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添加剂对两步烧结ZnO高压压敏陶瓷性能的影响

徐永炎  
【摘要】:氧化锌(ZnO)高压压敏电阻因具有高的压敏场强E_b(≥1kV/mm)和良好的非线性电流-电压(I-V)特性而被广泛地应用于军事及消费电子等各个领域,通过吸收浪涌电压来保护电路系统。目前,氧化锌高压压敏电阻常采用两步烧结方法制备。该方法中主料和添加剂全部使用纳米级粉料,存在纳米级添加剂不易获取和成本相对较高等问题。针对这些问题,本文研究主料以纳米ZnO(30nm)为原料,而添加剂以微米粉添加和溶液添加方式引入,并通过两步烧结方法来制备具有高压敏场强、高非线性系数和低漏电流值的高压压敏电阻。本文首先研究微米级粉料Bi_2O_3和Sb_2O_3的添加量以及第一步烧结温度T_1对ZnO压敏陶瓷的微观结构、相组成、烧结特性和压敏性能的影响。结果表明,微米级Bi_2O_3的添加对纳米ZnO的烧结具有显著的促进作用,微米级Sb_2O_3的添加则具有抑制ZnO晶粒生长的作用。优化配方确定为97.45mol%ZnO-0.80mol%MnO_2-1.00mol%Co_2O_3-0.50mol%Bi_2O_3-0.40mol%Sb_2O_3,起始原料除了ZnO为纳米粉体外,其它均为微米粉体。经T_1/T_2=850℃/750℃两步烧结5min/6h后,陶瓷平均晶粒尺寸为1.77μm,相对密度达95%,压敏性能良好:E_b=1047.6V/mm,非线性系数α=52.1,漏电流密度J_L=0.72μA/cm~2。本文接着用Mn(NO_3)_2和Co(CH_3COO)_2水溶液添加取代MnO_2和Co_2O_3微米粉添加,研究溶液添加量以及T_1对压敏陶瓷相组成、烧结特性和压敏性能的影响。结果表明,Mn(NO_3)_2和Co(CH_3COO)_2溶液的引入,导致陶瓷中生成了CoMn_2O_4尖晶石结构的新相。随着Mn~(2+)和Co~(2+)添加量的增加,CoMn_2O_4相衍射峰增强。优化配方确定为97.45mol%ZnO-0.80mol%Mn(NO_3)_2-2.00mol%Co(CH_3COO)_2-0.50mol%Bi_2O_3-0.25mol%Sb_2O_3。经T_1/T_2=850℃/750℃两步烧结5min/6h后,陶瓷相对密度达92%,压敏性能良好:E_b=1282V/mm,α=57.2,J_L=1.2μA/cm~2。当取代前、后Mn和Co摩尔数不变时,用Mn(NO_3)_2和Co(CH_3COO)_2取代MnO_2和Co_2O_3的陶瓷具有更高的压敏场强和非线性系数。


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