氧化鋅壓敏陶瓷的制備及氧化釤摻雜改性研究.pdf

1、氧化鋅壓敏陶瓷是一種半導(dǎo)體器件,由各種金屬氧化物摻雜氧化鋅,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。氧化鋅壓敏陶瓷以其電阻隨電壓的升高而迅速降低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于電子線路,家用電器和電力系統(tǒng)中,有效地抑制了瞬間過(guò)電壓對(duì)器件和設(shè)備的損壞。常用的氧化鋅壓敏陶瓷是ZnO-Bi2O3系壓敏陶瓷,因形成壓敏特性的Bi2O3高溫易揮發(fā)等缺點(diǎn)而抑制了氧化鋅壓敏陶瓷性能的提高。隨后新型 ZnO-Pr6O11系壓敏陶瓷以能克服ZnO-Bi2O3系壓敏陶瓷的缺陷及自身微觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

2、單而備受廣泛關(guān)注。
　　本文以制備高壓ZnO-Pr6O11系壓敏陶瓷為目的,首先論述了ZnO壓敏陶瓷的發(fā)展方向、應(yīng)用原理、基本特性以及導(dǎo)電機(jī)理;其次討論了陶瓷制備過(guò)程中球磨介質(zhì)、球磨時(shí)間、粘接劑用量、成型壓強(qiáng)、保壓時(shí)間和燒結(jié)溫度等因素對(duì) ZnO壓敏陶瓷性能的影響;最后優(yōu)化了ZnO壓敏陶瓷摻雜工藝,并重點(diǎn)研究不同量的Sm2O3對(duì)ZnO壓敏陶瓷的電性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。采用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,利用阿基

3、米德原理測(cè)取密度,采用I-V特性測(cè)試獲得陶瓷的電性能參數(shù)。分別以純水,無(wú)水乙醇和無(wú)水乙醇和聚乙烯醇(PVA)混合液等作為球磨介質(zhì),探究它們對(duì)球磨效果的影響,結(jié)果顯示:采用無(wú)水乙醇與聚乙烯醇(PVA)混合液作為球磨介質(zhì)時(shí),球磨效果最佳,而以純水作為球磨介質(zhì)時(shí)球磨效果最差。這是因?yàn)榫垡蚁┐?PVA)在球磨過(guò)程中起著潤(rùn)滑,分散的作用,防止組分因比重差而分離。同時(shí)球磨時(shí)間越長(zhǎng),球磨效果越好。球磨時(shí)間長(zhǎng),增加了粉料相互間碰撞研磨的幾率。粉料組分均

4、勻性及尺寸均勻性也因此而得到提高。隨著粘連劑(PVA)含量的添加,胚體由難以成型慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橥旰弥旅?再因難以脫模而致陶瓷胚體被損壞,聚乙烯醇含量過(guò)少,粉料因沒(méi)有得到完全潤(rùn)濕,在壓制成型過(guò)程中粉料因相互間黏度不夠和摩擦力過(guò)大而致成型效果不佳。但過(guò)多粘接劑導(dǎo)致黏度過(guò)大,脫模時(shí)胚體很難與磨具分離。粘接劑的極限添加量為10.02wt％;樣品的成型效果隨壓力的增加先是越來(lái)越好,后因壓力過(guò)大而致胚體損壞,胚體承受的極限壓力是10MPa。壓片時(shí)間長(zhǎng)短

5、對(duì)胚體成型效果沒(méi)有很大的影響。ZnO壓敏陶瓷的致密性隨燒結(jié)溫度的增加先增大后減小,隨著燒結(jié)溫度的升高,晶粒呈現(xiàn)整體長(zhǎng)大的趨勢(shì),當(dāng)燒結(jié)溫度為1200℃時(shí),晶粒均勻細(xì)小,僅極少數(shù)晶粒長(zhǎng)大。繼續(xù)升高燒結(jié)溫度,大部分晶粒異常生長(zhǎng),小部分小顆粒逐步減小至消失。當(dāng)燒結(jié)溫度為1350攝氏度時(shí),晶粒尺寸整體均勻。致密度最高,但繼續(xù)升高燒結(jié)溫度,氧化鋅壓敏陶瓷因微觀結(jié)構(gòu)孔洞過(guò)多而使致密度降低。此外,Pr、Co、Cr等元素氧化物對(duì)ZnO壓敏陶瓷壓敏性能的具

6、有很大影響,先向ZnO中添加Pr6O11、在1350℃下燒結(jié)1h后獲得ZnO壓敏陶瓷,獲得最佳配比,但Pr6O11摻雜僅使ZnO具有壓敏特性,壓敏特性還很低。只有再進(jìn)行Co2O3、Cr2O3等物質(zhì)的摻雜,ZnO才能進(jìn)一步提高壓敏特性。最終,ZnO壓敏陶瓷的最佳配比為:95ZnO-1Pr6O11-2Co2O3-2Cr2O3(單位:mol%);其擁有最佳壓敏特性,壓敏電壓為:V1mA=1200V/mm;非線性為:α=34。但因壓敏電壓已接近

7、測(cè)量極限而選用性能較好的95.5ZnO-1Pr6O11-2Co2O3-1.5Cr2O3壓敏陶瓷進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。其壓敏電壓為:V1mA=308V/mm;非線性為:α=21。Sm2O3含量對(duì)95.5ZnO-1Pr6O11-2Co2O3-1.5Cr2O3壓敏陶瓷電性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Sm2O3因其離子半徑比氧化鋅大而偏析在晶界處,增加了晶界勢(shì)壘,從而提高陶瓷的非線性系數(shù)和壓敏電壓。陶瓷的非線性系數(shù)和壓敏電壓的提高,還可能因

8、為有極少數(shù)Sm2O3與ZnO發(fā)生置換反應(yīng),產(chǎn)生了氧填隙原子和ZnO空位,自由電子濃度隨著Sm2O3含量的增加而增加,由于電子效應(yīng)使ZnO晶粒內(nèi)的電阻降低。同時(shí)Sm2O3的摻雜促進(jìn)ZnO壓敏陶瓷液相燒結(jié),增強(qiáng)氧化鋅晶粒的運(yùn)動(dòng),有利于氣孔的排出;因而隨著Sm2O3含量的增加,陶瓷的致密度也得到了明顯提高。隨著 Sm2O3含量的添加,壓敏電壓和非線性系數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而密度是越來(lái)越高;當(dāng)Sm2O3含量為0.3mol%時(shí),具有最佳電