Investigation of the Effect of Processing and Sintering Parameters on Voltage-Dependent Variable Resistors for Controlling Voltage and Leakage Current in ZnO-Based Compositions

Subject Areas : journal of New Materials

Mohammad Jazirehpour ¹ , Miad Maleki ²

1 - College of Electroceramics and Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology ,Iran
2 - College of Electroceramics and Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology ,Iran

Received: 2024-12-09 Accepted : 2025-01-18 Published : 2024-05-04

Keywords: Voltage-Dependent Resistor, Zinc Oxide, Processing, Breakdown Voltage, Leakage Current,

Abstract :

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:

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.

Full-Text:



Journal of New Materials                                                                         Spring 2024. Vol 15. Issue 55

Research Paper
Investigation of the Effect of Processing and Sintering Parameters on Voltage-Dependent Variable Resistors for Controlling Voltage and Leakage Current in ZnO-Based Compositions Mohammad Jazirehpour*1 Miad Maleki2
1. College of Electroceramics and Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology ,Iran 2. College of Electroceramics and Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology ,Iran
Received: 2024/12/09 Revised: 2025/01/18 Accepted: 2024/05/04	Abstract 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.
Use your device to scan and read the article online       DOI:  10.71905/jnm.1403.1192900
Keywords: Voltage-Dependent Resistor, Zinc Oxide, Processing, Breakdown Voltage, Leakage Current
Citation: Mohammad Jazirehpour, Miad Maleki, Investigation of the Effect of Processing and Sintering Parameters on Voltage-Dependent Variable Resistors for Controlling Voltage and Leakage Current in ZnO-Based Compositions, Quarterly Journal of New Materials. 2024; 15 (55): 76-87.
*Corresponding author: Mohammad Jazirehpour Address: College of Electroceramics and Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology ,Iran        Tell: [phone] Email: [e-mail]

 

 

Extended Abstract

Introduction

Voltage-dependent resistors (VDRs) are crucial components used to control voltage and leakage current in electrical devices. Zinc oxide (ZnO) has emerged as a primary material for VDRs due to its high nonlinear current-voltage characteristics. The objective of this study was to investigate the effects of various processing parameters and additives on the electrical performance of ZnO-based varistors. The impact of different oxides such as antimony (Sb), bismuth (Bi), cobalt (Co), manganese (Mn), and yttrium (Y) on the microstructure and electrical characteristics of ZnO was explored, with a focus on controlling leakage current and breakdown voltage.

Findings and Discussion

The SEM images revealed that the particle size distribution of the raw materials significantly influenced the final properties of the varistor. ZnO particles had an average size of 0.2 µm, Sb2O3 particles were around 2 µm, and Co2O3 particles ranged from 0.5 to 3 µm. The XRD patterns indicated a mixture of phases, with significant peaks corresponding to ZnO, Bi2O3, and Sb2O3. Post-calcination, the formation of a spinel phase, Zn7Sb2O12, was observed, confirming phase transitions during processing. The microstructure of the sintered samples showed grain sizes ranging from 4 to 5 µm, with some variations due to the use of high-energy milling. Electrical testing revealed that the leakage current for the samples exceeded 60 µA, and the working voltage reached 546 V/mm. These results indicated that the excessive milling time might have led to excessively fine particles, which affected the varistor's performance. The milling conditions were further optimized by varying the milling time and using different types of mills. The best results were obtained with a planetary mill for 20 minutes per step, which reduced ball wear and minimized leakage current.

 

The effect of adding yttrium oxide and manganese oxide was also studied. Removing yttrium oxide reduced the grain size and lowered the working voltage to below 500 V. Increasing the amount of manganese oxide further enhanced the grain growth and decreased the leakage current, which confirmed that manganese oxide plays a key role in controlling the electrical properties.

Conclusion

This study demonstrated that adjusting the processing parameters, such as milling time, sintering temperature, and the use of additives like yttrium and manganese oxides, significantly influenced the electrical properties of ZnO-based varistors. A reduction in grain size was found to lower the working voltage, while increasing the manganese oxide content enhanced the varistor's performance by controlling grain growth and reducing leakage current. These findings provide valuable insights into optimizing the design and manufacturing of varistors with enhanced electrical characteristics for practical applications.

Ethical Considerations compliance with ethical guidelines

The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.

Funding

The costs of this research were covered by the company "Resin Avijeh Namjou," and we would like to express our sincere gratitude to Mr. Behrouz Minaei for his valuable cooperation in supporting this study.

