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  2. 新聞動態

    穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的直流老化研究進展

    氧化鋅壓敏陶瓷是金屬氧化物避雷器的核心部件。近年來CIGRE及研究者報道了現代穩定型氧化鋅壓敏陶瓷直流老化功耗隨時間持續降低的新現象,完全不同于功耗不斷上升的傳統老化現象,給基礎老化理論和工程應用均帶來了巨大挑戰。這種反常的老化現象已經超出了經典離子遷移老化理論的范疇,其非Arrhenius特征也使實際狀態評估和壽命預測難以開展。針對以上問題,本文系統梳理了穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的老化現象、老化機制以及潛在的狀態評估方法。

    1) 穩定型和不穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的直流老化特性在相同的老化條件下,對穩定型和不穩定型氧化鋅壓敏陶瓷開展加速直流老化及恢復實驗。不穩定型的老化功耗不斷上升,正、反向伏安特性曲線均向泄漏電流增大的方向移動,老化不可逆。然而,如圖1所示,穩定型的功耗隨老化時間近似呈雙指數下降;正向伏安特性存在“交叉”現象,即老化后晶界勢壘在較低電壓下降低,在較高電壓下升高。此外,當撤去老化電壓后,穩定型試樣可充分恢復到其未老化狀態。


    2) 氧化鋅壓敏陶瓷直流老化的微觀機制

    離子重排(Donor ion redistribution, DIR)老化模型可合理解釋氧化鋅壓敏陶瓷的直流老化現象。如圖2所示,可遷移離子在電場力及離子濃度梯度的作用下空間上存在“U”型分布;而晶界處堆積的正離子可能與界面態發生中和,消耗界面態的數量。老化功耗取決于以上二者之間的相互競爭,前者有利于功耗降低而后者導致功耗上升。


    3) 功耗(泄漏電流)不能準確表征老化程度

    廣為應用的功耗(泄漏電流)具有顯著的電壓依賴特性,并不能反映氧化鋅壓敏陶瓷真實的老化狀態。如圖3所示,穩定型的功耗在較低老化電壓下升高,在較高老化電壓下降低。若以經典離子遷移模型為依據,較低電壓下持續升高的功耗意味著劣化更嚴重,與常識相悖。

    反向老化系數則有望成為氧化鋅壓敏陶瓷有效的老化狀態表征參數,如圖4所示,穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的反向泄漏電流密度與老化時間正相關,老化條件越嚴苛,試樣的反向老化系數也越大。


    4) 不穩定型/穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的轉變特性

    根據DIR老化模型,氧化鋅壓敏陶瓷的老化功耗,本質上取決于界面態消耗與耗盡層離子“U”型分布的競爭。特定條件下,若一方顯著大于另一方時,可能導致氧化鋅壓敏陶瓷出現穩定型與介穩型或不穩定型之間的轉變。如圖5和圖6所示,高溫、缺氧氣氛等條件將破壞穩定型氧化鋅壓敏陶瓷界面態的穩定性,導致原本下降的功耗轉變為不斷上升。


    3結論
    1) 穩定型氧化鋅壓敏陶瓷正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”現象,且老化可逆。2) 離子重排(DIR)老化模型能合理解釋穩定型氧化鋅壓敏陶瓷的直流老化現象,老化功耗取決于界面態消耗與耗盡層離子“U”型分布之間的相互競爭。3) 功耗(泄漏電流)具有顯著的電壓依賴特性,無法有效地表征老化狀態,反向老化系數是一種可能的狀態評估參數。4) 穩定型、介穩型、不穩定型氧化鋅壓敏陶瓷能夠在特定條件下相互轉變,具有相同的老化機制。


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