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华中科技大学电子科学与技术系电子器件制备工艺课程设计(论文)氧化锌压敏电阻的制备班 级: 1306班 学 号: 姓 名: 专 业: 电子科学与技术 指导老师: 二零一五年 - 2 - 电子器件制备工艺课程设计(论文)摘 要电气电子设备,地铁,发电站的广泛应用需要强大稳定的电力供应,需要架设高压输电网。与此同时,雷电也通过各种途径严重危害着高压输变电设备以及建筑物内的电气电子设备。早期的线路防雷击电涌保护器主要采用空气间隙,后来人们发现了金属氧化锌压敏电阻器。由于ZnO压敏电阻的优良性能及使用广泛,国内外对其进行了大量的研究,主要集中在压敏机理、微观结构、掺杂元素、工艺制度等等。本文介绍了什么是氧化锌压敏电阻陶瓷,并简述了氧化锌压敏电阻陶瓷的制备方法。对现在采用的几种氧化锌压敏电阻陶瓷粉体制备方法进行了分析,及氧化锌压敏电阻陶瓷性能的影响因素进行了研究。关键词:氧化锌压敏电阻;制备工艺;粉体制备;影响因素;掺杂改性。Abstract The widely used of electrical and electronic equipments, subway and power station need strong and stable electric power supplement. Meanwhile, high-tension power transmission & transformation equipments and electrical and electronic equipments in the building can be destroyed by thunder streak through many ways. The most used SPD(surge protection device) in the early time was made from air gap, people found ZNR(zinc oxide metal pressure-sensitive resistor) later. Scientist have done much research in zinc oxide varistor ceramics because of its good performance of varistor and widely use, the research is mainly focused on pressure-sensitive mechanism, microstructure, doping elements, process system, etc. This paper describes what zinc oxide varistor ceramics is and preparation process of zinc oxide varistor ceramics is described. As to preparation methods of zinc oxide varistor ceramics used now, the paper gives some assessments. Affecting factors of performance of zinc oxide varistor ceramics are pointed out. Keywords: zinc oxide varistor ceramics, preparation technology, powder preparation, affecting factorsKeywords: ZNR; preparation technology; powder preparation;affecting factors; doping vario-property.目录摘 要- 1 -ABSTRACT- 2 -第1章 绪论- 1 -1.1 概述及发展现状- 1 -1.1.1 概况- 1 -1.1.2 发展现状- 1 -1.2 理论依据及本论文的主要方法- 2 -1.2.1 理论依据- 2 -1.2.2 本论文的主要方法- 3 -第2章 实验部分- 4 -2.1 实验原材料- 4 -2.2 氧化锌压敏电阻制备步骤- 5 -2.3 压敏特性电学测试- 6 -第3章 结果与讨论- 7 -3.1 实验配方及测试结果- 7 -3.1.1 实验配方- 7 -3.1.2.相关实验结果- 7 -3.1.3实验结果简要分析- 11 -第4章 建议与体会- 12 -4.1 研制仪器与系统实验- 12 -4.1.1 测试仪器使用感受- 12 -4.1.2 造粒机的想法- 12 -4.1.3 研磨过筛部分- 12 -4.2 实验体会- 13 -4.2.1 操作方面- 13 -4.2.2 实验方案设计方面- 13 -参考文献- 14 - 14 -电子器件制备工艺课程设计(论文) 第1章 绪论1.1 概述及发展现状1.1.1 概况氧化锌压敏电阻具有非线性伏安特性,最先发现于20世纪60年代初的苏联。后来,日本松下电器产业株式会社的Matsuoka等发现了ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷。因为他们最先申请发明与制造专利,所以Matsuoka被公认为ZnO压敏陶瓷的发现人。自Matsuoka研制出ZnO 压敏电阻器以来,人们从制备工艺、基础理论、应用开发等方面进行了大量研究。