高电压梯度大通流能力ZnO压敏电阻的研究

摘要

ZnO压敏电阻器因其优良的非线性伏安特性和瞬态浪涌电流吸收能力而在电力、电子领域得到了广泛应用。如何在提高ZnO压敏陶瓷的压敏电压梯度的同时也提高大电流通流能力始终是一大难题。本论文旨在保证其他各项电性能优良的基础上，研究制备高压敏电压梯度、大通流能力的ZnO压敏元件。
　　利用固相法和溶胶-凝胶法在其它条件相同的情况下分别制备ZnO压敏电阻样品，研究了配方和工艺对ZnO压敏电阻器的微观结构和各项电性能的影响。
　　首先采用传统的固相法分别制备了Bi2O3、SnO2以及Sb2O3掺杂的三个系列的ZnO压敏电阻样品，用扫描电镜分析了元件内部的微观结构，测试了不同摩尔含量的Bi2O3、SnO2和Sb2O3掺杂的ZnO基压敏电阻的压敏电压梯度、非线性系数和漏电流，并计算了残压比和压敏电压变化率，讨论了三种添加剂的含量对ZnO压敏电阻器的微结构和电性能的影响。实验结果表明：随着Bi2O3掺杂量的递增，ZnO压敏电阻器的压敏电压梯度和非线性系数先增加后减小，漏电流则先减小后增加，当Bi2O3添加量为0.310 mol％时，样品的整体电性能最好：压敏电压梯度V1mA=435V/mm，非线性系数?=42，漏电流IL=3μA，残压比K=1.96，在耐受8/20μs脉冲电流后压敏电压变化率ΔV1mA/V1mA=4.89%；随着SnO2含量的减少，ZnO压敏电阻器的压敏电压梯度和非线性系数都逐渐降低，漏电流逐渐增大，当SnO2掺杂量为0.574 mol%时，样品的综合电性能最好：压敏电压梯度V1mA=408V/mm，非线性系数?=34，漏电流IL=5μA，残压比K=2.02，在耐受8/20μs脉冲电流后压敏电压变化率ΔV1mA/V1mA=9.13%；随着Sb2O3掺杂量的递增，ZnO压敏电阻器的压敏电压梯度和非线性系数先减小后增加，漏电流则先增加后减小，当Sb2O3掺杂量为0.572 mol%时，样品的综合电性能最好：压敏电压梯度V1mA=420V/ mm，非线性系数α=38，漏电流IL=3μA，残压比K=2.01，在耐受8/20μs脉冲电流后压敏电压变化率ΔV1mA/V1mA=7.58%。
　　接着将Sol-Gel法制备的Mn2O3、NiO、Bi2O3、Co3O4多元氧化物粉体和Mn2O3、NiO、Bi2O3、Co3O4、SnO2多元氧化物粉体分别引入到ZnO压敏元件的制备工艺中：首先制备出Mn、Ni、Bi、Co（和Sn）四（五）种金属的氧化物复合粉体，再与其他几种氧化物添加剂和主料ZnO混合，在合适的条件下制备出了厚度为1.0 mm左右，直径为8.8 mm左右的压敏电阻片，并对其微结构和电性能进行了测试、表征分析。与用传统的固相法制成的压敏电阻片进行对比表明，Sol-Gel法制成的元件内部粒度分布范围窄，添加剂元素分布均匀。其电性能较固相法也有了很大改善：Sol-Gel法制备的样品的压敏电压梯度和非线性系数大于传统试样，漏电流小于传统试样，8/20μs通流能力也得到了改善。当把Mn2O3、NiO、Bi2O3、Co3O4、SnO2多元氧化物粉体引入ZnO压敏电阻的制备工艺时，得到的压敏电阻器的综合电性能最好，这时压敏电压梯度V1mA=516V/mm，非线性系数α=43，漏电流IL=2μA，残压比K=1.78，在耐受8/20μs脉冲电流后压敏电压变化率ΔV1mA/V1mA=4.41%。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 我国高压ZnO压敏电阻器的研究方向

1.4 本论文的主要研究内容及目的

第二章ZnO压敏电阻器的基本理论与制备工艺

2.1 ZnO晶体的基本性质

2.2 ZnO压敏电阻器的基本性质

2.3 ZnO压敏电阻器的电性能参数

2.4 添加剂元素的影响

2.5 溶胶-凝胶工艺

第三章ZnO压敏电阻器的制备及测试

3.1 实验仪器与药品

3.2 实验配方

3.3 ZnO压敏电阻器的制备

3.4 ZnO压敏电阻器的电性能及微结构测试

3.5 多元氧化物粉体的成分及相分析

第四章 B i2O3、SnO2、Sb2O3含量对ZnO压敏电阻器电性能及微结构的影响

4.1 Bi2O3的含量对ZnO压敏电阻器电性能及微结构的影响

4.2 SnO2的含量对ZnO压敏电阻器电性能及微结构的影响

4.3 Sb2O3的含量对ZnO压敏电阻器电性能及微结构的影响

4.4小结

第五章 多元氧化物粉体掺杂对ZnO压敏电阻器电性能及微结构的影响

5.1 多元氧化物粉体的相分析

5.2 多元氧化物粉体的成分分析

5.3 元件的微观结构测试结果

5.4 元件的电性能测试结果

5.5 测试结果分析与讨论

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 后期展望

参考文献

致谢

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