氧化锌压敏陶瓷

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压敏陶瓷简介

• 当电源为220V时压敏电阻的阻值是无穷大，当峰值电压超过470V时（220V电压的峰值是311V）压敏电阻立刻击穿短路，保险丝也会熔断，高电压就进不去设备端，从而有效保护电子电路不受侵害。更换压敏电阻时在电阻体上需裹上绝缘材料加以保护，以防飞弧。使用压敏电阻时之前必须加装保险丝，压敏电阻一但击穿短路是不可恢复的，必须更换。正常的压敏电阻用万用表测量是无穷大的。
4 . 最大能量(能量耐量): 压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算
W=kIVT(J)，其中I为流过压敏电阻的峰值， V为在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压，T为电流持续时间， k为电流I的波形系数。
一般来说压敏电阻的片径越大，它的能量耐量越大，冲击电流也越大。
5．电压比：电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。
氧化锌压敏电阻的应用 ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结为如下两方面： ①过压保护 ②稳定电压
过压保护
各种大型整流设备、大型电磁铁、大型电机、通讯电路、民用设备在开关时，会引起很高的过电压，需要进行保护，以延长使用寿命。故在电路中接入压敏电阻可以抑制过电压。
此外，压敏电阻还可作晶体管保护、变压器次级电路的半导体器件的保护以及大气过电压保护等。
• 压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。
• 使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。

ZnO压敏陶瓷的研究进展概要

ZnO压敏陶瓷的研究进展摘要：ZnO压敏陶瓷是众多压敏陶瓷中性能最优异的一种，它是以ZnO为主原料，通过掺杂Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3和Nb2O5等氧化物改性烧结而成。

本文通过介绍ZnO粉体的合成方法、掺杂改性等方面入手，对ZnO压敏陶瓷的发展趋势进行探讨，并针对某些共性问题提出自己的一些看法。

关键词：ZnO压敏陶瓷；掺杂；制备；发展趋势The development trends of ZnO varistor ceramic Abstract: The ZnO varistor ceramic is one of the varistor ceramics which with best properties. The main raw material is ZnO, then mixed with some oxides ,such as Bi2O3、TiO2、Co2O3、MnO2、Cr2O3、Nb2O5 and so on ,to change it’s properties and sinter it .This text briefly described the methods of producing ZnO powder and mixing something to change the properties of it .Present situation in development of varistor ceramic as well as its developing tendency was also analyzed .Some suggestions and opinions were proposed for problems on common characteristics. Key words: ZnO varistor ceramic; mixed; produce; developing tendency1.前言ZnO压敏陶瓷是一种多功能新型陶瓷材料，它是以ZnO主为体，添加若干其他改性金属氧化物的烧结体材料。

烧结方式对ZnO-Bi2O3压敏瓷Bi2O3挥发的影响

烧结方式对ZnO-Bi2O3压敏瓷Bi2O3挥发的影响徐东;程晓农;赵国平;严学华;施利毅【摘要】采用裸烧、盖烧和埋烧等不同的烧结方式制备ZnO-Bi2O3压敏瓷,通过XRD和SEM等方法对压敏瓷的物相和显微组织进行研究,探讨烧结方式对氧化锌压敏瓷电性能和显微组织的影响.结果表明:烧结方式和烧结温度对压敏瓷的显微组织和电性能产生明显的影响.对于裸烧、盖烧和埋烧来说,1 100 ℃均为最佳的烧结温度;1 000 ℃时埋烧得到的压敏瓷的电性能较好,1 100 ℃和1 200 ℃时裸烧得到的压敏瓷的电性能较好;烧结方式对于Bi2O3挥发控制的强弱顺序为埋烧、盖烧、裸烧.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2010(020)007【总页数】6页(P1396-1401)【关键词】ZnO-Bi2O3压敏瓷;氧化锌;烧结;挥发【作者】徐东;程晓农;赵国平;严学华;施利毅【作者单位】江苏大学,材料科学与工程学院,镇江,212013;上海大学,纳米科学与技术研究中心,上海,200444;江苏大学,材料科学与工程学院,镇江,212013;江苏大学,材料科学与工程学院,镇江,212013;江苏大学,材料科学与工程学院,镇江,212013;上海大学,纳米科学与技术研究中心,上海,200444【正文语种】中文【中图分类】TB34;TN304.93氧化锌压敏瓷是以ZnO为主体，添加多种金属氧化物，采用典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。

氧化锌压敏瓷具有很高的非线性电流—电压特性，在对瞬态浪涌电压的保护领域有重要的应用[1−5]。

由于压敏特性形成剂 Bi2O3在烧结时大量挥发，造成显微组织不均匀，使其性能极度恶化[6−8]。

PEITEADO 等[9−10]认为，在烧结 ZnO-Bi2O3系压敏瓷时，样品中 Bi2O3的挥发量与烧结样品坯体的紧凑相关参数—表面积/体积(A/V)比例有关，研究得出最佳的A/V 比例为4.11 cm−1。

中南氧化锌纳米粉体低温化学法合成与性能研究报告

应用化学实验报告实验一氧化锌纳M粉体的低温化学法合成与性能研究学院化学化工学院指导老师专业班级姓名学号同组人2018年 06月 09日实验一氧化锌纳M粉体的低温化学法合成与性能研究一、实验目的1. 了解一些常规低温液相化学方法制备纳M材料的基本原理和方法。

2. 学习差热、热重和 X 光射线衍射等分析方法在无机物合成中的应用。

3. 了解纳MZnO 的发光性能，熟悉荧光仪的使用方法。

4. 了解纳MZnO 的气敏原理，熟悉气敏性能的检测方法。

二、实验原理氧化锌(ZnO> 是一种宽禁带直接迁移型半导体功能材料，单晶ZnO 为六方晶体(纤锌矿>结构，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 MeV。

该激子室温下不易被电离,使激发发射机制有效, 这将大大降低ZnO 在室温下的激射阈值，有可能实现较强的紫外受激辐射，可用来制作紫外光激光器和探测器。

另外，ZnO 还被广泛地应用于制作发光显示器件、声表面波器件、压敏材料、气敏传感器、异质结的n 极和磁性材料器件及透明导电膜等。

纳M 级ZnO 由于粒子尺寸小，比表面积大，具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等，与普通ZnO 相比，表现出许多特殊的性质，如无毒、非迁移性、压电性、荧光性、吸收和散射紫外线的能力。

这一新的物质形态赋予了ZnO 在科技领域许多新的用途。

ZnO 的禁带宽度为3.2eV，它所对应的吸收波长为388nm ，由于量子尺寸效应，粒度为10nm时，禁带宽度增加到4.5eV，因此它不仅能吸收紫外波长320—400nm ，而且也对紫外中波 280 —320nm 也有很强的吸收能力，因此它是一种很好的紫外屏蔽剂，可制得紫外光过滤器、化妆品防晒霜；纳MZnO 的比表面积大，表面活性中心多，在阳光、尤其在紫外线照射下，在水和空气中，能自行分解出自由移动的带负电荷的电子(e->，同时留下带正电荷的空穴(h+>，这种空穴可以激活空气和水中的氧变为活性氧，它能与多种有机物(包括细菌>发生氧化反应，从而除去污染和杀死病毒。

