YBCO厚膜发热电阻浆料研究

论文摘要

本课题针对目前厚膜发热元件价格较高的问题,进行了降低成本的研究。厚膜发热元件价格之所以会居高不下,是因为电阻层中使用贵金属作为功能相,所以为了降低成本,需要使用廉价的导电材料取代这些贵金属功能相。采用YBCO(YBa2Cu3O7-x)作为厚膜发热功能相,从多种角度对其进行了可行性的研究;用热重-差热分析仪对其热反应过程进行分析,确立了初步的工艺条件;对其电导率进行测试,测得室温下最佳的电导率为9.742×105S/m,作为厚膜发热功能相是非常合适的;所用不锈钢基片的热膨胀系数在0℃649℃范围内为11.520×10-6/K,所测得的YBCO功能相的热膨胀系数,在25℃500℃范围内为14.494×10-6/K,与不锈钢比较匹配;对YBCO材料的电阻-温度系数（TCR）进行测试,呈现负温度系数;对YBCO的制备工艺进行了优化研究,最适合的峰值烧结温度为940℃。针对YBCO作为厚膜发热层的功能相,研究了与其相适合的粘结相材料,从玻璃的熔融温度和热膨胀系数的角度,设计玻璃粘结相的配方,然后对玻璃粘结相的原始粉料进行热分析,确定熔炼的工艺条件;研究了玻璃粘结相的粒径大小和掺杂质量百分比对厚膜电阻的影响,发现玻璃粘结相的粒径越小,厚膜电阻的电导率越大;掺杂质量百分比为10%时,厚膜电阻的电导率能够满足厚膜发热材料的要求,达到4.687×103S/m,当掺杂量过小或过大,都会导致电导率急剧下降。采用丝网印刷工艺,制备厚膜发热元件的介质层、电阻层,研究了有机载体的制备和介质层的工艺优化,通过烧结对比实验发现,印刷的层数为3层能够保证介质层的平整度,保温时间至少为30min,才能保证熔融的介质有足够的时间流平;研究了厚膜发热层的烧结工艺条件,发现峰值烧结温度为900℃、保温时间为30min时,电导率最佳,达到6.513×103S/m,满足作为厚膜发热电阻的要求;对厚膜发热层的TCR特性进行测试,结果呈现负温度特性;对厚膜发热层的热膨胀系数进行测试,在25℃500℃范围内,为12.620×10-6/K,相比纯YBCO功能相,厚膜发热层与不锈钢基片的热膨胀系数更加匹配。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 厚膜发热元件概述
• 1.1.1 厚膜发热元件的研究背景
• 1.1.2 厚膜发热元件的研究现状
• 1.1.3 厚膜发热元件的基本参数
• 1.2 厚膜电阻的导电理论
• 1.2.1 厚膜电阻的微观结构
• 1.2.2 厚膜电阻导电机理的研究现状
• 1.3 厚膜发热电阻浆料概述
• 1.3.1 常用的功能相
• 1.3.2 玻璃粘结相的设计原则
• 1.4 本论文的研究意义、内容和创新点
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 创新点
• 第二章 实验研究方法
• 2.1 实验用主要原料与设备
• 2.1.1 实验用主要原料
• 2.1.2 实验用主要设备
• 2.2 实验分析方法
• 2.2.1 热分析
• 2.2.2 电导率分析
• 2.2.3 电阻-温度系数分析
• 2.2.4 热膨胀系数分析
• 2.2.5 XRD 分析
• 2.2.6 SEM 分析
• 2.3 电阻浆料的制备
• 2.3.1 功能相的制备
• 2.3.2 玻璃粘结相的制备
• 2.3.3 有机载体的制备
• 2.3.4 电阻浆料的调制
• 2.3.5 三相的性能表征
• 2.4 厚膜电阻的制备与性能表征
• 2.4.1 厚膜电阻的制备
• 2.4.2 厚膜电阻的性能表征
• 第三章 YBCO 功能相研究
• 3.1 YBCO 的导电机理
• 3.2 YBCO 常温物理特性研究
• 3.2.1 热分析
• 3.2.2 电导率研究
• 3.2.3 TCR 研究
• 3.2.4 热膨胀系数研究
• 3.2.5 XRD 研究
• 3.3 烧结温度对YBCO 功能相的影响研究
• 3.3.1 不同烧结温度下的电导率分析
• 3.3.2 不同烧结温度下的TCR 分析
• 3.3.3 不同烧结温度下的热膨胀系数分析
• 3.3.4 不同烧结温度下的XRD 分析
• 3.3.5 不同烧结温度下的SEM 分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 玻璃粘结相研究
• 4.1 玻璃粘结相配方设计
• 4.1.1 玻璃粘结相熔化温度设计
• 4.1.2 玻璃粘结相热膨胀系数设计
• 4.2 玻璃粘结相的制备研究
• 4.2.1 玻璃粘结相热分析
• 4.2.2 玻璃粘结相的制备
• 4.2.3 玻璃粘结相的球磨效率讨论
• 4.3 玻璃粘结相对厚膜电阻的影响研究
• 4.3.1 玻璃粘结相粒径的大小对厚膜电阻的影响
• 4.3.2 玻璃粘结相掺杂量大小对厚膜电阻的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 厚膜发热元件研究
• 5.1 丝网印刷法制备厚膜
• 5.1.1 丝网印刷原理
• 5.1.2 丝网印刷效果影响因素
• 5.1.3 厚膜制备工艺过程
• 5.2 介质层工艺优化研究
• 5.2.1 保温时间对介质层平整度的影响
• 5.2.2 印刷层数对介质层平整度的影响
• 5.3 厚膜发热层物理特性研究
• 5.3.1 厚膜发热层的电导率研究
• 5.3.2 厚膜发热层的TCR 研究
• 5.3.3 厚膜发热层的热膨胀系数研究
• 5.3.4 厚膜发热层的SEM 分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果