燒結(jié)溫度影響Zn-Bi系壓敏陶瓷性能研究

劉建科，陳永佳，于克銳，王　浩，韓　晨，崔永宏

(1. 陜西科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710021; 2. 陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 西安 710021)

?

燒結(jié)溫度影響Zn-Bi系壓敏陶瓷性能研究

劉建科1，陳永佳2，于克銳2，王浩1，韓晨2，崔永宏1

(1. 陜西科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710021; 2. 陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 西安 710021)

以95.5ZnO-0.5V2O5-2.0Bi2O3-0.5Mn3O4-0.5Y2O3-0.5Cr2O3-0.5Co2O3為配方制備壓敏電阻，研究了燒結(jié)溫度對(duì)該體系微觀結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響。研究表明，隨著燒結(jié)溫度升高，ZnO壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA逐漸減小，非線性系數(shù)α、損耗角正切值tanδ以及相對(duì)介電常數(shù)εr均先增大再減小。當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)均勻，晶界清晰，有大量八面體的尖晶石相生成，且分布均勻。該燒結(jié)溫度下所制備的壓敏電阻的非線性系數(shù)α達(dá)到最大值27，擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA為3 456.5V/cm，工作頻率105Hz條件下該電阻的損耗角正切值tanδ為0.29。

燒結(jié)溫度；ZnO壓敏電阻；微觀結(jié)構(gòu)；電學(xué)性能；損耗性能

0　引　言

在電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種電力系統(tǒng)和電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)、超薄電視以及軍事領(lǐng)域中的偵察機(jī)、軍事雷達(dá)等，都只能在額定的電壓電流條件下運(yùn)行。如果電路突然被干擾，如出現(xiàn)很大的電壓脈沖或電流脈沖等浪涌現(xiàn)象，這些電路中的電力電子器件就會(huì)被損壞。值得注意的是，這些干擾現(xiàn)象很容易發(fā)生，而且發(fā)生頻率很高，如電力電子系統(tǒng)中因塵土受到空氣濕度的影響，會(huì)造成電路短路等現(xiàn)象，產(chǎn)生影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的脈沖信號(hào)。ZnO壓敏電阻能夠有效地吸收這些脈沖信號(hào)，保持電路系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)電力電子系統(tǒng)正常工作十分重要[1]。

近年來(lái)，有關(guān)ZnO壓敏性能的研究很多，主要有基于低溫?zé)Y(jié)的Zn-Bi系統(tǒng)[2]，以及基于高溫?zé)Y(jié)的Zn-Pr系統(tǒng)[3]，同時(shí)將Zn-Bi和Zn-Pr兩種不同燒結(jié)溫度的系統(tǒng)有效地融合，也能明顯地提高ZnO壓敏電阻的壓敏性能[4]。評(píng)價(jià)ZnO壓敏電阻電性能的主要參數(shù)有非線性系數(shù)、壓敏電壓以及損耗性能等，C.W.Nahm等對(duì)此進(jìn)行了大量的研究[5-10]。張玲研究了ZnO陶瓷的介電性能，其研究表明ZnO陶瓷在工作頻率105Hz條件下的損耗角正切值tanδ>0.5[11]。馮雪麗等研究了ZnO-MgO-TiO2-SnO2陶瓷的壓敏性能和介電性能，其研究表明該電阻在工作頻率105Hz條件下的損耗角正切值tanδ為0.01，但其非線性系數(shù)α最大僅為8[12]。李盛濤等研究了ZnO非歐姆性陶瓷材料的介電和損耗特性，其研究表明ZnO陶瓷在工作頻率105Hz條件下的損耗角正切值tanδ為0.08，但其非線性系數(shù)α最大僅為0.8[13]。因此，電性能優(yōu)良的ZnO壓敏電阻應(yīng)表現(xiàn)出兩點(diǎn)特性：(1)具有較高的非線性系數(shù)α; (2)盡可能小的損耗角正切值tanδ。

本文采用基于低溫?zé)Y(jié)的Zn-Bi系統(tǒng)，并用V2O5、Mn3O4、Y2O3、Cr2O3以及Co2O3來(lái)對(duì)其進(jìn)行改性，提高該電阻的電性能。研究了不同燒結(jié)溫度870，890，910和930 ℃時(shí)，ZnO壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)和壓敏性能，以及介電性能隨燒結(jié)溫度和測(cè)試頻率的變化規(guī)律。

1　實(shí)　驗(yàn)