压敏电阻材料特性测试及其原理探讨(精)

压敏电阻材料特性测试及其原理探讨曹伟魏立国摘要：材料的导电性往往受多种因素的影响，本实验涉及到材料中载流子在电场力的作用下是否遵循欧姆定理。

关键词：压敏电阻非线性阈值电压一、引言大多数材料的导电特性在通常条件下遵循欧姆定理，即经由该材料做成的电阻的电流与加在两端的电压成正比，这种情况下我们说材料具有线性电阻特性。

而有些陶瓷材料，当加在由这样的材料制成的电阻上的电压到一定程度后，流经电阻的电流随加在电阻两端的电压不再成正比，而呈现出急剧上升的非线性关系，也就是说不服从欧姆定理，这样的材料就是电压敏感材料，通常称为压敏电阻材料。

二、压敏电阻非线性伏安特性的微观机理的探讨从材料学角度来看，氧化锌压敏材料是以98％以上摩尔比的金屑氧化物ZnO 为基体，加入微量的队Bi2O3和Mn02等多种添加物，经高温氧化烧结而制备成的一种功能陶瓷材料．目前已提出了多种模型用于解释该类材料的非线性压敏特性，其中最有代表性的就是所谓的晶粒边界缺陷模型．该模型认为在氧化锌复合材料内部晶界层是一种本征的或接有Zn空位的P型半导体．它是相对绝缘的，是在从烧结温度冷却过程中形成的原子缺陷，正是这些晶界层提供的势垒而导致了压敏特性．从这一模型出发，可以认为当所加电压V小于阈值电压Vb时，压敏电阻内的导电机制主要是品界处的热电子效应来完成的，因此，这些晶界处的热电子随时间逐渐扩散而趋于稳定，这可能就是引起在低电压情况起始电流大而渐趋一较小的极限值的原因。

而当所加电压达到或大于阈值电压时，晶界相中带负电的陷阱将被雪崩过程产生的空穴中和而发生势垒层的击穿，这种雪崩效应(类似于半导体齐纳二报管)将是造成在阈值电压以上电流随时间而急剧增加，最终使材料变为导电体而达到过压保护作用．这种在高低电压下完全相反的变化特征可能就是非线性压敏特性的具体表现三、实验内容1．普通电阻的伏安特性曲线2．测试实验提供的7种不同压敏电阻的伏安特性曲线3．由测试到的数据和特性曲线确定的压敏电压、非线性系数和漏电流。

ZnO压敏陶瓷的研究进展

本文通过介绍ZnO粉体的合成方法、掺杂改性等方面入手，对ZnO压敏陶瓷的发展趋势进行探讨，并针对某些共性问题提出自己的一些看法。

压敏陶瓷专业实验

压敏电阻陶瓷的制备和非线性系数的测定一、实验目的1、掌握压敏效应的概念及特点；2、了解压敏陶瓷的特性、原理和应用；3、熟悉压敏电阻陶瓷的制备过程和非线性系数的测定方法。

二、实验原理压敏效应是指当外加电压增加到某一临界值之后，流过材料中的电流急剧增大，或其电阻率急剧减小的非线性效应。

压敏电阻器是基于此效应的一种电阻值随外加电压的增加而敏感变化的电子陶瓷器件。

压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用，是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。

压敏电阻器可以对IC （intergrated circuit ）及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。

使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC 或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC 或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。

压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗（硅）压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种。

其中ZnO 压敏电阻器具有电压非线性好，耐浪涌量大，响应速度快等特点，自1968年由日本松下公司开发应用以来，发展极为迅速，以优异的性能占据了压敏电阻器的主要市场。

压敏电阻器的非线性特性是由其特殊的微观结构决定的，其材料是半导体，通常由半导体晶粒和绝缘性晶界形成一个个双肖特基势垒结构，从而表现出压敏效应。

压敏陶瓷是一种非线性电阻器，因此，它的电性能参数都是由非线性系数引出的。

这些电性能参数主要包括非线性系数、压敏电压、漏电流、通流能力、残压比、电压温度系数、能量耐量、固有电容等。

在本实验中，我们主要研究压敏电阻陶瓷的非线性系数的测定。

氧化锌压敏陶瓷的制备

氧化锌压敏陶瓷的制备
氧化锌压敏陶瓷的制备方法如下：
1. 准备氧化锌粉末、陶瓷粉末、有机胶体材料等原材料，按一定比例混合。

2. 将混合物放入球磨机中进行球磨，直到达到所需的平均粒径。

3. 将球磨后的混合物细粉，然后添加一定量的有机溶剂，制成泥状物。

4. 将泥状物通过压制机进行压制，加压后的压块放入烘箱进行干燥。

5. 干燥后将压块放入电热炉中进行烧结，使其达到所需的结晶度和致密度。

6. 烧结后的陶瓷坯体再进行加热和冷却，以形成良好的压敏特性。

最终得到的氧化锌压敏陶瓷可广泛用于电子元器件、传感器、电力设备及通信等行业。

氧化锌压敏电阻老化过程中非线性系数变化的研究_杨仲江

第30卷第9期电子元件与材料V ol.30 No.9 2011年9月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Sep. 2011氧化锌压敏电阻老化过程中非线性系数变化的研究杨仲江1，张枨1，柴健1，李祥超1，汝洪博2（1. 南京信息工程大学雷电科学与技术系，江苏南京 210044；2. 湖州市防雷中心，江苏湖州 313000）摘要: 根据氧化锌压敏电阻（MOV）的非线性特征，结合双肖特基（Schottky）势垒理论和氧化锌陶瓷在小电流区的导电机制，提出了氧化锌压敏电阻老化劣化过程中必然伴随着非线性系数α的变化的结论。

针对一种型号的MOV，通过大量实验数据分析得出：在不同老化劣化实验条件下，MOV的非线性系数α均随劣化程度的增加而呈下降趋势；在标称电流I n冲击下，α值随冲击次数近线性下降。

经实验论证，非线性系数α对评价MOV的老化劣化程度具有一定的参考价值。

关键词:氧化锌压敏电阻；非线性系数；老化劣化；肖特基势垒中图分类号: TM23 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2011）09-0027-04Research on the varying of nonlinear coefficient during thedegradation of ZnO varistorYANG Zhongjiang1, ZHANG Cheng1, CHAI Jian1, LI Xiangchao1, RU Hongbo2(1. The Department of Lightning Science and Technology, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044, China; 2. Huzhou Lighting Protection Center, Huzhou 313000, Jiangsu Province, China)Abstract: The process of the degradation of ZnO varistor is necessarily accompanied with the varying of nonlinear coefficient α, which is based on the double Schottky barrier theory, the electrical conduction mechanism of the zinc oxide ceramic in the low current range and the nonlinear characteristics of ZnO varistor. By the experiments on the same type of MOV, the results indicate that the nonlinear coefficient α of MOV decreases with the increasing of degradation degree in different experimental conditions, and the αvalue decreases in line shape with the increasing of impact cycles by the experiment under the impact of the nominal current I n. The nonlinear coefficient α has a valuable reference for the estimation of the degradation degree of MOV.Key words: ZnO varistor; nonlinear coefficient; degradation; Schottky barrier氧化锌压敏电阻片因其良好的非线性特性和大电流吸收能力，现在已被广泛应用于大型电气设备、电力系统、低压电源系统和信息系统的电涌防护中，其性能的好坏直接影响着安全保护的效果[1-4]。

