納米Bi2O3摻雜對(duì)ZnO壓敏電阻片電學(xué)性能的影響

夏昌其，鐘春燕，李自立

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008)

ZnO壓敏電阻片作為避雷器的重要組成部分，以其具有非線性系數(shù)大、瞬間響應(yīng)速度快、高能通流能力強(qiáng)等優(yōu)異的電學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、城市地鐵及軌道交通直流供電線路以及鐵路運(yùn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)[1-2]。近些年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展以及超高壓輸電線路的建設(shè)，對(duì)氧化鋅避雷器的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的電學(xué)性能要求也越來(lái)越高[3]。本文研究了納米Bi2O3摻雜對(duì)ZnO壓敏電阻片電學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制備ZnO壓敏電阻片的配方如表1所示，其中，納米Bi2O3化學(xué)成分摩爾分?jǐn)?shù)變化分別為0.75%、0.80%、0.85%、0.90%和0.95(試樣編號(hào)分別為B-1、B-2、B-3、B-4和B-5)。將瓷料按配方準(zhǔn)確稱量，用鋯球濕磨24h后烘干過(guò)篩，在篩分后的生料中加入一定量的濃度為5%的聚乙烯醇溶液(PVA)作黏結(jié)劑，經(jīng)造粒后過(guò)80目篩的生料干壓成 33mm×15mm的瓷坯，在箱式爐中緩慢升溫至400℃排膠后，再升溫至燒結(jié)溫度保溫2h，隨爐冷卻到室溫，被銀電極，制得樣品。

表1 納米Bi2O3化學(xué)成分設(shè)計(jì) 摩爾分?jǐn)?shù)%

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用MOA-Ⅱ避雷器閥片直流參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試ZnO壓敏電阻片壓敏電壓SV1mA及漏電流IL。

2 討論

圖1為不同含量納米Bi2O3摻雜的ZnO壓敏電阻片電位梯度在燒結(jié)溫度為1140℃，1160℃，1180℃和1200℃時(shí)的變化情況。從圖中可知，在相同燒結(jié)溫度下，ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3含量的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)；當(dāng)納米Bi2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.80%時(shí)，不同燒結(jié)溫度下電阻片的電位梯度均達(dá)到最大值，燒結(jié)溫度為1140℃時(shí)，B-2試樣的電位梯度達(dá)到330V/mm。

圖1 納米Bi2O3含量對(duì)ZnO壓敏電阻片電位梯度的影響

表2為燒結(jié)溫度在1140～1200℃時(shí)，不同含量的納米Bi2O3摻雜對(duì)ZnO壓敏電阻片漏電流的影響。從表中可以看出，隨著納米Bi2O3摻雜量的增加，相同燒結(jié)溫度下電阻片的漏電流變化不明顯；不同燒結(jié)溫度下納米Bi2O3摻雜量相同時(shí)，ZnO壓敏電阻片的漏電流也沒(méi)有較大的變化，對(duì)比分析試樣B-1～B-5可知，B-2電阻片的漏電流相對(duì)較低。

表2 不同含量納米Bi2O3摻雜對(duì)電阻片漏電流IL的影響 μA

圖2為不同含量納米Bi2O3摻雜對(duì)ZnO壓敏電阻片非線性系數(shù)α的影響。由圖可知，在納米Bi2O3摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.75%～0.80%時(shí)，非線性系數(shù)α呈上升趨勢(shì)，超過(guò)0.80%后呈下降趨勢(shì)。這是由于Bi2O3的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ZnO和其他添加劑，在溫度較低時(shí)就能變?yōu)橐合?，促使液相傳質(zhì)，推動(dòng)其他添加劑均勻地分布在ZnO晶粒和晶界中；而在冷卻過(guò)程中，由于Bi3+的半徑比Zn2+的半徑要大得多，不能進(jìn)入到ZnO晶粒中而偏析在晶界處，從而導(dǎo)致其他添加劑都向晶界偏聚，形成受主界面態(tài)，產(chǎn)生高的晶界勢(shì)壘，使得非線性系數(shù)α提高，倘若Bi2O3的摻雜量過(guò)多，不僅會(huì)使晶界加寬，而且使得尖晶石的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致非線性系數(shù)α的下降[4-5]。

圖2 不同含量納米Bi2O3摻雜對(duì)ZnO壓敏電阻片非線性系數(shù)的影響

3 結(jié)論

(1)在相同燒結(jié)溫度下，ZnO壓敏電阻片的電位梯度隨著納米Bi2O3摻雜量的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)；當(dāng)納米Bi2O3摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.80%時(shí)，電阻片的電位梯度達(dá)到最大值。

(2)納米Bi2O3摻雜量對(duì)ZnO壓敏電阻片漏電流的影響不大。

(3)隨著納米Bi2O3摻雜量的增加，ZnO壓敏電阻片的非線性系數(shù)先增大后減小；當(dāng)納米Bi2O3摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.80%時(shí)，電阻片的非線性系數(shù)達(dá)到最大值。