SnO_2-Co_2O_3-Nb_2O_5系压敏陶瓷掺杂改性和电学性能研究

【摘要】：本论文研究了不同的掺杂物对SnO_2压敏陶瓷的直流特性、脉冲特性、电性能稳定性、介电特性及晶界势垒的影响。 在SnO_2-Co_2O_3-Nb_2O_5-Cr_2O_3系压敏陶瓷材料中添加高温下容易形成液相的Pb_3O_4和CuO，尝试改善材料的烧结性能。实验结果表明，掺杂CuO含量为0.132wt%时，样品的密度为6.92g/cm3，但掺杂CuO会使其直流非线性特性变差；掺杂Pb_3O_4没有改善材料的致密度，但掺杂适量的Pb_3O_4可以有效地改善SnO_2压敏陶瓷的耐脉冲性能，在8/20μs脉冲电流冲击试验中，掺杂Pb_3O_4含量为0.5wt%样品能承受4472A的峰值电流。 Cr元素是获得高非线性特性SnO_2压敏陶瓷的重要掺杂物。本文尝试用Cr(NO_3)_39H_2O替代Cr_2O_3，研究对比了Cr(NO_3)_39H_2O和Cr_2O_3掺杂对SnO_2-Co_2O_3-Nb_2O_5-Pb_3O_4系压敏陶瓷电性能的影响。结果表明，掺杂适量的Cr(NO_3)_39H_2O可有效改善SnO_2压敏陶瓷的耐脉冲性能，虽然，Cr以Cr(NO_3)_39H_2O形式掺杂时，直流非线性特性有所减弱，但掺杂Cr(NO_3)_39H_2O含量为10wt%时，材料的非线性系数也可以达到36，而Cr(NO_3)_39H_2O掺杂量为8wt%时，样品能承受峰值为5356A的8/20μs脉冲电流波的冲击。 掺杂ZnO可以降低SnO_2压敏陶瓷的晶粒电阻率，并且可以显著提高其脉冲电流耐受性能。ZnO掺杂量为0.5wt%时，得到的SnO_2压敏陶瓷晶粒电阻率约为1.04Ω cm，样品能耐受峰值为4732A的8/20μs脉冲电流波的冲击。 通过研究恒定直流电压负荷下电流随时间的变化来研究材料的电性能稳定性，结果表明电性能稳定性受晶界势垒和焦耳热的影响。与Cr_2O_3相比，Cr以Cr(NO_3)_39H_2O形式掺杂时，Cr在压敏陶瓷中分布更均匀，有效地提高了电性能稳定性。而CuO掺杂引起无效势垒数量增加，降低了电性能稳定性。 通过研究不同频率下电容Cp-V和损耗D-V特性来研究SnO_2压敏陶瓷的介电特性，结果表明，电容与偏置电压V关系图中出现了极小值和极大值，损耗与偏置电压V关系图中出现了损耗峰，极大值、极小值和损耗峰都随频率增大向高压方向移动。研究了Cr(NO_3)_39H_2O对介电性能的影响。结果表明，室温下在频率40Hz～1MHz范围内观察到氧空位V的松弛损耗峰，随着Cr含量增加，V的损耗峰向低频移动。 采用三种方法来测试Cr(NO_3)_39H_2O掺杂量为8wt%的样品的晶界势垒高度。激活能法测得激活能Ea约为0.74eV，J-E-T法测得约为0.72eV，而C-V法测试了不同频率下的，其中最小为1.85eV。研究了掺杂物对的影响，结果表明掺杂Pb和Cu的SnO_2压敏陶瓷，整体有下降的趋势。与Cr_2O_3相比，Cr以Cr(NO_3)_39H_2O形式掺杂时晶界处Cr离子浓度较低，晶界势垒高度降低。