樣品制備采用基于低溫?zé)Y(jié)的Zn-Bi系統(tǒng)，并加入相關(guān)添加劑，其配方為95.5ZnO-0.5V2O5-2.0Bi2O3-0.5Mn3O4-0.5Y2O3-0.5Cr2O3-0.5Co2O3，均采用摩爾百分比。原料經(jīng)傳統(tǒng)電子陶瓷制備工藝制備成直徑約為10mm，厚度約為1.5mm的圓形坯體。坯體在不同燒成溫度870，890，910和930 ℃條件下進(jìn)行燒結(jié)，在樣品表面燒銀電極進(jìn)行相關(guān)電性能測(cè)試。

采用X射線衍射儀(XRD,ModelRigaku-D/Max-2200PC,Japan)測(cè)試ZnO壓敏電阻的晶相組成，用掃描電子顯微鏡(SEM,HITACH,FE-S4800,Japan)觀察電阻的微觀結(jié)構(gòu)，用電子能譜(EDX)表征晶界處的物質(zhì)組成。電阻的壓敏性能采用壓敏電阻直流參數(shù)儀(CJ1001)進(jìn)行測(cè)試，用精密LRC表(E4980)結(jié)合高溫溫譜測(cè)試系統(tǒng)(GJM-I)測(cè)試電阻的介電性能。

2　分析與討論

2.1結(jié)構(gòu)分析

圖1為不同燒成溫度條件下ZnO壓敏陶瓷的XRD圖譜。

圖1　不同燒成溫度條件下ZnO壓敏電阻陶瓷的XRD圖譜

從衍射圖譜中可以看出，所有樣品主晶相的晶體結(jié)構(gòu)均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(PDF:75-0576)[14]，沒(méi)有額外的衍射峰出現(xiàn)或消失，燒結(jié)溫度并未改變ZnO壓敏陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)。表1為主晶相的三強(qiáng)峰強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化規(guī)律，結(jié)果表明隨著燒結(jié)溫度升高，主晶相的三強(qiáng)峰強(qiáng)度依次增大。因此，燒結(jié)溫度升高優(yōu)化了ZnO晶粒的結(jié)晶程度。這與楊南如、周東祥等的研究保持一致[14-15]。

表1主晶相三強(qiáng)峰強(qiáng)度隨燒溫度的變化規(guī)律

Table1Thethreepeakintensityofsamplessinteringindifferenttemperatures

峰強(qiáng)度燒結(jié)溫度/℃ 870890910930最強(qiáng)峰(36.4°)2859303937124113次強(qiáng)峰(31.9°)1647181122242445第三強(qiáng)峰(34.5°)1259145720152150

圖2為不同燒結(jié)溫度條件下ZnO壓敏陶瓷的SEM圖片，表2為不同燒結(jié)溫度條件下樣品的平均晶粒尺寸。隨著燒結(jié)溫度升高，平均晶粒尺寸逐漸增大，晶界也逐漸變得清晰。晶界處的物質(zhì)可能為八面體的尖晶石相。當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，晶粒大小分布均勻，晶界處的物質(zhì)含量大，且分布均勻。

圖2　不同燒結(jié)溫度條件下ZnO壓敏電阻陶瓷的SEM圖片

表2不同燒結(jié)溫度條件下樣品的平均晶粒尺寸

Table2Theaveragegrainsizeofsamplessinteringindifferenttemperatures

燒結(jié)溫度/℃870890910930平均晶粒尺寸/μm0.831.001.251.67

為了確定晶界處的物質(zhì)成分，將910 ℃的樣品進(jìn)行20 000倍SEM觀察，并對(duì)晶界處物質(zhì)進(jìn)行EDS能譜分析，如圖3所示。根據(jù)放大的SEM圖片可以明顯地觀察到八面體的晶界相顆粒，分析結(jié)果結(jié)合XRD分析說(shuō)明八面體顆?？赡転榧饩郱nV2O4、YV2O4。周東祥等[15]在研究ZnO壓敏陶瓷時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZnO晶粒的長(zhǎng)大是通過(guò)Zn2+及Zni2+離子的遷移與擴(kuò)散來(lái)完成的。劉建科等研究表明，在低溫?zé)Y(jié)ZnO壓敏電阻中，尖晶石相在晶界中具有很好的流動(dòng)性，可以結(jié)合低熔點(diǎn)物質(zhì)促進(jìn)離子遷移和傳質(zhì)[16]。因此，隨著燒結(jié)溫度升高ZnO壓敏陶瓷的平均晶粒尺寸逐漸增大。

