基于Voronoi网格研究ZnO压敏电阻微观参数对其电气性能的影响

ZnO压敏电阻是由大量ZnO晶粒和晶界组成的多晶半导体器件，其内部ZnO晶粒微观结构的几何形状和拓扑结构以及晶界的性能和电气特性分布对ZnO压敏电阻的宏观电气特性的影响非常明显。因此，基于Voronoi网格建立ZnO压敏电阻的微观结构模型和晶界电路模型，研究微观参数的变化对其宏观电气性能的影响。仿真结果表明：通过减小平均晶粒尺寸、提高表面态密度或者降低施主浓度等措施，能够明显提高ZnO压敏电阻的电压梯度，电压梯度的提高有助于降低其残压比；降低晶粒电阻率，可减小ZnO压敏电阻的残压比，同时对其他电气参数无明显影响。因此，研发高梯度、低残压的ZnO压敏电阻，应采取以减小平均晶粒尺寸、降低晶粒电阻率作为主研究路线，以提高表面态密度、降低施主浓度等作为辅助措施的研发策略。     

高电位梯度ZnO避雷器与GIS

日本使用输电线路避雷器的数量为世界之最。因此,日本也就特别关心避雷器的研发。日本于上世纪90年代中期推出高电位梯度ZnO避雷器。高电位梯度ZnO避雷器的电位梯度为400V／mm,是普通的三倍。普通电阻元件的晶粒平均直径约为20μm,而高电位梯度ZnO电阻元件的晶粒平均直径约为10μm。ZnO元件的电压—电流特性取     

氧化锌压敏陶瓷伏安特性的微观解析

为从微观层面上解析ZnO压敏陶瓷MOV的宏观伏安特性,根据电镜和深能级瞬态谱(DLTS)的观测结果,结合试验实测几种规格MOV小电流和大电流下的试验数据,建立ZnO在小电流区和大电流区的微观集中参数等效电路模型,然后依据晶界势垒、电子陷阱等理论,微观解析了各区的导电特性。结果表明:随着外施电压的增加,电子的穿透能力不断增强,使ZnO在小电流区晶界层的非线性微观等效电阻不断增大,它与纯ZnO晶粒层的线性电阻共同作用使ZnO小电流区伏安特性呈现出3个不同的特性宏观区域即预击穿区、击穿区和回升区;随着外施瞬态冲击大电流幅值的加大,ZnO在大电流区微观等效电感值增加,使ZnO大电流区伏安特性宏观呈现缓慢上升区、快速上升区和迅速上翘区;晶界层厚度的不均匀性和晶界层中电子陷阱密度的差异性宏观表现为等效电阻的非线性变化,晶界层和纯ZnO晶粒层在小电流区和大电流区具有不同的微观作用机理使得ZnO压敏陶瓷在不同电流区呈现出不同的独特宏观伏安特性。     

掺杂TiO2的ZnO压敏电阻低压化机理研究

介绍了氧化锌(ZnO)低压压敏电阻研究的必要性.分析了TiO2添加剂促进ZnO压敏电阻晶粒长大的过程和机制;探讨了ZnO压敏电阻低压化机理.宏观电性能测试表明:ZnO压敏电阻中TiO2添加剂的加入,可很好地实现ZnO压敏电阻低压化的目的.     

Sb2O3掺杂对ZnO压敏陶瓷晶粒分布特性的影响

改善晶粒分布的均匀性是获得高性能ZnO压敏陶瓷的重要手段之一.本文主要从平均晶粒尺寸、晶粒分布均匀性以及晶粒形状等角度研究了不同Sb2O3掺杂含量的ZnO压敏陶瓷试样,并应用晶粒尺寸分布不均匀系数ε和形状参数k对晶粒进行量化.结果表明:随着Sb2O3掺杂量的增加,试样的平均晶粒尺寸ε以及k呈现减小的趋势,晶粒尺寸分布均匀性改善,晶粒形状由细长向规整发展,这些结果也可以很好地解释试样电性能得到改善的原因.分析认为Sb2O3掺杂后形成的尖晶石相抑制了晶粒的异向生长,使得晶粒尺寸减小,晶粒分布均匀性以及晶粒形状得到改善,而且尖晶石相对大晶粒区晶粒生长的抑制作用比小晶粒区弱.     

