調節(jié)納米復合粉體制備工藝對復合粉體及壓敏電阻性能影響的試驗

新型電磁脈沖防護器件（復合納米ZnO壓敏電阻器）是國家信息產(chǎn)業(yè)“十一五”規(guī)劃重點發(fā)展新型敏感元器件領域中的重要的方面之一。壓敏電阻器器件雖小，但在國民經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)中卻發(fā)揮著十分重要的作用，是目前電子電路中用于吸收電磁浪涌脈沖的主要技術手段，對提高電子電氣設施的可靠性、安全性和電磁兼容性起到重要作用，近期還沒有其它技術能夠替代它。隨著電子信息技術的不斷發(fā)展和壓敏電阻器在通信、電力、家電、工業(yè)控制等領域的廣泛應用，對過電壓的保護和提高產(chǎn)品的可靠性等高性能新型電磁脈沖防護器件需要更加迫切。
納米材料替代微米材料制作壓敏器件，將實現(xiàn)原來微米材料器件不能實現(xiàn)的功能，比如適應電磁脈沖***防護所需的高性能浪涌吸收器和100kV超高壓輸變電避雷器。器件的電性能和壓敏陶瓷晶粒的結構、大小直接相關。要使器件適用于特定電壓保護，就必須得到適宜的陶瓷結構。這用微米材料很難實現(xiàn)，但用納米復合材料就容易實現(xiàn)。
納米材料器件比微米材料器件有較高的電位梯度（單位厚度的壓敏電壓，單位為V/mm），就是同樣厚的壓敏電阻陶瓷片，用納米材料比用微米材料可耐更高的電壓，前者可以達到400V/mm，而后者一般只有200V/mm。這樣，耐同樣的電壓，用納米材料就比微米材料節(jié)省三分之二的原料。其次，該技術還可實現(xiàn)壓敏器件的低溫燒結，預計可節(jié)電30%以上。
研究納米復合粉體在氧化鋅壓敏電阻片生產(chǎn)過程中的應用，以及電性能參數(shù)的變化，將對氧化鋅納米復合粉體產(chǎn)業(yè)化具有重要的指導意義。本文重點研究調節(jié)復合粉體制備工藝對復合粉體及氧化鋅壓敏電阻性能影響。
2? 試驗
2.1 粉體合成原理
氨浸法制備氧化鋅壓敏電阻陶瓷納米復合粉體的原理是氨水和氧化鋅在二氧化碳存在下進行絡合反應生成鋅氨絡合液，在鋅氨絡合液經(jīng)蒸氨而得到堿式碳酸鋅的過程中，添加入所需量的可溶于體系的各組分金屬鹽，隨著蒸氨過程的進行，體系的pH值不斷發(fā)生變化，而金屬離子在不同的pH值時發(fā)生沉淀，主要以碳酸鹽和氧化物的形式沉積，當體系的pH值為7.0左右時，便得到以鋅離子為主體的各種離子混合的共沉淀物，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒分解，生成氧化鋅壓敏電阻復合粉體。由于復合物體系在分子水平上發(fā)生相互作用，從而獲得粒徑小、勻、散的納米復合粉體。
2.2 試驗方法
采用豐海公司的氨浸法制備氧化鋅壓敏電阻陶瓷納米復合粉體工藝與傳統(tǒng)的制備氧化鋅壓敏電阻片的工藝相結合。整個試驗流程為：
蒸氨→洗滌過濾→干燥→煅燒→球磨→造?！鷫浩拍z→燒結→涂銀→焊接引線→包封→測試
實驗1：在氨浸法制備復合粉體時， ZnO加入量分別為5%、10%、15%、20%、30%，其他條件不變，各添加劑元素沉淀率的變化情況。
實驗2：在氨浸法制備復合粉體時，ZnO加入量分別為 5%、10%、15% 、20%、30%，其他條件不變，制備成34S的方片，對其測試電性能、梯度、通流能力。
實驗3：對ZnO的加入量為30%的粉體，分別采取450℃、550℃、600℃、700℃煅燒溫度，其他條件不變，制備成34S的方片，研究其梯度、通流能力的變化，并選擇最佳的煅燒溫度。
實驗四：在氨浸法制備復合粉體時，改變各組分的加入順序對復合粉體的均勻性、一致性，以及對壓敏電阻的電性能影響。
3? 結果與討論
3.1 ZnO不同加入量對元素沉淀率的影響
在用氨浸法制備復合粉體時，ZnO加入量分別為5%、10%、15%、20%、30%，其他條件不變，各添加劑元素沉淀率的變化情況。
在我們的配方體系中，除了Sb2O3沒有對應的可溶鹽以外，其它的如Bi2O3、Cr2O2、Co2O3、MnO2、Ni2O3都有相對的可溶解鹽，所以在化學共沉淀（蒸氨）的過程中，體系內(nèi)各添加物的混合可以達到離子級的混合，為最終形成微觀均勻的氧化鋅壓敏電阻片燒結體打下了良好的基礎，但混合均勻了并不能保證沉淀物的均勻性，原因就是各添加物的沉淀率未別都能達到100%，這與共沉淀（蒸氨）過程中體系的溫度控制，pH的控制以及ZnO的加入量有相當重要的關系。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)當ZnO重量百分比達到15%以上時，各添加物元素能得到較好的沉淀，這可能與ZnO的包膜效應有關，見表1。
表 1? 粉體元素沉淀率檢測報告
NO (%) Bi Sb Cr Co Mn Zn
5 5.06 2.19 0.24 1.27 0.33 87.8
10 5.08 2.18 0.24 1.29 0.34 88
15 5.17 2.19 0.24 1.31 0.34 87.9
20 5.19 2.2 0.24 1.32 0.34 88.2
30 5.19 2.2 0.24 1.32 0.34 88.4
理論值 5.2 2.2 0.24 1.33 0.34 88.6
3.2 ZnO不同加入量對壓敏電阻電性能的影響
試驗中，選擇5%、10%、15%、20%、30%，煅燒溫度為450℃。燒結溫度為1100℃，從實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著ZnO加入量的增加電阻片的電位梯度是在不斷增大，見圖1和表2。
表 2? ZnO不同加入比例對壓敏梯度的影響
燒結溫度(℃) 壓敏梯度? V/mm
?5% 10% 15% 20% 30%
1100 263 318 367 388 420
由表2和圖1可以看出隨著ZnO摻雜百分比的提高，其壓敏梯度逐漸升高，這是因為，ZnO壓敏電阻片電位梯度與晶粒、晶界的數(shù)量、電壓關系十分密切，符合如下關系式：
V=NgbVgb+Vg????????????????????????????????????? (1)?
