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。非线性系数一般用α表示，其计算公式为：

α=1

212lg lg lg lg V V I I -- （2-1) 式中，V 1、V 2分别对应压敏电阻上通过电流I 1、I 2时的电压。一般取I 1=0.1mA 、I 2=1mA

时分别对应的电压V 0.1mA 、V 1mA 来计算，因此式(2-1)可进一步简化为：

α=1/lg mA

mA V V 1.01 (2-2 ) 本实验采用式(2-2 )来计算非线性系数α的值。

三、实验试剂与仪器

1. 试剂：氧化锌、三氧化二铋、二氧化锰、银浆。

2. 仪器：电子天平、球磨机及球磨罐、研钵、50目筛子、干燥箱、压片机、箱式电阻炉、MY-4C 型压敏电阻测试仪。

四、实验步骤

1. 按照摩尔比为98%ZnO 、1%Bi2O3、1%MnO2,其中取ZnO 为5g,计算其他两种原料的质量，并称取原料；

2. 将原料放入球磨罐里，加入适量的去离子水，球磨4小时。

3. 将球磨后的原料在烘箱烘干。

4. 研磨原料，随后选用50目的网筛进行过筛。

5. 按0.8wt%的比例添加PV A ，再进行步骤4，随后进行压片。

6. 将压好的片子在箱式电阻炉中650o C 保温2h 排塑，冷却后，在1000o C 保温2h 烧结。

7. 将烧结后的试样涂银，烧银后测量其压敏特性，即非线性系数。

8. 在压敏测试仪上分别测量试样电流在1mA 和0.1mA 下的电压，按照公式（1-2）求出非线性系数。

五、注意事项

1. 球磨过程中，加入的水要适量，以刚淹没锆球为宜。如果球磨时间不够，粉料粒度较大其不能均匀混合；如果时间太长，由于原子团聚作用，球磨效率降低，因此球磨时间定为4小时。

2. 压片成型过程中，成型压力过大，成品易碎、分层；压力过小则不利于成型。实验中选用的压力为3~5MP ，压制的片子厚度为1mm 左右，直径为12mm 。

3. 烧结是坯体在高温下发生一系列物理化学变化，形成预期化学组成和微观机构的过程。它是整个工艺中的关键，必须制定正确的烧结制定，根据本实验的原料成瓷机理，选用5o C/min 升至1000o C 保温2h 。

4. 烧结好的陶瓷片在涂银前需要用石英砂磨平，其目的是磨去瓷体表面的高阻层。

六、思考题

1. 实验过程中为什么要将原料进行球磨，球磨过程中加入的水过多会怎样？

2. 加入PV A 的目的是什么？

3. 测量非线性系数时，电流为1mA 和0.1mA 下的电压差距越大非线性系数越高，还是差距越小，系数越高？