試論大電流沖擊老化對(duì)ZnO壓敏陶瓷造成的影響

胡 彪

（貴州大學(xué),貴陽(yáng)550025）

在社會(huì)和人類自身的發(fā)展以及文明的進(jìn)程中各行各業(yè)的發(fā)展都是相互聯(lián)系的，進(jìn)而共同推動(dòng)著社會(huì)和人類的發(fā)展。物理學(xué)界是研究機(jī)械以及運(yùn)動(dòng)、能量等的領(lǐng)域，在現(xiàn)代社會(huì)物理學(xué)的發(fā)展伴隨著對(duì)光電領(lǐng)域研究的不斷深入細(xì)微，人類社會(huì)出現(xiàn)了集成電路、電子計(jì)算機(jī)等高科技產(chǎn)品。ZnO壓敏陶瓷是重要的利用物理學(xué)原理生產(chǎn)與制造時(shí)所用的一種電阻材料，其制造工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)造價(jià)低廉，成為了各種物理產(chǎn)品中人們所青睞的零部件材料。同時(shí)因其優(yōu)良的非線性、大的通流能力和快的響應(yīng)時(shí)間，ZnO壓敏陶瓷在機(jī)械制造和生產(chǎn)生活上正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 對(duì)ZnO壓敏陶瓷的認(rèn)識(shí)

1.1 Zn O壓敏陶瓷的物理性質(zhì)

不論對(duì)于任何事物的認(rèn)識(shí)，我們多是從其物理性質(zhì)方面來(lái)研究的。對(duì)ZnO壓敏陶瓷的認(rèn)識(shí)我們也必須先從其物理性質(zhì)方面介紹。ZnO壓敏陶瓷是一種用陶瓷制造工藝生產(chǎn)制造出的電阻產(chǎn)品。ZnO壓敏陶瓷所用的原料除了ZnO外還要用到少量的MnO等添加劑，而ZnO只作為主要的原料出現(xiàn)。人們用這些原料經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)最終形成了ZnO壓敏陶瓷。當(dāng)然，不同的陶瓷制作工藝對(duì)ZnO壓敏陶瓷的產(chǎn)生和產(chǎn)品的性能會(huì)起到至關(guān)重要的影響。但工藝對(duì)陶瓷本身各方面性質(zhì)的影響不是我們?cè)诖怂P(guān)注的，我們只有保證了一定的燒制條件方可以制造出符合用途的ZnO壓敏陶瓷材料。經(jīng)過(guò)各道嚴(yán)格的工序生產(chǎn)出的ZnO壓敏陶瓷擁有者和多別的材料無(wú)法比擬的優(yōu)良特性，比如其高度的非線性、大的通流能力和因低的電損耗而產(chǎn)生的快的響應(yīng)時(shí)間。這些性質(zhì)使其逐漸發(fā)展成為電力系統(tǒng)用避雷器、電子線路用壓敏電阻器和片式ZnO壓敏電阻器、防雷用浪涌抑制器等電力設(shè)備和電子元器件的核心材料。

1.2 Zn O壓敏陶瓷的化學(xué)性質(zhì)

對(duì)于ZnO壓敏陶瓷的化學(xué)結(jié)構(gòu)我們可以追溯到其制造工藝。由于ZnO壓敏陶瓷的主要成分是ZnO，但燒制過(guò)程中加入的鋅和氧的比例在不符合化學(xué)比例的情況下是會(huì)造成陶瓷內(nèi)部缺陷的，同時(shí)燒結(jié)過(guò)程中的混合過(guò)程也有可能使得陶瓷產(chǎn)生不符合化學(xué)比例的結(jié)構(gòu)缺陷。與此同時(shí)因?yàn)閆nO壓敏陶瓷中還混有MnO等添加劑，這就使得ZnO壓敏陶瓷的實(shí)物中除了其本征缺陷外還存在著不同化學(xué)物質(zhì)之間的晶粒與晶粒的晶界相的非本征缺陷。

以上兩點(diǎn)是我們分別從物理和化學(xué)性質(zhì)兩方面來(lái)認(rèn)識(shí)了ZnO壓敏陶瓷，研究大電流沖擊對(duì)ZnO壓敏陶瓷老化方面的問(wèn)題其實(shí)也就是研究大電流沖擊對(duì)其性質(zhì)改變方面的作用，找到了大電流沖擊對(duì)其內(nèi)部性質(zhì)的改變情況，我們也就能夠?qū)⒃摲N內(nèi)部改變與其各種使用特性（包括導(dǎo)電性能等）建立相應(yīng)的聯(lián)接。

