[科普中国]-热敏陶瓷

热敏陶瓷是一类其电阻率随温度发生明显变化的材料。可用于制作温度传感器，温度测量，线路温度补偿和稳频等。一般按温度系数可分为电阻随温度升高而增大的正温度系数(PTC)、电阻随温度升高而减小的负温度系数(NTC)和电阻在特定温度范围内急剧变化的临界温度系数(CTR)等热敏陶瓷。

热敏陶瓷是对温度变化敏感的陶瓷材料。它可分为热敏电阻、热敏电容、热电和热释电等陶瓷材料。在种类繁多的敏感元件中，热敏电阻应用最广。热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件(或称电阻器)。

热敏电阻按阻值随温度变化不同，分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻、临界温度系数热敏电阻和线性热敏电阻四大类。阻值随温度升高而增加的电阻称正温度系数(PTC)热敏电阻，相反，则称为负温度系数(NTC)热敏电阻。阻值随温度变化呈直线的热敏电阻称线性热敏电阻，阻值随温度变化呈指数(或对数)关系的称非线性热敏电阻。在非线性热敏电阻中，有一类其阻值在一个很窄的温度范围内可变化(上升或下降)几个数量级，称为临界温度系数热敏电阻或开关型热敏电阻1。

热敏电阻主要用作电路温度补偿元件。金属氧化物制成的半导体陶瓷热敏电阻，以氧化钒为主体的玻璃热敏电阻，硅、锗单晶热敏电阻，用V2O3、P2O5、 SiO2、BaO、SrO、CaO等氧化物合成的临界热敏电阻(CTR)和以钛酸钡为主体的正温度系数热敏电阻。近年来，随着硅元件平面工艺的成熟与集成技术的发展，出现了碳化硅单晶碳化硅薄膜热敏电阻等。1

掺杂BaTiO3陶瓷是主要的热敏陶瓷。BaTiO3的PTC效应与其铁电性相关,其电阻率突变同居里温度Tc相对应。但是，没有晶界的BaTiO3单晶不具有PTC效应。只有晶粒充分半导化，晶界具有适当绝缘性的BaTiO3陶瓷才具有PTC效应。当制备BaTiO3热镦陶瓷时，采用施主掺杂使晶粒充分半导化，采用氧气氛烧结使晶界及其附近氧化，具有适当的绝缘性，缓慢冷却也使晶界氧化充分，PTC效应增强。

关于BaTiO3的PTC效应，Heywang基于该效应同居里点相关的事实，认为施主掺杂BaTiO3晶粒边界存在的二维受主型表面态与晶粒的载流子相互作用，产生晶粒表面的势垒层。势垒高度φ与有效介电常数ε成反比。当温度低于居里点时，e约为104，因此，φ很小时，电阻率也小。2

NTC热敏电阻的导电机制同其组成及半导化方法有关。引人高价金属离子或低价金属离子，分别产生N型或P型半导体，形成电子导电或空穴导电。在还原气氛或氧化气氛中烧结，分别产生N型或P型半导体，形成电子或空穴导电。

常温NTC热敏电阻陶瓷绝大多数是尖晶石型氧化物，主要是含锰二元系和含锰三元系氧化物。二元系有MnO-CuO-O2，MnO-CoO-O2，MnO-NiO-O2系，三元系有Mn-Co-Ni，Mn-Cu-N，Mn-Cu-Co系氧化物等。MnO-CoO-O2系陶瓷含锰23%~60%(质量分数)，主晶相是立方尖晶石MnCo2O4和四方尖晶石CoMn2O4，主要导电相是MnCo2O4，其导电机制是全反尖品石氧八面体中Mn4+和Co2+的电子交换。该系的B值和电阻温度系数比MnO-CuO-O2和MnO-NiO-O2系高。2

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