Authors' contributions

Experimentation: Miad Maleki, Mohammad Jazirehpour

Data Analysis and Interpretation: Miad Maleki, Mohammad Jazirehpour

Final Draft Writing: Miad Maleki, Mohammad Jazirehpour

 

Conflicts of interest

The authors declared no conflict of interest.

 

 

مقاله پژوهشی
بررسی تاثیر پارامترهای فرآوری و تفجوشی قطعات با مقاومت متغییر وابسته به ولتاژ به منظور کنترل ولتاژ و جریان نشتی در ترکیبات پایه ZnO
محمد جزیره پور۱* ، 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
تاریخ دریافت: 19/09/1403 تاریخ داوری: 29/10/1403 تاریخ پذیرش: 15/02/1403	چکیده 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. یافته­ها: 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. نتیجه­گیری: 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.
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید       DOI: 10.71905/jnm.1403.1192900
واژه­های کلیدی: مقاومت وابسته به ولتاژ، اکسید روی، فرآوری، ولتاژ شکست، جریان نشتی
* نویسنده مسئول: محمد جزیره پور نشانی: دانشکده الکتروسرام و مهندسی برق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران. تلفن: [phone]         پست الکترونیکی: [e-mail]

 

 

مقدمه
مقاومت‌های وابسته به ولتاژ که به عنوان وریستور نیز شناخته می‌شوند، دسته مهمی از اجزای الکترونیکی هستند که در طیف وسیعی از کاربردها برای حفاظت از دستگاه‌های الکترونیکی در برابر نوسانات و افزایش ولتاژ استفاده می‌شوند. این مقاومت‌های غیرخطی با افزایش ولتاژ مقاومتشان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و این ویژگی آن‌ها را برای محافظت از مدارها در برابر شرایط اضافه ولتاژ مناسب می‌سازد. وریستورها در کاربردهای متنوعی مانند حفاظت در برابر افزایش ولتاژ در سیستم‌های تأمین برق، دستگاه‌های الکترونیکی، مخابرات و الکترونیک خودرویی به کار می‌روند. در بین انواع مختلف وریستورها، وریستورهای مبتنی بر اکسید روی (ZnO) به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند ظرفیت بالای جذب انرژی، زمان پاسخ سریع و پایداری بلندمدت، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. وریستورهای ZnO به طور معمول هم در کاربردهای با ولتاژ بالا و هم ولتاژ پایین استفاده می‌شوند و حفاظت ضروری در سیستم‌های الکترونیکی را ارائه می‌دهند (1-3).

وریستورهای ZnO با ولتاژ پایین، که به طور خاص برای کار در سطوح ولتاژی پایین‌تر از وریستورهای معمولی طراحی شده‌اند، به طور فزاینده‌ای در سیستم‌های الکترونیکی مدرن مانند آداپتورها، لوازم خانگی و دستگاه‌های الکترونیکی شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها برای تضمین طول عمر و قابلیت اعتماد مدارهای حساس که در دامنه ولتاژی باریکی کار می‌کنند، حیاتی هستند. عملکرد وریستورهای ZnO با ولتاژ پایین به طور عمده توسط ویژگی‌های میکروساختاری آن‌ها تعیین می‌شود که به شدت تحت تأثیر افزودنی‌ها و شرایط پردازش در حین ساخت آن‌ها قرار دارد. از منظر ریزساختاری این قطعات از دانه‌های نیمه‌رسانای ZnO احاطه شده با مرزدانه‌های نازک غنی از یکسری ترکیبات افزودنی مانند Bi2O3 تشکیل شده اند؛ که یک سد پتانسیل در مرزدانه‌ها ایجاد کرده و مسئول رفتار غیرخطی وریستور هستند. به این ترتیب افزودنی ها نقش مهمی در شکل‌گیری سد پتانسیل در مرزدانه‌ها ایفا می‌کنند. در ولتاژهای پایین، سد پتانسیل مرزدانه‌ای مانع از عبور جریان می‌شود و وریستور مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. با افزایش ولتاژ اعمالی و رسیدن به ولتاژ شکست، سد پتانسیل فرو می‌ریزد و جریان به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد. این رفتار منجر به مشخصه I-V غیرخطی وریستور می‌شود که با معادله I=KVα توصیف می‌شود، که در آن α ضریب غیرخطی است.

افزودنی‌هایی مانند  Bi2O3،  CoO و Cr2O3 برای بهبود غیرخطی بودن، پایداری و قابلیت جذب انرژی وریستورها به کار می‌روند. به طور مشابه، پارامترهای فرآوری مانند شرایط بال میلینگ و چرخه‌های پخت تأثیر زیادی در کنترل اندازه دانه‌ها، چگالی و توزیع فازی وریستور دارند که به طور مستقیم بر عملکرد الکتریکی آن‌ها تأثیر می‌گذارد (4, 5).

