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高电位梯度氧化锌压敏陶瓷的制备、显微组织结构及电性能研究

刘宏玉  
【摘要】:本文通过高能球磨法获得ZnO压敏纳米粉料,细致研究800-1000℃烧结条件下,高能球磨和掺杂稀土氧化物Y_2O_3、Dy_2O_3、Er_2O_3提高电性能的机理,首次在1000℃低温烧结,制备出电位梯度超过400V/mm、通流能力大于230J/cm~3,残压比小于1.65的高性能ZnO压敏陶瓷。 首先研究了烧结温度及球磨时间对高能球磨压敏陶瓷的电性能、致密度及显微组织结构的影响;球磨时间对粉料粒度和结构的影响以及钢球对粉料的污染程度。研究结果表明,随烧结温度提高,压敏陶瓷电位梯度、非线性系数及致密度逐渐降低降低,而漏电流逐渐升高。富铋相逐渐蒸发减少或消失,导致致密度降低,这也是高温烧结区间(1100-1300℃)非线性系数陡然降低和漏电流骤然升高的根本原因。高能球磨使晶格发生严重畸变,大半径离子在ZnO晶粒内固溶量增加,使样品势垒高度(Φ_B)、施主浓度(N_d)及界面态密度(N_s)增加,势垒宽度(ω)降低,因而改善了电性能。随高能球磨时间延长,效果愈显著。压敏陶瓷致密度随球磨时间的增加而升高,主要是由于高能球磨细化了晶粒尺寸,使晶格畸变能增加,显著提高了烧结驱动力和烧结动力学因子,缩短了反应扩散距离;烧结出现的液相增加了反应相间的接触面积,加速了传质速度,促进了相间反应。高能球磨引起的压敏陶瓷晶粒细化主要发生在0-5小时阶段且烧结温度越低,效果越明显。高能球磨5h后,粉料颗粒尺寸由1.50μm减小到0.42μm并发生聚集,显著增强了粉末的烧结性。20h高能球磨后,粉料ZnO平均晶粒尺寸由120nm减少至59nm。高能球磨后,粉料衍射峰明显宽化,但未发生相变。在本文试验条件下,钢球Fe元素污染对电性能不会造成危害。 为了提高压敏电位梯度及改善综合性能,系统地研究了高能球磨并低温烧结下,掺杂稀土氧化物Y_2O_3、Dy_2O_3、Er_2O_3对ZnO压敏陶瓷性能的影响机理。 ZnO压敏陶瓷加入Y_2O_3后,电位梯度有显著提高,温度越低,提高的效果越明显。随Y_2O_3含量的增加,电位梯度逐渐增大;非线性系数呈升高趋势;漏电流比未加Y_2O_3的漏电流低,且随Y_2O_3含量的增加,漏电流降低平缓;900-1000℃试样致密度大于未加Y_2O_3的,且随着Y_2O_3含量增加,致密度增大,800℃试样致密度呈连续降低趋势。综合考虑压敏陶瓷的电性能指标及致密度因素,800℃烧成的掺有Y_2O_3压敏陶瓷的综合性能最好。掺杂Y_2O_3的ZnO压敏陶瓷在800℃烧结时,结构出现四相,即ZnO、γ-Bi_2O_3、Zn_(2.33)Sb_(0.67)O_4及Y_2O_3相。Y_2O_3相存在于ZnO晶界上,阻止了ZnO晶粒的长大。随Y_2O_3含量的增加,ZnO晶


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