高壓ZnO壓敏電阻耐大電流沖擊及老化性能研究.pdf

1、超高壓直流輸電具有長(zhǎng)距離、高電壓、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、占地小等優(yōu)點(diǎn)，是二十一世紀(jì)理想的高效率綠色輸電方式，而ZnO避雷器則是實(shí)現(xiàn)直流輸電網(wǎng)和供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。ZnO壓敏電阻是避雷器中最關(guān)鍵的部分，長(zhǎng)久以來(lái)人們對(duì)其研究重點(diǎn)圍繞在提高電位梯度等方面，較少的關(guān)注大電流沖擊性能和直流老化性能。因此，在保證ZnO壓敏電阻優(yōu)異的壓敏電性能的基礎(chǔ)上，提高大電流沖擊能力和直流負(fù)荷下耐老化性能是本文的主要目的。
　　首先，本文采用兩步燒結(jié)（TSS）來(lái)減

2、小晶粒尺寸，進(jìn)而提高電位梯度E1mA，改善壓敏電性能。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的TSS工藝，研究了不同的t1，T2，t2對(duì)電阻電性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)谝徊綗Y(jié)溫度T1=1180℃，第一步保溫時(shí)間t1=10 min，第二步燒結(jié)溫度 T2=850℃，第二步保溫時(shí)間 t2=5 h時(shí)可得最佳電性能參數(shù)。此時(shí) E1mA=4221 V/cm，非線性系數(shù)α=93.3，漏電流IL=0.24μA，殘壓比K5KA=2.34，壓敏電位梯度變化率ΔE1mA(％)=-9

3、.2%。
　　其次，基于摻雜少量的高價(jià)態(tài)且離子半徑接近Zn離子的物質(zhì)作為施主離子可以提高晶粒電導(dǎo)率，進(jìn)而降低殘壓比，提高大電流沖擊能力，本文提出了Zn粉摻雜，研究了不同的Zn粉摻雜量對(duì)大電流沖擊性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Zn粉對(duì)電阻的d有減小的作用，但會(huì)提高中間相的含量。當(dāng)Zn粉的摻雜量為3 mol%時(shí)，陶瓷在4000-6000A大電流沖擊下的殘壓比和沖擊之后的壓敏電位梯度變化率均小于未摻雜樣品，這與Zn粉進(jìn)入到晶粒內(nèi)部提供自由電

4、子有關(guān)。沖擊電流為6000 A時(shí)，摻雜3 mol%Zn粉的陶瓷樣品的殘壓比K6KA=2.40，壓敏電位梯度變化率ΔE1mA(%)=-6.81%。此外，探討了樣品在多次大電流作用下的擊穿現(xiàn)象，表明電極邊緣的熔洞結(jié)構(gòu)是多次大電流沖擊下樣品失效的根本原因。
　　最后，針對(duì)降低晶粒內(nèi)的填隙 iZn?濃度能夠提高電阻在直流負(fù)荷下耐老化性能，本文采用在ZnO晶格中引入兩性摻雜劑Na。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)加入0.06 mol%的Na2CO3時(shí)，通過(guò)

5、SEM分析，樣品微觀結(jié)構(gòu)最均勻，平均晶粒尺寸為6.9μm，致密度達(dá)到94.1%。因Na離子既可以占據(jù)晶格位置阻止填隙Zn離子的生成，也可以占據(jù)間隙位置阻止填隙 Zn離子的遷移，進(jìn)而有效地提高 ZnO壓敏電阻的直流老化特性。所以在0.9V1mA/125℃/8 h的老化條件下，樣品有最小的老化系數(shù)（KT=4）、最小的壓敏電位梯度變化率（ΔE1mA(%)=-0.54）及最小的漏電流變化率。
　　此外因熱處理對(duì)氧離子、鋅離子等粒子擴(kuò)散和遷