新型压敏陶瓷材料的研究与进展

ZnO压敏材料问世50年来,新型压敏材料的研发一直备受各国研究者和业界的关注。根据本研究组的一些研究结果,结合有关文献报道对国内外压敏陶瓷材料研究发展现状作了一个回顾与综述,指出随着科学技术的飞速发展,无论是SrTiO4系压敏陶瓷、TiO2系压敏陶瓷、低压ZnO压敏电阻和高压ZnO阀片还是多层片式ZnO压敏电阻器,各种新型压敏陶瓷材料和压敏元件的研发都取得了很大进展。然而,近年来国外在高性能、高梯度ZnO阀片和在新型SnO2压敏材料的醒目进展需要引起国内业界的极大关注。     

氧化锌压敏电阻器低成本化制备技术研究进展

ZnO压敏陶瓷具有优异的非线性特性,广泛应用于电子仪器和电力装置领域。为了满足电子元器件低成本化发展的要求,必须开发出烧结温度低、周期短、电极成本低的ZnO压敏陶瓷体系。总结了当前ZnO压敏陶瓷低成本化制备的研究进展,同时分析了ZnO压敏陶瓷低成本化制备的发展趋势。     

ZnO基压敏陶瓷烧结机理研究进展

ZnO基压敏陶瓷是应用最为广泛的压敏电阻材料。它本质上属于晶界功能特性材料,其性能与烧结过程中液相的形成、传质和物相反应等密切相关。上述烧结机理相关问题是理解ZnO基压敏陶瓷晶界功能特性形成,并进而通过对其烧结过程、显微结构的控制来调控其性能的基础。从主要液相形成元素、对显微形貌有显著控制作用的元素和其它元素影响3方面综述ZnO基压敏陶瓷烧结机理研究领域的最新进展,在此基础上概述研究进展的典型应用,并总结现存的问题,可为本领域及相关领域内研究者提供参考和借鉴。     

铝掺杂对氧化锌压敏陶瓷电性能的影响

研究了微量铝(Al)掺杂对氧化锌(ZnO)压敏陶瓷显微结构、电性能和本征点缺陷浓度等方面的影响及其作用机理。研究结果表明, 介电损耗峰值能够在一定程度上反映ZnO压敏陶瓷本征点缺陷浓度, 微量Al掺杂能够引起ZnO压敏陶瓷本征点缺陷浓度的显著降低。氧空位缺陷对应的损耗峰峰值从88.82下降到1.74, 锌填隙缺陷对应的损耗峰峰值从133.38下降到8.14。随着Al掺杂量的增加, ZnO压敏陶瓷平均晶粒尺寸从9.15 μm逐渐下降到6.24 μm, 而压敏电压从235 V/mm逐渐提高到292 V/mm。可见Al掺杂抑制了ZnO压敏陶瓷中本征点缺陷的形成, 而本征缺陷浓度的降低导致材料显微结构和电性能发生明显变化。本文阐述了Al掺杂对ZnO压敏陶瓷本征缺陷的影响机理, 建立了ZnO压敏陶瓷显微形貌、电性能、介电性能和本征点缺陷之间的联系。     

ZnO压敏陶瓷的微波烧结

对用纳米粉体制备的ZnO压敏生坯进行了微波烧结,通过XRD、SEM分析和电性能测试,与普通烧结比较,微波烧结可使ZnO压敏材料快速成瓷,显著缩短烧结时间;在相同晶粒尺寸下,微波烧结温度更低,瓷体更致密;并能获得较好电性能．微波烧结为ZnO压敏陶瓷材料制备提供了一条新的、高效节能的途径．     

氧化锡压敏陶瓷

氧化锡压敏陶瓷是90年代中开始发展起来的一种新型压敏材料，也是近年来国际压敏材料的研究热点之一。根据本研究组的一些研究成果结合有关文献报道对国内外SnO2压敏陶瓷材料研究发展现状作一个回顾与综述。重点分析了目前对氧化锡压敏陶瓷致密化研究、非线性弘，特性研究、掺杂氧化物的种类、微观结构及导电机理的国内外研究现状和进展．指出目前绝大多数研究集中在掺杂氧化物及非线性系数的研究，而对漏电流、通流容量及稳定性等方面的研究还十分欠缺。氧化锡压敏陶瓷的实用化还有待于在这些领域的大量研究工作．     

Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻性能的影响及其机理

采用传统电子陶瓷工艺制备了ZnO压敏电阻陶瓷,研究了Bi_2O_3的掺杂浓度对压敏陶瓷的显微结构和电学影响。利用多种表征手段对样品的性能进行分析。研究结果表明:压敏陶瓷的主晶相为铅锌矿型结构;随着Bi_2O_3浓度增大,压敏陶瓷的主要衍射峰逐渐向低角度方向偏移,同时出现明显的晶界相,且压敏陶瓷的平均晶粒尺寸呈先增大后减小趋势;当Bi_2O_3浓度为2.5mol%时,压敏陶瓷具有均匀的显微结构和较好的电学参数,此时平均晶粒尺寸D为225nm,击穿场强E_(1mA)达到最小值4600V/cm,非线性系数α达到最大值55.8,电阻在100KHz时的损耗角正切tanδ达到极小值(约0.1),相对介电常数ε_r约为232。所制备的ZnO压敏陶瓷具有较好的压敏特性和较低的损耗,有利于改善ZnO基避雷器的综合性能。     

新型多层结构压敏-电容双功能陶瓷元件的制备与性能研究

本文选择ZnO和Pb(Mg1/3Nb2/3)O4为基体材料,利用轧膜技术制备了多层片式结构的压敏-电容双功能陶瓷元件.通过工艺因素和SEM微观形貌分析,研究了ZnO基压敏材料和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3基电容材料的制备过程、热行为匹配性、微观结构等在制备多层结构中的作用.以仿独石工艺形成了具有压敏-电容双功能的陶瓷元件,获得了降低元件压敏电压和提高其电容量的有效途径,为此类材料的应用打下研究基础.     

晶界电性能对ZnO压敏陶瓷性能的影响

研究了传统烧结与热压烧结对ZnO压敏陶瓷显微结构和电性能的影响.采用扫描电镜观察(SEM)、电流-电压测试(I-V)、电容-偏压测试(C-V)以及阻抗谱等分析方法或测试手段研究了陶瓷的显微结构、电性能.结果表明,热压烧结增大了ZnO压敏陶瓷的烧结密度,提高了电性能.晶界特性参数测试结果表明,热压烧结还可以增强晶界特性.     

添加Bi2WO6对ZnO基压敏陶瓷电学性能的影响

用传统固相反应法研究了添加Bi₂WO₆(x=0%~9%,质量分数)对ZnO基压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响。结果表明：掺入适量的Bi₂WO₆能促进ZnO压敏陶瓷晶粒均匀生长、提高微观结构的均匀性、降低压敏场强和提高非线性系数;同时,Bi₂WO₆的添加可提高ZnO晶粒表面吸附氧的含量,从而提高界面态密度和势垒高度以及ZnO基压敏陶瓷的非线性特性。Bi₂WO₆的添加量为7%的ZnO基压敏陶瓷,其综合性能为：E_{1 mA}=263 V/mm,α=53,J_L=3.50 μA/cm²,φ_b=11.52 eV。     

冷烧结技术的研究现状及发展趋势

采用常规热烧结实现陶瓷粉体的致密化,烧结温度通常超过1000℃,这不仅需要消耗大量能源,还会使一些陶瓷材料在物相稳定性、晶界控制以及与金属电极共烧等方面面临挑战。近年来提出的冷烧结技术(Cold Sintering Process,CSP)可将烧结温度降低至400℃以下,利用液相形式的瞬态溶剂和单轴压力,通过陶瓷颗粒的溶解-沉淀过程实现陶瓷材料的快速致密化。冷烧结技术具有烧结温度低和时间短等特点,自开发以来受到广泛关注,目前已应用于近百种陶瓷及陶瓷基复合材料,涉及电介质材料、半导体材料、压敏材料和固态电解质材料等。本文介绍了冷烧结技术的发展历程、工艺技术及其致密化机理,对其在陶瓷材料及陶瓷-聚合物复合材料领域的研究现状进行了综述,其中根据溶解性的差异主要介绍了Li₂MoO₄陶瓷、ZnO陶瓷和BaTiO₃陶瓷的冷烧结现状。针对冷烧结技术工艺压力高的问题及可能的解决途径进行了探讨,并对冷烧结技术未来的发展趋势进行了展望。     

