压敏陶瓷简介剖析
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ZnO压敏陶瓷的研究进展摘要:ZnO压敏陶瓷是众多压敏陶瓷中性能最优异的一种,它是以ZnO为主原料,通过掺杂Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3和Nb2O5等氧化物改性烧结而成。
本文通过介绍ZnO粉体的合成方法、掺杂改性等方面入手,对ZnO压敏陶瓷的发展趋势进行探讨,并针对某些共性问题提出自己的一些看法。
关键词:ZnO压敏陶瓷;掺杂;制备;发展趋势The development trends of ZnO varistor ceramic Abstract: The ZnO varistor ceramic is one of the varistor ceramics which with best properties. The main raw material is ZnO, then mixed with some oxides ,such as Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3、Nb2O5 and so on ,to change it’s properties and sinter it .This text briefly described the methods of producing ZnO powder and mixing something to change the properties of it .Present situation in development of varistor ceramic as well as its developing tendency was also analyzed .Some suggestions and opinions were proposed for problems on common characteristics. Key words: ZnO varistor ceramic; mixed; produce; developing tendency1.前言ZnO压敏陶瓷是一种多功能新型陶瓷材料,它是以ZnO主为体,添加若干其他改性金属氧化物的烧结体材料。
材料化学专业科研训练(材料设计)题目: 压敏陶瓷材料设计班级学号: 材化09-1姓名:指导教师:哈尔滨理工大学化学与环境工程学院2012年01月 5日摘要压敏陶瓷是指电阻值与外加电压成显著的非直线性关系的半导体陶瓷。
本文介绍了压敏陶瓷的应用和发展前景以及压敏陶瓷的分类,并以ZnO压敏陶瓷为例对压敏陶瓷的电性能、工艺原理和导电机理进行了介绍。
最后论述了对ZnO压敏陶瓷进行提高致密度、掺杂Nb2O5,NaCO3、改变组分等一系列的改性的方法以及原理,使其有更优越的压敏性能。
目录摘要 I第1章绪论 11.1 压敏陶瓷材料介绍 11.1.1 压敏陶瓷发展及前景 11.1.2 压敏电阻的应用 21.1.3 压敏陶瓷分类 3第2章压敏陶瓷工作原理及性能 5 2.1 电流电压(I-V)特性 52.2 非线性系数α 52.3 材料常数C 62.4 漏电流 72.5 电压温度系数 72.6 残压比 82.7 相对介电常数ε 8第3章 ZnO压敏特性的优化设计 9 3.1 基本理论 93.2 降低压敏电压的改性 103.2.1 提高烧结致密度 103.2.2 掺杂施主杂质Nb2O5 113.3 增大压敏电压的改性 113.3.1 改变组分 113.3.2 掺杂受主杂质Na2CO3 12总结 13参考文献 14千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。
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打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章绪论1.1 压敏陶瓷材料介绍压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷,具有非线性伏安特性,在某一临界电压下,压敏电阻陶瓷电阻值非常高,几乎没有电流,但当超过这一临界电压时,电阻将急剧变化,并有电流通过,随电压的少许增加,电流会很快增大。
