氧化锌陶瓷介绍

知识点名称：氧化锌陶瓷

关键词：氧化锌,ZnO,zinc oxide ceramics

相关概念和介绍：

氧化锌是一种无机物，化学式为ZnO，是锌的一种氧化物。难溶于水，可溶于酸和强碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。生产的氧化锌以99.7%含量的为主，俗称997（99.7）氧化锌。

氧化锌陶瓷是指加入了氧化锌等材料的陶瓷产品。氧化锌(ZnO)为主晶相加入适当的掺杂物等制成的一类半导体陶瓷材料。具有优良的非线性系数、压敏电压范围宽(零点几伏到几十千伏)、电压温度系数小、时间响应快、漏电流小等特点。主要原料为氧化锌，掺杂物有氧化铋、氧化钴、氧化锶、氧化钛等。采用一般电子陶瓷工艺制造。可用于制造高压电路中稳压元件和过电压保护元件(如集成电路中的低压压敏电阻器)，还可作避雷器之用。

以粉末氧化锌为原料，人工生长单晶或气相沉积薄膜，利用其压电效应，可用作制造电声器件的材料，故亦称为压电半导体。但其更主要的用途是作为氧化锌系陶瓷半导体原料。氧化锌俗称锌白，是一种重要的陶瓷半导体材料，具有优良的非线性系数、压敏电压范围宽(零点几伏到几十千伏)、电压温度系数小、时间响应快、漏电流小等特点。不溶于水，能溶于酸和碱，是一种两性氧化物。纯氧化锌是煅烧锌矿石或在空气中燃烧锌条而得。氧化锌结晶是六角晶系，晶格常数α＝3.25×10-10m，c＝5.20×10-10m。室温下满足化学计量比关系的氧化锌晶体或多晶体中导电载流子极少，具有绝缘体的性能。在空气中经高温处理后，将会因氧的过剩或不足而成为偏离化学计量比关系的不完整晶体，即含有氧缺位或氧填隙锌的非化学计量比结晶，使自由电子或空穴大大增多，氧化锌由白色绝缘体变成青黑色半导体。当在氧化锌中加入适量的其他氧化物或盐类,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作为添加剂，按一般的陶瓷工艺成型烧结，可以制得氧化锌半导瓷。这种半导瓷由半导电的氧化锌晶粒及添加剂成分构成的晶粒间层所组成。由于每一个氧化锌晶粒和晶粒间层之间都能形成一个接触区，具有一般半导体接触的单向导电性，所以两个晶粒间存在两个相反位置的整流结，一块氧化锌半导瓷片是大量相反放置的整流结组的堆积。当外加电压于这种材料时，低电压下，由于反偏整流结的阻挡作用，材料呈高阻状态，具有绝缘性能。当电压高达一定值时，整流结发生击穿，材料电阻率迅速下降，成为导电材料，可以通过相当大密度的电流。

钛酸钡系和钛酸锆系半导体瓷，以及氧化锌半导体瓷等半导陶瓷，简称PTC。PTC是 “正温度系数” 英文第一个字母的组合。PTC发热元件的一个显著特征就是它有一个人为设计的相变温度。在这个温度区以下，PTC元件通电后电阻随温度的升高而降低，且电阻上升速度非常快。当温度高于相变温度之后，电阻随着温度的升高而急剧增加几个数量级。根据电阻增加的速度即曲线的斜率，PTC可分为平缓型和开关型; 平缓型上升得慢，开关型上升得快。PTC取暖器大多用开关型特性，也就是说，超过相变温度后电阻急剧增加，电流减小即发热功率减小，最后发热量维持在一个水平上。如果在通电的同时给PTC以及它所附带的散热片送风，则PTC温度下降，电阻下降，电流上升，发热功率增大;如果把送风量调节在一个最佳状态使PTC处于电阻最小值即电流量最大时，则PTC功率发挥到最大，冷风经由与PTC一体的散热片变成热风。一般暖风机出口温度可达80℃，所以室内很快变暖。液体蚊香中用的PTC是使液体挥发的热源，通电22OV，温度可自动控制在120～130℃左右。

PTC的用途十分广泛，还可根据它的特性，开发出许多二次产品。但是，PTC用作元器件也有它的缺点，就是容易老化，即随着使用时间的增加，发热功率下降。这是由它的内部结构决定的。但是如果质量控制得好，老化速率可以限制在较低的水平上。

应用:

①加入Bi2O3或Pr2O3和非饱和过渡金属氧化物Co2O3、MnO2等添加剂的氧化锌半导体陶瓷具有优异的非线性伏安特性，低电压下具有高电阻，电压增高至一定值后，瓷体变成可通过瞬态电流密度为102～103A/cm2的良导体，其伏安特性一般用I∝Uα表示，非线性指数α可大于30;称这种陶瓷为压敏氧化锌陶瓷。其电压范围和电流承受能力可分别通过改变瓷体厚度和面积来调整，与添加剂成份及工艺亦有关。用压敏氧化锌陶瓷制造的压敏电阻是电气技术领域中过电压保护的重要器件。1968年首次制成这种材料与器件。利用对称的非线性伏安特性可以制成各种电压限幅器、能量吸收装置等，如电力系统的过电压保护装置，特别是由于这类材料低电压下的电阻率高，因而在长期工作电压下漏电流小、发热小，可以做成不带火花间隙的高压避雷器；而高电压下电阻低、残压小，能把过电压限制在更低的水平上，使电网和电工设备的绝缘水平有可能降低，特别是在超高压电力应用领域。

②加入SnO、ZrO2、Ga2O3等制成多孔陶瓷，其气孔相当于开放的毛细管结构，比表面积很大，可以吸附或凝结水蒸气及其他气体，视添加成份不同，可制成湿敏或对H2、CO等敏感的陶瓷敏感器件。

③用作化学反应的催化剂。

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