Diese Arbeit stellt ein elektromechanisch gekoppeltes Modell für die Simulation des elektrischen Stromflusses in Zinkoxidvaristoren vor. Das Modell basiert auf einer Ersatzschaltbildrepräsentation der Varistormikrostruktur, in welcher die Korngrenzen als nichtlineare Widerstände modelliert werden. Diese Vorgehensweise baut auf existierenden Schaltkreismodellen auf und erweitert sie durch die Berücksichtigung des Einflusses der mechanischen Spannungen auf die elektrische Leitfähigkeit der Korngrenzen. Die dreidimensionale mechanische Spannungsverteilung im Material wird mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Anhand dieser Verteilung wird der elektrische Widerstand jeder Korngrenze bestimmt. Dies erfordert ein selbstkonsistentes Modell für die Grenzflächenladung, die durch piezoelektrische Polarisation induziert wird. Zum Schluss werden die Verteilung des elektrischen Stroms und Leitfähigkeit des gesamten Varistors mittels des nichtlinearen Schaltkreismodells berechnet.

Die simulierten Stromspannungscharakteristiken zeigen deutlich, dass die elektrische Leitfähigkeit von ZnO Varistoren stark von der angewandten mechanischen Spannung abhängig ist. Die Simulationen stellen außerdem den Effekt der Stromkonzentration entlang dünner hochleitfähiger Pfade dar. Dieser Effekt hängt von den mikrostrukturellen Eigenschaften sowie vom mechanischen Spannungszustand des Materials ab. Zusätzlich wird der Effekt residualer thermomechanischer Spannungen in polykristallinen Mikrostrukturen berücksichtigt und der Einfluss solcher Spannungen auf die Leitfähigkeit wird charakterisiert. Weiterhin werden der inverse piezoelektrische Effekt auf Korngrenzen und seine Auswirkung auf die makroskopische elektrische Charakteristik in der Arbeit untersucht.