氧(yang)化(hua)锌是(shi)锌的(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)物(wu),是(shi)一(yi)种(zhong)难溶(rong)于(yu)(yu)水(shui)、可(ke)溶(rong)于(yu)(yu)酸(suan)和强碱(jian)的(de)(de)(de)白色固体(ti),研(yan)究证明它是(shi)一(yi)种(zhong)新型的(de)(de)(de)技(ji)术材料,常被作为添加剂使(shi)用(yong)在多种(zhong)材料和产品中,同时它还是(shi)少数几种(zhong)具有(you)量子尺寸效应的(de)(de)(de)半导体(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)材料。
氧化锌(xin)晶体结(jie)构图及(ji)其结(jie)晶体显(xian)微(wei)图像(xiang)
不过真正要发挥氧(yang)化(hua)锌材料的(de)优(you)势,首先要将其粉体的(de)尺寸减小至纳米级别,此时由于表(biao)(biao)面原子(zi)数与粒子(zi)总(zong)原子(zi)数的(de)比值(zhi)快速增大,会引起一(yi)连(lian)串物理化(hua)学性(xing)质(zhi)变化(hua)的(de)现(xian)象,导致氧(yang)化(hua)锌能够(gou)产生其本体块状材料所不具(ju)备(bei)的(de)表(biao)(biao)面效应(ying)、小尺寸效应(ying)、量子(zi)效应(ying)等,从而(er)具(ju)有(you)优(you)良(liang)的(de)光活性(xing)、电活性(xing)、烧结活性(xing)和催化(hua)活性(xing)。这一(yi)新的(de)物质(zhi)状态(tai),赋予(yu)了氧(yang)化(hua)锌这一(yi)古老产品在众多领域表(biao)(biao)现(xian)出巨大的(de)应(ying)用(yong)前景,比如说压敏陶(tao)瓷就是(shi)其一。
什么(me)是压敏陶瓷?
在了解(jie)(jie)压敏陶瓷(ci)前(qian),首先我们要先了解(jie)(jie)压敏电阻。压敏电阻是其自(zi)身电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)随外(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)增加(jia)呈典型非(fei)线(xian)性(xing)变化的电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu):当外(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)小(xiao)于(yu)其转换(huan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(即所谓压(ya)(ya)敏(min)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya))时(shi),其电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)极大;当外(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)超过转换(huan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)时(shi),其内电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)会在(zai)极短的时(shi)间内变小(xiao),使其自(zi)身接近于(yu)导通状(zhuang)态。在(zai)外(wai)场作(zuo)用下,压(ya)(ya)敏(min)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的上述非(fei)线(xian)性(xing)电(dian)(dian)(dian)(dian)学(xue)特性(xing)可由(you)非(fei)线(xian)性(xing)系数(shu)由(you)α来表示。α可根据下式计算:
因(yin)(yin)此(ci)若将(jiang)这(zhei)样的电(dian)(dian)(dian)(dian)阻以并(bing)联方式与(yu)被保(bao)护电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)相连接(jie)时,一旦电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中出(chu)现(xian)电(dian)(dian)(dian)(dian)压过载(zai),即电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中出(chu)现(xian)的浪(lang)涌(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)压大于压敏电(dian)(dian)(dian)(dian)压时,压敏电(dian)(dian)(dian)(dian)阻就可(ke)以将(jiang)过载(zai)迅速旁路(lu)(lu),从而(er)避免过载(zai)对电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的损(sun)(sun)害。因(yin)(yin)此(ci),压敏电(dian)(dian)(dian)(dian)阻已经广泛应用(yong)于各类家(jia)用(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)、输变(bian)电(dian)(dian)(dian)(dian)线(xian)路(lu)(lu)、汽车(che)、避雷器(qi)(qi)(如下(xia)图)等领域,防止各类电(dian)(dian)(dian)(dian)压过载(zai)的损(sun)(sun)害,在保(bao)护电(dian)(dian)(dian)(dian)力设备(bei)安全、保(bao)障电(dian)(dian)(dian)(dian)子仪器(qi)(qi)正常稳定(ding)工(gong)作方面起着重要作用(yong),是人类现(xian)代社会(hui)生活必不可(ke)少的安全保(bao)障。
