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高吸收抗脉冲ZnO-Bi_2O_3-Pr_6O_(11)系压敏电阻性能的研究及应用

陈永佳  
【摘要】:在电力电子技术飞速发展的时代,ZnO压敏电阻能够保证电力电子系统的正常运行,防止系统受到过电压的损坏。作为使用最广泛的过电压保护器,其性能不仅表现于结构稳定和响应速度快,同时ZnO压敏电阻具有寿命长、环保以及价格低廉等优点。目前以ZnO压敏电阻为核心组件的避雷器主要用于各大发电站、变电站、大型仪器和各种大型建筑的过电压保护以及防雷电保护,是防雷工程中的主要研究对象。本文研究了烧结温度和离子掺杂对Zn O压敏电阻陶瓷微观结构和电学性能的影响,并通过数据分析和函数模拟得到了ZnO压敏电阻陶瓷最大非线性系数的数学模型,同时讨论了ZnO压敏电阻在电力电子系统中的应用。(1)研究烧结温度对ZnO压敏电阻性能的影响按照压敏电阻陶瓷配方95.5ZnO-0.5V2O5-2.0Bi2O3-0.5Mn3O4-0.5Y2O3-0.5Cr2O3-0.5Co2O3制备样品,研究了烧结温度对该体系微观结构及电学性能的影响。研究表明,随着烧结温度升高,ZnO压敏电阻的击穿场强E1mA逐渐减小,非线性系数α、损耗角正切值tanδ以及相对介电常数εr均先增大再减小。当烧结温度为910℃时,压敏电阻的微观结构均匀,晶界清晰,有大量八面体的尖晶石相生成,且分布均匀。该烧结温度下所制备的压敏电阻的非线性系数α达到最大值27,击穿场强E1mA为3456.5V/cm,测试频率105Hz条件下该电阻的损耗角正切值tanδ为0.29。(2)研究Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻性能的影响以(96.0-x)Zn O-2.0V2O5-1.0Y2O3-1.0Cr2O3-xBi2O3为压敏电阻陶瓷配方,研究了Bi2O3掺杂量对Zn-Bi系压敏电阻陶瓷微观结构和电学性能的影响。物相分析表明所有压敏电阻的主晶相均为六方纤锌矿结构,同时还含有YVO4、Bi2O3和Zn0.982Cr0.018O等晶相,随着Bi2O3掺杂浓度增大ZnO压敏电阻陶瓷主晶相的三强衍射峰有向低角度偏移的趋势。微观结构研究表明随着Bi2O3掺杂浓度增加,ZnO压敏电阻陶瓷的平均晶粒尺寸先增大后减小,晶界逐渐变得清晰并出现明显的晶界相颗粒,当Bi2O3的掺杂浓度为2.5mol%时ZnO压敏电阻陶瓷的平均晶粒尺寸达到最大2.25μm。此时压敏陶瓷的电性能达到最佳值,其中压敏电阻的击穿场强E1mA为4598.0V/cm,非线性系数达到58,该掺杂浓度且测试频率为105Hz时压敏电阻的损耗角正切值tanδ为0.08,相对介电常数εr为231.5,相比于未掺杂bi2o3,zno压敏电阻的εr值增加了85.8%,tanδ值减小了72.4%,同时该掺杂浓度且测试温度低于150℃时,电阻的电阻率在1200-1300mΩ?cm之间保持稳定。(3)研究pr6o11掺杂对zno压敏电阻性能的影响按化学计量比(92.5-x)zno-2.0nio-1.0co2o3-1.0cr2o3-2.5bi2o3-1.0sb2o3-xpr6o11制备压敏电阻,讨论pr6o11掺杂对zn-bi系压敏电阻陶瓷性能的影响,研究了烧结温度为910°c且bi2o3掺杂浓度为2.5mol%时zn-bi体系和zn-pr体系压敏电阻的耦合关系。研究表明,随着pr6o11掺杂浓度增大,zno压敏电阻陶瓷的主晶相并未发生明显变化,压敏电阻陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小;随着掺杂浓度增大压敏电阻陶瓷的击穿场强e1ma逐渐增大,非线性系数先增大后减小,漏电流先减小后增大。当pr6o11掺杂浓度为0.6mol%时,zno压敏电阻陶瓷的微观结构和电学性能达到最佳:压敏电阻陶瓷的平均晶粒尺寸为5.3μm,陶瓷的微观结构最均匀;电阻的击穿场强e1ma达到3550v/cm;压敏电阻的非线性系数达到最大值66,电阻的漏电流达到最小值0.3μa。(4)研究zno压敏电阻的非线性系数和掺杂离子半径的关系详细分析了添加剂离子半径ri对zno压敏电阻最大非线性系数αmax的影响。通过数据分析和曲线拟合得到了αmax与ri之间的函数关系,同时发现了ri和锌离子zn2+半径之间的相对偏差?rrel对αmax值的影响规律。研究表明,αmax与ri之间满足式(6-1)所示的函数关系,通过该函数关系计算得到的αmax值能够和相关文献中报道的实际非线性系数αrea很好地吻合;压敏电阻的αmax值随着?rrel的增大而增大,当?rrel大于30%时其增大程度开始变缓,此时zno压敏电阻的αmax值大于64;对于ri不同而?rrel相同的两种添加剂离子,ri大于zn2+离子半径的添加剂掺杂的zno压敏电阻的αmax值较大。本文第6章从固溶体的形成机理和能量最低原理方面解释了以上现象。zno压敏电阻是避雷器的核心元件,zno避雷器作为使用最广泛的过电压保护器不仅表现于性能稳定和响应速度快,同时zno避雷器具有寿命长、环保以及价格低廉等优点。将本文中制备的zno压敏电阻和电力电子领域使用的避雷器的相关性能参数进行对比,对比结果表明本文所研究的zno压敏电阻在压敏性能和损耗性能上均有突出的表现,其最大非线性系数α值可达到66,且压敏电阻的损耗角正切tanδ值可降低至0.08,完全能够保证电力电子系统正常运行。


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