《International Journal of Ceramic Engineering & Science》：Study on the Influence Mechanism of Side Surface Treatment Technology for ZnO Varistors
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氧化锌（ZnO）压敏电阻作为金属氧化物避雷器的核心组件，其能量耐受能力直接决定了避雷器抵抗高电流冲击浪涌的能力。为阐明侧面处理技术的影响机制，本研究制备了三类样品：绝缘漆涂层、高阻层一体化烧结以及原位修复介质二次烧结。对这些样品进行了伏安特性测试、2-ms方波
氧化锌（ZnO）压敏电阻作为金属氧化物避雷器的核心组件，其能量耐受能力直接决定了避雷器抵抗高电流冲击浪涌的能力。为阐明侧面处理技术的影响机制，本研究制备了三类样品：绝缘漆涂层、高阻层一体化烧结以及原位修复介质二次烧结。对这些样品进行了伏安特性测试、2-ms方波冲击电流耐受试验、扫描电子显微镜（SEM）表征以及电流分布特性测试。结果表明：绝缘漆与基体附着力差且孔隙填充无效；在高电流冲击条件下，热应力集中导致侧面涂层脱落，2-ms方波耐受能力仅为500 A。高阻层改善了附着力和孔隙填充效果；然而，其未能解决边缘电场分布不均匀引起的热穿孔失效问题，2-ms方波耐受能力提升至700 A。原位修复介质处理实现了最佳的附着力和孔隙填充性能，电流分布均匀性显著增强，2-ms方波耐受能力高达950 A，但代价是电压梯度下降和泄漏电流增加。本研究为提升ZnO压敏电阻能量耐受能力提供了重要的理论基础。
**研究背景与问题**
随着全球电力需求增长和电网互联规模扩大，特高压（UHV）和超高压（EHV）输电技术在世界范围内得到广泛应用，过电压能量显著增加，对输电线路保护装置的能量耐受能力提出了更严格的要求。金属氧化物避雷器（MOAs）作为电力系统的核心过电压保护装置，其能量耐受能力直接决定了输电线路在高电流冲击下的安全稳定运行。ZnO压敏电阻是以ZnO为基体、掺杂Bi、Mn、Co等金属氧化物经高温烧结制成的半导体陶瓷，具有优异的非线性特性。现场和型式试验数据表明，ZnO压敏电阻在输电系统运行中常因高电流冲击下能量耐受能力不足而发生失效。其失效模式主要分为两类：热击穿和机械断裂。热击穿源于微观结构均匀性差，导致热通道形成和热穿孔，通常发生在低电流长脉宽冲击下；机械断裂源于内部气孔缺陷过多，施加电压下的热应力超过陶瓷基体强度，导致裂纹在气孔处萌生并扩展，通常发生在高电流短脉宽冲击下。已有研究表明，本征微观结构不均匀性和普遍存在的边缘气孔缺陷是限制ZnO压敏电阻能量耐受能力的主要因素。在提升能量耐受能力的方法方面，已有研究通过引入稀土氧化物、改善晶粒电导率、采用纳米原料等方式进行优化，但制备工艺和配方体系的优化受限于添加剂分散性和晶界缺陷固有不均匀性的双重制约，性能提升遭遇瓶颈。Kong等人采用无机高阻层涂覆压敏电阻边缘区域以填充侧面气孔并形成尖晶石相提高电阻率，但高阻尖晶石相虽能填充侧面气孔并增强机械强度，却无法导通电流以优化压敏电阻圆片边缘的电场分布。为此，Meng等人开发了集孔隙填充、机械支撑和电流导通功能于一体的原位侧面修复技术，但高阻层涂覆与原位修复介质侧面处理技术之间尚缺乏比较研究以阐明其对压敏电阻宏观电学性能和能量耐受能力的影响机制。