氧化钐掺杂对氧化锌压敏陶瓷电学特性的影响

氧化钐掺杂对氧化锌压敏陶瓷电学特性的影响汪建华;谢杰;熊礼威【摘要】以氧化锌、氧化镨、氧化亚钴、氧化铬和氧化钐作为原料,经配料、球磨、造粒、压片和烧结等工序制得压敏电阻片,采用电流-电压特性测试、X射线衍射和扫描电子显微镜分别获得陶瓷的电性能参数,材料成分和微观结构图.实验结果表明:随着氧化钐含量的增加,氧化锌压敏陶瓷的非线性和压敏电压呈现先增大后降低的趋势.当氧化钐摩尔百分比低于0.3时,非线性系数和压敏电压随氧化钐含量的增加而增大.而氧化钐摩尔分数为0.3％时,压敏陶瓷具有最佳非线性电学特性,非线性系数为35,压敏电压为435伏/毫米；继续增加氧化钐至摩尔分数为0.5％时,非线性系数和压敏电压将会降低.氧化钐绝大多数聚集在晶界层,抑制晶粒生长,从而提高了压敏陶瓷的压敏电压.而极少数氧化钐与氧化锌发生置换反应,降低了氧化锌颗粒的电阻,从而提高了非线性.因此氧化锌压敏陶瓷因掺杂氧化钐提高了电性能而有望应用在高压领域.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2013(035)005【总页数】5页(P52-56)【关键词】氧化锌氧化镨系压敏陶瓷;氧化钐;非线性系数【作者】汪建华;谢杰;熊礼威【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TQ1740 引言氧化锌（ZnO）压敏材料是一种多晶电子陶瓷结构，由ZnO和几种微量金属氧化物烧结而成；根据掺杂物的不同，可把ZnO压敏陶瓷分ZnOBi2O3 系和ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷［1］.ZnO－Bi2O3系因其具有优良的非线性早已被广泛应用于电子电力领域.但随后研究发现陶瓷的一些缺点导致其性能的优化，如最致命的缺点是Bi2O3在液相烧结中挥发，导致气孔率增加，电性能降低.其次是掺杂组分多、掺杂物价格昂贵、制备工艺复杂、烧结温度高等致使制造成本大幅度增加［2－3］；ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷因具有优良压敏特性、微观结构简单和掺杂组分少等优点，有望成为下一代备受欢迎的压敏陶瓷［4］.ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷是一种以ZnO和Pr6O11作为主要原材料，并添加一种或几种微量的金属氧化物（如 CoO、Cr2O3、Y2O3、Dy2O3、SnO2、Fe2O3等）烧结而成的半导体材料.综述前人一系列关于ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷的实验得知：掺杂Pr6O11使得ZnO压敏陶瓷形成绝缘晶界骨架，具有微量的非线性；CoO、Cr2O3等物质的添加进一步提高ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷的非线性；要想得到更加良好的非线性，还需要添加如Y2O3、Dy2O3、La2O3、Al2O3 等物质［5－9］.Choon－Woo Nahm等人研究Dy2O3含量对ZnO－Pr6O11－CoO－Cr2O3 压敏陶瓷微观结构和电性能的影响.当Dy2O3摩尔分数为0.5%时，压敏陶瓷具有最高的非线性系数：α＝55.3［9］.且 M.A.Ashrafa等进行了Sm2O3 对 ZnO－Bi2O3－Sb2O3－MnO2－Co3O4－Cr2O3－NiO压敏陶瓷的微观结构和电性能的影响研究，结果表明，当Sm2O3摩尔分数为0.3%时，ZnO－Bi2O3系陶瓷的压敏性能最好［10］.Sm2O3与Dy2O3同属于稀土氧化物，且离子半径都比ZnO大；Dy2O3掺杂使得ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷的非线性提高，且Sm2O3掺杂ZnOBi2O3系压敏陶瓷使其具有优异的非线性，因此大胆设想掺杂Sm2O3也能同Dy2O3一样达到提高ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷的电性能的效果.本实验在 ZnO－Pr6O11－CoO －Cr2O3压敏陶瓷中加入Sm2O3形成ZPCCS陶瓷，主要研究了Sm2O3的含量对ZPCCS压敏陶瓷微观结构和压敏性能的影响，并对其内在机理进行分析.1 实验本实验是以ZnO、Pr6O11、CoO、Cr2O3、Sm2O3作为原材料，采用传统陶瓷工艺制备氧化锌压敏电阻.材料的比例分别为（95.5－x）ZnO－1Pr6O11－2CoO －1.5Cr2O3－xSm2O3；（x＝0，0.1，0.3，0.5，单位摩尔分数%），按该比例配比药品，并将样品依次编号为S0，S1，S3，S5.采用氧化锆球和玛瑙罐在行星球磨机中湿磨6h，研磨浆料在50℃烘干12h后取出，在750℃下煅烧2h，然后加5%聚乙烯醇，造粒过筛后，在80MPa的压力下压制成11.5mm×1.2mm的生坯.再在1350℃下空气中保温1h自然降温，之后把样品磨成直径为11.5mm×1mm.把样品的两面涂上直径为5mm的银浆，620℃下烧结10min后自然降温.采用自制电路系统测试ZPCCS压敏陶瓷的主要电性能参数，即1mA，10mA对应的电压，其电路原理图如图1所示.非线性系数α根据测试数据及公式（1）计算得出.利用阿基米德原理测得密度.通过扫描式电子显微镜（SEM）来观察ZPCCS 压敏陶瓷的微观结构，XRD分析物相成分.其中I1＝1mA；I2＝10mA；V1V2是I1I2对应的电压（单位：V）.图1 直流测试电路图Fig.1 Circuit diagram of direct current testing2 结果与分析2.1 X射线衍射分析图2显示了ZPCCS压敏陶瓷的X射线衍射（XRD）图；从图中可以看出，当没有掺杂Sm2O3时，ZnO压敏陶瓷的晶相简单，只有主晶相ZnO和Pr6O11，Pr2O3 构成的晶界相；这与 Hng［9］等人的报道结果相一致，Pr6O11和Pr2O3共同存在于ZnO－Pr6O11－Co3O4 系压敏陶瓷中，且Pr2O3 含量明显小于Pr6O11.但掺杂Sm2O3后，ZnO颗粒的衍射峰明显降低，且检测到了Sm2O3衍射峰.这说明ZnO比例相对减少的同时，还说明其很可能与Sm2O3发生共熔反应，生成ZnSm2O4新相［10－12］.而CoO、Cr2O3因掺杂量少，且与Pr6O11、ZnO 发生共熔反应［6－8］，因此XDR图没有明显的CoO、Cr2O3峰.