ZnO压敏电阻残压比的影响因素分析

ZnO压敏电阻作为避雷器的核心元件,已经被广泛地应用于电力系统雷电防护设备之中.残压比是ZnO压敏电阻避雷器的重要参数,它决定了电力系统的过电压保护水平和电力设备绝缘要求.为此,分析了ZnO压敏电阻残压比的宏观影响因素,利用维诺网格模型和晶界导电模型研究了微结构参数和晶界参数对ZnO压敏电阻残压比的影响规律.晶粒尺寸、...     

Al2O3掺杂ZnO压敏电阻在不同烧结温度下的电气特性研究

在不同烧结温度下制备了氧化铝(Al₂O₃)掺杂的氧化锌(ZnO)压敏电阻,并对其进行扫描电子显微镜、X射线衍射、电流-电压、电容-电压测试以研究ZnO压敏电阻的微观结构和电气特性。结果表明:随着烧结温度的升高,Al₂O₃掺杂的ZnO压敏电阻泄漏电流得到了明显的抑制,这是由于施主密度和界面态密度不断增大,提高了晶界的势垒高度。而Al³⁺随着烧结温度的升高会不断地固溶入ZnO晶粒中,降低了晶粒电阻率,从而降低ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比。当烧结温度为1150℃时,ZnO压敏电阻的电气特性最佳,电压梯度为418.70 V/mm,泄漏电流为0.74,残压比为1.68,非线性系数为67.5,有助于提高ZnO避雷器的保护性能,实现深度限制电力系统,特别是特高压系统的过电压。     

ZnO压敏电阻微观结构参数与宏观电气性能的关联机制

ZnO压敏电阻是金属氧化物避雷器的核心部件,在抑制电力系统过电压方面发挥了重要的作用。随着特高压输电技术的发展,对ZnO压敏电阻的残压、通流容量等电气特性提出了更高的要求。该文从材料计算的角度出发,以基于Voronoi模型的ZnO压敏电阻优化计算模型为基础,计算研究了晶粒尺寸、尺寸不均匀度、晶粒电阻率等微观结构参数与多种宏观电气性能之间的关联机制,将多变量、多目标的最优化问题,极大地简化为仅包含三类优化变量、两类优化目标的最优化问题,并制定出具有针对性的优化策略和步骤,为ZnO压敏电阻性能的改进提供了重要理论依据,对高性能避雷器的设计制造具有重要意义。     

Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻热刺激电流特性的影响EI北大核心CSCD

ZnO压敏电阻的性能优劣直接关系到ZnO避雷器性能的好坏进而影响电力系统的安全稳定运行,而ZnO的烧结配方是决定其性能优劣的一个主要因素。为了研究Bi_2O_3含量对ZnO压敏电阻片电气特性的影响规律,对不同Bi_2O_3含量的ZnO压敏电阻片试样进行热刺激电流特性测试、电子显微镜扫描测试、伏安特性测试。研究结果表明:随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO晶粒尺寸增大,ZnO压敏电阻片的电压梯度降低。随着Bi_2O_3含量的增加,ZnO压敏电阻片的非线性系数、陷阱电荷量先增大后减小。添加剂Bi_2O_3可以促进液相烧结,形成陷阱和表面态,在界面上形成势垒,使材料具有优异的非线性特性,从而改善ZnO压敏电阻片的电气特性。     

Y2O3、Ga2O3和B2O3共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响

稀土元素的掺杂能显著提高ZnO压敏电阻的电压梯度(E_1mA),但却会导致泄漏电流的增加,从而致使ZnO压敏电阻的老化稳定性降低。为了解决稀土元素掺杂导致泄漏电流增加的问题,研究了Y₂O₃、Ga₂O₃和B₂O₃共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响。掺杂的Y₂O₃通过钉扎效应能够显著抑制ZnO晶粒的生长提高样品的E_1mA。Ga₂O₃的掺杂则有助于提高晶界层的势垒高度(φ_b)、抑制泄漏电流密度(J_L)的增加。而B₂O₃的掺杂则有助于改善样品的液相烧结,避免具有高电阻率Y尖晶石相聚集现象的发生,传输通道的阻断有利于降低样品的J_L。此外,B₂O₃的掺杂能够促进ZnO晶粒与其他...     

