压敏电阻陶瓷材料的研究进展

详细介绍了目前国内外研究最多的低压压敏陶瓷材料(ZnO系、BaTiO3系、TiO2系、WO3系)、电容–压敏陶瓷材料(SrTiO3系、TiO2系)及高压–压敏陶瓷材料(ZnO系、SnO2系)等的基本配方、制备工艺、性能及主要应用等。还讨论了我国在压敏电阻器研究与生产方面所存在的问题及今后的研究方向。     

Bi2O3对TiO2系压敏陶瓷性能的影响

采用传统电子陶瓷工艺制作了TiO2系压敏陶瓷。通过测试其I-V特性、复阻抗特性、晶界电阻、晶粒电阻及势垒高度,研究了Bi2O3对TiO2-Bi2O3-Nb2O5-SrO系压敏陶瓷微结构及电性能的影响。结果表明,Bi2O3的适当掺杂范围在0.3%~0.5%(摩尔分数)。其掺杂量的变化,可显著改变TiO2-Bi2O3-Nb2O5-SrO系压敏陶瓷的晶界电阻及势垒高度,进而对压敏陶瓷的电学非线性特性产生影响。当x(Bi2O3)为0.4%时,压敏陶瓷的V1mA与α分别为40V/mm与6.2。     

低压压敏电阻器的研究进展

综述了目前国内外研究最多的低压压敏电阻器(ZnO系)、电容–压敏双功能压敏电阻器(SrTiO3系、TiO2系)及新型压敏电阻器(WO3系)的基本组分、掺杂种类、制备工艺、性能及主要应用的研究进展。讨论了在低压压敏电阻器研究和生产方面存在的问题,并对其发展方向进行了展望。     

环形压敏电阻器及其研发现状

介绍了环形压敏电阻器的形体结构,电极形状,导电模式及其消噪原理;分析了环形压敏电阻器的应用及研发现状;比较了各种环形压敏电阻器的优劣。正处于研究阶段的TiO2系环形压敏电阻器有望弥补SrTiO3系环形压敏电阻器和ZnO系压敏电阻器存在的不足之处。     

元素V掺杂对ZnO压敏效应的影响机理研究

研究了掺杂不同V_2O_5对ZnO陶瓷压敏特性的影响.实验表明,ZnO压敏电压随V元素掺杂量增加而随之升高,非线性系数随元素V掺杂量增加而先增大后减小,漏电流先减小后增大.分析认为,V元素掺杂对ZnO压敏材料电性能的影响不仅与电子的能级有关,与其自旋特性也紧密相关.ZnO陶瓷中掺杂的V元素在晶界偏析,其V元素都会产生局域磁矩,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压敏陶瓷电阻率,使晶界产生非线性特性.     

La_2O_3掺杂对TiO_2系压敏陶瓷结构和性能的影响

采用传统的固相法制备了La2O3掺杂的TiO2系压敏陶瓷,通过XRD和SEM分析,测试其结构及压敏性能、介电常数和晶界势垒特性。结果表明:La2O3掺杂对所获陶瓷的结构和性能有显著的影响,在1380℃烧结条件下,掺杂x(La2O3)为0.70%的陶瓷表现出优良的综合电性能,其压敏电压为7.6V/mm,非线性系数为5.2,相对介电常数εr为9.96×104,介电损耗tanδ为0.32,这与该陶瓷具有最高的晶界势垒高度相一致。     

(La、Nb)共掺杂TiO2压敏陶瓷第二相形成机理

研究了(La、Nb)共掺杂TiO2压敏陶瓷第二相的形成机理.以锐钛矿TiO2、Nb2Os和La2 O3氧化物粉体为原料,采用传统固相烧结工艺制备了( La、Nb)共掺杂TiO2压敏陶瓷,采用SEM、EDS、XRD、AFM和TEM检测了(La、Nb)共掺杂TiO2压敏陶瓷样品的显微结构、化学组成、物相组成、热蚀沟和显微形貌;通过点缺陷热力学分析、晶界能和材料结构检测分析讨论了(La、Nb)共掺杂TiO2压敏陶瓷第二相的形成机理.研究结果表明,第二相的形成起源于掺杂La3+和Nb5+在晶界的偏析,偏析驱动力为弹性应变能.偏析离子在高能量晶粒表面或晶界面成核,并逐渐长大形成第二相.第二相主要在能量较高的晶面上生长,这有利于使整个材料体系的能量最低.     

