冲击老化对ZnO压敏陶瓷缺陷结构的影响

ZnO压敏陶瓷的非线性起源于晶界Schottky势垒，而势垒形成是建立在晶界处缺陷的非均匀分布基础之上的．大电流冲击后ZnO压敏陶瓷缺陷结构的变化及其对电性能的影响规律和机制如何，是目前迫切需要研究的课题。本项目利用宽带介电谱仪、热刺激电流测量等手段，通过冲击实验、介电分析、显微结构研究等方法，系统研究大电流冲击对ZnO压敏陶瓷介电性能和缺陷结构的影响，特别注意晶界结构及晶界层中的电子态、陷阱能级密度与分布状态的改变、冲击老化后缺陷结构变化与显微结构变化的关联。项目结合了ZnO压敏陶瓷在缺陷结构和冲击老化两方面的最新进展。通过本研究，建立起一套用于识别和表征缺陷结构的方法，弄清电子注入对于晶界附近能带结构的影响，阐述大电流冲击老化过程对于ZnO压敏电阻片缺陷结构的作用（包括浓度、分布、价态等）机理及其对于宏观介电特性和显微结构的影响，为提高ZnO压敏电阻的性能提供实验依据和理论支持。

项目“冲击老化对ZnO压敏陶瓷缺陷结构的影响”基本按照计划进行，并且顺利完成了项目计划的内容。主要研究了大电流冲击老化对ZnO压敏陶瓷电气性能的影响，以及ZnO压敏陶瓷的显微结构，几何效应等随冲击老化的变化。使用8/20微妙脉冲电流发生器对商用配方的ZnO陶瓷压敏电阻片进行了最多14000次的冲击试验。测量了冲击前后试样的电气性能和介电特性，分析了冲击后小电流区的E-J特性和损耗角正切值tan随脉冲大电流的不断作用而发生的变化。实验发现压敏电压E1mA随冲击次数的增加经历增大―稳定―减小三个过程，而非线性系数随冲击老化则不断减小，老化后试样的显微结构发生了很大的变化，晶粒晶界结构变的疏松，晶界处有很多微孔，这表明脉冲老化主要作用于ZnO压敏陶瓷的晶界。.发现ZnO压敏陶瓷中存在着四个缺陷松弛过程，低温两个松弛过程认为是本征的松弛过程，分别对应着二价锌填隙和一价氧空位的电离，它们的能级与添加剂和脉冲老化无关。而高温的两个松弛过程认为是非本征的松弛过程，分别对应着ZnO压敏陶瓷的晶间相和晶界面处的缺陷能级，晶界面处的缺陷能级随冲击老化后有明显的下降，而其它缺陷能级随老化变化并不明显，表明晶界面处缺陷与ZnO压敏陶瓷的电性能有紧密的联系。通过对冲击老化前后的ZnO陶瓷试样进行介电性能及其老化机理的分析，建立了用于识别和表征缺陷结构的方法，弄清电子注入对于晶界附近能带结构的影响。研究了ZnO压敏陶瓷缺陷结构随添加剂的变化，发现MnO2的加入主要抑制了晶粒的长大，对ZnO压敏陶瓷电性能有明显的提高，并引入了ZnO压敏陶瓷的晶间相缺陷结构。由于ZnO压敏陶瓷不仅用于脉冲过电压的保护，也用于直流过电压保护，因此，还对ZnO压敏陶瓷进行了直流老化的研究，并对直流老化的ZnO压敏陶瓷在800℃进行了12小时热处理，发现热处理后试样的电性能以及缺陷结构都恢复到老化前的水平。.另外，把研究ZnO压敏陶瓷的方法应用到钛酸铜钙（CCTO）压敏陶瓷的研究中，CCTO是一种新型巨介电常数的压敏陶瓷，常用于储能元件，通过固相法制备了CCTO陶瓷，并对CCTO陶瓷的缺陷结构进行了不同烧结温度下的试样进行了介电谱表征及真空热处理分析，并对其进行了直流老化研究。同时，把研究无机压敏陶瓷缺陷结构的方法拓展应用到其它有机电介质如XLPE电缆绝缘材料的缺陷结构研究中，并对其进行了介电和理化性能的分析。