（材料科学与工程专业论文）高电位梯度氧化锌压敏电阻片的研究.pdf

高i 也位梯度氧化锌压敏电阻片的研究 摘要 z n o 是一种具有宽能隙的半导体材料，其非常优异的非线性电流一电压特性被用来制备 压敏电阻片，并广泛应用于电子特别是高压电力行业，以保护电气装置免受浪涌冲击。作为 避雷器的核心部件，z n o 压敏电阻片性能水平的高低直接影响着高压输变电系统的安全性和 可靠性。 随着特高压大容量输变电工程的发展，作为雷电和过压保护装置的避雷器的安全性、可 靠性和小型化的要求越来越高，z n o 避雷器逐渐取代了其它传统避雷器而成为新一代高压浪 涌避雷器。为了更好地满足高压电力发展的要求，开发具有高电位梯度和大过流容量的z n o 压敏电阻片成为国内外开发氧化锌避雷器的技术关键。虽然对该问题已有大量研究报道，但 并没有多少研究成果得到实际应用。为了进一步改善z n o 压敏电阻片的电性能并保证其实用 性，本文通过烧结工艺和材料组成的优化，系统地研究了各种因素对z n o 压敏电阻片显微结 构和电性能的影响，探讨了颗粒生长及传导机理，并且采用共烧结法制备了稀土、氧化铟玻 璃掺杂z n o 压敏电阻片，提高了z n o 压敏电阻片的电位梯度和非线性系数。 研究了烧结工艺对z n o 压敏电阻片的影响。通过对烧结行为的研究，发现升温速度和烧 结温度是影响电阻片显微结构和电性能的两个主要因素。在1 0 3 0 下烧成的电阻片具有最好 的综合电性能。当升温速率从2 0 0 m 下降到5 0 m 时，电阻片的电位梯度逐渐升高同时泄 漏电流逐渐减小。该现象表明在z n o 压敏电阻片的烧结过程中，需要慢速升温以保证传质彻 底而形成理想的微观结构。 研究了不同的稀土氧化物掺杂对z n o 压敏电阻片的影响。与掺杂e r 2 0 3 的z n o 电阻片相 比，掺杂了y 2 0 3 的电阻片具有更高的电位梯度和非线性系数。在y 2 0 3 掺杂量为0 2 o 8 m 0 1 范围内，随着y 2 0 3 掺杂量的增加，z n o 压敏电阻片的电位梯度和非线性系数增大；泄漏电 流减小。y 2 0 3 的掺杂量为0 6 m 0 1 时，z n o 压敏电阻片的综合电性能最佳。进一步增加y 2 0 3 含量时，z n o 压敏电阻片的电位梯度逐渐下降，泄漏电流逐渐增大。 采用共烧结法制备了z n o - y z 0 3 - i n 2 0 3 玻璃电阻片。该种电阻片不仅克服了z n o - b h c h 基电阻片中b i 2 0 3 易挥发以及z n o p r 6 1 3 i l 基电阻片中p r 6 0 l i 价格昂贵的缺点，而且避免了制 i i 硕上学位论文 备烧结前驱体的复杂步骤。在1 0 2 0 。c 的低温下烧成的z n o y 2 0 3 i n 2 0 3 玻璃电阻片具有比其它 系统更优异的电性能，添力n - j s n 0 2 的z n o y 2 0 3 i n 2 0 3 玻璃电阻片的平均电位梯度达到了 5 5 2 v n u n ，非线性系数达到了4 7 。 关键词：氧化锌压敏电阻片；电位梯度；非线性系数；稀土掺杂；z n o v 2 0 3 i n 2 0 3 玻璃 基电阻片 i i i 高电位梯度氧化锌压敏电阻片的研究 a b s t r a c t z i n co x i d e ，a saw i d eb a n d - g a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，i su t i l i z e di nv a r i s t o r s t h ez i n co x i d e b a s e dv a r i s t o r sa r ew i d e l yu s e di ne l e c t r i ca p p l i a n c e se s p e c i a l l yi nh i g hv o l t a g el i n e sa sv o l t a g es u r g e p r o t e c t i o nd e v i c e s o w i n gt ot h ee x c e l l e n tn o n l i n e a rc u r r e n t - v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，z i n co x i d eb a s e d v a r i s t o r sb e c o m et h ec o r ee l e m e n t so f t h ea r r e s t e ra n d d i r e c t l ya f f e c tt h es e c u r i t ya n d t h er e l i a b i l i t yo f t h ep o w e rl i n e s a tp r e s e n t , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u p e rh i g h v o l t a g ep o w e rn e t - w o r km a k e st h ep r e s s i n g r e q u i r e m e n tf o rt h ea r r e s t e rw i t hm o r es e c u r i t y ，m l i a b i l i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o n o w i n gt ot h e e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fh i g hv o l t a g eg r a d i e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a b i l i t y , t h ez i n co x i d es u r g e a r r e s t e rb e c o m e st h em o s tf a m o u sm o d e mh i g h - v o l t a g e s u r g ea r r e s t e r t o m a k eaf u r t h e r i m p r o v e m e n ti ne l e c t r i cp r o p e r t i e so fz i n co x i d eb a s e dv a r i s t o r , as y s t e m a t i cr e s e a r c hh a db e e n c a r r i e do u tb yo p t i m i z i n gt h es i n t e f i n gp r o c e s sa sw e l la st h ec o m p o s i t i o n so ft h ea d d i t i v e s v a r i o u s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s u c ha st h es i n t e r i n gc o n d i t i o n , d o p a n ts p e c i e sa n dd o p i n gc o n t e n t , o nt h e m i c r o s t r u c t u r a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d o t h e r w i s e ，t h eg r o w t hm