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稀土氧化物及纳米氧化锌掺杂压敏材料的制备及机理研究

严群  
【摘要】: 本文通过添加微量稀土和部分纳米级粉料提高氧化锌压敏阀片的压敏性能,研究纳米级粉料对氧化锌压敏阀片性能的影响规律及机理,并首次系统地研究稀土氧化物对氧化锌压敏阀片性能的影响机理,使氧化锌避雷器阀片的性能在保证通流能力及泄漏电流基本保持不变的条件下,其压敏电位梯度大幅度提高,实验室样品结果达到550V/mm以上,以期在工程应用中达到甚至超过国外400V/mm的先进水平,较之国内200V/mm的普通水平提高100%甚至以上。 首先研究了烧结工艺对氧化锌压敏阀片几种主要电气性能的影响,对烧结工艺进行了筛选和优化。研究结果表明,氧化锌压敏阀片的最佳烧成制度为:随炉连续缓慢升温至1150℃进行烧结,保温2.5小时后,随炉缓慢冷却。 在传统配方的氧化锌压敏阀片原料中添加微量稀土氧化物Nd_2O_3、CeO_2、La_2O_3,研究各种稀土氧化物的添加量对氧化锌压敏阀片主要电性能的影响规律,优化氧化锌压敏阀片原料中稀土氧化物的添加量。研究结果表明,三种稀土添加剂中,Nd_2O_3提高压敏电位梯度的作用最为显著,La_2O_3次之,CeO_2最弱,而且当Nd_2O_3的含量为0.04 mol%时,压敏阀片的三个主要电性能指标都达到最佳值(电位梯度最高约达583.25V/mm,漏电流小,压比低),而添加La_2O_3或CeO_2的压敏阀片的三个主要电性能指标最佳值所对应的成分却并不一致,因此适量的Nd_2O_3显著提高压敏电位梯度的同时,可降低漏电流 四川大学博士学位论文 和压比,使压敏阀片具有优良的综合电性能。 在传统配方的氧化锌压敏阀片原料中添加一定量的纳米氧化锌,研究纳米 氧化锌的添加量对压敏阀片主要电性能的影响规律,优化压敏阀片原料中纳米 氧化锌的添加量。研究结果表明,压敏阀片中加入纳米氧化锌后,其压敏电位 梯度显著提高,当纳米ZnO含量达到SOwt%时,压敏电位梯度可达 613.73vlmm。纳米氧化锌的添加量为10wt%时,压敏电位梯度较高,漏电 流最小,压比较低,即压敏阀片的综合电性能较好。 运用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EPO)、X射线衍射仪(XRO)、显微图 像分析系统对试样进行显微组织结构分析,并用X一射线光电子能谱仪(XPS) 对试样表层的Zn的电子结合能进行分析,研究稀土氧化物和纳米级粉料影响 氧化锌压敏阀片性能的机理,结果表明,NdZO3、CeOZ和LaZO3加入氧化锌 压敏阀片中,一方面,含稀土元素的相(以原相形式独立存在的CeOZ相、LaZO3 相、含Nd的新相NaZNdZSbZ(ZnZAIO12))钉扎在晶界,阻碍晶界运动;另一 方面,稀土添加剂NdZO3、CeOZ和LaZO3在陶瓷烧结过程中使ZnO晶体的 自由电子浓度增大,填隙锌离子Zni的总浓度下降,因而填隙锌离子的传质能 力下降,抑制了ZnO晶粒的生长。因此,NdZO3、CeOZ和LaZO3加入到氧化 锌压敏阀片中,使ZnO晶粒尺寸减小,并使晶粒分布更为均匀,从而改善了 压敏阀片的综合电性能。加入的稀土量存在一个最佳值,若加入量过多,将导 致稀土元素在晶界富Bi相和富Sb相中的富集,造成晶界高阻层势垒电阻值 的降低,非线性特性劣化。 对添加纳米氧化锌的试样进行显微组织结构分析,结果表明压敏阀片中加 入纳米氧化锌后,使ZnO晶粒尺寸减小,其原因是:在烧结过程中,包裹在 亚微米ZnO颗粒上的纳米ZnO粒子,降低了亚微米颗粒的表面活性,使亚微 米ZnO颗粒之间的空位扩散传质减弱,阻碍了晶界迁移,使晶粒尺寸减小, 从而改善了压敏阀片的综合电性能。加入的纳米氧化锌的量存在一个最佳值, 若加入量过多,将导致过量的纳米氧化锌粉体中的团聚体在烧结时先行收缩, 生成微气孔,而开放型的微气孔会吸附空气中的水蒸汽,造成漏电流、压比等 电性能劣化。 稀土或纳米ZnO加入到压敏阀片中,对试样表层Zn的电子结合能并未 四川大学博士学位论文 产生明显的影响。因此,可以初步认为加入适量稀土或纳米ZnO提高压敏阀 片的压敏电位梯度,其原因主要归结于减小ZnO晶粒尺寸。这一结论是根据 现有的初步的试验结果得出的,关于这一问题,还有待于进一步的深入研究。 运用固体物理、半导体和电子薄膜材料的相关理论,建立数学模型,推导 出了最佳掺杂含量的理论计算式,并将之推广到高温烧结的氧化锌压敏陶瓷材 料,运用这一计算式定量计算NdZO3、CeOZ和LaZO3等稀土掺杂的最佳含量, 计算结果与本文的实验结果比较符合。 应用日ash软件,以动画的形式模拟氧化锌压敏阀片的导电过程,较为直 观地展示氧化锌压敏阀片导电的双肖特基势垒模型,这对于我们深入理解氧化 锌压敏阀片的导电机理,进一步提高氧化锌压敏阀片的综合电性能,有一定的 启发意义。


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