微波烧结制备ZnO压敏电阻

采用微波烧结的方法制备出ZnO压敏电阻,并对试样的物相组成、微观形貌和电学性能进行了表征。结果表明,微波烧结制备的ZnO压敏电阻与常规烧结具有相同的物相结构,平均晶粒尺寸为2.1μm;试样的电位梯度、漏电流、非线性系数分别为2 479.1V/mm,6.60μA,22.6;晶界势垒形状尖锐,势垒高度为0.88eV,耗尽层宽度为16nm。与常规绕结ZnO压敏电阻相比,微波烧结过程加热均匀,使试样的微观结构具有较好的一致性,提升了烧结质量,优化了ZnO压敏电阻的电学性能。     

ZnO压敏微球/硅橡胶复合材料介电弛豫特性

控制高压设备内部电场均匀分布是有效防止高压设备绝缘材料老化及故障的关键,ZnO压敏微球/硅橡胶(Si R)复合材料因其非线性电导和介电特性,常用于高压设备均压结构中。该文制备ZnO体积分数为5%～40%的ZnO/SiR复合材料,在0.1Hz～1.0MHz频率范围以及-40～160℃温度范围内,利用宽频介电谱仪获得不同ZnO体积分数的ZnO/SiR复合材料的弛豫过程,可知ZnO/SiR复合材料中存在β弛豫、内部偶极极化(intermediate dipolar effect,IDE)弛豫和α弛豫3种弛豫形式,分别由硅橡胶基体的粘流态转变、聚合物支链运动以及ZnO压敏微球引起。通过对IDE弛豫时间对数与温度倒数的线性拟合可知,ZnO/SiR复合材料IDE弛豫的产生机制为ZnO压敏微球内部热激活载流子的迁移与积累。研究结果为ZnO/SiR复合材料的弛豫过程提供了基础数据,并为该复合物在高压设备中的应用提供参考。     

Zn含量对NiZn铁氧体材料微观结构及磁性能影响

采用固相反应法制备NiZn铁氧体材料,研究了配方中ZnO含量对材料微观结构及磁性能的影响.结果表明,ZnO在固相反应法制备NiZn铁氧体材料过程中有助熔作用,增大Zn含量,材料的晶粒尺寸增大,但均匀性变差;同时,非磁性Zn2+增多,材料的起始磁导率显著增大,但因居里温度过低,饱和磁感应强度和矫顽力均显著降低.     

中科院上海硅酸盐所制备出高导电ZnO陶瓷

正中科院上海硅酸盐研究所李国荣团队通过晶粒及晶界缺陷设计的方法,成功消除了ZnO晶界处的肖特基势垒,制备出高导电的ZnO陶瓷,其室温下的电导率高达1.9×10~5Sm~(-1);同时,缺陷设计也降低了材料的晶格热导率,使该陶瓷呈现良好的高温热电性能,其在980 K的功率因子达到了8.2×10~(-4)Wm~(-1)K~(-2),较无缺陷设计的ZnO陶瓷提高了55倍。相关研究成果日前发表于《材料学报》。     

MOA在多脉冲冲击下老化性能研究

ZnO压敏电阻是电力系统金属氧化物避雷器（MOA）的核心器件。ZnO压敏电阻受潮是影响其性能蜕变的重要因素。借助湿热箱和多脉冲平台,研究ZnO压敏电阻在受潮条件下的性能变化。结果显示：受潮时压敏电压（U1mA）超出±10%标准范围的速度是干燥时的3倍,30%的合格样品在一次多脉冲冲击后失效。干燥时多脉冲冲击下U1mA与泄漏电流（IL）均呈现平稳期减短,末期变化速度增快的趋势。通过ZnO压敏电阻的理化特性分析发现,压敏电阻受潮后水分子进入晶界层发生化学反应,使具有双肖恩特基势垒结构的晶界层发生畸变。多脉冲冲击下,其内部晶粒热导率急剧下降,部分热导性能较差的晶界首先发生热平衡状态转变,晶界区电荷量产生变化,最终伏安特性发生蜕变。     

