摻雜Ti元素對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

1、摻雜T元素對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響第二實驗小組摘要：研究了Ti元素的不同摻雜量對氧化鋅壓敏陶瓷的顯微結構和電性能的影響。發(fā)現(xiàn)了摻雜Ti元素可降低壓敏陶瓷的壓敏電壓，增大非線性系數(shù)。這主要與Ti元素可促進晶粒生長有關。關鍵詞：ZnO壓敏陶瓷 微觀結構 晶粒生長 壓敏電壓壓敏電阻陶瓷材料是指在一定溫度下和某一特定電壓范圍內具有非線性伏安特性、 其電阻隨電壓的增加而急劇減小的一種半導體陶瓷材料。根據(jù)這種非線 性伏-安特性，可以用這種半導體陶瓷材料制成非線性電阻器，即壓敏電阻器。 壓敏電阻器根據(jù)所應用的電壓范圍可以分為高壓壓敏電阻器、 中壓壓敏電阻器和 低壓壓敏電阻器。1 實驗1.1 樣品制備配料

2、：ZnO、Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Sb2O3陶瓷材料中的所有成分都可以溶解在粒間相中， 在燒結過程中， 晶粒交界處可能形成尖晶石晶體，但是它們不參與導電過程。氧化物的改性添加可以改變晶粒電導或晶界的結構及化學狀態(tài)，尤其是偏析于晶 界的雜質對晶界活性有很大的影響， 因而適當?shù)膿诫s選擇對形成和改善非線性起 著很重要的作用，而且晶界勢壘是 ZnO 壓敏陶瓷燒結時在高溫冷卻過程中形成 的， 燒結工藝直接影響雜質缺陷在晶界中的分布， 從而影響晶界化學結構。尋求一個相對合適的 ZnO 壓敏陶瓷的低壓化配方，并且將所學專業(yè)理論知識與實際相結合，經(jīng)查閱文獻，我們設計了添加劑的量依次適當增加

3、的四組平行實驗來進行研究。 對制備ZnO壓敏陶瓷的基本工藝流程做了初步的了解。確定燒結條件接著我們按每組不同的質量百分比對粉料進行稱重，充分研磨混合，加膠壓片，排膠預燒，不同溫度燒結成瓷，制備樣品。具體步驟：取料稱量：將純度為分析純的ZnO和Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Sb2O3等添加劑按精確比例稱量。研 磨：稱料后，將料放在瑪瑙研缽中研磨20min。加 膠：在混合好的粉料中加入12滴粘結劑（PVA)造粒。壓 片：粘結劑與粉體充分混合后在 610MPa（分三組）壓力下壓成直徑11mm1.5mm ，質量約為1g的圓片坯體。燒 結：先將圓片生坯在箱式電阻爐中從室溫（25）以1/mi

4、n燒至600，溫1.5h；后在11501250(分三組)間燒結成瓷，保溫2h后隨爐冷卻。被 銀：在陶瓷圓片的兩端面均勻地涂銀漿，在箱式電阻爐內850加熱30min，使樣品兩端被上電極。性能測試：再將涂好銀漿的圓片在 ZOV-03B型壓敏電阻直流參數(shù)測試儀上測試其非線性系數(shù) 、壓敏電壓 V1mA、漏電流 IL等一些參數(shù)。1.2 電性能測試 制備好的樣品在 ZOV-03B 型壓敏電阻直流參數(shù)測試儀上測試 其非線性系數(shù) 、壓敏電壓 V1mA、漏電流 IL 等一些參數(shù)。壓 ZnO 壓敏電阻主要是作為保護電路的元件，其是否合格的重要依據(jù)便是 電性能的好壞， 然而反映電性能好壞的參數(shù)主要是漏電流、壓敏電壓

5、和非線性系數(shù)。當漏電流和壓敏電壓較小，非線性系數(shù)較大時，是低壓ZnO壓敏電阻的電性能最好的情況。 通過測試得出這三個參數(shù)與組分之間的關系趨勢，然而在透反射 偏光顯微分析中已經(jīng)排除了裂痕等客觀因素對電性能影響， 所以在進行深入分析 產(chǎn)生這樣趨勢的原因時，需結合各組分的配比來說明。在量程為 1400V，電壓 400V，75%和85%，雙向的工作狀態(tài)下用 ZOV-03B 壓敏電阻直 流參數(shù)測試儀測得的數(shù)據(jù)表：電壓75% U1 U2 IL U1/U2 a11600.0%480398.5108.81.206712.750.3%388.25321.25108.4751.2117712.250.5%638.

