一种仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷及其制备方法和应用

本发明属于压敏材料，具体涉及一种仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、zno压敏陶瓷因具有非线性系数高、耐浪涌能力强及压敏电压调变范围大等优越性能被用来对各种电力系统和电子线路进行过电压保护。常规zno压敏陶瓷通常是以zno和bi2o3为基本原料，同时少量掺杂多种氧化物，得到以施主掺杂的zno晶粒为主，同时在zno晶粒之间形成双肖特基晶界势垒的多晶陶瓷。以zno和bi2o3为基本原料得到的常规zno-bi2o3基压敏陶瓷是应用最广泛的压敏陶瓷。研究人员主要采用固相烧结法制备常规zno-bi2o3基压敏陶瓷，并通过掺杂来改善其电学性能。由于常规zno-bi2o3基压敏陶瓷微观结构复杂，且不同双肖特基晶界势垒的晶界特性存在较大差异，使得研究人员很难对常规zno-bi2o3基压敏陶瓷微观结构和晶界特性进行准确分析。

2、因此，构建仅包含单个双肖特基晶界势垒的zno压敏陶瓷，并对其结构和性能进行研究，对推进zno压敏陶瓷的发展具有重要的意义。研究人员以zno单晶和氧化物为原料，得到了zno单晶-氧化物层-zno单晶三层结构压敏陶瓷，但zno单晶价格昂贵且很难对zno单晶进行掺杂，因此其微观结构与常规zno压敏陶瓷中单个zno晶粒-晶界-zno晶粒结构存在较大差异。研究人员也尝试用旋涂法制备并烧结得到zno层-氧化物层-zno层三层结构，但其相对密度较低，较难对zno层进行掺杂，且zno层与氧化物层之间互相渗透，导致所得结构与常规zno压敏陶瓷中单个zno晶粒-晶界-zno晶粒结构仍存在较大差异。

3、针对现有的旋涂法制备的zno层-氧化物层-zno层三层结构，相对密度较低，较难对zno层进行掺杂，zno层与氧化物层之间互相渗透，导致所得结构与常规zno压敏陶瓷中单个zno晶粒-晶界-zno晶粒结构仍存在较大差异的问题，急需构建一种与常规zno压敏陶瓷中单个zno晶粒-晶界-zno晶粒结构相似的仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷，对于zno压敏陶瓷中单个双肖特基晶界势垒的结构、性能及导电机理研究具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷及其制备方法和应用，以解决现有的常规zno压敏陶瓷无法通过多晶zno陶瓷构建仅包含单个双肖特基晶界势垒的zno压敏陶瓷的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将zno，掺杂氧化物和聚乙烯醇水溶液混合均匀，经球磨混合，造粒，压制，得到zno陶瓷，经排胶，烧结后，得到氧化物掺杂zno陶瓷；

5、2)将bi2o3与氧化物掺杂，并与聚乙烯醇水溶液混合，加热搅拌后，得到氧化物掺杂bi2o3悬浮液，静置，将下层沉淀涂覆于步骤1)得到的氧化物掺杂zno陶瓷得表面，在涂覆下层沉淀的表面再放置一片步骤1)得到的氧化物掺杂zno陶瓷，压制得到zno陶瓷-富bi层-zno陶瓷三层结构坯体；

6、3)将步骤2)得到的zno陶瓷-富bi层-zno陶瓷三层结构坯体包裹于zno粉体内压制，排胶，烧结，将最外层zno完全打磨掉，得到仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷。

7、优选地，步骤1)中，所述zno：掺杂金属氧化物的摩尔百分比为(95-100)：(0-5)；所述zno陶瓷的直径为6-15mm。

8、优选地，步骤1)中，所述聚乙烯醇水溶液的加入量为zno和掺杂金属氧化物总质量的20％；所述聚乙烯醇水溶液的质量百分数为5％；所述掺杂金属氧化物为co2o3，mno2，srco3或y2o3。

9、优选地，步骤1)中，所述排胶温度为500-600℃，排胶时间为100-300min。

10、优选地，步骤1)中，所述烧结温度为600-1350℃，烧结时间为1-10h。

11、优选地，步骤2)中，所述氧化物为sio2，水浴加热的温度为50-90℃，时间为1-10h。

12、优选地，步骤3)中，所述排胶温度为500-600℃，排胶时间为100-300min。

13、优选地，步骤3)中，烧结温度为900-1050℃，烧结时间为1-10h。

14、本发明还公开了上述制备方法制得的仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷，该仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷的电位梯度为20.6-172v/mm，非线性系数为1.4-14，漏电流为0.3-0.8μa。

15、本发明还公开了上述仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷在电力系统和电子线路中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷的制备方法，采用分步烧结制备技术，以zno为原料，掺杂氧化物烧结后得到氧化物掺杂zno陶瓷；该氧化物掺杂zno陶瓷具有致密度高的优良微观结构，且对zno及掺杂氧化物添加剂的球磨均匀程度的要求有所降低，操作简单易行；再将氧化物掺杂bi2o3悬浮液涂覆于氧化物掺杂zno陶瓷表面，之后在涂覆悬浮液的表面放置一片氧化物掺杂zno陶瓷，压制得到zno陶瓷-富bi层-zno陶瓷三层结构坯体；再将其包裹于zno粉体内，将最外层zno完全打磨掉，即得到结构简单的仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷；通过对常规zno压敏陶瓷制备工艺的改进，传统固相烧结法的基础上改进实验工艺，通过对zno陶瓷刷涂掺杂层从而制备得到一种全新仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷，便于对单个双肖特基势垒进行分析。该仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷的三层结构包括zno陶瓷外层和中间富铋层，基于此结构，zno压敏陶瓷中单个双肖特基晶界势垒的结构、性能及导电机理研究具有显著优势，可模拟常规zno压敏陶瓷复杂结构中形成的单个zno晶粒-晶界-zno晶粒结构，有望应用于低压压敏器件领域。

18、本发明还公开了上述制备方法制得的仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷，该仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷是多晶结构，致密度高，均匀程度可控，可以通过掺杂金属氧化物改善其电学性能，掺杂层制作方式简单易行，聚乙烯醇中的金属氧化物掺杂层含量可控，掺杂层配方中金属氧化物含量可控，氧化物掺杂zno陶瓷与氧化物掺杂bi2o3层接触良好。其电位梯度为20.6-172v/mm，非线性系数为1.4-14，漏电流为0.3-0.8μa。

19、本发明还公开了上述仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷在电力系统和电子线路中的应用，本发明公开的仅包含单个双肖特基晶界势垒的三层结构压敏陶瓷对电力系统和电子线路进行过电压保护及浪涌吸收，从而有效保护电力系统和电子线路使其免受过电流冲击导致损坏。