Y2 O3摻雜對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

龍香楷 費自豪 龐 馳

(1振華集團紅云器材廠 貴陽 550018) (2貴州飛舸電子有限公司 貴陽 550002)

Y2O3摻雜對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

龍香楷1費自豪2龐 馳2

(1振華集團紅云器材廠 貴陽 550018) (2貴州飛舸電子有限公司 貴陽 550002)

采用傳統的陶瓷工藝,對比研究了不同Y2O3含量對ZnO壓敏電阻器的性能的影響。結果表明：摻雜Y2O3能夠細化晶粒、提高ZnO壓敏電阻器的電壓梯度,當摻雜量為0.8%時,電位梯度達270 V/mm,但樣品致密度較低,電性能下降。當 Y2O3含量為0.1%時,電位梯度與未摻雜 Y2O3的樣品相當,其致密度較高,晶粒尺寸一致,電性能最佳。

ZnO壓敏電阻 Y2O3摻雜 電壓梯度

前言

由于高梯度ZnO壓敏電阻片可以降低避雷器的高度,縮小其體積,減輕其重量,因此超高壓、特高壓避雷器以及線路型避雷器等對高梯度ZnO壓敏電阻片的需求愈來愈大,這方面的研究十分引人注目,已經取得了一定的成果[1]。提高電位梯度方法比較多,如采用降低燒成溫度,縮短保溫時間等低溫燒結技術;采用更細的材料如納米原料等都可以適當減小晶粒尺寸;采用摻雜稀土氧化物來抑制ZnO晶粒的生長,從而提高電位梯度。但是這些方法中有的生產成本過高,有的方法在提高梯度的同時,電性能往往會有所下降,制約了高梯度的壓敏電阻在我國的壓敏行業的產業化。

筆者在ZnO-Bi2O3系壓敏陶瓷中摻雜了不同含量的 Y2O3,測試其電性能,并對其作用機理進行了初步探討,為探索摻雜 Y2O3,提高ZnO壓敏電阻的電位梯度提供參考。

1 實驗

將 ZnO 粉料和 Bi2O3、Co3O4、M nO2、Sb2O3、Cr2O3等添加劑按配方(摩爾分數)97%ZnO+1%Bi2O3+0.5%Co3O4+0.5%Sb2O3+0.5%M nO2+0.5%Cr2O3準確稱量,分別加入質量比為0,0.1%,0.2%,0.4%,0.6%和0.8%的 Y2O3,用濕法球磨24 h,經烘干過篩后,加入適量的濃度為5%的聚乙烯醇水溶液作粘合劑,干壓成邊長40 mm×40 mm,厚度4.4 mm,密度為3.2 g/■的生坯,緩慢升溫至350℃排膠后,再升溫至1 120℃,保溫2 h后隨爐冷卻降到室溫,在650℃退火,燒滲銀電極,制得樣品分別記為 Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。

用CJ1001型壓敏電阻直流參數儀測量樣品的壓敏電壓、漏電流、非線性系數;用FGL-40型雷電流沖擊實驗臺測試8/20μs大電流特性;用JJW-2000VA型精密凈化交流穩壓電源、FGT-TOV型老化試驗臺測試TOV特性;用JSM-6360LV型掃描電鏡分析樣品顯微結構。

2 結果與討論

圖1 氧化釔摻雜量與壓敏陶瓷相對密度的關系

圖1 是氧化釔摻雜量與壓敏陶瓷相對密度的關系。表1是氧化釔摻雜量對壓敏電阻小電流特性的影響。從圖1和表1可以看出,隨著 Y2O3含量的增加,試樣的致密度逐漸降低。Y2O3含量由0增加到0.8%時,相對密度(樣品密度與理論密度的比值)由98.5%下降為93.3%。摻雜 Y2O3試樣的電位梯度均要高于未摻雜的試樣。當 Y2O3摻雜量在0.2%時,電位梯度出現了下降現象,與未摻雜 Y2O3的 Y0試樣電位梯度相當,這與王玉平等的研究相符[2],過此拐點,電位梯度基本隨著摻雜量的增加而逐漸升高。當摻雜量達到0.8%時,電位梯度達到最大值270 V/mm。