使用时加上电极包封即成为压敏电阻器。
英文全名为variable resistor,简称varistor,故又称变阻器[1]。
氧化锌电压敏陶瓷理论及应用(简介、目录)简介《氧化锌电压敏陶瓷理论及应用》内容主要包括氧化锌压敏陶瓷、避雷器元器件制造材料、配方、正艺及其工艺装备、产品设计和性能测试方法等,对我国氧化锌避雷器和压敏电阻器科研成果、生产技术进行了系统总结,特别在次晶界形成机理、烧成冷却速度和热处理工艺作用机理、压敏陶瓷几何效应等方面具有独特见解和创新。
《氧化锌电压敏陶瓷理论及应用》可供电子陶瓷元器件的研究人员,特别是从事压敏电阻器、避雷器专业设计和生产的工程技术人员参考;也可作为高等院校无机材料、电气工程、电子电器等相关专业师生教学和科研的参考书。
目录前言第一篇氧化锌压敏陶瓷基础理论和电气性能第1章氧化锌压敏陶瓷基础理论1.1 概论1.1.1 氧化锌压敏电阻的演变历史与发展1.1.2 氧化锌压敏陶瓷的制备方法1.1.3 应用领域的拓展1.2 氧化锌压敏陶瓷的物理化学和显微结构1.2.1 氧化锌压敏陶瓷产生压敏性的物理基础1.2.2 氧化锌压敏陶瓷产生压敏性的化学基础1.2.3 氧化锌压敏陶瓷产生压敏性的显微结构1.3 氧化锌压敏陶瓷显微结构中的物相1.3.1 主晶相——氧化锌晶粒1.3.2 晶界层1.3.3 晶界层含有的物相1.4 晶界势垒与导电机理1.4.1 导电机理需要解释的基本现象1.4.2 不同电压区域具有代表性的导电理论模型1.4.3 耗尽层1.4.4 块体模型1.4.5 压敏电阻的等价电路1.5 晶界势垒的形成1.5.1 晶界势垒的形成与烧成冷却过程的关系1.5.2 晶界势垒与添加剂的关系1.6 氧化锌压敏陶瓷的晶界势垒高度和宽度1.6.1 漏电流与温度的关系1.6.2 漏电流与归一化电压的关系及其对耗尽区宽度的估计参考文献第2章氧化锌压敏陶瓷的电气性能与测试方法2.1 电压一电流特性2.1.1 全电压一电流特性2.1.2 小电流区的交流和直流电压一电流特性2.1.3 温度特性2.2 介电特性及损耗机理的研究2.2.1 氧化锌压敏陶瓷材料的介电谱2.2.2 阻性电流与电容和压敏电压乘积的关系2.2.3 介电特性与显微结构的关系理论探讨2.2.4 阻性电流与荷电率的关系2.3 响应特性2.3.1 响应现象2.3.2 等值电路与响应特性的微观机理2.4 耐受能量冲击特性2.4.1 能量吸收能力2.4.2 压敏电阻的可靠性2.4.3 失效模式2.5 寿命及其预测2.6 氧化锌压敏陶瓷蜕变机理的实际研究2.6.1 氧化锌压敏陶瓷经受电流冲击后伏安特性蜕变规律的实际测试研究2.6.2 利用热刺激电流对氧化锌压敏陶瓷蜕变机理的研究2.6.3 氧化锌压敏陶瓷体内冲击时受热过程的研究2.6.4 晶界温升梯度对界面态的影响2.6.5 氧化锌压敏陶瓷遭受冲击时的蜕变机理参考文献第3章氧化锌压敏陶瓷的烧结原理及压敏功能结构的形成3.1 液相烧结与固相烧结3.1.1 氧化锌压敏陶瓷的烧结特点3.1.2 液相的形成3.1.3 液相传质3.1.4 晶界相的分布3.2 致密化过程3.2.1 坯体的致密化规律3.2.2 影响致密化的因素3.2.3 致密化理论分析3.3 ZnO-Bi2O3二元系统陶瓷的形成机理3.3.1 ZnO-Bi2O3二元系统相图3.3.2 ZnO-Bi2O3二元系统的烧成收缩和重量损失3.3.3 ZnO-Bi2O3二元系统的晶粒尺寸和气孔3.4 其他二元和三元系统的形成机理3.4.1 二元系统3.4.2 三元和多元系统3.5 典型多元氧化锌压敏陶瓷形成机理的基础研究3.5.1 晶相组成与相间反应3.5.2 晶相共生关系的分析3.5.3 添加剂的作用3.5.4 实际应用性研究3.6 晶粒中的次晶界.3.6.1 氧化锌晶粒中的次晶界现象3.6.2 影响次晶界的因素3.6.3 次晶界的形成机制3.6.4 次晶界和主晶界对电气性能的影响3.7 对氧化锌压敏陶瓷晶界相研究的最新进展参考文献第4章氧化锌压敏陶瓷的热处理效应和高温热释电现象4.1 氧化锌压敏陶瓷的热处理效应4.1.1 热处理工艺对氧化锌压敏陶瓷性能的影响4.1.2 热处理气氛对氧化锌压敏陶瓷性能的影响4.1.3 氧在氧化锌压敏陶瓷体中扩散重要性的实验证明4.1.4 热处理对氧化锌陶瓷压敏性能长期稳定性及对交流漏电流两种分量的影响4.1.5 氧化锌压敏电阻热处理机理的理论分析4.2 高温热释电现象4.2.1 Bi2O3系和Pr2O3系氧化锌压敏陶瓷材料的高温热释电现象4.2.2 