烧结温度对ZnO压敏陶瓷电性能的影响

2018-05-11，，

现代机械 2018年2期

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(贵州工业职业技术学院，贵州贵阳 550008)

氧化锌压敏电阻片作为避雷器吸收浪涌和过电压保护的核心元件，以其非线性系数大、响应速度快、通流能力强等优异的电学性能而被广泛应用于高压电网、城市地铁、轻轨直流供电线路以及铁路电网系统[1-2]。随着我国城市轨道交通、高速铁路的迅猛发展以及特高压输电线路的建设，输电设备的安全性及可靠性要求也越来越高。ZnO压敏电阻片性能好坏将直接影响到避雷器的保护水平，同时，在特高压输电系统中，对避雷器的安全性、稳定性、重量和体积小型化也提出了更高的要求。为加快我国电力、电子行业的发展，摆脱对国外产品和技术的依赖，研制出高电位梯度大通流容量的氧化锌压敏电阻片具有非常重要的现实意义和经济价值[3-4]。为获得电位梯度高，同时又能降低生产成本的ZnO压敏电阻片，本文采用传统陶瓷工艺制备ZnO压敏电阻片，研究了不同烧结温度对ZnO压敏电阻片电性能的影响。

1 试验内容

本试验制备ZnO压敏电阻片的配方为：96.5% ZnO(摩尔分数，下同)，1.0% Bi2O3，1.0% Sb2O3，0.5% Co3O4，0.5% MnO2和0.5% Cr2O3。将ZnO粉末和其它添加剂准确称量，用湿法球磨24 h，经烘干过筛后，加入适量的浓度为5%的聚乙烯醇水溶液(PVA)作粘结剂，经造粒后干压成Φ33 mm×15 mm的生坯，生坯在箱式炉中缓慢升温至350℃排胶后，再分别升温至1135℃，1140℃，1145℃，1150℃和1155℃(试样编号分别为A1，A2，A3，A4和A5)保温2 h，然后随炉冷却至室温，烧渗银电极，制得样品，其工艺流程如图1所示。

图1 ZnO压敏电阻片制备工艺流程

用JSM-6360LV型扫描电子显微镜观察试样的组织形貌，并进行微区成分分析；用MOA-Ⅱ避雷器阀片直流参数测试仪测试ZnO压敏电阻片压敏电压V1mA及泄漏电流IL。

2 试验结果与分析

2.1 烧结温度对ZnO压敏电阻片的影响

图2 不同烧结温度下ZnO压敏电阻片电位梯度和致密度的变化

图2为不同烧结温度下ZnO压敏电阻片电位梯度和致密度的变化情况，由图可知，随着烧结温度的升高，ZnO压敏电阻片的电位梯度逐渐降低，致密度逐渐增大。当烧结温度从1135℃升高到1155℃时，电阻片的电位梯度从329 V/mm降低到276 V/mm，致密度从96.4%增大到97.8%。

图3 ZnO压敏电阻片的漏电流与烧结温度的关系

图3为ZnO压敏电阻片的漏电流在不同烧结温度下的变化情况，由图可知，随着烧结温度的升高，ZnO压敏电阻片的漏电流先下降后升高。当烧结温度为1135℃时，电阻片的泄漏电流IL为8 μA；烧结温度为1145℃和1150℃时，电阻片的泄漏电流IL最低，为3 μA。由图2和图3可知，当烧结温度为1140℃时，ZnO压敏电阻片的电位梯度较烧结温度为1135℃时有所下降，但仍超过300 V/mm，为301 V/mm，电阻片的漏电流从烧结温度为1135℃时的8 μA明显降低至4 μA，随着烧结温度进一步升高，电阻片的电位梯度逐渐降低，漏电流下降不明显，当烧结温度为1155℃时，电阻片的漏电流反而升高，因此，烧结温度为1140℃时，电阻片的综合电性能最佳。

2.2 试验结果讨论

图4为ZnO压敏电阻片分别在1135℃，1140℃和1155℃进行烧结，保温2 h后冷却至室温的显微组织形貌图，其中图(a)、图(b)分别为试样A1在1135℃进行烧结，保温2 h后冷却至室温时放大500倍和1500倍的显微组织形貌图，图(c)、图(d)分别为试样A2在1140℃进行烧结，保温2 h后冷却至室温时放大500倍和1500倍的显微组织形貌图，图(e)、图(f)分别为试样A5在1155℃进行烧结，保温2 h后冷却至室温时放大500倍和1500倍的显微组织形貌图。

图4 不同温度下ZnO压敏电阻片的显微组织形貌

由图可知，随着烧结温度的升高，电阻片的组织趋于均匀分布，气孔的数量逐渐减少，致密度提高。烧结温度为1135℃时，电阻片的气孔数量多，组织分布不均匀，致密度差，这主要是烧结温度过低，电阻片的烧结不充分所致；当烧结温度为1140℃时，电阻片的气孔数量明显减少，组织分布也更为均匀；随着烧结温度的进一步升高，电阻片中又出现了少量的气孔，其原因与高温下Bi2O3的挥发有关[5-6]。