氧化鋅非線性電阻片隱性開裂分析

張文剛， 羅 劍， 蒙曉記， 胡小定， 韓錦暉， 謝清云

(西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200)

0 引 言

氧化鋅非線性電阻片是金屬氧化物避雷器的核心元件，其性能對避雷器的整體性能有直接的影響。電阻片生產(chǎn)工藝復(fù)雜，共有12道生產(chǎn)工序，過程控制周期長、難度大，電阻片性能只有在最終檢測時顯現(xiàn)，制造過程中各工序只能通過外觀檢查確認產(chǎn)品質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)碰損等缺陷直接報廢，制造過程具有不可逆性[1-4]。氧化鋅電阻片制造過程中失效模式的種類較多，包括過程碰損、泄漏電流超標(biāo)、擊穿和閃絡(luò)等形式的失效。目前公司生產(chǎn)的電阻片全過程合格率在96%以上，其中擊穿占損失率1%，泄漏電流超標(biāo)占0.5%～1%，閃絡(luò)占0.5%～1%，過程碰損約占2%，其中過程碰損是氧化鋅電阻片制造過程中損失最大的失效模式之一[5-7]。

在氧化鋅非線性電阻片制備過程中，在電氣性能測試之前，對產(chǎn)品質(zhì)量的過程控制非常有限。顯性的外觀碰損容易識別，對于在磨片和電測后發(fā)現(xiàn)的失效模式，在前面的工序不易發(fā)現(xiàn)，因而不能準(zhǔn)確地定位問題件具體的失效時段和失效模式，所以稱為隱性開裂。這種隱性開裂的隱蔽性強、破壞程度大、失效形式多樣，嚴重影響電阻片生產(chǎn)質(zhì)量。隱性開裂失效比例有一定的波動性，平均占比約0.1%，失效模式主要集中在某些批次，個別批次占比達1%～2%，所以關(guān)于隱性開裂問題的研究，對解決此類過程損失具有很大的指導(dǎo)意義。

基于氧化鋅非線性電阻片隱性開裂問題，本研究通過分析隱性開裂失效件的斷面形貌和開裂機理，確定了隱性開裂是電阻片制造過程中在特定階段受不同程度的外力磕碰引起的一類失效模式，為解決電阻片生產(chǎn)過程工程技術(shù)問題提供理論指導(dǎo)和事實依據(jù)。

1 失效模式

電阻片在磨片工序和最終電氣性能測試時出現(xiàn)了幾種不同的失效模式見圖1，第1類是電阻片邊緣呈現(xiàn)圓圈狀向內(nèi)開裂剝落的失效模式(a)；第2類是在電阻片邊緣出現(xiàn)長約10～20 mm的圓弧狀裂紋(b)，這種開裂形式是目前隱性開裂問題件中出現(xiàn)最多的外觀失效模式；第3類是在電阻片邊緣位置出現(xiàn)沿端面開裂掉落(c)；第4類是類似于裂紋由側(cè)面一點萌生，兩條裂紋沿電阻片端面向內(nèi)部延伸的失效模式(d)。同時在方波篩選過程中出現(xiàn)了圖(e)和圖(f)兩種失效模式，在D5和D6等小規(guī)格電阻片中出現(xiàn)這兩種失效模式的比例較高，占到篩出比例的30%～40%，這兩種失效模式與(a)和(b)失效模式相似。

圖1 電阻片在磨片和電測后出現(xiàn)的不同失效模式Fig.1 Different failure modes of the varistor after grinding and electrical testing