圖3燒結(jié)溫度910 ℃樣品的SEM圖片及晶界相物質(zhì)(圖中方框所示)的EDS能譜

Fig3SEMimageofthesamplesinteringat910℃withEDSspectra

2.2壓敏性能分析

為了研究燒結(jié)溫度對(duì)ZnO壓敏電阻壓敏性能的影響，可測(cè)試壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA及非線性系數(shù)α。其中，擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA表示通過(guò)壓敏電阻的電流為1mA時(shí)單位面積上的場(chǎng)強(qiáng)，非線性系數(shù)α反映了壓敏電阻對(duì)電流和電壓響應(yīng)的靈敏程度，α值越大則壓敏電阻靈敏度越高[16]。圖4為ZnO壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA及非線性系數(shù)α隨燒結(jié)溫度的變化規(guī)律。

圖4不同燒結(jié)溫度條件下ZnO壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA及非線性系數(shù)α變化規(guī)律

Fig4ThebreakdownfieldE1mAandnonlinearcoefficientofZnOceramicssinteringindifferenttemperatures

研究表明，隨著燒結(jié)溫度升高，壓敏電阻的E1mA分別為5 127.3，4 047.6，3 456.5和2 687.5V/cm，呈依次降低趨勢(shì)。由于壓敏電阻的E1mA可以認(rèn)為是每個(gè)晶粒的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的有效疊加，而每個(gè)晶粒的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的彼此相當(dāng)，因此壓敏電阻的E1mA將正比于壓敏電阻中晶粒的數(shù)目[16]。隨著燒結(jié)溫度升高，ZnO的晶粒尺寸逐漸增大，晶粒數(shù)目減少，從而導(dǎo)致壓敏電阻的E1mA逐漸降低。徐東等研究了燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋅壓敏瓷顯微組織和電性能的影響，結(jié)果表明燒結(jié)溫度的升高可以促進(jìn)ZnO壓敏瓷的晶粒長(zhǎng)大并且分布均勻，使壓敏瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低[17]。這與本文的研究結(jié)果相同，因此通過(guò)控制不同的燒結(jié)溫度，可以得到具有不同擊穿場(chǎng)強(qiáng)的壓敏電阻，進(jìn)而滿足各種電力電子系統(tǒng)的需求。

由圖4可知，ZnO壓敏電阻的非線性系數(shù)α隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，α依次為19.1，23.3，27和15.6。因此燒結(jié)溫度對(duì)非線性系數(shù)有顯著地影響，而α與晶界勢(shì)壘和壓敏電壓有著必然聯(lián)系。段雷研究了SiO2摻雜量對(duì)氧化鋅壓敏電阻性能的影響[18]，其結(jié)果表明晶界勢(shì)壘越高α越大。非線性系數(shù)α與壓敏電阻的壓敏電壓的關(guān)系可以用式(1)表示

(1)

式中，V1表示通過(guò)壓敏電阻的電流為0.1mA時(shí)，加在壓敏電阻兩端的電壓，V2表示通過(guò)電流為1mA時(shí)壓敏電阻兩端的電壓[16]。在燒結(jié)過(guò)程中，低熔點(diǎn)的V2O5和Bi2O3容易變?yōu)橐合?，促使物質(zhì)傳遞，加速晶界遷移，使ZnO晶粒不斷長(zhǎng)大，并且在晶界處形成富Bi層。隨著燒結(jié)溫度升高，晶粒不斷長(zhǎng)大，富Bi層逐漸變薄，晶界勢(shì)壘增大，α值增大[19]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到910 ℃時(shí)，α值達(dá)到最大值27，此時(shí)晶粒尺寸仍會(huì)隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為930 ℃時(shí)，可能由于大量的富Bi層逐漸揮發(fā)，晶界勢(shì)壘大幅度降低，從而引起α值的急劇減小。因此，燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，壓敏電阻具有最高的非線性系數(shù)α，對(duì)電流和電壓響應(yīng)最靈敏。

2.3介電性能分析

圖5為不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻的相對(duì)介電常數(shù)εr及損耗角正切值tanδ隨測(cè)試頻率的變化規(guī)律。測(cè)試頻率為105Hz時(shí)ZnO壓敏陶瓷的損耗角正切值tanδ出現(xiàn)峰值，該頻率下隨著燒結(jié)溫度升高樣品的損耗角正切值tanδ呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，依次為0.26，0.27，0.29和0.19；相對(duì)介電常數(shù)εr呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，依次為99.4，103，194和154。

