ZnO压敏陶瓷的研究进展及发展前景

王先龙

摘 要：本文叙述了ZnO压敏陶瓷材料的最新研究进展，阐述了它的非线性伏安特性，并对该特性作用机理进行了微观解析，概述了ZnO压敏陶瓷材料的发展趋势，并对发展中遇到的问题提出了建议和解决措施。

关键词：ZnO；压敏陶瓷；压敏材料；非线性伏安特性

1 引言

压敏材料是指在某一特定电压范围内材料的电阻值随加于其上电压不同而发生显著变化的具有非线性欧姆特性的电阻材料，其中以ZnO压敏陶瓷材料的特性最佳。ZnO是一种新型的功能陶瓷，具有优良的非线性伏安特性、极好的吸收浪涌电压、响应速度快、漏电流小等优点[1]，被广泛应用于电力系统、军工设备、通讯设备和家庭生活等许多方面。它作为保护元件在过压保护上发挥着越来越重要的作用，因此加强对ZnO压敏陶瓷的深入开发研究具有重要的现实意义。

2 ZnO压敏陶瓷研究现状

自1968年日本松下公司报道以来，ZnO压敏陶瓷因其优异的压敏特性引起了广泛关注，如今已然成为高新技术领域半导体陶瓷发展的重要一极。经过众多科研工作者近50年坚持不懈的探索，在配方、制作工艺、形成机理及伏安特性的微观解析等方面都进行了系统的研究，从而全面提升了ZnO压敏陶瓷的综合性能。同时还总结出了大量适用于工业生产的制作工艺，扩展了使用范围。

在世界范围内，日本生产的功能陶瓷产品占有绝对优势，欧美国家也占有相当的市场份额。与这些发达国家相比，我国对功能陶瓷的研究、生产及应用开始得较晚，在配方、生产工艺、过程控制及产品性能等方面存在较大差距（例如：高纯超细粉料制备技术；先进装备及现代化检测手段；组分设计、晶界相与显微结构控制；新材料、新工艺与新应用的探索[2]），尤其是在产业化方面更甚。近二十年，在现代科技的推动下功能陶瓷技术迅速发展，我国功能陶瓷的生产企业已具有一定的规模（如珠海粤科京华功能陶瓷有限公司，淄博安德浩工业陶瓷公司等企业），但还存在基础研究投入不足，关键性的研究基础仍较薄弱，创新能力不足，缺乏生产高端产品的关键技术等问题。在世界经济结构的调整和我国供给侧结构性改革的情况下，我国的功能陶瓷产业发展面临着巨大的机遇和挑战。

3 ZnO压敏陶瓷的伏安特性

3.1 ZnO压敏陶瓷非线性I-V特性

在正常工作范围内，ZnO压敏陶瓷的I-V关系可以表示为：

I=（V/C）α （1）

其中，I为通过压敏电阻的电流，V为通过的压敏电阻器两端的电压，C为材料常数，α为非线性系数，它是描述压敏电阻器非线性强弱的物理量，是评价ZnO 压敏电阻好坏的重要指标。

由（1）式可知，α值越大，I-V之间非线性越强，ZnO压敏陶瓷的性能就越强。但α不是一个常数，当压敏电流在1 mA附近工作时，压敏电阻器α值可达到最大值（可达到50以上），此时为压敏电阻器的工作区域。

3.2 ZnO压敏陶瓷非线性I-V特性形成机理解析

ZnO压敏陶瓷是一种电阻值对外加电压敏感的电子元器件，其伏安特性呈非线性，实际制作的ZnO压敏陶瓷的伏安特性曲线如图1所示。

Ⅰ区常被称作预击穿区，电流密度在0～0.1 mA/cm2范围，ZnO压敏陶瓷U-I关系呈现纯电阻特征，且呈高值性。Ⅱ区被称作击穿区，电流密度在此区域急速上升，在电压几乎没有变化的情况下，电流密度甚至会有106～107数量级的变化。电流上升速度越快，电压上升速度越慢，该区域的 I-V 曲线越平坦，非线性就越好。该区域是ZnO压敏陶瓷的核心区域，也是其工作区域。Ⅲ区被称作回升区，此区域的电流密度大于103 A/cm2，电压随电流密度的升高而增大，非线性系数慢慢降低直至消失。在该区域ZnO压敏陶瓷非线性变差，逐渐呈现纯电阻特征，此时阻值较与预击穿区时的阻值相比低很多[3-4]。