TiO_2基压敏陶瓷的研究进展

TiO2基压敏陶瓷的非线性伏安特性和介电性能优良,具有吸收高频噪声和过电压保护的功能。综述了此陶瓷的制备工艺、烧结制度、施主、受主掺杂和烧结助剂等对TiO2基压敏陶瓷电性能的影响之研究现状,并阐述了TiO2基压敏陶瓷未来的研究方向。     

TiO2系压敏陶瓷施主掺杂研究

研究了Ta2O5和Nb2O5掺杂对TiO2系压敏陶瓷电性能的影响。采用电子陶瓷制备工艺,制备了两组TiO2系压敏陶瓷,借助热电子发射理论,分析了样品的I-V特性及介电频谱特性。结果发现,Ta2O5掺杂的样品具有最低的压敏电压(E10mA=5.03 V.mm–1)和最大的视在介电常数(εra=1.5×105)。     

纳米粉体对TiO2压敏陶瓷晶界势垒结构的影响

采用实验方法研究了纳米粉体对TiO2压敏陶瓷晶界势垒结构的影响.采用扫描电镜测试了样品的显微结构.基于热电子发射理论和样品的电学性能计算了TiO2压敏陶瓷的势垒结构.在室温至320 ℃范围内,测试TiO2压敏陶瓷样品的电阻率ρ.通过样品的lnσ-1/T曲线计算了TiO2压敏陶瓷材料的晶界势垒结构.讨论了显微结构和势垒结构对TiO2压敏陶瓷电学性能的影响.结果表明,合适的纳米TiO2加入量为x=5 mol%.     

Li~+对ZnO压敏陶瓷电性能和能带结构的影响

采用氧化物固相合成法,制备了掺Li2CO3的ZnO压敏陶瓷。研究了掺Li2CO3量对ZnO压敏陶瓷电性能和能带结构的影响。结果表明:当x(Li2CO3)从0增加到0.50%时,压敏电位梯度从529V/mm增大到2170V/mm。XRD测试发现,掺Li2CO3并未出现新相结构。晶界势垒高度揭示,ZnO晶粒尺寸的迅速减小是压敏电位梯度急剧增高的主要原因。Li+置换Zn2+,将会在禁带中价带的顶部形成附加的受主能级,使能带发生畸变。     

SrTiO_3双功能陶瓷中TiO_2掺杂的作用

研究了ＴｉＯ２掺杂对ＳｒＴｉＯ３电容－压敏双功能陶瓷晶粒生长特性和电性能的作用规律。研究结果表明ＴｉＯ２添加量较小时瓷体不能实现半导化。随着ＴｉＯ２添加量的增大,烧结后的表观电阻率减小,压敏电压和非线性指数减小,表观介电常数增大。ＳＥＭ观察发现ＴｉＯ２添加量较小时晶粒内部出现裂痕,较多的ＴｉＯ２添加量利于晶粒的长大。     

SrTiO_3环形压敏电阻器

以ＳｒＴｉＯ_３为主晶相，以Ｌａ_２Ｏ_３为施主杂质，在还原气氛下烧结使其充分半导化；掺杂多种金属氧化物，通过高温氧化处理形成晶界层，研制出环形压敏电阻器。其性能优于原有的ＺｎＯ环形压敏电阻器，不仅压敏特性优良，且具有很高的电容量，是一种双功能元件。更重要的是解决了ＺｎＯ压敏电阻器固有的在焊接挂锡后电压降低严重的问题。该成果填补了国内空白，并于１９９２年通过机电部设计定型鉴定。     

