關(guān)于高性能氧化鋅電阻片的研究進(jìn)展探究

陳光明

摘要：近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力的應(yīng)用日益廣泛，避雷器作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，對其關(guān)鍵組件氧化鋅電阻片的要求也也越來越嚴(yán)苛。本文敘述了氧化鋅電阻片三個(gè)方面的研究進(jìn)展，包括其導(dǎo)電原理、劣化機(jī)理和制造工藝。

關(guān)鍵詞：氧化鋅電阻片；導(dǎo)電原理；劣化機(jī)理；制造工藝

中圖分類號(hào)：O4-0 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2016）015-000-02

一、ZnO電阻片的導(dǎo)電原理研究進(jìn)展

氧化鋅電阻閥片的導(dǎo)電原理屬于基礎(chǔ)理論研究，國內(nèi)外對于氧化鋅壓敏陶瓷的研究時(shí)間長達(dá)三十年，期間，取得了豐碩的研究成果。表1列出了ZnO電阻閥片導(dǎo)電原理的研究狀況。

上個(gè)世紀(jì)五六十年代，日本率先研究氧化鋅壓敏電阻片導(dǎo)電原理，到目前為止，雪崩擊穿原理、Schottky原理和兩步傳輸理論被比較廣泛地提及和應(yīng)用。

雪崩擊穿原理，取“雪崩”之名，在于強(qiáng)調(diào)其如雪崩一樣綿綿不絕。當(dāng)單個(gè)電子從陰極走向陽極時(shí)，在電場強(qiáng)度足夠大的情況下，單個(gè)電子與晶體原子相互碰撞，產(chǎn)生新的電離子，然后這兩個(gè)電子在走向陽極的過程中又與其他晶體原子相撞，產(chǎn)生其他電子，循環(huán)下去，電子就會(huì)像雪崩似的綿綿不絕地增加。這個(gè)原理與中國道家的“道生一，一生二，二生三，三生萬物”相似。

Schottky勢壘原理研究者很多，也被大多數(shù)人廣為接受。圖2為金屬與n型半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘圖。肖特基勢壘指的是擁有整流特性的金屬-半導(dǎo)體接觸，它與具有歐姆接觸的絕緣層的空間限制電流不同，空間限制電流不具有整流性。這項(xiàng)原理的應(yīng)用技術(shù)在氧化鋅電阻片的保護(hù)和穩(wěn)壓功能方面具有很好的效用。

兩步傳輸理論的基礎(chǔ)是雙耗盡層模型，它強(qiáng)調(diào)電子分兩步進(jìn)行的傳輸。第一步的傳輸途經(jīng)是由氧化鋅晶粒到界面層，第二步的途經(jīng)是由界面層傳到其他的晶粒。與普通半導(dǎo)體導(dǎo)電不同，這種導(dǎo)電方式是雙向的，不受正負(fù)電極約束，其優(yōu)點(diǎn)是可以承受較大電流密度的電流沖擊，響應(yīng)速度納秒級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)通斷時(shí)間與過電壓或者雷電沖擊時(shí)間同步，這一顯著優(yōu)勢奠定了氧化鋅電阻片在高低壓輸電線路、電站、及其它電氣設(shè)備最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的保護(hù)地位，這個(gè)理論目前仍在不斷研究中。

二、ZnO電阻片的劣化原理

氧化鋅電阻片避雷器在現(xiàn)實(shí)中處于連續(xù)不間斷的運(yùn)作當(dāng)中，其氧化鋅電阻片隨著時(shí)間或其他原因的影響，電氣性能會(huì)慢慢降低劣化。電氣性能降低的后果會(huì)造成電流泄漏，對地短路，危機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行，人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。

氧化鋅電阻片的劣化原理包括離子遷移理論、偶極子極化理論、電子陷阱理論、氧氣解析理論等。其中，離子遷移理論被大多數(shù)人所信服。

離子遷移理論是由Eda等人提出，這一理論被這一領(lǐng)域的大多數(shù)學(xué)者贊同。其基礎(chǔ)在于受到中和的界面能使得肖特基勢壘高度下降，氧化鋅電阻片的電氣性能受到劣化。界面能受到中和的原因是Zn2+ 受到外部場力作用想界面遷移。此理論雖然較為完善地揭示了氧化性電阻閥片的劣化原理，但仍然具有缺陷，對于此，又有人提出線性鏈理論，完善了離子遷移理論。

電子陷阱理論是由Sato 等人1983年發(fā)現(xiàn)，這一理論與Eda等人提出的離子遷移理論完全不同。陷阱電子的濃度減少會(huì)使得界面兩邊的勢壘發(fā)生形狀上的變化，這種變化呈非對稱性。

