溶胶-凝胶法制备ZnO压敏电阻器添加剂的研究

摘要

ZnO压敏电阻器是一种利用晶界效应工作的多晶半导体陶瓷元件，因其具有优良的非线性欧姆特性和大的能量吸收能力而被广泛应用于电子电力系统中。本论文首先介绍了国内外ZnO压敏元件的发展现状，引出了提高高压ZnO压敏电阻器通流能力的必要性。
　　为了提高压敏元件的通流能力，本文详细地叙述了溶胶-凝胶法的原理和优缺点，并采用溶胶-凝胶工艺以醋酸钴、五水合硝酸铋、硝酸镍和醋酸锰为前驱物，制备了pH=6.00、pH=8.00和pH=10.00的四元系（Co3O4、MnO、Bi2O3和Ni2O3）复合添加剂粉体；以钴、锰、铋、镍的硝酸盐为前驱物，合成了pH=6.00、pH=8.00、pH=8.50、pH=8.80和pH=9.00的四元系复合粉体；用结晶四氯化锡和钴、锰、铋、镍的硝酸盐为前驱物制备了pH=8.50和pH=10的五元系（Co3O4、MnO、Bi2O3、Ni2O3和SnO2）复合纳米添加剂粉体；用氯化亚锡和钴、锰、铋、镍的硝酸盐为前驱物制备了pH=8.60、8.70和8.80的五元系复合纳米添加剂粉体。将合成的粉体与其他原料混合按照固相工艺的步骤制备了 ZnO压敏电阻器。对元件进行微观结构、电性能和通流测试，并与传统固相合成法制备的压敏元件进行对比，发现制备的压敏元件内晶粒大小一致，各添加剂成分均匀分布，微观结构均匀性较好，通流性能优于固相法制成的压敏元件。其中以钴、锰、铋、镍的硝酸盐为前驱物，在pH=8.50时合成的复合粉体制备的压敏元件的性能最好，其非线性系数α为37.53，漏电流为3.05μA，冲击电流为1919A时，压敏电压变化率为6.48％。五元系Sol-Gel法中，用氯化亚锡和钴、锰、铋、镍的硝酸盐为前驱物，在pH=8.60时合成的复合粉体制备的压敏元件的性能相对较好，其非线性系数α为28.97，漏电流为7.12μA，冲击电流为1909A时，压敏电压变化率为12.18％。
　　本文还研究了烧结温度、电老练、热老练及电极面积对压敏元件电性能的影响。实验结果表明溶胶-凝胶法制备的压敏元件在1050℃烧结时性能最好。压敏电阻器在650℃和680℃热处理后，小电流性能变差，通流性能并没有得到改善。而将ZnO压敏电阻器在不同的充电电压下进行不同次数的电老练后，发现元件的压敏电压下降，非线性系数下降，漏电流增加，通流能力则得到明显改善；但充电电压过高时，元件会因为电流过大造成内部结构损坏。此外电极面积的大小不会对压敏元件的小电流性能造成明显的影响，但电极直径越大，元件的通流性能将越好。

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第一章 绪 论

1.1国内外发展现状

1.2课题的研究背景和意义

第二章 ZnO压敏元件的基本理论

2.1 ZnO压敏电阻器的基本性质

2.2氧化锌压敏电阻器的U-I特性

2.3压敏电阻器的导电机理

2.4 ZnO压敏电阻器的电性能参数

2.5添加剂元素的作用

2.6 ZnO压敏元件的蜕变机制

2.7压敏元件的失效

第三章 Sol-Gel法合成复合添加剂粉体

3.1溶胶-凝胶法的基本理论

3.2复合添加剂粉体的合成

3.3复合粉体中各元素含量的分析

第四章 ZnO压敏电阻器的制备和测试

4.1实验仪器与药品

4.2实验过程

4.3压敏元件的性能测试

4.4 ZnO压敏电阻器的形貌表征

第五章 热处理与电老练工艺

5.1热处理工艺

5.2电老练工艺

5.3电极面积对ZnO压敏元件电性能的影响

第六章 结 论

参考文献

致谢

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