PTC 一次料四元系統(tǒng)對(duì)其電學(xué)性能的影響

王智源

（江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221）

0 前 言

PTC 陶瓷是一種鐵電半導(dǎo)體材料， 是近年來(lái)發(fā)展迅速的新型電子材料之一，由于PTC 陶瓷有溫敏、直控、節(jié)能、無(wú)明火和安全等優(yōu)點(diǎn)，以及其特有的熱敏、限流、延時(shí)等自動(dòng)“開關(guān)”功能，已廣泛應(yīng)用于電子通訊、航空航天、汽車工業(yè)、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

目前，PTC 產(chǎn)品的一次料主要采用三元系統(tǒng)，主要加入Nb5+、La3+、Sb3+三種元素， 其生產(chǎn)出的PTC 材料的電學(xué)性能雖能滿足生產(chǎn)要求， 但其耐壓性能的余量不夠，在使用過(guò)程中較容易發(fā)生碎裂，故需要一種新的方法來(lái)更好地提高產(chǎn)品的耐壓性能。

目前提高產(chǎn)品的電學(xué)性能尤其是耐壓性能的方法有以下幾種：（1）采用高純凈度的原料，減少原料中雜質(zhì)的含量，雜質(zhì)越少，電學(xué)性能越好，但該方法成本高昂，無(wú)法用于大規(guī)模生產(chǎn)；（2）增加燒成窯的總燒成時(shí)間來(lái)使整個(gè)燒成條件更好地控制產(chǎn)品晶粒的異常長(zhǎng)大，從而提高產(chǎn)品性能，但其控制量有限，只可小范圍調(diào)整， 不能更好地提高產(chǎn)品性能；（3）采用新的配方體系，在原有配方的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用新的配方來(lái)更有效地提高產(chǎn)品的耐壓性能。

本文通過(guò)在現(xiàn)有三元配方體系的基礎(chǔ)上研究出一種新的四元配方體系， 從而探討一次料的四元系統(tǒng)對(duì)其電學(xué)性能的影響， 從而為今后的生產(chǎn)找到提高產(chǎn)品電學(xué)性能的好方法。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)技術(shù)原理

PTC 陶瓷的制備目前是通過(guò)在BaTiO3固溶體中摻入少量施主雜質(zhì) （如La，Nb…等） 使之形成半導(dǎo)性， 現(xiàn)階段我公司生產(chǎn)高溫PTC 陶瓷材料主要加入的是Nb5+、La3+、Sb3+三種施主雜質(zhì)使其形成半導(dǎo)性。研究時(shí)我們?cè)诖嘶A(chǔ)上增加了氧化釹（Nd2O3）作為第四種施主雜質(zhì)， 因?yàn)槠鋵?duì)PTC 材料半導(dǎo)化的范圍要小于Y3+、Nb5+的半導(dǎo)化范圍，在二次料不改變的前提下能更好地進(jìn)行調(diào)整，來(lái)提高產(chǎn)品的耐壓性能。

1.2 試驗(yàn)方法

PTC 陶瓷基片生產(chǎn)流程為： 原料→一次配料→混料球磨→脫水干燥→預(yù)燒→二次配料→混料球磨→造?！蓧撼尚汀鸁伞庸つテ想姌O→檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的PTC 陶瓷基片生產(chǎn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在一次料階段通過(guò)加入不同含量的Nb5+、La3+、Sb3+、Nd3+施主元素，經(jīng)混料、球磨、預(yù)燒后加入二次料球磨、造粒、燒成后測(cè)量其電阻和耐壓性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出一次料四元系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品電學(xué)性能的影響，并得到最佳的加入比例。

實(shí)驗(yàn)樣品采用制備居里溫度T260 ℃PTC 電阻片的配方體系進(jìn)行制備， 在實(shí)驗(yàn)中需加入相應(yīng)質(zhì)量的Ba、Pb、Ca、Ti、Nb、La、Nd、Sb 等一次料元素，加水球磨20 h 后預(yù)燒， 預(yù)燒后的預(yù)燒料加入相應(yīng)質(zhì)量的二次配料時(shí)的二次料（SiO2、Bi2O3、MnO2、BN），加水球磨20 h，球磨完成后用烘箱烘干，烘干后在研缽中加入膠水手工研磨造粒，造粒完成后用壓機(jī)干壓成型，成型完成后放入窯爐燒成得到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品， 對(duì)其分別使用電阻表和耐壓機(jī)檢測(cè)其電阻和耐壓性能。

2 結(jié)果與分析

按下表分別制備相應(yīng)的T260 的主料、 一次料、二次料， 按上述實(shí)驗(yàn)步驟得到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品并對(duì)其進(jìn)行電學(xué)性能檢測(cè)，其主料、一次料、二次料的添加量分別如表1、表2、表3 所示，其電學(xué)性能如表4 所示，由上述表格數(shù)據(jù)得知：

（1）當(dāng)La2O3的加入量為0.04%且不大于Nd2O3的加入量（即實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)4、實(shí)驗(yàn)5）時(shí)，其產(chǎn)品的電阻和耐壓性能隨著Nd2O3加入量的增大而增大，但La2O3的加入量如大于Nd2O3的加入量時(shí) （即實(shí)驗(yàn)6）， 雖然燒成時(shí)間較長(zhǎng)， 其電阻較大， 為6.32～8.79 kΩ，但其耐壓性能比起實(shí)驗(yàn)4、實(shí)驗(yàn)5 沒(méi)有有效地提升，只有303 V/mm。

（2）當(dāng)La2O3的加入量為0.03%（即實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3）時(shí)，當(dāng)Nd2O3的加入量高于La2O3的加入量時(shí)，雖然其燒成時(shí)間較短， 但該產(chǎn)品的電阻和耐壓性能均好于當(dāng)Nd2O3的加入量高和La2O3的加入量相同時(shí)產(chǎn)品的電阻和耐壓性能。

（3） 當(dāng)La2O3的加入量與Nd2O3的加入量相同（即實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)7）時(shí)，在較短的燒成時(shí)間下，燒成時(shí)間隨著加入量的增加， 電阻和耐壓強(qiáng)度逐步增強(qiáng)。

表1 主料加入量

表2 一次料加入量

表3 二次料加入量

表4 所得產(chǎn)品的電學(xué)性能

圖1 產(chǎn)品的阻溫特性

（4） 與三元配方系統(tǒng)相比， 由Nb2O5、Nd2O3、La2O3、Sb2O3構(gòu)成的一次料四元配方所制成的PTC 電阻片同樣具備良好的阻溫特性。

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察：當(dāng)Nd2O3的加入量不小于La2O3的加入量， 且La2O3的加入量不少于0.03%時(shí)，產(chǎn)品阻溫特性良好，且隨著兩者加入量的增多，產(chǎn)品的電阻增大，耐壓性能變強(qiáng)。

3 結(jié) 論

（1）本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)PTC 工藝路線和實(shí)驗(yàn)方法，在現(xiàn)有三元配方體系的基礎(chǔ)上研究出一種新的四元配方體系并探討了一次料的四元系統(tǒng)對(duì)其電學(xué)性能的影響。

（2）當(dāng)Nd2O3的加入量不小于La2O3的加入量，且La2O3的加入量不少于0.03%時(shí)，產(chǎn)品的電阻和耐壓值均能較好地滿足生產(chǎn)要求且隨著加入量的增加而增大。