摘 要

氧化锌压敏电阻器是固态电子陶瓷元件，掺杂有多种金属氧化物，其关键功能是检测和限制瞬态电压浪涌。由于电路电容和电导而存储的能量在由于雷击、静电放电等引起的电路电气状况的突然变化时会产生瞬态电压，因此瞬态过电压保护的关键是要求变阻器具有消耗脉冲能量的特性，以保证电压足够低从而使电气元件不被损坏。主要应用领域为集成电路、高压真空开关等。

在氧化锌压敏电阻的制备中，稀土掺杂是一门重要的课题，国内外很多学者采用了各种不同的稀土掺杂，制备出了性能优良的氧化锌压敏陶瓷。Sc₂O₃作为一种性质与稀土氧化物类似的物质，在其他陶瓷的制备中已经有了良好的应用，本文就是将Sc₂O₃掺杂到氧化锌压敏陶瓷中，探究其对陶瓷结构及性能的影响。

本文采用水热法合成了纳米氧化锌粉体颗粒，并采用传统的烧结工艺，在1200℃的温度下烧结成型，制备了氧化锌压敏陶瓷并研究了其电学性能。论文主要研究了分别掺杂了不同摩尔百分含量的Sc₂O₃对制备出的氧化锌压敏陶瓷电学性能以及致密度的影响，设计了不同的配方掺入到压敏陶瓷中烧结成样品。研究结果表明：当掺入Sc₂O₃的含量为0.4mol%时，得到的氧化锌压敏陶瓷的电学性能最佳，非线性系数52，击穿电压335V·mm^-1，漏电流1.5μA，致密度为96.12%。

关键词：ZnO陶瓷；压敏电阻；稀土掺杂；添加剂

Abstract

Zinc Oxide Varistors are solid state electronic ceramic components doped with a variety of metal oxides. Their key function is to detect and limit transient voltage surges. Since the stored energy of the circuit capacitance and conductance generates a transient voltage when the electrical condition of the circuit is suddenly changed due to lightning strikes, electrostatic discharge, etc., the key to the transient overvoltage protection is that the varistor has the characteristic of consuming pulse energy. Ensure that the voltage is low enough so that electrical components are not damaged. The main application areas are integrated circuits, high voltage vacuum switches and the like.

In the preparation of zinc oxide varistor, rare earth doping is an important subject. Many scholars at home and abroad have used various rare earth doping to prepare zinc oxide varistor ceramics with excellent performance. As a kind of substance similar to rare earth oxide, Sc₂O₃ has been well used in the preparation of other ceramics. This paper is to dope Sc₂O₃ into zinc oxide varistor ceramics to explore its effect on ceramic structure and properties.

In this paper, nano-zinc oxide powder particles were synthesized by hydrothermal method, and the zinc oxide varistor ceramics were prepared by sintering at 1200 °C. The electrical properties were studied. The paper mainly studied the effects of different molar percentages of Sc₂O₃ on the electrical properties and density of zinc oxide varistor ceramics. The different formulations were designed into the sensitized ceramics and sintered into samples. The results show that when the content of Sc₂O₃ is 0.4mol%, the obtained zinc oxide varistor ceramics have the best electrical properties, nonlinear coefficient 52, breakdown voltage 335V·mm^-1, leakage current 1.5μA, and the density is 96.12%.

Key Words：ZnO ceramic; varistor; rare earth doping;addition

目 录

第1章 绪论 1

1.1纳米ZnO的性质、应用及制备方法 1

1.1.1ZnO的性质和应用 1

1.1.2纳米ZnO的制备 1

1.2ZnO压敏陶瓷 3

1.2.1氧化锌压敏陶瓷的简介 3

1.2.2氧化锌压敏陶瓷的电学性能 4

1.3选题意义及研究内容 6

1.3.1研究背景 6

1.3.2氧化锌压敏陶瓷的研究进展 6

1.3.3本实验的研究意义与内容 9

第2章 实验试剂与仪器 11

2.1实验原料与试剂 11

2.2实验仪器 11

第3章 水热法合成纳米氧化锌粉体颗粒 13

3.1制备部分 14

3.2测试部分 14

3.2.1电子扫描显微镜 14

3.3结果分析 14

3.4实验小结 15

第4章 氧化锌压敏陶瓷的制备与表征 17

4.1设计部分 17

4.2制备部分 17

4.2.1配比设计 17

4.2.2球磨 17

4.2.3造粒压片 18

4.2.4冷等静压处理 18

4.2.5排胶与烧结 20

4.2.6 改进实验 21

4.3测试部分 21

4.3.1 XRD衍射分析 21

4.3.2扫描电子显微镜 22

4.3.3致密度分析 23

4.3.4电学性能的表征 24

4.4实验小结 28

第5章 结论与展望 29

5.1结论 29

5.2存在的不足 29

5.3展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1纳米ZnO的性质、应用及制备方法

1.1.1 ZnO的性质和应用

ZnO是锌的一种氧化物，其外观为白色粉末或者六方晶系晶体，加热颜色变为黄色，冷却后恢复白色，加热至1800℃升华。它的分子量为81.38，理论密度是5.65g·cm^-3。ZnO难溶于水，易溶于无机酸、碱，它具有高的熔点，高的热传导率，较小的热膨胀系数^[1，2]。ZnO晶体经常呈现出不同的晶体结构，这是由于它结构中的离子之间靠共价键和离子键相互连接，所以，其化学键的强度较之离子晶体更弱，因而易受外界环境影响而产生结构变化引起的^[3，4]。如图1.1为氧化锌六方晶体结构图。

图1.1 氧化锌六方晶体结构