升温对氧化锌压敏陶瓷材料的高温热释电电流的影响4.2.3 热历史对Bi2O3系和Pr2O3系氧化锌压敏陶瓷材料的高温热释电I-T曲线的影响4.2.4 氧化锌压敏陶瓷材料的高温热释电现象的分析讨论参考文献第二篇氧化锌压敏陶瓷电阻片制造工艺第5章氧化压敏陶瓷制造用原材料及其质量控制5.1 氧化锌5.1.1 氧化锌的一般性质5.1.2 氧化锌的半导体性质5.1.3 氧化锌的制造方法5.1.4 氧化锌在氧化锌压敏陶瓷的作用、选择与质量控制5.2 添加物原料5.2.1 常用添加物原料的一般理化性能5.2.2 添加物原料的热性能5.2.3 添加物原料的X衍射分析5.2.4 添加物原料的pH、粒度分布与颗粒形貌5.2.5 添加物原料的作用5.2.6 添加物原料的技术要求与质量控制5.3 有机原材料5.3.1 聚乙烯醇5.3.2 分散剂5.3.3 消泡剂5.3.4 润滑剂5.3.5 增塑剂5.3.6 乙基纤维素5.3.7 三氯乙烯5.4 其他材料参考文献第6章氧化锌避雷器陶瓷电阻片的制造工艺6.1 氧化锌陶瓷压敏电阻配方与工艺设计原则6.1.1 根据用途设计配方6.1.2 根据添加物的作用选择不同添加物成分及添加量6.1.3 配方与制造工艺的配合6.1.4 典型的避雷器用氧化锌压敏电阻片的生产工艺流程与工艺装备6.2 添加剂原料的细化处理与氧化锌混合粉料的制备6.2.1 添加剂配料与细化处理6.2.2 添加剂细磨粒度对压敏电阻器主要电气性能的影响6.2.3 制备氧化锌与添加剂混合浆料的胶体物理化学基础(文章摘自: )。
氧化锌压敏陶瓷1.功能陶瓷所谓功能陶瓷,就是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产业领域中所用到的陶瓷材料。
功能陶瓷所具有的独特声、光、热、电磁等物理特性和生物、化学以及适当的的力学特性,在相应的工程和技术中起到了关键的作用。
这种陶瓷材料从其形态上可以分为块体、粉体、纤维和薄膜四种类型。
2.压敏陶瓷压敏陶瓷既是功能陶瓷的一种,它是指一定温度下,某一特定电压范围内,具有非线性伏安特性且其电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。
目前压敏陶瓷主要有4大类—— SiC、TiO2、SrtiO3和ZnO。
其中应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。
由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性,压敏电阻α值(非线性指数)高( α>60,比SiC压敏电阻器10倍以上),有可调整C值和较高的通流容量,因此得到广泛的应用。
在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用,尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。
3.氧化锌压敏陶瓷ZnO压敏陶瓷生产方法是在ZnO 中添加Bi2 O3、Co2 O3、MnO2、Cr2 O3、Al2 03、Sb2 03、Ti02、Si02、B2O3 和PbO 等的氧化物。
在配方中常含有Bi 元素,其主晶相为具有n型半导体特性的ZnO;此外,瓷相中除有少量添加物与ZnO形成的固溶体外,大部分添加物在ZnO晶粒之间形成连续晶相。
主晶相ZnO 是n型半导体,体积电阻率为10 ·m以上的高电阻层。
因此,外加电压几乎都集中在晶界层上,其晶界的性质和瓷体的显微结构对ZnO电阻的压敏特性起着决定性作用。
一般ZnO的粒径d为几微米到几十个微米,晶界层厚度为0.02~0.2 ;也有人认为晶界相主要集中于三到四个ZnO晶粒交角处,晶界相不连续,在ZnO 晶粒接触面间形成有一层厚度20U左右的富铋层,其性质对非线性特性起重要作用。
ZnO压敏陶瓷的研究进展摘要:ZnO压敏陶瓷是众多压敏陶瓷中性能最优异的一种,它是以ZnO为主原料,通过掺杂Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3和Nb2O5等氧化物改性烧结而成。
本文通过介绍ZnO粉体的合成方法、掺杂改性等方面入手,对ZnO压敏陶瓷的发展趋势进行探讨,并针对某些共性问题提出自己的一些看法。
