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(xiàn)代穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷直流老化功耗隨時間持續(xù)降低的新現(xiàn)象，完全不同于功耗不斷上升的傳統(tǒng)老化現(xiàn)象，給基礎(chǔ)老化理論和工程應(yīng)用均帶來了巨大挑戰(zhàn)。這種反常的老化現(xiàn)象已經(jīng)超出了經(jīng)典離子遷移老化理論的范疇，其非Arrhenius特征也使實際狀態(tài)評估和壽命預(yù)測難以開展。針對以上問題，本文系統(tǒng)梳理了穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷的老化現(xiàn)象、老化機制以及潛在的狀態(tài)評估方法。
1) 穩(wěn)定型和不穩(wěn)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(wěn)定型和不穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷開展加速直流老化及恢復(fù)實驗。不穩(wěn)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(wěn)定型的功耗隨老化時間近似呈雙指數(shù)下降；正向伏安特性存在“交叉”現(xiàn)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(dāng)撤去老化電壓后，穩(wěn)定型試樣可充分恢復(fù)到其未老化狀態(tài)。
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(xiàn)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(tài)發(fā)生中和，消耗界面態(tài)的數(shù)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(dǎo)致功耗上升。
3) 功耗(泄漏電流)不能準(zhǔn)確表征老化程度
廣為應(yīng)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(tài)。如圖3所示，穩(wěn)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(jīng)典離子遷移模型為依據(jù)，較低電壓下持續(xù)升高的功耗意味著劣化更嚴(yán)重，與常識相悖。反向老化系數(shù)則有望成為氧化鋅壓敏陶瓷有效的老化狀態(tài)表征參數(shù)，如圖4所示，穩(wěn)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(guān)，老化條件越嚴(yán)苛，試樣的反向老化系數(shù)也越大。
4) 不穩(wěn)定型/穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷的轉(zhuǎn)變特性
根據(jù)DIR老化模型，氧化鋅壓敏陶瓷的老化功耗，本質(zhì)上取決于界面態(tài)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(dǎo)致氧化鋅壓敏陶瓷出現(xiàn)穩(wěn)定型與介穩(wěn)型或不穩(wěn)定型之間的轉(zhuǎn)變。如圖5和圖6所示，高溫、缺氧氣氛等條件將破壞穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷界面態(tài)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致原本下降的功耗轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩嗌仙?br />
3結(jié)論
1) 穩(wěn)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(xiàn)象，且老化可逆。2) 離子重排(DIR)老化模型能合理解釋穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷的直流老化現(xiàn)象，老化功耗取決于界面態(tài)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(tài)，反向老化系數(shù)是一種可能的狀態(tài)評估參數(shù)。4) 穩(wěn)定型、介穩(wěn)型、不穩(wěn)定型氧化鋅壓敏陶瓷能夠在特定條件下相互轉(zhuǎn)變，具有相同的老化機制。