式中Ngb為ZnO晶界的個數(shù)；
Vgb為跨越晶界勢壘單個晶界的擊穿電壓，約3V/晶界；
Vg為ZnO晶粒上的電壓。
隨著ZnO加入比例的提高，其納米化的ZnO數(shù)量就越多，相應的壓敏電阻片單位厚度上的晶粒和晶界數(shù)量越多，其電位梯度就會越高。
表 3? 電性能測試
ZnO含量
(%) 靜態(tài)參數(shù) 8/20μs沖擊峰值(kA) 沖擊后電壓變化率(%)
?IL ａ Ⅰ次 Ⅱ次 最大值 平均值
5 2.5 45 40 40 6.2 5.2
10 2.1 47 40 40 5.4 4.6
15 1.8 55 40 40 4.7 4.4
20 1.5 59 40 40 4.8 4.3
30 1.6 58 40 40 7.2 5.9
結合表1和表3，我們發(fā)現(xiàn)，ZnO不同的加入比例對元素沉淀率產(chǎn)生影響，進而對電性能也產(chǎn)生影響，隨著ZnO加入比例的提高，其元素沉淀率相應提高，這樣就從源頭保證了配方的準確性，所以電性能各參數(shù)水平也就得到了明顯的提高。
3.3 粉體煅燒溫度對壓敏電壓、電性能的影響
對ZnO的加入量為30%的粉體，分別采取450℃、550℃、600℃、700℃煅燒溫度，實驗發(fā)現(xiàn)隨著煅燒溫度的提高，壓敏電阻的電位梯度是在逐步的降低，這主要是由于煅燒溫度的提高，所加入的已納米化的ZnO會漸漸的長大，導致相同物理參數(shù)的壓敏電阻片晶界層數(shù)的減少，最終便表現(xiàn)為電位梯度的不斷降低，見表4。
表 4? ZnO加入比例為30%時煅燒溫度對壓敏梯度影響
燒結溫度(℃) 壓敏梯度? V/mm
?450℃ 550℃ 600℃ 700℃
1100 420 385 354 321
圖3所示：30%復合粉體在180℃-350℃之間有兩個強的吸熱峰即大的失重，可以認為分別為前驅物堿式碳酸鹽和氫氧化物脫CO2氣體和脫水生成氧化物所致，350℃-500℃之間還有小的失重，500℃以后幾乎沒有失重，所以5000C以后的煅燒工藝就是為了改變電阻片的電位梯度，以及改善其電性能參數(shù)的。隨機抽取5片進行40kA沖擊試驗，見表5。
從表5可以看出，在40kA沖擊試驗中，煅燒溫度為550℃時電壓變化率較低，其他煅燒溫度點電壓變化率較高，結合圖3的復合粉體前驅熱重—差熱曲線，我們可以得出ZnO的加入量為30%的粉體，最佳煅燒溫度為550℃。
3.4 蒸氨時改變加料順序對粉體性能的影響
在氨浸法制備復合粉體時，改變各組分的加入順序可以改善復合粉體的均勻性一致性。提高其電阻片的電性能。
在用氨浸法制作ZnO壓敏電阻復合粉體時，粉體的均勻性一致性，以及各組分的沉淀率都是影響復合粉體性能的關鍵因素，除了嚴格控制各添加物的加入溫度點，以及加入時點pH值的控制外，各添加物的加入順序也是非常重要的，各添加物的加入順序的正確與否甚至完全可以主導復合粉體的性能
4? 結論
(1) 在氨浸法制備氧化鋅壓敏電阻陶瓷納米復合粉體時，提高ZnO的加入量可以提高各添加劑元素沉淀率。
(2) 隨著ZnO的加入量的提高，其壓敏電壓梯度會相應的提高。
(3) 納米復合粉體的煅燒溫度的高低會影響到其壓敏梯度的變化，煅燒溫度升高，壓敏梯度降低。
(4) 氨浸法制作ZnO壓敏電阻復合粉體時，選擇合適的加料順序對提高粉體的均勻性、一致性，以及各組分的沉淀率至關重要。
參考文獻
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