氧化锌压敏陶瓷

氧化锌压敏陶瓷

1.功能陶瓷

所谓功能陶瓷，就是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、

能源和环保工程等基础产业领域中所用到的陶瓷材料。功能陶瓷所具有的独特声、光、热、电磁等物理特性和生物、化学以及适当的的力学特性，在相应的工程和技术中起到了关键的作用。这种陶瓷材料从其形态上可以分为块体、粉体、纤维和薄膜四种类型。

2.压敏陶瓷

压敏陶瓷既是功能陶瓷的一种，它是指一定温度下，某一特定电压范围内，具有非线性伏安特性且其电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。目前压敏陶瓷主要有4大类—— SiC、TiO2、SrtiO3和ZnO。其中应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性，压敏电阻α值（非线性指数）高( α>60，比SiC压敏电阻器10倍以上)，有可调整C值和较高的通流容量，因此得到广泛的应用。在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用，尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。

3.氧化锌压敏陶瓷

ZnO压敏陶瓷生产方法是在ZnO 中添加Bi2 O3、Co2 O3、MnO2、Cr2 O3、

Al2 03、Sb2 03、Ti02、Si02、B2O3 和PbO 等的氧化物。在配方中常含有Bi元素，其主晶相为具有n型半导体特性的ZnO；此外，瓷相中除有少量添加物与ZnO形成的固溶体外，大部分添加物在ZnO晶粒之间形成连续晶相。主晶相ZnO是n型半导体，体积电阻率为10 ·m 以上的高电阻层。因此，外加电压几乎都集中在晶界层上，其晶界的性质和瓷体的显微结构对ZnO电阻的压敏特性起着决定性作用。一般ZnO的粒径d为几微米到几十个微米，晶界层厚度为0．02～0．2 ；也有人认为晶界相主要集中于三到四个ZnO晶粒交角处，晶界相不连续，在ZnO晶粒接触面间形成有一层厚度20U左右的富铋层，其性质对非线性特性起重要作

用。一般认为ZnO晶粒之间的富铋层是由分凝进入晶界的富铋的吸附层，带有负电荷，它使ZnO晶粒表面处的能带发生上弯，形成电子势垒。晶粒边界势垒由带有负电荷的富铋层所分隔，由于它极薄，可近似将这层中的体电荷看成面电荷，ZnO晶粒层之间为耗尽层。当外加电压达到击穿电压时，高的场强(E>105I(v／m)使界面中的电子穿透势垒层(富铋层)引起电流急剧上升，其通流容量由ZnO的晶粒电阻率所决定。

以下是ZnO有关物理量：

表 1 ZnO的有关物理量

4.制作工艺流程

氧化锌压敏陶瓷的制备工艺和传统的陶瓷制备工艺基本相同，即先将ZnO以外的各种添加剂细磨到一定粒度，然后与ZnO、硝酸铝及有机成分等混合制成浆料，再通过喷雾干燥制成粉粒料，还需要经过干压成型、烧成、热处理、涂敷电极等多道工序，制备成为具有所需非线性性质的压敏电阻。该方法工艺简单，但各种氧化物机械掺杂不均匀，在烧结温度下反应不易完全，容易带入其它杂质，从而制约了ZnO压敏陶瓷性能的进一步改善。为了达到一定细度，防止杂质进入，要求在塑料橡胶容器振磨或湿式球磨。预烧在空气中进行，在750~800~(：保温0．5~lh进行烧银。烧结温度对ZnO压敏陶瓷的性能有很大的影响，因此应根据产品的性能参数的要求来选择烧结温度。

表2 氧化锌压敏陶瓷材料的制作工艺流程

其中，粉体是构成陶瓷的起点，是生产优质陶瓷的先决条件。从烧结角度来看，ZnO颗粒越细越好，才能有低的烧结温度和高的致密度；烧结后期气孔消失和晶粒的生长与粉体的均匀度也有关系。目前，合成ZnO和其他添加剂原料的方法有：化学沉淀法、溶胶-凝胶法、激光加热法、气相法（包括气相反应合成法、气相分解法和蒸发-凝聚法）、等离子体喷雾干燥法。所有的方法都是以达到合成成分高度均匀、可控颗粒形状于尺寸超细，以此制备出综合性能优异的陶瓷材料为目的的。

5.ZnO压敏陶瓷特性：

ZnO压敏陶瓷特性：全电流特性是ZnO压敏陶瓷最重要的特性，它是指电流

密度和电场强度之间的关系。当两端的电压低于击穿电压时，压敏电阻接近于绝缘体，当电压值高于击穿电压时，压敏电阻就成为导体。其全电-电流特性曲线可划分为预击穿区、非线性区、上升区。在预击穿区，I-V特性几乎是线性的，非线性区是ZnO压敏是电阻的核心，在该区段中，电压的微小增大会引起电流几个数量级的增大。正是这种在很宽的电流密度范围内具有很大的非线性的特点，才使ZnO压敏电阻完全不同于其它任何非线性电阻器，从而使它有可能应用于各种电子及电力领域。万里非线性的大小取决于非线性区曲线的平坦率，在这一区段，曲线越平坦，则其性能越好。在上升区，I-V特性再次趋向于线性化，但与非线性区相比，电压随电流增大的上升速度要快得多。以下是氧化锌压敏陶瓷材料的电压-电流特性：

图1 非线性电流-电压关系曲线

在不同的电流区，I-V特性随温度的变化规律的完全不同的。预击穿区的I-V特性与温度密切相关，其电阻-温度系数为负值，即相同电压下，通过压敏陶瓷的电流随温度升高而增大。在非线性区的I-V特性与温度没有明显的关系，其电阻-温度系数为微小的负值。在上升区，其规律为在相同的电压下，电流随温度升高而减小。

ZnO压敏电阻的导电机理与其他半导体元件没有太大差别，所以它导能得极其迅速，没有明显的延时，其响应速度可等于或是小于1ns。由于测量过程中受到接线电感等因素的制约，掩盖了其本征的响应速度，通常测量的响应速度为50ns。

6.ZnO压敏陶瓷的显微结构

ZnO压敏陶瓷的显微结构可以概括为：固溶有少量Co、Mn和Ni的ZnO晶粒；以Zn7Sb2O12成分为基础，固溶有较多Cr、Mn、Co和Ni的尖晶石晶粒；ZnO晶粒粒间的富Bi相。

ZnO晶粒是ZnO压敏陶瓷中的主晶相，它占据陶瓷体的绝大部分体积（通常超过90%）。通过高温处理过程的掺杂作用，晶粒成为电阻率很低的半导体，在电阻中起到导电、导热和吸收能量的作用。

晶界层，也称作粒界层或粒间层，它是指位于相邻晶粒之间，其物相组成和性能均与晶粒不同的结构层。晶界物质是由加入ZnO的添加剂及其反应生成物构成的。在含有多种添加剂的ZnO进行烧结时，添加剂的一部分进入主晶粒ZnO形成固溶体，而一部分在冷却时偏析在晶粒边界，形成富Bi晶界层或像尖晶石一类夹杂的晶粒。