嚴(yán)繼康等研究了燒結(jié)溫度對(duì)TiO2壓敏陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響，其研究結(jié)果表明隨著燒結(jié)溫度升高，壓敏陶瓷的晶界勢(shì)壘ΦB升高，非線性系數(shù)α增大，晶粒尺寸dg增大，晶界厚度dgb減小，并指出相對(duì)介電常數(shù)

其中，ε0表示真空介電常數(shù)，故隨著燒結(jié)溫度升高，其相對(duì)介電常數(shù)εr不斷增大，而tanδ與εr具有相同的變化趨勢(shì)[20]。當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，ZnO壓敏電阻的tanδ與εr不斷增大，當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)均達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到930 ℃時(shí)，壓敏電阻中的V2O5和 Bi2O3等低熔點(diǎn)物質(zhì)大量揮發(fā)，可能會(huì)破壞晶粒與晶粒之間的晶界層，從而導(dǎo)致壓敏電阻的tanδ與εr開(kāi)始降低。因此，隨著燒結(jié)溫度升高ZnO壓敏電阻的εr值及tanδ值會(huì)呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。

圖5不同燒結(jié)溫度條件下，ZnO壓敏電阻的相對(duì)介電常數(shù)εr及損耗角正切tanδ隨頻率的變化規(guī)律

Fig 5 The relative dielectric constant (εr) and the dielectric loss (tanδ) changing with the frequency

圖6(a)為不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻的相對(duì)介電常數(shù)εr隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律，此時(shí)測(cè)試頻率為10 kHz。結(jié)果表明，隨著測(cè)試溫度升高，壓敏電阻的εr先增大后減小，在300 ℃附近出現(xiàn)峰值。同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度升高，電阻的εr峰值呈先升高再降低的趨勢(shì)。因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度升高，晶粒尺寸增大，晶界厚度dgb減小，從而導(dǎo)致εr不斷增大[20]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到910 ℃時(shí)，電阻的εr峰值達(dá)到最大值。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到930 ℃時(shí)，電阻中的低熔點(diǎn)物質(zhì)大量揮發(fā)，可能會(huì)破壞晶粒與晶粒之間的晶界層，從而導(dǎo)致壓敏電阻的εr峰值開(kāi)始降低。

圖6(b)為不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻的損耗角正切值tanδ隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律，此時(shí)測(cè)試頻率為10 kHz。結(jié)果表明，隨著測(cè)試溫度升高，壓敏電阻的tanδ先增大后減小，在275 ℃附近出現(xiàn)峰值。當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)壓敏電阻tanδ的值較小，且在此燒結(jié)溫度下壓敏電阻的非線性系數(shù)α達(dá)到最大值27。因此，燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，ZnO壓敏電阻對(duì)電流和電壓響應(yīng)最靈敏并且具有較低的損耗。

2.4電導(dǎo)性能分析

圖7為不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻的電阻率隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律。

圖6不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻的相對(duì)介電常數(shù)εr和損耗角正切tanδ隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律

Fig 6 The relative dielectric constant (εr) and the dielectric loss (tanδ) changing with the temperatures

圖7不同燒結(jié)溫度下壓敏電阻的電阻率隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律

Fig 7 The relationship between the resistivity and the temperature

隨著測(cè)試溫度升高，所有樣品的電阻率均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而870，890和930 ℃燒結(jié)的樣品，其電阻率先增大后減小，且在測(cè)試溫度50 ℃附近出現(xiàn)峰值，當(dāng)測(cè)試溫度>160 ℃時(shí)所有樣品的電阻率趨于相同。隨著燒結(jié)溫度升高，壓敏電阻的電阻率先減小后增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)電阻的電阻率最小，約為1 000 MΩ·m，此時(shí)ZnO壓敏電阻的電阻率隨測(cè)試溫度的升高幾乎保持穩(wěn)定，測(cè)試溫度>100 ℃時(shí)才開(kāi)始降低。這與傳統(tǒng)熱敏陶瓷PTC效應(yīng)有所不同[21]，這可能是因?yàn)榫Ы缣幖饩嗟纳梢约案籅i相的存在引起的。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，ZnO壓敏電阻的電阻特性最穩(wěn)定。

