關于高性能氧化鋅電阻片的研究進展探究

點擊次數:20573 更新時間:2017-01-07 11:56:31?? ??來源:http://www.chgcsj.com/ 【關閉
一、ZnO電阻片的導電原理研究進展 
  氧化鋅電阻閥片的導電原理屬于基礎理論研究,國內外對于氧化鋅壓敏陶瓷的研究時間長達三十年,期間,取得了豐碩的研究成果。表1列出了ZnO電阻閥片導電原理的研究狀況。 
  上個世紀五六十年代,日本率先研究氧化鋅壓敏電阻片導電原理,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用。 
  雪崩擊穿原理,取“雪崩”之名,在于強調其如雪崩一樣綿綿不絕。當單個電子從陰極走向陽極時,在電場強度足夠大的情況下,單個電子與晶體原子相互碰撞,產生新的電離子,然后這兩個電子在走向陽極的過程中又與其他晶體原子相撞,產生其他電子,循環下去,電子就會像雪崩似的綿綿不絕地增加。這個原理與中國道家的“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,也被大多數人廣為接受。圖2為金屬與n型半導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。這項原理的應用技術在氧化鋅電阻片的保護和穩壓功能方面具有很好的效用。 
  兩步傳輸理論的基礎是雙耗盡層模型,它強調電子分兩步進行的傳輸。第一步的傳輸途經是由氧化鋅晶粒到界面層,第二步的途經是由界面層傳到其他的晶粒。與普通半導體導電不同,這種導電方式是雙向的,不受正負電極約束,其優點是可以承受較大電流密度的電流沖擊,響應速度納秒級,可以實現通斷時間與過電壓或者雷電沖擊時間同步,這一顯著優勢奠定了氧化鋅電阻片在高低壓輸電線路、電站、及其它電氣設備最為經濟實用的保護地位,這個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實中處于連續不間斷的運作當中,其氧化鋅電阻片隨著時間或其他原因的影響,電氣性能會慢慢降低劣化。電氣性能降低的后果會造成電流泄漏,對地短路,危機系統安全運行,人民的生命財產安全受到威脅。 
  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,這一理論被這一領域的大多數學者贊同。其基礎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年發現,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使得界面兩邊的勢壘發生形狀上的變化,這種變化呈非對稱性。 
  Ezhilvalavan在研究中發現,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,合理地解釋了自己理論的正確性,但到目前為止,一個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,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,氧化鋅粉體的傳統制造工藝有固相法、機械混合法,這兩種方法的設備比較簡單,但制成的粉體不滿足現代電阻片的要求?,F在最常見的方法有燒成法、噴霧熱解法、溶液蒸發法、膠體間接合成法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法、液相包覆法等。其中,燒成法的粉體單位產量較低,無法在工業生產中推廣與應用。噴霧熱解法在科學研究中具有一定價值,在現實的應用中也很少利用。納米技術的應用對于提高氧化鋅粉體的質量與產量十分重要。溶膠-凝膠法、溶液蒸發法等都屬于納米技術的一種,納米技術制備氧化鋅可分為化學方法和物理方法,化學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,在工業生產中都各有其優劣,制造者要因需衡量。 
  2.制造工藝 
 ?。?)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行精確稱量并復核,確保配方比例準確無誤; 
 ?。?)將配比準確的添加物、純凈水按照一定比例倒入攪拌球磨機,啟動攪拌球磨及循環,以保證添加物均勻性,要求添加物、球磨至一定的顆粒度,并符合正態分布; 
 ?。?)按照固體含量63--66%比例計算純水加入量,依次按要求加入PVA溶液、分散劑溶液及其它輔助化工原料,進行漿料混合,時間要足夠,以保證配方比例準確性,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混合時間,做到經濟實用; 
 ?。?)控制含水比例,存放時間來保證成型過程壓力傳遞均勻,以達到控制電阻片成型坯體密度一致; 
 ?。?)控制排膠、燒成及熱處理溫度曲線及推進速度,實現氧化鋅電阻片陶瓷半導化導電機制的形成; 
 ?。?)磨片、涂釉及噴鋁電極制備用來保證兩個端面平行并平整,側面絕緣水平得到進一步提高,電極接觸良好,能夠完整體現電阻片產品本身固有的各項電氣參數符合設計要求。 
  3.檢測 
 ?。?)2mS方波測試用耐受試驗 
  按照技術要求,對所有電阻片產品進行正反向各一次2mS方波電流沖擊試驗,通過該試驗的合格中,選取電壓值最高的5片進行耐受試驗,試驗方法依據GB11032-2010相關條款進行,此方法用于檢查工藝可行性及產品可靠性。 
 ?。?)8/20μS雷電沖擊試驗 
  按照技術要求,對所有電阻片產品進行正反向各一次8/20μS雷電沖擊試驗,以檢查該電阻片產品對于雷電流及過電壓保護水平,確認其適用于相應等級避雷器。 
  四、結語 
  高性能的氧化性電阻片避雷器在現實的生產生活中具有舉足輕重的地位,它對維護生命財產安全起著關鍵作用。ZnO電阻閥片的導電原理、劣化原理研究進展迅速,其粉體制備、燒結工藝和磨片工藝也在不斷進步。未來的氧化鋅電阻閥片的發展趨勢將要朝著電位高梯度、高性能、老化率低的方向發展。
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