图2 不同浓度氧化钐掺杂氧化锌压敏陶瓷的XRD图Fig.2 X－ray diffraction patterns（XRD）of ZnO varistor doped with different Sm2O3concentration 2.2 扫描式电子显微镜分析图3显示了不同含量的Sm2O3对ZPCCS系压敏电阻微观结构的影响，从图中可以明显看出由灰白色片状物质依附在黑色材料聚集而成，经晶粒、晶粒边界和晶界层三处能谱分析EDX图对比验证，凸显出来的灰白色物质是含Pr及Sm氧化物；灰黑色物质则是ZnO晶相.由于掺杂量相对较多，导致表层Pr及Sm氧化物小部分凸显出来，相互支架，这样容易造成孔洞.不掺杂Sm2O3时，其微观结构凸陷明显而松散，样品的表面存在很多孔洞.通过阿基米德原理测出密度ρ＝5.35g／cm3.但加入Sm2O3后，晶界层明显溶解，且更紧密覆盖在ZnO表面上，这是因为Sm2O3起着促进液相烧结、连接剂和晶粒生长抑制剂的作用［10］，使得陶瓷致密度越来越高；当Sm2O3摩尔分数为0.5%时，Sm2O3使得晶界层与ZnO 紧密相连.此时，ZPCCS系压敏电阻的表面最平整，致密度最高，ρ＝5.49g／cm3. 图3 不同浓度氧化钐掺杂氧化锌压敏电阻的SEM图Fig.3 Scanning electron microscope（SEM）photographs of ZnO varistor doped with differentSm2O3concentration注：（a）摩尔分数0%；（b）摩尔分数0.1%；（c）摩尔分数0.3%；（d）摩尔分数0.5%A：ZnO晶粒；B：晶界层（含Pr6O11、Pr2O3、ZnSm2O4、Sm2O3 等）2.3 压敏性能分析1350℃下烧结1h样品的I－V特性参数如表1所示，随着Sm2O3含量的增加，非线性系数和压敏电压先是增加，然后逐步降低.添加摩尔分数为0.1%的Sm2O3时，非线性系数和压敏电压都略有提高；当摩尔分数为0.3%时，非线性系数和压敏电压达到最大值，分别为：α＝35，V1mA＝435 V／mm；添加Sm2O3摩尔分数达到0.5%时，氧化锌的非线性出现恶化现象，压敏电压略有降低.表1 氧化锌压敏陶瓷的相关性能参数Table 1 Relation characteristic parameters of ZnO varistor ceramics样品编号Sm2O3的掺杂量摩尔分数／%密度／（g／cm3）α 压敏电压／（V／mm）S0 0 5.35 20 325 S1 0.1 5.39 25 380 S3 0.3 5.45 35 438 S5 0.5 5.49 28 395由SEM图可知，ZnO压敏陶瓷的微观结构简单，仅由ZnO晶粒和晶界层两相组成；随着氧化钐含量的增加，由于Sm2O3离子半径比ZnO的离子半径大，因而大部分Sm2O3偏析在晶界层，极少部分Sm2O3固溶于ZnO颗粒内.由表1得知，适量掺杂Sm2O3，ZnO压敏陶瓷的压敏电压得到了提高，这可能是因为Sm2O3在晶界层起着晶粒生长抑制剂的作用而引起的；但本实验因掺杂量过多，比较难以辨别晶粒尺寸变化情况，但众多研究证明：稀土氧化物掺杂ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷，都起着抑制晶粒生长，提高压敏电压的作用［5，13－14］.而非线性系数的提高，是极少数的Sm2O3会与ZnO发生固溶反应，如式（2），产生了氧填隙原子和ZnO空位，自由电子浓度也随着Sm2O3含量的增加而增加，因电子效应而致ZnO晶粒内的电阻降低，从而增大了ZnO压敏陶瓷的非线性.但随着Sm2O3的摩尔分数增加到0.5%时，非线性在逐步降低，压敏电压也由438降到395 V／mm，造成的原因可能是因为过多Sm2O3掺杂ZnO压敏陶瓷，使得球磨过程中粉料混合不均匀，或烧结后ZnO晶粒内部孔洞数量开始增多等.3 结语本文研究了Sm2O3不同添加量对ZnOPr6O11－CoO－Cr2O3压敏陶瓷的微观结构和压敏特性的影响，结果表明：Sm2O3掺杂也能同其他稀土氧化物一样提高了ZnO－Pr6O11系压敏陶瓷的压敏特性；氧化钐掺杂因促进ZnO压敏陶瓷液相烧结而提高了陶瓷的微观结构致密和压敏性能.当Sm2O3掺杂量摩尔分数为0.3%时，具有最佳压敏特性，压敏电压为V1mA＝435V／mm，非线性系数α＝35；与未掺杂Sm2O3相比，非线性提高了10；继续添加Sm2O3，ZnO压敏陶瓷的压敏特性开始变差.Sm2O3的掺杂研究将对在高压工作下的压敏陶瓷具有重要意义. 参考文献：［1］巫欣欣，张剑平，施利毅，等.稀土掺杂氧化锌压敏瓷的研究进展［J］.电瓷避雷器，2009，2（1）：22－26.WU Xin－xin，ZHANG Jian－ping，SHI Li－yi，et al.Research Progress of Rear Earth Doped ZnO－based Varistor Ceramics ［J］.Insulators and Surge Arresters，2009，2（1）：22－26.（in Chinese）［2］赵鸣，郭巍，谢敏，等.ZnO－Pr6O11基压敏电阻的研究进展［J］.材料导报，2010，24（15）：26－28.ZHAO Ming，GUO Wei，XIE Min，etal.Research Progress of ZnO－Pr6O11Based Varistors ［J］.Materials Review，2010，24（15）：26－28.（in Chinese）［3］Nahm C W.Electrical properties and stability of Dy2O3－doped ZnO－Pr6O11－based varistor ceramics［J］.Journal of Material Science，2006，41（20）：6822－6829.［4］Hai Feng.Effect of SnO2doping on microstructural and electrical properties of ZnO－Pr6O11based varistor ceramics［J］.Journal of Alloys and Compounds，2011，509：7175－7180.［5］Peng Zhi－jian.Influence of Fe2O3doping on microstructural and electrical properties of ZnO－Pr6O11 based varistor ceramic materials ［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010，508：494－499.［6］Miguel Angel Ramírez.Microstructural and Nonohmic Properties of ZnO－Pr6O11－CoO Polycrystalline System［J］. 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氧化锌

