Y2 O3掺杂对ZnO压敏陶瓷电性能的影响

龙香楷 费自豪 庞 驰

(1振华集团红云器材厂 贵阳 550018) (2贵州飞舸电子有限公司 贵阳 550002)

Y2O3掺杂对ZnO压敏陶瓷电性能的影响

龙香楷1费自豪2庞 驰2

(1振华集团红云器材厂 贵阳 550018) (2贵州飞舸电子有限公司 贵阳 550002)

采用传统的陶瓷工艺,对比研究了不同Y2O3含量对ZnO压敏电阻器的性能的影响。结果表明：掺杂Y2O3能够细化晶粒、提高ZnO压敏电阻器的电压梯度,当掺杂量为0.8%时,电位梯度达270 V/mm,但样品致密度较低,电性能下降。当 Y2O3含量为0.1%时,电位梯度与未掺杂 Y2O3的样品相当,其致密度较高,晶粒尺寸一致,电性能最佳。

ZnO压敏电阻 Y2O3掺杂 电压梯度

前言

由于高梯度ZnO压敏电阻片可以降低避雷器的高度,缩小其体积,减轻其重量,因此超高压、特高压避雷器以及线路型避雷器等对高梯度ZnO压敏电阻片的需求愈来愈大,这方面的研究十分引人注目,已经取得了一定的成果[1]。提高电位梯度方法比较多,如采用降低烧成温度,缩短保温时间等低温烧结技术;采用更细的材料如纳米原料等都可以适当减小晶粒尺寸;采用掺杂稀土氧化物来抑制ZnO晶粒的生长,从而提高电位梯度。但是这些方法中有的生产成本过高,有的方法在提高梯度的同时,电性能往往会有所下降,制约了高梯度的压敏电阻在我国的压敏行业的产业化。

笔者在ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷中掺杂了不同含量的 Y2O3,测试其电性能,并对其作用机理进行了初步探讨,为探索掺杂 Y2O3,提高ZnO压敏电阻的电位梯度提供参考。

1 实验

将 ZnO 粉料和 Bi2O3、Co3O4、M nO2、Sb2O3、Cr2O3等添加剂按配方(摩尔分数)97%ZnO+1%Bi2O3+0.5%Co3O4+0.5%Sb2O3+0.5%M nO2+0.5%Cr2O3准确称量,分别加入质量比为0,0.1%,0.2%,0.4%,0.6%和0.8%的 Y2O3,用湿法球磨24 h,经烘干过筛后,加入适量的浓度为5%的聚乙烯醇水溶液作粘合剂,干压成边长40 mm×40 mm,厚度4.4 mm,密度为3.2 g/■的生坯,缓慢升温至350℃排胶后,再升温至1 120℃,保温2 h后随炉冷却降到室温,在650℃退火,烧渗银电极,制得样品分别记为 Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。

用CJ1001型压敏电阻直流参数仪测量样品的压敏电压、漏电流、非线性系数;用FGL-40型雷电流冲击实验台测试8/20μs大电流特性;用JJW-2000VA型精密净化交流稳压电源、FGT-TOV型老化试验台测试TOV特性;用JSM-6360LV型扫描电镜分析样品显微结构。

2 结果与讨论

图1 氧化钇掺杂量与压敏陶瓷相对密度的关系

图1 是氧化钇掺杂量与压敏陶瓷相对密度的关系。表1是氧化钇掺杂量对压敏电阻小电流特性的影响。从图1和表1可以看出,随着 Y2O3含量的增加,试样的致密度逐渐降低。Y2O3含量由0增加到0.8%时,相对密度(样品密度与理论密度的比值)由98.5%下降为93.3%。掺杂 Y2O3试样的电位梯度均要高于未掺杂的试样。当 Y2O3掺杂量在0.2%时,电位梯度出现了下降现象,与未掺杂 Y2O3的 Y0试样电位梯度相当,这与王玉平等的研究相符[2],过此拐点,电位梯度基本随着掺杂量的增加而逐渐升高。当掺杂量达到0.8%时,电位梯度达到最大值270 V/mm。

表1 氧化钇掺杂量对压敏电阻小电流特性的影响

图2 8/20μs雷电流20 kA冲击30次后压敏电压变化率

图2、图3分别是8/20μs雷电流冲击结果和压敏电阻 TOV特性测试结果。由图2可见,随着 Y2O3含量的增加,样品的8/20μs雷电流通流能力显著提高,在 Y2O3含量为0.2%时,达到最大值,Y2O3含量进一步的增加,8/20μs雷电流通流能力下降。由图3可见,在 Y2O3含量为0.2%时,有最大的热脱扣电流,约为1 200m A,比未掺杂 Y2O3的样品提高了3倍,而随着 Y2O3含量进一步的增加,其热脱扣能力下降。

Y0、Y2、Y5三个样品的 SEM 照片如图 4所示。随着Y2O3掺杂量的增加,ZnO晶粒的尺寸逐渐减小,说明了Y2O3的加入确实能起到细化晶粒的作用[3]。笔者认为,Y2O3处于晶界或晶粒的交界处,或者固溶在其他晶间相中,这些相成为细小的钉扎中心,从而抑制晶粒的长大,导致电位梯度的升高。然而 Y2样品电位梯度出现反常现象,笔者认为是肖特基势垒高度的降低和晶界数量的增加两方面共同作用的结果,只是肖特基势垒高度的降低起了主要作用。这一点还需要进行深入的研究。

图3 氧化钇掺杂量对压敏电阻 TOV特性的影响

在ZnO晶粒的尺寸逐渐减小的同时,样品致密度逐渐降低。这是因为晶粒的长大,晶界的移动,同时带动了晶界处气孔的移动,小气孔合并长大并从陶瓷体排出,从而完成陶瓷的烧结过程。由于 Y2O3的加入抑制了晶粒的充分发育,气孔无法排出,导致气孔增多,样品致密度下降。Y0样品由于未掺杂 Y2O3,出现了晶粒异常长大,在大晶粒处晶界减少,导致电阻降低,电流容易在这里集中从而发生电击穿,所以其8/20μs雷电流通流能力、热脱扣能力不佳。而样品 Y2晶粒虽然不是最小,致密度不是最高,但其晶粒发育一致,因此其大电流特性最好。随着 Y2O3的进一步增加,Y5样品的相对密度仅有93.3%,陶瓷体中存在大量的气孔,这必然导致其电性能的劣化。

3 结论

1)Y2O3掺杂能细化晶粒,提高了ZnO压敏电阻片的电位梯度,在掺杂量为0.8%时,电位梯度达到最大值270 V/mm。

2)随着 Y2O3掺杂量的增加,样品致密度逐渐降低,导致压敏电阻电性能劣化。

3)当掺杂量为0.2%时,电位梯度与未掺杂 Y2O3的样品的电位梯度相当,其致密度较高,晶粒尺寸一致,电性能最佳。

图4 不同 Y2 O3含量的压敏陶瓷的SEM照片

1 王玉平,李盛涛.新型ZnO压敏电阻片的研究进展.电气应用 ,2005(6)：1～8

2 王玉平,马军.掺杂 Y2O3的 ZnO-Bi2O3-Sb2O2系压敏电阻.中国电子学会敏感技术分会第十三届电压敏学术年会论文,2006

3 王玉平,马军.掺杂 Y2O3氧化锌压敏陶瓷的显微组织及电性能.压电与声光,2007,29(6)：114～119