镨系(Pr)纳米氧化锌(ZnO)非线性压敏功能材料研究

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1、学号：08101148常州大学硕士学位论文镨系(Pr)纳米氧化锌(ZnO)非线性压敏功能材料研究研究生李刚王茂华指导教师副教授学科、专业名称化学工艺研究方向材料化学2011年5月ＲesearchonthenonlinearvaristorceramicsbasedonNano-ZnO-Pr6O11ADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByLiGang(Chemicalprocess)DissertationSupervisor:Prof.MaoHua-taoMay,2011中文摘要随着电子信息，家电行业的发

2、展，对压敏电阻器的需求量越来越大，对其性能的要求越来越高，特别是军事装备的现代化、信息化对压敏电阻器的性能提出了更高的要求。由此压敏陶瓷必须满足两个基本要求，一是必须具有较低烧结温度。二是必须具有更好的压敏特性。近年来Pr系ZnO压敏陶瓷越来越受到研究者的关注，Pr系ZnO压敏陶瓷不仅能够克服Bi系ZnO压敏陶瓷中添加剂种类较多、液相烧结过程中活性物质Bi2O3的强挥发性和高的活性等缺点，而且还具有添加剂种类少、微观结构简单易于控制，非线性好、稳定性好的优点，然而由于它的烧结温度高，能耗大，成本相对高的原因，阻碍了它的大规模应用和商业化。传统的ZnO压敏

3、陶瓷是以微米级的ZnO粉体为起始原料，电阻器的性能最终会受微米尺度前驱体固有的物理、化学和热力学特性的制约，难以提高其性能。纳米材料和技术在陶瓷上的应用为ZnO压敏陶瓷的研究提供了新的思路和很多值得借鉴的经验。本课题以纳米ZnO粉体为起始原料，对Pr系ZnO压敏陶瓷进行了系统的研究，包括固相法制备Pr系ZnO压敏陶瓷的烧结动力学、微观结构和电性能及掺杂Y2O3和Al2O3的影响和溶胶凝胶法与液相包覆法分别制备Pr系ZnO压敏陶瓷及对微观结构和电性能的影响。主要研究成果如下：(1)传统固相法制备ZnO-Pr6O11-MnCO3-CoO压敏陶瓷(简称ZPMC

4、)，其相对密度随烧结温度和保温时间的增加从72%增加到96%，各种烧结条件下的陶瓷晶粒大小均匀，无异常晶粒出现，晶粒大小随着烧结温度和保温时间的增加从2.3μm增加到8.3μm。ZPMC压敏陶瓷的最佳烧结条件是1300℃下烧结2h，比用微米级ZnO制备ZPMC压敏陶瓷的烧结温度降低约50-100℃。在1050-1300℃范围内，ZPMC压敏陶瓷的晶粒生长指数是3.7，表面活化能为306±61kJ/mol。ZPMC陶瓷的压敏电压随烧结温度一直降低，非线性系数却一直增加，而漏电流是先变小后变大，但总体上漏电流都较大，需要进一步优化。(2)ZnO-Pr6O11

5、-MnCO3-CoO-Y2O3压敏陶瓷(简称ZPMCY)密度随着烧结温度的升高而升高，略低于ZPMC的密度。ZPMCY陶瓷相结构由ZnO相和晶界相组成，而晶界相又包括富Pr2O3、富Pr6O11和富Y2O3相。掺杂Y2O3能减缓陶瓷的致密化进程和抑制晶粒的增长，这是因为Y2O3在ZnO相中基本不溶解，绝大多数都存在于晶界中，从而隔离两相的缘故。ZPMCY陶瓷的压敏电压随烧结温度的增长从7100V/cm一直降到2470IV/cm。在烧结温度1275℃时，非线性系数达到最高为45.3，漏电流达到最低为1.53μA。(3)ZnO-Pr6O11-MnCO3-Co

6、O-Y2O3-Al2O3(简称ZPMCYAl)陶瓷相结构由ZnO相，ZnAl2O4尖晶石相和富Pr相组成。ZnAl2O4尖晶石相只有在Al2O3掺杂量足够多以至于超过在ZnO相溶解度的时候才会出现，且不会随着Al2O3掺杂量的增加而变化或消失。掺杂Al2O3对ZPMCY陶瓷的致密化进程和晶粒增长没有产生显著的影响。陶瓷晶粒随着Al2O3含量的增33加从3.3μm增长到3.7μm，烧结密度也从5.41g/cm增加到5.53g/cm。ZPMCYAl陶瓷的压敏电压随着Al2O3掺杂量的增加从5020V/cm下降到1844V/cm，非线性系数先略有上升后急剧下降

7、，在Al2O3掺杂量为0.01mol%时，达到了最大值53.4，而漏电流却是在大范围内增长。(4)采用sol-gel法制备Pr系ZnO压敏陶瓷，确定了ZnO掺杂粉体的预烧温度为700℃，预烧后的ZnO掺杂粉体粒度分布窄，粉体颗粒呈球状，属六方晶系，平均粒径约为200nm。在烧结温度1220℃时，压敏陶瓷微观结构均匀，晶粒约为3.2μm。压敏陶瓷的相组成由主晶相六方晶系纤锌矿结构ZnO，富Pr2O3相和富Pr6O11相构成。溶胶凝胶法制备的压敏陶瓷的烧结温度比传统固相法的烧结温度降了约80℃，宏观电性能也有了明显提高，压敏电压为910V/mm，非线性系数为

8、40.2，漏电流为0.3μA。(5)采用液相包覆法制备纳米复合ZnO掺杂粉体，确