试谈电化学电化学策略表征ZnO压敏陶瓷粉体均匀性

论文导读：被覆盖的区域越大，抑制效果就越好阻抗值就越大。这就为研究氧化锌压敏陶瓷粉体混合均匀性提供了有力支撑，制备氧化锌压敏陶瓷时，加入的添加剂粉体只占3.5%（质量分数），添加剂在氧化锌中的分散度将影响氧化锌之间的电荷传递，进而影响其电阻值。3.结论ZnO压敏陶瓷粉体电极属于多孔半导体电极，通过交流阻抗测试技术比较其
摘要：粉体的均匀性对氧化锌压敏陶瓷的性能影响很大，本文论述了采用交流阻抗技术、电位电容法及Mott—Schottky分析技术在表征氧化锌压敏陶瓷粉体均匀性的可行性，为制备高性能的氧化锌压敏陶瓷奠定基础。
关键词：ZnO压敏瓷，半导体电化学，均匀性，Mott—Schottky分析
压敏陶瓷是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。自从ZnO压敏陶瓷诞生以来，它以造价低廉、制造方便、非线性系数大、响应时间快、残压低、电压温度系数小、泄漏电流小等优良性能占据了压敏陶瓷器的主要市场，广泛应用于电力（交、直流输配电）、交通、通讯、工业保护、电子、军事等领域。随着国家对特高压电网的相继建设及运营，对用做高压、特高压电网及高压电力设备防雷击及闪络事故的关键设备—金属氧化物（主要为ZnO）避雷器的性能也提出了更高的要求，ZnO压敏陶瓷作为避雷器的核心元件，提高其电位梯度及通流容量等主要电性能具有非常重要的现实意义。

1.ZnO压敏陶瓷

在理论研究方面，国内外研究者进行了大量的研究，主要集中在配方的改进、压敏机理的探索和工艺制度的改善等方面[2～6]。我国在20世纪80年代中期开始引进技术，使ZnO压敏陶瓷的制造水平得到了迅速提高，但是与国外大公司相比，在电位梯度和通流能力方面仍就存在较大差距。经研究影响ZnO压敏陶瓷片通流能力的主要因素是其内部晶体结构的不均性，高压通电时就会使得其内部的电流不均匀，从而形成热应力，从而使阀片击穿或炸裂[7]。
粉体是压敏陶瓷制备的起点，粉体的化学均匀性会直接“遗传”给烧结体，从而影响其组成和结构的均匀性及材料的电学性能。ZnO压敏陶瓷粉体制备方法有固相法、化学共沉淀法、溶胶—凝胶法、燃烧法、水热/溶剂热法等[8]。从成本及操作方面考虑，ZnO压敏陶瓷的工业化制备过程中常采用氧化物法来制备混合粉体，即采用长时间的球磨工艺。一般来说球磨一定的时间后，混合均匀度变化趋于平缓。常用粉体混合均匀度评估的技术有比较法、扫描电镜法、质量法、分布分形维数法、像素格分析法、反射光谱法[9]，这些方法运用于氧化锌压敏陶瓷粉体均匀度的表征都存在一定的局限性，在ZnO压敏陶瓷的制备过程中，如何有效的检测ZnO压敏陶瓷粉体的均匀性进而制备性能优异的产品是值得研究的课题。

2.电化学表征

2.1电极的制备

ZnO压敏陶瓷是以氧化锌为主体掺入微量的Bi2O3，Co2O3，MnO2，Sbi2O3和Cr2O3等粉体采用电子陶瓷制备工艺烧制而成。粉末微电极如图所示，电极厚度（50～100μm）与电极表面特征反应层厚度2L（L为是扩散层厚度）具有相同数量级，所以粉末微电极容易产生均匀极化，在充放电过程中较易实现活性物质以基本一致的速度进行充放电，能较真实地反映材料的性能。

2.电化学阻抗谱

电化学阻抗谱由于采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰，电极上交替出现阳极和阴极过程，不会对样体系的性质造成不可逆的影响，是一种“准稳态方法”，故认为可原位测量电极电容、电阻、界面双电层电容、反应电阻等与体系性能有关的电化学参数。电化学阻抗技术在研究粉体电化学性能时使用比较广泛，徐松[13]等研究指出ZnO表面的修饰物会减少ZnO与电解液的接触，抑制它们之间的电荷转移，ZnO被覆盖的区域越大，抑制效果就越好阻抗值就越大。这就为研究氧化锌压敏陶瓷粉体混合均匀性提供了有力支撑，制备氧化锌压敏陶瓷时，加入的添加剂粉体只占3.5%（质量分数），添加剂在氧化锌中的分散度将影响氧化锌之间的电荷传递，进而影响其电阻值。
3.结论
ZnO压敏陶瓷粉体电极属于多孔半导体电极，通过交流阻抗测试技术比较其阻抗值，或采用电位—电容法结合Mott—Schottky分析技术计算电极的载流子浓度的大小来判定粉体混合的均匀度是可行的。如果在制备初期就能够对混合粉体的均匀性进行评价，对于节约能源，提高产品质量都有一定的现实意义。此外，采用电化学的方法表征混合粉体的均匀性不仅拓展了电化学的应用领域，而且是粉体均匀性检测手段的创新。我国要进行超高压直流输电工程的建设，要保持超高压电网的安全性和稳定性，减少对国外进口设备的依赖，特高压设备国产化攻关突破也是该工程能否顺利实施的关键之一。（作者单位：鹤壁职业技术学院化工与材料工程学院）
参考文献：
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2.源于：硕士毕业论文www.7ctime.com