夏昌其,鐘春燕,李自立
(貴州工業(yè)職業(yè)技術學院,貴州 貴陽 550008)
ZnO壓敏電阻片作為避雷器的重要組成部分,以其具有非線性系數(shù)大、瞬間響應速度快、高能通流能力強等優(yōu)異的電學性能而被廣泛應用于電力系統(tǒng)、城市地鐵及軌道交通直流供電線路以及鐵路運輸電網系統(tǒng)[1-2]。近些年來,隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展以及超高壓輸電線路的建設,對氧化鋅避雷器的需求越來越大,同時對產品的電學性能要求也越來越高[3]。本文研究了納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片電學性能的影響。
實驗過程中制備ZnO壓敏電阻片的配方如表1所示,其中,納米Bi2O3化學成分摩爾分數(shù)變化分別為0.75%、0.80%、0.85%、0.90%和0.95(試樣編號分別為B-1、B-2、B-3、B-4和B-5)。將瓷料按配方準確稱量,用鋯球濕磨24h后烘干過篩,在篩分后的生料中加入一定量的濃度為5%的聚乙烯醇溶液(PVA)作黏結劑,經造粒后過80目篩的生料干壓成 33mm×15mm的瓷坯,在箱式爐中緩慢升溫至400℃排膠后,再升溫至燒結溫度保溫2h,隨爐冷卻到室溫,被銀電極,制得樣品。
表1 納米Bi2O3化學成分設計 摩爾分數(shù)%
實驗過程中,采用MOA-Ⅱ避雷器閥片直流參數(shù)測試儀測試ZnO壓敏電阻片壓敏電壓SV1mA及漏電流IL。
圖1為不同含量納米Bi2O3摻雜的ZnO壓敏電阻片電位梯度在燒結溫度為1140℃,1160℃,1180℃和1200℃時的變化情況。從圖中可知,在相同燒結溫度下,ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3含量的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢;當納米Bi2O3摩爾分數(shù)為0.80%時,不同燒結溫度下電阻片的電位梯度均達到最大值,燒結溫度為1140℃時,B-2試樣的電位梯度達到330V/mm。
圖1 納米Bi2O3含量對ZnO壓敏電阻片電位梯度的影響
表2為燒結溫度在1140~1200℃時,不同含量的納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片漏電流的影響。從表中可以看出,隨著納米Bi2O3摻雜量的增加,相同燒結溫度下電阻片的漏電流變化不明顯;不同燒結溫度下納米Bi2O3摻雜量相同時,ZnO壓敏電阻片的漏電流也沒有較大的變化,對比分析試樣B-1~B-5可知,B-2電阻片的漏電流相對較低。
表2 不同含量納米Bi2O3摻雜對電阻片漏電流IL的影響 μA
圖2為不同含量納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片非線性系數(shù)α的影響。由圖可知,在納米Bi2O3摻雜摩爾分數(shù)為0.75%~0.80%時,非線性系數(shù)α呈上升趨勢,超過0.80%后呈下降趨勢。這是由于Bi2O3的熔點遠遠低于ZnO和其他添加劑,在溫度較低時就能變?yōu)橐合?,促使液相傳質,推動其他添加劑均勻地分布在ZnO晶粒和晶界中;而在冷卻過程中,由于Bi3+的半徑比Zn2+的半徑要大得多,不能進入到ZnO晶粒中而偏析在晶界處,從而導致其他添加劑都向晶界偏聚,形成受主界面態(tài),產生高的晶界勢壘,使得非線性系數(shù)α提高,倘若Bi2O3的摻雜量過多,不僅會使晶界加寬,而且使得尖晶石的數(shù)量增多,從而導致非線性系數(shù)α的下降[4-5]。
圖2 不同含量納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片非線性系數(shù)的影響
(1)在相同燒結溫度下,ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3摻雜量的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢;當納米Bi2O3摻雜摩爾分數(shù)為0.80%時,電阻片的電位梯度達到最大值。
(2)納米Bi2O3摻雜量對ZnO壓敏電阻片漏電流的影響不大。
(3)隨著納米Bi2O3摻雜量的增加,ZnO壓敏電阻片的非線性系數(shù)先增大后減??;當納米Bi2O3摻雜摩爾分數(shù)為0.80%時,電阻片的非線性系數(shù)達到最大值。