2 失效模式分析

2.1 失效斷面分析

從圖1可以看出，幾種失效模式均為受外力磕碰在電阻片邊緣沿側(cè)面或者端面出現(xiàn)不同形式的開裂或剝落現(xiàn)象，受力方向以及大小可能直接影響失效模式。在電阻片制備過程中，包括設(shè)備、工裝以及人員操作不規(guī)范等問題均可以使電阻片出現(xiàn)因外力磕碰導(dǎo)致不同程度的碰損。觀察發(fā)現(xiàn)，失效模式為圖1(a)的電阻片開裂區(qū)域的輪廓高度一致，都是由端面出發(fā)延伸最后呈圓圈狀向內(nèi)開裂掉落的模式。對開裂斷面觀察發(fā)現(xiàn)，斷面從里到外分不同區(qū)域呈現(xiàn)一定的規(guī)律性特征，見圖2。電阻片局部受力后，在受力點萌生裂紋源，裂紋擴展至rm半徑內(nèi)斷面光滑平整，在rm區(qū)域外側(cè)區(qū)域略微粗糙，在最外側(cè)區(qū)域內(nèi)，可以明顯看出，斷面形貌具有一定的方向性，裂紋呈放射狀向外延伸。通過對斷面分析，這種失效模式有鏡面斷裂的特征，是脆性材料斷裂失效的一種表現(xiàn)形式。M.Lindqvist[8]等研究結(jié)果顯示，脆性材料在斷裂失效后，其斷口表面的形態(tài)有3個不同的區(qū)域:鏡面區(qū)，霧狀區(qū)和羽狀區(qū)，鏡面區(qū)是一個相對光滑的區(qū)域，在緊鄰裂縫起源的位置，鏡面半徑rm與失效應(yīng)力(或強度)之間有一定的關(guān)系，這種形式的斷裂模式已在玻璃和鋼鐵材料中觀察到。

圖2 電阻片開裂后界面形貌Fig.2 Interface morphology of the cracked varistor

從圖1(c)中可以看出，該類失效模式其裂紋外輪廓呈三角狀，且輪廓邊緣不整齊，界面顏色較深，且表面粗糙，與圖1(a)開裂界面對比明顯不同。另外，圖1(c)裂紋是從側(cè)面萌生沿電阻片端面延伸最終開裂，可能是受外力方向的不同導(dǎo)致了這種裂紋擴展方向的差異。為了探究圖1(c)的斷面與圖1(a)斷面之間是否有一定的關(guān)系，運用金相顯微鏡觀察了兩種失效模式界面的顯微形貌特征，圖3(a)是圖1(a)失效斷面的顯微形貌，可以看出斷面組織細小且均勻，其表面比較平整，顆粒邊界不明顯，沒有球狀顆粒形貌；圖3(b)是圖1(c)失效斷面的顯微形貌，其微觀組織主要是球狀的顆粒物，顆粒邊界明顯，且有一定的間隙，部分顆粒破碎呈現(xiàn)平面狀斷面。從圖3兩種不同失效模式的斷面顯微組織明顯可以看出，圖3(a)的失效模式應(yīng)屬于陶瓷材料的脆性斷裂，而圖3(b)斷裂過程中有一定的塑性變形，裂紋沿顆粒表面擴展，開裂形式應(yīng)屬于塑性斷裂。

圖3 兩種失效模式斷面顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Microstructure of failure modes

2.2 失效時段分析

電阻片在排結(jié)合劑前表現(xiàn)出一定的塑性，而在排結(jié)合劑后完全表現(xiàn)脆性材料特征。圖4是排結(jié)合劑前后斷面的宏觀形貌，可以看出，排結(jié)合劑前的電阻片斷面粗糙，裂紋擴展呈河流狀，且有臺階感，而排結(jié)合劑后的斷面較平整光滑，這兩種斷面形貌類似于圖1(a)和圖1(c)失效模式下的斷面形貌。電阻片制造過程中，在排結(jié)合劑之前，電阻片內(nèi)部存在大量的有機結(jié)合劑和一定的水分，分子間結(jié)合力較小，電阻片在受力磕碰時，由于這些有機結(jié)合劑的存在會發(fā)生一定的塑性變形，表現(xiàn)塑性材料特征，受力磕碰后不直接表現(xiàn)出開裂失效；在排結(jié)合劑之后，因電阻片中結(jié)合劑和水分蒸發(fā)，基體分子間結(jié)合力增大，表現(xiàn)為脆性材料特征，受力磕碰時易產(chǎn)生裂紋甚至開裂[9-10]。

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture

圖5(a)是排結(jié)合劑前失效斷口50倍顯微形貌照片，顆粒邊界明顯，基體表面不平整，顆粒不規(guī)則，大小不均勻，基體約有30%的坑洞，這些坑洞是開裂兩側(cè)界面分離后顆粒留下的坑洞，經(jīng)放大到200倍后見圖5(b),可以看出明顯的坑洞，顆粒尺寸差異明顯，圖5(c)是排結(jié)合劑后失效斷口50倍顯微形貌照片，可以看出大部分顆粒已經(jīng)破碎，斷面平整光滑，與圖5(a)相比坑洞明顯減小，顆粒形狀統(tǒng)一均勻，邊界模糊[11-12]；圖5(d)是排結(jié)合劑后斷口放大200倍的顯微形貌照片，其基體無尺寸較大的坑洞，界面平整，顆粒大小一致且均勻。通過顯微形貌的對比發(fā)現(xiàn)，排結(jié)合劑前后電阻片受外力失效的機理是不同的。

