掺杂Ti元素对ZnO压敏陶瓷电性能的影响

1、掺杂T元素对ZnO压敏陶瓷电性能的影响第二实验小组摘要：研究了Ti元素的不同掺杂量对氧化锌压敏陶瓷的显微结构和电性能的影响。发现了掺杂Ti元素可降低压敏陶瓷的压敏电压，增大非线性系数。这主要与Ti元素可促进晶粒生长有关。关键词：ZnO压敏陶瓷 微观结构 晶粒生长 压敏电压压敏电阻陶瓷材料是指在一定温度下和某一特定电压范围内具有非线性伏安特性、 其电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。根据这种非线 性伏-安特性，可以用这种半导体陶瓷材料制成非线性电阻器，即压敏电阻器。 压敏电阻器根据所应用的电压范围可以分为高压压敏电阻器、 中压压敏电阻器和 低压压敏电阻器。1 实验1.1 样品制备配料

2、：ZnO、Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Sb2O3陶瓷材料中的所有成分都可以溶解在粒间相中， 在烧结过程中， 晶粒交界处可能形成尖晶石晶体，但是它们不参与导电过程。氧化物的改性添加可以改变晶粒电导或晶界的结构及化学状态，尤其是偏析于晶 界的杂质对晶界活性有很大的影响， 因而适当的掺杂选择对形成和改善非线性起 着很重要的作用，而且晶界势垒是 ZnO 压敏陶瓷烧结时在高温冷却过程中形成 的， 烧结工艺直接影响杂质缺陷在晶界中的分布， 从而影响晶界化学结构。寻求一个相对合适的 ZnO 压敏陶瓷的低压化配方，并且将所学专业理论知识与实际相结合，经查阅文献，我们设计了添加剂的量依次适当增加

3、的四组平行实验来进行研究。 对制备ZnO压敏陶瓷的基本工艺流程做了初步的了解。确定烧结条件接着我们按每组不同的质量百分比对粉料进行称重，充分研磨混合，加胶压片，排胶预烧，不同温度烧结成瓷，制备样品。具体步骤：取料称量：将纯度为分析纯的ZnO和Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Sb2O3等添加剂按精确比例称量。研 磨：称料后，将料放在玛瑙研钵中研磨20min。加 胶：在混合好的粉料中加入12滴粘结剂（PVA)造粒。压 片：粘结剂与粉体充分混合后在 610MPa（分三组）压力下压成直径11mm×1.5mm ，质量约为1g的圆片坯体。烧 结：先将圆片生坯在箱式电阻炉中从室温（25

4、）以1/min烧至600，温1.5h；后在11501250(分三组)间烧结成瓷，保温2h后随炉冷却。被 银：在陶瓷圆片的两端面均匀地涂银浆，在箱式电阻炉内850加热30min，使样品两端被上电极。性能测试：再将涂好银浆的圆片在 ZOV-03B型压敏电阻直流参数测试仪上测试其非线性系数 、压敏电压 V1mA、漏电流 IL等一些参数。1.2 电性能测试 制备好的样品在 ZOV-03B 型压敏电阻直流参数测试仪上测试 其非线性系数 、压敏电压 V1mA、漏电流 IL 等一些参数。压 ZnO 压敏电阻主要是作为保护电路的元件，其是否合格的重要依据便是 电性能的好坏， 然而反映电性能好坏的参数主要是漏电

5、流、压敏电压和非线性系数。当漏电流和压敏电压较小，非线性系数较大时，是低压ZnO压敏电阻的电性能最好的情况。 通过测试得出这三个参数与组分之间的关系趋势，然而在透反射 偏光显微分析中已经排除了裂痕等客观因素对电性能影响， 所以在进行深入分析 产生这样趋势的原因时，需结合各组分的配比来说明。在量程为 1400V，电压 400V，75%和85%，双向的工作状态下用 ZOV-03B 压敏电阻直 流参数测试仪测得的数据表：电压75% U1 U2 IL U1/U2 a11600.0%480398.5108.81.206712.750.3%388.25321.25108.4751.2117712.250.