e c h a n i s mo f c r y s t a l sw a sd i s c u s s e d t h es i n t e r i n gb e h a v i o r so f t h ez n ov a r i s t o rw e r ei n v e s t i g a t e d , a n dt h ei n f l u e n c eo f h e a t i n gr a t e a n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo nt h ee l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h ez n ov a r i s t o rw e r l ：s t u d i e d w i t ht h e d e c r e a s eo fh e a t i n gr a t ef r o m2 0 0 c ht o5 0 c h , t h ev a r i s t o rv o l t a g ei n c r e a s e da n dt h el e a k a g e c u r r e n td e c r e a s e d i ts u g g e s t st h a tl o w e rh e a t i n gr a t ei sn e c e s s a r yt of o r ma no p t i m a lm i c r o s t r u c t u r e f o ro b t a i n i n gt h es u p e r i o re l e c t r i cp r o p e r t i e s t h ev a r i s t o rs i n t e r e da t1 0 3 0 。ce x h i b i t st h eh i g h e r v a r i s t o rv o l t a g ea n dl o w e rl e a k a g ec u r r e n t t h ez n ov a r i s t o rd o p e dw i mv a r i o u sl a r ee a r t ho x i d e sw e r es t u d i e d t h ey 2 0 3d o p e dz n o v a r i s t o r se x h i b i th i g h e rv a r i s t o rv o l t a g ea sw e l la st h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n t a st h ea m o u n to f t h er a r e e a r t ho x i d e si n c r e a s e d , t h ew a t e ra b s o r p t i o na n dl e a k a g ec u r r e n td e c r e a s e dw h e r e a st h ev a r i s t o r v o l t a g ea n dn o n l i n e a rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e d w h e nt h ea m o u n to fy 2 ：0 3i n c r e a s e dt o0 6m 0 1 , t h e 硕士学位论文 z n ov a r i s t o ra c h i e v e dt h eo p t i m a lv a r i s t o rv o l t a g eo f5 0 5 v m m a z n o - y 2 0 3 - i n 2 0 3g l a s sb a s e dv a r i s t o rw a sp r e p a r e db yt h em e t h o do fd i r e c tc o - s i n t e r i n g s y n t h e s i so fo x i d e s t h i s k i n do fv a r i s t o rn o to n l yo v e r c o m e st h ed r a w b a c ko fl a r g eb i 2 0 3 v o l a t i l i z a t i o ni nz n o - b i 2 0 3b a s e dv a r i s t o r , b u ta l s oa v o i d st h eh j i g hp r i c eo fp r 6 0 1 1i nz n o - p r 6 0 n b a s e dv a r i s t o r m o r e o v e r , z n o y 2 0 3 一i n 2 0 3g l a s sb a s e dv a r i s t o re x h i b i t sm o r ee x c e l l e n te l e c t r i c p r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t ho t h e rs y s t e m s i th a sa na v e r a g ev a r i s t o rv o l t a g eu pt o5 5 2 v m m ， n o n l i n e a rc o e f f i c i e n tu pt o4 7 k e yw o r d s ：z i n co x i d ev a r i s t o r , v o l t a g eg r a d i e n t ；n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t ；r a r ee a r t hd o p e d ； z n o - y 2 0 3 i n 2 0 3g l a s sb a s e dv a r i s t o r v 高电位梯度氧化锌压敏l 乜阻片的研究 l i s to ff i g u r e s f i g1 1t y p i c a ls t r u c t u r eo f o p e ng a p 2 f i g1 2t y p i c a ls t r u c t u r eo f c l o s e dg a p ：! f i g1 3g a sd i s c h a r g ed e v i c e 3 f i g1 4p a r a l l e lc o n n e c t e dp i e z o r e s i s t o r 3 f i g1 5s t r u c t u r e o f z i n c o x i d es u r g e a r r e s t e r s 3 f i g1 6t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f z n o 8 f i g1 7t h eu n i tc e l lo f z n o 8 f i g1 8 e n e r g y l e v e l s o f t h e a t o m i c c o m p o n e n t s i n z n o 9 f i g1 9t y p i c a li - 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v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c ，z n ov a r i s t o r s a l ew i d e l yu s e di nt h ea r r e s t e r sa st h e p r o t e c t i o nd e v i c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u p e rh i g h - v o l t a g ep o w e rn e t - w o r k , t h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a r r e s t e r 、v i t l lm o r es e c u r i t y ，r e l i a b i l i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r eu r g e n t z n o v a r i s t o r , a st h ec o r ee l e m e n t so fa r r e s t e r ，i sf a c i n gm o r ec h a l l e n g e t oe n h a n c et h ev o l t a g eg r a d i e n t a n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a b i l i t y ，t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nv a r i s t o rf i e l d m u c he f f o r th a sb e e np a i d t ot h ed e v e l o p m e n to ft h ez n ov a r i s t o r , b u tm o s to ft h er e s e a r c h e sa r el i m i t e di nl a bs c a l e t h e c r u c i a lw o r ki st os t r e n g t h e nt h ec o n d u c t i o nt h e o r ya n db r o a d e nt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ez n o v a r i s t o r 1 2a r r e s t e r a r r e s t e ri sap o w e ri n s t a l l a t i o nw h i c hi sa b l et or e l e a s el i g h t n i n gs u r g ee f f e c t i v e l y a sar e s u l t , i ti sw i d e l yu s e da ss u r g ea b s o r b e ri np o w e rs y s t e m st op r o t e c te l e c t r i cd e v i c e s t h e r ea r es e v e r a lo fa n - e s t e r s ：a c c o r d i n gt ot h ep r o t e c t i o nf o r m , t h e ya r eo p e n - c u r c u i ta i t e s t e r ， b r o k e n - c u r c u i ta t t e s t e ra n dp r e s s u r e - l i m i t i n ga r r e s t e r ；w h i l et ot h ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，t h e ya r e p r o t e c t i o ng a p ；p i p ea l t e s t e ra n dv a l v e 卸f r e s t e f u s u a l l y , s i l i c o nc a r b i d es u r g ea r r e s t e ra n dm e t a l o x i d es u r g ea r r e s t e rb e l o n gt ot h ev a l v ea t t e s t e r s t h ep r i m a la n - e s t e ra p p e a r i n ga tt h ee n do f t h e19 t h c e n t u r yi sh o m - o f - m u t t o ng a p , i ti sm e r e l yu s e di no v e r h e a de l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n ea tt h a tt i m e i n t h ef o l l o w i n gt i m e ，t h ea t e s t e rh a sm a d gag r e a ti m p r o v e m e n ti nt h es t r u c t u r e as e r i e so fn e w 高电位梯度氧化锌压敏电阻片的研究 a t t e s t e r sc o m ef o r t hc o n t i n u o u s l y a l u m i n u ma n dp i l la t t e s t e r se m e r g e di nt h e19 2 0 s , i ns e q u e n c e , t u b e 踟骶姗i nt h e1 9 3 0 s ，s i l i c o nc a r b i d es u r g ea t t e s t e ri nt h e1 9 5 0 s , a n dm e t a lo x i d es u r g ea t t e s t e r i nt h e1 9 7 0 s a tp r e s e n t , d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es u p e rh i g h - v o l t a g ep o w e rn e t - w o 如t h e r e q u i r e m e n tf o rt h ea l t g s t e rw i t hm o r es e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o nb e c , o m c $ m o r ea n d m o r eu r g e n t l y t h u s ，t h ez i n co x i d es u r g ea t t e s t e r sp o s s e s s i n ge x c e l l e n tp r o p e r t i e so fh i g hv o l t a g e g r a d i e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a b i l i t yb e c o m et h em o s tf a m o u sm o d e mh i g h - v o l t a g es u r g e a t t e s t e r s f i 9 1 1t of i 9 1 4a r et y p i c a la r r e s t