高壓ZnO壓敏陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、自從1968年日本松下電器公司研發(fā)了ZnO壓敏電阻器以來(lái),便因其具有較低的成本和優(yōu)異的電學(xué)性能已成為電子與電力領(lǐng)域作為過(guò)電壓保護(hù)必不可缺少的元件而被廣泛應(yīng)用,并已成為制備避雷器的核心部件。由于高壓輸變電和集成化電路的發(fā)展需要以及環(huán)保節(jié)能要求,制備高壓ZnO壓敏電阻已成為目前研究熱點(diǎn)。本文對(duì)ZnO壓敏電阻導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了討論,并系統(tǒng)研究了高壓ZnO壓敏陶瓷的制備及其相關(guān)電學(xué)性能改性。
　　 論文首先研究了稀土氧化物Pr6O11和V2

2、O3摻雜以及燒結(jié)溫度對(duì)ZnO-Bi2O3體系壓敏電阻材料微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。XRD、SEM和EDS等測(cè)試結(jié)果表明稀土氧化物的引入,不僅改變了尖晶石第二相的生成方式,使其具有細(xì)小的顆粒尺寸,而且能生成含稀土元素的相也釘扎在ZnO晶界,從而抑制了氧化鋅晶粒的生長(zhǎng),均化了該材料的微觀結(jié)構(gòu)。另外,稀土添加劑在壓敏電阻燒結(jié)過(guò)程中使ZnO晶體的自由電子濃度增大,填隙鋅離子的總濃度下降,使填隙鋅離子的傳質(zhì)能力下降,進(jìn)而也起到了抑制ZnO晶粒生長(zhǎng)

3、的作用。因此,適當(dāng)?shù)腜r6O11摻雜能明顯提高ZnO壓敏電阻電學(xué)性能,當(dāng)Pr6O11的摻雜量為3.37wt.％時(shí),所制備的試樣具有最佳的電學(xué)性能。然而,由于Y2O3是施主摻雜,其提供的大量電子造成了ZnO肖特基勢(shì)壘的降低,從而降低了非線性系數(shù),并增大了漏電流,從而不利于整體上提高該ZnO壓敏電阻的電學(xué)性能,因此,Pr6O11和Y2O3復(fù)合摻雜并不能進(jìn)一步提高Pr6O11摻雜ZnO-Bi2O3體系壓敏電阻材料電性能。另外,由于燒成溫度影響

4、到了微觀組織的分布和ZnO晶粒生長(zhǎng),從而影響到壓敏電阻的電學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)得出最佳燒成溫度為1150℃,Pr6O11摻雜量為3.37wt.％時(shí),該壓敏電阻具有最佳電學(xué)性能:壓敏電壓為340V/mm,非線性系數(shù)為44,漏電流為0.4μA。
　　 接著,文章討論了制備工藝對(duì)電學(xué)性能影響,以ZnO-Bi2O3-Pr6O11系為研究基礎(chǔ),引入了硝酸鹽熱分解法和高能球磨法。通過(guò)對(duì)相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的分析和測(cè)試可知,利用硝酸鹽熱分解法能

5、極大地細(xì)化添加劑粉體的顆粒細(xì)度及改善顆粒分散均勻性,從而使得納米級(jí)添加劑在試樣燒成過(guò)程中起到限制ZnO晶粒長(zhǎng)大的作用,從而提高了電學(xué)性能。利用硝酸鹽熱分解法可以制備出結(jié)構(gòu)組織均勻、電學(xué)性能優(yōu)異的壓敏電阻片。在燒成溫度為1150℃時(shí),壓敏電壓大約為480V/mm、漏電流大約為0.7μA和非線性系數(shù)為44。
　　 高能球磨可制備晶粒尺寸細(xì)小、均勻的ZnO壓敏電阻粉體,該粉體的最佳燒成溫度為1100℃,較傳統(tǒng)球磨方法的燒結(jié)溫度下降了1

6、00℃左右。高能球磨并沒(méi)有改變ZnO壓敏電阻的物相組成,但使其晶粒更加均勻、細(xì)小,當(dāng)高能球磨時(shí)間為7.5h,燒結(jié)溫度為1100℃時(shí),其對(duì)應(yīng)的電學(xué)性能分別為:壓敏電壓大約為542V/mm,漏電流大約為2.88μA,非線性系數(shù)為47。
　　 最后,以氧化鋯球作為球磨介質(zhì),討論了不同球磨時(shí)間對(duì)ZnO壓敏電阻微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。由于制備壓敏電阻的粉體經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度球磨,使得顆?；旌细泳鶆?、變小,從而制備了微觀結(jié)構(gòu)均勻、細(xì)小的ZnO壓