氧化锌非线性电阻片隐性开裂分析

张文刚， 罗 剑， 蒙晓记， 胡小定， 韩锦晖， 谢清云

(西电避雷器有限责任公司，西安 710200)

0 引 言

氧化锌非线性电阻片是金属氧化物避雷器的核心元件，其性能对避雷器的整体性能有直接的影响。电阻片生产工艺复杂，共有12道生产工序，过程控制周期长、难度大，电阻片性能只有在最终检测时显现，制造过程中各工序只能通过外观检查确认产品质量，一旦发现碰损等缺陷直接报废，制造过程具有不可逆性[1-4]。氧化锌电阻片制造过程中失效模式的种类较多，包括过程碰损、泄漏电流超标、击穿和闪络等形式的失效。目前公司生产的电阻片全过程合格率在96%以上，其中击穿占损失率1%，泄漏电流超标占0.5%～1%，闪络占0.5%～1%，过程碰损约占2%，其中过程碰损是氧化锌电阻片制造过程中损失最大的失效模式之一[5-7]。

在氧化锌非线性电阻片制备过程中，在电气性能测试之前，对产品质量的过程控制非常有限。显性的外观碰损容易识别，对于在磨片和电测后发现的失效模式，在前面的工序不易发现，因而不能准确地定位问题件具体的失效时段和失效模式，所以称为隐性开裂。这种隐性开裂的隐蔽性强、破坏程度大、失效形式多样，严重影响电阻片生产质量。隐性开裂失效比例有一定的波动性，平均占比约0.1%，失效模式主要集中在某些批次，个别批次占比达1%～2%，所以关于隐性开裂问题的研究，对解决此类过程损失具有很大的指导意义。

基于氧化锌非线性电阻片隐性开裂问题，本研究通过分析隐性开裂失效件的断面形貌和开裂机理，确定了隐性开裂是电阻片制造过程中在特定阶段受不同程度的外力磕碰引起的一类失效模式，为解决电阻片生产过程工程技术问题提供理论指导和事实依据。

1 失效模式

电阻片在磨片工序和最终电气性能测试时出现了几种不同的失效模式见图1，第1类是电阻片边缘呈现圆圈状向内开裂剥落的失效模式(a)；第2类是在电阻片边缘出现长约10～20 mm的圆弧状裂纹(b)，这种开裂形式是目前隐性开裂问题件中出现最多的外观失效模式；第3类是在电阻片边缘位置出现沿端面开裂掉落(c)；第4类是类似于裂纹由侧面一点萌生，两条裂纹沿电阻片端面向内部延伸的失效模式(d)。同时在方波筛选过程中出现了图(e)和图(f)两种失效模式，在D5和D6等小规格电阻片中出现这两种失效模式的比例较高，占到筛出比例的30%～40%，这两种失效模式与(a)和(b)失效模式相似。

图1 电阻片在磨片和电测后出现的不同失效模式Fig.1 Different failure modes of the varistor after grinding and electrical testing

2 失效模式分析

2.1 失效断面分析

从图1可以看出，几种失效模式均为受外力磕碰在电阻片边缘沿侧面或者端面出现不同形式的开裂或剥落现象，受力方向以及大小可能直接影响失效模式。在电阻片制备过程中，包括设备、工装以及人员操作不规范等问题均可以使电阻片出现因外力磕碰导致不同程度的碰损。观察发现，失效模式为图1(a)的电阻片开裂区域的轮廓高度一致，都是由端面出发延伸最后呈圆圈状向内开裂掉落的模式。对开裂断面观察发现，断面从里到外分不同区域呈现一定的规律性特征，见图2。电阻片局部受力后，在受力点萌生裂纹源，裂纹扩展至rm半径内断面光滑平整，在rm区域外侧区域略微粗糙，在最外侧区域内，可以明显看出，断面形貌具有一定的方向性，裂纹呈放射状向外延伸。通过对断面分析，这种失效模式有镜面断裂的特征，是脆性材料断裂失效的一种表现形式。M.Lindqvist[8]等研究结果显示，脆性材料在断裂失效后，其断口表面的形态有3个不同的区域:镜面区，雾状区和羽状区，镜面区是一个相对光滑的区域，在紧邻裂缝起源的位置，镜面半径rm与失效应力(或强度)之间有一定的关系，这种形式的断裂模式已在玻璃和钢铁材料中观察到。

