采用铝、镓和钇离子共同掺杂制备ZnO压敏电阻陶瓷的方法

摘要

本发明公开了一种采用铝、镓和钇离子共同掺杂制备ZnO压敏电阻陶瓷的方法，属于材料领域，该方法的制备步骤包括将Bi2O3、Sb2O3、MnO2、Cr2O3、Co2O3、SiO2混合，加入去离子水球磨；在球磨好的浆料中加入ZnO和去离子水，再次球磨；在球磨好的ZnO浆料中加入Al(NO3)3、Ga(NO3)3、Y(NO3)3或Y2O3，再次球磨；将球磨好的浆料压片烧结。该方法制备出的电阻陶瓷具有泄露电流小、梯度高、残压低、通流容量大、老化性能稳定的特点，更能适合输电线路避雷器和GIS避雷器、以及深度限制电力系统过电压的应用需求。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种采用铝、镓和钇离子共同掺杂制备兼具高梯度和低残压特性的ZnO压敏电阻陶瓷的方法。

背景技术

ZnO压敏电阻是以ZnO为主要原料，添加少量的Bi₂O₃、Sb₂O₃、MnO₂、Cr₂O₃、Co₂O₃、和银玻璃粉等作为辅助成份，采用陶瓷烧结工艺制备而成。由于其优异的非线性伏安特性和能量吸收能力，以其为核心器件的避雷器是电力系统的关键保护设备，为电力系统雷电过电压防护、电力设备绝缘配合的关键设备。

一般将1mA直流电流作用下压敏电阻的电压称为压敏电压U_1mA，单位高度的压敏电压称为压敏梯度。压敏梯度越高，则相同电压作用下压敏电阻陶瓷的高度就越小。因此，高梯度的ZnO压敏电阻可以减小气体绝缘变电站(GIS)避雷器的高度，实现GIS的小型化，另外也可以缩短线路避雷器的高度，易于实现与线路绝缘子并联安装。而优良的老化性能则可以确保避雷器的安全、可靠运行。ZnO压敏电阻的残压被定义为放电电流流过电阻片两端子间的最大电压峰值。低残压表示通过大电流时ZnO压敏电阻的残压低、非线性特性好，避雷器的保护性能好。采用低残压的ZnO压敏电阻组装而成的避雷器具有更好的保护特性，可将作用在设备上的过电压限制到更低的水平，确保设备的安全裕度，另一方面可以确保避雷器进一步降低电气设备的绝缘水平，减小输变电设备的绝缘结构，从而降低输变电设备的重量、体积和制造成本。ZnO压敏电阻的非线性特性可分为三个区域：小电流区、中电流区以及大电流区。大电流区(>10³A/cm²)呈现欧姆特性，该区域ZnO晶粒的电阻决定了残压的高低，同时该区域在I-V特性平面出现的位置，决定了ZnO压敏电阻泄放电荷能力的大小。

在烧结过程中，降低烧结温度，缩短保温时间，可提高小电流区的压敏电压U_1mA。通过控制Sb元素的含量，或者添加一定量的稀土掺杂，在烧结过程中产生部分尖晶石相，利用尖晶石相的钉扎效应抑制ZnO晶粒的生长速度，也能达到提高压敏电压和梯度的目的。对于大电流区ZnO压敏电阻的I-V特性，主要是由晶粒电阻决定的，要降低ZnO压敏电阻的残压，就必须想办法降低该区域的晶粒电阻。现有降低晶粒电阻的主要方法是添加一定比例的施主离子，工业上以添加Al离子为主。尽管现有公开的配方和工艺已经能够制备高梯度或者低残压的ZnO压敏电阻阀片，但是不同配方、工艺结合在一起会导致难以预期的性能变化，因此尚未实现同时具备高梯度、低残压、老化性能优异的ZnO压敏电阻阀片。

发明内容

本发明为了克服已有技术的不足之处，提出了一种采用铝、镓和钇离子共同掺杂制备兼具高梯度和低残压特性的ZnO压敏电阻陶瓷的方法。本发明制备出的ZnO压敏电阻陶瓷具有泄露电流小、梯度高、残压低、通流容量大、老化性能稳定的特点，更能适合输电线路避雷器和GIS避雷器、以及深度限制电力系统过电压的应用需求。

本发明提出的采用铝、镓和钇离子共同掺杂制备ZnO压敏电阻陶瓷的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)原料配制

