知識點名稱：氧化鋅陶瓷

關(guān)鍵詞：氧化鋅,ZnO,zinc oxide ceramics

相關(guān)概念和介紹：

氧化鋅是一種無機物，化學(xué)式為ZnO，是鋅的一種氧化物。難溶于水，可溶于酸和強堿。氧化鋅是一種常用的化學(xué)添加劑，廣泛地應(yīng)用于塑料、硅酸鹽制品、合成橡膠、潤滑油、油漆涂料、藥膏、粘合劑、食品、電池、阻燃劑等產(chǎn)品的制作中。氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優(yōu)異的常溫發(fā)光性能，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發(fā)光二極管等產(chǎn)品中均有應(yīng)用。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮作用。生產(chǎn)的氧化鋅以99.7%含量的為主，俗稱997（99.7）氧化鋅。

氧化鋅陶瓷是指加入了氧化鋅等材料的陶瓷產(chǎn)品。氧化鋅(ZnO)為主晶相加入適當(dāng)?shù)膿诫s物等制成的一類半導(dǎo)體陶瓷材料。具有優(yōu)良的非線性系數(shù)、壓敏電壓范圍寬(零點幾伏到幾十千伏)、電壓溫度系數(shù)小、時間響應(yīng)快、漏電流小等特點。主要原料為氧化鋅，摻雜物有氧化鉍、氧化鈷、氧化鍶、氧化鈦等。采用一般電子陶瓷工藝制造?？捎糜谥圃旄邏弘娐分蟹€(wěn)壓元件和過電壓保護元件(如集成電路中的低壓壓敏電阻器)，還可作避雷器之用。

以粉末氧化鋅為原料，人工生長單晶或氣相沉積薄膜，利用其壓電效應(yīng)，可用作制造電聲器件的材料，故亦稱為壓電半導(dǎo)體。但其更主要的用途是作為氧化鋅系陶瓷半導(dǎo)體原料。氧化鋅俗稱鋅白，是一種重要的陶瓷半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的非線性系數(shù)、壓敏電壓范圍寬(零點幾伏到幾十千伏)、電壓溫度系數(shù)小、時間響應(yīng)快、漏電流小等特點。不溶于水，能溶于酸和堿，是一種兩性氧化物。純氧化鋅是煅燒鋅礦石或在空氣中燃燒鋅條而得。氧化鋅結(jié)晶是六角晶系，晶格常數(shù)α＝3.25×10-10m，c＝5.20×10-10m。室溫下滿足化學(xué)計量比關(guān)系的氧化鋅晶體或多晶體中導(dǎo)電載流子極少，具有絕緣體的性能。在空氣中經(jīng)高溫處理后，將會因氧的過?；虿蛔愣蔀槠x化學(xué)計量比關(guān)系的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學(xué)計量比結(jié)晶，使自由電子或空穴大大增多，氧化鋅由白色絕緣體變成青黑色半導(dǎo)體。當(dāng)在氧化鋅中加入適量的其他氧化物或鹽類,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作為添加劑，按一般的陶瓷工藝成型燒結(jié)，可以制得氧化鋅半導(dǎo)瓷。這種半導(dǎo)瓷由半導(dǎo)電的氧化鋅晶粒及添加劑成分構(gòu)成的晶粒間層所組成。由于每一個氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個接觸區(qū)，具有一般半導(dǎo)體接觸的單向?qū)щ娦?，所以兩個晶粒間存在兩個相反位置的整流結(jié)，一塊氧化鋅半導(dǎo)瓷片是大量相反放置的整流結(jié)組的堆積。當(dāng)外加電壓于這種材料時，低電壓下，由于反偏整流結(jié)的阻擋作用，材料呈高阻狀態(tài)，具有絕緣性能。當(dāng)電壓高達一定值時，整流結(jié)發(fā)生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導(dǎo)電材料，可以通過相當(dāng)大密度的電流。

鈦酸鋇系和鈦酸鋯系半導(dǎo)體瓷，以及氧化鋅半導(dǎo)體瓷等半導(dǎo)陶瓷，簡稱PTC。PTC是 “正溫度系數(shù)” 英文第一個字母的組合。PTC發(fā)熱元件的一個顯著特征就是它有一個人為設(shè)計的相變溫度。在這個溫度區(qū)以下，PTC元件通電后電阻隨溫度的升高而降低，且電阻上升速度非?？?。當(dāng)溫度高于相變溫度之后，電阻隨著溫度的升高而急劇增加幾個數(shù)量級。根據(jù)電阻增加的速度即曲線的斜率，PTC可分為平緩型和開關(guān)型; 平緩型上升得慢，開關(guān)型上升得快。PTC取暖器大多用開關(guān)型特性，也就是說，超過相變溫度后電阻急劇增加，電流減小即發(fā)熱功率減小，最后發(fā)熱量維持在一個水平上。如果在通電的同時給PTC以及它所附帶的散熱片送風(fēng)，則PTC溫度下降，電阻下降，電流上升，發(fā)熱功率增大;如果把送風(fēng)量調(diào)節(jié)在一個最佳狀態(tài)使PTC處于電阻最小值即電流量最大時，則PTC功率發(fā)揮到最大，冷風(fēng)經(jīng)由與PTC一體的散熱片變成熱風(fēng)。一般暖風(fēng)機出口溫度可達80℃，所以室內(nèi)很快變暖。液體蚊香中用的PTC是使液體揮發(fā)的熱源，通電22OV，溫度可自動控制在120～130℃左右。

PTC的用途十分廣泛，還可根據(jù)它的特性，開發(fā)出許多二次產(chǎn)品。但是，PTC用作元器件也有它的缺點，就是容易老化，即隨著使用時間的增加，發(fā)熱功率下降。這是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。但是如果質(zhì)量控制得好，老化速率可以限制在較低的水平上。

應(yīng)用:

①加入Bi2O3或Pr2O3和非飽和過渡金屬氧化物Co2O3、MnO2等添加劑的氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷具有優(yōu)異的非線性伏安特性，低電壓下具有高電阻，電壓增高至一定值后，瓷體變成可通過瞬態(tài)電流密度為102～103A/cm2的良導(dǎo)體，其伏安特性一般用I∝Uα表示，非線性指數(shù)α可大于30;稱這種陶瓷為壓敏氧化鋅陶瓷。其電壓范圍和電流承受能力可分別通過改變瓷體厚度和面積來調(diào)整，與添加劑成份及工藝亦有關(guān)。用壓敏氧化鋅陶瓷制造的壓敏電阻是電氣技術(shù)領(lǐng)域中過電壓保護的重要器件。1968年首次制成這種材料與器件。利用對稱的非線性伏安特性可以制成各種電壓限幅器、能量吸收裝置等，如電力系統(tǒng)的過電壓保護裝置，特別是由于這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長期工作電壓下漏電流小、發(fā)熱小，可以做成不帶火花間隙的高壓避雷器；而高電壓下電阻低、殘壓小，能把過電壓限制在更低的水平上，使電網(wǎng)和電工設(shè)備的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電力應(yīng)用領(lǐng)域。

②加入SnO、ZrO2、Ga2O3等制成多孔陶瓷，其氣孔相當(dāng)于開放的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，比表面積很大，可以吸附或凝結(jié)水蒸氣及其他氣體，視添加成份不同，可制成濕敏或?qū)2、CO等敏感的陶瓷敏感器件。

③用作化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

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