با وجود تحقیقات گسترده در زمینه تأثیرات افزودنی‌های خاص و پارامترهای فرآوری بر ویژگی‌های الکتریکی وریستورهای به سبب پیچیدگی ریزساختار و تاثیر زنجیره وار عوامل هنوز لزوم کسب درک کاملتر احساس می شود، به ویژه در مورد تعامل پارامترها با یکدیگر و نحوه تأثیرگذاری آن‌ها بر عملکرد در شرایط نوسان ولتاژ می توان اشاره کرد. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که دمای پخت، زمان آسیاب کاری و اتمسفر پخت تأثیر زیادی بر میکروساختار وریستور دارند، اما این تأثیرات معمولاً وابسته به بافت و ترکیب متفاوت است. علاوه بر این، در حالی که برخی افزودنی‌ها نشان داده‌اند که ویژگی‌هایی مانند غیرخطی بودن را بهبود می‌بخشند، تأثیر دیگر افزودنی‌ها بر عملکرد کلی هنوز نامشخص است. لذا بررسی بیشتر روابط دقیق بین افزودنی‌ها، شرایط فرآوری و ویژگی‌های عملکردی همچنان موضوعی مهم به محسوب می شود.

گزارشات و مقالاتی موجود هستند که افزودنی‌ها و نقش آن‌ها در بهبود عملکرد وریستورهای ZnO را مورد بررسی قرار گرفته شده است (6-8). به عنوان مثال، افزودن Bi2O3 نشان داده است که می‌تواند ضریب غیرخطی (α) را که یک عامل حیاتی برای تعریف پاسخ وریستور به نوسانات ولتاژ است، بهبود بخشد. تحقیقی توسط فو و همکاران (6) نشان داد که Bi2O3 ولتاژ شکست و جذب انرژی وریستورهای ZnO را بهبود می‌بخشد، در حالی که افزودنی‌های دیگری مانند Sb2O3 به پایداری مرز دانه‌ها کمک کرده و به این ترتیب موجب افزایش قابلیت اطمینان بلندمدت و کاهش جریان نشتی می‌شود. علاوه بر این، ژائو و همکاران (7) نقش CoO را در بهبود مقاومت وریستورهای ZnO در برابر شوک حرارتی و افزایش ظرفیت جذب انرژی مورد بررسی قرار داده‌اند. نتایج این مطالعه نشان داد که این افزودنی‌ها میکروساختاری پایدارتر و یکنواخت‌تر ایجاد می‌کنند که موجب بهبود دوام وریستور تحت شرایط نوسان ولتاژ مکرر می‌شود.

آسیاب گلوله ای، که یک مرحله اساسی در آماده‌سازی وریستورهای ZnO است، پارامتر پردازش دیگری است که بر میکروساختار و عملکرد الکتریکی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. چندین مطالعه تأثیر شرایط آسیاب کاری  مانند زمان و سرعت آسیاب کردن بر توزیع اندازه ذرات و همگن بودن مخلوط پودر را مورد بررسی قرار داده‌اند (9-11). به عنوان مثال، گزارش شده است که زمان‌های طولانی‌تر آسیاب کردن به ذرات ریزتر منجر می‌شود که باعث می‌شود میکروساختار یکنواخت‌تری ایجاد شود و ویژگی‌های وریستور بهبود یابد. با این حال، آسیاب کردن طولانی‌مدت می‌تواند باعث رشد دانه‌های بیش از حد شده و ضریب غیرخطی را کاهش دهد. بنابراین، یک شرایط بهینه برای آسیاب کاری ضروری است تا تعادلی بین ریزسازی دانه‌ها و حفظ میکروساختار مطلوب برقرار شود (9-11).

به طور مشابه، شرایط پخت شامل دما و زمان، در تعیین چگالی، اندازه دانه و تشکیل فازهای مختلف وریستور حیاتی است. تأثیر دمای پخت را بر ویژگی‌های الکتریکی وریستورها مورد بررسی قرار گرفته شده است (12، 13). دمای بالاتر پخت باعث بهبود فشردگی می‌شود، اما احتمال رشد دانه‌ها را افزایش می‌دهد که بر غیرخطی بودن تأثیر منفی می‌گذارد. مطالعات نشان می‌دهد که چرخه‌های پخت باید به‌گونه‌ای بهینه شوند که تعادل مناسبی بین چگالی و اندازه دانه‌ها برقرار گردد. علاوه بر این، جو پخت (مانند شرایط اکسیداسیون یا کاهش) نیز می‌تواند بر تشکیل نقص‌ها و پایداری وریستور تحت افزایش ولتاژ تأثیر بگذارد (12، 13). 

