[发明专利]高能型氧化锌压敏电阻复合粉体及该压敏电阻的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高能型氧化锌压敏电阻复合粉体，以及制造该高能型氧化锌压敏电阻的方法。

背景技术

从配方的角度，氧化锌压敏电阻分为ZnO-Bi₂O₃-Sb₂O₃系和ZnO-Bi₂O₃-TiO₂系两大类。

其中，ZnO-Bi₂O₃-Sb₂O₃系压敏电阻又称为高压型压敏电阻，主要包括压敏电压180～1800V的通用型压敏电阻器、电涌保护器用压敏电阻和无间隙金属氧化物避雷器用压敏电阻片。其特点是晶粒尺寸小(平均直径8～20μm)、电压梯度高(150～400V/mm)、大电流下的限制电压比低(电流密度30A/cm²下的限制电压比1.50～1.84，电流密度2kA/cm²下的限制电压比≤2.3～2.8)，对窄脉宽(2≤ms)的过压浪涌有理想的防护能力，能量密度较小，只有50～300J/cm³左右。因此，其主要用于工作电压大于交流100V或直流150V的电子仪器仪表、低压配电系统和高压输配电系统中放电时间很短(0.01～2ms)的雷击过电压保护。

ZnO-Bi₂O₃-TiO₂系压敏电阻的特点是晶粒尺寸大(平均直径40～100μm)、电压梯度低(25～50V/mm)、大电流下的限制电压比高(电流密度30A/cm²下的限制电压比1.80～2.25，电流密度2kA/cm²下的限制电压比3.8～5.0)。

ZnO-Bi₂O₃-TiO₂系压敏电阻又分为低压型压敏电阻和高能型压敏电阻。其中，低压型压敏电阻与高压型压敏电阻的技术标准体系、应用领域基本相同。而高能型压敏电阻主要用于放电时间较长(50～1000ms)的操作过电压保护和电感元件中磁场能量的吸收，如超导线圈移能、大型同步发电机转子灭磁、中大功率变流系统操作过电压保护等，其与低压型压敏电阻的技术指标的定义和测量方法都不同。

从结构、外形上来说，低压型压敏电阻的瓷片直径一般为5～20mm，厚度一般为0.5～2.0mm；高能型压敏电阻的瓷片直径一般为56～88mm，厚度一般为10～30mm。从技术指标上来说，低压型压敏电阻的核心技术指标是8/20标准雷电流波下的最大峰值电流和该波形下的限制电压比；高能型压敏电阻的核心技术指标是三角形电流波下的能量密度和该波形下的限制电压比。高能型压敏电阻的能量容量高，但大电流性能不够理想，小直径元件的残压比较高，往往达不到限压要求，因此，提高高能型压敏电阻的电压梯度和非线性系数(降低残压比)，即开发高压高能型压敏电阻，成为压敏电阻开发的方向。

现有技术中，用于烧结高能型氧化锌压敏电阻的复合粉体是在ZnO粉体基料中按一定的摩尔百分比掺入少量的Bi₂O₃、TiO₂、Co₂O₃、MnCO₃、Ni₂O₃、SnO₂、SrCO₃、BaCO₃等添加剂，再将此粉料经混合球磨、造粒、成型、烧结等工艺制成。

其中，TiO₂是最关键的晶粒助长剂(添加比例约为0.2～2mol％)，但若添加不均会导致ZnO晶粒的普遍异向生长，产生微观结构缺陷，从而使得压敏电阻在电性能上表现出限制电压比的升高和能量密度的下降。分析表明，TiO₂添加的不均匀性是阻碍高能压敏电阻片的性能进一步提高的关键因素之一。

传统工艺是使用预球磨法将添加剂混合粉碎，减小它们的粒径，然后再将预磨好的添加剂与主基料混合。但即使采用目前最先进的高速搅拌球磨机或砂磨机，也只能将添加剂的粒度减小到0.15～0.20μm。这个粒度范围与主基料ZnO的粒度相差不大，因此使用此方法已不能继续改善添加剂的掺杂均匀性，高能型压敏电阻的性能也不可能有大幅度的提高。