本发明属于避雷器特性研究领域，具体涉及一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法。
背景技术：
：金属氧化锌避雷器的基本结构是阀片，阀片以氧化锌为主要材料，添加少量其他金属氧化物经高温煅烧而成。该阀片在正常的工作电压下，通过的阻性电流很小，一般约为10-15μA，接近绝缘状态。当雷电过电压施加在避雷器上时，它的电阻迅速减小，通过的电流很大，残压很小，使设备得到保护，当过电压消失后，避雷器电阻阀片又恢复到高阻状态。因为金属氧化锌避雷器具有优良的非线性伏安特性，它作为电力系统中最基本的保护设备有着广泛的应用。目前，对避雷器氧化锌电阻阀片的研究主要采用电子探针测量的实验方法，局限性大，无法从微观分子层面对避雷器氧化锌电阻阀片性能进行深入分析。第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，可以不依赖于实验参数，而仅仅在给定原子坐标、元素种类的情况下就可以计算出材料的物理化学性质。CASTEP(CambridgeSerialTotalEnergyPackage)软件包是基于密度泛函理论的从头计算量子力学程序，利用总能量平面波赝势方法，将离子势用赝势代替，电子波函数用平面波基组展开，电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(local-densityapproximation,LDA)或广义梯度近似(generalgradientapproximation,GGA)进行校正，是目前较准确的电子结构计算程序。因此，采用第一性原理，从微观分子层面研究避雷器氧化锌电阻阀片的晶界结构。技术实现要素：本发明的目的是解决上述问题，提供一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，采用第一性原理，从微观分子层面对避雷器氧化锌电阻阀片性能进行深入分析。本发明的技术方案是一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，具体步骤如下，步骤1：利用计算机构造ZnO电阻阀片两相晶界结构；步骤1.1:构造ZnO/Bi2O3两相晶界结构；步骤1.2:对晶胞进行结构优化；步骤1.3:确定交换和相关势，自洽求解Kohn-Sham方程；步骤2：对建立的晶界结构进行弛豫计算，对比弛豫前后晶界结构，分析原子位移；步骤3：对弛豫后的晶界结构进行二次差分电荷密度分析，分析层片间电荷转移情况；步骤4：进行原子的电子布居分析；步骤4.1：分析原子轨道电子占据情况；步骤4.2：分析原子带电情况；步骤4.3：统计晶体层片带电量；步骤5：进行晶界结构电子势能分析，比较两晶体层片电子势能；步骤6：进行界面原子分波态密度分析，分析原子间成键情况；步骤7：总结晶界结构特性，分析晶界结构对避雷器性能的影响。进一步的，所述两相晶界结构为ZnO(002)/β-Bi2O3(210)位向关系的两相晶界结构。进一步的，所述晶胞的参数为ZnO晶胞棱长a=0.32815nm，棱长b=0.32815nm，棱长c=0.52950nm；β-Bi2O3晶胞棱长a=0.77169nm，棱长b=0.77169nm，棱长c=0.5580nm。进一步的，所述Kohn-Sham方程的迭代求解的收敛条件为公差偏移小于0.00005nm，应力偏差小于0.02GPA。本发明的有益效果：1）本发明运用计算机仿真的手段对ZnO电阻阀片内部存在的微观结构进行了研究，尤其对晶界结构的弛豫位移，层片间的电荷转移，界面的电子结构，电子势能图，态密度分布进行了分析，推得晶界结构内存在内建电场，这对于研究材料的非线性伏安特性具有重要意义；2）相对于利用实验设备的观察测量方法，本发明研究方法大大减少投入的人力物力，降低了新型ZnO电阻阀片的研发成本，为研制更高性能的电阻片提供了理论基础；3）相对于实验测量方法，本发明可以确定界面的结合是哪些原子起主要作用，计算每一个原子的电子轨道的电荷量，分析层片内原子成键情况，这对于研制高性能氧化锌避雷器具有重要意义。附图说明下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1为分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法的流程图。