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西无二电子信息集团马雪丽、何欣：不同形貌Co3O4对氧化锌压敏电阻器电性能的影响

文摘 2024-12-26 07:01 北京

阅读提示：本文约2000字

为了提高氧化锌压敏电阻的电性能，西安市西无二电子信息集团有限公司的马雪丽、何欣在2024年第9期《电气技术》上撰文通过一系列测试研究针状和球状Co₃O₄对压敏电阻器电性能的影响。Co作为改性元素，对提高压敏电阻器的电性能起着重要作用。本文所用的Co由化学共沉淀法制备，针状Co₃O₄采用99.7%的草酸溶液和分析纯的Co(NO₃)₂制备而成，球状Co₃O₄采用食品级的碳酸氢铵和分析纯的Co(NO₃)₂制备而成。研究发现，掺杂针状Co₃O₄制成的压敏电阻器在8/20μs波通流能力和工频过电压耐受性能方面优于掺杂球状Co₃O₄的压敏电阻器。

氧化锌压敏电阻器是避雷器的核心部件，对确保电力设备和电力系统安全具有重要意义。氧化锌压敏电阻器是以氧化锌为主料，掺杂多种半导体材料（如Bi₂O₃、Sb₂O₃、Co₃O₄、MnCO₃、Ni₂O₃、Al(NO₃)₃∙9H₂O等）制成的电子陶瓷。添加物的种类、含量、形貌都会对压敏电阻器的电性能造成影响。

1996年，曹全喜等研究了Co₃O₄在压敏陶瓷中的作用和影响，指出Co是一种改性材料，，Co²⁺和Zn²⁺的离子半径相同，均为74pm，在压敏电阻烧结过程中，Co²⁺和Zn²⁺形成替位结构，从而形成填隙离子，能提高压敏电阻的非线性系数和通流能力，并显著降低漏电流和限制电压。1997年，袁方利等研究了ZnO粉颗粒形状和大小对压敏陶瓷电阻的影响，提出颗粒细的球状ZnO材料有利于提高压敏电阻的通流能力。2006年，陈培荣和余志敏研究了热解法生产的类球状Co₃O₄对压敏电阻电性能的影响。

本文主要研究不同形貌的Co₃O₄掺杂对氧化锌压敏电阻器电性能的影响，并据此选取更适合压敏电阻器配方的材料，提高氧化锌压敏电阻器的电性能。

1 试验方法

图1 针状Co₃O₄的SEM形貌

图2 球状Co₃O₄的SEM形貌

2 试验结果

表1 不同形貌Co₃O₄对通流能力的影响

表2 不同形貌Co₃O₄对2ms方波能量耐受能力的影响

表3 不同形貌Co₃O₄对工频耐受试验起始电流和耐受时间的影响

3 试验结果分析

通过上述数据可以看到，掺杂不同形貌Co₃O₄的氧化锌压敏电阻器的电性能有着较大差异，由于氧化锌是纤锌矿结构，存在大量空隙可以容纳Co²⁺，Co₃O₄中的Co²⁺占据Zn²⁺的位置，容纳于ZnO晶粒内部，在压敏电阻器烧结过程中，大部分Bi₂O₃偏析在晶界，与分布在晶界的Co形成固溶体，起到抑制Bi₂O₃挥发的作用，从而降低了漏电流，提高了压敏电阻的非线性系数。

Co³⁺的掺杂会在压敏电阻器内部产生氧空位，促进氧离子扩散，从而提高材料的致密性，使压敏电阻器的耐冲击性能和耐受工频过电压的能力提升。通过图1和图2所示SEM形貌可以看到，针状Co₃O₄较为松散，球状Co₃O₄较为密集紧凑，因此在与氧化锌及其他半导体材料球磨过程中，较为松散的针状Co₃O₄更容易与ZnO及其他半导体材料均匀混合，使压敏电阻器在高温烧结过程中更好地进行固相反应，晶粒的分布更均匀。

另外，结合两种形貌Co₃O₄的粒度分布情况，占比最大的粒径均为9.120mm，但是在针状Co₃O₄中的占比仅8.58%，而在球状Co₃O₄中的占比为19.36%，结合其他分布情况，球状的颗粒大小均匀性不如针状，针状颗粒较大且均匀，大部分粒径占比均在7%左右，最高为8.58%，在高温烧结过程中，较大且均匀的针状Co₃O₄分布在压敏电阻器的晶粒和晶界处，能提高压敏电阻器的势垒高度，从而提高其通流能力和能量耐量，且较大的晶粒可以吸收更多的能量。

在8/20ms冲击时，晶界层产生的热量被均匀的晶粒吸收，减少了不同晶粒之间的温度差，使压敏电阻器的耐受能力提高。经过60A的2ms方波能量耐受试验后发现，两种氧化锌压敏电阻器的电压变化率不大，性能基本一致。在受到工频过电压时，掺杂针状Co₃O₄的压敏电阻器可以更好地分散产生的电流和热量，使起始电流更小、耐受时间更长。

4 结论

1）在同一个压敏电阻器配方中分别添加相同含量的针状Co₃O₄和球状Co₃O₄，压敏电阻器的静态参数基本一致。

2）对制作好的压敏电阻器样品进行8/20ms波通流能力测试和2ms方波能量耐受能力测试发现，掺杂针状Co₃O₄的压敏电阻器的电压变化率绝对值小于掺杂球状Co₃O₄的压敏电阻器，说明掺杂针状Co₃O₄的压敏电阻器性能更好。

3）在工频耐受试验中，掺杂针状Co₃O₄的压敏电阻器比掺杂球状Co₃O₄的压敏电阻器起始电流小、工频耐受时间长。

西无二电子信息集团马雪丽、何欣：不同形貌Co3O4对氧化锌压敏电阻器电性能的影响

本工作成果发表在2024年第9期《电气技术》，论文标题为“不同形貌Co3O4对氧化锌压敏电阻器电性能的影响”，作者为马雪丽、何欣。

本工作成果发表在2024年第9期《电气技术》，论文标题为“不同形貌Co₃O₄对氧化锌压敏电阻器电性能的影响”，作者为马雪丽、何欣。