SnO2压敏电阻的掺杂改性研究

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作为防雷过压保护的核心,压敏电阻要求具有稳定的非线性特性和高脉冲能量耐量。SnO2压敏陶瓷材料由于具有热导率大(是ZnO基压敏材料热导率的2倍左右)耐高温等优点,在承受脉冲电流过大而失效时并不像ZnO压敏元件容易发生爆炸或穿孔破坏,因此具有十分重要的应用意义和良好的发展前景。但就目前来说,SnO2压敏电阻的电性能与ZnO压敏电阻相比还有一定的距离,因而有待进一步的改善。本论文将在前人研究的基础上,通过氧化物掺杂和工艺调整对SnO2压敏电阻进行掺杂改性,以提高其小电流特性和耐受脉冲性能。压敏电阻的非线性特性起源于晶粒电阻与晶界电阻的巨大差异,所以,想要获得高的非线性,必须使陶瓷的晶粒获得较高半导化程度。本论文首先采用草酸铌代替Nb2O5作为施主掺杂,研究其对SnO2压敏电阻材料电性能的影响。结果表明,草酸铌的引入能够促进陶瓷的半导化,掺杂量为0.3wt%的样品获得最好的非线性(α等于42)和最高的耐受脉冲电流值(达2132A);与掺杂Nb2O5的样品相比,掺杂草酸铌的样品具有较低的残压比,这主要与草酸铌在瓷体内部分布比较均匀有关。在前面工作的基础上,我们采用SiO2进一步提高SnO2的烧结性能,由于Si4+半径较小,进入晶格后容易引起晶格畸变,从而促进陶瓷烧结,但同时样品在小电流下的非线性特性变差,而过量的SiO2会阻碍晶粒生长,破坏晶界形成。适量的SiO2可明显提高样品的耐受脉冲电流值,而残压比随着SiO2含量的增加而升高。鉴于掺杂SiO2的样品小电流下出现较差的非线性特性,我们分别引入碱式碳酸镁((MgCO34·Mg(OH)2·5H2O)和SrCO3改善样品的非线性特性。结果表明,引入适量的碱式碳酸镁有利于改善晶粒大小的均匀性,从而改善样品的小电流特性,同时提高样品的耐受脉冲性能,掺杂量为0.3wt%的样品获得最高的耐受脉冲电流值3900A,残压比为2.098。掺杂SrCO3的样品都拥有较好的小电流特性,非线性系数α都在40以上,漏电流小于2μA;由于Sr2+半径较大,容易偏析于晶界,抑制晶粒长大,陶瓷气孔增多,随着SrCO3的增加,V1mA逐渐升高,εr逐渐下降,耐受脉冲电流值下降,残压比上升。
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