氮化物掺杂对氧化锌压敏陶瓷微观结构及电性能的影响

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ZnO基压敏陶瓷具有优良的非线性I-V特性及耐脉冲电流能力,作为过压保护和浪涌吸收元件被广泛地应用在电子线路、电力系统中,研究掺杂对ZnO基压敏陶瓷的微观结构和电学性能的影响,特别是脉冲大电流特性的影响,具有重要的意义。本文采用固相反应法制备ZnO基压敏陶瓷,研究了氮化物掺杂对样品的物相成分、微观结构、介电频谱及电学性能的影响,尤其是样品在大电流区域的非线性特性及脉冲电流耐受特性的影响。本文首先研究了氮化碳掺杂对ZnO基压敏陶瓷的相成分、显微结构、介电频谱、小电流性能和脉冲电流耐受特性的影响。根据双肖特基势垒模型,N3-作为受主杂质替位O2-的晶格位置,提供额外的空穴,使得施主浓度下降,晶界势垒提升,从而可以提高非线性系数和脉冲电流耐受特性。实验发现,添加了氮化碳的样品,晶粒生长受到抑制,压敏电压梯度明显提升。通过调整烧结温度,将添加了氮化碳与没有添加氮化碳的样品烧结为同一压敏电压梯度并进行脉冲电流测试后发现,添加了氮化碳的样品具有更好的大电流区域非线性以及更低的残压比。介电频谱结果表明,在相同的压敏电压梯度下,氮化碳的掺杂量越高,样品的电容量越小,表明晶界势垒高度随着氮化碳掺杂量增加而增加,因此大电流区域的非线性特性与脉冲电流耐受特性有所提升。本文还研究了氮化硼掺杂对ZnO基压敏陶瓷的影响。在ZnO压敏陶瓷中掺入的硼可以通过液相烧结机制促进氧化锌晶粒的生长,以此可以实现压敏陶瓷的低温烧结,但是由于氧化硼会在球磨过程中变为硼酸,硼酸会与聚乙烯醇发生络合反应而影响粉料的造粒,氧化硼的添加量因此受到限制。使用氮化硼代替氧化硼实现硼掺杂可以克服这一缺点。实验中对氮化硼和混合原料进行了同步热分析,探究了掺杂氮化硼的ZnO压敏陶瓷合适的烧结温度曲线,并研究了不同的氮化硼掺杂量对ZnO压敏陶瓷的微观结构和电学性能的影响。
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