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1、ZnO 陶瓷及其应用压敏陶瓷介绍压敏陶瓷或称压敏变阻器， 指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷 （即电阻值与外加电压成显著的非线性关系） ，其伏安特性曲线 如图 。当电压低于某一临界值时，压敏陶瓷的阻值非常高，几乎为一绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻值急剧减小，接近于导体。从 1931 年日本将 SiC用来吸收雷击突波以来，已经出现了多种压敏陶瓷电阻器的应用，如有线电话交换机用它消除电火花、硅整流器、 彩色电视机用它吸收异常电压、微型电动机用它来吸收噪声及对电机进行过压保护和继电保护等制造压敏半导体陶瓷材料有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3 等。其中 BaTiO
2、3、Fe2O3 利用的是电极与烧结体界面的非欧姆型，而 SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。目前应用最广、性能最好的是ZnO 压敏半导体陶瓷。可见 ZnO 远优于其他材料ZnO 简介历史起源结构性能制备应用：（压敏陶瓷、掺杂半导体）前景历史起源人类很早便学会了使用氧化锌作涂料或外用医药，但是人类发现氧化锌的历史难以追溯。氧化锌在古代和近代的另一主要用途是涂料，称为锌白。在 20 世纪后半叶，氧化锌多用在了橡胶工业。在 20 世纪 70 年代，氧化锌的第二大用途是是复印纸添加剂。现在，晶粒微小的氧化锌开始在纳米材料领域扩展应用范围结构ZnO 的晶体结构纤锌矿晶体结构， 其中氧离子
3、以六方密堆积排列， 锌离子占据了一半四面体间隙。 也有立方闪锌矿结构，以及比较罕见的氯化钠式八面体结构，纤锌矿结构在三者中稳定性最高，最常见ZnO 的能带结构ZnO 的能带由O2-满的 2p 能级和 Zn2+空的 4s 能级所组成的。当离子相互靠近而形成晶体时，这些能级就形成能带。满的2p 和空的 4s 之间的禁带宽度约为3.23.4 eV。从禁带宽度看，室温下ZnO 应是一绝缘体。（禁带宽度是指一个带隙宽度(单位是电子伏特（eV)，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带 （能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得
4、足够能量从价带跃迁到导带， 这个能量的最小值就是禁带宽度。绝缘体的禁带宽度一般很宽，约为 3 6eV，半导体的禁带宽度较窄，约为0.1 2eV。）ZnO 的半导体化有三种情况。1.由于本证缺陷。位置，形成Zn 空位。ZnO晶格结构间隙大，晶格中的Zn很容易脱离原来的位置进入间隙2.强制还原。在高温低氧分压下ZnO 发生分解。分解可以形成间隙Zn 离子，也可以形成氧空位。3.掺杂。若引入高价阳离子，如 Al3+， Cr3+， Ga3+， In3+等，这些阳离子在 ZnO 中形成施主中心。 若掺入低价金属离子， 如 Li+，Cu+ ，Ag+等，在氧化气氛， Li+置换 Zn2+形成受主电导。这种掺
5、杂与气氛有关，如果在还原气氛中，Li2O 的掺杂也可以形成施主电导。ZnO 压敏瓷的制备ZnO 压敏陶瓷通常是在ZnO 中加入 Bi、 Mn 、 Co、 Ba、 Pb、 Sb、 Cr、 Si 等金属氧化物，按典型粉末工艺制造，烧结后进行涂Ag 等工序。主要的制备方法为掺杂。掺杂可用机械混合的方法，也可用化学方法。同时掺杂制ZnO 半导体还可以制造有关热电材料的半导体ZnO 压敏电阻的主要电参数非线性系数图中在大于Jb 的某一电流范围内，J 和 E 的对数之间近似于直线关系。用方程lgJ= lgE-A表示，另 A= lgC，这 J=（E/C） （ J为电流密度， E 为电场强度， C 为常数）为
6、直线的斜率， 越大，直线越陡， 电阻的非线性特性越强， 因此将 成为“非线性系数” 。一般来说在一定几何形状下，电流在 1mA 附近的 的值最大， 因此常取与1mA 电流对应的电压为 “压敏电压” ，记为 V1mA。此外， 非线性系数还和温度有关。 （ 77K 相较 298K 的峰值升高且提前。 ）C 值（对照与电阻）定义：当变阻器上流过1mA/cm 2 电流时，在每毫米上的电压降为该压敏电阻的C 值，在 一定时， C 越大，一定电流下所对应的电压值越高，因此常称为“非线性电阻 ”，又因为它取决于材料的成分结构和制造工艺，所以又常称为“材料常数 ”漏电流压敏电阻正常工作时流过的电流叫“漏电流”
7、，与与电压和温度有关。要使压敏电阻器正常可靠地工作，漏电电流必须尽可能小。一般来说可控制在 50 微安到 100 微安之间。在选择压敏电阻的工作电压时，必须根据允许的漏电流值。电压温度系数定义：在规定温度范围内， 温度每变化一度， 零功率条件下测得的压敏电压的相对变化率叫压敏电压的温度系数。用来描述压敏电阻随着温度的上升，压敏电压下降的变化关系。流通容量（或称流通能力或通流量） 。压敏电阻经过持续交、直流负载和高浪涌电流（浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。 由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流）的冲击后，I-V 特性会发生蜕变现象。这种蜕变，也称压敏电阻的
8、老化。对于实际应用来说这种老化是不允许的。 因此必须对经高浪涌电流冲击后的V1mA 下降有所限制， 并把下降多少作为衡量压敏电阻承受高浪涌电流冲击能力的尺度。把满足 V1mA 下降要求的压敏电阻所能承受的某一波形的最大冲击电流叫做压敏电阻器的“通流容量”。通流容量一方面给取决于冲击电流的峰值，一方面取决于冲击电流的持续时间，即取决于消耗的能量。ZnO 和 SiC两种变阻器的特性比较。压敏变阻器的应用压敏变阻器广泛地用作过压保护，高能流涌吸收，高压稳压等方面。举例 1、过压保护正常工作时，压敏电阻两端电压较小，压敏电阻阻值较大，所产生的漏流很小。异常情况发生时举例 2 、稳压方面由于压敏变阻器有高的非线性I-V 特性，所以负载两端电压的少许变化就会使流经压敏变阻器的电流Iv 产生很大的变化，从而使电压增量几乎全在R0，上的压降所补偿。 （猜测：稳压应用的应该始终处于击穿状态）ZnO 前景展望在一篇研究生论文中发现这个例子最近发展了以某些过渡族元素氧化物和稀土氧化物为主要添加剂的氧化锌压敏电阻器。表现出能量吸收容量大，在大电流时的非线性好，响应时间快，寿命长击穿电压大于200V/mm 等特性。适用于做高压电站的浪涌放电器。可见氧化锌压敏陶瓷的应用还是十分广阔的。