关键词:ZnO压敏陶瓷;掺杂;制备;发展趋势The development trends of ZnO varistor ceramic Abstract: The ZnO varistor ceramic is one of the varistor ceramics which with best properties. The main raw material is ZnO, then mixed with some oxides ,such as Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3、Nb2O5 and so on ,to change it’s properties and sinter it .This text briefly described the methods of producing ZnO powder and mixing something to change the properties of it .Present situation in development of varistor ceramic as well as its developing tendency was also analyzed .Some suggestions and opinions were proposed for problems on common characteristics. Key words: ZnO varistor ceramic; mixed; produce; developing tendency1.前言ZnO压敏陶瓷是一种多功能新型陶瓷材料,它是以ZnO主为体,添加若干其他改性金属氧化物的烧结体材料。
半导体陶瓷半导体陶瓷专题报告一.半导体陶瓷简介半导体陶瓷概念:具有半导体特性、电导率约在10-6~10-5S/m的陶瓷。
半导体陶瓷的电导率因外界条件(温度、光照、电场、气氛和温度等)的变化而发生显著的变化,因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号,制成各种用途的敏感元件。
半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。
半导化过程可通过掺杂不等价离子取代部分主晶相离子(例如,BaTiO 3中的Ba2+被La3+取代),使晶格产生缺陷,形成施主或受主能级,以得到n型或p型的半导体陶瓷。
另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。
例如氧化气氛可以造成氧过剩,还原气氛可以造成氧不足,这样可使化合物的组成偏离化学计量而达到半导化。
半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单,成本低廉,体积小,用途广泛。
半导体陶瓷的分类:按用途分类:1.压敏陶瓷压敏陶瓷系指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷。
目前压敏陶瓷主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO四大类,但应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷,由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性,在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用,尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。
它们的电阻率相对于电压是可变的,在某一临界电压下电阻值很高,超过这一临界电压则电阻急剧降低。
自七十年代日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC串联间隙避雷器以来,国内外都相继开展了这方面的研究。
但氧化锌压敏陶瓷在高压领域的应用还存在局限性。
如生产高压避雷器,则需要大量的ZnO压敏电阻阀片叠加,不仅加大了产品的外形尺寸,而且高压避雷器要求较低的残压比也极难实现,为此必须研究开发新的高性能高压压敏陶瓷材料。
通过对试样结果的分析,用化学级原料成功地制备出性能优异的SnO2压敏陶瓷,新型SnO2压敏陶瓷显示出优异的非线性电流——电压特性,与目前国内外市场上流行的ZnO压敏材料相比,其性能高于前者。
