بررسی تاثیر پارامترهای فرآوری و تفجوشی قطعات با مقاومت متغییر وابسته به ولتاژ به منظور کنترل ولتاژ و جریان نشتی در ترکیبات پایه ZnO
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینمحمد جزیره پور 1 , میعاد ملکی 2
1 - دانشیار، دانشکده الکتروسرام و مهندسی برق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران
2 - دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد، گروه فیزیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران
کلید واژه: مقاومت وابسته به ولتاژ, اکسید روی, فرآوری, ولتاژ شکست, جریان نشتی,
چکیده مقاله :
مقدمه: مقاومت های وابسته به ولتاژ موسوم به وریستور به دلیل نقش حفاظتی در برابر اثرات مخرب افزایش ولتاژ ناگهانی کاربردهای گسترده ای در صنعت برق و الکترونیک دارند. این پژوهش به بررسی تأثیر شرایط فرآوری و ترکیب شیمیایی بر خواص الکتریکی وریستورهای اکسید روی ولتاژ پایین می پردازد.
روش: نمونه های وریستور با با بکارگیری اکسید روی به عنوان پایه اصلی به همراه مجموعه ای از ترکیبات افزودنی شامل اکسیدهای کروم، منگنز، ایتریم، آنتیموان، بیسموت و کبالت تهیه شدند. تأثیر شرایط آسیاب کاری (نوع آسیاب و زمان)، کم وزیاد کردن برخی از ترکیبات افزودنی بر ریزساختار و خواص الکتریکی نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر پارامترهای مختلف فرآوری نظیر آسیاب کاری و برنامه تفجوشی مورد مطالعه قرار گرفت. ساختار فازی و ریزساختار نمونه ها با استفاده از پراش اشعه ایکس و میکروسکپ الکترونی روبشی مورد مطالعه قرار گرفت. خواص الکتریکی شامل ولتاژ کاری و جریان نشتی نمونه ها نیز با ستاپ ویژه این کار اندازه گیری گردید.
یافته ها: نتایج نشان داد که استفاده از آسیاب سیاره ای با زمان کوتاه تر در حدود بیست دقیقه منجر به کاهش چشمگیر آلودگی ناشی از سایش و بهبود جریان نشتی می شود. حذف اکسید ایتریم از ترکیب اولیه باعث کاهش ولتاژ کاری و جریان نشتی گردید. افزایش میزان اکسید منگنز تا دو برابر مقدار اولیه نیز منجر به کاهش ولتاژ کاری شد. افزایش دما و زمان تفجوشی روندی نزولی در ولتاژ کاری و صعودی در جریان نشتی ایجاد کرد.
نتیجه گیری: شرایط بهینه فرآوری شامل آسیاب کاری کوتاه مدت با آسیاب سیاره ای، حذف اکسید ایتریم و افزایش اکسید منگنز در ترکیب اولیه، و تفجوشی در دمای 1210 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت منجر به دستیابی به وریستورهایی با ولتاژ کاری مطلوب (کمتر از 500 ولت بر میلیمتر) و جریان نشتی پایین (کمتر از 15 میکروآمپر) گردید. این نتایج نشان می دهد که با کنترل دقیق پارامترهای فرآیند و ترکیب شیمیایی می توان خواص الکتریکی وریستورهای اکسید روی را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. این یافته ها می تواند به طراحی و ساخت وریستورهای اکسید روی با عملکرد بهینه کمک کند.
Introduction: Voltage-dependent resistors, known as varistors, have wide applications in the electrical and electronic industries due to their protective role against the destructive effects of sudden voltage spikes. This research investigates the impact of processing conditions and chemical composition on the electrical properties of zinc oxide varistors.
Methods: Varistor samples were prepared using zinc oxide as the main base material, along with a set of additive compounds including chromium oxide, manganese oxide, yttrium oxide, antimony, bismuth, and cobalt. The effects of milling conditions (type of mill and milling time), the variation in the amount of some additive compounds, and their influence on the microstructure and electrical properties of the samples were studied. Additionally, the impact of different processing parameters such as milling and sintering programs was examined. The phase structure and microstructure of the samples were studied using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The electrical properties, including operating voltage and leakage current, were measured with a special setup for this purpose.
Findings: The results showed that using a planetary mill for a shorter time (around twenty minutes) significantly reduced contamination from wear and improved the leakage current. Removing yttrium oxide from the initial composition led to a decrease in the operating voltage and leakage current. Increasing the amount of manganese oxide up to twice its initial amount also resulted in a reduction of the operating voltage. Higher sintering temperature and time created a downward trend in operating voltage and an upward trend in leakage current.
Conclusion: The optimal processing conditions include short-term milling with a planetary mill, removal of yttrium oxide, an increase in the amount of manganese oxide in the initial composition, and sintering at 1210°C for 2 hours. These conditions resulted in varistors with desirable operating voltage (less than 500 V/mm) and low leakage current (less than 15 µA). These findings suggest that precise control of process parameters and chemical composition can significantly enhance the electrical properties of zinc oxide varistors. This research can aid in the design and manufacture of zinc oxide varistors with optimal performance.
References
1. Tian T, Zheng L, Podlogar M, Zeng H, Bernik S, Xu K, et al. Novel Ultrahigh-Performance ZnO-Based Varistor Ceramics. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021;13(30):35924-9.
2. Yin Y, Meng P, Lei X, Li C, Wang L, Miao K, et al., editors. The Comprehensive Performance of ZnO Varistors Regulated by the Formulation System and Sintering Process. The Proceedings of the 18th Annual Conference of China Electrotechnical Society; 2024 2024//; Singapore: Springer Nature Singapore.