图2 电阻片开裂后界面形貌Fig.2 Interface morphology of the cracked varistor

从图1(c)中可以看出，该类失效模式其裂纹外轮廓呈三角状，且轮廓边缘不整齐，界面颜色较深，且表面粗糙，与图1(a)开裂界面对比明显不同。另外，图1(c)裂纹是从侧面萌生沿电阻片端面延伸最终开裂，可能是受外力方向的不同导致了这种裂纹扩展方向的差异。为了探究图1(c)的断面与图1(a)断面之间是否有一定的关系，运用金相显微镜观察了两种失效模式界面的显微形貌特征，图3(a)是图1(a)失效断面的显微形貌，可以看出断面组织细小且均匀，其表面比较平整，颗粒边界不明显，没有球状颗粒形貌；图3(b)是图1(c)失效断面的显微形貌，其微观组织主要是球状的颗粒物，颗粒边界明显，且有一定的间隙，部分颗粒破碎呈现平面状断面。从图3两种不同失效模式的断面显微组织明显可以看出，图3(a)的失效模式应属于陶瓷材料的脆性断裂，而图3(b)断裂过程中有一定的塑性变形，裂纹沿颗粒表面扩展，开裂形式应属于塑性断裂。

图3 两种失效模式断面显微结构图Fig.3 Microstructure of failure modes

2.2 失效时段分析

电阻片在排结合剂前表现出一定的塑性，而在排结合剂后完全表现脆性材料特征。图4是排结合剂前后断面的宏观形貌，可以看出，排结合剂前的电阻片断面粗糙，裂纹扩展呈河流状，且有台阶感，而排结合剂后的断面较平整光滑，这两种断面形貌类似于图1(a)和图1(c)失效模式下的断面形貌。电阻片制造过程中，在排结合剂之前，电阻片内部存在大量的有机结合剂和一定的水分，分子间结合力较小，电阻片在受力磕碰时，由于这些有机结合剂的存在会发生一定的塑性变形，表现塑性材料特征，受力磕碰后不直接表现出开裂失效；在排结合剂之后，因电阻片中结合剂和水分蒸发，基体分子间结合力增大，表现为脆性材料特征，受力磕碰时易产生裂纹甚至开裂[9-10]。

图4 断口宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture

图5(a)是排结合剂前失效断口50倍显微形貌照片，颗粒边界明显，基体表面不平整，颗粒不规则，大小不均匀，基体约有30%的坑洞，这些坑洞是开裂两侧界面分离后颗粒留下的坑洞，经放大到200倍后见图5(b),可以看出明显的坑洞，颗粒尺寸差异明显，图5(c)是排结合剂后失效断口50倍显微形貌照片，可以看出大部分颗粒已经破碎，断面平整光滑，与图5(a)相比坑洞明显减小，颗粒形状统一均匀，边界模糊[11-12]；图5(d)是排结合剂后断口放大200倍的显微形貌照片，其基体无尺寸较大的坑洞，界面平整，颗粒大小一致且均匀。通过显微形貌的对比发现，排结合剂前后电阻片受外力失效的机理是不同的。

图5 断口显微形貌Fig.5 Microstructure of fracture

图6(a)是未经压制成型的氧化锌造粒料的显微形貌,微观氧化锌造粒料形貌呈球形颗粒状，颗粒平均粒径在100 μm，颗粒间有一定的间隙，在经成型压制后，球形颗粒会发生一定的变形，原始颗粒间的空隙减小，部分颗粒变形填充空隙，颗粒边界呈不规则状。未经成型压制的氧化锌造粒料在直接烧结后，颗粒发生了一定程度的收缩，但收缩比例不大，其显微形貌依然是球状的颗粒见图6(b)。

图6 造粒料形貌Fig.6 Morphology of ZnO granule

图7是电阻片排结合剂前后断裂机理示意图，右图为电阻片排结合剂前受外力失效开裂的机理图，排结合剂前的电阻片存在一定量的有机结合剂和水分，氧化锌颗粒之间是通过结合剂物理粘接在一起，颗粒之间的结合力相对较小，此时颗粒内部分子之间的结合力大于颗粒间的结合力，在受外力时，裂纹绕过颗粒延伸，不会穿过颗粒，所以开裂后的断面上，颗粒的形状基本不会发生变化，界面由颗粒以及颗粒留下的坑洞组成，因而宏观下表现为粗糙的界面[12]。排结合剂后的电阻片，由于有机结合剂消失，氧化锌造粒料分子扩散，其分子之间的结合力大于颗粒之间的粘接力，在断裂失效后的镜面区域，表现为裂纹直接穿过大部分颗粒延伸，在遇到小部分颗粒时会绕过颗粒延伸，因此其宏观基本呈现平整光滑的断面。

图7 排结合剂前后断裂机理示意图Fig.7 Schematic diagram of fracture mechanism before and after binder removal