考虑微观特性的ZnO压敏电阻计算模拟模型

电力设备的绝缘水平建立在避雷器的过电压保护水平基础之上。ZnO压敏电阻具有优良的非线性电压-电流特性和浪涌能量吸收能力,被广泛用作电力系统避雷器的核心元件。ZnO压敏电阻的电气特性由其复杂的微结构和晶界特性决定。该文以Voronoi网络模型为基础,建立ZnO压敏电阻的微观结构模型。采用考虑晶间旁路效应的晶界分区模型,建立求解氧化锌压敏电阻宏观电气性能的大规模非线性电阻网络方程。针对难以采用常规牛顿迭代方法求解的问题,提出基于分段线性化和差分重构的快速求解优化算法,计算结果误差指标在10-3数量级以下。采用模型计算得到了尖晶石含量、晶粒尺寸不均匀度以及气孔率等微观结构参数对ZnO压敏电阻宏观电气性能的影响规律。     

高Bs的NiZn铁氧体材料的研制

以高纯度的NiO、ZnO、Fe2O3为原料,采用氧化物陶瓷工艺制备了高Bs NiZn铁氧体材料.通过岩崎B-H Analyzer SY-8232、Agilent 4285A和4284A多频LCR测试仪分析了NiO含量对材料的饱和磁感应强度、起始磁导率、Q值的影响;通过扫描电镜(SEM)观测样品的晶粒.结果表明,当NiO、ZnO、Fe2O3含量比为0.6:0.4:1、烧结温度为1140℃时,材料饱和磁感应强度大于480mT.     

包覆形成的核壳结构对ZnO压敏电阻的改性机制

ZnO压敏电阻的性能，直接决定了避雷器的保护水平和电力系统的绝缘水平。为实现ZnO压敏电阻综合性能的优化，通过溶胶凝胶法将SiO₂均匀包覆在ZnO颗粒表面，获得了具备明显核壳结构的粉体颗粒。当Si⁴⁺/Zn²⁺包覆摩尔比为0.075时，在1050℃下所烧结制备的ZnO压敏电阻，电位梯度可达651.37 V/mm，相较于未包覆样品提升115.6%；非线性系数可达73.02，提升104.5%；泄漏电流密度为0.73μA/cm²，降低77.5%。基于不同样品晶相测试结果中的区别，结合宏观电学性能、微观晶界势垒特性、介电响应特性等方面的差异，研究了包覆所形成的ZnO@SiO₂核壳结构对ZnO压敏电阻性能改善的晶粒生长控制机制、固溶反应机制和氧输运机制。     

发电机灭磁及转子过电压保护的改进

分析了线性电阻用在发电机灭磁及转子过电压保护上的缺陷，提出了使用非线性电阻ZnO来代替线性电阻。HMGB11A型灭磁及转子过电压保护装置经实践检验，效果良好，减少了工作量，提高了发电机的可靠性。     

纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性

聚合物纳米复合材料因其优良的介电、机械等性能在电介质领域得到广泛的应用。纳米粒子改性聚乙烯基绝缘材料具有很好的研究价值及工程意义。该文主要研究了表面经分散剂处理的纳米ZnO粒子添加剂与低密度聚乙烯(LDPE)共混物的介电特性。结果表明5%含量的纳米ZnO添加剂能有效提高聚乙烯基复合材料的体积电阻率和交流击穿强度。同时纳米添加剂虽增加了体内的残余电荷,但能有效抑制电极同极性电荷的注入。另外由于聚合物纳米复合材料的界面特异性,使得介电常数随着纳米ZnO含量的增加呈先减小后增大趋势,而损耗值却线性增加。纳米ZnO/聚乙烯复合材料介电性能提高归因于纳米粒子与聚乙烯分子间类同于深陷阱的界面效应。