压敏电阻的陶瓷材料达到一定的温度或者是在特定的电压幅度就会有安特性这种非线性的伏特,它的电阻会根据相应电压的增加而相应减小的一种半导体瓷质材料。
一般这种电阻类的器物——抗压敏电阻器的应用范围非常的广,有电压保护的作用,可以运用到各种形式的避雷设备中,对于电压的稳定性要求不高。
这种抗压敏的电阻在保护各种设备的时候有着非常重要的作用,在各个行业内都有运用,比如:航空、铁路、汽车和各种家用电器领域内获得广泛应用,国内外众多的学者中也对抗压敏器材中的陶瓷材料进行了深入而又广泛研究。
抗压敏的陶瓷材质变阻器按照应用电压范围分为高压抗压敏的变阻器,中压抗压敏的变阻器、低压抗压敏的变阻器,这其中又可以抗压敏电压的差异,从4.8~22 V划分为不同的类型。
现在国内外重点研究的是低压抗压敏的陶瓷材质的变阻器。
1 低压抗压敏电阻陶瓷材质随着技术的发展,现在的电子设备不断向小型化、多功能方向不断发展,集成的路在密度和集成通电速度方面得到了有效改善,为了让电子线路在通电过程中免受电浪的冲击和破坏,在超低压领域内对抗压敏电阻器的要求也提出来更高要求。
人们一直针对ZNO系/TIQ系/SRYIOQ3系/HBQE3系抗压敏陶瓷材料在低压环境中应用进行了研究,这些年来也取得了一些成果。
1.1 ZNO的陶瓷压敏电阻ZNO系是其中性能最优质的一种,1969年,日本公司首先在全球发布并且应用,其中的压敏电阻陶瓷材料虽然主要成分是ZNO但是还添加了多种氧化物烧制凝结而成的,还运用了大量的添加剂,其作用就是在辨析结晶界面上形成阻挡,另外的一部分就是在添加剂凝结降温过程中形成阻挡的层次,而其他添加剂主要起到的功能是控制结晶粒子,可以防止对低压压敏电阻产生不良影响,低压研究热点一直是学界追求的热点,现在低压ZNO压敏电阻器的应用有三类。
1.2 TIQ系的陶瓷压敏电阻这个系列的电阻陶瓷的基础片是在摩尔等混合物中添加多种微量金属氧化物而提取加压凝结成型的,在1300℃~1400℃的惰性气体中燃烧凝结撑的半导体,在这个半导体层面上,可以在800 ℃~900 ℃的空气热量环境下烧覆银电极,在另一个面上制成欧姆的电极,这就是利用添加微量金属氧化物而形成的半导体,也是对电容器的一种变相应用。
1 前言1.1 压敏陶瓷概述压敏陶瓷材料是一种自身电阻随外加电压变化而变化的电子元件。
在一定电压范围内压敏电阻呈现高阻态,当外加电压超出所限定的范围后,压敏电阻自身阻值迅速减小,通过的电流以指数方式急剧增大。
压敏电阻的典型特征就是这种非线性I—V 特性。
这种非线性的I—V关系与稳压二极管的反向电流电压关系曲线类似,不同的是压敏电阻没有极性,双向电流电压关系曲线反对称,因此压敏电阻更像两个背靠背的稳压二极管,这一特性使得压敏电阻既可以应用于直流电路也可以应用于交流电路。
而且压敏电阻可适用的电压和电流范围也比稳压二极管要大的多,电压可由几伏到几万伏,电流则在毫安至数千安之间,其吸收多余能量的能力,最大可达到兆焦耳。
可以用这种半导体陶瓷材料制成非线性电阻器,即压敏电阻器。
压敏电阻器的应用很广,可以用于抑制电压浪涌、过电压保护。
由于压敏电阻器在保护电力设备安全、保障电子设备正常稳定工作方面有重要作用,且由于其造价低廉,制作方便,因此在航空、航天、电力、邮电、铁路、汽车和家用电器等领域获得广泛的应用。
最早的压敏电阻是以SiC材料制成的。
自从1969年Matsuoka等人发现引入掺杂离子的ZnO具有压敏行为,人们对压敏电阻的认识和研究才开始取得较大的进展。
在以后的十几年里,人们对ZnO压敏材料进行了深入、广泛的研究,到八十年代中后期,人们对ZnO压敏材料的实验和理论研究基本成熟。
目前已有的较为成功的理论模型就是以ZnO材料为基础进行研究而逐步建立起来的。
由于ZnO压敏电阻器具有造价低廉、非线性特性优良(a>50)、响应速度快(<25 ns)、漏电流小(<20 ìA)、通流容量大(≥2 500 A/cm2)等优点,在近30 多年间,作为压敏电阻器典型代表之一在通信、电力、家电和工业控制等诸多领域得到了广泛的应用,在压敏电阻器中占据主要地位,获得ZnO系的低压化也是国内外研究的重点。
但是人们发现ZnO压敏材料掺杂成分和相结构组成都比较复杂,所以在提高ZnO压敏材料性能的同时,科研工作者也一直在探索新的压敏材料。
1994年,V.O.Makarov等人发现WO3陶瓷具有电学非线性,但由于常温下具有多相结构,其电学性能很不稳定。
