納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片電學性能的影響

夏昌其，鐘春燕，李自立

(貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

ZnO壓敏電阻片作為避雷器的重要組成部分，以其具有非線性系數大、瞬間響應速度快、高能通流能力強等優異的電學性能而被廣泛應用于電力系統、城市地鐵及軌道交通直流供電線路以及鐵路運輸電網系統[1-2]。近些年來，隨著我國高速鐵路的飛速發展以及超高壓輸電線路的建設，對氧化鋅避雷器的需求越來越大，同時對產品的電學性能要求也越來越高[3]。本文研究了納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片電學性能的影響。

1 實驗

實驗過程中制備ZnO壓敏電阻片的配方如表1所示，其中，納米Bi2O3化學成分摩爾分數變化分別為0.75%、0.80%、0.85%、0.90%和0.95(試樣編號分別為B-1、B-2、B-3、B-4和B-5)。將瓷料按配方準確稱量，用鋯球濕磨24h后烘干過篩，在篩分后的生料中加入一定量的濃度為5%的聚乙烯醇溶液(PVA)作黏結劑，經造粒后過80目篩的生料干壓成 33mm×15mm的瓷坯，在箱式爐中緩慢升溫至400℃排膠后，再升溫至燒結溫度保溫2h，隨爐冷卻到室溫，被銀電極，制得樣品。

表1 納米Bi2O3化學成分設計 摩爾分數%

實驗過程中，采用MOA-Ⅱ避雷器閥片直流參數測試儀測試ZnO壓敏電阻片壓敏電壓SV1mA及漏電流IL。

2 討論

圖1為不同含量納米Bi2O3摻雜的ZnO壓敏電阻片電位梯度在燒結溫度為1140℃，1160℃，1180℃和1200℃時的變化情況。從圖中可知，在相同燒結溫度下，ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3含量的增加而呈現出先升高后降低的變化趨勢；當納米Bi2O3摩爾分數為0.80%時，不同燒結溫度下電阻片的電位梯度均達到最大值，燒結溫度為1140℃時，B-2試樣的電位梯度達到330V/mm。

圖1 納米Bi2O3含量對ZnO壓敏電阻片電位梯度的影響

表2為燒結溫度在1140～1200℃時，不同含量的納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片漏電流的影響。從表中可以看出，隨著納米Bi2O3摻雜量的增加，相同燒結溫度下電阻片的漏電流變化不明顯；不同燒結溫度下納米Bi2O3摻雜量相同時，ZnO壓敏電阻片的漏電流也沒有較大的變化，對比分析試樣B-1～B-5可知，B-2電阻片的漏電流相對較低。

表2 不同含量納米Bi2O3摻雜對電阻片漏電流IL的影響 μA

圖2為不同含量納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片非線性系數α的影響。由圖可知，在納米Bi2O3摻雜摩爾分數為0.75%～0.80%時，非線性系數α呈上升趨勢，超過0.80%后呈下降趨勢。這是由于Bi2O3的熔點遠遠低于ZnO和其他添加劑，在溫度較低時就能變為液相，促使液相傳質，推動其他添加劑均勻地分布在ZnO晶粒和晶界中；而在冷卻過程中，由于Bi3+的半徑比Zn2+的半徑要大得多，不能進入到ZnO晶粒中而偏析在晶界處，從而導致其他添加劑都向晶界偏聚，形成受主界面態，產生高的晶界勢壘，使得非線性系數α提高，倘若Bi2O3的摻雜量過多，不僅會使晶界加寬，而且使得尖晶石的數量增多，從而導致非線性系數α的下降[4-5]。

圖2 不同含量納米Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻片非線性系數的影響

3 結論

(1)在相同燒結溫度下，ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3摻雜量的增加而呈現出先升高后降低的變化趨勢；當納米Bi2O3摻雜摩爾分數為0.80%時，電阻片的電位梯度達到最大值。

(2)納米Bi2O3摻雜量對ZnO壓敏電阻片漏電流的影響不大。

(3)隨著納米Bi2O3摻雜量的增加，ZnO壓敏電阻片的非線性系數先增大后減小；當納米Bi2O3摻雜摩爾分數為0.80%時，電阻片的非線性系數達到最大值。