3. Guo J, Meng P, Liu Z, Lu W, Zhao L, Lei X, et al., editors. The Calculation Model for ZnO Varistor Considering Micro-characteristics. 2023 12th Asia-Pacific International Conference on Lightning (APL); 2023 12-15 June 2023.
4. Kaufmann B, Billovits T, Kratzer M, Teichert C, Supancic P. A modelling approach to describe the DC current-voltage behaviour of low-voltage zinc oxide varistors. Open Ceramics. 2021;6:100113.
5. Dorraj M, Zakaria A, Abdollahi Y, Hashim M, Moosavi S. Optimization of Bi2O3, TiO2, and Sb2O3 doped ZnO‐based low‐voltage varistor ceramic to maximize nonlinear electrical properties. The Scientific World Journal. 2014;2014(1):741034.
6. Fu Z, Hu J, Wang B, Xie P, Shi X, editors. Study on the Effect of Bi2O3 Addition on the Current Carrying Performance of ZnO varistors. 2022 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Applications (ICHVE); 2022 25-29 Sept. 2022.
7. Zhao M, Cui W-z, Liu Z-c, Chen H. Effect of Bi2O3 on the ZnVMnCoTiO based varistor ceramic sintered at 800 °C. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021;32(14):19724-32.
8. Sendi RK. SnO2 Doping Effect on the Microstructural and Electrical Behavior of ZnO nanoparticles-Bi2O3 Based Varistor Ceramics. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2022;1269(1):012001.
9. Storion AG, Pallone EMdJA, Giraldi TR, Maestrelli SC. Influence of the shaker mill in the properties of ZnO processed by high energy milling. Research, Society and Development. 2021;10(12):e476101220855.
10. Detlev FKH, Ruediger H, Piet JLR. Grain Size Control in Low‐Voltage Varistors. Journal of the American Ceramic Society. 1990;73(3):645-8.
11. Kakazey MG, Melnikova VA, Sreckovic T, Tomila TV, Ristic MM. Evolution of the microstructure of disperse Zinc-oxide during tribophysical activation. Journal of Materials Science. 1999;34(7):1691-7.
12. Cheng S, Dong M, Shi X, Guo L, Yao W, Wang W, et al., editors. Influence of Sintering Temperature on the Microstructure and Properties of ZnO Varistor Ceramics Prepared by Chemical Precipitation Method. 2022 IEEE International Conference on Power Systems and Electrical Technology (PSET); 2022 13-15 Oct. 2022.
13. Muhammad H, Muddassar H, Azaz N. Influence of Processing Parameters on Microstructure and Electrical Properties of ZnO-Based Varistor Ceramics. PREPRINT (Version 1). 2024.
14. Zhefeng X, Ju R, Xiaohua Y, Zhaolin Z, editors. Preparation of low voltage ZnO Varistor using point seed. Proceedings of the 2016 4th International Conference on Mechanical Materials and Manufacturing Engineering; 2016 2016/10: Atlantis Press.
15. Ji-le L, Chen G-h, Yuan C-l. Microstructure and electrical properties of rare earth doped ZnO-based varistor ceramics. Ceramics International. 2013;39(3):2231-7.
16. Jiang F, Peng Z, Zang Y, Fu X. Progress on rare-earth doped ZnO-based varistor materials. Journal of Advanced Ceramics. 2013;2(3):201-12.
17. Matsuoka M. Nonohmic Properties of Zinc Oxide Ceramics. Japanese Journal of Applied Physics. 1971;10(6):736-46.
18. jinliang.H. Metal Oxide Varistors: From Microstructure to MacroCharacteristics. Tsinghua University Press. 2019.
19. Metz R, Delalu H, Vignalou JR, Achard N, Elkhatib M. Electrical properties of varistors in relation to their true bismuth composition after sintering. Materials Chemistry and Physics. 2000;63(2):157-62.
20. Sedghi A, Noori NR. Comparison of electrical properties of zinc oxide varistors manufactured from micro and nano ZnO powder. Journal of Ceramic Processing Research. 2011;12(6):752-5.
21. Houabes M, Metz R. Rare earth oxides effects on both the threshold voltage and energy absorption capability of ZnO varistors. Ceramics International. 2007;33(7):1191-7.
22. Gupta TK. Microstructural engineering through donor and acceptor doping in the grain and grain boundary of a polycrystalline semiconducting ceramic. Journal of Materials Research. 1992;7(12):3280-95.
23. He J, Hu J, Lin Y. ZnO varistors with high voltage gradient and low leakage current by doping rare-earth oxide. Science in China Series E: Technological Sciences. 2008;51(6):693-701.
24. Sedghi A, Noori N. Comparison of electrical properties of zinc oxide varistors manufactured from micro and nano ZnO powder. Journal of Ceramic Processing Research. 2011;12:752-5.
25. Bernik S, Macek S, Ai B. Microstructural and electrical characteristics of Y2O3-doped ZnO–Bi2O3-based varistor ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2001;21(10-11):1875-8.
26. Hng HH, Chan PL. Effects of MnO2 doping in V2O5-doped ZnO varistor system. Materials Chemistry and Physics. 2002;75(1):61-6.
27. Han J, Mantas PQ, Senos AMR. Grain growth in Mn-doped ZnO. Journal of the European Ceramic Society. 2000;20(16):2753-8.
28. Han J, Senos AMR, Mantas PQ. Varistor behaviour of Mn-doped ZnO ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2002;22(9):1653-60.
