高压ZnO厚膜压敏电阻的制备及导电机理分析

通过高能球磨、丝网印刷和低温烧结制备出高压ZnO厚膜压敏电阻,并对厚膜试样进行了电学性能、物相成分和微观形貌的表征。结果表明:厚膜试样电位梯度达到3 159.4 V/mm,漏电流为36.4μA,非线性系数为13.1,平均晶粒尺寸为1.29μm。高能球磨和低温烧结使厚膜试样的晶粒尺寸大大减小,有效提高了电位梯度值。分析了厚膜压敏电阻单晶界体系的导电机理,发现预击穿区势垒宽度的增加和单晶界电压的提高对其非线性性能以及压敏电压的提升影响明显,决定了压敏电阻的电学特性。     

包覆形成的核壳结构对ZnO压敏电阻的改性机制

ZnO压敏电阻的性能，直接决定了避雷器的保护水平和电力系统的绝缘水平。为实现ZnO压敏电阻综合性能的优化，通过溶胶凝胶法将SiO₂均匀包覆在ZnO颗粒表面，获得了具备明显核壳结构的粉体颗粒。当Si⁴⁺/Zn²⁺包覆摩尔比为0.075时，在1050℃下所烧结制备的ZnO压敏电阻，电位梯度可达651.37 V/mm，相较于未包覆样品提升115.6%；非线性系数可达73.02，提升104.5%；泄漏电流密度为0.73μA/cm²，降低77.5%。基于不同样品晶相测试结果中的区别，结合宏观电学性能、微观晶界势垒特性、介电响应特性等方面的差异，研究了包覆所形成的ZnO@SiO₂核壳结构对ZnO压敏电阻性能改善的晶粒生长控制机制、固溶反应机制和氧输运机制。     

Al2O3掺杂ZnO压敏电阻在不同烧结温度下的电气特性研究

在不同烧结温度下制备了氧化铝(Al₂O₃)掺杂的氧化锌(ZnO)压敏电阻,并对其进行扫描电子显微镜、X射线衍射、电流-电压、电容-电压测试以研究ZnO压敏电阻的微观结构和电气特性。结果表明:随着烧结温度的升高,Al₂O₃掺杂的ZnO压敏电阻泄漏电流得到了明显的抑制,这是由于施主密度和界面态密度不断增大,提高了晶界的势垒高度。而Al³⁺随着烧结温度的升高会不断地固溶入ZnO晶粒中,降低了晶粒电阻率,从而降低ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比。当烧结温度为1 150℃时,ZnO压敏电阻的电气特性最佳,电压梯度为418.70 V/mm,泄漏电流为0.74,残压比为1.68,非线性系数为67.5,有助于提高ZnO避雷器的保护性能,实现深度限制电力系统,特别是特高压系统的过电压。     

Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻热刺激电流特性的影响EI北大核心CSCD

ZnO压敏电阻的性能优劣直接关系到ZnO避雷器性能的好坏进而影响电力系统的安全稳定运行,而ZnO的烧结配方是决定其性能优劣的一个主要因素。为了研究Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻片电气特性的影响规律,对不同Bi_2O_3含量的ZnO压敏电阻片试样进行热刺激电流特性测试、电子显微镜扫描测试、伏安特性测试。研究结果表明:随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO晶粒尺寸增大,ZnO压敏电阻片的电压梯度降低。随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO压敏电阻片的非线性系数、陷阱电荷量先增大后减小。添加剂Bi_2O_3可以促进液相烧结,形成陷阱和表面态,在界面上形成势垒,使材料具有优异的非线性特性,从而改善ZnO压敏电阻片的电气特性。     