2.3 失效受力分析

从上述分析中可知，氧化锌电阻片在整个制造过程中，以排结合剂为节点，前后分别表现塑性材料与脆性材料的特征，主要原因是有机结合剂的存在，使得氧化锌造粒料颗粒之间的结合力与颗粒内部分子间结合力在排结合剂前后有很大差异，所以在失效样品中发现有两种截然不同的断面特征。根据现场调查发现，在所有失效样品中，粗糙界面的失效样品占的比例非常少，失效件主要表现为脆性材料的断裂方式，其断裂界面光滑平整，类似于图2。由此得出，电阻片受力磕碰发生失效的阶段是排结合剂工序以后，通过观察裂纹形式，可以发现受力方式不同，裂纹扩展路径也就不同，受力方式为径向时，裂纹由受力点两侧沿端面扩展。受力方式为轴向时，裂纹由受力点两侧呈圆弧状向下扩展，电阻片边缘轴向或径向局部受力是导致开裂的两种主要的受力方式[13-15]。

2 失效模式验证

为了验证失效模式发生的时间段并复现问题件的失效模式，分别取排结合剂前后以及烧结后的电阻片，在电阻片边缘分别施加不同方向、不同大小的力，以获得开裂等失效模式。图8分别是排结合剂前后以及烧成后，在电阻片边缘轴向和径向施加不同大小的力后出现的失效模式。可以看出，当沿轴向或径向施加力时，排结合剂前的电阻片受力开裂，出现裂纹，如图8(a)(b)，在受力点周围存在一定程度的塑性变形，验证过程中，部分试验电阻片只发生塑性变形而未发现裂纹。实际调查过程中，未发现有裂纹但周围区域有塑性变形区的问题件。图8(c)(d)分别是电阻片在排结合剂之后受力出现的失效模式，可以看出，其失效模式类似于图1(a),在沿径向受力时，样品受力点出现了沿表面扩展开来的两条微裂纹，这些裂纹极其隐蔽很难被观察到，另外，产生这两种失效模式所施加的力远小于出现图8(a)(b)失效模式所施加的力，在失效验证过程中，发现小规格的电阻片(D5和D6)由于叠放或单手拿取多于两片时易出现这种形式的碰损。图8(e)(f)分别是烧成后的电阻片在受力后出现的失效模式，烧成后的电阻片在受力磕碰后断面呈绿色[16]，与图1中失效件断面颜色不同。另外，产生这两种失效模式所施加力与图8(a)(b)失效模式所施加的力接近，在试验过程中发现，烧成后的电阻片在受力磕碰时，出现失效的情况基本是受力点直接开裂掉落，而不会出现裂纹，且碰损的面积较小，要出现面积较大的碰损需要施加很大的力。

图8 不同阶段受力失效模式Fig.8 Failure modes of force at different stages

通过以上验证试验分析可知，在排结合剂之前，电阻片表现一定的塑性材料特征，在受力磕碰时，电阻片局部发生塑性变形，只有在外力增加到塑性变形的极限时，最终出现开裂失效。在排结合剂之后，电阻片表现脆性材料特征，此时受力磕碰后易出现微裂纹，烧结以后，电阻片经过高温相变之后，基体表现脆性材料特征，同时刚性很大，边缘易受力磕碰直接开裂掉落，要产生与图1(a)中尺寸大小相似的失效模式几乎是不可能的。电阻片在排结合剂之后，作业过程中因操作失误引起电阻片之间磕碰或者电阻片与工装设备之间磕碰引起局部应力集中，此时，微裂纹已经出现，如图8(d)所示，微裂纹极其隐蔽，作业者很难观察到，从而流入到下一工序中，在经高温烧结后，裂纹两侧区域基体背向收缩使得裂纹继续扩展，烧结后电阻片表面颜色较暗，这些裂纹也不易观察，在磨片过程中，因磨片剪切应力的作用，开裂较大的区域直接掉落，呈现图1(a)类的失效模式，开裂较小的表现为图1(b)中边缘开裂的失效模式。另外，一些更微小的裂纹在磨片过程中也未被发现，直至最终电气性能测试时被发现。

3 结 论

采用金相显微镜，通过对失效模式界面的形貌特征和受力方式进行分析，验证了电阻片在成型之后到磨片过程中可能发生的失效模式及产生的方式，得到如下结论：

1)隐性开裂界面形貌主要表现为脆性断裂机理。

2)隐性开裂产生的过程一般是在排结合剂之后因操作不规范使电阻片磕碰受力产生微裂纹，之后经烧结过程裂纹延伸扩展，最后经磨片应力或方波筛选时呈现显性开裂失效模式，包括直接开裂掉落和出现裂纹两种失效模式。

3)在排结合剂出炉至烧成装炉前这一时段，通过避免电阻片间的直接接触和规范操作可有效解决隐性开裂问题。