《敏感陶瓷》PPT课件.ppt

1,第七章 敏 感 陶 瓷 随着科学技术的发展，在工业生产领域、科学研究领域和人们的日常生活中，需要检测、控制的对象(信息)迅速增加。,2,信息的获取有赖于传感器，或称敏感元件。 在各种类型的敏感元件中，陶瓷敏感元件占有十分重要的地位。 敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材料之一，用于制造敏感元件。,3,敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的。 按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。,4,此外，还有具有压电效应的压力、位置、速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感陶瓷等。 这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。,5,1、敏感陶瓷分类 物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，热敏陶瓷，磁敏陶瓷。 声敏陶瓷，压敏陶瓷，力敏陶瓷。,化学敏感陶瓷 氧敏陶瓷，湿敏陶瓷，生物敏感陶瓷,6,2. 敏感陶瓷的结构与性能 陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷等。,7,另外，在晶界 处也会产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。 这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电学性能的显著变化。,各种不同性质的陶瓷材料,热敏陶瓷 压敏陶瓷 光敏陶瓷,8,9,热敏陶瓷 热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件-热敏电阻(thermistor)。 热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。,10, 热敏陶瓷的特性分类 电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻( positive temperature coefficient )；,11,电阻随温度的升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻( negative temperature coefficient )； 电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻( critical temperature resistor )。,12, 陶瓷热敏电阻材料,13, PTC陶瓷, NTC电阻材料, CTR材料,14,1.PTC效应： 说一种材料具有PTC (Positive Temperature Coefficient) 效应, 即正温度系数效应，仅指此材料的电阻会随温度的升高而增加。如大多数金属材料都具有PTC效应。在这些材料中，PTC效应表现为电阻随温度增加而线性增加，这就是通常所说的线性PTC效应。 2.非线性PTC效应： 经过相变的材料会呈现出电阻沿狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级的现象，即非线性PTC效应。相当多种类型的导电聚合体会呈现出这种效应，如高分子PTC热敏电阻。这些导电聚合体对于制造过电流保护装置来说非常有用。,15,PTC热敏电阻发热元件是现代以至将来高科技尖端之产品。它被广泛应用于轻工、住宅、交通、航天、农业、医疗、环保、采矿、民用器械等，它与镍、铬丝或远红外等发热元件相比，具有卓越的优点。 有恒温、调温、自动控温的特殊功能 当在PTC元件施加交流或直流电压升温时，在居里点温度以下，电阻率很低；当一旦超越居里点温度，电阻率突然增大，使其电流下降至稳定值，达到自动控制温度、恒温目的。 不燃烧、安全可靠 PTC元件发热时不发红，无明火（电阻丝发红且有明火），不易燃烧。PTC元件周围温度超越限值时，其功率自动下降至平衡值，不会产生燃烧危险。 省电 PTC元件的能量输入采用比例式，有限流作用，比镍铬丝等发热元件的开关式能量输入还节省电力。 寿命长 PTC元件本身为氧化物，无镍铬丝之高温氧化弊端，也没有红外线管易碎现象，寿命长。并且多孔型比无孔型寿命更长。 结构简单 PTC元件本身自动控温，不需另加自动控制温度线路装置。特别是我公司新产品棗多孔型PTC更不需要其他散热装置，也不需用导电胶。,16,PTC热敏电阻的应用,用于恒温电热器，PTC热敏电阻通过自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒温，因此不需另加控制电路，如用于电热驱蚊器、恒温电熨斗、暖风机、电暖器等。,17,高分子PTC热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝（下面简称为热敏电阻），由于具有独特的正温度系数电阻特性（即PTC特性，如图1所示），因而极为适合用作过流保护器件。热敏电阻的使用方法象普通保险丝一样，是串联在电路中使用，如图2所示。,18,NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料 NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数. NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性1930年，科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展1960年研制出了N1C热敏电阻器NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面,19,它的测量范围一般为-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200环境中作测温用热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1，感温时间可少至10s以下它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量 利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。,20,工作温度在300以上的热敏电阻(NTC)常称为高温热敏电阻。 