Изучение взаимодействия оксида цинка с Sb2O3, Bi2O3, SiO2, CoO, Mn2O3, TiO2 и SnO2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Маунг Маунг Мьинт

• Маунг Маунг Мьинт
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маунг Маунг Мьинт

1. ВЕДЕНИЕ

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Изготовление варисторов и микроструктура

2.2. Особенности ZnO варисторов

2.2.1. Коэффициент нелинейности

2.2.2. Напряжение пробоя

2.2.3. Нагрузочная способность по току

2.2.4. Время срабатывания

2.2.5. Емкость

2.2.6. Диэлектрические свойства

2.2.7. Явление старения 16 2.2.8 Электрическая проводимость

2.2.9. Эффекты на границах зерен

2.2.10. Механизм проводимости

2.2.11. Переходные явления и деградация

2.2.12. Допускаемая мощность рассеивания

2.3. Добавки и их влияние на свойства варисторов

2.4. Спекание варисторов

2.5. Химическое осаждение (общие принципы)

2.5.1. Элементарные процессы зарождения новой фазы

2.5.2. Понятие о системе осадок - маточный раствор и ее старении

2.5.3. Индукционный период системы осадок - раствор

2.5.4. Образование и начальное старение системы осадок раствор

2.5.5. Воздействие компонентов маточного раствора на полноту осаждения

2.5.6. Физическое старение осадка при контакте с маточным ^ раствором

Образование химических осадков с заранее

2.5.7. 41 заданными физическими свойствами

2.6. Методы изготовления варисторов

2.7. Оксид цинка. Физические и химические свойства

2.8. Применение варисторов

2.9. Экономика

2.10. Выводы по обзору литературы 58 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Цель и направление работы

3.2. Постановка работы

3.3. Характеристика используемых материалов

3.4. Методики исследования 72 3.4.1 Определение смачивающей способности и угла смачивания

3.4.2. Определение кажущейся плотности, открытой ^ пористости и водопоглощения (ГОСТ 2409-95)

3.4.3. Определение усадки

3.4.4. Рентгенофазовый анализ (РФА)

3.4.5. Определение вольт-амперной характеристики (ВАХ)

3.4.6. Петрографический анализ

3.5. Методика изготовления образцов

3.5.1. Приготовление варисторов

3.5.2. Расчет составов/Приготовление порошков

3.6. Спекание, Свойства и Микроструктура

3.6.1. Дифференциально-термический анализ (ДТА)

3.6.2. РФА

3.6.3. Диаграмма состояния ZnO - S1O

3.6.4. Микроструктура

3.7. Влияние режима обжига 112 3.7.1. Микроструктура

3.8. Влияние чистоты исходного оксида цинка на свойствах варисторов

3.9. Смачивание (Растекание) 128 ЗЛО. Применение метода химического соосаждения

3.10.1. Цель и направление работы

3.10.2. Приготовление масс

3.10.3. Получение образцов

3.10.4. Керамические свойства

3.10.5. Усадка

3.10.6. Коэффициент нелинейности образцов

3.10.7. Дифференциально-термический анализ (ДТА)

3.10.8. Рентгенофазовый анализ (РФА)

3.10.9. Микроструктура

4. ОБЖУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

5. ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение взаимодействия оксида цинка с Sb2O3, Bi2O3, SiO2, CoO, Mn2O3, TiO2 и SnO2»

Развитие электротехники и электроники в значительной степени связано с расширенным применением нелинейных элементов в приборах и устройствах, эксплуатационной характеристикой которых является функциональная нелинейная зависимость.

Нелинейная вольтамперная характеристика (В АХ) (рис.1.1) этих элементов позволяет решать многие технические задачи регулирования и стабилизирования работы отдельных блоков электронной аппаратуры, улучшения помехоустойчивости систем автоматической регулировки усиления и т.п. [1]. К таким элементам относят варисторы на основе оксида цинка. Они находят все большее признание, как простой и эффективный по стоимости способ защиты электрических систем, элементов и узлов аппаратуры от перегрузок по напряжению, а также в качестве разрядников в высоковольтных линиях электропередачи для защиты от ударов молнии. С помощью варисторов можно эффективно осуществлять регулирование различных электрических величин, преобразование частоты, получать сложные функциональные схемы [2]. i,ma 6 ■

4 .