6、5%638.7556656.3251.12720.751.0%381.25325.2584.7751.172515.511800.0%571.5490.2588.5751.16315.50.3%330.45261.25108.2121.345910.050.5%494.5415.2570.0751.17317.251.0%369.25301.25107.351.2271212000.0%468391.591.7751.210514.750.3%526441.2590.1251.1942140.5%470.5360.7599.0751.228512.51.0%409355101.0751.231

7、512电压85%电压85% U1 U2 IL U1/U2 a11600.0%476.5395.2541.3251.213512.50.3%389.5323.2528.7251.207512.50.5%631.5543.7529.5251.1612181.0%380.531348.251.22151211800.0%568.25395.2541.3251.213512.50.3%334.1265.6558.3671.325510.30.5%491415.2544.4751.21614.51.0%371310.7529.451.194213.512000.0%46638946.41.2181160

8、.3%529.5448.7521.4251.180214.20.5%473.5398.7537.9251.1982141.0%41434736.1751.20379结果分析：随着掺杂物质的含量增长漏电流、压敏电压、非线性系数阿尔法先是逐 渐减少(或增加),在第三组数据达到最大值 (或者最小值),然后随掺杂的增加这 几个主要参数又开始减少(或增加)。而这些极值全部都是对压敏特性不利的。前期随着掺杂的含量增加电性能逐渐减弱：当掺杂达到第三组含量时材料的电性能是最差的：当经过第三组含量后随着掺杂含量的增加电性能逐渐增强。 由于我们的曲线比较平缓 ,没有特殊点,所以我们认为这里影响电性能的主要因素是掺

9、杂的杂质含量,当然我们不排除某一种或几种杂质的增加对电性能的影响。1.3收缩率及密度测量实验目的： ZnO 压敏陶瓷的致密化是其稳定电性能形成的基础，所以本实 验通过对成品进行密度测量，来断定成品的致密性。密度测量的步骤及结果分析(1) 按ON/OFF按钮，打开电源，等待0.0000数值出现；(2)按“TARE”去皮按钮；(3)抬高电子天平将下面的一个小盖子拔下，并将小孔在桌平面上露出，确保铁丝可以无障碍挂在上面，同时稳固整体天平，使之保持平衡；(4)取大约5的细铁丝将成品牢固，并在铁丝的另一端做成弯钩形状挂在电子天平底部的小孔处，待数据稳定后记下数据m1;(5)天平下放一装水的烧杯，然后用细

10、铁丝把陶瓷片完全浸没在水中（不要碰烧杯壁），确保待测固体能被液体完全浸1cm以上，待数据稳定后记下数据m2，并根据密度公式自己计算待测固体密度；(6)将天平放回原处，按ON/OFF按钮，关闭电源； 通过测量烧结前后的直径厚度及烧结后的质量，计算出压敏陶瓷的劲向收缩率和膨胀率。对式样进行XRD分析，ZnO 压敏陶瓷的密度、致密性随添加剂的适当增加有上升的趋势，电性能 也随之有增强的变化。物体的密度为其质量与体积的比值，即： m/V； 密度测量是依据阿基米德原理来实现的，该原理说明：浸入液体中的每一个固 体失去的重量等于它所排开的液体的重量； 固体密度测量通常是使用一种已知密度液体水作为辅助液体，

11、 通过在空气和辅 助液体中先后称量的待测固体质量 m1和 m2，即可计算求得其密度。1.4 分析方法原材料和成品的表征方法(1)利用X射线衍射仪（XRD）进行物相分析；(2)利用热重分析（TG）和差示扫描量热（DSC）对烧结过程进行分析。成品的表征方法(1)性能测试：利用压敏电阻测试仪测量各试样的电性能参数，主要为压敏电压 V1mA、漏电流 IL和非线性系数；(2)物理测试：a.利用排水法测量样品密度；b.利用透反射偏光显微镜观测样品的表面现象；(3)结构测试：a.利用X射线衍射仪(XRD)进行常规的物相分析；b.采用电子能谱(AES)及扫描电子显微镜(SEM)分析样品表面及晶界上的成分与结构。结论：1低压ZnO压敏陶瓷的主要由ZnO晶粒组成；2 ZnO 压敏陶瓷的密度、致密性随添加剂的适当增加有上升的趋势，电性能 也随之有增强的变化。3 掺杂的 TiO2 会使 耗尽层宽度的减小，而使隧道击穿距离相对缩短，从而导致晶界击穿电压的下降，元件的电压梯度也随之下降。参考文献：1王琴，秦勇，段雷，李志祥，李亚丽，李勇，许高杰.溶液包裹法制备低压氧化锌压敏陶瓷，稀有金属材料与工程， 36：182，20072俞平胜.氧化锌压敏陶瓷的制备与表征，株洲师范高等专科学校