氧化锌压敏陶瓷.doc

氧化锌压敏陶瓷 1. 功能陶瓷所谓功能陶瓷,就是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产业领域中所用到的陶瓷材料。功能陶瓷所具有的独特声、光、热、电磁等物理特性和生物、化学以及适当的的力学特性, 在相应的工程和技术中起到了关键的作用。这种陶瓷材料从其形态上可以分为块体、粉体、纤维和薄膜四种类型。 2. 压敏陶瓷压敏陶瓷既是功能陶瓷的一种, 它是指一定温度下, 某一特定电压范围内, 具有非线性伏安特性且其电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。目前压敏陶瓷主要有 4 大类—— SiC 、 TiO2 、 SrtiO3 和 ZnO 。其中应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。由于 ZnO 压敏陶瓷呈现较好的压敏特性,压敏电阻α值(非线性指数) 高(α>60 ,比 SiC 压敏电阻器 10 倍以上), 有可调整 C 值和较高的通流容量, 因此得到广泛的应用。在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用, 尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。 3. 氧化锌压敏陶瓷 ZnO 压敏陶瓷生产方法是在 ZnO 中添加 Bi2 O3 、 Co2 O3 、 MnO2 、 Cr2 O3 、 Al2 03、 Sb2 03、 Ti02 、 Si02 、 B2O3 和 PbO 等的氧化物。在配方中常含有 Bi 元素, 其主晶相为具有 n 型半导体特性的 ZnO ;此外,瓷相中除有少量添加物与 ZnO 形成的固溶体外,大部分添加物在 ZnO 晶粒之间形成连续晶相。主晶相 ZnO 是n 型半导体,体积电阻率为 10· m 以上的高电阻层。因此, 外加电压几乎都集中在晶界层上, 其晶界的性质和瓷体的显微结构对 ZnO 电阻的压敏特性起着决定性作用。一般 ZnO 的粒径 d 为几微米到几十个微米,晶界层厚度为 0. 02~ ;也有人认为晶界相主要集中于三到四个 ZnO 晶粒交角处,晶界相不连续,在 ZnO 晶粒接触面间形成有一层厚度 20U 左右的富铋层,其性质对非线性特性起重要作用。一般认为 ZnO 晶粒之间的富铋层是由分凝进入晶界的富铋的吸附层,带有负电荷,它使 ZnO 晶粒表面处的能带发生上弯,形成电子势垒。晶粒边界势垒由带有负电荷的富铋层所分隔,由于它极薄,可近似将这层中的体电荷看成面电荷, ZnO 晶粒层之间为耗尽层。当外加电压达到击穿电压时,高的场强(E>105I(v / m) 使界面中的电子穿透势垒层( 富铋层) 引起电流急剧上升,其通流容量由 ZnO 的晶粒电阻率所决定。以下是 ZnO 有关物理量: 表1 ZnO 的有关物理量 4. 制作工艺流程氧化锌压敏陶瓷的制备工艺和传统的陶瓷制备工艺基本相同,即先将 ZnO 以外的各种添加剂细磨到一定粒度, 然后与 ZnO 、***铝及有机成分等混合制成浆料, 再通过喷雾干燥制成粉粒料, 还需要经过干压成型、烧成、热处理、涂敷电极等多道工序, 制备成为具有所需非线性性质的压敏电阻。该方法工艺简单, 但各种氧化物机械掺杂不均匀, 在烧结温度下反应不易完全,容易带入其它杂质,从而制约了 ZnO 压敏陶瓷性能的进一步改善。为了达到一定细度,防止杂质进入,要求在塑料橡胶容器振磨或湿式球磨。预烧在空气中进行, 在 750~800~( :保温 0. 5~l