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TiO_2，V_2O_5掺杂ZnO-Bi_2O_5基低压压敏陶瓷的低温制备及性能研究

作　者: 巨锦华
导　师: 王华
学　校: 桂林电子科技大学
专　业:
关键词: 压敏陶瓷 微结构 压敏电压梯度 非线性系数 漏电流密度
分类号: TM283
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


ZnO压敏陶瓷以其非线性系数高、响应速度快、漏电流小和残压低等优势，广泛应用于电子、电力等领域。低温制备低电压ZnO压敏陶瓷是今后压敏陶瓷研究和发展的方向。本文首先采用固相反应法以Ti掺杂Zn-Bi基来降低压敏陶瓷的压敏电压，得到最佳工艺条件，并对其性能进行表征；在此基础上采用固相反应法以V掺杂Zn-Bi-Ti基来降低压敏陶瓷的烧结温度，得到最佳工艺条件，并对其性能进行表征；最后，采用溶液包裹法，制备Ti、V掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷，与固相法进行了比较。固相法制备Ti掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷的研究表明：TiO2的掺杂量在03.0mol%之间时，TiO2能促进ZnO晶粒的生长，且随着掺杂含量的增加，ZnO的晶粒尺寸长大。当TiO2含量过大时，将与ZnO反应生成尖晶石相Zn2TiO4，它会钉扎在晶界处阻碍ZnO晶粒的长大。当升温速度为2℃/min，在1050℃保温2h，TiO2掺杂量为1.0mol%时，压敏陶瓷的综合性能最好，晶粒发育完全，大小较为均一，平均晶粒尺寸约为35μm；陶瓷体的密度为5.44g/cm3，相对密度为97%；压敏电压梯度最低为21.60V/mm，非线性系数最高为33，漏电流密度最小为0.020μA/mm2。通过对交流阻抗谱的研究发现，TiO2的掺杂对压敏陶瓷晶界的影响最为明显，对晶粒几乎无影响；阻抗谱在低频区域的效应说明晶界电阻是压敏陶瓷电阻的主要贡献者；同时，指出了压敏陶瓷内部等效于R（RC）（RC）的器件结构。在Ti掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷的基础上，固相反应法制备V掺杂Zn-Bi-Ti压敏陶瓷的研究表明：烧结温度过低时，ZnO晶粒尺寸过小，且大小不均匀；烧结温度过高时，部分晶粒异常长大使得尺寸不均一；所以，最佳烧结温度为980℃。当V2O5掺杂量在0.0050.20mol%之间，升温速率为5℃/min，在980℃保温4h，掺杂量为0.02mol%时，其压敏电压梯度最低为27.2V/mm，掺杂量为0.01mol%时，压敏电压梯度为31.1V/mm，漏电流密度最小为0.02μA/mm2，非线性系数最大为25，施主浓度Nd出现最小值为0.810×1018cm-3，耗尽层宽度?最大值为32.49nm，界面态密度Ns最小值为2.632×1012cm-2，同时，出现了较高的势垒高度?B为0.908eV。最后，采用溶液包裹法，制备Ti、V掺杂Zn-Bi基低压压敏陶瓷，其压敏电压梯度、漏电流密度及非线性系数分别64.8V/mm、0.03μA/mm2和19.6。与固相法比较性能略差，其主要原因是溶液包裹法所得到的粉体粒径平均尺寸为2.54μm，比表面积为3.74m2/c.c.；而采用固相法制得的粉体粒径平均尺寸为2.00μm，比表面积为3.98m2/c.c.。由于颗粒尺寸越小，反应体系比表面积越大，反应界面和扩散截面也相应增加，因此固相法的反应速率增大，导致在相同的烧结工艺条件下固相法的性能优于包裹法。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪论  9-20
  §1.1 压敏陶瓷概述  9-10
  §1.2 ZnO 压敏陶瓷  10-16
    §1.2.1 ZnO 压敏陶瓷的压敏特性及主要性能参数  10-12
    §1.2.2 ZnO 压敏陶瓷的显微结构  12-14
    §1.2.3 ZnO 压敏陶瓷在工程中的应用及原理  14-16
  §1.3 ZnO 压敏陶瓷的研究状况及发展趋势  16-18
    §1.3.1 导电机理研究  16
    §1.3.2 添加剂的研究  16-17
    §1.3.3 发展趋势  17-18
  §1.4 本文的研究意义和主要内容  18-19
    §1.4.1 本文的研究意义  18
    §1.4.2 主要研究内容  18-19
  §1.5 本文的创新点及先进性  19-20
第二章 ZnO 压敏陶瓷低压化和低温化的方法  20-24
  §2.1 低压化方法  20-22
    §2.1.1 减小ZnO 压敏陶瓷的厚度  20
    §2.1.2 增大ZnO 晶粒平均尺寸  20-21
    §2.1.3 降低单晶界层的击穿电压  21-22