圖5 斷口顯微形貌Fig.5 Microstructure of fracture

圖6(a)是未經(jīng)壓制成型的氧化鋅造粒料的顯微形貌,微觀氧化鋅造粒料形貌呈球形顆粒狀，顆粒平均粒徑在100 μm，顆粒間有一定的間隙，在經(jīng)成型壓制后，球形顆粒會發(fā)生一定的變形，原始顆粒間的空隙減小，部分顆粒變形填充空隙，顆粒邊界呈不規(guī)則狀。未經(jīng)成型壓制的氧化鋅造粒料在直接燒結(jié)后，顆粒發(fā)生了一定程度的收縮，但收縮比例不大，其顯微形貌依然是球狀的顆粒見圖6(b)。

圖6 造粒料形貌Fig.6 Morphology of ZnO granule

圖7是電阻片排結(jié)合劑前后斷裂機理示意圖，右圖為電阻片排結(jié)合劑前受外力失效開裂的機理圖，排結(jié)合劑前的電阻片存在一定量的有機結(jié)合劑和水分，氧化鋅顆粒之間是通過結(jié)合劑物理粘接在一起，顆粒之間的結(jié)合力相對較小，此時顆粒內(nèi)部分子之間的結(jié)合力大于顆粒間的結(jié)合力，在受外力時，裂紋繞過顆粒延伸，不會穿過顆粒，所以開裂后的斷面上，顆粒的形狀基本不會發(fā)生變化，界面由顆粒以及顆粒留下的坑洞組成，因而宏觀下表現(xiàn)為粗糙的界面[12]。排結(jié)合劑后的電阻片，由于有機結(jié)合劑消失，氧化鋅造粒料分子擴散，其分子之間的結(jié)合力大于顆粒之間的粘接力，在斷裂失效后的鏡面區(qū)域，表現(xiàn)為裂紋直接穿過大部分顆粒延伸，在遇到小部分顆粒時會繞過顆粒延伸，因此其宏觀基本呈現(xiàn)平整光滑的斷面。

圖7 排結(jié)合劑前后斷裂機理示意圖Fig.7 Schematic diagram of fracture mechanism before and after binder removal

2.3 失效受力分析

從上述分析中可知，氧化鋅電阻片在整個制造過程中，以排結(jié)合劑為節(jié)點，前后分別表現(xiàn)塑性材料與脆性材料的特征，主要原因是有機結(jié)合劑的存在，使得氧化鋅造粒料顆粒之間的結(jié)合力與顆粒內(nèi)部分子間結(jié)合力在排結(jié)合劑前后有很大差異，所以在失效樣品中發(fā)現(xiàn)有兩種截然不同的斷面特征。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在所有失效樣品中，粗糙界面的失效樣品占的比例非常少，失效件主要表現(xiàn)為脆性材料的斷裂方式，其斷裂界面光滑平整，類似于圖2。由此得出，電阻片受力磕碰發(fā)生失效的階段是排結(jié)合劑工序以后，通過觀察裂紋形式，可以發(fā)現(xiàn)受力方式不同，裂紋擴展路徑也就不同，受力方式為徑向時，裂紋由受力點兩側(cè)沿端面擴展。受力方式為軸向時，裂紋由受力點兩側(cè)呈圓弧狀向下擴展，電阻片邊緣軸向或徑向局部受力是導(dǎo)致開裂的兩種主要的受力方式[13-15]。