-8 0 -< >0 0 -2 - i " 0 2 0 4 1 ' 0 и, в

-2 -4

-6

Рис. 1.1. Типичная вольт-амперная зависимость

Благодаря своей керамической природе, варисторы могут изготавливаться различных размеров и форм, что обеспечивает высокую разносторонность их применения.

Вполне вероятно, что использование варисторов на основе ZnO будет продолжать расти по мере усовершенствования технологии.

Освоение выпуска оксидно-цинковых варисторов стимулировано развитием полупроводниковой и микроэлектронной техники, которая, в отличие от электронной ламповой, обладает устойчивостью по отношению к перенапряжениям, возникающим в реальной аппаратуре. Причиной перенапряжений могут явиться грозовые разряды, коммутационные процессы, статическое электричество, электромагнитные наводки различной природы и другие.

Оксидно-цинковые варисторы предназначены для защиты электрического и электронного оборудования от импульсных воздействий напряжения. Они имеют уникально высокую способность рассеивать энергию за счет перераспределения энергии в объеме варистора, обладают высоким быстродействием и малыми размерами.

Варисторами называют полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой. Они имеют высокое электрическое сопротивление при низком напряжении (аналогично диэлектрикам), но низкое сопротивление (большую проводимость) при высоком напряжении (аналогично полупроводникам) (рис. 1.1). Величина напряжения, при котором резко возрастает проходящий через варистор ток, называется напряжением пробоя или пороговым напряжением. Электрические свойства этих приборов не могут быть описаны законом Ома и называются «неомическими». Варистор подключается параллельно защищаемой электрической схеме; он пропускает маленький ток при нормальных условиях, но если возникает скачок напряжения, варистор забирает на себя большой ток вследствие резкого падения его сопротивления.

Первые варисторы изготавливали на основе карбида кремния обычными методами керамической технологии. Из-за ряда недостатков варисторов на основе SiC (малая нелинейность, низкий уровень зашиты) в настоящее время стали применять варисторы на основе оксида цинка. Варисторы на основе оксида цинка представляют собой керамические материалы, электрические характеристики которых определяются состояниями поверхности на границе зерен. Они обладают весьма нелинейным соотношением ток-напряжение, при котором 5% изменение в напряжении оказывается достаточным для увеличения тока на порядок величины и больше.

Варисторы на основе оксида цинка являются новыми керамическими полупроводниковыми устройствами с высоко нелинейной характеристикой ток-напряжение, схожей с характеристикой, встречно - параллельно соединенных диодов Зенера, но с большими возможностями по току и энергии. Нелинейные свойства формируются в процессе спекания керамики, с определенной структурой, состоящей из проводящих зерен ZnO, окруженных электроизоляционным барьером. Эти барьеры образуются на границах зерен, вы званных добавками таких оксидов, как Bi, Со, Рг, Мп и др.

Заключение диссертации по теме «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», Маунг Маунг Мьинт

5. Выводы

1. Найдено, что СоО образует на поверхности зерна ZnO шпинель ZnCo204, которая препятствует спеканию; Si02 образует соединение Zn2Si04; образуются шпинель |J-Mn2Ti04 и минерал тодорокит Mn60]2; Sn02 может входить в МЗС. Состав ((мол. %)ZnO (ЧДА, Россия) - 89,5+ Bi203 - 3,0 + Si02 - 3,0 + СоО - 2,5 + Mn203 - 2,0), который содержит добавки СоО, Bi203, Si02 и Mn203 показал высокое значение = 40.