2 研究大電流沖擊老化對(duì)ZnO壓敏陶瓷影響的實(shí)驗(yàn)方法

研究大電流沖擊老化對(duì)ZnO壓敏陶瓷影響的實(shí)驗(yàn)步驟是比較簡(jiǎn)單的，在該步驟中有三種測(cè)量?jī)x器是最重要的，也就是這三種測(cè)量?jī)x器的使用組成了我們整個(gè)的實(shí)驗(yàn)步驟。這三種儀器分別脈沖沖擊電流發(fā)生器、寬頻介電譜測(cè)試系統(tǒng)、X射線掃描電子顯微鏡。具體實(shí)驗(yàn)方法是：先制造生產(chǎn)出符合使用要求的ZnO壓敏陶瓷，之后借助脈沖沖擊電流發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行電流的反復(fù)沖擊，在沖擊過(guò)程中我們隨時(shí)用寬頻介電譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量并檢驗(yàn)ZnO壓敏陶瓷的導(dǎo)電性能是否正常，同時(shí)借助X射線掃描電子顯微鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨時(shí)的記錄。該大電壓電流經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的沖擊以后，經(jīng)寬頻介電譜測(cè)試系統(tǒng)得到的介電性質(zhì)發(fā)生了改變，ZnO壓敏陶瓷的非線性瀕于崩潰。這時(shí)X射線掃描電子顯微鏡對(duì)其內(nèi)部變化特征進(jìn)行詳細(xì)記錄和研究，此時(shí)即是ZnO壓敏陶瓷的老化時(shí)期。通過(guò)ZnO壓敏陶瓷老化前和老化后的各方面對(duì)比，我們從而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果并可以解釋其老化原理。

3 大電流沖擊老化對(duì)ZnO壓敏陶瓷造成影響的幾個(gè)方面

3.1 大電流沖擊老化對(duì)Zn O壓敏陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響

ZnO壓敏陶瓷微觀結(jié)構(gòu)在老化前后的改變是最直觀的，同時(shí)也是研究者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)X射線掃描電子顯微鏡的記錄結(jié)果最易首先觀察到的。人們經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中看到老化前ZnO壓敏陶瓷內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)一致性較好，致密度高，晶粒完整飽滿。老化后ZnO壓敏陶瓷晶粒特征幾乎不變，發(fā)生改變的可以說(shuō)只有晶界處出現(xiàn)大量的孔洞，致密度下降，晶界處還有局部熔融的跡象。ZnO壓敏陶瓷的晶界改變伴隨了其介電性質(zhì)等的改變，所以我們也可以得出ZnO壓敏陶瓷的各項(xiàng)優(yōu)良的使用性能與其微觀結(jié)構(gòu)的晶界有關(guān)。

3.2 大電流沖擊老化對(duì)Zn O壓敏陶瓷電氣性質(zhì)的影響

ZnO壓敏陶瓷的電氣性質(zhì)即是其良好的非線性，也就是ZnO壓敏陶瓷之上的電壓與通過(guò)的電流不存在正比例的關(guān)系。這也是ZnO壓敏陶瓷能作為大量?jī)x器和生產(chǎn)生活建筑工藝材料的原因。經(jīng)過(guò)大電流的沖擊老化的ZnO壓敏陶瓷的非線性性能則會(huì)消失。

3.3 大電流沖擊老化對(duì)Zn O壓敏陶瓷介電損耗的影響

研究表明ZnO壓敏陶瓷的介電損耗與ZnO壓敏陶瓷內(nèi)部的鋅填隙和氧空位的本征缺陷有關(guān)。經(jīng)過(guò)電流的沖擊老化，ZnO壓敏陶瓷的三個(gè)損耗峰的峰值曲線整體有所上移，但峰值的激活能幾乎不變。

除上面三點(diǎn)外，大電流沖擊老化還對(duì)ZnO壓敏陶瓷的電模量譜、電導(dǎo)率等產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

ZnO壓敏陶瓷是一種重要的光電設(shè)備及科學(xué)材料，對(duì)其大電流沖擊老化的研究是我們更好地認(rèn)識(shí)該材料的突破口。同時(shí)隨著我們對(duì)其性能認(rèn)識(shí)的不斷提升，ZnO壓敏陶瓷對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展也將做出越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。

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[3] 李建英.直流老化及熱處理對(duì)ZnO壓敏陶瓷缺陷結(jié)構(gòu)的影響[J] .物理學(xué)報(bào)，2013．