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ZnO压敏电阻具有较好的非线性V-I特性,耐浪涌能力强,电压范围宽,温度特性好,响应速度快等优点,它广泛用作抑制瞬态电压和吸收瞬态大电流的保护元件。随着电力工业的迅速发展,输电电压不断提高,ZnO压敏电阻电位梯度的提高成为研究热点。本论文通过在ZnO压敏电阻中添加稀土Er2O3的方法,同时经过配方以及工艺上的各种改进,制备了一种电位梯度高,通流能力强的压敏电阻材料。
本文首先研究了Er2O3对ZnO压敏电阻微观结构及电性能的影响。研究发现,Er2O3能大大提高ZnO压敏电阻的压敏电位梯度。添加0.8mol％的Er2O3,能使电位梯度从未添加的211V/mm上升到376V/mm,增加了约80％。同时其非线性特性也有所改善。但是过多的Er2O3将会使非线性系数降低和漏电流增大。通过对不同Er2O3掺杂量样品扫描电镜照片进行分析,Er2O3主要钉扎在晶界上,阻止ZnO晶粒的生长,使其晶粒尺寸减小。X射线衍射分析数据显示：在添加Er2O3后,Zn7Sb2O12尖晶石相的衍射强度逐渐减弱。在添加1.2mol％Er2O3的样品中,几乎观测不到有Zn7Sb2O12尖晶石的衍射峰出现。与此同时,Bi2O3相的衍射峰强度也随Er2O3掺入量的增多逐渐减弱。除了钉扎在晶界上之外,有部分Er2O3与Bi、Sb的物质反应,生成新的化合物。
对稀土Er2O3添加的ZnO压敏电阻样品进行了8/20μs通流能力测试。实验发现,在2500A的冲击电流作用下,随着Er2O3添加量的增加,ZnO压敏电阻耐大电流冲击性能变差。原因在于Er2O3分散的不均匀性导致样品各部分的热物理性能不同,在遭受大的冲击电流时,容易在样品结构比较薄弱处破坏。另外,由于样品的压敏电压随着Er2O3添加量的增加而升高。在相同冲击电流作用下,Er2O3添加量越多,样品单位体积所吸收的能量也就越大,产生的破坏也越严重。
在ZnO压敏电阻配方中增加Bi2O3的含量,可以改善由于稀土Er2O3掺杂所带来的性能劣化的情况,但Bi2O3的增加会使压敏电压降低。适当延长球磨时间和进行热处理也有利于提高Er2O3掺杂ZnO压敏电阻的耐大电流冲击能力。在经过延长球磨时间和热处理工艺后,Er2O3掺杂的ZnO压敏电阻压敏电压达到460V/mm,非线性系数为60,漏电流为几μA的样品。所制备的直径为14mm、厚度为1mm的样品在经过2500A大电流脉冲实验后,压敏电压变化小于1％。
本论文工作所制备的稀土Er2O3掺杂的ZnO压敏电阻样品,其相对密度大于98％,压敏电压约为460V/mm,非线性系数为60,漏电流为3～6μA。所制备的直径为14mm、厚度为1mm的样品经过2500A大电流冲击实验后,压敏电压变化小于1％。与传统应用的ZnO压敏电阻相比,本压敏电阻样品具有电位梯度高,能量吸收能力强等优点,但还有些性能需要改善,如进一步提高能量密度,降低残压比等。相信在广大同行的努力之下稀土掺杂的ZnO压敏电阻的研究将能取得进一步的突破。