按以下比例ZnO(87.5～95.8mol％)，Bi₂O₃(0.5～2.0mol％)、Sb₂O₃(0.5～1.5mol％)、MnO₂(0.5～1.0mol％)、Cr₂O₃(0.5～1.0mol％)、Co₂O₃(0.5～1.5mol％)、SiO₂(1.0～2.0mol％)，以及Al(NO₃)₃(0.1～1.0mol％)、Ga(NO₃)₃(0.1～1.0mol％)、Y(NO₃)₃或Y₂O₃(0.5～1.5mol％)配制初始原料。

2)制备辅助添加浆料

将步骤1)中配制的Bi₂O₃、Sb₂O₃、MnO₂、Cr₂O₃、Co₂O₃、SiO₂混合作为辅助添加料，放入行星式球磨机的球磨罐中，加入去离子水，去离子水与粉料的重量比为1:1.5，混合球磨，球磨8～10小时，使所有混合原料分散均匀为止。

3)将辅助添加浆料和ZnO混合

将上述步骤2)中得到的辅助添加浆料中加入步骤1)中配制的ZnO，再加入去离子水，去离子水与浆料的重量比为1～2:1，混合球磨，球磨8～10小时，使所有混合原料分散均匀为止。

4)添加铝、镓和钇离子

将上述步骤3)中得到的混合均匀的ZnO浆料中，添加步骤1)中配制的Al(NO₃)₃、Ga(NO₃)₃、Y(NO₃)₃或Y₂O₃，继续球磨1～2小时，制成粉料。

5)成型

将上述步骤4)中得到的粉料进行喷雾、含水后，使用液压压片机以及直径50mm的圆柱形模具，将颗粒料压片成型，成型压力为150MPa，保压时间3分钟。

6)烧结

将上述步骤5)中压成的坯体在封闭的气氛条件下，采用100～250℃/每小时的升温速度(温度越高升温速度越慢)，在400℃左右保温排胶5小时，从室温升温至烧结温度1240～1260℃，在烧结温度下保温3～4小时，使陶瓷烧结致密。

本发明的特点及有益效果在于：采用传统原料混合研磨工艺以及烧结工艺，通过调整辅助添加料的成份和比例，在ZnO及混合浆料中同时添加了Al、Ga和稀土Y元素。Al和Ga离子的共同作用下，在烧结过程中Al和Ga固溶进锌晶格，降低了晶粒电阻，降低了大电流区的残压，Ga离子的存在，使得间隙锌离子的数量下降，提高了ZnO压敏电阻陶瓷的老化稳定性能，与单纯添加Al离子相比，泄漏电流也得到有效抑制。添加的稀土元素Y在液相烧结的过程中，有效抑制了ZnO晶粒的生长，促使拐点电压U_1mA得以显著提高；在V-I特性曲线上，反转区右移，提高了本配方制备的ZnO压敏电阻泄放电流的能力。综上所述，能够将ZnO压敏电阻陶瓷的残压比控制在1.5以下，电压梯度不低于450V/mm，使泄漏电流小于1μA/cm²，非线性系数在80以上，所制备的ZnO压敏电阻陶瓷，具备梯度高、残压低、通流容量大、泄露电流小、老化性能稳定的特点。

具体实施例

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例一：

1)原料配制

该低残压ZnO压敏电阻陶瓷材料按以下比例ZnO(90mol％)、Bi₂O₃(1.5mol％)、Sb₂O₃(1mol％)、MnO₂(1mol％)、Cr₂O₃(1mol％)、Co₂O₃(1mol％)、SiO₂(1.5mol％)、Al(NO₃)₃(1mol％)、Ga(NO₃)₃(1mol％)和Y(NO₃)₃(1mol％)配制初始原料。

2)制备辅助添加浆料

将Bi₂O₃(1.5mol％)、Sb₂O₃(1mol％)、MnO₂(1mol％)、Cr₂O₃(1mol％)、Co₂O₃(1mol％)和SiO₂(1.5mol％)放入行星式球磨机的球磨罐中，加入粉料重量1.5倍的去离子水，球磨8个小时。

3)将辅助添加浆料和ZnO混合

在球磨后的辅助添加浆料中加入90％mol的ZnO，添加粉料重量1.5倍的去离子水，将所有混合原料混合球磨8个小时，至分散均匀为止。

4)添加铝、镓和钇离子

在混合均匀的ZnO浆料中，添加Al(NO₃)₃(1mol％)、Ga(NO₃)₃(1mol％)和Y(NO₃)₃(1mol％)，继续球磨2小时。

5)成型

将上一步中得到的粉料进行喷雾、含水后，使用液压压片机以及直径50mm的圆柱形模具，将颗粒料压片成型，成型压力为150MPa，保压时间3分钟。

6)烧结

用高温电炉在封闭气氛中烧结坯体，具体温度和控制时间如下：

从室温至400℃，升温时间2小时；

在400℃保温排胶5小时；

从400℃至900℃，升温时间3小时；

从900℃至1250℃，升温时间3小时；

在1250℃保温3小时；

自然降温。

对按以上工艺制备得到的ZnO压敏电阻样品进行了各项性能测试。其泄漏电流得到抑制，均值0.97μA/cm²,非线性系数均值85，压敏电压梯度均值470V/mm，残压比均值1.49。

