Ni–Mn–Sn–O 體系相組成及其在負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2018/2/2 訪問人數(shù)：1624次
(1. 合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(jié)構(gòu)化合物。使用 X-射線衍射技術(shù)確定了該體系的成相范圍和溫度，并判定該尖晶石結(jié)構(gòu)的陽離子分布。結(jié)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(dāng)Sn 元素含量達(dá)到 30%以上時，則不能進(jìn)入尖晶石結(jié)構(gòu)中。Sn 元素以 Sn4+的形式占據(jù)尖晶石結(jié)構(gòu)中的 B 位，導(dǎo)致其電阻率和熱敏常數(shù) B 值急劇增加。
具有尖晶石結(jié)構(gòu)的過渡金屬復(fù)合氧化物是一類用途十分廣泛的無機(jī)功能材料，目前普遍用于磁性、信息、電子和催化等領(lǐng)域[1]。Ni–Mn–O 尖晶石作為負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻的母體材料，對其研究一直深受關(guān)注。該體系的陽離子分布和導(dǎo)電機(jī)理是：Mn2+離子占據(jù)尖晶石結(jié)構(gòu)中四面體位置(A 位)，Ni2+、Mn3+和 Mn4+占據(jù)八面體位置(B 位)；電子在位于尖晶石結(jié)構(gòu) B位中的 Mn3+和 Mn4+之間跳躍而產(chǎn)生跳躍電導(dǎo)，其電阻率的大小同 Mn3+和 Mn4+的濃度積密切相關(guān)[2–3]。根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理，研究者們通過向該體系摻雜，獲得電學(xué)性能參數(shù)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(nèi)和收稿日期：2014–12–09。 修訂日期：2015–01–19?；痦椖浚喊不帐∽匀豢茖W(xué)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: zbwang@hfut.edu.cn
第 43 卷第 6 期 王忠兵 等：Ni–Mn–Sn–O 體系相組成及其在負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻中的應(yīng)用 · 777 ·溫度下可以獲得尖晶石單相，且電阻率和熱敏常數(shù)B 值在很大范圍內(nèi)(2 800~5 000 K)可調(diào)，為工業(yè)上不同電學(xué)性能參數(shù)的 NTC 熱敏陶瓷的生產(chǎn)提供有力的配方保證。文獻(xiàn)[11]曾報道了 Sn 元素在一定條件下可以固溶進(jìn)
N–Mn–O 尖晶石結(jié)構(gòu)中形成單相，并系統(tǒng)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(xué)性能[11]。在此基礎(chǔ)上，擬對Ni–Mn–Sn–O 體系在更寬范圍內(nèi)形成單相尖晶石結(jié)構(gòu)的成相范圍和溫度進(jìn)行研究，考察其電學(xué)性能及其在 NTC 熱敏電阻中的可能應(yīng)用。1 實驗以 Mn3O4、Ni2O3 和 SnO2粉體為原料,采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)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(zhuǎn)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(xué)性能，采用陶瓷成型、燒結(jié)工藝獲得致密陶瓷燒結(jié)體，測量其電阻。實驗過程為：用研缽研磨至粉體細(xì)小均勻，加入4%的 PVA 溶液造粒，過篩，用冷等靜壓機(jī)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(jī)黏結(jié)劑，并以 250 ℃/h 速率，進(jìn)一步加熱至粉體煅燒成相溫度以上 200 ℃，燒結(jié) 6 h，最后爐冷卻至室溫。將燒結(jié)體的兩側(cè)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(shù) 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(jìn)行熱敏陶瓷的微結(jié)構(gòu)觀察，將陶瓷表面用砂紙打磨、拋光，在低于燒結(jié)溫度 50℃的溫度下熱腐蝕 10 min，即可備用。
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