表1 氧化釔摻雜量對壓敏電阻小電流特性的影響

圖2 8/20μs雷電流20 kA沖擊30次后壓敏電壓變化率

圖2、圖3分別是8/20μs雷電流沖擊結果和壓敏電阻 TOV特性測試結果。由圖2可見,隨著 Y2O3含量的增加,樣品的8/20μs雷電流通流能力顯著提高,在 Y2O3含量為0.2%時,達到最大值,Y2O3含量進一步的增加,8/20μs雷電流通流能力下降。由圖3可見,在 Y2O3含量為0.2%時,有最大的熱脫扣電流,約為1 200m A,比未摻雜 Y2O3的樣品提高了3倍,而隨著 Y2O3含量進一步的增加,其熱脫扣能力下降。

Y0、Y2、Y5三個樣品的 SEM 照片如圖 4所示。隨著Y2O3摻雜量的增加,ZnO晶粒的尺寸逐漸減小,說明了Y2O3的加入確實能起到細化晶粒的作用[3]。筆者認為,Y2O3處于晶界或晶粒的交界處,或者固溶在其他晶間相中,這些相成為細小的釘扎中心,從而抑制晶粒的長大,導致電位梯度的升高。然而 Y2樣品電位梯度出現反常現象,筆者認為是肖特基勢壘高度的降低和晶界數量的增加兩方面共同作用的結果,只是肖特基勢壘高度的降低起了主要作用。這一點還需要進行深入的研究。

圖3 氧化釔摻雜量對壓敏電阻 TOV特性的影響

在ZnO晶粒的尺寸逐漸減小的同時,樣品致密度逐漸降低。這是因為晶粒的長大,晶界的移動,同時帶動了晶界處氣孔的移動,小氣孔合并長大并從陶瓷體排出,從而完成陶瓷的燒結過程。由于 Y2O3的加入抑制了晶粒的充分發育,氣孔無法排出,導致氣孔增多,樣品致密度下降。Y0樣品由于未摻雜 Y2O3,出現了晶粒異常長大,在大晶粒處晶界減少,導致電阻降低,電流容易在這里集中從而發生電擊穿,所以其8/20μs雷電流通流能力、熱脫扣能力不佳。而樣品 Y2晶粒雖然不是最小,致密度不是最高,但其晶粒發育一致,因此其大電流特性最好。隨著 Y2O3的進一步增加,Y5樣品的相對密度僅有93.3%,陶瓷體中存在大量的氣孔,這必然導致其電性能的劣化。

3 結論

1)Y2O3摻雜能細化晶粒,提高了ZnO壓敏電阻片的電位梯度,在摻雜量為0.8%時,電位梯度達到最大值270 V/mm。

2)隨著 Y2O3摻雜量的增加,樣品致密度逐漸降低,導致壓敏電阻電性能劣化。

3)當摻雜量為0.2%時,電位梯度與未摻雜 Y2O3的樣品的電位梯度相當,其致密度較高,晶粒尺寸一致,電性能最佳。

圖4 不同 Y2 O3含量的壓敏陶瓷的SEM照片

1 王玉平,李盛濤.新型ZnO壓敏電阻片的研究進展.電氣應用 ,2005(6)：1～8

2 王玉平,馬軍.摻雜 Y2O3的 ZnO-Bi2O3-Sb2O2系壓敏電阻.中國電子學會敏感技術分會第十三屆電壓敏學術年會論文,2006

3 王玉平,馬軍.摻雜 Y2O3氧化鋅壓敏陶瓷的顯微組織及電性能.壓電與聲光,2007,29(6)：114～119