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        ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻性能研究

        2020-10-26 06:51:50陳永佳
        機電信息 2020年26期
        關(guān)鍵詞:微觀結(jié)構(gòu)

        摘要:在燒結(jié)溫度為1 100 ℃條件下,研究了SiO2摻雜濃度對ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。實驗結(jié)果表明:隨著SiO2摻雜濃度增大,三強峰的衍射角逐漸減小;當SiO2摻雜濃度為0.01 mol時,非線性系數(shù)達到最大值68,此時壓敏電壓約為370 V/mm。

        關(guān)鍵詞:復合壓敏電阻;SiO2摻雜;微觀結(jié)構(gòu);壓敏性能

        0 引言

        隨著外加電壓變化,通過的電流能夠發(fā)生顯著變化的電阻稱為電壓敏感電阻,簡稱壓敏電阻[1]。氧化鋅(ZnO)是一種寬禁帶半導體材料,應(yīng)用十分廣泛[2],通常用作壓敏電阻的制作材料。ZnO壓敏電阻能夠有效吸收電力電子系統(tǒng)中的過電壓,保護系統(tǒng)的正常運行[3]。ZnO壓敏電阻是由氧化鋅和各種添加劑按照一定比例,經(jīng)過復雜的制備工藝制備而成。本文在相同的壓敏電阻制備工藝條件下,研究了SiO2摻雜濃度對ZnO-Pr2O3-Y2O3-Sb2O3-Co2O3-Cr2O3(ZPYSCC)-nSiO2復合壓敏電阻性能的影響,包括物相分析、壓敏性能分析和機理分析。

        1 實驗過程

        按照一定比例稱取原材料:Pr2O30.02 mol、Y2O30.005 mol、Sb2O30.005 mol、Co2O30.005 mol、Cr2O30.005 mol、SiO2n mol和ZnO (1-n)mol,SiO2的摻雜量n分別取0、0.005、0.01和0.015。按照傳統(tǒng)電子陶瓷制備工藝制備樣品,其燒結(jié)溫度為1 100 ℃。樣品的物相采用X射線衍射儀(XRD)進行分析,樣品的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進行觀察,復合壓敏電阻的壓敏性能用高壓源表測試。

        2 實驗結(jié)果與討論

        2.1 ? ?物相分析

        物相分析結(jié)果如圖1所示,表明了n為不同值時ZPYSCC-

        nSiO2復合壓敏電阻的XRD圖譜及部分放大結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出,復合電阻的主晶相為鉛鋅礦結(jié)構(gòu),同時還含有ZnCr2O4、ZnCo2O4、Zn7SbO12等新物相。新物相是在高溫條件下通過固相反應(yīng)形成的,形成陶瓷后這些新物相會偏析于晶界,對電阻的壓敏性能產(chǎn)生影響。

        同時,從圖1可以看出,隨著SiO2的摻雜濃度增大,ZPYSCC-

        nSiO2復合壓敏電阻的三強衍射峰也會發(fā)生一定的位移,衍射角逐漸減?。ㄈ龔娧苌浞逑蜃笃疲?。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與SiO2的摻入有關(guān),SiO2可以促進陶瓷燒結(jié)過程中液相的形成,在液相環(huán)境下離子的傳輸速度增大,使晶粒生長的速度增大,因此平均晶粒尺寸增大,衍射角向低角度偏移。

        2.2 ? ?壓敏性能分析

        圖2為n為不同值時ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻的伏安特性曲線,即E-J特性關(guān)系曲線,其中復合壓敏電阻的壓敏電壓隨著SiO2的摻雜濃度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這與平均晶粒尺寸的先減小后增大的趨勢相反。由于施加到每一個晶粒上的電壓與晶粒的總數(shù)目相關(guān),晶粒數(shù)目越多,平均晶粒尺寸越小,每個晶粒上的電壓越大,即壓敏電壓越大。當SiO2的摻雜濃度為0.01 mol時,高壓源表測得復合壓敏電阻的擊穿場強為370 V/mm,此時非線性系數(shù)達到最大值68。

        3 燒結(jié)機理分析

        在高溫環(huán)境下,氧化鋅和各種添加劑會發(fā)生十分復雜的燒結(jié)反應(yīng),在反應(yīng)過程中添加劑離子會在氧化鋅晶格中進行復雜運動,并通過晶粒生長溶入到氧化鋅晶粒中,同時會有一部分離子運動到晶界,形成復雜的晶界相物質(zhì)。在氧化鋅晶格中同時存在Cr和Bi兩種離子,但是這兩種離子和晶格本身的Zn和O離子的差別較大,因此在燒結(jié)過程中,這兩種離子的運動形式是截然不同的。

        Bi離子的半徑較大,和ZnO晶格的差別也較大,其電負性也和O離子有很大差別,因此在燒結(jié)過程中Bi離子會向能量較低的晶界處運動,形成晶界相,例如,晶界的氧化鉍層就是通過這種方式形成的。Cr離子的半徑較小,且和Zn離子的半徑差別很小,其電負性也與Zn原子接近,在燒結(jié)過程中會被溶入到氧化鋅晶格中,對氧化鋅的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響,XRD測試中復合壓敏電阻的衍射峰發(fā)生偏移就是由此產(chǎn)生。因此,在制備復合壓敏電阻陶瓷時必須選擇合適的添加劑,既要優(yōu)化晶界,又要優(yōu)化晶粒及其均勻性,這樣才能得到性能較好的壓敏電阻。

        4 結(jié)語

        本文研究了SiO2摻雜濃度對ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。隨著SiO2濃度增大,復合壓敏電阻的衍射角逐漸減小,當SiO2摻雜濃度為0.01 mol時,非線性系數(shù)達到最大值68,擊穿場強約為370 V/mm。根據(jù)燒結(jié)機理分析可知,復合壓敏電阻的壓敏性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定,微觀結(jié)構(gòu)越均勻、晶界越清晰的電阻通常具有較好的壓敏參數(shù)。以上性能參數(shù)的產(chǎn)生實質(zhì)上是陶瓷燒結(jié)過程中離子運動的結(jié)果,不同離子的運動形式不同。與原晶格半徑、電負性差別較大的離子通常會運動到晶界處,對晶界的均勻性產(chǎn)生影響,與原晶格、電負性差別較小的離子通常會溶入原晶格內(nèi)部,對原晶格的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響,使其衍射峰發(fā)生偏移。

        [參考文獻]

        [1] 王振林,李盛濤.氧化鋅壓敏陶瓷制造及應(yīng)用[M].北京:科學出版社,2009.

        [2] NAHMA C W.Effect of small changes in sintering temperature on varistor properties and degradation of V-Mn-Nb-Gd co-doped zinc oxide ceramic[J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China,2015,25(4):1176-1184.

        [3] 陳永佳,劉建科.Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻性能的影響及其機理[J].材料科學與工程學報,2019,37(6):973-978.

        收稿日期:2020-09-07

        作者簡介:陳永佳(1991—),男,陜西西安人,助教,從事半導體電子器件的研究工作。

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