試論大電流沖擊老化對ZnO壓敏陶瓷造成的影響

胡 彪

（貴州大學,貴陽550025）

在社會和人類自身的發展以及文明的進程中各行各業的發展都是相互聯系的，進而共同推動著社會和人類的發展。物理學界是研究機械以及運動、能量等的領域，在現代社會物理學的發展伴隨著對光電領域研究的不斷深入細微，人類社會出現了集成電路、電子計算機等高科技產品。ZnO壓敏陶瓷是重要的利用物理學原理生產與制造時所用的一種電阻材料，其制造工藝簡單，同時造價低廉，成為了各種物理產品中人們所青睞的零部件材料。同時因其優良的非線性、大的通流能力和快的響應時間，ZnO壓敏陶瓷在機械制造和生產生活上正發揮著越來越重要的作用。

1 對ZnO壓敏陶瓷的認識

1.1 Zn O壓敏陶瓷的物理性質

不論對于任何事物的認識，我們多是從其物理性質方面來研究的。對ZnO壓敏陶瓷的認識我們也必須先從其物理性質方面介紹。ZnO壓敏陶瓷是一種用陶瓷制造工藝生產制造出的電阻產品。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。人們用這些原料經過高溫燒結最終形成了ZnO壓敏陶瓷。當然，不同的陶瓷制作工藝對ZnO壓敏陶瓷的產生和產品的性能會起到至關重要的影響。但工藝對陶瓷本身各方面性質的影響不是我們在此所關注的，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。經過各道嚴格的工序生產出的ZnO壓敏陶瓷擁有者和多別的材料無法比擬的優良特性，比如其高度的非線性、大的通流能力和因低的電損耗而產生的快的響應時間。這些性質使其逐漸發展成為電力系統用避雷器、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備和電子元器件的核心材料。

1.2 Zn O壓敏陶瓷的化學性質

對于ZnO壓敏陶瓷的化學結構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，但燒制過程中加入的鋅和氧的比例在不符合化學比例的情況下是會造成陶瓷內部缺陷的，同時燒結過程中的混合過程也有可能使得陶瓷產生不符合化學比例的結構缺陷。與此同時因為ZnO壓敏陶瓷中還混有MnO等添加劑，這就使得ZnO壓敏陶瓷的實物中除了其本征缺陷外還存在著不同化學物質之間的晶粒與晶粒的晶界相的非本征缺陷。

以上兩點是我們分別從物理和化學性質兩方面來認識了ZnO壓敏陶瓷，研究大電流沖擊對ZnO壓敏陶瓷老化方面的問題其實也就是研究大電流沖擊對其性質改變方面的作用，找到了大電流沖擊對其內部性質的改變情況，我們也就能夠將該種內部改變與其各種使用特性（包括導電性能等）建立相應的聯接。

2 研究大電流沖擊老化對ZnO壓敏陶瓷影響的實驗方法

研究大電流沖擊老化對ZnO壓敏陶瓷影響的實驗步驟是比較簡單的，在該步驟中有三種測量儀器是最重要的，也就是這三種測量儀器的使用組成了我們整個的實驗步驟。這三種儀器分別脈沖沖擊電流發生器、寬頻介電譜測試系統、X射線掃描電子顯微鏡。具體實驗方法是：先制造生產出符合使用要求的ZnO壓敏陶瓷，之后借助脈沖沖擊電流發生器對其進行電流的反復沖擊，在沖擊過程中我們隨時用寬頻介電譜測試系統測量并檢驗ZnO壓敏陶瓷的導電性能是否正常，同時借助X射線掃描電子顯微鏡對其結構進行隨時的記錄。該大電壓電流經過一定次數的沖擊以后，經寬頻介電譜測試系統得到的介電性質發生了改變，ZnO壓敏陶瓷的非線性瀕于崩潰。這時X射線掃描電子顯微鏡對其內部變化特征進行詳細記錄和研究，此時即是ZnO壓敏陶瓷的老化時期。通過ZnO壓敏陶瓷老化前和老化后的各方面對比，我們從而得到實驗結果并可以解釋其老化原理。

3 大電流沖擊老化對ZnO壓敏陶瓷造成影響的幾個方面

3.1 大電流沖擊老化對Zn O壓敏陶瓷微觀結構的影響

ZnO壓敏陶瓷微觀結構在老化前后的改變是最直觀的，同時也是研究者在實驗過程中通過X射線掃描電子顯微鏡的記錄結果最易首先觀察到的。人們經過大量的實驗，在實驗中看到老化前ZnO壓敏陶瓷內部顯微結構一致性較好，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，發生改變的可以說只有晶界處出現大量的孔洞，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等的改變，所以我們也可以得出ZnO壓敏陶瓷的各項優良的使用性能與其微觀結構的晶界有關。

3.2 大電流沖擊老化對Zn O壓敏陶瓷電氣性質的影響

ZnO壓敏陶瓷的電氣性質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的電流不存在正比例的關系。這也是ZnO壓敏陶瓷能作為大量儀器和生產生活建筑工藝材料的原因。經過大電流的沖擊老化的ZnO壓敏陶瓷的非線性性能則會消失。

3.3 大電流沖擊老化對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壓敏陶瓷內部的鋅填隙和氧空位的本征缺陷有關。經過電流的沖擊老化，ZnO壓敏陶瓷的三個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。

除上面三點外，大電流沖擊老化還對ZnO壓敏陶瓷的電模量譜、電導率等產生影響。

4 結語

ZnO壓敏陶瓷是一種重要的光電設備及科學材料，對其大電流沖擊老化的研究是我們更好地認識該材料的突破口。同時隨著我們對其性能認識的不斷提升，ZnO壓敏陶瓷對現代社會的發展也將做出越來越大的貢獻。

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