基于晶界调控的氧化锌变阻器高耐压性及微观机理研究

氧化锌陶瓷变阻器是一种利用半导体双肖特基(Schottky)晶界势垒产生非线性电阻效应的陶瓷器件，广泛应用于航空、航天、军民电站、电子产品等领域。目前世界范围内输电线路和变电站技术正向高电压、大容量方向发展，要求ZnO陶瓷变阻器具有超高电位梯度，而且超高耐压陶瓷在我国尖端技术领域也有重要应用。本项目将针对超高耐压性的ZnO陶瓷变阻器的主要技术要求：超高电位梯度和大通流，提出从晶界调控入手，开展高耐压性ZnO陶瓷的材料设计和微观机理等基础研究。通过宏观电性能测试与微观结构、晶界特性表征，研究微观结构、晶界特性对宏观电性能的影响，以期对影响ZnO陶瓷耐压性的物理机制获得清楚认识，给出基于晶界调控的高耐压性ZnO陶瓷的材料设计与制备方案。研究结果可为我国自主开发高性能ZnO压敏陶瓷变阻器、以及我国先进武器设计提供有益的参考，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目针对高耐压性ZnO陶瓷变阻器的高电位梯度和大通流要求，从晶界调控入手，开展均匀、超细复合粉体的配方设计和陶瓷制备工艺摸索，及其对ZnO陶瓷的显微结构、晶界特性和宏观电性能的影响研究。通过研究，获得高耐压性ZnO陶瓷的材料设计和制备方案，以及高电位梯度和大通流的ZnO陶瓷变阻器，丰富了对晶界的认识。通过摸索制备工艺，如化学共沉淀法、溶胶-凝胶法、添加剂溶胶-凝胶法制备后再与主料球磨，以及添加剂化学共沉淀法制备后再与主料球磨等四种方法，制备了相应的样品，并对样品的结构、宏观电性能和微观晶界特性参数进行测试分析。结果表明，采用添加剂化学共沉淀法制备后再与主料球磨的方法可获得均匀的复合粉体，用Y2O3掺杂后的粉体制成的素坯在常压、1050 °C下烧结 2小时能获得电位梯度大于 50 kV/cm的ZnO 压敏陶瓷，平均单晶界压降Vgb达到16.6 V，突破了传统认为的2.0-3.0 V。分析认为提高电位梯度的关键在于减小ZnO晶粒尺寸的同时改善陶瓷微观结构的均匀性，包括成分和相分布的均匀性，同时通过合适的掺杂调整晶界特性参数，当施主浓度Nd急剧减小，而同时势垒宽度ω也增大，就必须大幅度提高外加的电压，才能给施主的碰撞电离和电子隧穿提供足够的能量，因此平均单晶界压降Vgb显著增大。研究结果可为我国开发高压高性能ZnO陶瓷变阻器提供有益的参考。