实施例二：

1)原料配制

该低残压ZnO压敏电阻陶瓷材料按以下比例ZnO(95.8mol％)、Bi₂O₃(0.5mol％)、Sb₂O₃(0.5mol％)、MnO₂(0.5mol％)、Cr₂O₃(0.5mol％)、Co₂O₃(0.5mol％)、SiO₂(1mol％)、Al(NO₃)₃(0.1mol％)、Ga(NO₃)₃(0.1mol％)和Y₂O₃(0.5mol％)配制初始原料。

2)制备辅助添加浆料

将Bi₂O₃(0.5mol％)、Sb₂O₃(0.5mol％)、MnO₂(0.5mol％)、Cr₂O₃(0.5mol％)、Co₂O₃(0.5mol％)、SiO₂(1mol％)放入行星式球磨机的球磨罐中，加入粉料重量1.5倍的去离子水，球磨10个小时。

3)将辅助添加浆料和ZnO混合

在球磨后的辅助添加浆料中加入95.8％mol的ZnO，添加粉料重量1.5倍的去离子水，将所有混合原料混合球磨10个小时，至分散均匀为止。

4)添加铝、镓和钇离子

在混合均匀的ZnO浆料中，添加Al(NO₃)₃(0.1mol％)、Ga(NO₃)₃(0.1mol％)和Y₂O₃(0.5mol％)，继续球磨2小时。

5)成型

将上一步中得到的粉料进行喷雾、含水后，使用液压压片机以及直径50mm的圆柱形模具，将颗粒料压片成型，成型压力为150MPa，保压时间3分钟。

6)烧结

用高温电炉在封闭气氛中烧结坯体，具体温度和控制时间如下：

从室温至400℃，升温时间2小时；

在400℃保温排胶5小时；

从400℃至900℃，升温时间3小时；

从900℃至1250℃，升温时间3小时；

在1240℃保温4小时；

自然降温。

对按以上工艺制备得到的ZnO压敏电阻样品进行了各项性能测试。其泄漏电流得到抑制，均值0.85μA/cm²,非线性系数均值80，压敏电压梯度均值450V/mm，残压比均值1.50。

实施例三：

1)原料配制

该低残压ZnO压敏电阻陶瓷材料按以下比例ZnO(87.5mol％)、Bi₂O₃(2mol％)、Sb₂O₃(1.5mol％)、MnO₂(1mol％)、Cr₂O₃(1mol％)、Co₂O₃(1.5mol％)、SiO₂(2mol％)、Al(NO₃)₃(1mol％)、Ga(NO₃)₃(1mol％)和Y(NO₃)₃(1.5mol％)配制初始原料。

2)制备球磨辅助添加料

将Bi₂O₃(2mol％)、Sb₂O₃(1.5mol％)、MnO₂(1mol％)、Cr₂O₃(1mol％)、Co₂O₃(1.5mol％)和SiO₂(2mol％)放入行星式球磨机的球磨罐中，加入粉料重量1.5倍的去离子水，球磨10个小时。

3)将辅助添加浆料和ZnO混合

在球磨后的辅助添加浆料中加入87.5％mol的ZnO，添加粉料重量1.5倍的去离子水，将所有混合原料混合球磨10个小时，至分散均匀为止。

4)添加铝、镓和钇离子

在混合均匀的ZnO浆料中，添加Al(NO₃)₃(1mol％)、Ga(NO₃)₃(1mol％)和Y(NO₃)₃(1.5mol％)，继续球磨1小时。

5)成型

将上一步中得到的粉料进行喷雾、含水后，使用液压压片机以及直径50mm的圆柱形模具，将颗粒料压片成型，成型压力为150MPa，保压时间3分钟。

6)烧结

用高温电炉在封闭气氛中烧结坯体，具体温度和控制时间如下：

从室温至400℃，升温时间2小时；

在400℃保温排胶5小时；

从400℃至900℃，升温时间3小时；

从900℃至1250℃，升温时间3小时；

在1260℃保温3小时；

自然降温。

对按以上工艺制备得到的ZnO压敏电阻样品进行了各项性能测试。其泄漏电流得到抑制，均值0.93μA/cm²,非线性系数均值83，压敏电压梯度均值480V/mm，残压比均值1.49。