Y2 O3摻雜對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

龍香楷 費自豪 龐 馳

(1振華集團紅云器材廠 貴陽 550018) (2貴州飛舸電子有限公司 貴陽 550002)

Y2O3摻雜對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

龍香楷1費自豪2龐 馳2

(1振華集團紅云器材廠 貴陽 550018) (2貴州飛舸電子有限公司 貴陽 550002)

采用傳統(tǒng)的陶瓷工藝,對比研究了不同Y2O3含量對ZnO壓敏電阻器的性能的影響。結果表明：摻雜Y2O3能夠細化晶粒、提高ZnO壓敏電阻器的電壓梯度,當摻雜量為0.8%時,電位梯度達270 V/mm,但樣品致密度較低,電性能下降。當 Y2O3含量為0.1%時,電位梯度與未摻雜 Y2O3的樣品相當,其致密度較高,晶粒尺寸一致,電性能最佳。

ZnO壓敏電阻 Y2O3摻雜 電壓梯度

前言

由于高梯度ZnO壓敏電阻片可以降低避雷器的高度,縮小其體積,減輕其重量,因此超高壓、特高壓避雷器以及線路型避雷器等對高梯度ZnO壓敏電阻片的需求愈來愈大,這方面的研究十分引人注目,已經(jīng)取得了一定的成果[1]。提高電位梯度方法比較多,如采用降低燒成溫度,縮短保溫時間等低溫燒結技術;采用更細的材料如納米原料等都可以適當減小晶粒尺寸;采用摻雜稀土氧化物來抑制ZnO晶粒的生長,從而提高電位梯度。但是這些方法中有的生產(chǎn)成本過高,有的方法在提高梯度的同時,電性能往往會有所下降,制約了高梯度的壓敏電阻在我國的壓敏行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化。

筆者在ZnO-Bi2O3系壓敏陶瓷中摻雜了不同含量的 Y2O3,測試其電性能,并對其作用機理進行了初步探討,為探索摻雜 Y2O3,提高ZnO壓敏電阻的電位梯度提供參考。

1 實驗

將 ZnO 粉料和 Bi2O3、Co3O4、M nO2、Sb2O3、Cr2O3等添加劑按配方(摩爾分數(shù))97%ZnO+1%Bi2O3+0.5%Co3O4+0.5%Sb2O3+0.5%M nO2+0.5%Cr2O3準確稱量,分別加入質量比為0,0.1%,0.2%,0.4%,0.6%和0.8%的 Y2O3,用濕法球磨24 h,經(jīng)烘干過篩后,加入適量的濃度為5%的聚乙烯醇水溶液作粘合劑,干壓成邊長40 mm×40 mm,厚度4.4 mm,密度為3.2 g/■的生坯,緩慢升溫至350℃排膠后,再升溫至1 120℃,保溫2 h后隨爐冷卻降到室溫,在650℃退火,燒滲銀電極,制得樣品分別記為 Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。

用CJ1001型壓敏電阻直流參數(shù)儀測量樣品的壓敏電壓、漏電流、非線性系數(shù);用FGL-40型雷電流沖擊實驗臺測試8/20μs大電流特性;用JJW-2000VA型精密凈化交流穩(wěn)壓電源、FGT-TOV型老化試驗臺測試TOV特性;用JSM-6360LV型掃描電鏡分析樣品顯微結構。

2 結果與討論

圖1 氧化釔摻雜量與壓敏陶瓷相對密度的關系

圖1 是氧化釔摻雜量與壓敏陶瓷相對密度的關系。表1是氧化釔摻雜量對壓敏電阻小電流特性的影響。從圖1和表1可以看出,隨著 Y2O3含量的增加,試樣的致密度逐漸降低。Y2O3含量由0增加到0.8%時,相對密度(樣品密度與理論密度的比值)由98.5%下降為93.3%。摻雜 Y2O3試樣的電位梯度均要高于未摻雜的試樣。當 Y2O3摻雜量在0.2%時,電位梯度出現(xiàn)了下降現(xiàn)象,與未摻雜 Y2O3的 Y0試樣電位梯度相當,這與王玉平等的研究相符[2],過此拐點,電位梯度基本隨著摻雜量的增加而逐漸升高。當摻雜量達到0.8%時,電位梯度達到最大值270 V/mm。