Ezhilvalavan在研究中發(fā)現(xiàn)，氧化性電阻片的老化對于氧的依耐性很高，氧濃度越低，老化的程度越高。這一理論具有一定的突破性。

上述幾種理論從自身不同的角度出發(fā)，合理地解釋了自己理論的正確性，但到目前為止，一個(gè)完全正確的理論仍然待有后人提出。

三、ZnO電阻片的制造工藝

1.氧化鋅電阻片的制造工藝主要包括的三個(gè)步驟，依次為粉體的制備、燒成工藝、磨片、電極制備工藝

氧化鋅粉體是電阻片的基礎(chǔ)，提高氧化鋅粉體的性能對電阻片性能的提高具有重要作用。目前為止，氧化鋅粉體的傳統(tǒng)制造工藝有固相法、機(jī)械混合法，這兩種方法的設(shè)備比較簡單，但制成的粉體不滿足現(xiàn)代電阻片的要求?，F(xiàn)在最常見的方法有燒成法、噴霧熱解法、溶液蒸發(fā)法、膠體間接合成法、化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、液相包覆法等。其中，燒成法的粉體單位產(chǎn)量較低，無法在工業(yè)生產(chǎn)中推廣與應(yīng)用。噴霧熱解法在科學(xué)研究中具有一定價(jià)值，在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中也很少利用。納米技術(shù)的應(yīng)用對于提高氧化鋅粉體的質(zhì)量與產(chǎn)量十分重要。溶膠-凝膠法、溶液蒸發(fā)法等都屬于納米技術(shù)的一種，納米技術(shù)制備氧化鋅可分為化學(xué)方法和物理方法，化學(xué)合成法制造的粉體原料比較均勻，物理方法的制制成體則比較粗糙。無論用何種方法制造粉體，在工業(yè)生產(chǎn)中都各有其優(yōu)劣，制造者要因需衡量。

2.制造工藝

（1）按照配方比例，將氧化鉍、氧化鈷、氧化銻、氧化鉻、氧化錳、氧化鎳（或亞鎳）、氧化硅等金屬氧化物進(jìn)行精確稱量并復(fù)核，確保配方比例準(zhǔn)確無誤；

（2）將配比準(zhǔn)確的添加物、純凈水按照一定比例倒入攪拌球磨機(jī)，啟動(dòng)攪拌球磨及循環(huán)，以保證添加物均勻性，要求添加物、球磨至一定的顆粒度，并符合正態(tài)分布；

（3）按照固體含量63--66%比例計(jì)算純水加入量，依次按要求加入PVA溶液、分散劑溶液及其它輔助化工原料，進(jìn)行漿料混合，時(shí)間要足夠，以保證配方比例準(zhǔn)確性，可以通過某種材料（如氧化鉍）在不同位置取出樣品，測定其含量是否一致的方法來確認(rèn)混合時(shí)間，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用；

（4）控制含水比例，存放時(shí)間來保證成型過程壓力傳遞均勻，以達(dá)到控制電阻片成型坯體密度一致；

（5）控制排膠、燒成及熱處理溫度曲線及推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)氧化鋅電阻片陶瓷半導(dǎo)化導(dǎo)電機(jī)制的形成；

（6）磨片、涂釉及噴鋁電極制備用來保證兩個(gè)端面平行并平整，側(cè)面絕緣水平得到進(jìn)一步提高，電極接觸良好，能夠完整體現(xiàn)電阻片產(chǎn)品本身固有的各項(xiàng)電氣參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

3.檢測

（1）2mS方波測試用耐受試驗(yàn)

按照技術(shù)要求，對所有電阻片產(chǎn)品進(jìn)行正反向各一次2mS方波電流沖擊試驗(yàn)，通過該試驗(yàn)的合格中，選取電壓值最高的5片進(jìn)行耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)方法依據(jù)GB11032-2010相關(guān)條款進(jìn)行，此方法用于檢查工藝可行性及產(chǎn)品可靠性。

（2）8/20μS雷電沖擊試驗(yàn)

按照技術(shù)要求，對所有電阻片產(chǎn)品進(jìn)行正反向各一次8/20μS雷電沖擊試驗(yàn)，以檢查該電阻片產(chǎn)品對于雷電流及過電壓保護(hù)水平，確認(rèn)其適用于相應(yīng)等級(jí)避雷器。

四、結(jié)語

高性能的氧化性電阻片避雷器在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)生活中具有舉足輕重的地位，它對維護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全起著關(guān)鍵作用。ZnO電阻閥片的導(dǎo)電原理、劣化原理研究進(jìn)展迅速，其粉體制備、燒結(jié)工藝和磨片工藝也在不斷進(jìn)步。未來的氧化鋅電阻閥片的發(fā)展趨勢將要朝著電位高梯度、高性能、老化率低的方向發(fā)展。