现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化研究进展

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状态评估和寿命预测难以开展。文中详述了现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化及恢复特征:正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”现象;老化过程可逆,试样充分恢复后能达到其未老化状态。离子重排(donorionredistribution,DIR)老化模型可合理解释氧化锌压敏陶瓷的直流老化现象。氧化锌压敏陶瓷的老化功耗取决于界面态消耗与耗尽层离子“U”型分布之间的竞争,前者导致功耗上升而后者有利于功耗降低。稳定型氧化锌压敏陶瓷的势垒界面态在高温、缺氧气氛等条件下不能保持稳定,其原本下降的功耗也能转变为不断上升。此外,广为应用的功耗(泄漏电流)具有显著的电压依赖特性,并不能反映氧化锌压敏陶瓷真实的老化状态,反向老化系数则有望成为一种有效的老化状态表征参数。通过深化现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的老化现象、老化机制及状态评估的认识,本文旨在推进我国高性能氧化锌压敏陶瓷生产制造和高端避雷器发展。

氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用

因目前MOV型SPD劣化检测参数压敏电压U1mA和漏电流Ileakage不能及时有效地判断MOV劣化程度,故研究一种能考量MOV劣化程度的方法尤其重要。根据影响MOV电容的主要因素以及晶界肖恩特基势垒变化、离子迁移理论等氧化锌压敏电阻的劣化机理,提出了氧化锌压敏电阻劣化过程中必然伴随电容量的变化。在不同的冲击实验下,对MOV型SPD进行劣化实验表明:MOV的电容量均随劣化程度增加而呈现上升趋势;在In标称值冲击下,MOV电容量随冲击次数近似线性上升。通过实验首次提出了电容量增幅具有考量MOV劣化程度的重要意义,同时证明:结合U1mA、Ileakage和电容量3个参数能够更好地分析MOV内部劣化原因。

氧化锌压敏电阻老化过程中非线性系数变化的研究

根据氧化锌压敏电阻(MOV)的非线性特征,结合双肖特基(Schottky)势垒理论和氧化锌陶瓷在小电流区的导电机制,提出了氧化锌压敏电阻老化劣化过程中必然伴随着非线性系数α的变化的结论。针对一种型号的MOV,通过大量实验数据分析得出:在不同老化劣化实验条件下,MOV的非线性系数α均随劣化程度的增加而呈下降趋势;在标称电流In冲击下,α值随冲击次数近线性下降。经实验论证,非线性系数α对评价MOV的老化劣化程度具有一定的参考价值。

氧化锌压敏电阻片的热刺激电流测试研究

热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)技术是研究各种电介质缺陷及其特性的有效手段,开展氧化锌压敏电阻片的TSC特性研究对于研制高性能氧化锌电阻片有重要意义。开展氧化锌压敏电阻片的热释电电流以及不同极化电压、不同极化时间、不同极化温度和不同升温速率条件下的TSC特性的试验研究,并根据测试结果分析不同试验条件下氧化锌压敏电阻的陷阱电荷量、陷阱能级等的变化情况,初步认为在所研究温度范围内的TSC是通过陷阱电子表现出来的。在上述试验分析的基础上,确定一种合适的氧化锌压敏电阻TSC试验参数,为后续研究提供参考。

氧化锌压敏电阻电气参数分散性试验研究

对氧化锌压敏电阻的两个重要电气参数，即１ｍＡ直流电流下的阀片电压和一定冲击电流下的残压，进行了批量测量。对所得试验数据进行了统计分析，得出参数的分布规律，并对阀片电压与残压之间的相关性也作了分析。

微波烧结氧化锌压敏电阻的致密化和晶粒生长

研究了微波烧结的ZnO压敏电阻的致密化和生长动力学,微波烧结温度从900～200℃,保温时间从20min～2h.研究表明,微波烧结ZnO压敏电阻的物相组成和传统烧结的样品没有区别;微波烧结有助于样品的致密化,并降低致密化温度.随着烧结温度的升高,致密化和反致密化作用共同影响样品的密度,其中Bi的挥发是主要影响因素.微波烧结ZnO压敏电阻的晶粒生长动力学指数为2.9～3.4,生长激活能为225kj/mol,传统烧结的ZnO压敏电阻的晶粒生长动力学指数为3.6～4.2,生长激活能为363kJ/mol.液相Bi_2O_3、尖晶石相和微波的"非热效应"是影响微波烧结ZnO压敏电阻陶瓷晶粒生长的主要因素.