6、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%409355101.0751.231512電壓8

7、5%電壓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%46638946.41.2181160.3%529

8、.5448.7521.4251.180214.20.5%473.5398.7537.9251.1982141.0%41434736.1751.20379結果分析：隨著摻雜物質的含量增長漏電流、壓敏電壓、非線性系數(shù)阿爾法先是逐 漸減少(或增加),在第三組數(shù)據(jù)達到最大值 (或者最小值),然后隨摻雜的增加這 幾個主要參數(shù)又開始減少(或增加)。而這些極值全部都是對壓敏特性不利的。前期隨著摻雜的含量增加電性能逐漸減弱：當摻雜達到第三組含量時材料的電性能是最差的：當經(jīng)過第三組含量后隨著摻雜含量的增加電性能逐漸增強。 由于我們的曲線比較平緩 ,沒有特殊點,所以我們認為這里影響電性能的主要因素是摻雜的雜質含量

9、,當然我們不排除某一種或幾種雜質的增加對電性能的影響。1.3收縮率及密度測量實驗目的： ZnO 壓敏陶瓷的致密化是其穩(wěn)定電性能形成的基礎，所以本實 驗通過對成品進行密度測量，來斷定成品的致密性。密度測量的步驟及結果分析(1) 按ON/OFF按鈕，打開電源，等待0.0000數(shù)值出現(xiàn)；(2)按“TARE”去皮按鈕；(3)抬高電子天平將下面的一個小蓋子拔下，并將小孔在桌平面上露出，確保鐵絲可以無障礙掛在上面，同時穩(wěn)固整體天平，使之保持平衡；(4)取大約5的細鐵絲將成品牢固，并在鐵絲的另一端做成彎鉤形狀掛在電子天平底部的小孔處，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記下數(shù)據(jù)m1;(5)天平下放一裝水的燒杯，然后用細鐵絲把陶瓷片

10、完全浸沒在水中（不要碰燒杯壁），確保待測固體能被液體完全浸1cm以上，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記下數(shù)據(jù)m2，并根據(jù)密度公式自己計算待測固體密度；(6)將天平放回原處，按ON/OFF按鈕，關閉電源； 通過測量燒結前后的直徑厚度及燒結后的質量，計算出壓敏陶瓷的勁向收縮率和膨脹率。對式樣進行XRD分析，ZnO 壓敏陶瓷的密度、致密性隨添加劑的適當增加有上升的趨勢，電性能 也隨之有增強的變化。物體的密度為其質量與體積的比值，即： m/V； 密度測量是依據(jù)阿基米德原理來實現(xiàn)的，該原理說明：浸入液體中的每一個固 體失去的重量等于它所排開的液體的重量； 固體密度測量通常是使用一種已知密度液體水作為輔助液體， 通過在空氣

11、和輔 助液體中先后稱量的待測固體質量 m1和 m2，即可計算求得其密度。1.4 分析方法原材料和成品的表征方法(1)利用X射線衍射儀（XRD）進行物相分析；(2)利用熱重分析（TG）和差示掃描量熱（DSC）對燒結過程進行分析。成品的表征方法(1)性能測試：利用壓敏電阻測試儀測量各試樣的電性能參數(shù)，主要為壓敏電壓 V1mA、漏電流 IL和非線性系數(shù)；(2)物理測試：a.利用排水法測量樣品密度；b.利用透反射偏光顯微鏡觀測樣品的表面現(xiàn)象；(3)結構測試：a.利用X射線衍射儀(XRD)進行常規(guī)的物相分析；b.采用電子能譜(AES)及掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品表面及晶界上的成分與結構。結論：1低壓ZnO壓敏陶瓷的主要由ZnO晶粒組成；2 ZnO 壓敏陶瓷的密度、致密性隨添加劑的適當增加有上升的趨勢，電性能 也隨之有增強的變化。3 摻雜的 TiO2 會使 耗盡層寬度的減小，而使隧道擊穿距離相對縮短，從而導致晶界擊穿電壓的下降，元件的電壓梯度也隨之下降。參考文獻：1王琴，秦勇，段雷，李志祥，李亞麗，李勇，許高杰.溶液包裹法制備低壓氧化鋅壓敏陶瓷，稀有金屬材料與工程， 36：182，20072俞平勝.氧化鋅壓敏陶瓷的制備與表征，株洲師范高等專科學校學