ZnO非线性压敏电阻晶界微观结构的最新研究进展

微观结构的研究是ZnO非线性压敏电阻制造行业的最基本的研究内容之一.笔者梳理了该领域的最新研究进展.共分2个方面:1)ZnO压敏电阻晶界微观精细物理结构的研究;2)ZnO压敏电阻晶界电子结构的研究.随着电子显微技术与其他现代发展起来的测试方法相结合,必将有力的推动ZnO非线性压敏电阻微观结构的研究发展,实现该领域的重大突破,有力地促进ZnO非线性压敏电阻制造技术的快速提升.     

PVA种类及含量对ZnO压敏电阻片电性能影响研究

作为重要的过电压防护元件,ZnO压敏电阻片的性能也需要不断提高.对ZnO压敏电阻片制备工艺中聚乙烯醇(PVA)的影响进行了研究.通过对比不同PVA种类及含量对造粒的影响后发现,选用的PVA聚合度越高,烧结陶瓷的晶粒尺寸就越小;PVA的添加量越多,晶粒尺寸也越小;其次PVA的聚合度会影响到压敏陶瓷的晶界电阻和击穿场强,它们之间成正相关的趋势,但是过量添加PVA会导致其晶界电阻活化能减小,压敏特性降低,导致泄漏电流密度增大;采用低聚合度的PVA会改善电气性能,即提升其压敏特性并降低泄漏电流密度;造粒过程中,低聚合度PVA水溶液的配比与添加量对压敏电阻的晶界电阻及其活化能的影响较小.因此,造粒过程中推荐采用低聚合度、高醇解度的PVA以提高ZnO压敏电阻片电气性能的一致性.     

低压ZnO压敏电阻大电流冲击老化后晶界电容随时间变化特性的分析

针对ZnO压敏电阻承受冲击老化后晶界电容随时间变化的问题,基于Block-Model(砖块模型)对影响ZnO压敏电阻晶界电容的参数进行相应分析。通过对压敏电阻样品进行不同次数的8/20波形大电流冲击试验,发现ZnO压敏电阻的晶界电容在冲击后随着时间的增长呈现出先降低后增长的趋势;当冲击次数较少时晶界电容有所降低,而冲击次数较多时晶界电容有所增加,研究表明:晶界电容的变化是由中电场区域生成的深能级施主复合和界面态俘获电子释放过程导致的。     

掺杂氧化钇氧化镍对氧化锌电阻片特性的影响

通过掺杂氧化镍、氧化钇,对改善ZnO压敏电阻片电气特性进行了系统研究;分析和讨论了电阻片的电位梯度E、泄漏电流IL、压比Ki、方波、大电流冲击所引起的变化以及老化试验等;掺杂后,不仅提高了电阻片的电位梯度,同时还提高了其能量吸收能力;特别是钇掺杂处于晶界上,抑制晶粒长大,使晶界电压降低,大约为2.2V,是传统电阻片晶界电压的70%。研究获得了电位梯度达260V/mm,方波为800A,能量吸收能力达到300J/cm3的直径为56mm、厚度为9mm的ZnO压敏电阻片。     

Fe离子掺杂对ZnO压敏电阻性能的影响

笔者主要研究了Fe³⁺离子掺杂引入对ZnO基压敏电阻微观结构及综合电气性能的影响。实验结果表明，随着铁离子掺杂量的增加，ZnO压敏电阻的电位梯度持续不断升高，非线性系数先升高而后降低，漏流先减小再增大，压比逐渐增加。分析认为，掺杂少量Fe³⁺时，可作为受主元素提高表面态密度，从而使非线性系数升高；随着掺杂量的增加，Fe³⁺转变为Fe²⁺进入ZnO晶粒内部，作为替位离子取代了部分Zn²⁺,由于r(Fe²⁺)>r(Zn²⁺),该取代产生了压应力对ZnO晶格产生挤压，减小晶格空隙，从而阻止了其他掺杂离子的进入，表面态密度降低，非线性系数降低。     

氧化锌压敏电阻

<正> 本文论述了氧化锌压敏电阻的电气特性、制造方法、添加剂的作用、晶界特性和特殊应用。引言 (引言部分略,图1略) 电气特性 ZnO压敏电阻的I—V特性可分为三个区域,如图2所示(图2略)。在区域Ⅰ,拐点电压(一般为1μA/cm~2的电压)以下,非线性不太显著并与温度的关系较大。在区域     

十脉冲冲击下ZnO压敏电阻老化分析

针对十脉冲冲击下ZnO压敏电阻老化特性变化问题,通过压敏电阻热行为理论,对比分析在十脉冲电流冲击和单脉冲电流冲击下,ZnO压敏电阻的老化特性。结果表明:十脉冲冲击下,ZnO压敏电阻U1mA变化呈现初期快速减小,中期平缓,后期快速减小趋势。泄漏电流变化呈初期缓慢上升,中期进入平缓区,后期快速增大直至损坏。与单脉冲冲击下,泄漏电流变化规律相同,但泄漏电流变化的平缓区域远远小于单脉冲冲击下的平缓区域。通过对压敏电阻热行为分析发现,在十脉冲冲击下,ZnO压敏电阻内部晶粒热导率开始下降,部分热导性能较差的晶界首先由热平衡状态转入热不平衡状态,晶界区电荷量发生变化,最终伏安特性发生蜕变。     

