復(fù)合NTC熱敏電阻材料的制備與電性能研究

黃翠萍

摘要：負(fù)溫度系數(shù)（NTC，Negative Temperature Coefficien）熱敏電阻具有靈敏度高，響應(yīng)快且成本低廉，體積小等眾多優(yōu)點，NTC熱敏電阻材料在溫度傳感器，溫度補(bǔ)償器件，金屬熱電偶，半導(dǎo)體陶瓷等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前，最常用的一種NTC熱敏電阻器是由Mn、Ni、Co、Cu等過渡金屬元素氧化物組成的通式為AB2O4的單一結(jié)構(gòu)的尖晶石相。此類材料的應(yīng)用溫區(qū)較窄，且燒結(jié)后材料內(nèi)部缺陷分布的不均勻性使材料的電性能容易發(fā)生改變，在中溫區(qū)使用時穩(wěn)定性較差。因此，探索新型的使用溫區(qū)較寬、穩(wěn)定性較好的熱敏電阻材料具有重要意義。

關(guān)鍵詞：熱敏電阻;電阻材料

熱敏電阻材料是一種電阻率對溫度敏感的元件，因其對溫度敏感的特性該材料被用于制造各種熱敏電阻器件[1]。根據(jù)熱敏電阻材料的阻-溫特性，主要可以將其分為：隨溫度升高電阻率呈指數(shù)降低的負(fù)溫度系數(shù)（ NTC，Negative Temperature Coefficien）熱敏電阻，隨溫度升高電阻率呈指數(shù)增大的正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC，Positive Temperature Coefficien）和在特定溫度下電阻率急劇變化的臨界溫度熱敏電阻 （CTR， Critical Temperature Resistor）[2]。

1.1 NTC熱敏電阻簡介

負(fù)溫度系數(shù)（NTC，Negative Temperature Coefficien）熱敏電阻是指其阻值隨溫度升高而呈指數(shù)關(guān)系降低的材料。鑒于其靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好且成本低廉，體積小，適于批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點，NTC熱敏電阻材料在航空航天、深海探測，工農(nóng)商等領(lǐng)域都占有舉足輕重的地位，被廣泛應(yīng)用于溫度傳感器、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)壓、超高頻率檢測設(shè)備，金屬熱電偶，抑制浪涌電流等方面，具有很大的發(fā)展?jié)摿1， 3-6]。常見的NTC熱敏電阻材料是以Ni、Mn、Co、Fe、Zn等過渡族金屬氧化物中摻雜部分稀土金屬氧化物為原料，經(jīng)傳統(tǒng)半導(dǎo)體陶瓷工藝而制成。

1.2 NTC熱敏電阻材料的基本參數(shù)

NTC熱敏電阻的基本特性主要有：阻溫特性，靜態(tài)伏安特性，老化特性和時間常數(shù)特性，與之對應(yīng)的基本參數(shù)主要包括：標(biāo)稱電阻R25，材料常數(shù)B、電阻的溫度系數(shù)α25，電阻漂移率ΔR/R0及耗散系數(shù)H等。

1.3 NTC熱敏電阻的發(fā)展方向及存在問題

NTC熱敏電阻材料根據(jù)其使用溫度可以分為三種類型：低溫?zé)崦綦娮瑁邷責(zé)崦綦娮琛⒊責(zé)崦綦娮韬蛯挏貐^(qū)熱敏電阻。低溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在-269 ～-60 ℃;常溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在-60 ～300 ℃，溫度系數(shù)一般在-1 ～-6 %，多為Mn的尖晶石型氧化物陶瓷材料;高溫型熱敏電阻的使用溫度范圍一般在300 ～1000 ℃。寬溫區(qū)熱敏電阻的使用范圍較寬，可以適用于不同溫度下電阻的控制和測量，是當(dāng)今NTC熱敏電阻的四大技術(shù)課題之一。

由于導(dǎo)電機(jī)制不同，不同結(jié)構(gòu)的熱敏電阻材料的載流子運動機(jī)理也存在差別，主要可以概括為能帶理論，自旋極化理論和窄帶理論，極化子理論。傳統(tǒng)的單晶半導(dǎo)體材料（Si、Ge）的本征電導(dǎo)是載流子受激從價帶運動到導(dǎo)帶，產(chǎn)生定向移動形成，非本征電導(dǎo)是激發(fā)到導(dǎo)帶中的施主摻雜離子或價帶中的受主摻雜離子形成的載流子的定向漂移形成，這種材料的的導(dǎo)電行為可以用經(jīng)典的能帶理論解釋。

對于過渡族金屬氧化物陶瓷材料，能帶理論的應(yīng)用開始出現(xiàn)局限性，不能充分地解釋一些電學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)能帶理論，過渡族金屬氧化物的導(dǎo)帶是由未填滿的d軌道構(gòu)成，那么這些氧化物都應(yīng)該是導(dǎo)電材料，但是事實情況卻并不如此，許多單一過渡族金屬氧化物都是絕緣體。例如MnO材料：按照能帶理論，MnO電阻率應(yīng)為10-6～10-2 Ω·cm，但是經(jīng)實驗證明純凈的MnO的室溫電阻率為1017 Ω·cm是絕緣體，相似的，能帶理論也不適用于NiO與CoO的導(dǎo)電特性的解釋。因此，科研工作者對這些過渡族金屬氧化物的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，提出了很多解釋，最后建立了新的跳躍導(dǎo)電模型，該模型將過渡金屬氧化物的導(dǎo)電實質(zhì)是不同價態(tài)相鄰原子間電子的轉(zhuǎn)移過程。Mott提出了一種窄帶理論，其具體內(nèi)容為：假設(shè)由于外力作用，堿金屬原子間距變的足夠大，原子的電子云不發(fā)生重疊，從而導(dǎo)致電子不能在原子間發(fā)生跳躍，因此堿金屬變?yōu)榻^緣體。

本論文成功采用鈣鈦礦相和尖晶石相復(fù)合分別制備了以Ni0.66Mn2.34O4為基準(zhǔn)相的（LaMn1-yCoyO3）x-（Ni0.66Mn2.34O4）1-x （0≤x≤0.5， 0≤y≤0.5）與（BaSn1-ySbyO3）x（Ni0.66Mn2.34O4）1-x （0≤x≤0.5， 0≤y≤0.5）復(fù)合NTC熱敏電阻材料，研究了復(fù)合材料在高溫?zé)Y(jié)過程中兩相結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化及離子遷移規(guī)律。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對改變單相材料的使用溫度范圍及提高材料的老化穩(wěn)定性方面都有 重要意義，為復(fù)合NTC熱敏電阻的發(fā)展具有重要的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] Huang C. P， Chen L， Zhang Q. N， Chang S. N， Zhang B， Chang A. M， Zhang H. M. Preparation and characterization of LaMn0.5Co0.5O3–Ni0.66Mn2.34O4 composite NTC ceramics[J].J Mater Sci： Mater Electron. 2016， DOI 10. 1007/s10854-016-4737 -5

[2] Chen L， Wang J. H， Huang C. P， Zang Q N， Chang S. N， Chang A. M， Yao J. C.

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