3　結(jié)　論

燒結(jié)溫度對(duì)ZnO壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)、壓敏性能以及介電性能均有重要影響。隨著燒結(jié)溫度升高，ZnO壓敏電阻的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變，晶粒尺寸逐漸增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA逐漸減小，非線性系數(shù)α先增大再減小。 測(cè)試頻率為105Hz時(shí)，隨著燒結(jié)溫度升高ZnO壓敏陶瓷的εr值及tanδ值均先增大后減小，且tanδ值介于較穩(wěn)定的區(qū)間0.19～0.29。測(cè)試頻率為10 kHz時(shí)，隨著測(cè)試溫度升高所有樣品的εr值及tanδ值分別在300和275 ℃附近出現(xiàn)峰值，此時(shí)隨著燒結(jié)溫度升高電阻的εr峰值先升高后降低。當(dāng)燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)，壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)均勻，非線性系數(shù)α達(dá)到最大值27，擊穿場(chǎng)強(qiáng)E1mA為3 456.5 V/cm，壓敏電阻具有較小的損耗，且電阻的電阻率在測(cè)試溫度<100 ℃范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，約為1 000 MΩ·m。因此，在本文研究范圍內(nèi)，燒結(jié)溫度為910 ℃時(shí)ZnO壓敏電阻的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能最佳。

[1]Gupta T K. Application of zinc oxide varistor[J]. Journal of American Ceramic Society, 1990, 73(7):1817-1840.

[2]Nahm C W. Low-temperature sintering effect on varistor properties of ZnO-V2O5-MnO2- Nb2O5-Bi2O3ceramics[J]. Journal of Ceramics International, 2013, 39(1):2117-2121.

[3]Nahm C W. Nonlinear behavior of Tb4O7-modified ZnO-Pr6O11-based ceramics with high breakdown field[J]. Journal of Rare Earth, 2013, 31(1):276-280.

[4]Liu Jianke, Wang Xiufeng, Chen Yongjia. The study of Zn-Bi system varistor with Pr doping and Pr-Y co-doping[J]. Journal of Functional Materials, 2013, 44(s): 316-320.

劉建科,王秀峰,陳永佳. Pr摻雜和Pr-Y共摻雜Zn-Bi系壓敏電阻性能的研究[J].功能材料,2013,44(增刊): 316-320.

[5]Yong H K, Kawamura H, Nawata M. The effect of Cr2O3additive on the electrical properties of ZnO varistor[J]. Journal of Material Science, 1997, 32(1):1665-1670.

[6]Ramirez M A, Femández J F, Rubia M D，et al. The influence of area/volume ratio on microstructure and non-ohamic properties of SnO2-based varistor ceramic blocks[J]. Journal of Material Science, 2014, 21(1):523-530.

[7]Nahm C W. Varistor properties and aging behavior of ZnO-V2O5-Mn3O4ceramics with sintering process[J]. Journal of Material Science: Material in Electronics, 2011, 22(1): 1010-1013.

[8]Wurst J C, Nelson J A. Lineal intercept technique for measuring grain size in two-phase polycrystalline ceramics[J]. Journal of American Ceramic Society, 1994, 55(1):109-111.

[9]Asokan T. Grain boundary properties of hot pressed zinc oxide varistors[J]. Journal of Materials Research Bulletin, 1993, 28(1):1277-1284.

[10]Nahm C W. Effect of dopant (Al, Nb, Bi, La) on varistor properties of ZnO-V2O5-MnO2- Co3O4-Dy2O3ceramics[J]. Journal of Ceramics International, 2010, 36(5):1109-1115.

[11]Zhang Ling. Study on preparation of nano-ZnO and its microwave dielectric properties[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2007.

張玲. ZnO納米材料的制備及其微波介電性能的研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2007.

[12]Feng Xueli, Liu Xiangchun, Zhou Kaixuan, et al. Preparation and dielectric properties of ZnO-MgO-TiO2-SnO2system high frequency dielectric ceramic[J]. Journal of Functional Materials, 2014, 45(23):23105-23108.

馮雪麗, 劉向春, 周凱旋, 等. ZnO-MgO-TiO2-SnO2系高頻介電陶瓷的制備與介電性能[J]. 功能材料, 2014, 45(23):23105-23108.

[13]Li Shengtao, Liu Fuyi, Jiao Xingliu. Dielectric properties and resistive currents of ZnO nonohmic materials[J]. Journal of Inorganic materials, 1996, 1(1): 90-96.

李盛濤,劉輔宜,焦興六.ZnO非歐姆性陶瓷材料的介電和損耗特性[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),1996,1(1): 90-96.

[14]Yang Nanru. Test methods for inorganic nonmetallic materials[M]. Wuhan: Wuhan University of Technology press, 1993, 63-68.