با وجود نکات ارزشمندی که از مطالعات قبلی به‌دست آمده است، تعامل بین افزودنی‌های مختلف و تأثیرات ترکیبی شرایط آسیاب کاری و پخت به‌طور کامل درک نشده است. به ویژه برای وریستورهای ZnO با ولتاژ پایین نیاز به مطالعاتی است که ترکیب بهینه این عوامل را برای دستیابی به عملکرد بهتر در کاربردهای ولتاژ پایین بررسی کنند. علاوه بر این، پایداری عملکرد و کنترل مشخصات الکتریکی وریستورهای ZnO با ولتاژ پایین، همچنان مسئله مهمی است (4, 14).

تحقیق کنونی بررسی نقش انواع افزودنی‌ها و پارامترهای فراوری، به‌ویژه با تمرکز بر بهینه‌سازی شرایط آسیاب کاری و چرخه‌های پخت انجام می‌شود. با بکارگیری ترکیب‌های خاصی از افزودنی‌ها همراه با شرایط فرآوری دقیق می‌توان ولتاژ کاری و جریان نشتی وریستورهای ZnO  با ولتاژ پایین را در محدوده دلخواه کنترل کرد. با تنظیم این پارامترها، پیش‌بینی می‌شود که تحقیق کنونی بتواند قابلیتهای ارزشمندی را در طراحی وریستورهای ولتاژ پایینZnO ، ارائه دهد.

مواد و روش­ها

مواد اولیه شامل اکسید روی مرک، اکسید آنتیموان، اکسید بیسموت، اکسید کبالت، اکسید منگنز، اکسید ایتریم، اکسید کروم همگی با خلوص آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب نمونه اولیه برای شروع کار مطابق فرمول 1 و با الهام از برخی گزارشات انتخاب شد (15, 16). بر این اساس فرآیند تولید نمونه شامل انجام آسیاب کاری مواد اولیه به مدت دو ساعت در آسیاب پرانرژی، کلسینه کردن در دمای 900 درجه سانتی‌گراد، خردایش پودر کلسینه شده به مدت 2 ساعت در آسیاب پرانرژی و در نهایت پودر نمونه ها با فشار 6/0 تن بر سانتیمتر مربع به صورت قرص متراکم و در ادامه در دمای 1210 به مدت دو ساعت تحت تفجوشی قرار گرفت.

رابطه (1)

90/96ZnO+7/0Bi2O3+1/0Y2O3+1Sb2O3+8/0Co2O3+25/0MnO2+25/0Cr2O3

در ادامه با تغییر برنامه آسیاب کاری و خردایش و همچنین نوع آسیاب بررسی هایی به منظور حصول شرایط مطلوبتر صورت گرفت. همچنین اثر اعمال تغییرات در فرمول ترکیبات اولیه بر مبنای اکسید ایتریم و اکسید منگنز مورد بررسی قرار گرفت. برای مشخصه یابی ساختار فازی و میکروساختار نمونه ها به ترتیب از پراش سنجی اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدان استفاده شد.

برای بررسی مشخصات الکتریکی نمونه­های ساخته­شده شامل اندازه­گیری ولتاژ کاری، جریان نشتی  و ضریب غیرخطی از ستاپ مخصوص تست وریستور استفاده شد. در این ستاپ جریان 1میلی­آمپر توسط یک منبع تغذیه به دو انتهای نمونه اعمال می­شود. یک ولت‌سنج به‌صورت موازی با نمونه در مداربسته می­شود تا اختلاف‌پتانسیل دو سر نمونه اندازه‌گیری شود. یک گالوانومتر نیز به‌صورت سری با نمونه قرار گرفت و میزان جریان نشتی  از نمونه اندازه­گیری شد.

نتایج

با توجه به اینکه توزیع سایز مواد اولیه به مشخصات نهایی به طرز چشمگیری در مشخصات نهایی نمونه وریستور تاثیر گذار هستند در شکل 1 تصاویر SEM مربوط به مواد اولیه مورداستفاده با هدف بررسی توزیع اندازه ذرات ارائه شده است. بر اساس تصاویر ذرات پودر اکسید روی دارای ابعاد متوسط 20/0 میکرون، ذرات پودر اکسید آنتیموان دارای اندازه دانه متوسط 2 میکرون، اکسید بیسموت دارای میانگین اندازه ذره حدوداً 250میکرون با اشکال شبیه منشور و ذرات پودر اکسید کبالت اندازه ذراتی در محدوده 5/0 تا 3 میکرومتر هستند. ذرات اکسید منگنز با اندازه متوسط 5 میکرون می­باشد.

