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  • 科研進展

    新疆理化所研發出可適用于25~1300℃寬溫區的新型高溫熱敏材料

    發布時間:2024-04-30

    近年來,我國冶金、特種加工、汽車、航空航天等行業的技術升級,對1000℃以上的溫度精確測控需求日益增長。負溫度系數(NTC,Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻由于其靈敏度高、響應快速、結構簡單以及成本低廉而被視為是經濟性最佳的高溫傳感器解決方案之一,因此受到了廣泛關注。

    熱敏電阻若想長期適用于251300℃的超寬溫區,NTC熱敏陶瓷必須在高溫下具備高電阻率的同時,還必須兼顧適宜的材料常數B值。然而,由于電阻率和B值之間存在正相關關系,因此二者的協同反向調控一直是NTC熱敏陶瓷的研究難點。另外,隨著適用溫度的提高,尤其是在超過1000℃后隨著導電機制的改變以及晶體結構的嚴重畸變,傳統高溫NTC熱敏陶瓷往往難以保持穩定而表現出較差的高溫老化特性。近日,中國科學院新疆理化技術研究所材料物理與化學研究室科研團隊通過多主元稀土元素的共摻雜策略,研發出具有高熵特征的鈣鈦礦型鉻酸鹽基高溫NTC熱敏陶瓷(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)CrO3。研究發現,基于多主元稀土元素間的協同機制,該材料不僅具備不高于2400K的材料常數B值,還在高溫下表現出較高電阻率,由此可滿足最高1300℃、最低至室溫25°C的超寬溫區內潛在測控溫應用需求。此外,多主元共摻雜所構筑的“熵穩定”結構還在高溫下表現出優異的結構穩定性,從而賦予該材料在適用溫度上限1300℃的高溫下優異的電學穩定性。更重要的是,研究還發現通過分子動力學模擬獲得的材料超晶胞在高溫下的總能量變化與其在該溫度下的老化特性存在關聯性,這為評估高溫熱敏陶瓷的老化特性提供了一種快速和高效的方法。

    相關研究成果以“High-entropy Chromate (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)CrO3 for High-Temperature NTC Thermistors”為題發表于Scripta Materialia2024,246,116087,中國科學院新疆理化技術研究所為唯一完成單位,博士研究生陳肖伊為第一作者,其導師高博副研究員為本文通訊作者,孔雯雯副研究員為共同通訊作者,該研究工作得到新疆維吾爾自治區天山英才青年科技創新人才培養計劃、新疆維吾爾自治區杰出青年科學基金、中國科學院青年創新促進會以及中國科學院西部青年學者項目的資助。

    (文章鏈接)

    1 (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)CrO3陶瓷的結構及電學性能:
    aXRD圖譜;(b)阻溫關系圖;
    cAIMD模擬在1300℃的總能量波動(插圖為熱浴15ps前后的晶體結構變化);
    d1300℃下電阻漂移(ΔR/R0)隨老化時間的變化;


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