由于ZnO压敏电阻器性能优异,已广泛应用于各个领域。1975年以前,ZnO压敏电阻器主要用在中、高压方面,1975年以后,随着电子计算机、家用电器、通讯技术、汽车电子工业等领域的发展,大量的精密电子线路及芯片、集成电路得到应用,故对保证这些系统正常运行的ZnO压敏电阻器的需求量也不断增加。1.1.2 发展现状 1972年美国通用电气公司(GE)购买了日本松下电器有关氧化锌压敏材料的大部分专利和技术诀窍。自从美国掌握了氧化锌压敏陶瓷的制造技术以后,大规模地进行了这种陶瓷材料的基础研究工作。自80年代起,对氧化锌压敏陶瓷材料的研究逐渐走进了企业,迄今为止,主要的理论研究工作都是在美国完成的。主要的研究课题有: (1)以解释宏观电性为目的的导电模型的微观结构的研究(7080年代) (2)以材料与产品开发为目的的配方机理和烧结工艺的研究(7080年代) (3)氧化锌压敏陶瓷材料非线性网络拓扑模型的研究(8090年代) (4)氧化锌压敏陶瓷复合粉体的制备研究(8090年代) (5)纳米材料在氧化锌压敏陶瓷中的应用研究(90年代)1.2 理论依据及本论文的主要方法1.2.1 理论依据压敏效应是陶瓷的一种晶界效应,ZnO压敏陶瓷的非线性源于晶界势垒。掺杂的氧化铋大部分存在于三晶粒所形成的晶界部位。晶界高浓度的铋离子会置换固溶的锌离子,从而在晶界上形成施主离子组成的电子损耗层。而晶界上具有负电荷吸附的受主能级,从而形成相对于晶界面对称的双肖特基势垒,双肖特基势垒的存在是ZnO压敏陶瓷存在非线性的根本原因。压敏陶瓷主要用于制作压敏电阻器, 它是对电压变化敏感的非线性电阻, 其工作电压是基于所用压敏电阻特殊的非线性电流 -电压(I-U)特征。其I-U 关系可用下式表示: 式中: I-通过压敏电阻的电流 U-通过压敏电阻的电流 -非线性系数,表示电阻值随电压增加而下降的程度指数 C-非线性电阻伏安特性曲线:当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时,流过它的电流极小,它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说,当加在它上面的电压低于其阈值时,它相当于一个断开状态的开关 。当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时,流过它的电流激增,它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说,当加在它上面的电压高于其阈值时,它相当于一个闭合状态的开关其中非线性系数表征了压敏电阻的主要性能指标,非线性系数越大,压敏电阻随电压变化电流增大得越快,旁路泄流的能力越强,即保护能力越强。非线性系数的计算方法:不同强度电场的导电模型详细解释如下:低电场区:低电场下导电机理主要是热激发电子导电,此时晶粒属于导体,而晶界为高阻状态,此时压敏电阻具有很高的阻值。中电场区:施加的电压超过某一数值,即反偏势垒的场强超过某一临界值时,晶界界面能级俘获的电子基本上不再通过热激发形式越过势垒形成传导电流。导电机理变为隧道击穿,电子直接穿过晶界导电,此时压敏电阻的内阻很小。高电场区:高电场使得耗尽层都已消失,晶界层全部导通,因此基本上由ZnO晶粒决定其特性。由此可见,高电场下的ZnO压敏电阻的伏安特性由ZnO晶粒的电阻效应所控制。 1.2.2 本论文的主要方法 采用传统固相混合法制备ZnO压敏陶瓷,该工艺是将ZnO与掺杂氧化物按照一定配比通过球磨使得配料保持在一定的细度并达到混合均匀,压制、成型、烧结得到压敏电阻。并对其进行测试,以验证之前对性能的的预期假设。第2章 实验部分2.1 实验原材料氧化锌本身在常温下电阻率很高,接近绝缘体。在还原气氛下热处理,ZnO变为Zn和O,导电性增加。氧化锌是主要原料,质量比90%左右,平均粒径在0.45um较好,针状结晶较多不可取,要用无定形结晶。添加物原料对ZnO压敏电阻优异非线性结构的形成,耐受冲击电流能力的提高和长期运行稳定性的改善等起着决定性的作用。以下简要说明各个物料的作用。1. Bi2O3。 Bi2O3是含铋氧化物压敏瓷的重要添加物。在烧结中,Bi2O3和ZnO、Sb2O3等氧化物发生反应,生成富Bi的液相,促进烧结。在显微结构中,形成富Bi2O3的晶间相,并且一部分Bi被吸附到ZnO晶粒间界上,形成富Bi薄层,产生表面态,从而形成晶界势垒,使压敏瓷的电气性能具有非线性。Bi2O3的含量对势垒高度B、施主密度Nd及耗尽层宽度L有显著的影响,Bi2O3在高温烧结时,容易挥发,影响显微结构的均匀性和压敏瓷的寿命特性。Bi2O3挥发越多,残留率越小,则压敏瓷的稳定性越差。因此,烧结时温度不宜太高,保温时间不宜过长,并应该保持Bi的气氛,尽量减少Bi的损失。 2.TiO2。它可增加ZnO在液相中的溶解度,促进晶粒长大,使压敏电阻的U1mA值降低,并提高冲击电流作用后的电压稳定性。添加量为0.13mol%。3. MnO2和Co2O3。Mn和Co可以固溶在ZnO、尖晶石和富Bi2O3相中。它们在各相中的分布与加入到压敏瓷料中的锰、钴氧化物的价态有关。同时,锰、钴氧化物的价态还影响其他阳离子,如Zn2+、Cr2+在各相中的分布。剩余的Mn、Co则偏析在晶界上。MnO显著地改善压敏电阻的非线性。实验表明,Mn在晶界上形成陷阱,从而对电压非线性产生影响。但是,MnO2添加过量,会影响压敏瓷的稳定性。Co2O3可提高界面势垒的高度,使泄漏电流
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