1995年,S.A.Pianaro等人首次发现少量掺杂Co和Nb的SnO2陶瓷材料具有良好的致密性和电学性能,并且与ZnO压敏材料复杂的多相结构截然不同,这种材料只有一种相结构,具有较好的稳定性。
目前SnO 2压敏材料的实验和理论研究还不充分,有待进一步深入的研究。
1.1.1 主要参数压敏陶瓷主要用于制作压敏电阻器,它是对电压变化敏感的非线性电阻,其工作电压是基于所用压敏电阻特殊的非线性电流—电压(I —V )特征。
电流—电压的非线性主要表现:当电压低于某一临界(阀值电压)之前,变阻器阻值非常高,其作用接近于绝缘体(其I —V 关系服从欧姆定律);当电压超过临界值时,电阻就会急剧减少,其作用又相当于导体(其I —V 关系为非线性),其I —V 关系可用下式表示:()αC V I /= 式中:I —通过压敏电阻的电流V —加在变阻器两端电压α—非线性系数,值随电压增加而下降的程度指数C —表示电阻对上式两边取对数:C V I ln ln ln αα+=两边微分:V V I I //∂=∂α 即 ()()V V I I ///∂∂=α上式中α称为非线性指数。
α越大。
则电压增量所引起的电流相对变化越大,压敏性越好。
但α值不是常数,在临界电压以下,α逐步减小,电流很小的区域α→1,表现为欧姆特性。
对一定的材料C 为常数,由于C 值的精确测量非常困难,而实际上压敏电阻器呈现显著压敏性的电流I=0.1—1mA ,因此常用一定电流时的电压V 来表示压敏性能,称压敏电压值。
如电流为0.1mA 时,相应的压敏电压用V 0.1mA 表示。
压敏电阻的性能参数除α、C 外还有:⑴ 压敏电压V 1mA 是指当压敏电阻器流过规定的直流电时所产的端电压(漏电流为1mA 时的电压值)。
⑵ 漏电流是指在规定温度和最大直流电压下,流过压敏电阻器的电流。
⑶ 通流容量是指在规定条件下,允许通过压敏电阻器最大脉冲电流值。
1.2 压敏电阻陶瓷材料的分类1.2.1 ZnO系低压压敏电阻陶瓷目前压敏陶瓷主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO四大类,但应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。
ZnO系是压敏电阻陶瓷材料中性能最优异的一种,1968 年日本松下公司首先开发出ZnO压敏电阻器。
ZnO压敏电阻陶瓷材料是在主要成分ZnO中,添加Bi2O3、Co2O3、MnO2、Cr2O3、Al2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、B2O3和PbO等氧化物改性烧结而成,添加剂的作用大都是偏析在晶界上形成阻挡层,另一部分添加剂起降低烧结温度和控制晶粒尺寸的作用。
随着对低压压敏电阻的需求量愈来愈大,ZnO的低压化成为研究的热点。
1.2.2 BaTiO3系低压压敏电阻陶瓷BaTiO3系压敏电阻陶瓷基片是在BaCO3和TiO2的等摩尔混合物中添加微量Ag2O、SiO2、Al2O3等金属氧化物,加压成型后,在1300~1400℃的惰性气氛中烧结获得的电阻率为0.4~1.5Ω·cm的半导体。
在此半导体的一个面上,于800~900℃在空气中烧覆银电极,在另一面上制成欧姆电极。
因此BaTiO3系压敏电阻是利用添加微量金属氧化物而半导体化的BaTiO3系烧结体与银电极之间存在的整流作用正向特性的压敏电阻,这种压敏电阻实际上是半导体化的BaTiO3电容器的一种变相应用。
由于BaTiO3的半导体特性,其压敏电压在几伏以下,很适合低压范围使用。
BaTiO3系压敏电阻与BaTiO3系相比具有并联电容大(0.01~0.1 mF)、寿命长、价格便宜等优点。
1.2.3TiO2系低压压敏电阻陶瓷20 世纪80 年代,美国贝尔实验室为了取代SiC压敏电阻器,开发出TiO2系压敏电阻器。
它的主体材料是TiO2,通常添加Nb2O5、BaO,SrO 和MnO2等其它氧化物。
TiO2系压敏电阻陶瓷的特点是生产工艺比较简单、成本低,通流能力和电容量都高于ZnO,最突出的特点是低压化比较容易实现,故成为低压压敏电阻器中性能较好的一种。
1.2.4WO3系低压压敏陶瓷WO3系压敏陶瓷是一种新型的低压压敏材料,具有压敏电压低(≤10 V/mm),工作电流小(≈10 mA)及非线性系数良好(≈6)等优点,存在进一步改进的潜力,具有研究开发价值。
Makarov等于1994年首先报道了对WO3非线性特性的一些研究成果。
WO3陶瓷与ZnO不同,不掺杂任何杂质时已具有非线性特性。