基于修正Cole-Cole模型的氧化锌压敏电阻老化状态评估

为了将频域介电响应法(FDS)用于氧化锌压敏电阻老化状态的无损检测,在实验室环境下对氧化锌压敏电阻进行冲击老化试验,测量其介电频谱,并引入了带直流电导的多驰豫Cole-Cole模型拟合分析氧化锌压敏电阻的介电频谱。通过双驰豫Cole-Cole模型拟合常温下的介电谱发现,其中存在α驰豫过程和β驰豫过程,其对应的活化能约为0.68 eV和0.34 eV,对应着非本征晶间相缺陷驰豫和本征氧空位缺陷驰豫,α驰豫强度Δε_α随冲击次数的增加而增强,而β驰豫过程不受冲击老化的影响;在拟合高温下(393 K)的介电频谱时新发现γ驰豫过程,其活化能约为0.73 eV,对应着非本征晶界面缺陷驰豫,随着老化程度的加深,驰豫强度Δε_γ、形状参数γ增大,驰豫时间τ_γ和活化能减小;直流电导σDC随着冲击次数的增加而变大,其对应的活化能约为0.72 eV,随着冲击次数的增加而减小。因此,可通过修正的多驰豫Cole-Cole模型参数σ——(DC)、Δε_α、Δε_γ、τ_γ、γ和直流电导活化能、γ驰豫活化能综合评估氧化锌压敏电阻的老化状态。

工频过电压耐受下氧化锌压敏电阻冲击老化性能研究

针对氧化锌压敏电阻芯片在8/20μs电流冲击初期,芯片压敏电压变化较小,老化程度无法通过静态参数判别的问题,本文设计了工频过电压耐受下的ZnO压敏电阻冲击老化试验,研究了ZnO压敏电阻芯片不同冲击老化情况,耐受工频恒定不同幅值过电压过程和耐受阶段流经芯片内部电流Iin随时间的变化关系;结合双肖特基势垒理论和ZnO压敏电阻芯片Voronoi网格微观结构模型,分析试验结论。结果表明:耐受工频恒定相同幅值过电压,ZnO压敏电阻芯片经8/20μs电流冲击后老化程度越深其流过芯片内部电流Iin的初始值越大;且lin值随时间上升速率与初始冲击老化程度呈正比;相同老化程度ZnO压敏电阻芯片耐受过电压幅值越大,耐受时间越短,Iin的初始值越大。这些可为ZnO压敏电阻冲击老化劣化初期判别提供依据。

基于瞬态热阻抗模型的氧化锌压敏电阻散热能力研究

针对交流环境中氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varistor,MOV)芯片热熔穿热劣化过程中散热能力的研究对试验依赖性强的问题,在分析MOV芯片散热能力基础上,提出了利用瞬态热阻抗参量表述其散热特性,建立了适用于MOV芯片的瞬态热阻抗模型,研究了片径和热熔穿电流对MOV芯片瞬时散热能力的影响。试验结果表明:热熔穿过程中,MOV芯片散热量除与片径有关外,还与通过电流值有关,是随时间和温度变化的量,并且随着通电时间延长其势垒高度降低同时散热能力增强。试验结果验证了模型的正确性,说明了所建立的瞬态热阻抗模型可定量反映MOV芯片散热能力大小,为研究MOV芯片热熔穿热劣化提供理论依据。

氧化锌压敏电阻的湿式化学合成法

综述了氧化锌压敏电阻的特性、用途及国内外用各种湿式化学合成技术制备氧化锌压敏电阻的原理及方法。

氧化锌压敏电阻片电位梯度参数优化的实验研究

研究了制造过程中的升温速度、烧结温度、保温时间及冷却速度对氧化锌压敏电阻片电位梯度的影响,对氧化锌压敏电阻片的烧结工艺进行了优化,并从理论上探讨了升温速度、烧结温度、保温时间及冷却速度影响氧化锌压敏电阻片电位梯度的机理。试验结果表明,连续缓慢升温至1200℃保温3h,随炉冷至室温的烧成制度有利于获得优异的电性能。

氧化锌压敏电阻片侧面绝缘性能研究综述

目前,国外的抗大电流冲击绝缘涂层主要为无机侧面釉,而国内此种涂层主要为有机绝缘涂层,在耐大电流冲击性能方面,国外无机产品明显优于国内有机侧面绝缘涂层.综述了国内外近10年来避雷器阀片侧面抗大电流冲击绝缘涂层的研究进展.

氧化锌压敏电阻的烧结行为

为了研究ZnO压敏电阻组成中非化学配比氧化物对ZnO压敏电阻导电性能的影响,采用在不同氧分压条件下烧结样品以研究其烧结行为。结果表明:ZnO晶粒的电导率对数与氧分压对数成线性关系;斜率为-1/4;间隙Zn原子以一价电离Zn i形式存在。由于CoO,MnO和NiO阳离子空位氧化物多偏析于晶界,晶界处氧的增加有利于降低压敏电阻漏电流,烧结时间从2h延长到8h,漏电流从5μA/cm2降到3.6μA/cm2。波谱分析表明:掺杂氧化物在晶界处都有偏析,ZnO晶粒中掺杂原子混溶比例不完全与掺杂阳离子半径相关。

