低压氧化锌压敏陶瓷材料

学 院 材料与化学工程学院 专 业 无机非金属材料与工程 班 级 2班 姓 名 董厚才 王宁 赵恩重 钟波 钱佳丽 程敏 孙双双 杨爽 骆丽云 刘娜 田琬琨 指导教师 朱绍峰 提交日期 2014年1月13日

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目 录

1 绪 论..................................................................... 2 1.1 引言 .................................................................. 2 1.2 ZnO压敏电阻的研究动态及用途 .......................................... 2 1.2.1 ZnO压敏电阻的发展历史 .......................................... 2 1.2.2 ZnO压敏电阻研究现状 ............................................. 2 1.2.3 低压ZnO压敏电阻的用途 .......................................... 3 1.3 ZnO压敏电阻的结构及性能参数 .......................................... 3 1.3.1 ZnO的结构 ...................................................... 3 1.3.2 低压ZnO压敏电阻的显微结构 ...................................... 3 1.3.3 ZnO压敏电阻的性能参数 .......................................... 4 1.4 ZnO压敏电阻的工作原理及导电机理 ...................................... 6 1.4.1 ZnO压敏电阻的工作原理 .......................................... 6 1.4.2 低压ZnO压敏电阻的电子陷阱 ...................................... 7 1.4.3 低压ZnO压敏电阻导电机理 ........................................ 7 2 ZnO压敏陶瓷低压化方案的选择与实验过程 .................................... 9 2.1 方案的选择 ............................................................ 9 2.2 实验原料及设备 ........................................................ 9 2.3 实验方案设计 ......................................................... 10 2.4 ZnO压敏陶瓷的制备工艺 ............................................... 10 2.4.1 样品制备 ....................................................... 10 2.4.2 制备工艺流程图 ................................................. 11 3 原材料和成品的表征方法 .................................................... 11 3.1 原材料的表征方法 ...................................................... 11 3.2 成品的表征方法 ....................................................... 11 4 实验结果与分析 ........................................................... 11 4.1 X射线衍射（XRD）物相分析 ............................................ 11 4.1.1 X 射线衍射的原理 ............................................... 11 4.1.2 分析样品的制备 ................................................. 12 4.1.3 结果分析 ....................................................... 12 4.2 热分析 ............................................................... 14 4.2.1热重TG和差示扫描量热DSC分析的原理 ............................ 14 4.2.2结果分析 ....................................................... 14 4.3 密度测量与分析 ....................................................... 16 4.3.1密度测定的方法与原理 ........................................... 16 4.3.2密度测量的步骤及结果分析 ....................................... 16 4.3.3密度测量方案的不足与改进 ....................................... 18 4.4透反射偏光显微分析 ................................................... 18 4.4.1分析样品的制备 ................................................. 18 4.4.2 结果分析 ....................................................... 18 4.5 扫描电子显微镜（SEM）分析 ............................................ 19 4.5.1扫描电子显微镜的工作原理 ....................................... 19 4.5.2结果分析 ....................................................... 19 4.6 电性能测试 ........................................................... 24 5 方案的优化 ................................................................ 25 6 结论 ..................................................................... 25 致谢 ....................................................................... 26 参考文献：.................................................................. 27 附件1 低压氧化锌压敏陶瓷研究过程记录 ....................................... 28 附件2 实验基本数据： ....................................................... 38 附件3 初步试验分析结果 ..................................................... 53

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低压氧化锌压敏电阻陶瓷材料

摘 要：ZnO压敏电阻陶瓷的性能是压敏陶瓷中最为优异的一种。近年来，由于电子设备向小型化、多功能化发展，集成电路的集成速度和密度不断提高，为了使电子线路免遭浪涌电压的破坏，在低压领域内对压敏电阻器的应用也提出了越来越高的要求，因此ZnO的低压化成为研究的热点。为了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，经文献查阅，我们设计了添加剂的量依次适当增加的四组平行实验来进行研究。 本文首先简析了ZnO压敏陶瓷材料的概念、结构、研究现状及压敏电阻的性能参数，并详细解释了其导电机理。同时对制备ZnO压敏陶瓷的基本工艺流程[1]做了初步的了解，通过热分析的实验和老师的指导得出，600℃预热1.5h、烧结温度1250℃、保温2h的烧结条件。

