纳米Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻片电学性能的影响
2019-09-13夏昌其钟春燕李自立
夏昌其,钟春燕,李自立
(贵州工业职业技术学院,贵州 贵阳 550008)
ZnO压敏电阻片作为避雷器的重要组成部分,以其具有非线性系数大、瞬间响应速度快、高能通流能力强等优异的电学性能而被广泛应用于电力系统、城市地铁及轨道交通直流供电线路以及铁路运输电网系统[1-2]。近些年来,随着我国高速铁路的飞速发展以及超高压输电线路的建设,对氧化锌避雷器的需求越来越大,同时对产品的电学性能要求也越来越高[3]。本文研究了纳米Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻片电学性能的影响。
1 实验
实验过程中制备ZnO压敏电阻片的配方如表1所示,其中,纳米Bi2O3化学成分摩尔分数变化分别为0.75%、0.80%、0.85%、0.90%和0.95(试样编号分别为B-1、B-2、B-3、B-4和B-5)。将瓷料按配方准确称量,用锆球湿磨24h后烘干过筛,在筛分后的生料中加入一定量的浓度为5%的聚乙烯醇溶液(PVA)作黏结剂,经造粒后过80目筛的生料干压成 33mm×15mm的瓷坯,在箱式炉中缓慢升温至400℃排胶后,再升温至烧结温度保温2h,随炉冷却到室温,被银电极,制得样品。
表1 纳米Bi2O3化学成分设计 摩尔分数%
实验过程中,采用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SV1mA及漏电流IL。
2 讨论
图1为不同含量纳米Bi2O3掺杂的ZnO压敏电阻片电位梯度在烧结温度为1140℃,1160℃,1180℃和1200℃时的变化情况。从图中可知,在相同烧结温度下,ZnO压敏电阻片的电位梯度随着纳米Bi2O3含量的增加而呈现出先升高后降低的变化趋势;当纳米Bi2O3摩尔分数为0.80%时,不同烧结温度下电阻片的电位梯度均达到最大值,烧结温度为1140℃时,B-2试样的电位梯度达到330V/mm。
图1 纳米Bi2O3含量对ZnO压敏电阻片电位梯度的影响
表2为烧结温度在1140~1200℃时,不同含量的纳米Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻片漏电流的影响。从表中可以看出,随着纳米Bi2O3掺杂量的增加,相同烧结温度下电阻片的漏电流变化不明显;不同烧结温度下纳米Bi2O3掺杂量相同时,ZnO压敏电阻片的漏电流也没有较大的变化,对比分析试样B-1~B-5可知,B-2电阻片的漏电流相对较低。
表2 不同含量纳米Bi2O3掺杂对电阻片漏电流IL的影响 μA
图2为不同含量纳米Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻片非线性系数α的影响。由图可知,在纳米Bi2O3掺杂摩尔分数为0.75%~0.80%时,非线性系数α呈上升趋势,超过0.80%后呈下降趋势。这是由于Bi2O3的熔点远远低于ZnO和其他添加剂,在温度较低时就能变为液相,促使液相传质,推动其他添加剂均匀地分布在ZnO晶粒和晶界中;而在冷却过程中,由于Bi3+的半径比Zn2+的半径要大得多,不能进入到ZnO晶粒中而偏析在晶界处,从而导致其他添加剂都向晶界偏聚,形成受主界面态,产生高的晶界势垒,使得非线性系数α提高,倘若Bi2O3的掺杂量过多,不仅会使晶界加宽,而且使得尖晶石的数量增多,从而导致非线性系数α的下降[4-5]。
图2 不同含量纳米Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻片非线性系数的影响
3 结论
(1)在相同烧结温度下,ZnO压敏电阻片的电位梯度随着纳米Bi2O3掺杂量的增加而呈现出先升高后降低的变化趋势;当纳米Bi2O3掺杂摩尔分数为0.80%时,电阻片的电位梯度达到最大值。
(2)纳米Bi2O3掺杂量对ZnO压敏电阻片漏电流的影响不大。
(3)随着纳米Bi2O3掺杂量的增加,ZnO压敏电阻片的非线性系数先增大后减小;当纳米Bi2O3掺杂摩尔分数为0.80%时,电阻片的非线性系数达到最大值。