2 失效模式驗證

為了驗證失效模式發(fā)生的時間段并復(fù)現(xiàn)問題件的失效模式，分別取排結(jié)合劑前后以及燒結(jié)后的電阻片，在電阻片邊緣分別施加不同方向、不同大小的力，以獲得開裂等失效模式。圖8分別是排結(jié)合劑前后以及燒成后，在電阻片邊緣軸向和徑向施加不同大小的力后出現(xiàn)的失效模式?？梢钥闯觯?dāng)沿軸向或徑向施加力時，排結(jié)合劑前的電阻片受力開裂，出現(xiàn)裂紋，如圖8(a)(b)，在受力點周圍存在一定程度的塑性變形，驗證過程中，部分試驗電阻片只發(fā)生塑性變形而未發(fā)現(xiàn)裂紋。實際調(diào)查過程中，未發(fā)現(xiàn)有裂紋但周圍區(qū)域有塑性變形區(qū)的問題件。圖8(c)(d)分別是電阻片在排結(jié)合劑之后受力出現(xiàn)的失效模式，可以看出，其失效模式類似于圖1(a),在沿徑向受力時，樣品受力點出現(xiàn)了沿表面擴展開來的兩條微裂紋，這些裂紋極其隱蔽很難被觀察到，另外，產(chǎn)生這兩種失效模式所施加的力遠小于出現(xiàn)圖8(a)(b)失效模式所施加的力，在失效驗證過程中，發(fā)現(xiàn)小規(guī)格的電阻片(D5和D6)由于疊放或單手拿取多于兩片時易出現(xiàn)這種形式的碰損。圖8(e)(f)分別是燒成后的電阻片在受力后出現(xiàn)的失效模式，燒成后的電阻片在受力磕碰后斷面呈綠色[16]，與圖1中失效件斷面顏色不同。另外，產(chǎn)生這兩種失效模式所施加力與圖8(a)(b)失效模式所施加的力接近，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，燒成后的電阻片在受力磕碰時，出現(xiàn)失效的情況基本是受力點直接開裂掉落，而不會出現(xiàn)裂紋，且碰損的面積較小，要出現(xiàn)面積較大的碰損需要施加很大的力。

圖8 不同階段受力失效模式Fig.8 Failure modes of force at different stages

通過以上驗證試驗分析可知，在排結(jié)合劑之前，電阻片表現(xiàn)一定的塑性材料特征，在受力磕碰時，電阻片局部發(fā)生塑性變形，只有在外力增加到塑性變形的極限時，最終出現(xiàn)開裂失效。在排結(jié)合劑之后，電阻片表現(xiàn)脆性材料特征，此時受力磕碰后易出現(xiàn)微裂紋，燒結(jié)以后，電阻片經(jīng)過高溫相變之后，基體表現(xiàn)脆性材料特征，同時剛性很大，邊緣易受力磕碰直接開裂掉落，要產(chǎn)生與圖1(a)中尺寸大小相似的失效模式幾乎是不可能的。電阻片在排結(jié)合劑之后，作業(yè)過程中因操作失誤引起電阻片之間磕碰或者電阻片與工裝設(shè)備之間磕碰引起局部應(yīng)力集中，此時，微裂紋已經(jīng)出現(xiàn)，如圖8(d)所示，微裂紋極其隱蔽，作業(yè)者很難觀察到，從而流入到下一工序中，在經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，裂紋兩側(cè)區(qū)域基體背向收縮使得裂紋繼續(xù)擴展，燒結(jié)后電阻片表面顏色較暗，這些裂紋也不易觀察，在磨片過程中，因磨片剪切應(yīng)力的作用，開裂較大的區(qū)域直接掉落，呈現(xiàn)圖1(a)類的失效模式，開裂較小的表現(xiàn)為圖1(b)中邊緣開裂的失效模式。另外，一些更微小的裂紋在磨片過程中也未被發(fā)現(xiàn)，直至最終電氣性能測試時被發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

采用金相顯微鏡，通過對失效模式界面的形貌特征和受力方式進行分析，驗證了電阻片在成型之后到磨片過程中可能發(fā)生的失效模式及產(chǎn)生的方式，得到如下結(jié)論：

1)隱性開裂界面形貌主要表現(xiàn)為脆性斷裂機理。

2)隱性開裂產(chǎn)生的過程一般是在排結(jié)合劑之后因操作不規(guī)范使電阻片磕碰受力產(chǎn)生微裂紋，之后經(jīng)燒結(jié)過程裂紋延伸擴展，最后經(jīng)磨片應(yīng)力或方波篩選時呈現(xiàn)顯性開裂失效模式，包括直接開裂掉落和出現(xiàn)裂紋兩種失效模式。

3)在排結(jié)合劑出爐至燒成裝爐前這一時段，通過避免電阻片間的直接接觸和規(guī)范操作可有效解決隱性開裂問題。