钛酸钡基高温负温度系数热敏电阻材料的高电阻率低热敏常数特性及机理研究

Existing temperature sensors can not meet requirements of high precision，fast response and low cost, applied to temperature measurement and control in a wide temperature range and high temperature.BaTiO3-based ceramics specially doped with some cations show NTC effects with excellent properties of high resistivity and low thermal constant under certain conditions, which have been found by our group. They can meet requirements of temperature sensors, which show high-temperature stability and temperature measurement capability in a wide temperature range. And they have great value of popularization.However, three questions exist in them. The first is that high resistivity low thermal constant characteristics mechanism in materials are unobvious, and the second is that NTC effect mechanism need to be completed.The final is that the value of resistivity and thermal constant cannot be adjusted in wide range. There is a long way to go for practical application of materials.In order to solve the problems, some research work will be completed. NTC effect is explained by combining ferroelctric theory with hopping model and band conduction. high resistivity low thermal constant characteristics mechanism is studied by analysing types of charge carriers and ferroelectric, carrier mobility, microstructure, the Curie temperature, etc.. Performance parameter can be adjusted in wide range by altering different dopants,doping amount, ion doping method, process parameters, etc.. And high resistivity low thermal constant characteristics mechanism is studied. This work is the foundations of research on high temperature NTC materials with high resisitivity and low thermal constant.This project is closely connected with mineral resources advantages in Guangxi and helps the sustainable and healthy development of mineral resources economy in Guangxi.

在实现高温宽温区（0～1000℃）的温度测控时，现有的温度传感器件难以兼顾高精度、快响应和低成本的要求。前期研究发现，经特种掺杂和特定工艺制备的钛酸钡基陶瓷呈现负电阻温度系数（NTC）效应，并且具有优异的高阻低热敏常数特性，其良好的高温稳定性和宽温区测温能力可以很好地满足上述热敏器件的要求，极具推广价值。但是这种材料的高阻低热敏常数特性作用机理尚不清楚，解释NTC效应的理论还需完善，性能参数的调节范围相对较窄，材料离实际应用仍有一定距离。为此，项目拟开展以下研究：引入铁电理论并结合变价离子间电子跃迁模型和能级理论，揭示材料NTC效应的作用机理；通过调控掺杂离子的种类和浓度、离子掺杂方式以及工艺参数，拓宽材料的性能参数调节范围，并揭示其高阻低热敏常数特性作用机理。这些工作的开展将为研究高阻低热敏常数高温NTC热敏材料及其应用奠定基础。本项目结合地方资源优势，有利于广西经济可持续健康发展。

高温热敏元件材料是航天航空、废气处理、地热探测等高温测控领域所需的关键材料。本项目针对目前高温NTC热敏陶瓷材料存在的NTC电性能、高温稳定性和陶瓷致密度难以兼顾的问题，以及BaTiO3基高温热敏陶瓷材料的高阻低热敏常数特性和NTC作用机理问题，开展了三个方面的研究工作。首先，通过成分改性和结构工程，研究如何设计优化NTC电性能并兼顾高温稳定性、高致密度的高温NTC热敏陶瓷材料体系。其次，通过调控掺杂离子的种类、浓度及掺杂方式，研究BaTiO3基高温NTC热敏陶瓷材料的载流子传输机制及其高温演变行为，揭示NTC效应及高阻低热敏常数特性作用机理。最后，引入铁电理论并结合交流阻抗谱技术，研究材料的晶体结构/相结构、晶格缺陷及铁电相变对材料NTC电性能的影响规律，进一步获得调控高温热敏陶瓷NTC电性能参数的方法和途径。通过研究，获得了具有高温稳定性、高致密度、NTC电性能参数优良的Ba-Co-Nb体系新型高温NTC热敏陶瓷和BaFe0.05Nb0.05Ti0.9O3基两相复合高温NTC热敏陶瓷体系，在这两种体系中形成钙钛矿结构的固溶体是获得材料高温稳定性的必要条件。BaBiO3基NTC陶瓷具有较低的热敏常数和较高的电导率，拓宽了NTC陶瓷材料的应用领域。所研究的陶瓷体系属于离子-电子混合导体，载流子传输机制主要遵从小极化子跃迁机制和价带理论。适量的稀土和过渡元素取代，可以有效调控材料的NTC电性能，Nb掺杂可以显著提高高温稳定性但同时会降低材料的电导率，Co掺杂可以明显提高电导率，Fe替代Co会降低电导率。在极化电场作用下，BaTiO3基陶瓷会出现电场诱导相变，影响材料的铁电顺电相变温度。A位或B位的掺杂离子可以使材料发生正常铁电体和弛豫铁电体的转变，并影响材料的铁电顺电相变温度。本项目在高温NTC热敏陶瓷的性能优化、作用机制和应用拓展等方面开展了一系列的工作，有望对高温热敏陶瓷材料的研究提供新的方法与思路。目前发表9篇SCI收录论文，获授权发明专利1项，申请发明专利1项。