 

 

 

شکل 1- تصاویر میکروسکوپی از توزیع ابعاد ذرات مواد اولیه مورد استفاده در تحقیق (الف) اکسید روی مرک (ب) اکسید کروم (پ) اکسید آنتیموان (ت) اکسید بیسموت (ث) اکسید کبالت (ج) اکسید منگنز

 

الگوهای پراش در مورد نمونه مورد مطالعه در سه مرحله قبل کلسینه، بعد کلسینه و بعد از تفجوشی تهیه‌شده که الگوهای پراش در شکل 2 دیده می­شود. نتایج فازیابی برای نمونه قبل از کلسینه نشان می­دهد، الگوی پراش نمونه با کارت PDF مربوط به اکسید­روی به شماره­ی (4179-900-96)، اکسید­بیسموت به شماره­ی (2328-901-96)، اکسیدآنتیموان به شماره­ی (7610-900-96) مطابقت دارد لذا الگوی پراش نمونه مخلوطی از فازهای مختلف است. در الگوی مربوط به نمونه قبل از کلسینه کردن هیچ قله­ی مشخصه­ای مربوط به فاز غنی از بیسموت و فاز اسپینل قابل‌مشاهده نیست. فقط پیک­های مربوط به اکسید روی با بیشترین شدت، اکسید بیسموت و اکسید آنتیموان قابل‌مشاهده است و بقیه اکسید­ها به دلیل درصد وزنی پایین و مخلوط شدن و عدم تمرکز قابل آشکارسازی نیستند که این ناشی از محدودیت روش XRD است.

در الگوی پراش اشعه ایکس مربوط به نمونه بعد از کلسینه کردن ، فاز اسپینل Zn7Sb2O12 (1858-074-01) نمایان شده است و پیک مربوط به اکسید آنتیموان محوشده است. فاز اسپینل نقش مهمی در کنترل رشد دانه و بهبود خواص الکتریکی وریستور ایفا می‌کند.  در این ارتباط این توضیح لازم است که واکنشی که منجر به ایجاد فاز اسپینل می­شود به‌صورت زیر است (17, 18):

رابطه (2)	4ZnO+3Bi2O3+Sb2O3+O2 ® Bi2(Zn4/3Sb2/3)O6
رابطه (3)	Bi2(Zn4/3Sb2/3)O6+3ZnO® Zn7Sb2O12+ Bi2O3(liq)

در برخی از منابع نیز گزارش‌شده است که فاز اسپینل از واکنش مستقیم ZnO و Sb2O3 تشکیل می­شود (19):

رابطه (4)	ZnO+Sb2O3 ® ZnSb2O6
رابطه (5)	ZnSb2O6+6ZnO® Zn7Sb2O12

در الگوی پراش مربوط به نمونه بعد از تفجوشی، فاز مربوط به اکسید بیسموت ظاهر می­شود و علاوه بر فاز اسپینل، فاز غنی از بیسموت نیز نمایان می­شود. ظهور مجدد پیک‌های Bi2O3 و حضور فاز غنی از بیسموت نشان‌دهنده ذوب و تبلور مجدد Bi2O3 در مرزدانه‌ها است. این فاز نقش کلیدی در شکل‌گیری سد پتانسیل مرزدانه‌ای دارد. پهنای کم قله و نوک‌تیزی قله­ها، درشت بودن دانه‌بندی و درجه بالای بلوری بودن را اثبات می­کند. در کنترل خواص الکتریکی وریستور مهمترین عامل اثر گذار دانه بندی و مورفولوژی ریزساختار می باشد. همچنین با توجه به اینکه ترکیب کلی نمونه­ها بسیار نزدیک به هم است و تنها مقادیر برخی از اکسیدها در یک بازه کوچک تغییر داده می شوند تغییرات در الگوی پراش به‌سادگی قابل‌تشخیص نیست، لذا در این مقاله صرفاً به ارائه آنالیز XRD نمونه پیش­فرض اکتفا شد.

