氧化(hua)锌(xin)(xin)是(shi)(shi)锌(xin)(xin)的(de)(de)(de)氧化(hua)物(wu),是(shi)(shi)一种(zhong)难溶(rong)于水、可溶(rong)于酸(suan)和强(qiang)碱的(de)(de)(de)白色固(gu)体,研究(jiu)证明它是(shi)(shi)一种(zhong)新型的(de)(de)(de)技术材料(liao),常被作为添加(jia)剂使用(yong)在多种(zhong)材料(liao)和产品中,同时它还是(shi)(shi)少(shao)数几(ji)种(zhong)具有(you)量子(zi)尺(chi)寸效应的(de)(de)(de)半导体氧化(hua)物(wu)材料(liao)。
氧化锌晶(jing)体(ti)(ti)结(jie)(jie)构(gou)图及其(qi)结(jie)(jie)晶(jing)体(ti)(ti)显微图像(xiang)
不过真正要发挥氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)锌(xin)材(cai)料的(de)优(you)势,首(shou)先要将其(qi)粉体的(de)尺(chi)寸(cun)减小至纳米级别(bie),此时由于(yu)表面原(yuan)子(zi)数与(yu)粒子(zi)总(zong)原(yuan)子(zi)数的(de)比(bi)值(zhi)快速增大(da),会引(yin)起一连串(chuan)物(wu)理化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)学性(xing)(xing)(xing)质变化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)现象,导(dao)致氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)锌(xin)能够产生其(qi)本体块状材(cai)料所不具(ju)(ju)备的(de)表面效应(ying)、小尺(chi)寸(cun)效应(ying)、量子(zi)效应(ying)等,从而具(ju)(ju)有优(you)良的(de)光活(huo)性(xing)(xing)(xing)、电活(huo)性(xing)(xing)(xing)、烧结(jie)活(huo)性(xing)(xing)(xing)和催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)活(huo)性(xing)(xing)(xing)。这(zhei)一新的(de)物(wu)质状态,赋予(yu)了(le)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)锌(xin)这(zhei)一古老产品(pin)在众多领域表现出巨大(da)的(de)应(ying)用前景,比(bi)如(ru)说压敏陶瓷就是其一。
什么是压(ya)敏陶(tao)瓷?
在了解(jie)压敏陶瓷前(qian),首(shou)先(xian)我们要先(xian)了解(jie)压敏电(dian)阻。压敏(min)电阻是其(qi)自(zi)身电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)随外(wai)(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)增加(jia)呈典型非线(xian)性(xing)(xing)变化的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu):当(dang)外(wai)(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)小于其(qi)转(zhuan)换(huan)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(即所(suo)谓(wei)压(ya)(ya)敏(min)(min)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya))时(shi)(shi),其(qi)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)极大;当(dang)外(wai)(wai)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)超过转(zhuan)换(huan)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)时(shi)(shi),其(qi)内电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)会在极短的(de)(de)时(shi)(shi)间内变小,使其(qi)自(zi)身接(jie)近(jin)于导通(tong)状态。在外(wai)(wai)场作用下,压(ya)(ya)敏(min)(min)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)的(de)(de)上述非线(xian)性(xing)(xing)电(dian)(dian)(dian)学特性(xing)(xing)可(ke)由非线(xian)性(xing)(xing)系数(shu)由α来表示。α可根据下式计算:
因此(ci)若将这(zhei)样的(de)电(dian)(dian)阻以(yi)并联方(fang)式与被保护电(dian)(dian)路(lu)相连接(jie)时,一旦电(dian)(dian)路(lu)中(zhong)出(chu)现(xian)(xian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)过(guo)载(zai),即(ji)电(dian)(dian)路(lu)中(zhong)出(chu)现(xian)(xian)的(de)浪涌(yong)电(dian)(dian)压(ya)(ya)大于压(ya)(ya)敏电(dian)(dian)压(ya)(ya)时,压(ya)(ya)敏电(dian)(dian)阻就可(ke)(ke)以(yi)将过(guo)载(zai)迅(xun)速(su)旁路(lu),从而避免过(guo)载(zai)对电(dian)(dian)路(lu)的(de)损(sun)害。因此(ci),压(ya)(ya)敏电(dian)(dian)阻已经广泛应用(yong)于各(ge)类(lei)家用(yong)电(dian)(dian)器(qi)(qi)、输变电(dian)(dian)线路(lu)、汽车、避雷器(qi)(qi)(如下(xia)图)等领域,防止各(ge)类(lei)电(dian)(dian)压(ya)(ya)过(guo)载(zai)的(de)损(sun)害,在保护电(dian)(dian)力设备安全、保障(zhang)电(dian)(dian)子仪(yi)器(qi)(qi)正(zheng)常稳(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)方(fang)面起着(zhe)重要作(zuo)用(yong),是人类(lei)现(xian)(xian)代社会(hui)生活必不可(ke)(ke)少(shao)的(de)安全保障(zhang)。