2. Нагревание образцов осуществляли по режиму от комнатной температуры до 1300 °С со скоростью (425 °С/ч) и выдержке при 1300 °С в течение 2 ч, с последующим охлаждением вместе с печью, что позволило получить материал с блоками ориентированных пластин, имеющий значение 0 =100.

3. Показано, чем более высокая степень чистоты ZnO, тем хуже спекается материал, и дает меньшее значение р. Наивысшее значение Р получается при использовании исходных порошков ZnO(4).

4. Установлено, что при введении Si02 и Мп203 улучшается смачиваемость керамики, а СоО, Sn02 и ТЮ2 наоборот ухудшают смачиваемость керамики. Найдено, что добавки Bi203, Si02, СоО и Мп203 дают лучшее смачивание по сравнению с другими добавками.

5. Методом химического осаждения получена плотная керамика с высоким значением = 65.

149

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маунг Маунг Мьинт, 2007 год

1. Валеев Х.С., Квасков В.Б. Нелинейные метало оксидные проводники.

2. Москва, Энергиоиздат. 1983. - 160 с.

3. Sakshaug Е.С., Kresge J.S., Miske S. A. A New Concept in Station Arrester Design // J. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1977. - V. PAS - 96. - N. 2. - P. 647 - 656.

4. Matsuoka M. Non-Ohmic Properties of Zinc Oxide Ceramics // Jnn. J. App.1. Л A 1 1

5. Phys. 1971. - V. 10. - № 6. - P. 736 - 746.

6. Семериков И.С. Керамические материалы из легированных оксидов 3d-элементов Zn, Си, Ti, Сг (синтез, технология, свойства): Автореф. дис. . Канд. техн. наук. Екатеринбург, - 1993. - 16 с.

7. Жилов Г. М. Способ получения оксида цинка для варисторов: Автореф. дис. Канд. техн. наук. СПб., 1996. - 22 с.

8. Levinson L. М., Philipp Н. R. The physics of metal oxide varistors // J. App. Phys. 1976. - V. 46. - N. 3. - P. 1132.

9. Levinson L. M., Philip H. R. // J. Am. Ceram. Soc. Bull. 1986. - V. 65. - N. 4. - P. 639 - 646.

10. Moulson A. J., Herbert J. M. Electroceramics: Materials & Properties & Applications. NY: Chapman and Hill, 1990. - V. 2. - 576 p.

11. Morris W. G. Physical properties of the electrical barriers in varistors // J.Vac. Sci. Technol., 1976. - V. 13. - N. 1. - P. 926 - 931.

12. Levinson L. M., Philipp H. R. ZnO varistors for transient protection // J.

13. App. Phys. 1976. - V. 13. - N. 3. - P. 338 - 343.

14. Levinson L. M., Philipp H. R. ZnO AC properties of. metal-oxide varistors // J. App. Phys. 1976. - V. 13. - N. 4. - P. 1117 -1122.

15. Mukae K. Zinc Oxide Varistors with Praseodymium Oxide // J. Am. Ceram. Soc. Bull. 1987.-V. 66. - 1329 p.

16. Mahan G. D., Materials Research Soc., Annual Meeting "Grain Boundaries in Semiconductors". Boston. -1981. Proceedings, - P. 333 - 345.

17. Levinson L. M., Philipp H. R. High temperature behavior of ZnO - based Varistors // J. App. Phys. - 1975. - V. 46. - P.3206; - 1977. - V. 48. - P.4372; - 1979.-V. 50.-383 p.

18. Bernasconi J., Klein H.P, Knecht В., Straessler S. Investigation of Various Models for Metal Oxide Varistors // J. Electornic Mater. 1976. - V. 5. -473 p.

19. Morris W. G. Physical Properties of Electrical Barriers in Varistors // J. Vac. Sci. Technol. 1976. - V. 13. - 926 p.

