氧化鋅（ZnO）壓敏陶瓷作為一種重要的電工材料，因其優(yōu)異的非線性伏安特性和過電壓保護(hù)能力，以其為核心材料的氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)、電路保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，要求氧化鋅避雷器具有更高的電壓等級(jí)、更大的通流能力，并且需要應(yīng)對(duì)空間狹小場合、特定極端環(huán)境（如地震、高污穢、高濕熱等）等情況，設(shè)備的高性能化和小型化發(fā)展勢(shì)在必行，這要求ZnO壓敏陶瓷具有更高的電位梯度、更高的耐受能量密度、更低的殘壓[3,4]。ZnO壓敏陶瓷電學(xué)性能與其內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系，如何通過調(diào)控缺陷來優(yōu)化ZnO壓敏陶瓷電學(xué)性能一直是研究的熱點(diǎn)。
ZnO壓敏陶瓷的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)主要由晶粒和晶界組成，晶粒內(nèi)部存在各種缺陷，如氧空位、鋅間隙、雜質(zhì)原子等。這些缺陷的不均勻分布導(dǎo)致了晶界處雙肖特基勢(shì)壘的形成（圖1），對(duì)ZnO壓敏陶瓷的電性能有著重要影響[5-7]。通過調(diào)控ZnO壓敏陶瓷中的缺陷，可以有效改善其電學(xué)性能。除了零維的點(diǎn)缺陷以外，多維缺陷（如面缺陷——晶界、體缺陷——第二相等）對(duì)ZnO壓敏陶瓷電性能也有著顯著影響。明晰多尺度缺陷對(duì)ZnO壓敏陶瓷電性能的影響機(jī)理，調(diào)控ZnO壓敏陶瓷中的多尺度缺陷，是提升ZnO壓敏陶瓷非線性伏安特性、電位梯度、通流能力等性能的重要途徑。
多尺度缺陷調(diào)控方法主要包括摻雜、晶粒尺寸控制、表面處理、燒結(jié)工藝調(diào)控等。摻雜是指將其他元素引入ZnO壓敏陶瓷中，以改變其電子結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)[8-15]。例如，摻雜Al、Ga等元素可以減少ZnO壓敏陶瓷中的氧空位，提高其擊穿電壓和降低泄漏電流。晶粒尺寸控制是指通過控制ZnO壓敏陶瓷的晶粒尺寸和均勻性，調(diào)控晶界密度和分布。例如，減小晶粒尺寸可以增加ZnO壓敏陶瓷的晶界密度，提高其非線性伏安特性[16]。表面處理是指對(duì)ZnO壓敏陶瓷的表面進(jìn)行改性，以改變其表面缺陷狀態(tài)。例如，表面氧化可以減少ZnO壓敏陶瓷表面的氧空位，提高其擊穿電壓和降低泄漏電流。
另一方面，ZnO壓敏陶瓷的老化特性對(duì)避雷器的長期穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，研究ZnO壓敏陶瓷的老化機(jī)制并建立其壽命預(yù)測方法具有重要的科學(xué)和工程意義[17,18]。ZnO壓敏陶瓷的老化現(xiàn)象主要表現(xiàn)為功率損耗變化、J-E曲線特性變化等。老化過程中，ZnO壓敏陶瓷中的缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，例如氧空位會(huì)逐漸增多，導(dǎo)致其電學(xué)性能變差。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種ZnO壓敏陶瓷老化壽命預(yù)測模型，例如基于離子遷移的模型、基于缺陷變化的模型等。這些模型可以預(yù)測ZnO壓敏陶瓷的老化壽命，并指導(dǎo)其應(yīng)用。然而，這些模型也存在局限性，一些經(jīng)典的ZnO壓敏陶瓷老化理論滯后于實(shí)踐，例如，多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)第三代ZnO壓敏陶瓷的功率損耗隨老化時(shí)間而持續(xù)下降，與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相悖[19,20]。因此，亟需針對(duì)不同類型的ZnO壓敏陶瓷進(jìn)行完善細(xì)致的老化機(jī)理研究，并建立相應(yīng)的壽命預(yù)測模型和方法。
本文將對(duì)ZnO壓敏陶瓷電學(xué)性能的多尺度缺陷調(diào)控及其老化特性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，系統(tǒng)梳理多尺度缺陷調(diào)控方法及其對(duì)ZnO壓敏陶瓷電學(xué)性能的影響，以及ZnO壓敏陶瓷的老化機(jī)理和壽命預(yù)測方法。通過對(duì)這些研究進(jìn)展的總結(jié)，本文旨在為ZnO壓敏陶瓷材料的制備、性能優(yōu)化和壽命預(yù)測提供參考，并推動(dòng)該領(lǐng)域研究的進(jìn)一步發(fā)展。