楊南如. 無(wú)機(jī)非金屬材料測(cè)試方法[M]. 武漢: 武漢理工大學(xué)出版社, 1993：63-68.

[15]ZHOU Dongxiang, ZHANG Tianjin, GONG Shuping. Study on the microstructures and electrical properties of low breakdown voltage ZnO varistors[J]. Journal of Functional Materials, 2000, 31(1): 66-68.

周東祥, 張?zhí)旖? 龔樹(shù)萍. 低壓ZnO壓敏陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)及其電性能研究[J]. 功能材料, 2000, 31(1): 66-68.

[16]Liu Jianke. The effect of dopant on ZnO resistance property[M]. Xi’an: Shaanxi University of Science and Technology, 2014.

劉建科. 摻雜對(duì)氧化鋅電阻特性的影響[D]. 西安: 陜西科技大學(xué), 2014.

[17]Xu Dong, Cheng Xiaonong, Zhaoguoping, et al. The effect of sintering temperature on microstructure and electrical properties of ZnO varistor ceramics[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Nature Science, 2009, 30(6), 8-10.

徐東, 程曉農(nóng), 趙國(guó)平, 等. 燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋅壓敏瓷顯微組織和電性能的影響[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 30(6), 8-10.

[18]Duan lei, Xu Gaojie, Wang Yonghua et al. Effect of SiO2doping content on varistor properties of ZnO[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2009, 38(8): 215-218.

段雷,許高杰,王永曄,等. SiO2摻雜量對(duì)氧化鋅壓敏電阻性能的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2009,38(8):215-218.

[19]Hou Qingjian, Xu Guoyue, Zhao Yi, et al. Effect of sintering temperature and heat-treatment on ZnO varistor ceramics[J]. Insulators and surge arresters, 2004, 5(3): 36-40.

候清健, 徐國(guó)躍, 趙毅, 等. 燒結(jié)溫度和熱處理對(duì)ZnO壓敏陶瓷的影響[J]. 電瓷避雷器, 2004, 5(3): 36-40.

[20]Yan Jikang, Gan Guoyou, Chen Haifang, et al. Influence of sintering temperature on structures and properties of TiO2varistor ceramics[J]. Piezoelectrics and acoustoopics, 2008, 30(3): 332-334.

嚴(yán)繼康, 甘國(guó)友, 陳海芳, 等. 燒結(jié)溫度對(duì)TiO2壓敏陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 壓電與聲光, 2008, 30(3): 332-334.

[21]Zong Tengteng, Pu Yongping, Wu Ting. Structure and properties of ZnO-NiO-TiO2system PTC ceramics[J]. China Ceramics, 2013, 49(10): 23-25.

宗騰騰, 蒲永平, 吳婷. ZnO-NiO-TiO2系統(tǒng)PTC陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能[J]. 中國(guó)陶瓷, 2013, 49(10): 23-25.

Sintering temperature effect on performance of Zn-Bi system varistor ceramics

LIU Jianke1，CHEN Yongjia2，YU Kerui2，WANG Hao1，HAN Chen2，CUI Yonghong1

(1. College of Science，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China；2. College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021, China)

The effect of sintering temperatures on the microstructure, electrical properties and loss performance of 95.5ZnO-0.5V2O5-2.0Bi2O3-0.5Mn3O4-0.5Y2O3-0.5Cr2O3-0.5Co2O3(all in mol%) based on the low-temperature sintering Zn-Bi system had been systematically studied, and the loss performance had been discussed carefully. Meanwhile, we had put forward idea of the restriction impacts of the loss performance of ZnO varistors. The experiments showed that, when the sintering temperature was 910 ℃, the following characteristics obtained: The microstructure of ZnO varistor was quite uniform with distinguishable grain boundaries, and a large amount of spinel phases distributed uniformly could be found clearly. The nonlinear coefficientαwas 27 and breakdown electrical fieldE1mAwas 3 456.5 V/cm. The study of dielectric properties showed that the dielectric loss tanδwas between 0.19 and 0.29, which was a relatively high value. In this paper, we had explained this phenomenon in detail.

sintering temperatures; ZnO varistors; microstructure; electrical properties; loss performance

1001-9731(2016)08-08205-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51272145)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JM1014)

2015-10-16

2016-04-10 通訊作者：劉建科，E-mail:liujk@sust.edu.cn

劉建科(1966-)，男，西安人，教授，主要從事光電子材料研究。

TQ174

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.037