含在 15%以下时,形成四方尖晶石相;在 15%~30%之间时形成立方尖晶石相;大于 30%时则易析出 NiO 相。Sn 元素的含量对成相温度有重要影响,其含量越多,成相温度越高。但当Sn 元素含量达到 30%以上时,则不能进入尖晶石结构中。Sn 元素以 Sn4+的形式占据尖晶石结构中的 B 位,导致其电阻率和热敏常数 B 值急剧增加。
具有尖晶石结构的过渡金属复合氧化物是一类用途十分广泛的无机功能材料,目前普遍用于磁性、信息、电子和催化等领域[1]。Ni–Mn–O 尖晶石作为负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻的母体材料,对其研究一直深受关注。该体系的阳离子分布和导电机理是:Mn2+离子占据尖晶石结构中四面体位置(A 位),Ni2+、Mn3+和 Mn4+占据八面体位置(B 位);电子在位于尖晶石结构 B位中的 Mn3+和 Mn4+之间跳跃而产生跳跃电导,其电阻率的大小同 Mn3+和 Mn4+的浓度积密切相关[2–3]。根据导电机理,研究者们通过向该体系掺杂,获得电学性能参数各异的 NTC 热敏陶瓷材料体系,目前报道有 Ni–Mn–Fe–O[4]、Ni–Mn–Co–O[5]、Ni–Mn–Cr–O[6]、Ni–Mn–Zn–O[7]、Ni–Mn–Cu–O[8]、Ni–Mn–Mg–O、Ni–Mn–Al–O[9]、Ni–Mn–Si–O[10]等众多材料体系,这些材料体系在一定成份范围内和收稿日期:2014–12–09。 修订日期:2015–01–19。基金项目:安徽省自然科学基金(1208085ME85)资助。第一作者:王忠兵(1976—),男,博士,副教授。Received date: 2014–12–09. Revised date: 2015–01–19.First author: WANG Zhongbing(1976–), male, Ph.D., associateProfessor.E-mail: zbwang@hfut.edu.cn

第 43 卷第 6 期 王忠兵 等:Ni–Mn–Sn–O 体系相组成及其在负温度系数热敏电阻中的应用 · 777 ·温度下可以获得尖晶石单相,且电阻率和热敏常数B 值在很大范围内(2 800~5 000 K)可调,为工业上不同电学性能参数的 NTC 热敏陶瓷的生产提供有力的配方保证。文献[11]曾报道了 Sn 元素在一定条件下可以固溶进 

N–Mn–O 尖晶石结构中形成单相,并系统研究了 Ni0.6Mn2.4–xSnxO4(0.1<x<0.5)系列尖晶石化合物的阳离子分布及其电学性能[11]。在此基础上,拟对Ni–Mn–Sn–O 体系在更宽范围内形成单相尖晶石结构的成相范围和温度进行研究,考察其电学性能及其在 NTC 热敏电阻中的可能应用。1 实验以 Mn3O4、Ni2O3 和 SnO2粉体为原料,采用传统固相反应法考察 Ni–Mn–Sn–O 体系的成相过程。分别按不同的名义组成(见表 1)称取适量的原料放置在 100 mL 的聚四氟乙烯球磨罐中,加适量无水乙醇,球磨 8 h,转速 300 r/min。80 ℃干燥、过筛,随后将混合后的粉体升温至 850~1 400 ℃煅烧 6 h,随炉冷却。研磨煅烧后的粉体,过 200 目筛(筛孔尺寸为 0.075 mm),收集粉体备用。为了考察 Ni–Mn–Sn–O 体系的电学性能,采用陶瓷成型、烧结工艺获得致密陶瓷烧结体,测量其电阻。实验过程为:用研钵研磨至粉体细小均匀,加入4%的 PVA 溶液造粒,过筛,用冷等静压机在 300MPa下压成直径6mm、厚度2 mm的圆片胚体。以100℃/h速率在空气中加热压坯至 400℃,并在该温度保持 2h,以除去有机黏结剂,并以 250 ℃/h 速率,进一步加热至粉体煅烧成相温度以上 200 ℃,烧结 6 h,最后炉冷却至室温。将烧结体的两侧面抛光和超生清洗。涂上高温银浆,在 850℃烧渗 15min,随后骤冷至室温,上电极后焊接电极引线,在精密恒温硅油槽中测量 25、50 和 85℃时的电阻值,计算其电阻率和热敏常数 B,B=3 853.89×ln(R25/R50) (K),其中 R25和R50分别为 25℃和 50℃时的电阻值。采用 Philips X’Pert Pro 型 X 射线衍射仪考察煅烧后粉体的物相组成。采用(JEOL)JSM–6700F 扫描电子显微镜进行热敏陶瓷的微结构观察,将陶瓷表面用砂纸打磨、抛光,在低于烧结温度 50℃的温度下热腐蚀 10 min,即可备用。

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