氧化锌压敏电阻用掺杂粉体的水热合成

以氧化锌为原料,添加其它掺杂金属氧化物,在水热高温、高压下一次性合成ZnO压敏电阻用掺杂粉体,利用SEM和XRD研究了前驱体配比、水热温度、反应介质对掺杂氧化锌生长的影响,用此掺杂氧化锌粉体制备的ZnO压敏电阻的非线性系数达到43.48。

氧化锌压敏电阻陡波特性的研究

介绍了四种压敏电阻试样在波前1ns左右、脉宽10～100ns极陡脉冲作用下的电流响应和电压响应特性.试验表明,在上述极陡波作用下,电流响应由峰值为I_m的容性电流开始,以后转为平稳的阻性电流I_s.I_m及I_s随外施电压u_0增加而增加,但增加情况随试样而异.电压响应的前部存在"过冲",随后过渡至平坦的残压U_s.过冲出现时间随u_0增加而前移,峰值U_p变化也跟试样有关.并指出,压敏电阻的"压敏"特性有一个时间过程,它与外施电压的幅值、陡度有关,也与试样有关.过冲峰值出现时间T_p可以作为压敏电阻对外施电压敏感性能的特性参数.

Y_2O_3掺杂对低压氧化锌压敏电阻材料结构和电学性能的影响

通过掺杂研究了微量Y2O3对低压氧化锌压敏电阻的电性能影响,并采用SEM测试手段对其微观组织结构进行了分析研究,从理论上探讨了Y2O3影响低压氧化锌压敏电阻电性能与组织的机理.研究结果表明,在0～0.07%(摩尔分数)掺杂范围内,随着Y2O3含量的增加,低压氧化锌压敏电阻的电场强度明显提高;当Y2O3含量超过0.07%时,电场强度又呈下降趋势.低压氧化锌压敏电阻掺杂Y2O3后,非线性指数α增大,漏电流IL减小,但当掺杂量在0.06%～0.09%(摩尔分数)的范围内,漏电流IL和非线性指数α的变化不大.其原因是Y2O3加入到氧化锌压敏电阻中,Y主要以固溶的形态分布于ZnO晶内和晶界处,使ZnO晶体的自由电子浓度增大,进而使填隙锌离子Zni的总浓度下降,引起填隙锌离子的传质能力下降,抑制了ZnO晶粒的生长,因而晶粒尺寸随Y2O3掺杂量的增加而减小.

Nd_2O_3对氧化锌压敏电阻片压敏电位梯度与组织的影响

研究了微量Nd2O3添加剂对氧化锌压敏电阻片的压敏电位梯度的影响,并通过SEM测试手段对其微观组织进行了分析。结果表明,在0～0.04%(mol)成分范围内,随着Nd2O3含量的增加,氧化锌压敏电阻片的压敏电位梯度明显提高,当Nd2O3含量为0.04%(mol)时,氧化锌压敏电阻片的压敏电位梯度达到最大值,约为583.25V/mm,比不含Nd2O3的原始成分的氧化锌压敏电阻片的压敏电位梯度(约354.42V/mm)增加了约65%。其原因是加入到氧化锌压敏电阻片中的Nd2O3主要分布在晶界上,阻碍了ZnO晶界的迁移,从而抑制了ZnO晶粒的长大,使ZnO晶粒更为细小均匀。

氧化锌压敏电阻粉体的制备工艺

综述了ZnO压敏电阻粉体制备的国内外研究现状,对不同制备方法的优缺点进行了评析,指出了目前氧化锌压敏电阻粉体制备中存在的问题,并提出了今后的研究发展方向。

氧化锌压敏电阻片冲击大电流残压特性的研究

在大量试验数据的基础上,分析和研究了瞬态大电流的波形参数、冲击电流幅值以及氧化锌压敏电阻片表面积对氧化锌压敏电阻残压的影响。针对几种典型的试验用电流波形参数,归纳出冲击电流幅值与残压之间的变化规律,其对于估算一定电流波形下某幅值对应的残压数值,或者对现有试验结果进行验证具有一定的参考。

暂态过电压预处理对氧化锌压敏电阻冲击性能的影响

针对氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varistor,MOV)芯片在实际工作环境中会遭受过电压作用问题,设计了暂态过电压预处理后MOV耐受冲击老化试验,研究了不同幅值工频交流暂态过电压5 s作用下MOV芯片耐冲击老化性能变化。试验结果表明:MOV芯片经暂态过电压预处理后压敏电压升高,耐8/20μs电流波冲击次数增多;暂态过电压预处理后芯片冲击过程中压敏电压呈现下降-保持-下降过程,与未经预处理芯片压敏电压变化过程有所不同。结合双肖特基势垒导电机理推论出工频交流瞬时过电压作用下,氧化锌晶界两侧势垒高度变化过程,并经过试验数据分析证明此推论的合理性。为研究暂态过电压对MOV冲击性能影响及生产厂家预老化工艺的合理性提供试验依据。