ZnO压敏陶瓷的非线性I-V特性取决于其烧结体的晶界特性，ZnO属六方晶系结构，Zn和O都是按四面体方式成键，晶体结构开放，容易引入杂质。掺入 Bi2O3及其他过渡金属氧化物制成的ZnO压敏陶瓷电子元器件具有优良的非线性 I-V特性，其电阻值通过控制电压可变化1010倍以上。有研究表明，Bi2O3的作用主要是形成氧从外向内扩散的通路，而过渡金属氧化物则形成各种杂质受主态[5]，掺杂作用使得ZnO半导体陶瓷的晶界产生大量的缺陷而形成深的陷阱能级，造成ZnO晶界两端表面能带弯曲，晶界两端各有一耗尽层，形成双肖特基势垒，添加剂阳离子在晶界表面形成受主表面态[6]。

4 ZnO压敏陶瓷发展前景

孙洪波，邱玉平等人[9]认为，实现电子器件小型化集成化的关键之一是膜结构的压敏电阻的使用，业界对ZnO膜结构材料的研究主要集中在薄膜、厚膜和复合膜三方面，低电位、高非线性系数的ZnO压敏薄膜和高电位梯度、高非线性系数的ZnO压敏厚膜是未来一个重点研究的方向。董显林[10]研究表明复合化、多功能化、低维化、智能化和设计、材料、工艺一体化应是全球功能陶瓷行业的发展趋势，其研究会进入纳米技术领域，进而发展到智能材料阶段，它是广大研究者技术创新、制备工艺创新发展及社会需求的必然结果。

随着功能陶瓷行业的高速发展，ZnO压敏陶瓷作为一种高新技术关键材料在全球范围内受到广泛关注，其本身的消费市场空间潜力巨大。我国一直高度重视对功能陶瓷材料的研究，在新材料技术时期将向材料结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化方向发展。近期国外的高性能、高梯度ZnO阀片和新型SnO2压敏材料的研究受到业界广泛关注，国内无论是低压ZnO压敏电阻和高压ZnO阀片还是多层片式ZnO压敏电阻器的研发均取得了突出的进展[7-8]。从现有的技术发展趋势及满足市场需求分析，以科学院、高校及企业为联合体，预计我国在功能陶瓷行业在今后5～10年内将会有较大的技术突破，功能陶瓷行业前景广阔。

5 改进措施和建议

随着功能陶瓷材料的迅速发展，ZnO压敏陶瓷材料已经成为光电技术等众多高新技术领域的基础材料。针对现阶段存在的问题，为进一步推动我国ZnO压敏陶瓷产业的发展，有以下改进措施和建议：

（1） 重点突出。我国在高新技术研究方面有自身的优势，应发挥所长，将研究的重点与国家发展规划纲要结合，整合优势资源，突出重点，强强联合攻坚，缩小与国外的差距；

（2） 成果转化。近年来我国功能陶瓷产业发展较缓慢，其主要原因之一是缺少对科研成果的转化。研究成果不能及时工业化，形成规模生产，转化为产品。要改变这一局面，应从长远和全局出发，加大基础研究投入力度，深化校企合作，建立稳定合理的人才梯队，建立长效激励机制等措施；

（3） 创新。采用拿来主义，借鉴并吸收国外成功的经验技术，结合自身的优势特点，加强基础，推陈出新，勇于创新。

6 结语

ZnO压敏陶瓷材料具有变阻性，被广泛使用于电力系统及通讯等众多行业，发展前景广阔。我国对ZnO压敏陶瓷材料的研究起步较晚，目前虽然取得了一些研究成果，但与国际先进水平相比仍然存在较大差距。因此，ZnO压敏陶瓷材料产业的发展应在国家扶持下，重点突出，勇于创新，努力实现成果转化。

参考文献

[1] 成鹏飞，刘汉臣，张晓军.ZnO陶瓷的压敏效应及其起源[J].电磁避雷器，2013 （2）： 45～48.

[2] 徐翠艳，王文新，李成.半导体陶瓷的研究现状与发展前景[J].辽宁工学院学报，2005（4）：247～249.

[3] 谢杰.氧化锌压敏陶瓷制备及氧化钐掺杂改性研究[D].湖北：武汉工程大学，2013：8.

[4] 陈新岗，李凡，桑建平.ZnO压敏陶瓷伏安特性的微观解析[J].高电压技术，2007 （4）：33～37.

[5] 成鹏飞，王玉平.于长丰.ZnO压敏陶瓷势垒高度的测量及其应用[J].电磁避雷器，2010 （5）：29～32.

[6] 周健.氧化锌基半导体材料电子陷阱形成及性能研究[D].南京：南京航空航天大学，2006：4～5.

[7] 范积伟，夏良，张小立.新型压敏陶瓷材料的研究与进展[J].功能材料信息，2010（3）.

[8] 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）[Z]. http：//www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.html.

[9] 孙洪波，邱玉平.ZnO膜结构材料的压敏性能研究进展[J].电磁避雷器，2012 （1）： 45～49.

[10] 董显林.功能陶瓷研究进展与发展趋势[J].中国科学院院刊，2003 （6） ：407～412.