 

 

 

 

شکل 2-  الگوی پراش الف) نمونه قبل از کلسینه کردن، ب) نمونه بعد از کلسینه کردن و خردایش و ج) نمونه بعد از تفجوشی

 

شکل3 تصویر SEM از نمونه دارای ترکیب پیش‌فرض را پس از تفجوشی در دمای 1210 به مدت دو ساعت نشان می­دهد. بر اساس تصویر، ریزساختار نمونه دربردارنده دانه­هایی با ابعاد 4 تا 5 میکرون است. اگرچه توزیع ذکر شده برای ابعاد دانه­های قابل‌مشاهده در تصویر، توزیع ابعادی غالب را تشکیل می­دهد ولی دانه­هایی با ابعادی خارج از این بازه نیز قابل‌مشاهده هستند. معمولاً بروز گستردگی در توزیع ابعاد دانه­ها به استفاده از آسیاب پرانرژی نسبت داده می­شود (2).

 

شکل 3- تصویر ریزساختار نمونه اولیه بعد از تفجوشی در دمای 1210 درجه سانتی‌گراد به مدت دو ساعت

در جدول 1 نتایج اندازه گیری مشخصات الکتریکی مربوط به نمونه با ترکیب پیش‌فرض و تفجوشی شده در دمای 1210 به مدت دو ساعت آورده شده است.

جدول 1- مشخصات الکتریکی نمونه با ترکیب پیش‌فرض اولیه

بر اساس داده های اندازه گیری در جدول 1 جریان نشتی نمونه بیش از Aμ 60 و ولتاژ کاری 546 ولت بر میلیمتر حاصل شد. بالا بودن ولتاژ کاری با کوچکتر بودن اندازه دانه ها (از حد لازم) و جریان نشتی بزرگ با عدم اعمال فشار پرس مناسب (که منجر به کاهش دانسیته نهایی قطعات می شود) مرتبط باشد. لذا به نظر می رسد استفاده از آسیاب پرانرژی به مدت‌زمان دو ساعت (که زمان بالایی برای کاربرد این آسیاب محسوب می شود) منجر به ریز شدن بیش از حد لزوم برای عملکرد مورد انتظار وریستور شده است. شرایط آسیاب­کاری یکی از ابزارهای کنترل پارامترهای الکتریکی محسوب می گردد. برای این هدف دو نوع آسیاب پرانرژی و سیاره­ای برای بررسی مدنظر قرار گرفت و مدت‌زمان آسیاب به‌عنوان متغیر در مورد هر نوع آسیاب لحاظ شد.

آسیاب پرانرژی در سه حالت زمان کاری 2ساعت-2ساعت(اختلاط-خردایش)، 2ساعت-1ساعت و 15دقیقه-15دقیقه انجام گرفت. بدیهی است که مطابق انتظار کمترین میزان سایش گلوله (007/0 گرم برای 12 گرم پودر) در مورد حالت 15دقیقه-15دقیقه مشاهده گردید. لازم به توضیح است که در بررسی های ذکر شده نسبت گلوله به پودر 3 به 1 و مقدار 18 گرم آب برای هر محفظه در نظر گرفته شد.

در آسیاب سیاره­ای نیز دو حالت ۲ساعت-۱ساعت(اختلاط-خردایش) و ۲۰دقیقه-۲۰دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. بررسی نشان داد در حالت ۲۰دقیقه-۲۰دقیقه میزان سایش گلوله تقریباً برابر حالت ۱۵دقیقه-۱۵دقیقه در آسیاب پرانرژی بوده است. لازم به ذکر است که تعیین میزان سایش گلوله­های زیرکونیا با توزین گلوله­ها قبل و بعد از هر مرحله آسیاب و محاسبه اختلاف وزن گلوله­ها انجام شد که در این رابطه میان افزایش جریان نشتی  با افزایش ناخالصی درون مواد ارتباط مستقیم مشاهده گردید. در جدول 2 مقدار کاهش وزن حاصل از سایش گلوله­ها و تغییرات جریان نشتی آورده شده است:

جدول 2- میزان کاهش وزن حاصل از سایش گلوله زیرکونیا و تأثیر آن بر جریان نشتی

شرایط تفجوشی	ولتاژ کاری()	جریان نشتی (Aμ)
2-1210h	546	Aμ 60<

نوع دستگاه آسیاب (اختلاط اولیه-خردایش پودر کلسینه)	مقدار کاهش وزن گلوله­ها (درمجموع دو مرحله آسیاب)	جریان نشتی (Aμ)
پرانرژی(دوساعت-دوساعت)	5/0گرم (5/1 درصد)	60<
پرانرژی(دوساعت-یک­ساعت)	3/0گرم (25/1درصد)	60<
پرانرژی(15دقیقه-15دقیقه)	014/0گرم (043/0درصد)	18
سیاره­ای(دوساعت-یک­ساعت)	2/0گرم (1/0 درصد)	9
سیاره­ای(20دقیقه-20دقیقه)	008/0گرم (040/0 درصد)	2