Y~(3+)掺杂ZnO压敏陶瓷的微结构和电性能研究

采用两步烧结法制备了Y3+掺杂的(以Y(NO3)3·6H2O形式加入)ZnO压敏陶瓷,通过XRD、SEM和EDX系统研究了Y3+掺杂量对ZnO压敏陶瓷微结构和电性能的影响。结果表明:随着Y3+掺杂量的增加,电位梯度VT和非线性系数α提高,晶粒尺寸减小,施主浓度Nd和晶界态密度Ns降低,势垒宽度ω增大。当掺杂的x[Y(NO3)3·6H2O]为1.2%、烧结温度为1100℃时,ZnO压敏陶瓷电性能最好,其VT为675V/mm,α为63.9,漏电流IL为2.40μA。     

Mechanism and Development of TiO_2-Doped ZnO-Bi_2O_3-Based Varistors

This paper reviews the history of ZnO varistor,discribes its properties and recenttechnological status and forecasts its evolution.The future development trend is to produce the low-voltage high-energy multi-layer ZnO varistors.After the two additives are classified by their functions,the effect mechanism of Bi_2O_3 and TiO_2 additives are researched theoretically.TiO_2 will make ZnO graingrow bigger and V_ImA/mm be depressed down.Especially the colloid TiO_2 additive in the scale ofnanometer brings about a new method to realize the low voltage of ZnO varistor,which resolves theproblem of how to disturb nanometer powder evenly.Moreover the sintering temperature has prominenteffect on the electrical properties of ZnO varistors.Generally,the appropriate sintering temperature forlow-voltage ZnO varistor ceramics should not be more than 1 250℃.These provide an effective methodand rationale for studying low-voltage ZnO varistors.     

Mechanism and Development of TiO2-Doped ZnO-Bi2O3-Based Varistors

This paper reviews the history of ZnO varistor, discribes its properties and recent technological status and forecasts its evolution. The future development trend is to produce the low-voltage high-energy multi-layer ZnO varistors. After the two additives are classified by their functions, the effect mechanism of Bi2O3 and TiO2 additives are researched theoretically. TiO2 will make ZnO grain grow bigger and V1mA/mm be depressed down. Especially the colloid TiO2 additive in the scale of nanometer brings about a new method to realize the low voltage of ZnO varistor, which resolves the problem of how to disturb nanometer powder evenly. Moreover the sintering temperature has prominent effect on the electrical properties of ZnO varistors. Generally, the appropriate sintering temperature for low-voltage ZnO varistor ceramics should not be more than 1 250℃. These provide an effective method and rationale for studying low-voltage ZnO varistors.     

激光冲击波对ZnO压敏陶瓷电学性能的影响

为了研究激光冲击处理对ZnO压敏陶瓷电学性能的影响,采用Nd:YAG激光器对ZnO压敏陶瓷进行激光冲击处理,利用压敏电阻直流参量仪（CJ1001型）测量材料电学参量和X射线衍射仪、电子扫描显微镜表征相组成及微观形貌,取得了激光冲击处理前后ZnO压敏陶瓷电学性能的实验数据。结果表明,ZnO压敏陶瓷经激光冲击处理后,电位梯度降低了15.6%;非线性系数大幅提高了43.4%;漏电流降低了50%;同时,ZnO压敏陶瓷相组成除高温烧结态(包括ZnO主晶相、Zn2.33Sb0.67O4尖晶石相以及-Bi2O3相)外,而还出现了新相-Bi2O3相。新相的出现是材料电学性能变化的根本原因。     

铜和碱金属影响压敏陶瓷性能的机理

从对ZnO和SrTiO3的晶体结构参数的计算出发，论述了铜和碱金属原子在这两种晶体中所处的位置。实验结果证实，同一种原子在不同的材料中可以起不同的作用。文章还讨论了这些杂质对压敏陶瓷的压敏电压、电容量、有效相对介电系数影响的机理。