氧化锌压敏陶瓷的制备与表征

第１１卷第５期　株洲师范高等专科学校学报　Ｖｏ１．１１　ＮＯ．５　２００６年１Ｏ月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＨＵＺＨＯＵ　ＴＥＡＣＨＥＲＳ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＣｔ．２００６　氧化锌压敏陶瓷的制备与表征　俞平胜　（东华理工学院材料系，江西抚州３４４０００）　摘要：简析纳米氧化锌压敏陶瓷材料的概念、特性、表征、应用现状，以及制备纳米氧化锌的常见方法和工艺　流程，并探讨了纳米氧化锌压敏陶瓷的结构、电参数和导电机理．　关键词：纳米ＺｎＯ；压敏陶瓷；制备；表征　中图分类号：ＴＱ１７４，７５　８．ｉｉ　文献标识码：Ａ　文章编号：１Ｏ０９—１４３２（２００６）０５—００４３一Ｏ２　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＺｎＯ　Ｖａｒｉｓｔｏｒ　ＹＵ　Ｐｉｎｇ—ｓｈｅｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｘｉ　３４４０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｆｌ　ｕｓｕａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　ｎａｎｏ—ｓｉｚｅｄ　ＺｎＯ，ａｎａｌｙ—　ｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｎｏ—ｓｉｚｅｄ　ＺｎＯ’ｖａｒｉｓｔｏｒ，ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏ—ｓｉｚｅｄ　ＺｎＯ；ｖａｒｉｓｔｏｒ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　压敏陶瓷是指在一定温度和某一特定电压范　１　纳米氧化锌粉体的制备与表征　围内具有非线性伏一安特性，其电阻随电压的增加　而急剧减小的一种半导体陶瓷材料．应用压敏陶　取３７．２ｇ　Ｚｎ（Ｎ０。）２、３７．５　ｇ酒石酸分别配制　瓷制成的压敏电阻器具有过压保护、抗雷击、抑制　成０．５　ｍｏｌ・Ｌ　的溶液，取１７．５　ｇ草酸加入乙醇　瞬间脉冲的作用，广泛应用于电力、交通、通讯、工　溶液中配制成草酸乙醇溶液．将配好的Ｚｎ（Ｎ０。）：　业保护、电子、国防等领域．　溶液加入烧杯中，并置于温度为５Ｏ℃恒温水浴中　ＺｎＯ压敏陶瓷是该类材料中性能最优异的　恒温，缓慢地加入配制好的络合剂酒石酸溶液，在　一种．ＺｎＯ压敏陶瓷是以ＺｎＯ为基体，在其中添　滴加的过程中用搅拌器充分搅拌至逐步生成酒石　加Ｂｉ２　Ｏ３、Ｃｏ２　Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｃｒ２　Ｏ３、Ａｌ２　０３、Ｓｂ２　０３、　酸锌络合物，然后在不搅拌的情况下，滴加草酸乙　Ｔｉ０：、Ｓｉ０：、　Ｏ。和ＰｂＯ等氧化物改性烧结而　醇溶液，当烧杯中的沉淀不再增加时即反应完全，　成．添加剂的作用大都是在偏析晶界上形成阻挡　将溶液进行抽滤，其沉淀先用蒸馏水后用乙醇洗　层；部分添加剂则起到降低烧结温度和控制晶粒　涤多次后，放人电热鼓风干燥箱在８Ｏ℃下干燥　尺寸的作用．［１－２３　２ｈ，然后再将沉淀放进箱式电阻炉在３００℃下煅　本实验用络合沉淀法制备纳米级氧化锌粉　烧后即制得纳米氧化锌粉体．