高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其在汽车空气燃料比传感器方面，有很大的实用价值。,工作温度在60以下的热敏电阻材料(NTC)称为低温热敏电阻材料。 低温热敏电阻材料以过渡金属氧化物为主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。 主要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co、Mn-Ni-Cu等。,21,线绕电阻是用镍铬线或锰铜线、康铜线绕在瓷管上制成的，分固定式和可调试两种。 线绕电阻的特点是阻值精度极高，工作时噪声小、稳定可靠，能承受高温，在环境温度170下仍能正常工作。但它体积大、阻值较低，大多在100K以下。另外，由于结构上的原因，其分布电容和电感系数都比较大，不能再高频电路中使用。这类电阻通常在大功率电路中作降压或负载等用。 返回,NTC热敏电阻的用途,22, CTR材料 CTR热敏电阻主要是指以VO2为基本成分的半导体陶瓷，在68附近电阻值突变达到3-4个数量级，具有很大的负温度系数, 因此称为巨变温度热敏电阻或临界(温度)热敏电阻材料。,23,这种巨变温度热敏电阻变化具有再现性和可逆性，故可作电气开关或温度探测器。这一特定温度称临界温度。 电阻值的急剧变化，通常是随温度的升高，在临界温度附近，电阻值急剧减小。,24,V是易变价元素，它有5价、4价等多种价态，因此，V系有多种氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。 这些氧化物各有不同的临界温度。每种V系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成多元系化合物，可上、下移动其临界温度 返回,压敏陶瓷,英文名称： varistor ceramics 定义： 具有电压电流非线性现象(压敏效应)的半导体陶瓷。元件两端的外加电压超过某一临界值时，其伏安特性就转变为非线性，电压稍有增加，电流就陡然增加几个数量级之多，即所谓的压敏效应,25,压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷具有非线性伏安特性在某一临界电压下压敏电阻陶瓷电阻值非常高几乎没有电流但当超过这一临界电压时电阻将急剧变化并有电流通过随电压的少许增加电流会很快增大。使用时加上电极包封即成为压敏电阻器。英文全名为variable resistor简称varistor,26,故又称变阻器。压敏陶瓷材料是指在某一特定电压范围内具有非线性欧姆V-I特性、其电阻值随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。根据这种非线性V-I特性可以用这种半导体陶瓷材料制成非线性电阻元件即压敏电阻器。压敏电阻器的应用很广可以用于抑制电压浪涌、过电压保护。由于压敏电阻器在保护电力设备安全、保障电子仪器正常稳定工作方面有重要作用,27,且由于其造价低廉制作方便因此在航天、航空、国防、电力、通讯、交通和家用电器等许多领域得以广泛的应用。 按照外形和结构的特征压敏电阻器可分为单层结构压敏电阻器、多层结构压敏电阻器multilayer varistor, MLV 和避雷器用压敏电阻片亦称阀片。根据其工作电压压敏电阻器可分为低压压敏电阻器和高压避雷器阀片,28,研究历史,自七十年代日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC串联间隙避雷器以来，国内外都相继开展了这方面的研究。但氧化锌压敏陶瓷在高压领域的应用还存在局限性。如生产高压避雷器，则需要大量的ZnO压敏电阻阀片叠加，不仅加大了产品的外形尺寸，而且高压避雷器要求较低的残压比也极难实现，为此必须研究开发新的高性能高压压敏陶瓷材料。过去SnO2主要用作气敏材料。,29,未见用于高性能压敏材料的研究，山东省硅酸盐研究设计院研究人员经过反复研究开发出性能优异的新一代压敏陶瓷材料以满足国内外市场的要求。通过对试样结果的分析可得出如下结论：用化学级原料成功地制备出性能优异的SnO2压敏陶瓷，新型SnO2压敏陶瓷显示出优异的非线性电流电压特性，与目前国内外市场上流行的ZnO压敏材料相比，其性能高于前者。,30,目前商品化的压敏电阻器来自ZnO、TiO、SrTiO等不同体系的压敏，陶瓷系列。其中性能优异应用最广的当属从20世纪60年代末发展起来的ZnO压敏电阻。ZnO压敏电阻器一般是由ZnO粉料按照配方要求：添加有Bi、Sb、Mn、Co、Cr等金属氧化物，通过常规电子陶瓷制备工艺经高温烧结而成。晶相结构为固溶有Mn、Co的ZnO主晶相，富Bi晶间相和小颗粒状的尖晶石相。,31,ZnO压敏电阻具有优秀的非线性欧姆特性、通流能量以及老化特性。然而，新型低电位梯度压敏电阻器以及新型高电位梯度避雷器阀片的研制仍然是科研院所和生产厂家研发的重点。而近期报道的新型压敏材料SnO 压敏陶瓷具有高电位梯度以及与ZnO压敏电阻器相类似高非线性欧姆特性，目前也正处于从研发到商业化的过渡阶段。,32,压敏陶瓷的应用,应用：压敏半导体陶瓷多用于制作压敏变阻器，广泛地用作过压保护、高能浪涌吸收、高压稳压等各个方面。在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有实际应用。,33,压敏电阻器作为过电压保护的特点是电子设备和仪器工作正常时被保护设备的输入工作电压处于I-V特性曲线的预击穿区电压。发生异常大的过电压时其工作点立即进入非线性的击穿区域通过压敏电阻的电流可比正常工作时高几个数量级这样可将浪涌电流吸收掉并将浪涌电压降落到与其串联的浪涌源内阻上防止了由于过电压使电子设备烧毁的事故发生。主要包括电子设备的过压保护、交流输电线路的防雷保护、直流电源供电线路的防雷保护、整流设备中的操作过电压防护、继电器的触点及线圈的保护、晶体管的过压保护等。,34,2）在稳压方面的应用：通过电压补偿来稳定电压的变化； 压敏电阻器的稳压作用也是来源于I-V特性曲线。为了保证稳压效果稳压用压敏电阻器的工作点应选在预击穿区与击穿区临界附近的高a值处。压敏电阻在正常工作时会有较大的电流和功耗造成温升。所以要求压敏电阻的a大和电压温度系数小以保证长期使用性能稳定。主要包括电话机线路均衡器、电视机显像管阳极高压稳压器等,35,先进成果,抗菌杀菌压敏陶瓷 （特种涂料） 项目名称: 氧化锌压敏陶瓷 所属行业： 电子 成果完成单位: 中国科学院力学研究所,36,产品介绍：本产品外观为白色超微细粉末或微乳液，颗粒小，比表面积大，分散稳定性好。经特殊处理后，按不同的适用范围，添加到化纤、塑料、油漆、涂料、玻璃等产品中，赋予其新的功能。应用于化纤及玻璃制品中，不仅可全面抵御UVA和UVB对人体皮肤的伤害，而且还能反射可见光和红外线，具有遮热功能；应用于塑料、油漆、涂料