试论大电流冲击老化对ZnO压敏陶瓷造成的影响

社会与科技的发展使得人们对材料的研究越来越深入,也只有在深入地研究材料的基础之上我们才能更好的认识事物,从而对其改进使其更好地为生活和生产服务。本论文试图对ZnO压敏陶瓷进行深入的认识,同时介绍研究大电流冲击老化对其造成影响的一般方法,进而总结出大电流冲击老化对ZnO压敏陶瓷造成影响的几个方面。通过此研究希望对人们更好地认识ZnO压敏陶瓷和大电流冲击的关系有所帮助,同时对生产生活提供有益的指导。     

TiO2电容,压敏复合功能材料研究

通过掺杂Ｎｂ＿２Ｏ＿５、Ｂｉ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２等多种添加剂，研究了ＴｉＯ＿２电容、压敏复合功能材料。这种材料既有大电容特性，又有压敏电阻的功能。基于半导体陶瓷的双肖特基势垒模型，本文还从理论上对这种复合功能材料的压敏、电容特性进行了分析，得到的非线性系数和表现介电常数的理论值能较好地与实验结果相一致。本文的实验结果与理论分析对于进一步研究功能陶瓷材料等具有十分重要的意义。     

ZnO薄膜气相法制备

ZnO薄膜具有压电、光电、压敏、气敏、发光等多种特性,应用十分广泛。介绍了ZnO薄膜气相法制备原理中的各类主要方法,包括脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、单源化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积等技术;分析了这些方法的优缺点;展望了ZnO薄膜今后的研究方向。     

ZnO压敏陶瓷的晶粒生长和电学性能

研究了不同价态Co、Mn添加物对低压ZnO压敏陶瓷晶粒生长和电学性能的影响,分析了由于不同价态Mn和Co掺杂所产生的缺陷类型,应用晶粒生长的动力学方程：Gⁿ=Dtexp(-E/RT)确定了晶粒生长的动力学指数和激活能．实验结果表明：对于低压ZnO压敏陶瓷,其晶粒生长的动力学指数n＝6,激活能E＝224±17kJ／mol,随着Mn、Co价态的增加,ZnO压敏陶瓷的平均晶粒大小增加,提高烧结温度,ZnO压敏陶瓷的压敏场强E1mA降低,漏电流IL增加,非线性系数α降低．在低压ZnO压敏陶瓷的制备过程中,烧结温度以不超过1250℃为宜．     

Fe元素对ZnO陶瓷晶界电性能的影响机理研究

研究了不同浓度的Fe2O3掺杂对ZnO陶瓷压敏特性的影响,实验表明,随Fe掺杂量增加,ZnO平均晶粒尺寸逐渐变大,压敏电压升高,非线性系数先增大后减小,漏电流先减小后增大.分析认为,Fe元素掺杂对ZnO陶瓷电性能的影响不仅与电子的能级有关,还与其自旋特性紧密相连.ZnO中掺杂的Fe元素随机取代其中的部分Zn原子后,Fe3+或Fe2+在ZnO中产生局域磁矩,会对与其取向不同的自旋电子产生强的散射,这样可增大ZnO陶瓷的电阻率,Fe元素在晶界的偏析可产生和提高其非线性特性.     