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，烧结成瓷。并对陶瓷成品进行测试分析，采用X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD)对其进行物相组成分析；采用Leica DM750P 透反射偏光显微镜对其表面形貌进行初步观察为扫描电镜选取合适的试样；应用Archimedes静水力学法对ZnO陶瓷成品进行密度测试；采用扫描电镜(Scanning electrical microscope，SEM)观察其表面形貌组织和晶粒生长情况；最后用压敏电阻测试仪对成品的电性能参数进行测试。综合考虑，我们得到第四组的配方：0.0524% Bi2O3 +0.0072%TiO2+0.0186%Co2O3+0.0073%MnO2+0.0169%SnO2+0.0492%Sb2O3+0.8596%ZnO相对较佳。

最后，由于本次实验只考虑添加剂按一定比例加入时，其整体量的增加对性能的影响，根据实验的不足我们对方案进行了优化，即应对每个添加剂加入的最适宜量进行进一步的设计实验分析，获得一个更严谨的ZnO压敏陶瓷的低压化配方。

关键词：低压ZnO压敏陶瓷 掺杂 电学性能 微观结构 烧结 致密度

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1 绪 论

1.1 引言

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。

近年来，由于电子设备向小型化、多功能化发展，集成电路[5]的集成速度和密度不断提高，为了使电子线路免遭浪涌电压的破坏，在低压领域内对压敏电阻器的应用也提出了越来越高的要求。20 世纪 90 年代以来，人们对已有的ZnO 系、TiO2系、SrTiO3系和BaTiO3系压敏陶瓷材料在低压范围内的应用做了大量的研究工作，其中ZnO系是压敏电阻陶瓷材料中性能最优异的一种。

由于ZnO压敏电阻器具有造价低廉、非线性特性优良（α＞50）、响应速度快（＜25 ns）、漏电流小（＜20 mA）、通流容量大（≥2500 A/cm2）等优点，在近30 多年间，作为压敏电阻器典型代表之一在通信、电力、家电和工业控制等诸多领域得到了广泛的应用，在压敏电阻器中占据主要地位，获得ZnO系的低压化也是国内外研究的重点。

1.2 ZnO压敏电阻的研究动态及用途 1.2.1 ZnO压敏电阻的发展历史

ZnO陶瓷具有的非线性电压-电流现象最早是在二十世纪六十年代由苏联人M.S.Kossman和E.G.Pettsold发现。在氧化锌压敏陶瓷中其主要成分是ZnO,根据要求不同而加入不同的改性氧化物。1967年7月，日本松下电器公司的无线电实验室的松冈道雄在研究金属电极—氧化锌陶瓷界面时，无意中发现氧化锌（ZnO）加氧化铋（Bi2O3）复合陶瓷具有非线性的的伏安特性。这种复合陶瓷的非线性系数可以达到50左右，伏安特性类似两只反并联的齐纳二极管，通流能力不亚于碳化硅（SiC）材料，临界击穿电压可以通过改变元件尺寸方便的加以调节，而且这种性能优异的压敏元件通过简单的陶瓷工艺就能制造出来，其性能价格比极高。1975年以前, ZnO

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基压敏陶瓷的瞬态过压保护器的应用主要在高压方面，近20年来,随着电子计算机、家用电器、通讯技术等方面的发展，对保证这些系统正常运行的低压变阻器的需求量在不断增加。这些产品要求有较低的标称电压，陡峭的非线性I-V特性及较大的通流量。目前，日本、美国在制造低压压敏电阻方面处于领先地位，如美国GE公司、日本的松下公司，他们制造的产品标称电压可降低到几伏,非线性系数α值可达到30～40,耐通流量也很大。我国这种产品的研制与生产还比较落后，标称电压低于20V的产品只有个别厂家可以生产，且性能不够稳定，还不能大批量生产，而国内对这种低压产品的需求量却与日俱增。 1.2.2 ZnO压敏电阻研究现状

ZnO压敏电阻已发明三十多年，世界范围众多科研工作者无论在配方的探讨、优化还是微观形成机理的检测和分析领域都进行卓有成效的工作，摸索了一些适合工业化生产的优秀配方和具体工艺路线。对配方的进行了细致的实验摸索，旨在提

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