氧化锌压敏电阻粉体制备压敏半导体陶瓷是指电阻值与外加电压成显著的非线性关系的半导体陶瓷。

使用时加上电极后包封即成为压敏电阻器。

其工作原理是基于压敏陶瓷所具有的伏安(I—V)非线性特性．即当电压低于某一临界值时，压敏电阻的阻值非常高，相当于绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻急剧减小．接近于导体。

因为这种效应的存在，压敏电阻器被广泛应用于过压保护和稳压方面。

目前，制造压敏电阻器的半导体材料主要有两大类：SiC和ZnO。

这两类压敏电阻器的I—V非线性特性都来源于陶瓷体中的晶界势垒。

在ZnO压敏电阻出现以前，SiC一直是制备压敏电阻器的重要材料。

相对于SiC压敏电阻器而言，ZnO压敏电阻器具有非线性系数大、响应时间短、残压低、电压温度系数小、漏电流小等独特的优良性能，因而，在电子线路、家用电器和电力系统的稳压和过压保护领域，ZnO压敏电阻器的开发与应用起着举足轻重的作用。

ZnO压敏电阻的性能取决于它的微观结构和产品的尺寸，其微观结构往往是由加入掺杂剂的种类、加入量，粉体制备工艺所引起的粉体大小、尺寸分布、形状、均匀性等的不同，以及烧结工艺、煅烧温度、煅烧时间、升温及降温速度等因素决定的。

通过对这些因素的优化，可提高ZnO压敏电阻的性能。

氧化锌压敏电阻器根据其应用环境，可分为低压、高压两大类。

其中低压压敏电阻器主要应用于微电子设备、电话交换机中的集成电路模块以及晶体管的浪涌等领域；高压压敏电阻器主要应用于高压、超高压输电系统、大型设备的操作保护、大气过压保护等领域。

高压ZnO压敏电阻的优点是电压梯度高、大电流特性好，但能量容量小，容易损坏。

解决这一问题的有效方法是开发高压高能型压敏电阻．即提高压敏电阻的电压梯度、非线性系数和减小漏电流。

氧化锌压敏电阻的主要制备方法有：固相法、液相法包覆法、燃烧法、湿化学法等，其中湿化学法包括化学共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、热分解法等。