بر اساس گزارش‌ها درشت بودن اندازه دانه­ها معمولاً منجر به افزایش ولتاژ کاری وریستور می­شود (20). در شرایطی که کاهش زمان آسیاب­کاری که درشت ماندن اندازه ذرات را به دنبال دارد به همگن بودن پودر زیانی نرساند می­توان از این رویکرد برای تنظیم ولتاژ کاری در میزان مطلوب بهره جست. با این پیش فرض که شرایط اختلاط و خردایش به‌صورت 20دقیقه-20دقیقه در آسیاب سیاره­ای به دلیل حداقل شدن میزان سایش گلوله­ها و همچنین حداقل شدن جریان نشتی شرایط مناسبی را برای عملکرد وریستور فراهم کرده باشد این شرایط آسیاب کاری به‌عنوان شرایط جدید بهینه در نظر گرفته شد.

فرآوری نمونه با ترکیب پیش‌فرض با اصلاح شرایط آسیاب کاری شرایط مطلوبی را در مورد جریان نشتی فراهم آورد. هر چند ولتاژهای کاری اندازه گیری شده برای نمونه های فهرست شده در جدول 2 همگی بیش از 500 ولت بوده است. لذا برای دستیابی به نمونه های دارای ولتاژ کاری کمتر از 500 ولت تنظیم اجزای افزودنی دارای نقش افزاینده و کاهنده رشد دانه­ها مد نظر قرار گرفت. از بین اکسیدهای افزودنی موجود در ترکیب پیش فرض، تغییر میزان اکسید ایتریم با نقش عامل کاهنده رشد دانه و اکسید منگنز به‌عنوان عامل افزاینده رشد دانه، برای اصلاح ترکیب دارای فرمولاسیون اولیه انتخاب شدند.

در منابع اشاره شده است اکسید ایتریم در وریستورهای اکسیدروی علاوه بر کنترل خواص الکتریکی به‌طور قابل‌توجهی رشد دانه­های اکسید روی را کنترل می­کند و مانع رشد ذرات می­شود (15, 16, 21). لذا این ایده شکل گرفت که به ‌منظور دستیابی به ساختار دانه درشت­تر در ترکیب پیش‌فرض انتخاب‌شده، اکسید ایتریم حذف گردد تا با حذف آن اندازه دانه­ها حین تفجوشی افزایش‌یافته و دستیابی به ولتاژ کاری کمتر از 500 ولت میسر شود. نتایج تست­های الکتریکی انجام‌شده جهت بررسی تأثیرات حذف اکسید ایتریم بر روی ولتاژ کاری و جریان نشتی در جدول 3 ارایه شده است. نتایج به‌خوبی بیانگر این موضوع است که ایده مطرح‌شده محقق شده است و در نمونه های تفجوشی شده در دماها و زمانهای مختلف حذف این اکسید باعث کاهش ولتاژ کاری و جریان نشتی گردیده است. این نمونه­ها همان‌طور که اشاره شد دارای همان ترکیب پیش‌فرض انتخاب‌شده منهای جزء اکسید ایتریم بوده­اند و در شرایط مختلفِ تفجوشی تولید شده‌اند.

نمودار تغییرات ولتاژ و جریان نشتی برحسب زمان تفجوشی برای سه دمای متفاوت در شکل 4 رسم شده است. بررسی تفجوشی در محدوده دمایی 1210 تا 1250 درجه سانتی‌گراد و محدوده زمانی 1 تا 3 ساعت برای هر دما انجام گرفت. تغییرات ولتاژ کاری با افزایش دما و نیز افزایش زمان تفجوشی دارای روندی نزولی است اما جریان نشتی با افزایش دما و زمان تفجوشی روندی صعودی پیداکرده است. به ازای مدت‌زمان تفجوشی یک ساعت در سه دمای مختلف 1210،1230 و 1250 درجه سانتی‌گراد ولتاژ کاری و جریان نشتی تفاوت محسوسی با یکدیگر ندارند اما با افزایش مدت‌زمان به 2 و 3 ساعت این تفاوت‌ها چشم‌گیر می­شود به طوریکه در مدت‌زمان سه ساعت تفجوشی در دمای 1210 درجه سانتی‌گراد ولتاژ کاری در حدود 260 ولت بر میلی‌متر بیشتر از نمونه تفجوشی شده در دمای 1250 سانتی‌گراد شده است. جریان نشتی نیز در این محدوده دمایی از 20 میکرو آمپر تا مقداری که بیش از ماکزیمم مقدار قابل اندازه‌گیری دستگاه بوده تغییر داشته است.

