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ZnO压敏陶瓷以其非线性系数高、响应速度快、漏电流小和残压低等优势,广泛应用于电子、电力等领域。低温制备低电压 ZnO压敏陶瓷是今后压敏陶瓷研究和发展的方向。本文首先采用固相反应法以Ti掺杂Zn-Bi基来降低压敏陶瓷的压敏电压,得到最佳工艺条件,并对其性能进行表征;在此基础上采用固相反应法以 V掺杂Zn-Bi-Ti基来降低压敏陶瓷的烧结温度,得到最佳工艺条件,并对其性能进行表征;最后,采用溶液包裹法,制备Ti、V掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷,与固相法进行了比较。 固相法制备Ti掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷的研究表明:TiO2的掺杂量在0~3.0mol％之间时,TiO2能促进ZnO晶粒的生长,且随着掺杂含量的增加,ZnO的晶粒尺寸长大。当TiO2含量过大时,将与ZnO反应生成尖晶石相Zn2TiO4,它会钉扎在晶界处阻碍 ZnO晶粒的长大。当升温速度为2℃/min,在1050℃保温2h,TiO2掺杂量为1.0mol%时,压敏陶瓷的综合性能最好,晶粒发育完全,大小较为均一,平均晶粒尺寸约为35μ m;陶瓷体的密度为5.44g/cm3,相对密度为97%;压敏电压梯度最低为21.60V/mm,非线性系数最高为33,漏电流密度最小为0.020μ A/mm2。通过对交流阻抗谱的研究发现,TiO2的掺杂对压敏陶瓷晶界的影响最为明显,对晶粒几乎无影响;阻抗谱在低频区域的效应说明晶界电阻是压敏陶瓷电阻的主要贡献者;同时,指出了压敏陶瓷内部等效于R(RC)(RC)的器件结构。 在Ti掺杂Zn-Bi基压敏陶瓷的基础上,固相反应法制备V掺杂Zn-Bi-Ti压敏陶瓷的研究表明:烧结温度过低时,ZnO晶粒尺寸过小,且大小不均匀;烧结温度过高时,部分晶粒异常长大使得尺寸不均一;所以,最佳烧结温度为980℃。当 V2O5掺杂量在0.005~0.20mol%之间,升温速率为5℃/min,在980℃保温4h,掺杂量为0.02mol%时,其压敏电压梯度最低为27.2V/mm,掺杂量为0.01mol%时,压敏电压梯度为31.1V/mm,漏电流密度最小为0.02μ A/mm2,非线性系数最大为25,施主浓度Nd出现最小值为0.810×1018cm-3,耗尽层宽度最大值为32.49nm,界面态密度Ns最小值为2.632×1012cm-2,同时,出现了较高的势垒高度B为0.908eV。 最后,采用溶液包裹法,制备Ti、V掺杂Zn-Bi基低压压敏陶瓷,其压敏电压梯度、漏电流密度及非线性系数分别64.8V/mm、0.03μ A/mm2和19.6。与固相法比较性能略差,其主要原因是溶液包裹法所得到的粉体粒径平均尺寸为2.54μ m,比表面积为3.74m2/c.c.;而采用固相法制得的粉体粒径平均尺寸为2.00μ m,比表面积为3.98m2/c.c.。由于颗粒尺寸越小,反应体系比表面积越大,反应界面和扩散截面也相应增加,因此固相法的反应速率增大,导致在相同的烧结工艺条件下固相法的性能优于包裹法。