初探化学合成制粉工艺对ZnO压敏电阻U_(1mA)/mm值的影响

用电子探针对比观测了采用化学共沉淀法制粉和机械混合法制粉的压敏电阻的微观结构；得出化学合成制粉工艺使压敏电阻U1mA／mm升高的原因是由于粉料组分的均匀分布使得其晶界组分的浓度均匀且高于机械混合制粉阀片中的晶界组分贫化区浓度，从整体上抑制了烧结过程中的晶粒长大。     

不同添加物掺杂对氧化锌压敏电阻的改性研究

为了提高ZnO压敏电阻综合电气性能,采用单一变量法研究了Bi_2O_3、Co_2O_3和Ni_2O_3不同比例掺杂对ZnO压敏电阻微观结构、电气性能及冲击老化特性的影响。研究结果表明:随着Bi_2O_3掺杂含量的增加,ZnO压敏电阻晶粒尺寸增大,直流1 mA参考电压减小,非线性系数先增大后减小,泄漏电流先减小后增大;随着Co_2O_3掺杂含量的增加,ZnO压敏电阻晶粒尺寸几乎没有变化,但晶粒间尖晶石数量增加,使得直流1 mA参考电压增大,非线性系数增大,泄漏电流先减小后增大;随着Ni_2O_3掺杂含量的增加,ZnO压敏电阻晶粒尺寸逐渐减小,直流1 mA参考电压增大,非线性系数先增大后减小,泄漏电流先减小后增大;当Bi_2O_3、Co_2O_3和Ni_2O_3添加物掺杂量分别为2. 1%、3%和0. 5%时,ZnO压敏电阻可以获得较好的综合电气性能和耐冲击老化能力。     

热处理对ZnO变阻器电学性能影响的研究

采用高能球磨的方法制备了ZnO和添加物(MnO,Sb2O3,CoO,Cr2O3,Bi2O3)的前驱超细粉体,采用固相反应烧结技术在1 140℃进行2 h烧结制备出ZnO陶瓷变阻器。用SEM,XRD研究了不同退火温度对ZnO压敏陶瓷的显微形貌、相结构,伏安非线性特性和微观电性能的影响。从阻抗分析,激活能和介电损耗与频谱关系分析证明了600～800℃热处理时晶界由于β-Bi2O3向γ-Bi2O3的相变引起的体积膨胀而变宽,导致晶界电子陷阱浓度降低,从而使得势垒高度下降,漏电流增加。     

提高ZnO压敏电阻片电位梯度的研究

为了进一步提高ZnO压敏电阻片的电位梯度和能量耐受能力,研究了添加剂复合粉体的颗粒度、烧结温度和保温时间对电阻片电位梯度和能量耐受能力的影响。采用细度为(0.4～0.6)μm的添加剂,在1 120℃保温5h,φ56mm的电阻片电位梯度可达(3.2～3.5)kV/cm;在传统添加剂细度的基础上,烧结温度为1 200℃,保温5h可获得梯度为(1.7～1.8)kV/cm,方波为800A的大容量电阻片。从传统电位梯度和高梯度电阻片显微结构分析中得出,晶粒细小化是提高电位梯度的重要途径。尖晶石是晶粒生长的钉扎中心,可以抑制晶粒过分长大,控制尖晶石的颗粒大小、均匀分布是控制和促使ZnO晶粒均匀细小化的关键。     

8/20脉冲对ZnO压敏电阻器工频耐受性能的影响

通过试验,分析了8/20脉冲次数及电流峰值对ZnO压敏电阻工频耐受性能的影响。在脉冲次数及电流峰值不同的情况下,电阻体内部发生结构性变化,导致其工频耐受性能发生变化。当脉冲电流峰值未超过某一临界值时,工频耐受时间随着冲击次数的增加而延长,超过此临界值时,工频耐受时间随着冲击次数的增加而缩短;在8/20脉冲次数一定的条件下,工频耐受时间也随电流峰值的递增呈现先延长后缩短的趋势。     

氧化锌非线性电阻片用无机高阻层的研究

研究了氧化锌非线性电阻片侧面用无机高阻层在4/10大电流冲击和2ms方波电流冲击作用下的破坏机理。认为影响电阻片耐受大电流冲击能力的关键之一是无机高阻层本身的绝缘强度,之二是无机高阻层和电阻片之间膨胀系数的配合问题,并通过试验指出,侧面绝缘层的膨胀系数应比ZnO陶瓷小0.5×10-6/℃～1.5×10-6/℃。影响电阻片耐受方波电流冲击能力的关键是无机高阻层和电阻片本体反应后所形成的中间层的稳定性。研制的无机高阻层可满足φ32mm×35mm、梯度为240V/mm的电阻片65kA大电流冲击的要求,并可提高电阻片的方波通流能力。     

