Ni–Mn–Sn–O 體系相組成及其在負溫度系數熱敏電阻中的應用
發布時間：2018/2/2 訪問人數：1570次
(1. 合肥工業大學化學與化工學院，合肥 230009；2. 南京時恒電子科技有限公司，南京 211121)
摘 要：采用固相法制備 Ni–Mn–Sn–O 系單相尖晶石結構化合物。使用 X-射線衍射技術確定了該體系的成相范圍和溫度，并判定該尖晶石結構的陽離子分布。結果表明：Ni 元素摩爾含在 15%以下時，形成四方尖晶石相；在 15%~30%之間時形成立方尖晶石相；大于 30%時則易析出 NiO 相。Sn 元素的含量對成相溫度有重要影響，其含量越多，成相溫度越高。但當Sn 元素含量達到 30%以上時，則不能進入尖晶石結構中。Sn 元素以 Sn4+的形式占據尖晶石結構中的 B 位，導致其電阻率和熱敏常數 B 值急劇增加。
具有尖晶石結構的過渡金屬復合氧化物是一類用途十分廣泛的無機功能材料，目前普遍用于磁性、信息、電子和催化等領域[1]。Ni–Mn–O 尖晶石作為負溫度系數(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻的母體材料，對其研究一直深受關注。該體系的陽離子分布和導電機理是：Mn2+離子占據尖晶石結構中四面體位置(A 位)，Ni2+、Mn3+和 Mn4+占據八面體位置(B 位)；電子在位于尖晶石結構 B位中的 Mn3+和 Mn4+之間跳躍而產生跳躍電導，其電阻率的大小同 Mn3+和 Mn4+的濃度積密切相關[2–3]。根據導電機理，研究者們通過向該體系摻雜，獲得電學性能參數各異的 NTC 熱敏陶瓷材料體系，目前報道有 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]等眾多材料體系，這些材料體系在一定成份范圍內和收稿日期：2014–12–09。 修訂日期：2015–01–19。基金項目：安徽省自然科學基金(1208085ME85)資助。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: [email protected]
第 43 卷第 6 期 王忠兵 等：Ni–Mn–Sn–O 體系相組成及其在負溫度系數熱敏電阻中的應用 · 777 ·溫度下可以獲得尖晶石單相，且電阻率和熱敏常數B 值在很大范圍內(2 800~5 000 K)可調，為工業上不同電學性能參數的 NTC 熱敏陶瓷的生產提供有力的配方保證。文獻[11]曾報道了 Sn 元素在一定條件下可以固溶進
N–Mn–O 尖晶石結構中形成單相，并系統研究了 Ni0.6Mn2.4–xSnxO4(0.1<x<0.5)系列尖晶石化合物的陽離子分布及其電學性能[11]。在此基礎上，擬對Ni–Mn–Sn–O 體系在更寬范圍內形成單相尖晶石結構的成相范圍和溫度進行研究，考察其電學性能及其在 NTC 熱敏電阻中的可能應用。1 實驗以 Mn3O4、Ni2O3 和 SnO2粉體為原料,采用傳統固相反應法考察 Ni–Mn–Sn–O 體系的成相過程。分別按不同的名義組成(見表 1)稱取適量的原料放置在 100 mL 的聚四氟乙烯球磨罐中，加適量無水乙醇，球磨 8 h，轉速 300 r/min。80 ℃干燥、過篩，隨后將混合后的粉體升溫至 850~1 400 ℃煅燒 6 h，隨爐冷卻。研磨煅燒后的粉體，過 200 目篩(篩孔尺寸為 0.075 mm)，收集粉體備用。為了考察 Ni–Mn–Sn–O 體系的電學性能，采用陶瓷成型、燒結工藝獲得致密陶瓷燒結體，測量其電阻。實驗過程為：用研缽研磨至粉體細小均勻，加入4%的 PVA 溶液造粒，過篩，用冷等靜壓機在 300MPa下壓成直徑6mm、厚度2 mm的圓片胚體。以100℃/h速率在空氣中加熱壓坯至 400℃，并在該溫度保持 2h，以除去有機黏結劑，并以 250 ℃/h 速率，進一步加熱至粉體煅燒成相溫度以上 200 ℃，燒結 6 h，最后爐冷卻至室溫。將燒結體的兩側面拋光和超生清洗。涂上高溫銀漿，在 850℃燒滲 15min，隨后驟冷至室溫，上電極后焊接電極引線，在精密恒溫硅油槽中測量 25、50 和 85℃時的電阻值，計算其電阻率和熱敏常數 B，B=3 853.89×ln(R25/R50) (K)，其中 R25和R50分別為 25℃和 50℃時的電阻值。采用 Philips X’Pert Pro 型 X 射線衍射儀考察煅燒后粉體的物相組成。采用(JEOL)JSM–6700F 掃描電子顯微鏡進行熱敏陶瓷的微結構觀察，將陶瓷表面用砂紙打磨、拋光，在低于燒結溫度 50℃的溫度下熱腐蝕 10 min，即可備用。
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