ZnO线性电阻的制备及其性能的研究

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二十世纪八十年代末,日本在ZnO压敏电阻的基础上实现ZnO陶瓷的线性化。因ZnO线性电阻具有低的成本和优良的电性能而被广泛的用于电子、电力领域。随着超高压输变电路和电子元器件微型化的需求,制备性能稳定的电阻已成为现阶段研究热点。本文详细研究了ZnO线性电阻陶瓷的制备工艺及基础配方对其微观结构和电性能的影响规律。首先研究了添加剂A12O3、TiO2、MgO及少量稀土氧化物掺杂对其微观结构和电性能的影响规律。XRD、SEM、EDS以及电性能的测试结果表明:A12O3掺杂不仅能改变第二相的生成量,减小基体颗粒的尺寸,而且可以降低晶界势垒,因此,其对ZnO线性电阻的电阻率与非线性系数有显著的影响,当A12O3掺杂量为9wt%时,所制备的ZnO线性电阻其非线性系数达到1.17、电阻率为285·cm。TiO2掺杂可以大幅度提高基体的致密性以及均匀性,因而对ZnO线性电阻试样的能量密度有显著的影响,当TiO2掺杂量为7wt%时,能量密度达到780J/cm-3。MgO掺杂对ZnO线性电阻试样的阻温系数有显著的影响,当MgO掺杂量为7wt%时,ZnO线性电阻的阻温系数为3.4×10-4/℃、非线性系数为1.12及能量密度为812J/cm-3。La2O3、Y2O3掺杂可以进一步增加基体颗粒的均匀性,因而对ZnO线性电阻试样的电阻率的稳定性非线性系数具有显著的影响,且当La2O3、Y2O3掺杂量为0.5mol%和0.25mol%时,非线性系数为1.12和1.14,能量密度为812J/cm-3和809J/cm-3,阻温系数为3.4×10-4/℃和2.7×10-4/℃。接着研究了制备工艺对ZnO线性电阻微观结构及电性能的影响:煅烧添加剂可以提高原料均匀性,进一步改善试样的微观结构,从而提高综合电性能参数。当原料在1100℃煅烧两次时,ZnO线性电阻的电阻率为792·cm、阻温系数为3.94×10-4/℃、非线性系数为1.10、能量密度为821J/cm-3,电阻率的稳定性为56.4%。适宜的烧结温度和降温速率对ZnO线性电阻的微观结构和电性能也有很大影响,最佳的烧结温度范围为13201360℃,降温速率约为100℃/h。当烧结温度为1340℃,降温速率为100℃/h时,电阻率为790·cm、阻温系数为4.04×10-4/℃、非线性系数为1.10、能量密度为825J/cm-3以及电阻率的稳定性为57.4%。论文最后在前期组成和工艺基础上,研究了调整添加剂配方的基本组成及加入不同比例的NiO,讨论了NiO不同掺杂量对ZnO线性电阻的微观结构及其电性能的影响,采用73.79ZnO-3.0MgO-2.0La2O3-9.0A12O3-1.0SiO2-11.21(15mol%)NiO配方且将NiO与ZnO在1100℃混合煅烧,同时结合最佳制备工艺可以制备出电阻率为301.25·cm,阻温系数为3.14×10-4/℃、非线性系数为1.13,能量密度为802J/cm-3以及电阻率的稳定性为60.8%的ZnO线性电阻试样。
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