压敏陶瓷的材料种类随市场需求更新换代谁是主流?

  压敏陶瓷是指对外加电压变化敏感的一类半导体陶瓷材料,其微观结构通常由半导化晶粒和绝缘化晶界组成。存在显著电容效应的压敏电阻通常称为电容—压敏双功能元件,在使用时相当于一只压敏电阻器和一只电容器相并联组合的效果,。近几年来,随着信息技术的迅速发展,电子设备的小型化、多功能化、高稳定性成为发展的必然趋势,作为保护半导体元件的压敏电阻器也相应地向着低压化、多功能化、高可靠性方向发展。

  ·压敏陶瓷最早出现在20世纪30年代,当时是以SiC为基料制成了供避雷器用的压敏陶瓷。

  ·但真正进入“压敏时代”是从60年代开始的,自从1968年ZnO压敏电阻器诞生以来,ZnO压敏陶瓷与器件得到了迅速的发展。并以其优异的性能逐渐成为压敏材料中的主流产品,但ZnO压敏电阻对噪声吸收能力差、响应速度慢、介电损耗大、难以实现低压化等缺点而限制了它在中低压领域中的应用。为了满足市场的发展需求,探索新的高性能、多功能压敏材料已成大势所趋。

  ·在八十年代初期,相继开发了SrTiO3和TiO2系列压敏电阻器,压敏电阻材料的发展方向也逐步变为:在高压领域中研制高能ZnO压敏电阻器,在中低压领域中开发SrTiO3和TiO2系列压敏电阻元件。

  ZnO压敏陶瓷是以ZnO为主体,同时掺入Bi、Co、Mn、Sb、Cr等金属元素的氧化物作为添加剂,采用典型电子陶瓷工艺制备的一类半导体陶瓷材料。由于ZnO压敏陶瓷具有非线性系数高、浪涌吸收能力强、性能稳定、制造工艺简便等许多突出的优点,现已广泛应用于电力、交通、通讯、仪表、家电等各个行业作为浪涌吸收、过电压抑制和稳电压等器件。

  为了能满足各种应用场合的需要,需要对ZnO压敏材料进行改性研究,主要是进一步提高通流能力,降低压敏电压,并通过添加各种金属氧化物来获得所需要的电学性能。实验证明,采用籽晶法和叠层法可使其压敏电压得到显著降低。目前比较活跃的研究领域是制备高能高压无间隙ZnO避雷器。

  SrTiO3基压敏材料最早出现于80年代初期,不仅具有优良的介电性能(和显著的伏一安(V一I)非线A/ cm²这样高的浪涌吸收能力,所以该材料逐渐发展成为一类具有广阔市场前景的压敏材料。

  SrTiO3基高电容一压敏元件是以具有钙钛矿结构的SrTiO3作为主体材料,并加入多种添加剂而制成的。制备过程采用典型的电子陶瓷工艺,但对烧结制度要求特别苛刻,且其制备工艺复杂,使得生产成本较高,同时高纯SrTiO3粉体的生产成本也较高,大约是 TiO2价格的10倍。另一方面,由于SrTiO3压敏陶瓷晶粒的半导化是在高温还原性气氛中实现的,所以这种元件在空气中长期使用容易发生老化而使性能蜕变,尤其限制了它在高压条件下的使用寿命,这也是一个不可忽略的问题。

  就目前的情况来看,简化工艺、降低生产成本、提高元件的使用寿命是这类材料目前比较活跃的研究方向。

  TiO2压敏电阻具有优良的电流—电压非线性特性、超高的介电常数、很容易实现低压化,在性能上完全可以替代SrTiO3压敏电阻。并且生产工艺简单,可以在大气中一次性直接烧结成具有电容、压敏特性的复合元件,日益显示出这类材料诱人的前景。目前,TiO2压敏电阻作为微电机的消噪声元件、继电器的触头保护元件、彩色显像管回路的放电吸收元件已经得到了实际应用。

  现代科学技术的加速发展对压敏元件提出了严峻的挑战,也为该一领域创造了机会,在市场的引导下,TiO2压敏电阻正向着集成化、多功能化、智能化方向发展。在二十一世纪,多功能TiO2压敏电阻器将在各种便携式通讯机、计算机系统、汽车中大量应用,目前国内市场正处于欲启动阶段。

  SiC压敏电阻是最早研究和应用的压敏电阻之一,后来随着ZnO压敏电阻的广泛使用,SiC 压敏电阻器逐渐失去了市场。在90年代中期SiC压敏电阻的市场占有率约为10%,近几年来其市场占有率逐渐下降,同时这类材料的非线性系数也较低,因而对SiC系压敏陶瓷的研究比较少。

  SnO2压敏电阻是以 SnO2作为主体材料,同时引入 Nb2O5、MgO、Co2O3等多种添加剂制备而成的。由于SnO2压敏电阻存在密度小、非线性系数不高等缺点,目前对这类材料的研究也比较少。

  WO3压敏电阻是从90年代后期オ发展起来的一类低压压敏陶瓷,具有优良的压敏性能,但由于其介电常数偏低,不利于材料的多功能化、复合化,因而未能在压敏行为中占据有利的位置,目前有关这类材料很少报导。