高梯度氧化锌电阻片的研制

使用高梯度氧化锌电阻片可以使避雷器小型化。在一定范围内增加Bi2O3、Sb2O3等添加剂的用量及掺加0.4%￣0.6%的Y2O3,有助于提高氧化锌电阻片电位梯度。严格控制原料的松装密度、粒度分布及水分等,如:Co2O3松装密度提高到0.6 g/cm3左右,使用效果良好。使用新型高效混磨设备,循环处理流量可达到5.4m3/h,效率比原来提高了30%以上,改善了电阻片微观均匀性。氧化锌电阻片电位梯度可达350V/mm,长持续时间电流冲击耐受800A。     

干燥制度对ZnO压敏电阻片复合添加剂颗粒团聚的影响

对采用籽晶分步包膜技术制备氧化锌压敏电阻片粉体所获得的添加剂复合粉体前驱体聚沉物的干燥分解过程进行了研究。提出了采用“半干”干燥技术处理聚沉物的思路,试验证明聚沉物经清洗净化“半干”处理,即半干状态(水分约20%~30%)直接煅烧分解,可以获得无团聚或弱团聚的添加剂氧化物复合粉体颗粒;煅烧分解温度与其颗粒细度密切相关,得出(600~650)℃下煅烧分解效果最佳。由此得到的添加剂氧化物复合粉体与ZnO混合烧成所得压敏电阻片的电位梯度约(2郾1～2郾6)kV/cm和能量耐受能力提高近1倍的优异性能。半干思路与技术为解决湿法制备粉体,避免颗粒团聚尤其是避免形成硬团聚提供了一条新途径。     

提高ZnO电阻片电性能的研究

ZnO电阻片电气性能的提高对金属氧化物避雷器的运行可靠性起着重要的作用。采用振动磨加搅拌球磨及行星高能球磨工艺后,ZnO电阻片的烧成体积密度提高了0.97%,梯度提高了约30V/mm,U5kV/U1mA降低了0.1左右,600A/2ms方波全部通过。采用药膜04作为粘结剂,优化了成型粒料匹配,流动性提高了39s,坯体的微观结构均匀,ZnO电阻片方波通过率有所提高。应用纳米材料于有机绝缘层中,D5ZnO电阻片的筛选合格率从92.3%提高到98.5%,D6ZnO电阻片的筛选合格率从91.2%提高到98.3%,D7ZnO电阻片的筛选合格率从90.1%提高到97.8%。4/10大电流耐受能力也明显提高,!30ZnO电阻片4/10大电流耐受能力达65kA。     

掺杂纳米级Bi_2O_3对ZnO压敏陶瓷性能的影响

从样品制备,烧结过程,纳米级Bi2O3添加量及电性能测试等方面介绍了掺杂纳米级Bi2O3对生产高热容量、大通流能量ZnO压敏电阻片性能的影响。试验结果表明:采用纳米级Bi2O3(x(Bi2O3)≥0.61%)代替普通Bi2O3,提高了老化及工频耐受性能,使烧成温度降低到1075℃,同时还降低了生产成本;并使电阻片的其它电气性能有所提高或保持原有的水平。     

Co2O3在ZnO压敏陶瓷中的改性作用

研究了金属氧化物Co2O3含量对ZnO压敏陶瓷中晶粒生长和电学性能的影响。分析了Co2O3含量对ZnO半导体陶瓷各种性能的改善,以及所产生缺陷类型。实验结果表明:随着Co2O3含量在0郾6%~0郾2%(质量分数)范围内的减少,ZnO压敏陶瓷的平均晶粒大小降低,工频耐受力提高,非线性系数增大,在一定程度上掩盖了ZnO晶粒本征缺陷对ZnO陶瓷电导率的影响,使半导体的电导率获得可控性。为获得产品优良的重复性和稳定性,以及降低成本起到十分重要的作用。     

氧化锌压敏电阻器工频过电压耐受性能与限制电压关系的研究

对氧化锌压敏电阻器的限制电压和工频过电压耐受时间的试验测试,结果表明,相同型号的氧化锌压敏电阻器,其限制电压越高,则耐受工频过电压的时间越长。所以在限制电压满足要求的情况下,适当提高限制电压,可提高氧化锌压敏电阻器的工频耐受性能。同时为工频线路中合理选用氧化锌压敏电阻器提供一定的参考。     

氧化锌非线性电阻片的电容量与冲击性能关系的研究

对氧化锌非线性电阻片的一些实验现象规律进行了分析和研究,发现氧化锌非线性电阻片的电容随烧成温度和烧成时间的延长而增大,而且电容与电位梯度和冲击性能有很大的相关关系,为研究和考察氧化锌非线性电阻片的大电流冲击性能提供了一种新的方法和途径