压敏陶瓷材料设计

材料化学专业科研训练（材料设计）

题目:压敏陶瓷材料设计

班级学号:材化09-1

姓名:

指导教师:

理工大学化学与环境工程学院

2012年01月5日

摘要

压敏陶瓷是指电阻值与外加电压成显著的非直线性关系的半导体陶瓷。本文介绍了压敏陶瓷的应用和发展前景以及压敏陶瓷的分类，并以ZnO压敏陶瓷为例对压敏陶瓷的电性能、工艺原理和导电机理进行了介绍。最后论述了对ZnO压敏陶瓷进行提高致密度、掺杂Nb2O5，NaCO3、改变组分等一系列的改性的方法以及原理，使其有更优越的压敏性能。

目录

摘要...................................................................................................................... I 第1章绪论 . (4)

1.1 压敏陶瓷材料介绍 (4)

1.1.1 压敏陶瓷发展及前景 (4)

1.1.2 压敏电阻的应用 (5)

1.1.3 压敏陶瓷分类 (6)

第2章压敏陶瓷工作原理及性能 (8)

2.1 电流电压（I-V）特性 (8)

2.2 非线性系数α (8)

2.3 材料常数C (9)

2.4 漏电流 (10)

2.5 电压温度系数 (10)

2.6 残压比 (11)

2.7 相对介电常数ε (11)

第3章ZnO压敏特性的优化设计 (12)

3.1 基本理论 (12)

3.2 降低压敏电压的改性 (13)

3.2.1 提高烧结致密度 (13)

3.2.2 掺杂施主杂质Nb2O5 (14)

3.3 增大压敏电压的改性 (14)

3.3.1 改变组分 (14)

3.3.2 掺杂受主杂质Na2CO3 (15)

总结 (16)

参考文献 (17)

第1章绪论

1.1压敏陶瓷材料介绍

压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷，具有非线性伏安特性，在某一临界电压下，压敏电阻陶瓷电阻值非常高，几乎没有电流，但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并有电流通过，随电压的少许增加，电流会很快增大。使用时加上电极包封即成为压敏电阻器。英文全名为variable resistor，简称varistor，故又称变阻器[1]。压敏陶瓷材料是指在某一特定电压围具有非线性欧姆（V-I）特性、其电阻值随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。根据这种非线性V-I特性，可以用这种半导体陶瓷材料制成非线性电阻元件，即压敏电阻器。压敏电阻器的应用很广，可以用于抑制电压浪涌、过电压保护。由于压敏电阻器在保护电力设备安全、保障电子仪器正常稳定工作方面有重要作用，且由于其造价低廉，制作方便，因此在航天、航空、国防、电力、通讯、交通和家用电器等许多领域得以广泛的应用。

按照外形和结构的特征，压敏电阻器可分为：单层结构压敏电阻器、多层结构压敏电阻器（multilayer varistor, MLV）和避雷器用压敏电阻片（亦称阀片）。根据其工作电压，压敏电阻器可分为低压压敏电阻器和高压避雷器阀片[2]。

1.1.1压敏陶瓷发展及前景

1.1.1.1发展现状

目前商品化的压敏电阻器来自ZnO、TiO、SrTiO等不同体系的压敏陶

瓷系列。其中性能优异，应用最广的当属从20世纪60年代末发展起来的ZnO压敏电阻。ZnO压敏电阻器一般是由ZnO粉料按照配方要求，添加有Bi、Sb、Mn、Co、Cr等金属氧化物，通过常规电子陶瓷制备工艺经高温烧结而成。晶相结构为固溶有Mn、Co的ZnO主晶相，富Bi晶间相和小颗粒状的尖晶石相。ZnO压敏电阻具有优秀的非线性欧姆特性、通流能量以及老化特性。然而，新型低电位梯度压敏电阻器以及新型高电位梯度避雷器阀片的研制仍然是科研院所和生产厂家研发的重点。而近期报道的新型压敏材料SnO 压敏陶瓷具有高电位梯度以及与ZnO压敏电阻器相类似高非线性欧姆特性，目前也正处于从研发到商业化的过渡阶段。

1.1.1.2氧化锌压敏陶瓷

氧化锌半导体陶瓷制成的压敏电阻器（ZNR,Zinc Nonlinear resistor）,由于其造价低廉、制造方便、非线性系数大、响应时间快、残压低、电压温度系数小、泄漏电流小等独特性能，能起到过压保护、抗雷击、抑制瞬间脉冲的作用，而广泛应用于电力（交、直流输配电）、交通、通讯、工业保护、电子、军事等领域。

随着电力的发展和电网的改造，电子信息、家电行业的发展，对压敏电阻器的需求量越来越大，对性能的要求将越来越高，特别是军事装备的现代化、信息化，对压敏电阻器的性能提出了更高的要求。目前，我国高性能的ZNR还主要依靠进口，研究高性能ZnO压敏电阻器（ZNR）具有重大的经济和社会效益[3]。

1.1.2压敏电阻的应用

压敏电阻的应用非常广泛，主要集中应用介绍如下。

1.1.

2.1过电压保护

压敏电阻器作为过电压保护的特点是：电子设备和仪器工作正常时，

被保护设备的输入工作电压处于（I-V）特性曲线的预击穿区电压。发生异常大的过电压时，其工作点立即进入非线性的击穿区域，通过压敏电阻的电流可比正常工作时高几个数量级，这样可将浪涌电流吸收掉，并将浪涌电压降落到与其串联的浪涌源阻上，防止了由于过电压使电子设备烧毁的事故发生。主要包括：电子设备的过压保护、交流输电线路的防雷保护、直流电源供电线路的防雷保护、整流设备中的操作过电压防护、继电器的触点及线圈的保护、晶体管的过压保护等。

1.1.

2.2压敏电阻器在稳压方面的应用

压敏电阻器的稳压作用也是来源于（I-V）特性曲线。为了保证稳压效果，稳压用压敏电阻器的工作点应选在预击穿区与击穿区临界附近的高a值处。压敏电阻在正常工作时会有较大的电流和功耗，造成温升。所以要求压敏电阻的a大和电压温度系数小，以保证长期使用性能稳定。主要包括：机线路均衡器、电视机显像管阳极高压稳压器等[4]。

1.1.3压敏陶瓷分类

1.1.3.1低压压敏电阻

通常低压压敏电阻器包括浪涌保护器（surge protection device, SPD）所用ZnO压敏电阻器。目前，国用于SPD的ZnO压敏电阻器的生产基本成熟。随着信息技术的飞速发展，电子元件的高性能、小型化、多功能、高稳定性成了发展的必然趋势，研究人员更为关注的是如何研制低电位梯度（每毫米厚度压敏电压几十伏甚至几伏）的压敏电阻器，以满足各类精密小型电子设备的需求。低电位梯度压敏电阻材料包括SrTiO 系和TiO系压敏陶瓷，多层结构压敏电阻器（MLV）和ZnO基低压压敏陶瓷。

1.1.3.2高压避雷器阀片

ZnO压敏电阻的一大应用领域是在电力系统，被用作避雷器的核心元