本次试验采用化学共沉淀法制备氧化锌粉体。

压敏电阻选用的基本知识

的基本知识什么是及其分类与参数压敏电阻器简称VSR,是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件;它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示,图1-21是其电路图形符号;一器的种类压敏电阻器可以按结构、制造过程、使用材料和伏安特性分类;1．按结构分类压敏电阻器按其结构可分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器和薄膜压敏电阻器等;结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触,才具有了非线性特性,而体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的;2．按使用材料分类压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗硅压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种;3．按其伏安特性分类压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器无极性和非对称型压敏电阻器有极性;二的结构特性与作用1．压敏电阻器的结构特性压敏电阻器与普通电阻器不同,它是根据半导体材料的非线性特性制成的;图1-22是压敏电阻器外形,其内部结构如图1-23所示;普通电阻器遵守欧姆定律,而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系;当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器的电阻值接近无穷大, 内部几乎无电流流过;当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时,压敏电阻器将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;当其两端电压低于标称额定电压时,压敏电阻器又能恢复为高阻状态;当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时,压敏电阻器将完全击穿损坏,无法再自行恢复;2．压敏电阻器的作用与应用压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中,起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用;图1-24是压敏电阻器的典型应用电路;三的主要参数压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等;1．压敏电压：MYG05K规定通过的电流为,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K标称电压是指通过1mA直流电流时,压敏电阻器两端的电压值;2．最大允许电压最大限制电压：此电压分交流和直流两种情况,如为交流,则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值,以ACrms表示,所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该最大允许电压的压敏电阻,实际上V1mA与ACrms间彼此是相互关联的,知道了前者也就知道了后者,不过ACrms对使用者更直接,使用者可根据电路工作电压,可以直接按ACrms来选取合适的压敏电阻;在交流回路中,应当有：minU1mA ≥～Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值;上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度;对直流而言在直流回路中,应当有：minU1mA ≥～2Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压;在交流回路中,应当有：minU1mA ≥～Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值;上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度;在信号回路中时,应当有：minU1mA≥～Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压;压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定;一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量;3．通流容量：通流容量也称通流量,是指在规定的条件以规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲峰值电流值;一般过压是一个或一系列的脉冲波;实验压敏电阻所用的冲击波有两种,一种是为8/20μs波,即通常所说的波头为8μs波尾时间为20μs 的脉冲波,另外一种为2ms 的方波,如下图所示：4．最大限制电压：最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值,它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻时次两端所产生的电压此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平V o,否则便达不到可靠的保护目的,通常冲击电流Ip值较大,例如2.5A或者10A,因而压敏电阻对应的最大限制电压Vc相当大,例如MYG7K471其Vc=775Ip=10A时;5．最大能量能量耐量：压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算W=kIVTJ其中I——流过压敏电阻的峰值V——在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压T——电流持续时间k——电流I的波形系数对：2ms的方波k=18/20μs波k=10/1000μs k=压敏电阻对2ms方波,吸收能量可达330J每平方厘米；对8/20μs波,电流密度可达2000A每立方厘米,这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的一般来说压敏电阻的片径越大,它的能量耐量越大,耐冲击电流也越大,选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压,如几十秒、一两分钟出现一次或多次的过电压,这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率;6．电压比：电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为时产生的电压值之比;7．额定功率：在规定的环境温度下所能消耗的最大功率;8．最大峰值电流一次：以8/20μs标准波形的电流作一次冲击的最大电流值,此时压敏电压变化率仍在±10%以内;2次：以8/20μs标准波形的电流作两次冲击的最大电流值,两次冲击时间间隔为5分钟,此时压敏电压变化率仍在±10%以内;9．残压比：流过压敏电阻器的电流为某一值时,在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压;残压比则的残压与标称电压之比;10．漏电流：漏电流又称等待电流,是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下,流过压敏电阻器的电流;11．电压温度系数：电压温度系数是指在规定的温度范围温度为20~70℃内,压敏电阻器标称电压的变化率,即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时,温度改变1℃时压敏电阻两端的相对变化;12．电流温度系数：电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时,温度改变1℃时,流过压敏电阻器电流的相对变化;13．电压非线性系数：电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下,其静态电阻值与动态电阻值之比;14．绝缘电阻：绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线引脚与电阻体绝缘表面之间的电阻值; 15．静态电容：静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量;压敏电阻标称参数n~Un7U/用字母“MY”表示,如加J为家用,后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分别用于稳压、过压保护、高频电路、防雷、灭弧、消噪、补偿、消磁、高能或高可靠等方面;压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量,但不能承受毫安级以上的持续电流,在用作过压保护时必须考虑到这一点;压敏电阻的选用,一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数; W7kLC| Fp_WtTGma41、所谓压敏电压,即击穿电压或阈值电压;指在规定电流下的电压值,大多数情况下用1mA 直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值,其产品的压敏电压范围可以从10－9000V不等;可根据具体需要正确选用;一般V1mA==,式中,Vp为电路额定电压的峰值;VAC为额定交流电压的有效值;ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的,它关系到保护效果与使用寿命;如一台用电器的额定电源电压为220V,则压敏电阻电压值V1mA= =××220V=476V,V1mA==×220V=484V,因此压敏电阻的击穿电压可选在470－480V之间; h\DnOs_kqLf W<im2、所谓通流容量,即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下,对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言,压敏电压的变化不超过±10％时的最大脉冲电流值;为了延长器件的使用寿命,ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量;然而从保护效果出发,要求所选用的通流量大一些好;在许多情况下,实际发生的通流量是很难精确计算的,则选用2－20KA的产品;如手头产品的通流量不能满足使用要求时,可将几只单个的压敏电阻并联使用,并联后的压敏电不变,其通流量为各单只压敏电阻数值之和;要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同,否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻; ow7% P" 9<xaGPb4<1 氧化锌压敏电阻的发展h Air7\1967 年7月,松下电器公司无线电实验室的松冈道雄在研究金属电极—氧化锌陶瓷界面时,无意中发现氧化锌ZnO加氧化铋Bi2O3复合陶瓷具有非线性的伏安特性;进一步实验又发现,如果在以上二元系陶瓷中再加微量的三氧化二锑Sb2O3、三氧化二钴Co2O3、二氧化锰MnO2、三氧化二铬Cr2O3等多种氧化物,这种复合陶瓷的非线性系数可以达到50左右,伏安特性类似两只反并联的齐纳二极管,通流能力不亚于碳化硅SiC 材料,临界击穿电压可以通过改变元件尺寸方便地加以调节,而且这种性能优异的压敏元件通过简单的陶瓷工艺就能制造出来,其性能价格比极高; k+No b理论研究X$XP\ i/1972 年美国通用电气公司GE购买了松下电器公司有关氧化锌压敏材料的大部分专利和技术决窍;自从美国掌握了氧化锌压敏陶瓷的制造技术以后,大规模地进行了这种陶瓷材料的基础研究工作;自80年代起,对氧化锌压敏陶瓷材料的研究逐渐走进了企业;迄今为止,主要的理论研究工作都是在美国完成的;主要的研究课题有：\e n\-y1 以解释宏观电性为目的的导电模型的微观结构的研究70～80年代；qkq-ByATh2 以材料与产品开发为目的的配方机理和烧结工艺的研究70～80年代； .