關(guān)于高性能氧化鋅電阻片的研究進(jìn)展探究
文章出處：江蘇振中鋅業(yè)有限公司
發(fā)表時(shí)間：2017-11-27
一、ZnO電阻片的導電原理研究進(jìn)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(shí)間長(cháng)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(gè)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(gè)電子從陰極走向陽(yáng)極時(shí)，在電場(chǎng)強度足夠大的情況下，單個(gè)電子與晶體原子相互碰撞，產(chǎn)生新的電離子，然后這兩個(gè)電子在走向陽(yáng)極的過(guò)程中又與其他晶體原子相撞，產(chǎn)生其他電子，循環(huán)下去，電子就會(huì )像雪崩似的綿綿不絕地增加。這個(gè)原理與中國道家的“道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)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(shù)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(jìn)行的傳輸。第一步的傳輸途經(jīng)是由氧化鋅晶粒到界面層，第二步的途經(jīng)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(yōu)點(diǎn)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(shí)現通斷時(shí)間與過(guò)電壓或者雷電沖擊時(shí)間同步，這一顯著(zhù)優(yōu)勢奠定了氧化鋅電阻片在高低壓輸電線(xiàn)路、電站、及其它電氣設備最為經(jīng)濟實(shí)用的保護地位，這個(gè)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(shí)中處于連續不間斷的運作當中，其氧化鋅電阻片隨著(zhù)時(shí)間或其他原因的影響，電氣性能會(huì )慢慢降低劣化。電氣性能降低的后果會(huì )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(chǎn)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(lǐng)域的大多數學(xué)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(chǎng)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(xiàn)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(fā)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(huì )使得界面兩邊的勢壘發(fā)生形狀上的變化，這種變化呈非對稱(chēng)性。
Ezhilvalavan在研究中發(fā)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(fā)，合理地解釋了自己理論的正確性，但到目前為止，一個(gè)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(gè)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(jiǎn)單，但制成的粉體不滿(mǎn)足現代電阻片的要求?，F在最常見(jiàn)的方法有燒成法、噴霧熱解法、溶液蒸發(fā)法、膠體間接合成法、化學(xué)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(chǎn)量較低，無(wú)法在工業(yè)生產(chǎn)中推廣與應用。噴霧熱解法在科學(xué)研究中具有一定價(jià)值，在現實(shí)的應用中也很少利用。納米技術(shù)的應用對于提高氧化鋅粉體的質(zhì)量與產(chǎn)量十分重要。溶膠-凝膠法、溶液蒸發(fā)法等都屬于納米技術(shù)的一種，納米技術(shù)制備氧化鋅可分為化學(xué)方法和物理方法，化學(xué)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(wú)論用何種方法制造粉體，在工業(yè)生產(chǎn)中都各有其優(yōu)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(jìn)行精確稱(chēng)量并復核，確保配方比例準確無(wú)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(dòng)攪拌球磨及循環(huán)，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(tài)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(jìn)行漿料混合，時(shí)間要足夠，以保證配方比例準確性，可以通過(guò)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(lái)確認混合時(shí)間，做到經(jīng)濟實(shí)用；
?。?）控制含水比例，存放時(shí)間來(lái)保證成型過(guò)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(xiàn)及推進(jìn)速度，實(shí)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(lái)保證兩個(gè)端面平行并平整，側面絕緣水平得到進(jìn)一步提高，電極接觸良好，能夠完整體現電阻片產(chǎn)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(shù)要求，對所有電阻片產(chǎn)品進(jìn)行正反向各一次2mS方波電流沖擊試驗，通過(guò)該試驗的合格中，選取電壓值最高的5片進(jìn)行耐受試驗，試驗方法依據GB11032-2010相關(guān)條款進(jìn)行，此方法用于檢查工藝可行性及產(chǎn)品可靠性。
?。?）8/20μS雷電沖擊試驗
按照技術(shù)要求，對所有電阻片產(chǎn)品進(jìn)行正反向各一次8/20μS雷電沖擊試驗，以檢查該電阻片產(chǎn)品對于雷電流及過(guò)電壓保護水平，確認其適用于相應等級避雷器。
四、結語(yǔ)
高性能的氧化性電阻片避雷器在現實(shí)的生產(chǎn)生活中具有舉足輕重的地位，它對維護生命財產(chǎn)安全起著(zhù)關(guān)鍵作用。ZnO電阻閥片的導電原理、劣化原理研究進(jìn)展迅速，其粉體制備、燒結工藝和磨片工藝也在不斷進(jìn)步。未來(lái)的氧化鋅電阻閥片的發(fā)展趨勢將要朝著(zhù)電位高梯度、高性能、老化率低的方向發(fā)展。
