高体绝缘强度氧化锌的脉冲高电压损伤机理研究

Recent years, owing to its excellent nonlinear I-V and nanosecond fast response characteristics, the semiconductor ZnO varistors has become the key protection components in high technology system , civil track traffic, supergrid and other areas. There is a pair of contradiction of large current density and high gradient restricting the application of ZnO varistors. Under the high pulse voltage and large current density, the failure of breakdown influences the life and reliability for high gradient ZnO varistor. The materials design, damage mechanism in high voltage and high current of the varistors should be raised and has important significance.. The project proposed the research of the microscopic structure, defects and instability and failure mechanism in high voltage pulse. The mechanism of thermal， mechanical damage will be illustrated under the high voltage and high current pulse. The damage model and phase structure evolution law will also be raised. Furthermore, the varistors with higher body insulation strength, large current ability and stability under high voltage pulse will be developed.

ZnO陶瓷变阻器具有优异的电流-电压非线性和纳秒快响应特性的半导体器件，近年来已成为高技术系统、民用轨道交通、超高压输电网等领域的关键电路保护部件，是军民二用关键器件。氧化锌变阻器的大电流密度和超高梯度在机制上互相制约，成为氧化锌变阻器应用中的一对矛盾。在高脉冲电压和大的电流密度作用下的材料失效，影响超高梯度ZnO变阻器的使用寿命和可靠性。因此明确材料在高电压、大电流作用下的热损伤机理，提高超高梯度氧化锌变阻器材料的设计水平，具有重要的研究意义。. 项目拟通过对影响氧化锌陶瓷在高电压脉冲下的微观结构、缺陷和失稳、失效物理机制的研究，明确在高电压、大电流作用下热、机械损伤物理机制，建立超高电位梯度氧化锌变阻器在高电压脉冲下热损伤破坏模型和相结构演变规律，进一步提高高体绝缘强度氧化锌变阻器的大电流通过能力和脉冲电压稳定性，为我国高技术领域提供高质量变阻器。

ZnO陶瓷变阻器具有优异的电流-电压非线性和纳秒快响应特性的半导体器件，近年来已成为高技术系统、民用轨道交通、超高压输电网等领域的关键电路保护部件，是军民二用关键器件。.针对氧化锌变阻器的大电流密度和超高梯度在机制上互相制约，项目首先通过In/Ce掺杂调控ZnO变阻器的非线性性能，研究了不同非线性性能材料在不同前沿脉冲下的耐脉冲能力及规律；进一步研究了快脉冲作用下的变阻器的性能蜕变和击穿破坏机理，发现多次快脉冲下变阻器击穿破坏形成穿孔的原因是大电流作用下Bi2O3相的局部熔融和挥发，氧化锌变阻器多次脉冲作用下的性能老化源于晶界Bi2O3相相变，并发现通过热处理可以稳定晶界Bi2O3相，提高多次脉冲稳定性。.在提高材料耐高电压脉冲能力研究方面，通过采用Sb/Bi比例调节IBs晶界数和尖晶石的量，揭示了IBs 作用下ZnO变阻器的低温致密化机理，有助于提高材料耐大电流脉冲特性；发现通过气氛烧结可以有效调控变阻器晶粒的导电性，在还原气氛下ZnO晶粒电导可提升几个数量级，有益于提高ZnO变阻器的通电流特性和脉冲稳定性。.通过对影响氧化锌陶瓷在高电压脉冲下的微观结构、缺陷和失稳、失效物理机制的研究，明确了在高电压、大电流作用下热、机械损伤物理机制，进一步提高了高体绝缘强度氧化锌变阻器的大电流通过能力和脉冲电压稳定性。项目全面完成了任务书规定的各项研究内容和技术指标，获得了电位梯度40kV/cm,15A脉冲50次稳定的高性能变阻器，为我国高技术领域的器件小型化奠定基础。