用于LTCC技术的ZnO压敏陶瓷的制备与研究

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ZnO压敏陶瓷由于具备非线性伏安特性高、浪涌吸收能力好、响应速度快、漏电流小等优点特性,广泛应用在家电、通讯、交通、军工、高压电力输送等领域的电路系统中。在MLCC领域,实现纯银内电极替代传统的银钯内电极是发展趋势,而用于LTCC技术的ZnO压敏陶瓷材料的制备与研究是实现该趋势的关键基础。因此,本论文从调整烧结制度、添加烧结助剂及Bi2O3与Sb2O3粉料预处理等三方面开展相关ZnO压敏陶瓷的制备与研究,以期降低陶瓷烧结温度,并得以应用于LTCC技术领域。(1)根据ZnO-Bi2O3基陶瓷的烧结特性调整烧结制度,以优化陶瓷的显微结构,从而改善陶瓷的性能。在烧结温度前新增750°C、800°C、850°C三个拐点温度进行分段烧结,与无拐点的一步烧结作对照试验,烧结温度都为950°C。实验结果表明:分段烧结样品比一步烧结样品更加致密,晶粒尺寸和显微结构更加均匀,压敏电压更高。C-V性能方面,分段烧结提高样品晶界势垒高度,增大耗尽层宽度。其中拐点温度为800°C,烧结温度为950°C时,样品综合性能最好:压敏电压为883.0 V/mm,非线性系数为10.1,平均晶粒尺寸为3.4μm,密度为5.52 g/cm3.(2)对基础配方分别进行SnO2掺杂、以及SnO2、B2O3和Si O2的共同掺杂,研究这两种掺杂方式对降低烧结温度,改善压敏陶瓷性能的影响。在910~950°C温度下进行低温烧结,结果发现:SnO2、B2O3、Si O2共同掺杂样品平均晶粒尺寸最小,显微结构均匀性最佳。硼硅锡共同掺杂使富铋液相粘度增大,第二相增多,样品致密度和均匀性提高。当烧结温度950℃时随着烧结助剂掺杂种类的增多,样品受主浓度升高,势垒高度提高。在烧结温度为910°C时,获得较好的综合性能:压敏电压1040.0 V/mm,非线性系数为6.6,晶粒尺寸2.0μm,密度5.37 g/cm3.(3)将Bi2O3与Sb2O3分别以0.5:1,0.7:1,1:1,1.3:1,1.6:1的物质的量比混合压块后在700°C煅烧预处理,得到预处理粉料代替配方中Bi2O3与Sb2O3制备ZnO压敏陶瓷,与未经过该处理方式制备的ZnO压敏陶瓷作对比,研究Bi2O3和Sb2O3预处理对压敏陶瓷的显微结构与电性能的影响。Bi2O3与Sb2O3预处理后的样品密度更高,平均晶粒尺寸较小,显微结构更均匀,这归因于粉料预处理后能有效控制烧结过程中Bi2O3和Sb2O3的挥发。当Bi2O3和Sb2O3物质的量比为1.6:1时,在910°C下烧结获得最佳性能:压敏电压为1215.7 V/mm,漏电流低于0.1μA,非线性系数为12.2,平均晶粒尺寸2.3μm密度为5.38 g/cm3.
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