TiO2和MgO掺杂的ZnO导电陶瓷材料

以ZnO为基添加Al2O3、TiO2和MgO制备了导电陶瓷;研究了TiO2、MgO掺杂含量对ZnO陶瓷相对密度、电阻率和电阻温度系数的影响;测试分析了ZnO导电陶瓷在小电流和脉冲大电流下的伏安特性.结果表明,掺Ti有利于致密烧结,TiO2含量为0.6%(质量分数)时,样品相对密度为96%,室温小电流下测试其电阻率为8.14Ω·cm;添加适量MgO能降低电阻率且可改善电阻温度系数,MgO含量为0.4%(质量分数)时,小电流电阻率为5.67Ω·cm;室温小电流下样品伏安特性接近线性,在脉冲大电流下呈现一定非线性特性.     

ZnO压敏变阻器及其在仪器仪表中的应用

本文论述了ZnO压敏变阻器的制法,优点,特性和工作原理；并详述了ZnO压敏变阻器在仪器仪表中的应用。ZnO压敏变阻器系由新型的半导体陶瓷ZnO制成的,其制法类似于普通的电子陶瓷元件。文中给出了工艺流程。ZnO压敏变阻器是以ZnO为主体的烧结型变阻器,它是利用烧结体晶粒晶界的新型电压非线性元件。文中论述的ZnO压敏变阻器的性能：其Ⅴ-Ⅰ特性对称,无极性；电压非线性极好,α为50-70；极限电压特性优良；电涌能量的耐量大,大功率压敏变阻器常用耐量约为3KA／cm2,击穿耐量约为10KA／cm2；能容易获得任意的度阻器电压；脉冲响应极快,在50ns以下；电压温度系数为负值,约为-0．03％／℃；高温放置,耐湿放置特性好；额定电压值时无漏电流,漏电流≤3μA；价格便宜等。ZnO压敏变阻器从用途来看可分为变阻器、电涌吸收器(又称浪涌吸收器,也叫过电压抑制器)和避雷器3种。本质上ZnO压敏变阻器的用途也与其它变阻器相同,大致可分为电压稳定化与异常电压吸收两大类。文中详细论述了用ZnO压敏变阻器作脉冲控制、稳压和电涌吸收的原理。ZnO压敏变粗器作为仪器仪表的敏感元件使用是很有发展前途的新型元件,今后可望有大的发展。文中论述了ZnO压敏变阻器在仪器仪表中的应用,主要有如下7个方面：1．用于仪器仪表中作交流、直流和脉冲电路等的稳压,稳压范围为100V-60KV；2． 用于继电器电路中吸收接点开闭所致的异常高压,消灭火花,并联于接点,其灭火花作用大大优于并联于线圈的情况；3． 各种测定器的保护。通常作为电子管、晶体管、仪表等的电路元件的保护而把ZnO压敏变阻器连接作为分流器使用；4, 用于电桥式电路；5． 整流器的保护；6．晶体管保护；7． 可控硅元件的过电压保护等。对于以上7个方面的应用,文中均画出了电路图。     

Al2O3掺杂ZnO压敏陶瓷的晶粒生长研究

研究了Al2O3掺杂对ZnO压敏陶瓷晶粒生长规律的影响,应用晶粒生长动力学方程确定了晶粒生长的动力学指数和激活能.实验结果表明,对于Al2O3掺杂ZnO压敏陶瓷,其晶粒生长的动力学指数n等于4,激活能Q等于(400±26)kJ/mol.Al2O3掺杂ZnO压敏瓷的晶粒生长机理是ZnAl2O3尖晶石颗粒在ZnO压敏瓷晶粒边界钉扎过程中Al3+和O2-通过ZnAl2O4尖晶石的扩散.     

TiO2压敏电阻的研究与应用

为了更好地研制和应用压敏电阻元件,介绍了TiO2压敏电阻的基本性质,压敏机理以及研究现状,阐述了制备过程中掺杂物种、掺杂浓度、烧结温度、粉体材料等因素对二氧化钛压敏电阻性能的影响.研究表明,TiO2系列压敏电阻具有较低的压敏电压、较高的非线性系数、超高的介电常数,并且制备工艺简单.TiO2系列压敏电阻能有效弥补SrTiO3和ZnO系压敏电阻器所存在的不足之处,是低压压敏陶瓷的研发方向.