这说明在WO3陶瓷体中可能具有固有的界面态。
试验结果表明,掺入MnO2和Na2CO3可以明显提高WO3的非线性,WO3-MnO2-Na2CO3-CoCO3系列中较好的配比为95.5:3:0.5:1(摩尔分数)。
掺入Al2O3可以明显改善WO3的电学稳定性,但同时也使非线性降低。
1.2.5 SrTiO3 系电容–压敏陶瓷SrTiO3系电容–压敏陶瓷的组成可分为主要成分和添加成分:主要成分为Sr1-x Ca x TiO3,其中x在0~0.3之间;添加成分为:(1)半导化元素氧化物:如Nb2O5、WO3、La2O3、CeO2、Nd2O3、Y2O3和Ta2O5等。
(2)改性元素氧化物:Na2O可以提高耐电涌冲击能力和改善压敏电压比;MnCO3、SiO2、Ag2O 和CuO 提高电阻器的温度稳定性。
适当地选取添加成分的种类和含量,可以得到不同参数的电阻器,但添加成分的总含量(摩尔分数)应控制在10%以内。
1985 年Kaino报道了Na+扩散型(Sr,Ca)TiO3系陶瓷,发现经过Ca2+掺杂改性后的陶瓷比原来的SrTiO3陶瓷具有更高的非线性系数和更强的吸收浪涌能量的能力,其压敏电压可以在25~400 V/mm 之间宽范围内调节,而且压敏电压具有正的温度系数。
SrTiO3系虽然非线性系数较低(α<10),但介电常数大,具有压敏和电容双功能,吸收高频噪声和瞬态浪涌等,因此在电子线路的保护和消除电噪声等方面有着广泛的应用前景。
1.2.6 TiO2系电容–压敏陶瓷TiO2电容–压敏陶瓷电阻器,是一种新型复合功能元件。
由于它的压敏电压低(可低于6 V),非线性系数较高(可达9以上)以及超高的相对介电常数(在104~105量级),可以实现元件与电路的小型化,同时具有电容和压敏双重特性,因此在低压领域的复合功能元件中占据主导地位。
日本最早发现以TiO2为基体,掺杂Sb2O3、CeO2等添加剂可以制成电容–压敏双功能陶瓷材料。
Santhosh 和Kharat等人通过掺入Nb+Sr,制备出压敏性能优良的TiO2压敏材料,其压敏电压V1mA约为50 V/mm,非线性系数为7~8。
许毓春等发现添加SiO2有利于Nb5+进入TiO2晶粒,促进晶粒半导化,使压敏电压下降,并且使晶界相发生变化,非线性系数得以提高。
苏文斌等研究了掺入WO3对TiO2压敏性质的影响,发现WO3掺入量为0.25%时样品表现出最好的压敏性能,其压敏电压为42.5 V/mm,非线性系数达9.6,以及较高的相对介电常数(7.41×104)。
1.2.7 ZnO 系高压压敏陶瓷自日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC 串联间隙避雷器以来,国内外都开始将ZnO系的高压化作为一个主要的研究方向,在实际应用中ZnO 系高压电阻器也占据主要地位。
对于ZnO材料来说,晶界的平均压敏电压为2~3V,因此通过抑制ZnO晶粒生长,减小晶粒尺寸,增加晶界层数就可以制备出超高击穿场强的材料。
试验结果表明,添加Sb2O3和SiO2能够抑制晶粒生长。
G.S.Snow等人采用ZnO-CoO-PbO-Bi2O3配方,在700~1000℃之间热压烧结,获得了晶粒尺寸小、击穿场强为600 V/mm 的ZnO压敏陶瓷材料。
uf等人利用sol-gel方法制备超细均匀粉料,热压烧结,击穿场强可达980 V/mm。
由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性,在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用,目尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导移能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。
自七十年代日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC串联间隙避雷器以来,国内外都相继开展了这方面的应用研究。
但ZnO压敏掺杂成份和相结构组成都比较复杂,导致材料稳定性差,性能容易退化。
在高压领域的应用还存在局限性。
如生产高压避雷器,则需要大量的BaTiO3压敏电阻阀片叠加,不仅加大了产品的外形尺寸,而且高压避雷器要求较低的残压比也比较难实现, 为此需要研究开发新的高性能高压压敏陶瓷材料。