不同制备工艺参数对ZnO线性电阻性能的影响

0引言ZnO线性电阻是一种以ZnO为主体，通过添加MgO、Al2O3、TiO2、Y2O3等金属氧化物，经陶瓷烧结工艺而制成的一种复合性电阻材料。由于具有电阻温度系数小、非线性系数低、通流密度大等优点，ZnO线性电阻被广泛地应用于电子-电力、通信、交通及家用电器等领域。制备工艺参数是影响ZnO线性电阻性能的重要因素之一。本实验通过改变原料处理方式（不预烧原料、预烧除ZnO以外的原料（MATY）、预烧所有原料（ZMATY））和使用不同电极（Al、Ag）制备ZnO-Al2O3-MgO基线性电阻，系统研究了不同制备工艺参数对ZnO线性电阻结构和性能的影响。1样品制备实验的基础配方（质量分数）为ZnO:Al2O3

:MgO:TiO2

:Y2O3＝86.684:7:5:0.6:0.716，采用固相烧结法进行试样的制备。先将需要预烧的原料在行星式球磨机上球磨4h，得到的浆料烘干后在1050℃下煅烧2h。按比例称取预烧原料和ZnO粉体，在球磨机上球磨混料24h。两次球磨过程中，原料与去离子水和氧化锆球的比例均为1:3:3，球磨机转速为365r/min。二次球磨得到的浆料经烘干、磨细、造粒后，在30℃烘箱静置24h使其成分均匀。随后将粉料压制成直径为20mm、厚度为3mm的圆片。在600℃保温3h充分排胶，不同烧结温度（1320℃、1360℃、1380℃）下保温3h后，冷却至室温。在此过程中，升降温速率均为2℃/min。烧成后的样品经抛光且分别使用Ag、Al电极，并进行电学性能测试。2结果与讨论2.1原料预烧对ZnO线性电阻结构和性能影响（1）物相组成图1为不同烧结温度和预烧方式下ZnO线性电阻的XRD图谱。图1不同预烧方式和烧结温度下ZnO线性电阻的XRD图由图1可知，烧结温度不低于1320℃时，样品的物相组成主要是ZnO、ZnAl2O4和MgAl2O4。经过原料预烧的样品物相组成与未预烧的一致，原料预烧过样品的衍射峰未发生明显的偏移。可见，原料预烧不会改变ZnO线性电阻的物相组成，但可以促进尖晶石相的生成。（2）体积密度图2为ZnO线性电阻的体积密度和原料预烧方式的关系。图2ZnO线性电阻的体积密度和原料预烧方式的关系由图2可知，当烧结温度低于1380℃，预烧MATY可以使ZnO线性电阻的体积密度明显提高。当烧结温度为1320℃时，预烧MATY使样品体积密度从4.875g/cm3提高到5.007g/cm3；当烧结温度为1360℃时，预烧MATY使样品体积密度从4.899g/cm3提高到4.987g/cm3。这是因为预烧MATY提高了ZnO线性电阻的均匀性，有利于ZnO线性电阻的致密化。（3）电学性能图3为ZnO线性电阻的电阻温度系数和原料预烧方式的关系。图3ZnO线性电阻的电阻温度系数和原料预烧方式的关系由图3可知，原料的预烧明显地减小了电阻温度系数的绝对值。其中，预烧ZMATY和预烧MATY的ZnO线性电阻的阻温系数相差不大。说明原料的预烧可以大大地改善ZnO线性电阻的阻温特性，提高其电阻在高温下的稳定性。这是由于预烧原料加快了绝缘相ZnAl2O4和MgAl2O4的生成，提高晶界的电阻率，减缓了样品电阻率随温度减小的趋势。2.2电极对ZnO线性电阻结构和性能的影响（1）物相组成图4为烧结温度为1360℃时，使用不同电极的ZnO线性电阻的XRD图谱。图4使用不同电极的ZnO线性电阻的XRD图由图4可知，使用铝电极后，ZnO的衍射峰基本没有发生偏移；使用银电极后，ZnO的衍射峰明显向左偏移。Ag+的离子半径为126pm，而Zn2+离子半径为74pm，由布拉格公式可知，在烧银电极的过程中，Ag进入了ZnO晶格，使得ZnO晶面间距增大。而Al3+离子半径（50pm）与Zn2+相近，故使用铝电极后，ZnO的衍射峰没有发生明显的偏移。（2）微观结构图5为烧结温度为1360℃，采用不同电极样品的EDS图，表1为图5中各点的元素化学组成。

图5使用不同电极的ZnO线性电阻的EDS图

由图5和表1可以看出，在烧制电极的过程中，电极中的Al和Ag均渗入了陶瓷基体，这与XRD分析结果一致。对比发现，使用铝电极时，电极层中有大量的Zn，而使用银电极时，只有少量的Zn进入了电极层。这是因为Ag+与Zn2+离子半径相差较大，ZnO难以与Ag发生固溶反应，只有少量的Zn进入电极层与Ag固溶。而Al3+与Zn2+离子半径接近，易于发生固溶反应，可以促进Zn向铝电极中的扩散。可见，铝电极更有利于电极层与陶瓷基体之间的物质扩散。（3）电学性能表2为使用不同电极的ZnO线性电阻的电性能。表2使用不同电极的ZnO线性电阻的电性能由表2可以看出，使用银电极时，样品的电阻率较大，电阻温度系数为-7.23×10-3/℃，非线性系数为1.5，这显然不符合对ZnO线性电阻的要求；使用铝电极后，ZnO线性电阻的电阻率明显减小，阻温性能和线性明显提高，电阻温度系数为-1.28×10-3/℃，其绝对值降低了82.29%，非线性系数为1.05，降低了30%。可见，使用铝电极后，在电压或温度变化时，ZnO线性电阻的电阻值有更好的稳定性，铝电极更适用于ZnO线性电阻的制备。3结论（1）预烧原料可以提高样品的体积密度和阻温性能。预烧MATY和预烧ZMATY得到的样品阻温性能相差较小，但预烧ZMATY会降低ZnO线性电阻微观均匀性，故预烧MATY更有利于提高ZnO线性电阻的体积密度。（2）采用铝电极作