图2为ZnO/Bi2O3界面结构图。图3为弛豫后的ZnO/Bi2O3界面结构图。图4为ZnO/Bi2O3界面结构截面的二次差分电荷密度图。图5为沿晶界轴方向的电子势能图。图6为界面总态密度及原子分波态密度图。图7为界面层片原子分波态密度图。图8为单β-Bi2O3层片与界面结构β-Bi2O3层片原子分波态密度对比图。具体实施方式如图1所示，一种分析氧化锌避雷器中电阻阀片性能的方法，具体步骤如下，步骤1：利用计算机构造ZnO电阻阀片两相晶界结构；步骤1.1:构造ZnO(002)/β-Bi2O3(210)两相晶界结构；步骤1.2:采用CASTEP软件包对晶胞进行结构优化；步骤1.3:确定交换和相关势，自洽求解Kohn-Sham方程；步骤2：对建立的晶界结构进行弛豫计算，对比弛豫前后晶界结构，分析原子位移；步骤3：对弛豫后的晶界结构进行二次差分电荷密度分析，分析层片间电荷转移情况；步骤4：进行原子的电子布居分析；步骤4.1：分析原子轨道电子占据情况；步骤4.2：分析原子带电情况；步骤4.3：统计晶体层片带电量；步骤5：进行晶界结构电子势能分析，比较两晶体层片电子势能；步骤6：进行界面原子分波态密度分析，分析原子间成键情况；步骤7：总结晶界结构特性，分析晶界结构对避雷器性能的影响。步骤1中，晶界处会产生不同相的Bi2O3以及焦绿石相和尖晶石相结构。在不同退火温度下，电阻片的非线性系数也会不同。当ZnO电阻阀片中以β相和δ相Bi2O3为主要成分时，电阻片有着优异的的非线性特性。在ZnO电阻阀片中存在ZnO(002)/β-Bi2O3(210)位向关系的界面结构，利用计算机构造该结构。利用CASTEP软件包，在GGA框架下对对晶胞进行结构优化，获得晶胞参数分别为：ZnO晶胞棱长a=0.32815nm，棱长b=0.32815nm，棱长c=0.52950nm；β-Bi2O3晶胞棱长a=0.77169nm，棱长b=0.77169nm，棱长c=0.5580nm。模型的建立采取以Zn原子为终端的ZnO表面，以Zn为终端的ZnO表面能小，形成的界面较O为终端的ZnO表面稳定性好，故选取以Zn为终端的ZnO表面更符合实际情况。两晶面的晶格错配度<2%，界面模型用真空间隔，真空层厚度为1nm。步骤2中，对上述晶界结构进行弛豫，满足上述收敛条件后，达到新的平衡位置。经过结构对比发现，弛豫后的ZnO结构中，O1和O2层原子位移发生较明显变化，向靠近界面侧移动。O1层原子向界面移动距离为0.605Å略大于O2层原子移动距离0.571Å。Zn1层原子背离晶界移动0.135Å，Zn2层原子向晶界移动0.091Å。而ZnO层片中存在的拱形状Zn-O键则消失接近扁平状。β-Bi2O3原子重构严重，已经完全破坏了初始状态β-Bi2O3晶格周期性。界面两侧原子层中的原子弛豫位移随偏离界面间距的增大越来越不明显。步骤3中，对弛豫后的结构做出二次差分电荷密度图，计算两晶体层片所带电荷量。如图4所示，由二次差分电荷密度图可得，ZnO晶体层片失去电子，带正电，β-Bi2O3晶体层片得到电子，带负电。步骤4中，进行原子电子布居分布分析，如表1所示，分析界面附近原子的电子分布变化，可知越靠近界面处，两侧的层片电荷交换越剧烈。通过计算两晶体层片的总电量，发现ZnO层片带正电23.61e，β-Bi2O3层片带负电23.64e。原本两晶体层片呈电中性，而此时两晶体层片发生电荷转移，因此在ZnO(002)/β-Bi2O3(210)界面结构中形成了由ZnO层片指向β-Bi2O3层片的电场。如图5所示，步骤4中，作出电子势能图后，可以看出两晶体层片间存在势能差，ZnO层片的平均电子势能低于β-Bi2O3层片的平均电子势能，与步骤3得出的晶界结构内存在内建电场的结论一致，电场方向由ZnO层片指向β-Bi2O3层片。如图2、图3所示，弛豫后的ZnO结构中，O1和O2层原子位移发生较明显变化，向靠近界面侧移动。Zn1层原子背离晶界移动，Zn2层原子向晶界移动。因为晶格错配度的存在，ZnO层片边界处的原子略微上翘。β-Bi2O3每层原子都向界面移动，弛豫后的结构实质上是两相的一种过渡区，没有发生相原子结构的突变，符合界面结构构造规律。如图4所示，直观地显示由于ZnO层片和β-Bi2O3层片的相互作用对界面结构中原子的电子分布影响。