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稀土氧化物掺杂改性氧化锌压敏电阻的研究

作　者: 洪秀成
导　师: 肖汉宁；成茵
学　校: 长沙理工大学
专　业: 材料学
关键词: 氧化锌压敏电阻片稀土氧化物掺杂电性能晶粒生长
分类号: TM54
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO压敏电阻片是以ZnO为主要成分,添加某种压敏形成剂(如Bi₂O₃和Pr₆O₁₁)以及其他多种金属氧化物,经高温烧结而成的半导体陶瓷,在高压输变电线路、城市地铁和电气化铁路接触网系统中应用广泛。高性能ZnO压敏电阻片作为ZnO避雷器的核心部件,其性能及制造技术直接制约着ZnO避雷器的发展。因此,提高ZnO压敏电阻片的性能是高压电网系统中加强对雷电浪涌防护的重要研究课题。本文通过稀土氧化物掺杂进行成分优化,制备高压输变电用Bi₂O₃系ZnO压敏电阻片,探讨了不同烧结工艺下的晶粒生长动力学,并研究开发新型Pr₆O₁₁系ZnO压敏电阻片以改善Bi₂O₃系压敏电阻片添加物多、Bi₂O₃易挥发及高电阻抗性等缺点。在稀土氧化物掺杂量为0.2⁰.8mol%范围内,探讨了稀土氧化物（Y₂O₃、Er₂O₃）及掺杂量对Bi₂O₃系ZnO压敏电阻片微观结构和电性能的影响,得出最佳的稀土氧化物及其掺杂区间。实验结果表明:掺杂0.6mol%Y₂O₃时,试样的综合性能最佳,其性能指标分别为:电位梯度:505V/mm;非线性系数:29.6;漏电流:345μA。研究了Y₂O₃掺杂ZnO-Bi2O3压敏电阻片晶粒生长动力学。实验结果表明:试样的平均晶粒尺寸,随着烧结温度的提高和烧结时间的延长而长大。当掺杂0.6mol% Y₂O₃的ZnO压敏电阻片在1030℃下烧结保温2h后,试样的平均晶粒尺寸最小,约为1.5μm;1070℃下烧结保温8h的试样平均晶粒尺寸最大,约为4.2μm。根据晶粒生长动力学方程,计算得到掺杂0.6mol%Y₂O₃的ZnO-Bi₂O₃压敏电阻片的晶粒生长动力学指数n=4,晶粒生长活化能Q=1182kJ/mol。探讨了添加不同CeO2含量对Pr₆O₁₁系ZnO压敏电阻片显微结构及电性能的影响,以期能满足特高压输变电用高电位梯度的应用需求。结果表明:随着CeO₂掺杂量的增加,ZnO-Pr₆O₁₁系压敏电阻片电位梯度和非线性系数有明显的提高,在掺杂量为1.0mol%时达到峰值,分别为548V/mm和42。XRD、SEM检测分析表明:CeO2并不与ZnO及其他氧化物生成新相,而是以CeO₂的形式独立存在,抑制了（Zn_i）^·的生成,致使填隙锌离子的传质能力下降,从而减小ZnO晶粒尺寸,并改善了压敏电阻片的晶界结构和成分。讨论了Pr₆O₁₁系ZnO压敏电阻片的球磨、模压成型、烧结过程的影响因素。研究发现:本体系ZnO压敏电阻材料的球磨工艺应采用无水乙醇作球磨液体介质,不宜采用蒸馏水。采用两次先后加压、适当减小成型压力以及增加保温时间可以减少压制过程中出现的层裂现象。50℃/h的烧结速度比较理想,烧结后的试样气孔较少。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 前言  10
  1.2 ZnO压敏电阻的研究进展  10-16
    1.2.1 ZnO压敏电阻发展历程  10-11
    1.2.2 导电机理  11-12
    1.2.3 老化机理  12-13
    1.2.4 添加剂  13-14
    1.2.5 制备工艺技术研究进展  14-16
  1.3 ZnO压敏电阻的应用及发展趋势  16-18
    1.3.1 应用  16-17
    1.3.2 发展趋势  17-18
  1.4 本文研究目的、意义和内容  18-19
    1.4.1 研究目的和意义  18
    1.4.2 本课题的研究内容  18-19
第二章 ZnO压敏电阻的理论基础  19-26
  2.1 ZnO压敏电阻的结构  19-22
    2.1.1 ZnO压敏电阻的基本结构  19-20
    2.1.2 ZnO晶体的能带结构  20-22
  2.2 ZnO 压敏电阻的特性及性能参数  22-26
    2.2.1 ZnO压敏电阻I-V特性  22-24
    2.2.2 常用性能参数  24-26
第三章材料设计与测试  26-31
  3.1 材料组成设计  26-28
    3.1.1 原材料  26-27
    3.1.2 材料配方组成  27-28
  3.2 实验设备及制备工艺  28-29
    3.2.1 实验设备  28
    3.2.2 制备工艺  28-29
  3.3 性能检测  29-31
    3.3.1 体积密度和吸水率  29-30
    3.3.2 试样电性能和微观组织结构测试  30-31
第四章稀土氧化物对 ZnO-Bi_20_3 系压敏电阻性能及微观结构的影响  31-41
  4.1 前言  31
  4.2 稀土氧化物掺杂对压敏电阻性能的影响  31-35
    4.2.1 掺杂Y_20_3、Er_20_3 对压敏电阻物理性能的影响  31-32
    4.2.2 掺杂Y_20_3、Er_20_3 对压敏电阻电性能的影响  32-35
  4.3 稀土氧化物掺杂对ZnO 压敏电阻微观结构的影响  35-39
    4.3.1 Y_20_3、Er_20_3 掺杂对晶相组成的影响  35-37
    4.3.2 Y_20_3、Er_20_3 掺杂对显微结构的影响  37-39
  4.4 本章小结  39-41
第五章掺杂 Y_20_3 的氧化锌压敏电阻晶粒生长研究  41-51
  5.1 前言  41
  5.2 实验方法及数据处理  41-43
    5.2.1 生坯的制备  41-42
    5.2.2 物料综合热分析  42-43
    5.2.3 数据处理  43
  5.3 试样的物理性能  43-45
  5.4 ZnO 晶粒生长动力学研究  45-49
  5.5 本章小结  49-51
第六章稀土氧化物掺杂ZnO-Pr_60_(11)系压敏电阻的研究  51-59
  6.1 前言  51
  6.2 实验过程  51-52
    6.2.1 样品的制备  51
    6.2.2 试样性能和微观结构测试  51-52
  6.3 Ce0_2 掺杂的镨系ZnO压敏电阻的物相分析  52
  6.4 Ce0_2 掺杂的镨系ZnO压敏电阻的结构分析  52-53
  6.5 Ce0_2 掺杂对镨系ZnO压敏电阻性能的影响  53-55
  6.6 ZnO-Pr_60_(11)系压敏电阻工艺过程探讨  55-57
    6.6.1 球磨液体介质对料浆的影响  55-56
    6.6.2 成型过程的影响因素  56
    6.6.3 烧结速率对试样的影响  56-57
  6.7 本章小结  57-59
结论  59-61
参考文献  61-66
致谢  66-67
附录 A 攻读学位期间发表的学术论文  67

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