**研究内容与结论**
研究人员制备了三类ZnO压敏电阻样品：绝缘漆涂层（样品A组）、高阻层一体化烧结（样品B组）以及原位修复介质二次烧结（样品C组），通过伏安特性测试、2-ms方波冲击电流耐受试验、扫描电子显微镜（SEM）表征和电流分布特性测试，系统比较了三种侧面处理技术对压敏电阻宏观电学性能和能量耐受能力的影响。研究表明，原位修复介质处理实现了最佳的附着力和孔隙填充性能，电流分布均匀性显著增强，2-ms方波耐受能力高达950 A，但代价是电压梯度下降和泄漏电流增加。该研究为提升ZnO压敏电阻能量耐受能力提供了重要的理论基础。
**关键技术方法**
研究人员采用的主要技术方法包括：（1）伏安（–）特性测试，使用Keithley 2410 SourceMeter测量小尺寸样品，提取电压梯度、泄漏电流密度和非线性系数；（2）2-ms方波冲击电流耐受试验，采用等效回路对大面积样品施加递增幅值的冲击电流直至失效；（3）同心环电极电流分布测试，在样品同表面布置三个等面积同心环铜电极，分别测量边缘区、中间区和内区的电流分布；（4）扫描电子显微镜（SEM，Hitachi FlexSEM1000）表征样品外观、边缘区微观结构和失效区微观结构。样品队列来源为实验室自制，大尺寸样品直径约50 mm、厚度约22.5 mm（40 MPa单轴压制），小尺寸样品直径约20 mm、厚度约2 mm（150 MPa单轴压制），每组各20个。
**研究结果**
3.1 对宏观电学性能的影响
通过对三组小尺寸样品进行–特性测试发现，绝缘漆涂层样品（#A2组）和高阻层涂层样品（#B2组）的电压梯度、泄漏电流密度和非线性系数基本一致：平均电压梯度分别为418.6 V/mm和419.8 V/mm，平均泄漏电流密度分别为2.04和1.94 ，平均非线性系数分别为60.4和60.3。而原位修复介质二次烧结样品（#C2组）的宏观电学性能发生显著变化：平均电压梯度为396.4 V/mm，较#A2和#B2组降低约5%；平均泄漏电流密度为3.0 ，较前两组增加约50%；平均非线性系数为65.6，较前两组提高约9%。
3.2 对2-ms方波冲击电流耐受能力的影响
通过对三组大尺寸样品进行2-ms方波冲击电流耐受试验发现，绝缘漆涂层样品（A1组）的平均失效冲击电流为485 A；高阻层一体化烧结样品（B1组）的平均失效冲击电流为705 A，较A1组提高约45%；原位修复介质二次烧结样品（C1组）的平均失效冲击电流为900 A，较A1组提高约86%，较B1组提高约28%。在失效模式方面，A1组以脱落或穿孔为主，另有2例开裂；B1组以穿孔为主，占70%，另有1例开裂；C1组以穿孔和脱落混合失效为主，占80%。在能量耐受能力方面，A1组平均为10.55 kJ，B1组平均为16.25 kJ（较A1组提高约54%），C1组平均为21.23 kJ（较A1组提高约101%，较B1组提高约31%）。结果表明，原位修复介质涂覆结合二次烧结的侧面处理技术可显著提升ZnO压敏电阻的2-ms方波冲击能量耐受能力。
3.3 对微观结构的影响
通过对失效样品（#A1-9、#B1-1、#C1-7）进行SEM表征发现，绝缘漆涂层样品#A1-9在550 A冲击下侧面出现脱落，失效区观察到大量微裂纹和贯穿裂纹，裂纹周围伴有大量气孔缺陷，晶粒结构仍可辨认，表明其失效可能与机械应力主导机制有关。高阻层样品#B1-1在700 A冲击下侧面出现穿孔，失效区晶粒结构严重破坏，晶粒大量熔化并伴有材料烧蚀痕迹，原始晶界形貌基本消失，表明高阻层有效抑制了机械脱落，但边缘区电流集中引起的极端温升使失效机制从机械型转变为热穿孔型。原位修复介质样品#C1-7在950 A冲击下侧面同时出现穿孔和脱落，失效区纵向分布有晶粒熔化簇，为穿孔失效的直接原因，基体内部残留的大量微裂纹为脱落失效的诱因；远离熔化区的观察区域晶粒和晶界结构相对完整，表明原位修复介质二次烧结后形成的修复层可能有助于优化电流分布，使能量耗散更加均匀，从而提升能量耐受阈值。
3.4 对电流分布的影响