可以看出在同一平面内O原子周围电子的局域性分布明显，显示较强的离子键。Zn原子周围出现向O原子周围延伸的电子云，这说明由于界面结构的存在，β-Bi2O3层片中的O原子与Zn层片中的Zn原子间存在电荷转移。如表1所示，Zn原子随偏离晶界距离不同失去的电子数有别，Zn1原子中自由度相对最大的s态电子数为0.50，Zn2原子的s态电子数为0.61，两者存在0.11的差别，Zn1、Zn2原子的p、d态电子数几乎一样。ZnO层片中O1、O2原子的轨道电子变化甚小，两原子的p、d态电子数仅有0.01的差别。Zn1和O1原子所构成的第一层原子所带正电荷量要大于Zn2和O2原子构成的第二层原子所带正电荷量。Bi2O31层中Bi原子中s态电子数为1.88，Bi2O32层中Bi原子中s态电子数为1.75，两者存在0.12的差别。前者原子p态电子数为2.08，后者原子p态电子数为1.72，两者相差0.36。β-Bi2O3层片中1、2层O原子的轨道电子变化不大。同理可得Bi2O31层所带的负电荷量要大于Bi2O32层所带负电荷量。因此，越靠近晶界，两侧的层片电荷交换越剧烈。通过计算晶界结构中ZnO层片与β-Bi2O3层片所带的总电量，发现ZnO层片带正电23.61e，β-Bi2O3层片带负电23.64e。在ZnO(002)/β-Bi2O3(210)界面结构中形成了由ZnO层片指向β-Bi2O3层片的电场。表1不同原子的电子布居情况SpeciesspdTotal/eCharge/eZn10.500.599.9611.050.95Zn1(a)0.490.619.9711.070.93Zn20.610.599.9711.170.83O11.874.990.006.86-0.86O21.865.000.006.86-0.86Bi11.882.080.003.961.04Bi21.751.720.003.471.53OinBi2O311.935.000.006.93-0.93OinBi2O321.934.970.006.90-0.90如图5所示，位于左上方类似正弦函数曲线为ZnO层片电子势能图，位于右下方类似正弦曲线为β-Bi2O3层片电子势能图。可以看出ZnO层片的平均电子势能高于β-Bi2O3层片的平均电子势能，因此在晶界结构内存在一个内建电场，电场方向为由ZnO层片指向β-Bi2O3层片。由于界面结构存在，界面附近电子波函数发生变化，形成不同于晶体内部的电子态，电荷的不均匀分布会进一步影响界面附近原子周期性排列，原子的不规则排列则又影响电子波函数，这种相互影响导致在界面区建立起与晶体内不同的自洽势，由于整个材料是电中性的，界面处的电子必然会在材料内部形成许多微小的电势场，这些内部形成的电势场是形成氧化锌电阻片非线性伏安特性的重要原因。如图6所示，分析界面总态密度TDOS(TotalDensityofStates)及原子分波密度，在-5.11eV~-8.42eV能量区域内，该区域主要由O的2p轨道和Zn的3d轨道贡献，存在p-d轨道的杂化效应。在-8.45eV~-12.36eV区域主要由O的2p轨道和Bi的6s轨道贡献，该区域存在s-p轨道杂化。如图7所示，界面ZnO侧的Zn原子的3d价电子与β-Bi2O3侧的O原子的2p价电子的分波态密度图在低能量区产生较好重合。界面的结合主要依靠ZnO层片中Zn原子与β-Bi2O3层片中O原子相互作用。如图8所示，可知界面附近的Bi原子6p轨道较活跃，非局域性增强，同时界面结构中O原子，Bi原子态密度图中的一个谱峰向低能量区移动，与另一个谱峰靠近，界面中β-Bi2O3层片内O原子与Bi原子之间成键减弱。综上所述，结合避雷器性能，避雷器电阻阀片中内建电场强度越大，避雷器性能越好，从分子层面来分析，可通过增加避雷器电阻阀片层片间的电荷转移量来提高避雷器性能。在避雷器电阻阀片中添加其他晶体粉末，改变晶体结构，使晶体层片间电荷转移增大；或减小ZnO晶粒的大小，增加材料内部晶界结构的数量，使晶体层片间电荷转移增大；或控制避雷器电阻阀片烧结温度、冷却时间，控制ZnO晶粒大小，改变电荷转移量，使晶体层片间电荷转移增大。通过上述措施等来提高避雷器性能。当前第1页1 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