考虑微观特性的ZnO压敏电阻计算模拟模型

电力设备的绝缘水平建立在避雷器的过电压保护水平基础之上。ZnO压敏电阻具有优良的非线性电压-电流特性和浪涌能量吸收能力,被广泛用作电力系统避雷器的核心元件。ZnO压敏电阻的电气特性由其复杂的微结构和晶界特性决定。该文以Voronoi网络模型为基础,建立ZnO压敏电阻的微观结构模型。采用考虑晶间旁路效应的晶界分区模型,建立求解氧化锌压敏电阻宏观电气性能的大规模非线性电阻网络方程。针对难以采用常规牛顿迭代方法求解的问题,提出基于分段线性化和差分重构的快速求解优化算法,计算结果误差指标在10-3数量级以下。采用模型计算得到了尖晶石含量、晶粒尺寸不均匀度以及气孔率等微观结构参数对ZnO压敏电阻宏观电气性能的影响规律。     

制备工艺对(ZrO2)0.90-(Y2O3)0.04-(CaO)0.06电解质材料电性能的影响

目前ZrO2基三元系材料的研究是固体电解质材料领域的一个热点.在关于ZrO2-Y2O3-CaO系统电解质材料电性能研究的前期工作的基础上,探讨了不同的制备工艺对(ZrO2)0.90-(Y2O3)0.04-(CaO)0.06材料的电导率的影响问题,发现:对于常规烧结的试样,其电导率随相对密度的提高而增大;与常规烧结相比,微波烧结能使材料具有更均匀的微观结构,更小的晶粒平均尺寸.较小的晶粒尺寸导致的较为显著的晶界效应是微波烧结试样的电导率有所降低的主要原因.由于微波烧结可以改善材料的力学性能,因此认为微波烧结是制备ZrO2-Y2O3-CaO系统电解质材料的一条有效途径.     

基于Voronoi网格研究ZnO压敏电阻微观参数对其电气性能的影响

ZnO压敏电阻是由大量ZnO晶粒和晶界组成的多晶半导体器件，其内部ZnO晶粒微观结构的几何形状和拓扑结构以及晶界的性能和电气特性分布对ZnO压敏电阻的宏观电气特性的影响非常明显。因此，基于Voronoi网格建立ZnO压敏电阻的微观结构模型和晶界电路模型，研究微观参数的变化对其宏观电气性能的影响。仿真结果表明：通过减小平均晶粒尺寸、提高表面态密度或者降低施主浓度等措施，能够明显提高ZnO压敏电阻的电压梯度，电压梯度的提高有助于降低其残压比；降低晶粒电阻率，可减小ZnO压敏电阻的残压比，同时对其他电气参数无明显影响。因此，研发高梯度、低残压的ZnO压敏电阻，应采取以减小平均晶粒尺寸、降低晶粒电阻率作为主研究路线，以提高表面态密度、降低施主浓度等作为辅助措施的研发策略。     

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。     

ZnO压敏电阻微观结构参数与宏观电气性能的关联机制

ZnO压敏电阻是金属氧化物避雷器的核心部件,在抑制电力系统过电压方面发挥了重要的作用。随着特高压输电技术的发展,对ZnO压敏电阻的残压、通流容量等电气特性提出了更高的要求。该文从材料计算的角度出发,以基于Voronoi模型的ZnO压敏电阻优化计算模型为基础,计算研究了晶粒尺寸、尺寸不均匀度、晶粒电阻率等微观结构参数与多种宏观电气性能之间的关联机制,将多变量、多目标的最优化问题,极大地简化为仅包含三类优化变量、两类优化目标的最优化问题,并制定出具有针对性的优化策略和步骤,为ZnO压敏电阻性能的改进提供了重要理论依据,对高性能避雷器的设计制造具有重要意义。     

烧结温度对低压ZBCMTV压敏电阻性能的影响

采用固相反应法制备了低压ZnO-Bi2O3-Co2O3-MnCO3-TiO2-V2O5(ZBCMTV)压敏电阻,借助扫描电子显微镜、压敏电阻直流参数仪、阻抗分析仪等研究了烧结温度对压敏电阻的微结构、压敏性能和介电性能等的影响。结果表明,在较低烧结温度(980℃)下,ZBCMTV压敏电阻综合性能最好;晶粒发育比较完全,粒径大小较均一,平均粒径约13.9μm;压敏电压梯度为109.7 V/mm,漏电流密度最小为0.015μA/mm2,非线性系数最大为27.8。