［３］　体，烧成后获得了非线性系数较大，漏流小的氧化　从图１图２中可以看出，粒度在ｌＯＯｎｍ以下　锌陶瓷，整个工艺流程简便、易掌握．非线性系数　的纳米氧化锌粉体占８５　，其中５Ｏｎｔｏ以下占　大，漏流小是压敏陶瓷研究的重要课题之一．　３５　，超过ｌＯＯｎｍ的只占１５　，粒度分布均匀，完　收稿日期：２００５—１２—１９　作者简介：俞平胜（１９７５一），男，江西东乡人，东华理工学院讲师，南昌大学工学硕士．研究方向：功能陶瓷．　４３　维普资讯 http://www.cqvip.com

株洲师范高等专科学校学报　全符合制备陶瓷实验的要求．　图１纳米ＺｎＯ粉体的ＳＥＭ图　▲　５０　４５　１０　３５　姜３ｏ　２５　：Ｏ　Ｉｓ　ｌ。　５　粒径／　ｍ　图２　纳米氧化锌粉体的粒度分布　２纳米氧化锌压敏陶瓷的制备　２．１原料与仪器　Ｂｉ　Ｏ。，分析纯，中国医药（集团）上海化学试　剂厂；Ｐｒ　Ｏ。，化学纯，江西省稀土研究所；ＺｎＯ粉　体，按１中的方法自制．　恒温鼓风干燥箱，ＤＦＧ－７０１型，湖北黄石市　医疗器械厂；箱式电阻炉，ＳＸＺ一１０—１２型，上海实　验电炉厂；压敏电阻测试仪，ＪＹ一４Ｄ型，日本；陶瓷　模具，自制．　２．２　制备过程　按掺杂氧化物不超过陶瓷总质量的３　取　１．５％ＢｉｚＯ。＋１．５　Ｐｒ　Ｏ。与制得的纳米氧化锌粉　体均匀混合，在研钵里研磨后置于干燥箱中在　１５０℃下烘干，将粉料加入到陶瓷模具中压实，所　用压力约为２０ＭＰａ，然后从模具中取出坯体放人　箱式电阻炉在１０００℃下预烧１ｈ，并再将温度升至　１２５０℃，并保温１．５ｈ烧结成瓷，其工艺流程如图　３所示．　２００６第５期（总第５２期）　图３压敏电阻器的制备工艺流程图　２．３纳米氧化锌压敏陶瓷的性能测试　氧化锌压敏电阻的主要性能指标有：非线性　系数ａ（Ｉ一（Ｖ／Ｃ）。，Ｃ为材料常数）以及漏流Ｉ（外　加电压为０．７５Ｖ。　所对应的电流）等．　经用ＪＹ一４Ｄ型压敏电阻测试仪测得非线性　系数ａ一４８，漏流Ｉ一５　Ａ，性能良好．（非线性系　数４０以上就可满足常用压敏陶瓷的应用要求，漏　流则越小越好．）　测试结果表明，掺杂总量为３　的１　５　Ｂｉ　Ｏ。＋１．５　ＰｒｚＯ。纳米氧化锌陶瓷达到实用价　值的要求，且比报道中的其他一些氧化锌陶瓷的　性能更好．　２．４结果讨论　ＺｎＯ压敏电阻器的性能均受微观结构均匀　性和添加元素分布的影响．采用络合沉淀法制备　纳米氧化锌粉体，可以改善微观结构的均匀性，实　现添加元素有选择地分布，从而提高压敏电阻器　的性能．　在ＺｎＯ压敏陶瓷的配方中Ｂｉ　Ｏ。熔点较低，　当烧结温度高于８２５℃时，Ｂｉ　Ｏ。即开始熔融形成　富铋液相，液相的传质速度比固相快，从而加快了　ＺｎＯ晶粒生长的传质过程，有利于形成比较均匀　的微观结构．添加剂中的Ｐｒ　Ｏ。主要起到抑制　ＺｎＯ晶粒生长异常的作用．故Ｂｉ　Ｏ。、Ｐｒ　Ｏ。等添　加剂能够改善和提高压敏陶瓷的非线性．　图４烧成后的ＺｎＯ陶瓷的ＳＥＭ图　（下转第４７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

