低壓ZnO壓敏電阻的低溫?zé)Y(jié)及水基流延制備片式壓敏電阻器的研究.pdf

1、鑒于片式壓敏電阻向低壓化、低溫?zé)Y(jié)及“綠色”制造等方向發(fā)展，本文以低電壓梯度ZnO-Bi2O3-TiO2-Co2O3-MnCO3 (ZBTCM) 壓敏陶瓷為研究對(duì)象，探討了該壓敏陶瓷材料體系的摻雜改性和低溫?zé)Y(jié)，并利用水基流延工藝制備出了低溫共燒型片式壓敏電阻器。
　　 首先研究了燒結(jié)溫度和升溫速率對(duì)ZnO-Bi2O3-TiO2-Co2O3-MnCO3 (ZBTCM) 壓敏陶瓷致密度、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。結(jié)果表明：

2、當(dāng)升溫速率為60℃/h，燒結(jié)溫度為1100℃時(shí)，其致密度和綜合電性能最佳：密度ρ=5.42g/cm3、電壓梯度E1mA=35.6V/mm、非線性系數(shù)α=33.3、漏電流密度JL=0.31μA/cm2、8/20μs脈沖電流沖擊后壓敏電壓的變化率△V1mA=15.4％。該材料體系雖然具有低電壓梯度和高非線性特性，但其耐8/20μs脈沖電流沖擊能力較差，而且相對(duì)較高的燒結(jié)溫度使其無法實(shí)現(xiàn)與Ag電極的疊層共燒。
　　 接下來，探討了過渡

3、金屬氧化物WO3對(duì)ZBTCM壓敏陶瓷致密度、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響規(guī)律。研究表明：當(dāng)WO3含量x≤0.3mol％時(shí)，WO3與Bi2O3反應(yīng)生成Bi2WiO3(1+I) (I=1/7, 2/7)低熔化合物，促進(jìn)了ZBTCM壓敏陶瓷的燒結(jié)，使其致密化溫度下降了100℃，并且增加了界面態(tài)密度和晶界勢(shì)壘高度，提高了非線性特性和耐8/20μs脈沖電流沖擊能力。但是，當(dāng)x＞0.3mol％時(shí)，片狀低電阻率Bi2WO6相的生成阻礙了ZBTCM

4、壓敏陶瓷的燒結(jié)，并且引起晶界勢(shì)壘高度急劇降低，非線性特性嚴(yán)重惡化。當(dāng)WO3含量為0.3mol％時(shí)，ZBTCM壓敏陶瓷在1000℃燒結(jié)時(shí)其綜合電性能最佳：E1mA=54.2V/mm，α=36，JL=0.6μA/cm2，△V1mA=8.9％。
　　 進(jìn)一步研究了與WO3同族的過渡金屬氧化物Cr2O3對(duì)ZBTCM壓敏陶瓷致密度、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。Cr2O3溶入ZnO晶粒和Bi2O3晶界相中，促進(jìn)了ZBTCM壓敏陶瓷的燒

5、結(jié)，使其致密化溫度降低至1000℃，同時(shí)增加了界面態(tài)密度和晶界勢(shì)壘高度。當(dāng)Cr2O3添加量y=0.3mol％時(shí)，其E1mA和α值取得各自最大值90.8V/mm和46。此外，隨著y值的增加，△V1mA值呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)y≥0.3mol％時(shí)，其△V1mA值降低至10％以下。該結(jié)果表明Cr2O3能夠大幅提高ZBTCM壓敏陶瓷的非線性特性和耐8/20μs脈沖電流沖擊能力，但美中不足的是其電壓梯度也隨之迅速增大。
　　 研究了Z

6、nO-B2O3玻璃對(duì)ZBTCM壓敏陶瓷致密度、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。結(jié)果表明：ZnO-B2O3玻璃可以促進(jìn)ZBTCM壓敏陶瓷的燒結(jié)，但降溫作用有限，僅使其致密化溫度降低了約50℃。當(dāng)燒結(jié)溫度T＜1050℃時(shí)，ZnO-B2O3玻璃摻雜ZBTCM壓敏陶瓷的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)指數(shù)nZ≈4.54，激活能QZ≈316.5kJ/mol，此時(shí)未全部熔化的ZnO-B2O3玻璃析晶相對(duì)ZnO顆粒邊界遷移起阻滯作用，阻礙了ZnO晶粒的生長(zhǎng)；而當(dāng)燒結(jié)

7、溫度T≥1050℃時(shí)，其動(dòng)力學(xué)指數(shù)nZ≈2.92，激活能QZ≈187 kJ/mol，此時(shí)完全熔化的ZnO-B2O3玻璃析晶相提高了液相燒結(jié)作用,促進(jìn)了ZBTCM壓敏陶瓷的晶粒生長(zhǎng)。ZnO-B2O3玻璃析晶相ZnB2O4分布在ZBTCM壓敏陶瓷晶界處形成晶界俘獲態(tài)，提高了界面態(tài)密度和晶界勢(shì)壘高度。當(dāng)ZnO-B2O3玻璃含量為0.1wt％時(shí)，ZBTCM壓敏陶瓷在1050℃燒結(jié)時(shí)其綜合電性能最佳：E1mA=36.7V/mm，α=35.4，JL

8、=0.35μA/cm2，△V1mA=12.1％，該△V1mA值略高于合格標(biāo)準(zhǔn)10％。
　　 研究了Bi2O3-B2O3玻璃對(duì)ZBTCM壓敏陶瓷致密度、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。與ZnO-B2O3玻璃相比，Bi2O3-B2O3玻璃對(duì)ZBTCM壓敏陶瓷促燒作用更明顯，使其致密化溫度降低至900℃。Bi2O3-B2O3玻璃摻雜ZBTCM壓敏陶瓷的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)指數(shù)和激活能為nB≈2.15、QB≈146.2 kJ/mol，該值明

9、顯降低。Bi2O3-B2O3玻璃析晶相Bi2B4O9分布在ZBTCM壓敏陶瓷晶界處形成晶界俘獲態(tài)，增加了界面態(tài)密度，提高了晶界勢(shì)壘高度。當(dāng)Bi2O3-B2O3玻璃含量為2wt％時(shí)，ZBTCM壓敏陶瓷在900℃燒結(jié)時(shí)其綜合電性能最佳：E1mA=124.9V/mm，α=46.2，JL=0.2μA/cm2，△V1mA=8.3％。
　　 研究了Bi2O3-B2O3玻璃摻雜ZBTCM壓敏陶瓷粉體的水基流延工藝，通過對(duì)流延漿料固相含量、粘結(jié)

10、劑、分散劑、增塑劑、表面活性劑及消泡劑的優(yōu)化，成功制備出了厚度為40μm左右且性能良好的水基流延膜。水基流延漿料的最佳配方為：固相含量為50wt％，去離子水含量為41.4wt％，PVA為3wt％，PAA-NH4為0.5wt％，丙三醇含量為2.7wt％，Span-20為1.5wt％，正丁醇為0.9wt％。該水基流延膜在900℃燒結(jié)時(shí)，其電性能為：E1mA=112.4V/mm，α=34.6，JL=0.5μA/cm2。
　　 最后研究