燒結(jié)溫度對ZnO壓敏陶瓷電性能的影響

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(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，貴州 貴陽 550008)

氧化鋅壓敏電阻片作為避雷器吸收浪涌和過電壓保護的核心元件，以其非線性系數(shù)大、響應(yīng)速度快、通流能力強等優(yōu)異的電學性能而被廣泛應(yīng)用于高壓電網(wǎng)、城市地鐵、輕軌直流供電線路以及鐵路電網(wǎng)系統(tǒng)[1-2]。隨著我國城市軌道交通、高速鐵路的迅猛發(fā)展以及特高壓輸電線路的建設(shè)，輸電設(shè)備的安全性及可靠性要求也越來越高。ZnO壓敏電阻片性能好壞將直接影響到避雷器的保護水平，同時，在特高壓輸電系統(tǒng)中，對避雷器的安全性、穩(wěn)定性、重量和體積小型化也提出了更高的要求。為加快我國電力、電子行業(yè)的發(fā)展，擺脫對國外產(chǎn)品和技術(shù)的依賴，研制出高電位梯度大通流容量的氧化鋅壓敏電阻片具有非常重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值[3-4]。為獲得電位梯度高，同時又能降低生產(chǎn)成本的ZnO壓敏電阻片，本文采用傳統(tǒng)陶瓷工藝制備ZnO壓敏電阻片，研究了不同燒結(jié)溫度對ZnO壓敏電阻片電性能的影響。

1 試驗內(nèi)容

本試驗制備ZnO壓敏電阻片的配方為：96.5% ZnO(摩爾分數(shù)，下同)，1.0% Bi2O3，1.0% Sb2O3，0.5% Co3O4，0.5% MnO2和0.5% Cr2O3。將ZnO粉末和其它添加劑準確稱量，用濕法球磨24 h，經(jīng)烘干過篩后，加入適量的濃度為5%的聚乙烯醇水溶液(PVA)作粘結(jié)劑，經(jīng)造粒后干壓成Φ33 mm×15 mm的生坯，生坯在箱式爐中緩慢升溫至350℃排膠后，再分別升溫至1135℃，1140℃，1145℃，1150℃和1155℃(試樣編號分別為A1，A2，A3，A4和A5)保溫2 h，然后隨爐冷卻至室溫，燒滲銀電極，制得樣品，其工藝流程如圖1所示。

圖1 ZnO壓敏電阻片制備工藝流程

用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的組織形貌，并進行微區(qū)成分分析；用MOA-Ⅱ避雷器閥片直流參數(shù)測試儀測試ZnO壓敏電阻片壓敏電壓V1mA及泄漏電流IL。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)溫度對ZnO壓敏電阻片的影響

圖2 不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻片電位梯度和致密度的變化

圖2為不同燒結(jié)溫度下ZnO壓敏電阻片電位梯度和致密度的變化情況，由圖可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，ZnO壓敏電阻片的電位梯度逐漸降低，致密度逐漸增大。當燒結(jié)溫度從1135℃升高到1155℃時，電阻片的電位梯度從329 V/mm降低到276 V/mm，致密度從96.4%增大到97.8%。

圖3 ZnO壓敏電阻片的漏電流與燒結(jié)溫度的關(guān)系

圖3為ZnO壓敏電阻片的漏電流在不同燒結(jié)溫度下的變化情況，由圖可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，ZnO壓敏電阻片的漏電流先下降后升高。當燒結(jié)溫度為1135℃時，電阻片的泄漏電流IL為8 μA；燒結(jié)溫度為1145℃和1150℃時，電阻片的泄漏電流IL最低，為3 μA。由圖2和圖3可知，當燒結(jié)溫度為1140℃時，ZnO壓敏電阻片的電位梯度較燒結(jié)溫度為1135℃時有所下降，但仍超過300 V/mm，為301 V/mm，電阻片的漏電流從燒結(jié)溫度為1135℃時的8 μA明顯降低至4 μA，隨著燒結(jié)溫度進一步升高，電阻片的電位梯度逐漸降低，漏電流下降不明顯，當燒結(jié)溫度為1155℃時，電阻片的漏電流反而升高，因此，燒結(jié)溫度為1140℃時，電阻片的綜合電性能最佳。

2.2 試驗結(jié)果討論

圖4為ZnO壓敏電阻片分別在1135℃，1140℃和1155℃進行燒結(jié)，保溫2 h后冷卻至室溫的顯微組織形貌圖，其中圖(a)、圖(b)分別為試樣A1在1135℃進行燒結(jié)，保溫2 h后冷卻至室溫時放大500倍和1500倍的顯微組織形貌圖，圖(c)、圖(d)分別為試樣A2在1140℃進行燒結(jié)，保溫2 h后冷卻至室溫時放大500倍和1500倍的顯微組織形貌圖，圖(e)、圖(f)分別為試樣A5在1155℃進行燒結(jié)，保溫2 h后冷卻至室溫時放大500倍和1500倍的顯微組織形貌圖。

圖4 不同溫度下ZnO壓敏電阻片的顯微組織形貌

由圖可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，電阻片的組織趨于均勻分布，氣孔的數(shù)量逐漸減少，致密度提高。燒結(jié)溫度為1135℃時，電阻片的氣孔數(shù)量多，組織分布不均勻，致密度差，這主要是燒結(jié)溫度過低，電阻片的燒結(jié)不充分所致；當燒結(jié)溫度為1140℃時，電阻片的氣孔數(shù)量明顯減少，組織分布也更為均勻；隨著燒結(jié)溫度的進一步升高，電阻片中又出現(xiàn)了少量的氣孔，其原因與高溫下Bi2O3的揮發(fā)有關(guān)[5-6]。

3 結(jié)論

1)降低燒結(jié)溫度有助于提高電阻片的電位梯度，但燒結(jié)溫度過低，電阻片的組織分布不均勻性，同時漏電流較高，能量通流能力較差；燒結(jié)溫度過高又會使電阻片的電位梯度下降。

2)燒結(jié)溫度為1140℃時，ZnO壓敏電阻片組織分布均勻，電位梯度為301 V/mm，漏電流為4 μA，致密度為96.6%，綜合電性能達到最佳。

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