避雷器是(shi)变电(dian)站被保护设(she)(she)备免(mian)遭(zao)雷电(dian)冲击波袭击的设(she)(she)备,会(hui)装在(zai)需限制过电(dian)压(ya)的地方,例如:变压(ya)器高低压(ya)侧、线(xian)路进出(chu)线(xian)侧、母线(xian)、电(dian)缆端头、发电(dian)机出(chu)口、架空线(xian)路等地方
而压敏陶瓷就(jiu)是绝大多数压(ya)敏电阻主体。理(li)论上(shang),通过烧银等工艺将压(ya)敏陶瓷两对称端(duan)面作导电(dian)(dian)化处(chu)理(li)以形成端(duan)电(dian)(dian)极,就可以将其(qi)制成压(ya)敏电(dian)(dian)阻(zu)。实(shi)际上(shang),除了上(shang)面的(de)处(chu)理(li)工序外,商用压(ya)敏电(dian)(dian)阻(zu)还需在(zai)端(duan)电(dian)(dian)极上(shang)焊接导电(dian)(dian)金属引线(xian)(xian)。最后,将除引线(xian)(xian)以外的(de)整体压(ya)敏电(dian)(dian)阻(zu)主体封(feng)装在(zai)防水材料(liao)之(zhi)中。
若(ruo)过电压引起(qi)的(de)浪(lang)涌能(neng)量太大,超(chao)过了(le)选的(de)压敏(min)电阻(zu)器极(ji)限的(de)承受(shou)能(neng)力,则压敏(min)电阻(zu)器在抑制过电压时将(jiang)会发生(sheng)电阻(zu)烧坏的(de)现(xian)象(xiang)
氧化锌在(zai)压敏陶(tao)瓷中(zhong)的地位
压敏陶(tao)瓷主要由金属氧化物(wu)制成,目前已开发成产品并大(da)量应用(yong)的氧化物(wu)压敏陶(tao)瓷材料(liao)有(you)两类(lei):一类(lei)是氧(yang)化(hua)锌(xin)压敏(min)陶瓷(ci)材料(liao),其主晶相(xiang)(xiang)为氧(yang)(yang)化(hua)(hua)锌;另(ling)一(yi)类是钛(tai)酸(suan)锶(si)(si)压敏陶(tao)瓷(ci)材料(liao),其主晶相(xiang)(xiang)为纯钛(tai)酸(suan)锶(si)(si)或部分位和或位置换(huan)改(gai)性的钛(tai)酸(suan)锶(si)(si)。除了这两种外,研究报道较(jiao)多但至今未获得工程(cheng)应用的氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)压敏陶(tao)瓷(ci)材料(liao)还(hai)有(you):氧(yang)(yang)化(hua)(hua)钛(tai)压敏陶(tao)瓷(ci)、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)锡(xi)压敏陶(tao)瓷(ci)、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)钨(wu)陶(tao)瓷(ci)、钛(tai)酸(suan)铜钙陶(tao)瓷(ci)等。
其中,研究最(zui)深入、应(ying)用(yong)范(fan)围最(zui)广的压敏陶瓷是氧化锌(xin)基压(ya)敏陶瓷(ci),是以氧化锌为主要原(yuan)料(liao)(大于原(yuan)料(liao)重量比的90%),在(zai)此基础上添加少(shao)量的(de)氧(yang)化(hua)铋、氧(yang)化(hua)锑、氧(yang)化(hua)镨、氧(yang)化(hua)锰、氧(yang)化(hua)钴、氧(yang)化(hua)铌及其它稀土氧(yang)化(hua)物中的(de)一(yi)种或几(ji)种制(zhi)成。由于(yu)氧(yang)化(hua)锌压敏(min)陶瓷具有非线性系(xi)数高、浪涌吸(xi)收(shou)能(neng)力(li)强(qiang)、性能(neng)稳定、制(zhi)造工艺简(jian)便等(deng)许多突出的(de)优(you)点,现已广泛应用于(yu)电(dian)力(li)、交通(tong)、通(tong)讯、仪表、家(jia)电(dian)等(deng)各个行业作(zuo)为浪涌吸(xi)收(shou)、过电(dian)压抑制(zhi)和(he)稳电(dian)压等(deng)器(qi)件。
金属氧化物避(bi)雷器的核心就(jiu)是氧化锌阀片
从(cong)左到右:瓷(ci)套型(xing)、复合型(xing),GIS型(xing)
避雷器用氧化锌(xin)压敏电(dian)阻
据文献(xian)报(bao)道,Valeev K.S.等人在1957年时就(jiu)首(shou)先报道 ZnO-TiO2氧(yang)化物陶瓷的电(dian)流(liu)电(dian)压非线性(xing)特(te)性(xing),随后在 1961年,Kosman M.S.等人报道了ZnO-Bi2O3氧化物压敏陶瓷,不过这(zhei)些文献报道没有引起足够重视。直到1969-1970年,日本人Matsuoka报道了ZnO-Bi2O3-Sb2O3-CoO-MnO-Cr2O3五元杂(za)质添(tian)加(jia)的(de)ZnO-Bi2O3系(xi)氧化(hua)物(wu)压敏陶瓷材料(liao),其非线(xian)性系(xi)数(shu)α值达到50,这项重大、突破性的研究结果很快在电力输配电线路上获得应用。
而直到今日,工业上实际(ji)应(ying)用的氧化锌压敏陶瓷材(cai)料都(dou)是基于(yu)Matsuoka报道的成分,只是为了提高或改变某些参数而引入了其他添加成分,不(bu)过具体的(de)配方(fang)都会被厂商(shang)视为最高(gao)机密。另外也可(ke)以(yi)通过改进制备(bei)工艺条件获得综合性能更高(gao)的(de)氧化锌压敏陶(tao)瓷材料,以(yi)适(shi)应各种应用场合的(de)需(xu)求,这部分内容我们(men)将留到下一(yi)(yi)篇文章继续(xu)整理(li),感兴(xing)趣的(de)话就可(ke)以(yi)关注一(yi)(yi)下!
资(zi)料来源:
纳米氧化锌的制备、掺杂及其光催化性(xing)能研究,韩帅。
氧化物压敏陶瓷晶界特性与宏观电(dian)性能(neng)的(de)关系,卢振(zhen)亚(ya)。
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