{E=;3 氧化锌压敏陶瓷材料非线性网络拓扑模型的研究80～90年代；YQFIHq54 氧化锌压敏陶瓷复合粉体的制备研究80～90年代；/&{j2`5 纳米材料在氧化锌压敏陶瓷中的应用研究90年代; }5j>Ne研制开发> ck'70 年代末到80年代,基础理论研究取得了重大进展;据不完全统计,截止到1998年,公开发表的论文和专利说明书等累计达700多篇,其中有关基础研究的约占一半;在基础研究的推动下,80～90年代,压敏陶瓷的材料开发速度大大加快,目前已取得的成果有：cGg$Eqh&1 氧化锌压敏陶瓷的电压梯度已从最初的150V/mm扩散到20～250V/mm几十个系列,从集成电路到高压、超高压输电系统都可以使用；04,=TLC5 r2 开发出大尺寸元件,直径达120mm,2ms方波,冲击电流达到1200A,能量容量平均可达300J/cm3左右；|V>7MRD3 汽车用85～120℃工作温度下的高能元件；PQIS0$+4 视在介电常数小于500的高频元件；s/nr/Hh5 压敏—电容双功能电磁兼容EMC元件；CE5^j 5wA6 毫秒级三角波、能量密度750J/cm3以上的低压高能元件；=5}pC1wNtS7 老化特性好、电容量大、陡波响应快的无铋Bi系氧化锌压敏元件；b~d_49S;8 化学共沉淀法和热喷雾分解法压敏电阻复合粉体制备技术；z{JjY9 压敏电阻的微波烧结技术； .92uuD10 无势垒氧化锌大功率线性电阻; UCqsh PuT K-0k 3$9eU2 器的应用原理B5_><|压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件,可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合;压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护,防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流如雷击等而造成对它们的损坏;使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上,当电压瞬间高于某一数值时, 压敏电阻器阻值迅速下降,导通大电流,从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时,压敏电阻器阻值极高,近乎开路,因而不会影响器件或电器设备的正常工作; een'WWl压敏电阻器的应用广泛,压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路;从手持式电子产品到工业设备,其规格与尺寸多种多样;随着手持式电子产品的广泛使用,尤其是、手提电脑、PDA、数字相机、医疗仪器等,其电路系统的速度要求更高,并且要求工作电压更低,这就对压敏电阻器提出了体积更小、性能更高的要求;因此,表面组装的压敏电阻器元件也就开始大量涌现,而其销售年增长率要高于有引线的压敏电阻器一倍多; +bKzzB'预计2002年压敏电阻器的市场增长率为13％,其中,多层片式压敏电阻器市场增长率为20％～30％,径向引线产品增长率为5％～10％;需求主要来自于电源设备,包括DC电源设备、不间断电源,以及新的消费类电子产品,如数字音频/视频设备、视频游戏,数字相机等;片式压敏电阻器已占美国市场销售总额的40％～45％;0402尺寸的片式压敏电阻器最受欢迎;0201尺寸的产品尚未上市;AVX公司的0402片式压敏电阻器有、9V、14V 和18V等几种电压范围的产品,它们的额定功率为50mJ,典型电容值范围从90pF18V的产品～360pF的产品; MaidaDevelopment公司也生产片式系列的压敏电阻器,但目前只推出了非标准尺寸的产品,1210、1206、0805、0603和0402 的产品正在试产; eBfyQuLittelfuse 公司在2000年底前推出0201的产品;AVX和Littelfuse公司已推出电压抑制器阵列,如AVX推出的Multiguard系列四联多层陶瓷瞬态电压抑制器阵列即压敏电阻器阵列已经被市场接纳;可节省50％的板上空间,75％的生产装配成本;Multiguad系列采用1206型规格;其中有一种双联元件采用0805规格,工作电压有、9V、14V和18V等几种,额定功率为;AVX公司推出Transfeed多层陶瓷瞬态电压抑制器;该产品综合了公司Transguard系列压敏电阻器和Feedthru系列电容器/滤波器的功能;采用0805规格;该组件具有性能优势,更快的导通时间或称响应时间,在200ps～250ps之间和更小的并行系数; 6z^X'0Littelfuse 制造的MLN浪涌阵列组件1206规格,内装4只多层压敏电阻器;该产品的ESD达到IEC671000－4－2第四级水平;其主要特性包括：感抗1nH,相邻通道串扰典型值50dB频率1MHz时,在额定电压工作状态下,漏电流为5A,工作电压高达18V,电容值可由用户指定;这种MLN 贴片组件可用于板级ESD保护,应用领域包括手持式产品、电脑产品、工业及医疗仪器等; lZ prD= EPCOS公司推出了T4N－A230XFV集成浪涌抑制器,内含两只压敏电阻器和一种短路装置;该产品用于电信中心局和用户线一侧的通信设备保护; PS;6g$NM= 9q%s\3.压敏电阻的选用压敏电阻是一种限压型保护器件;利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护;压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等;压敏电阻的响应时间为ns级,比空气放电管快,比TVS管稍慢一些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求;压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中,应用在交流电路的保护中时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑;压敏电阻的通流容量较大,但比气体放电管小;压敏电阻的压敏电压minU1mA、通流容量是电路设计时应重点考虑的;在直流回路中,应当有：minU1mA ≥～2Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压;在交流回路中,应当有：minU1mA ≥～Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值;上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度;在信号回路中时,应当有：minU1mA≥～Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压;压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定;一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量;选用压敏电阻器前,应先了解以下相关技术参数：●标称电压即压敏电压是指在规定的温度和直流电流下,压敏电阻器两端的电压值;●漏电流：指在25℃条件下,当施加最大连续直流电压时,压敏电阻器中流过的电流值;●等级电压是指压敏电阻中通过8／20等级电流脉冲时在其两端呈现的电压峰值;●通流量是表示施加规定的脉冲电流8／20μs波形时的峰值电流;●浪涌环境参数包括最大浪涌电流Ipm或最大浪涌电压Vpm和浪涌源阻抗Zo、浪涌脉冲宽度Tt、相邻两次浪涌的最小时间间隔Tm以及在压敏电阻器的预定工作寿命期内,浪涌脉冲的总次数N等;a．压敏电压的选取一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值;对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值, 一般应使用下式进行选择：＝av／bcVmA式中：a为电路电压波动系数,一般取1．2；v为电路直流工作电压交流时为有效值；b为压敏电压误差,一般取0．85；c为元件的老化系数,一般取0．9；实际数值是直流工作电压的1．5倍,在交流状态下还要考虑峰值,因此计这样计算得到的VmA算结果应扩大1．414倍;另外,选用时还必须注意：1必须保证在电压波动最大时,连续工作电压也不会超过最大允许值,否则将缩短压敏电阻的使用寿命；2在电源线与大地间使用压敏电阻时,有时由于接地不良而使线与地之间电压上升,所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器;b．通流量的选取通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值;而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数,当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍,所以在实际应用中,压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量;c．应用图1所示是采用压敏电压器进行电路浪涌和瞬变防护时的电路连接图;对于压敏电阻的应用连接,大致可分为四种类型：第一种类型是电源线之间或电源线和大地之间的连接,如图1a所示;作为压敏电阻器,最具有代表性的使用场合是在电源线及长距离传输的信号线遇到雷击而使导线存在浪涌脉冲等情况下对电子产品起保护作用;一般在线间接入压敏电阻器可对线间的感应脉冲有效,而在线与地间接入压敏电阻则对传输线和大地间的感应脉冲有效;若进一步将线间连接与线地连接两种形式组合起来,则可对浪涌脉冲有更好的吸收作用;第二种类型为负荷中的连接,见图1b;它主要用于对感性负载突然开闭引起的感应脉冲进行吸收,以防止元件受到破坏;一般来说,只要并联在感性负载上就可以了,但根据电流种类和能量大小的不同,可以考虑与R－C串联吸收电路合用;第三种类型是接点间的连接,见图1c;这种连接主要是为了防止感应电荷开关接点被电弧烧坏的情况发生,一般与接点并联接入压敏电阻器即可;第四种类型主要用于半导体器件的保护连接,见图1d;这种连接方式主要用于可控硅、大功率三极管等半导体器件,一般采用与保护器件并联的方式,以限制电压低于被保护器件的耐压等级,这对半导体器件是一种有效的保护;在电子镇流器和节能灯过压保护的压敏电阻,一般小于20W选用MYG07K系列,30W-40W一般选用MYG10系列的压敏电阻做过压保护4 氧化锌存在的问题现有压敏电阻在配方和性能上分为相互不能替代的两大类：高压型压敏电阻高压型压敏电阻,其优点是电压梯度高100～250V/mm、大电流特性好V10kA/V1mA≤但仅对窄脉宽2≤ms的过压和浪涌有理想的防护能力,能量密度较小,50～300J/cm3;高能型压敏电阻高能型压敏电阻,其优点是能量密度较大300J/cm3～750J/cm3,承受长脉宽浪涌能力强,但电压梯度较低20V/mm～500V/mm,大电流特性差V10kA/V1mA>;这两种配方的性能差别造成了许多应用上的“死区”,例如：在10kV电压等级的输配电系统中已经广泛采用了真空开关,由于它动作速度快、拉弧小,会在操作瞬间造成极高过压和浪涌能量,如果选用高压型压敏电阻加以保护如氧化锌避雷器,虽然它电压梯度高、成本较低,但能量容量小,容易损坏；如果选用高能型压敏电阻,虽然它能量容量大,寿命较长,但电压梯度低,成本太高,是前者的5～13倍;在中小功率变频电源中,过压保护的对象是功率半导体器件,它对压敏电阻的大电流特性和能量容量的要求都很严格,而且要同时做到元件的小型化;高能型压敏电阻在能量容量上可以满足要求,但大电流性能不够理想,小直径元件的残压比较高,往往达不到限压要求；高压型压敏电阻的大电流特性较好,易于小型化,但能量容量不够,达不到吸能要求;目前中小功率变频电源在国内外发展非常迅速,国内销售量已近100亿元/年,但压敏电阻在这一领域的应用几乎还是空白;压敏电阻的失效模式主要是短路,当通过的过电流太大时,也可能造成阀片被炸裂而开路;压敏电阻使用寿命较短,多次冲击后性能会下降;因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题;解决上述问题的有效方法是提高高压型压敏电阻的能量密度,或提高高能型压敏电阻的电压梯度和非线性系数降低残压比,即开发高压高能型压敏电阻;5 应用纳米材料改性压敏电阻氧化锌压敏陶瓷属体型压敏材料,电压、电流特性对称,压敏电压和通流能力可以控制,具有很高的非线性系数,成为当今压敏材料中的一个重要分支;为了解决高压型压敏电阻与高能型压敏电阻应用上的“死区”,提出添加纳米材料进行压敏电阻改性实验研究,制得高压高能型压敏电阻,将能大幅度提高电压梯度、非线性系数和能量密度;到目前为止,在亚微米级前驱粉体基础上进行的各种传统改性研究粉体制备方法的改进、配方和烧结工艺调整等,均无法解决高压高能问题,实现高压高能压敏电阻是公认的难题;压敏行业的专家普遍认为：发展多学科交研究,利用新技术、新材料对压敏电阻进行改性是解决问题的关键;在各种新技术、新材料的应用方面,纳米材料已得到广泛重视,也正在形成一种新的发展趋势;目前国内外有相当一批学者正在着手这方面的研究,初步研究结果已经显示出采用纳米材料是实现高压高能的有效途径;在国外由前南斯拉夫塞尔维亚科学院Milosevic1994年使用高能球磨法,制成平均粒径100nm以下的复合ZnO压敏电阻粉末,经高温烧结而成的压敏电阻,非线性系数达到45,烧成密度达到理论密度的99％,而且漏电流比较小;由此可见,纳米材料可以大幅度提高电压梯度、非线性系数即降低残压比,改善大电流特性和能量密度,对实现压敏电阻和高压高能具有重要意义;但是,当前文献报道所涉及的研究方法仅限于全部使用纳米材料,这种方法工艺复杂、成本高,不便于生产应用;而在采用纳米添加法领域内使用少量或微量的纳米粉与亚微米粉相结合的方法,对压敏电阻进行改性研究,这种方法的优点在于：纳米添加法具有选择性,可根据不同的应用需要,有目的地进行单组份纳米添加实验,寻求改性效果最佳的纳米材料和添加比例,因而原料成本不会大幅度增加;制备方法简单,基本上改变压敏电阻的现有生产方法,研究成果便于直接应用到生产实际中去;6 结论。

