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,便因其具有較低的成本和優(yōu)異的電學性能已成為電子與電力領域作為過電壓保護必不可缺少的元件而被廣泛應用,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。本文對ZnO壓敏電阻導電機理進行了討論,并系統(tǒng)研究了高壓ZnO壓敏陶瓷的制備及其相關電學性能改性。
　　 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ZnO-Bi2O3體系壓敏電阻材料微觀結(jié)構和電學性能的影響。XRD、SEM和EDS等測試結(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,均化了該材料的微觀結(jié)構。另外,稀土添加劑在壓敏電阻燒結(jié)過程中使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,進而也起到了抑制ZnO晶粒生長

3、的作用。因此,適當?shù)腜r6O11摻雜能明顯提高ZnO壓敏電阻電學性能,當Pr6O11的摻雜量為3.37wt.％時,所制備的試樣具有最佳的電學性能。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壓敏電阻的電學性能,因此,Pr6O11和Y2O3復合摻雜并不能進一步提高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,從而影響到壓敏電阻的電學性能。實驗得出最佳燒成溫度為1150℃,Pr6O11摻雜量為3.37wt.％時,該壓敏電阻具有最佳電學性能: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電學性能影響,以ZnO-Bi2O3-Pr6O11系為研究基礎,引入了硝酸鹽熱分解法和高能球磨法。通過對相組成、微觀結(jié)構和電學性能的分析和測試可知,利用硝酸鹽熱分解法能

5、極大地細化添加劑粉體的顆粒細度及改善顆粒分散均勻性,從而使得納米級添加劑在試樣燒成過程中起到限制ZnO晶粒長大的作用,從而提高了電學性能。利用硝酸鹽熱分解法可以制備出結(jié)構組織均勻、電學性能優(yōu)異的壓敏電阻片。在燒成溫度為1150℃時,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。高能球磨并沒有改變ZnO壓敏電阻的物相組成,但使其晶粒更加均勻、細小,當高能球磨時間為7.5h,燒結(jié)溫度為1100℃時,其對應的電學性能分別為: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),討論了不同球磨時間對ZnO壓敏電阻微觀結(jié)構和電學性能的影響。由于制備壓敏電阻的粉體經(jīng)過高強度球磨,使得顆粒混合更加均勻、變小,從而制備了微觀結(jié)構均勻、細小的ZnO壓