通过对样品#A1-11、#B1-11、#C1-11进行电流分布特性测试发现，绝缘漆涂层样品#A1-11在2-ms方波冲击电流下边缘区电流占比最低、内区最高，随冲击电流幅值增大，边缘区电流占比升高、内区降低。高阻层样品#B1-11的电流分布与#A1-11高度相似，表明高阻层的引入未显著改变压敏电阻的径向电流分布模式，传统涂层工艺对电流分布的调控能力有限。原位修复介质样品#C1-11的电流分布特征发生显著变化：低电流下初始分布已较为均匀（20 A时边缘区电流占比升至29.7%，内区降至37.5%），电流占比随冲击电流增大的变化幅度仅为前两者的40%–50%，200 A高冲击电流下三区电流占比趋于均衡，表明原位修复介质可能有助于抑制冲击电流下的电流集中效应，使径向电流分布更加均匀。
3.5 机制分析
–特性测试结果表明，绝缘漆涂层与高阻层涂层样品的电学参数基本一致，而原位修复介质处理样品电压梯度显著降低、泄漏电流密度增加、非线性系数升高。SEM图像显示，绝缘漆仅附着于压敏电阻侧面，无法渗入边缘区开口气孔；高阻层浆料在烧结过程中部分渗入侧面气孔，但渗透深度有限，烧结产物为高阻尖晶石相，被填充的气孔在电学上等效于原始气孔缺陷；原位修复介质在二次烧结过程中深度渗入侧面气孔，并在气孔内原位生成与基体类似的修复晶粒和修复晶界结构，电流分布特性测试结果亦表明这些结构可能参与了电流导通。气孔被导电修复晶粒替代等效于降低了压敏电阻的有效孔隙率，孔隙率降低导致电压梯度下降和泄漏电流增加，同时修复区新形成的晶界结构使非线性系数升高。因此，原位修复介质实现了物理填充与电学修复的协同，而绝缘漆和高阻层均未明显改变边缘区的电学结构。上述电学差异与三类样品在2-ms方波冲击电流下的失效行为密切相关：绝缘漆涂层样品因侧面气孔未被填充，电流被迫绕行狭窄基体通道形成局部电流拥挤，焦耳热积累诱导热应力集中，热应力超过基体断裂强度时裂纹在气孔处萌生扩展，最终在550 A下发生脱落失效；高阻层样品气孔部分填充提高了边缘区机械强度并抑制裂纹萌生，但高阻尖晶石相不导电，电流集中效应未被消除，持续冲击电流下局部过热最终在700 A下触发热穿孔失效；原位修复介质样品中修复晶粒和修复晶界形成的导电网络显著均匀化了边缘区电流分布，更均匀的电流分布使径向焦耳热产生更加均匀，贡献了高达900 A的冲击耐受能力，但在950 A 2-ms方波冲击下，热失控与机械力的协同作用最终导致样品穿孔和脱落失效。
**讨论与结论**
本文通过–特性测试、2-ms方波冲击电流试验、扫描电子显微镜和电流分布特性测试，研究了三种侧面处理技术对ZnO压敏电阻宏观电学性能和2-ms冲击电流能量耐受能力的影响，三种技术分别为绝缘漆直接侧面涂覆、无机高阻层侧面涂覆后一体化烧结以及原位修复介质侧面涂覆后二次烧结。主要研究结论如下：（1）高阻层浆料在烧结过程中可渗入ZnO压敏电阻侧面区域的气孔缺陷，但渗透能力有限，烧结后的高阻层保持高阻状态，仅填充气孔并提供机械支撑，不充当电流导通路径，宏观电学性能参数与绝缘漆直接涂覆样品相比变化可忽略，但2-ms冲击电流耐受能力提升至700 A，失效模式以气孔填充导致的热穿孔为主。（2）原位修复介质浆料在二次烧结过程中同样渗入侧面气孔，且渗透能力更强，烧结后形成的修复晶粒被认为可充当有效电流导通路径，导致修复后ZnO压敏电阻电压梯度降低、泄漏电流密度增加、非线性系数略有升高，气孔填充及修复晶粒和晶界的形成被认为有助于优化压敏电阻边缘区电流分布，与2-ms冲击电流耐受能力提升至950 A相一致。（3）与绝缘漆直接侧面涂覆和无机高阻层涂覆相比，原位修复介质与ZnO压敏电阻基体的结合更优，有助于缓解边缘区电流集中，但该处理降低了压敏电阻的电压梯度并增加了泄漏电流密度，且制备工艺更为复杂，因此仍需进一步优化修复介质配方和制备技术。