表1 氧化釔摻雜量對壓敏電阻小電流特性的影響

圖2 8/20μs雷電流20 kA沖擊30次后壓敏電壓變化率

圖2、圖3分別是8/20μs雷電流沖擊結果和壓敏電阻 TOV特性測試結果。由圖2可見,隨著 Y2O3含量的增加,樣品的8/20μs雷電流通流能力顯著提高,在 Y2O3含量為0.2%時,達到最大值,Y2O3含量進一步的增加,8/20μs雷電流通流能力下降。由圖3可見,在 Y2O3含量為0.2%時,有最大的熱脫扣電流,約為1 200m A,比未摻雜 Y2O3的樣品提高了3倍,而隨著 Y2O3含量進一步的增加,其熱脫扣能力下降。

Y0、Y2、Y5三個樣品的 SEM 照片如圖 4所示。隨著Y2O3摻雜量的增加,ZnO晶粒的尺寸逐漸減小,說明了Y2O3的加入確實能起到細化晶粒的作用[3]。筆者認為,Y2O3處于晶界或晶粒的交界處,或者固溶在其他晶間相中,這些相成為細小的釘扎中心,從而抑制晶粒的長大,導致電位梯度的升高。然而 Y2樣品電位梯度出現(xiàn)反常現(xiàn)象,筆者認為是肖特基勢壘高度的降低和晶界數(shù)量的增加兩方面共同作用的結果,只是肖特基勢壘高度的降低起了主要作用。這一點還需要進行深入的研究。

圖3 氧化釔摻雜量對壓敏電阻 TOV特性的影響

在ZnO晶粒的尺寸逐漸減小的同時,樣品致密度逐漸降低。這是因為晶粒的長大,晶界的移動,同時帶動了晶界處氣孔的移動,小氣孔合并長大并從陶瓷體排出,從而完成陶瓷的燒結過程。由于 Y2O3的加入抑制了晶粒的充分發(fā)育,氣孔無法排出,導致氣孔增多,樣品致密度下降。Y0樣品由于未摻雜 Y2O3,出現(xiàn)了晶粒異常長大,在大晶粒處晶界減少,導致電阻降低,電流容易在這里集中從而發(fā)生電擊穿,所以其8/20μs雷電流通流能力、熱脫扣能力不佳。而樣品 Y2晶粒雖然不是最小,致密度不是最高,但其晶粒發(fā)育一致,因此其大電流特性最好。隨著 Y2O3的進一步增加,Y5樣品的相對密度僅有93.3%,陶瓷體中存在大量的氣孔,這必然導致其電性能的劣化。

3 結論

1)Y2O3摻雜能細化晶粒,提高了ZnO壓敏電阻片的電位梯度,在摻雜量為0.8%時,電位梯度達到最大值270 V/mm。

2)隨著 Y2O3摻雜量的增加,樣品致密度逐漸降低,導致壓敏電阻電性能劣化。

3)當摻雜量為0.2%時,電位梯度與未摻雜 Y2O3的樣品的電位梯度相當,其致密度較高,晶粒尺寸一致,電性能最佳。

圖4 不同 Y2 O3含量的壓敏陶瓷的SEM照片

1 王玉平,李盛濤.新型ZnO壓敏電阻片的研究進展.電氣應用 ,2005(6)：1～8

2 王玉平,馬軍.摻雜 Y2O3的 ZnO-Bi2O3-Sb2O2系壓敏電阻.中國電子學會敏感技術分會第十三屆電壓敏學術年會論文,2006

3 王玉平,馬軍.摻雜 Y2O3氧化鋅壓敏陶瓷的顯微組織及電性能.壓電與聲光,2007,29(6)：114～119