ZnBiMnNbO基压敏陶瓷的掺杂改性研究

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Zn-Bi(ZnBiO)基压敏陶瓷电阻因为其优良的非线性压敏特性,广泛地应用于电子设备及电力系统等领域,是目前应用范围最为广泛的压敏陶瓷体系。近年来,集成电路的广泛应用对低压叠层片式压敏电阻用低温烧结高性能的ZnO基压敏陶瓷提出了更高的需求。传统的ZnO-Bi2O3(ZnBiO)和ZnO-Pr6O11(ZnPrO)基压敏陶瓷漏电流小,但是烧结温度过高。ZnO-V2O5(ZnVO)烧结温度低、但是漏电流偏大,无法满足上述条件。因此本文基于ZnVMnNbO基压敏陶瓷,将其中的V2O5替换为Bi2O3,设计出可能兼具传统ZnBiO基压敏陶瓷低漏电流特性和ZnVO基低温烧结特性的ZnBiMnNbO基压敏陶瓷。在此基础上,研究Co2O3的掺杂量(0-0.2mol%)、烧结温度(825-900℃)和包头某生产线上产出的镧铈稀土半成品热分解产物的掺杂量(0-0.1mol%)、保温时间(2-5h)对ZnBiMnNbO基压敏陶瓷的影响及作用机理,制备高性能稀土掺杂ZnBiMnNbO基压敏陶瓷。首先,研究了在相同掺杂环境和烧结温度下Bi和V在ZnO基压敏陶瓷中作为压敏形成元素的作用。研究结果表明ZnBiMnNbO基压敏陶瓷在烧结温度在900℃保温时间3h时可以烧结且电学性能最优,非线性系数为31.83,漏电流密度为3.75μA/cm2,击穿电压为576.75 V/mm。ZnBiMnNbO基压敏陶瓷的非线性系数高于相同条件下制备的ZnVMnNbO基压敏陶瓷,且漏电流(3.75μA/cm2)远远小于ZnVMnNbO基压敏陶瓷(281μA/cm2)的漏电流,所以在ZnO基陶瓷中,Bi比V更能有效地激发非线性电学性能。随着Co2O3含量在(0-0.2mol%)范围内增加,ZnBiMnNbO基压敏陶瓷的密度逐渐增加、平均晶粒直径从3.83μm增大到4.32μm,且会生成Bi7.53Co0.47O11.92的第二相。根据I-V测试结果显示在850℃掺杂量为0.1mol%Co2O3的ZnBiMnNbO基压敏陶瓷综合电学性能最优,非线性系数30.85,漏电流密度3.1μA/cm2,压敏电压780.85V/mm。随着镧铈稀土半成品热分解产物含量在(0-0.1mol%)范围内增加,ZnBiMnNbO基压敏陶瓷的密度逐渐增加、平均晶粒直径从6.36μm减小到5.62μm、CeO2、La2O3两种第二相逐渐生成。根据I-V测试结果显示掺杂0.05mol%镧铈稀土半成品热分解产物在900℃保温4h下烧结的压敏性能最优:非线性系数可达到44.11,压敏电压为614.04V/mm,漏电流密度为2.048μA/cm2
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