20. Hower P. L., Gupta. T. R. A Barrier Model for ZnO Varistors // J. Appl. Phys. 1979,-V. 50.-4847 p.

21. Levine J. D. Theory of Varistor Electornic Properties. Solid State Sci. -1975.-V. 5.-597 p.

22. Bernasconi J., Strassler S., Knecht В., Klein H. P., Menth A. Zinc Oxide Variastors: A Possible Mechanism. Solid State Commun. 1977. - V. 21. -867 p.

23. Emtage P. R. The Physics of ZnO Varistors // J. Appl. Phys. 1985. - V. 57. -5512 p.

24. Mahan G. D., Levinson L. M., Philipp H. R. Theory of Conduction in ZnO Varistors // Phys. Lett. 1978. - V. 33. - P. 833; J. Appl. Phys. - 1979. - V. 50. - 2799 p.

25. Dike G. E., Kurtz S. R., Gourley P. C„ Philipp H. R., Levinson L. M. Electroluminescence in ZnO Variastors: Evidence for Hole Contributions to the Breakdown Mechanism // J. Appl. Phys. 1985. - V. 57. - 5512 p.

26. Philipp H. R., Levinson L. M. Degradation Phenomena in ZnO Varistors: A Review in Advance in Ceramics. Additives and Interfaces in Electronic ceramics. Edited by M. F. Van, A. H. Heuer // J. Am. Ceram. Soc. 1983. - V. 7.-P. 1 -21.

27. Mahan G. D. Intricate Defects in ZnO Varistors // J. Appl. Phys. 1983. - V. 54. - 3825 p.

28. W. G. Morris and J. W. Cahn. Adsorption and Microphases at Grain Boundaries in Nonohmic Zinc Oxide, in Grain Boundaries in Engineering Materials, edited by J. L. Walter, et al, Claitors, Baton Rouge, LA . 1975.

29. Carlson W.G., Gupta Т.К. Barrier voltage and its effect on stability of ZnO varistor // J. Appl. Phys. 1982. - V. 54. - N. 11. - P. 7401 - 7409.

30. Levinson L. M., Philip H. R. Zinc Oxide Varistors A Review // J.Am. Ceram. Soc. Bull, - 1986. - V. 65. - N. 4. - P. 639 - 46.

31. Eda K. Conduction Mechanism of Non-Ohmic Zinc Oxide Ceramics // J. App. Phys. 1978. - V. 49. - № 5. - P. 2964 - 2972.

32. Levinson L. M., Philipp H. R. High-Frequency and High-current Studies of Metal Oxide Varistors // J. Appl. Phys. 1976. - V. 47. - N. 7. - P. 3116 -3121.

33. Philipp, H.R., Levinson L.M. Watts loss and conductivity processes in varistors. In Ceramic Transactions,: Advances in Varistor Technology, ed. L.M. Levinson, Westerville, OH: The American Ceramic Society. 1989. - V. 3.-P. 155 - 168.

34. Coley J.W., Mahan G. D. Tunneling Spectroscopy in Ga As // Phys. Rev. Online Archive. 1967. - V. 161. - N. 3. - P. 681 - 697.

35. Tronteli M., Kolar D., Krasevek V. Effect of Dopants on the Microstructure of Varistors // J. Macros. 1983. - V. 7. - P. 565 - 570.

36. Hoffman В., Schwing U. Model Experiments Describing the Microcontact of ZnO Varistors // J. Appl. Phys. 1985. - V. 57. - № 12. - P. 5372 - 5379.

37. Lee J.-R, Chiang Y.-M. // Solid State Ionics. 1995. - V. 75. - P. 79-88.

38. Bruckner W, Bather К. H., Moldenhouer W., Wolf M., Lange F. // Phys. Status Solid. 1980. - A. 59. - К. 1- 4.

39. Kutty T. R. N., Ezhilvalavan S. The Role of Silica in Enhancing the Nonlinearity Coefficients by Modifying The Trap States of Zinc Oxide Ceramics Varistors // J. Appl. Phys. 1996. - V. 29. - № 16. - P. 809 - 819.37.38,39,40,41.