脉冲电场下ZnO压敏陶瓷动态击穿过程研究

脉冲电场下ZnO压敏陶瓷动态击穿过程研究祝志祥;高志鹏;朱承治;张强;朱思宇;卢成嘉;刘艺;杨佳;吴超峰;曹林洪;王轲【摘要】陶瓷电击穿问题涉及热、光、电多场耦合效应,一直是非平衡物理学研究的重点和热点.本工作在不同烧结温度下制备了晶粒尺寸大小不同的氧化锌陶瓷,采用脉冲高压发生装置对陶瓷进行击穿实验,通过对陶瓷击穿过程的分析和对比,研究了ZnO陶瓷体击穿的时间步骤.结果显示,不同晶粒大小的陶瓷击穿过程均在7μs 之内,典型的压降曲线分为三个阶段.第一个阶段对应于材料中的气孔击穿和击穿通道初步形成;第二阶段对应于晶界击穿;第三个阶段是导电通道的完全形成.研究数据显示,晶粒击穿过程的持续时间最长,晶界次之,气孔的击穿时间最短.不同烧结温度下,样品晶界和晶粒的击穿时间以及气孔的击穿速度均存在差异.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2019(034)007【总页数】6页(P715-720)【关键词】ZnO陶瓷;多晶材料;击穿过程;脉冲电压【作者】祝志祥;高志鹏;朱承治;张强;朱思宇;卢成嘉;刘艺;杨佳;吴超峰;曹林洪;王轲【作者单位】全球能源互联网研究院有限公司电工新材料研究所,先进输电技术国家重点实验室,北京 102211;中国工程物理研究院流体物理研究所,冲击波物理与爆轰物理重点实验室,绵阳 621900;国网浙江省电力有限公司,杭州310007;全球能源互联网研究院有限公司电工新材料研究所,先进输电技术国家重点实验室,北京102211;西南科技大学材料科学与工程学院,绵阳 621000;中国工程物理研究院流体物理研究所,冲击波物理与爆轰物理重点实验室,绵阳 621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,冲击波物理与爆轰物理重点实验室,绵阳 621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,冲击波物理与爆轰物理重点实验室,绵阳 621900;清华大学材料科学与工程学院,北京 100084;西南科技大学材料科学与工程学院,绵阳621000;清华大学材料科学与工程学院,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TN3041967年日本松下公司首先开发出ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷[1], 由于其优异的非线性系数、极快的响应速度、较高的通流能力以及低廉的工艺成本, 被广泛应用于电过载保护领域, 如高压输电系统中的电涌保护器以及防雷系统中的避雷器等。

第五章-敏感陶瓷

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这种巨变温度热敏电阻变化具有再现性和可逆性，故可作电气开关或温度探测器。这一特定温度称临界温度。
电阻值的急剧变化，通常是随温度的升高，在临界温度附近，电阻值急剧减小。
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V是易变价元素，它有5价、4价等多种价态，因此，V系有多种氧化物，如V2O5、VO2 、V2O3、VO等。
这些氧化物各有不同的临界温度。每种V 系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb 、La、Ag等氧化物形成多元系化合物，可上、下移动其临界温度。
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其中，Fe2O3有两种陶瓷制品：－Fe2O3 和－Fe2O3均被发现具有气敏特性。
－Fe2O3具有刚玉型晶体结构。从热稳定性来看－Fe2O3较优，但从灵敏度而言则比－Fe2O3差。
50
Fe2O3系气敏陶瓷最大的特点是不用贵金属做催化剂也能得到较高的催化性，高温下热稳定性好。
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三元系有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、 Mn-Cu-Co等Mn系和Cu-Fe-Ni、Cu-FeCo等非Mn系。
在含Mn的三元系中，随着Mn含量的增大，电阻率增大。
此外，还有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。
21
工作温度在300℃以上的热敏电阻(NTC) 常称为高温热敏电阻。
高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其在汽车空气／燃料比传感器方面，有很大的实用价值。
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷等。
7
另外，在晶界处也会产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。
这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电学性能的显著变化。

烧结温度对ZnO压敏陶瓷电性能的影响

烧结温度对ZnO压敏陶瓷电性能的影响夏昌其;钟春燕;李自立【摘要】为了获得高电位梯度氧化锌压敏电阻片,采用了传统陶瓷烧结工艺制备ZnO压敏电阻,研究不同烧结温度(1135～1155℃)对ZnO压敏电阻器电性能的影响.实验结果表明,随着烧结温度的增加,ZnO压敏陶瓷的晶粒尺寸增大,电位梯度降低且致密度提高.烧结温度为1135℃时,压敏电阻的电位梯度高达329V/mm,漏电流为8μA,致密度为96.4％.当烧结温度为1140℃时,压敏电阻的电位梯度为301V/mm,漏电流为4μA,致密度为96.6％.通过比较烧结温度为1135℃和1140℃的实验结果,发现烧结温度为1140℃时,ZnO压敏陶瓷的综合电性能达到最佳.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】3页(P71-73)【关键词】ZnO压敏陶瓷;烧结温度;电位梯度【作者】夏昌其;钟春燕;李自立【作者单位】贵州工业职业技术学院,贵州贵阳 550008;贵州工业职业技术学院,贵州贵阳 550008;贵州工业职业技术学院,贵州贵阳 550008【正文语种】中文【中图分类】TB34氧化锌压敏电阻片作为避雷器吸收浪涌和过电压保护的核心元件，以其非线性系数大、响应速度快、通流能力强等优异的电学性能而被广泛应用于高压电网、城市地铁、轻轨直流供电线路以及铁路电网系统[1-2]。

随着我国城市轨道交通、高速铁路的迅猛发展以及特高压输电线路的建设，输电设备的安全性及可靠性要求也越来越高。

ZnO压敏电阻片性能好坏将直接影响到避雷器的保护水平，同时，在特高压输电系统中，对避雷器的安全性、稳定性、重量和体积小型化也提出了更高的要求。

为加快我国电力、电子行业的发展，摆脱对国外产品和技术的依赖，研制出高电位梯度大通流容量的氧化锌压敏电阻片具有非常重要的现实意义和经济价值[3-4]。

为获得电位梯度高，同时又能降低生产成本的ZnO压敏电阻片，本文采用传统陶瓷工艺制备ZnO压敏电阻片，研究了不同烧结温度对ZnO压敏电阻片电性能的影响。

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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。

图 2 ZnO压敏电阻微观结构
次晶界，由于ZnO晶粒的晶格取向各不相同及粉粒周围异物的作用，大小不同的粉粒不会立即形成结构完整的晶体，致使聚集体形成时内部存在许多的小界面，称之为次晶界。

随烧结温度升高，粉粒内部的离子可以获得愈来愈高的能量，更加容易迁移，则聚集体内较大的粉粒可以逐渐吞噬较小的粉粒，聚集体也渐渐地向完整晶体转化，次晶界数目减少;另一方面，由于离子的扩散作用，粉粒间的其他添加剂也向粉粒内部或其表面迁移，所以粉粒结合得也更紧密。

由此可知，烧结温度可促使次晶界消失。

7.应用前景
当前, 电气行业的应用发展逐渐向低压化、高压化、高能化、大型化等自控装置发展。

实际应用的需求刺激了ZnO 陶瓷性能不断提高和改善, 使之能够不断吸收各种类型的非正常电压。

目前,ZnO 压敏陶瓷的应用范围,从集成电路直流电压SV 到变电站交流电压75Ok V, 吸收能量从1J 到数百kJ, 所抑制的过电压包括雷电过电压、操作过电压、静电放电及噪声脉冲等, 并广泛应用于电力系统和电子线路, 作为稳压和瞬态过电压保护。

由此可见,随着Z n O 压敏陶瓷性能的进一步提高和应用技术的拓展,它的应用将更加广阔。

因此, 研究者要从技术创新、工艺创新等方面制备和开发ZnO 压敏陶瓷, 不断提高其性能指标。

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