罗　婕，戴玉春，刘　敏：两种我国常见生物质的热解特性研究　表２　第二步失重过程两生物质试样ＴＧ特征值　木屑试样的相应Ｄ　ＦＧ峰值要小一些．由此可见，　在较低温区米糠试样的热解速率要快于木屑试　样；而在较高温区，木屑试样的热解速率要快于米　糠试样的热解速率．　３　结　论　表３第三步失重过程两生物质试样ＴＧ特征值　从上述研究分析可知，米糠试样和木屑试样　的热解都发生在２００℃～５００℃之间，ＤＴＧ曲线　都出现了两个明显的失重速率峰，较低温区的峰　主要是由纤维素和半纤维素的热解反应引起，而　从图２和图３中也可以观察到，米糠和木屑　较高温区的峰主要是由木质素的热解反应引起．　两种试样的热解失重行为在空气气氛中表现出明　对比这两种生物质，米糠试样相对于木屑试样具　显的差异，具体表现在以下几方面：　有较高的难挥发组分含量和较低的热稳定性．　（１）整个升温过程中，米糠的固体残留质量　百分数总比木屑试样的相应百分数高，这表明米　参考文献：　糠试样相对于木屑试样具有较高的难挥发组分含　［１］罗　婕，刘志国．生物质利用技术研究进展［Ｊ］．株　量．　洲师范高等专科学校学报，２００６．２（１１）：４８—５１．　（２）对于生物质热稳定性的定性比较，通常　［２］吴创之．马隆龙．生物质能现代化利用技术［Ｍ］．北　京：化学工业出版社，２００３．１—２．　有两个温度指标，ＩＳ］一是对应于ＤＴＧ失重速率　［３］马隆龙．吴创之，孙　立．生物质气化技术及其应用　峰的最大反应速率温度Ｔ　，二是试样最终热解温　［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．３３－＿３７．　度Ｔｆ．对应于第二步和第三步失重过程中的两个　［４］Ｖａｒｈｅｇｙｉ．Ｇ，Ａｎｔａ１．Ｍ．Ｊ．Ｓｚｅｋｅｌｙ．Ｔ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＴＧ失重速率峰，米糠试样的最大反应速率温度　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，ｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ａｎｄ　Ｔ　分别为２９２℃和４１２℃，木屑试样则为３２１℃和　ｓｕｇａｒ　ｃａｎｅ　ｂａｇａｓｓｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｆｕｌｅｓ，ｌ　９８９，３：３２９—　４６０℃；米糠和木屑的试样最终热解温度Ｔ　分别　３３５．　为４８４℃和４９６℃．米糠试样的最大反应速率温度　［５］Ａｎｔａ１．Ｍ．Ｊ，Ｖａｒｈｅｇｙｉ．Ｇ，Ｊａｋａｂ．Ｅ．Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ　Ｔ　和最终热解温度Ｔｆ均略低于木屑试样，可见，　ｋｉｎｅｔｉｃｓ：ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ［ｊ］．Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ，１９９８，３７：　米糠试样相对于木屑试样具有较低的热稳定性．　１２６７—１２７５．　（３）对比图２和图３可以看出，米糠试样在　较低温区的ＤＴＧ峰值高于木屑试样，而在较高　（责任编辑：曾广慈英文译校：文爱军）　的温度区间内，米糠试样的另一ＤＴＧ峰值则比　（上接第４４页）　２０００．１５—２ｌ＿　［３］王世敏，许祖勋．纳米材料制备技术［Ｍ］．北京：化工　参考文献：　工业出版社，２００２．７８—８２．　［１］马如璋，蒋明华，徐祖雄．功能材料学［Ｍ］．北京：冶金　工业出版社，１９９９．１７５—１７８．　（责任编辑：曾广慈英文译校：文爱军）　［２］江东亮．精细陶瓷材料［Ｍ］．北京：中国物资出版社，