Ｙ2Ｏ3掺杂对ZnO压敏陶瓷电性能的影响
Y2O3掺杂对ZnO压敏陶瓷电性能的影响
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（1贵州大学材料学院，2贵州飞舸电子有限公司）
摘要：本文采用传统的陶瓷工艺，对比研究了不同Y2O3含量对ZnO压敏电阻器的性能的影响。结果表明：掺杂Y2O3能够细化晶粒、提高ZnO压敏电阻器的电压梯度，当掺杂量为0.8％时，电位梯度达270V/mm，但样品致密度较低，电性能下降。当Y2O3含量为0.lWt.%时，电位梯度与未掺杂Y2O3的样品相当，其致密度较高、晶粒尺寸一致，电性能最佳。
1.前言
由于高梯度ZnO压敏电阻片可以降低避雷器的高度、缩小其体积、减轻其重量，因此在超高压、特高压避雷器以及线路型避雷器等对高梯度ZnO压敏电阻片的需求愈来愈大，这方面的研究十分引人注目，已经取得了一定的成果[1]。提高电位梯度方法比较多，如采用降低烧成温度、减少保温时间等低温烧结技术；采用更细的材料如纳米原料等都可以适当减小晶粒尺寸；采用掺杂稀土氧化物来抑制ZnO晶粒的生长，从而提高电位梯度。但是这些方法中有的生产成本过高，有的方法在提高梯度的同时，电性能往往会有所下降，制约了高梯度的压敏电阻在我国的压敏行业的产业化。
2. 实验
将ZnO粉料和Bi2O3、Co3O4、MnO2、Sb2O3、Cr2O3等添加剂按配方（摩尔分数）：97%ZnO+1%Bi2O3+0.5%Co3O4+0.5%Sb2O3+0.5%MnO2+0.5%Cr2O3准确称量，分别加入重量比为0，0.05%，0.1%，0.2%，0.4%和0.8％的Y2O3，用湿法球磨24h，经烘干过筛后，加入适量的浓度为5%的聚乙烯醇水溶液作粘合剂，干压成边长40×40mm，厚度4.4mm，密度为3.2g/cm3的生坯，缓慢升温至350℃排胶后，再升温至1120℃，保温2h后随炉冷却降到室温，在650℃退火，烧渗银电极，制得样品分别记为Y0 、Y1 、Y2、Y3 、Y4、Y5。
用CJ1001型压敏电阻直流参数仪测量样品的压敏电压、漏电流、非线性系数，用FGL-40型雷电流冲击实验台测试8/20ms大电流特性，用JJW-2000VA型精密净化交流稳压电源、FGT-TOV型老化试验台测试TOV特性，用JSM-6360LV型扫描电镜分析样品显微结构。
3.结果与讨论
图.1是氧化钇掺杂量与压敏陶瓷相对密度关系，表.1是氧化钇掺杂量对压敏电阻小电流特性的影响。从图.1和表.1可以看出，随着Y2O3含量的增加，试样的致密度逐渐降低。Y2O3含量由0增加到0.8%时，相对密度(样品密度与理论密度的比值)由98.5%降为93. 3%。掺杂Y2O3试样的电位梯度均要高于未掺杂的试样。当Y2O3掺杂量在0.1%时，电位梯度出现了下降现象，与未掺杂Y2O3的Y0试样电位梯度相当，这与王玉平等人的研究相符[2]，过此拐点，电位梯度基本随着掺杂量的增加而逐渐升高。当掺杂量达到0.8%时，电位梯度达到最大值270V/mm。
图.1 氧化钇掺杂量与压敏陶瓷相对密度关系
表.1 氧化钇掺杂量对压敏电阻小电流特性的影响
| 样品 | Y0 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 |
| 压敏电压（V） | 620 | 694 | 640 | 767 | 910 | 985 |
| 电压梯度（V/mm） | 170 | 190 | 175 | 210 | 250 | 270 |
| IL（μA） | 4.2 | 2.9 | 3.3 | 4.1 | 2.5 | 2.2 |
图.2、图.3分别是8/20μs雷电流冲击结果和压敏电阻TOV特性测试结果。由图.2可见，随着Y2O3含量的增加，样品的8/20μs雷电流通流能力显著提高，在Y2O3含量为0.1％时，达到最大值，Y2O3含量进一步的增加，8/20μs雷电流通流能力下降。由图.3可见，在Y2O3含量为0.1％时，有最大的热脱扣电流，约为1200mA，比未掺杂Y2O3的样品提高了3倍，而随着Y2O3含量进一步的增加，其热脱扣能力下降。
图.2 8/20μs雷电流20KA冲击30次后压敏电压变化率
图.3氧化钇掺杂量对压敏电阻TOV特性的影响
图.4不同Y2O3含量的压敏陶瓷的SEM照片
在ZnO晶粒的尺寸逐渐减小的同时，样品致密度逐渐降低。这是因为晶粒的长大，晶界的移动，同时带动了晶界处气孔的移动，小气孔合并长大并从陶瓷体排出，从而完成陶瓷的烧结过程。由于Y2O3的加入抑制了晶粒的充分发育，气孔无法排出，导致气孔增多，样品致密度下降。Y0样品由于未掺杂Y2O3，出现了晶粒异常长大，在大晶粒处晶界减少，导致电阻降低，电流容易在这里集中从而发生电击穿，所以其8/20μs雷电流通流能力、热脱扣能力不好。而样品Y2晶粒虽然不是最小、致密度不是最高，但其晶粒发育一致，因此其大电流特性最好。随着Y2O3的进一步增加，Y5样品的相对密度仅有93. 3%，陶瓷体中存在大量的气孔，这必然导致其电性能的劣化。
4.结论
（1）Y2O3掺杂能细化晶粒、提高了ZnO压敏电阻片的电位梯度，在掺杂量为0.8％时，电位梯度达270V/mm。
（2）随着Y2O3掺杂量的增加，样品致密度逐渐降低，这导致压敏电阻电性能劣化。
（3）当掺杂量为0.l Wt.%时，电位梯度与未掺杂Y2O3的样品相当，其致密度较高、晶粒尺寸一致，电性能最佳。
参考文献
[1] 王玉平，李盛涛.新型ZnO压敏电阻片的研究进展[J].电气应用，2005（6）：1~8。
[2] 王玉平，马军.掺杂Y2O3的ZnO-Bi2O3-Sb2O2系压敏电阻[A].中国电子学会敏感技术分会第十三届电压敏学术年会论文[C]2006：70~75。
[3] 王玉平，马军.掺杂Y2O3氧化锌压敏陶瓷的显微组织及电性能[J].压电与声光，2007，29（6）：114~119。