避雷器是变电站(zhan)被(bei)保(bao)护设备免遭雷电冲击(ji)波(bo)袭击(ji)的(de)设备,会装(zhuang)在需限制过电压的(de)地方,例如:变压器高低(di)压侧、线路进出(chu)线侧、母线、电缆端头、发电机(ji)出(chu)口、架空线路等(deng)地方
而压敏陶(tao)瓷就是绝大多数(shu)压敏电(dian)阻(zu)主体。理(li)论(lun)上,通过烧银(yin)等工艺(yi)将压(ya)(ya)敏(min)陶瓷两对称端面作导电(dian)化处(chu)理(li)以形成端电(dian)极,就可以将其制成压(ya)(ya)敏(min)电(dian)阻。实际上,除了上面的处(chu)理(li)工序(xu)外,商用压(ya)(ya)敏(min)电(dian)阻还需(xu)在(zai)端电(dian)极上焊(han)接导电(dian)金属引(yin)线(xian)。最后(hou),将除引(yin)线(xian)以外的整体压(ya)(ya)敏(min)电(dian)阻主(zhu)体封(feng)装在(zai)防水材料之中。
若过电(dian)压引起的(de)(de)浪涌能(neng)量太大,超过了选的(de)(de)压敏电(dian)阻(zu)器极(ji)限(xian)的(de)(de)承受能(neng)力,则压敏电(dian)阻(zu)器在抑(yi)制(zhi)过电(dian)压时将(jiang)会(hui)发生电(dian)阻(zu)烧坏的(de)(de)现(xian)象(xiang)
氧化锌在压敏陶瓷中的地位
压敏(min)陶瓷(ci)主要由金属(shu)氧(yang)(yang)化物(wu)制成(cheng)(cheng),目前已开发成(cheng)(cheng)产品并大(da)量应用的氧(yang)(yang)化物(wu)压敏(min)陶瓷(ci)材料有(you)两类(lei)(lei):一(yi)类(lei)(lei)是(shi)氧化锌压敏陶瓷材料,其主晶相为氧化(hua)锌;另(ling)一类是(shi)钛(tai)酸(suan)锶压敏(min)(min)陶(tao)(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao),其主晶相为纯钛(tai)酸(suan)锶或部分位(wei)和或位(wei)置(zhi)换改性的钛(tai)酸(suan)锶。除了这两种(zhong)外,研究报道较多但至今未获得(de)工程应用(yong)的氧化(hua)物压敏(min)(min)陶(tao)(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)还有:氧化(hua)钛(tai)压敏(min)(min)陶(tao)(tao)瓷、氧化(hua)锡压敏(min)(min)陶(tao)(tao)瓷、氧化(hua)钨陶(tao)(tao)瓷、钛(tai)酸(suan)铜钙(gai)陶(tao)(tao)瓷等。
其(qi)中,研究最深入(ru)、应用范围(wei)最广的压敏陶(tao)瓷(ci)是(shi)氧化(hua)锌(xin)基压敏陶瓷,是(shi)以(yi)氧化锌为主要原料(大于原料重(zhong)量比的(de)90%),在此基础上添加少量的氧(yang)化铋、氧(yang)化锑、氧(yang)化镨(pu)、氧(yang)化锰、氧(yang)化钴、氧(yang)化铌及其它稀土氧(yang)化物中的一种(zhong)或几种(zhong)制(zhi)成。由于氧(yang)化锌压敏陶瓷具有非线性(xing)系数高、浪涌(yong)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)能力(li)强、性(xing)能稳定、制(zhi)造工艺简便等(deng)(deng)许多突出的优点,现(xian)已广泛应(ying)用于电力(li)、交通(tong)、通(tong)讯、仪表、家电等(deng)(deng)各个行业(ye)作为(wei)浪涌(yong)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)、过电压抑制(zhi)和(he)稳电压等(deng)(deng)器件。
金属氧化(hua)物避雷(lei)器的核(he)心就是氧化(hua)锌阀(fa)片(pian)
从左到右:瓷套型、复(fu)合型,GIS型
避(bi)雷器用氧化锌(xin)压敏电阻
据文献报(bao)道,Valeev K.S.等人在1957年时(shi)就首先报(bao)道 ZnO-TiO2氧化物陶(tao)瓷的(de)电(dian)流电(dian)压非线性特性,随后在 1961年,Kosman M.S.等人报道了ZnO-Bi2O3氧化物压敏陶瓷,不过这些文献报(bao)道没(mei)有引起足够重视。直到1969-1970年,日本人Matsuoka报(bao)道了ZnO-Bi2O3-Sb2O3-CoO-MnO-Cr2O3五元杂质添加的ZnO-Bi2O3系氧化物压(ya)敏陶瓷(ci)材料,其非(fei)线性系数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(zhi)到今日(ri),工业上实(shi)际应用的氧化(hua)锌压敏陶瓷材料都是基于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,不过具体(ti)的配方都(dou)会被厂商视为(wei)最(zui)高机(ji)密。另外(wai)也可以通过改(gai)进制备工艺条件获(huo)得综(zong)合(he)(he)性能更(geng)高的氧化锌(xin)压(ya)敏陶(tao)瓷材料(liao),以适应(ying)各种应(ying)用场合(he)(he)的需求,这部(bu)分内容我们将留(liu)到(dao)下一篇文章继续整(zheng)理,感(gan)兴(xing)趣的话就可以关注一下!
资料来源:
纳米(mi)氧化(hua)锌的(de)制备、掺杂及其光催化(hua)性能研(yan)究,韩(han)帅(shuai)。
氧化物压敏(min)陶瓷(ci)晶(jing)界特性与宏观电性能的关系,卢振(zhen)亚(ya)。
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