  §2.2 低温化方法  22-24
第三章 TiO_2,V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基压敏陶瓷的制备及性能表征  24-28
  §3.1 TiO_2,V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷的制备工艺与方法  24-26
    §3.1.1 实验工艺流程  24
    §3.1.2 实验用主要原料和主要设备  24-26
  §3.2 ZnO 压敏陶瓷性能表征  26-28
    §3.2.1 X 射线衍射分析（XRD）  26
    §3.2.2 扫描电子显微镜分析（SEM）  26
    §3.2.3 陶瓷体相对密度测试  26-27
    §3.2.4 压敏和E-J 性能测试  27
    §3.2.5 介电性能测试  27
    §3.2.6 阻抗性能测试  27-28
第四章 TiO_2 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基压敏陶瓷的影响  28-49
  §4.1 引言  28
  §4.2 TiO_2 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷的制备及性能测试  28-29
  §4.3 TiO 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷的性能研究  29-48
    §4 3.1 TiO_2 掺杂含量对ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷结构和性能的影响  30-40
    §4.3.2 烧结温度对TiO_2 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷性能的影响  40-46
    §4.3.3 升温速率对TiO_2 掺杂ZnO-Bi_2O_3 基陶瓷性能的影响  46-48
  §4.4 结论  48-49
第五章 V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2 基压敏陶瓷的影响  49-67
  §5.1 引言  49
  §5.2 V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2 基陶瓷的制备及性能测试  49
  §5.3 烧结工艺对V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2 基压敏陶瓷性能的影响  49-59
    §5.3.1 烧结温度对V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2基压敏陶瓷性能的影响  49-54
    §5.3.2 保温时间对V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2基陶瓷性能的影响  54-57
    §5.3.3 升温速率对V_2O_5 掺杂ZnO-Bi_2O_3-TiO_2基陶瓷性能的影响  57-59
  §5 4 V_2O_5 掺杂含量对ZnO-Bi_2O_3-TiO_2 基陶瓷性能的影响  59-66
    §5.4.1 XRD 分析  59
    §5.4.2 SEM 分析  59-60
    §5.4.3 致密性及晶粒尺寸分析  60-61
    §5.4.4 压敏性能分析  61-62
    §5.4.5 介电性能分析  62-63
    §5.4.6 E-J 特性分析  63-66
  §5.5 结论  66-67
第六章 包裹法制备ZnO-Bi_2O_3-TiO_2-V_2O_5 基压敏陶瓷及与固相法的性能比较  67-71
  §6.1 引言  67
  §6.2 包裹法制备ZnO-Bi_2O_3-TiO_2-V_2O_5 基压敏陶瓷  67
  §6.3 包裹法与固相法性能参数比较  67-68
  §6.4 结果分析  68-70
    §6.4.1 XRD 分析  68
    §6.4.2 粒度分析  68-70
  §6.5 结论  70-71
第七章 总结及对后续工作的建议  71-73
  §7.1 总结  71-72
  §7.2 对后续工作的建议  72-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
作者在攻读硕士期间主要研究成果  78

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 半导体陶瓷材料
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