جدول 3- مشخصات الکتریکی اندازه گیری شده نمونه­های تفجوشی شده در دماها و زمان­های مختلف پس از حذف اکسید ایتریم

 

مطابق نمودارهای رسم شده برای جریان نشتی  و ولتاژ کاری روند کاهشی در ولتاژ و افزایشی در جریان نشتی برای افزایش دما و نیز افزایش مدت‌زمان مشهود است. این روند را می‌توان به رشد بیشتر دانه‌ها و افزایش تراکم در دماها و زمان‌های بالاتر نسبت داد. رشد بیشتر دانه‌ها باعث کاهش تعداد مرزدانه‌ها در مسیر جریان شده و در نتیجه ولتاژ کاری کاهش می‌یابد. افزایش جریان نشتی به تبخیر اکسید بیسموت قابل انتساب است. از طرفی، افزایش تراکم و کاهش تخلخل نیز می‌تواند منجر به افزایش جریان نشتی شود (22-25).

 

 

ولتاژ کاری()	جریان نشتی (Aμ)	شرایط تفجوشی
754	1	1-1210h
522	13	2-1210h
479	20	3-1210h
765	7/0	1-1230h
435	4/9	2-1230h
398	17	3-1230h
738	8/0	1-1250h
395	48	2-1250h
320	60<	3-1250h

 

 

 

شکل4- از راست به چپ نمودارهای تغییرات جریان نشتی و ولتاژ برحسب زمان تفجوشی برای سه دمای 1210،1230 و 1250 درجه سانتی‌گراد می باشد

 

در ادامه بررسی تأثیرات اجزا افزودنی موجود در ترکیب پیش‌فرض انتخاب‌شده اکسید منگنز که به‌عنوان یک عامل تشدیدکننده رشد دانه شناخته می­شود مورد توجه قرار گرفت (26, 27). در گزارش‌ها به این مطلب اشاره‌شده است که اکسید منگنز با جلوگیری از تبخیر اکسید بیسموت منجر به افزایش رفتار غیرخطی وریستور می‌گردد (28). به‌این‌ترتیب این ایده مد نظر قرار گرفت که این تأثیرات با افزایش میزان درصد اکسید منگنز در ترکیب اولیه تا حد دو برابر مقدار موجود در ترکیب پیش‌فرض انتخاب‌شده بررسی شوند. نتایج مشخصه­یابی الکتریکی نمونه­های تولیدشده با میزان اکسید منگنز به میزان دو برابر مقدار موجود در ترکیب پیش‌فرض انتخابی در جدول 4 ارائه‌شده است. شایان‌ذکر است که این نتایج به ازای شرایط تفجوشی متفاوت در بازه دمایی 1210-1250 و در بازه زمانی 1 تا 3 ساعت به‌دست‌آمده است.

 

جدول 4- تغییرات مشخصات الکتریکی نمونه­ها با افزایش مقدار اکسید منگنز در شرایط تفجوشی مختلف

منحنی­های تغییرات ولتاژ کاری و جریان نشتی برحسب شرایط مختلف تفجوشی در شکل 5 ارائه‌شده است. بررسی شرایط تفجوشی همچون نمونه بدون اکسید ایتریم در محدوده دمایی 1210 تا 1250 درجه سانتی‌گراد و محدوده زمانی 1 تا 3 ساعت برای هر دما انجام گرفت. تغییرات ولتاژ کاری با افزایش دما و نیز افزایش زمان تفجوشی دارای روندی نزولی است اما جریان نشتی با افزایش دما و زمان تفجوشی روندی صعودی دارد. در مدت یک ساعت تفجوشی در سه دمای مختلف 1210،1230 و 1250 درجه سانتی‌گراد در نمودار ولتاژ کاری و جریان نشتی تفاوتی محسوسی مشاهده نمی­شود. اما با افزایش مدت‌زمان به 2 و 3 ساعت همان‌طور که برای نمونه قبل نیز مشاهده شد این تفاوت­ها چشمگیر می­شود به طوریکه در مدت‌زمان سه ساعت تفجوشی در دمای 1210 درجه سانتی‌گراد ولتاژ کاری در حدود 200 ولت بر میلی‌متر بیشتر از نمونه تفجوشی شده در دمای 1250 سانتی‌گراد است. در دمای 1250 درجه سانتی‌گراد حساسیت این نمونه را نسبت به زمان می­توان مشاهده کرد که ولتاژ از محدوده 700 ولت بر میلی‌متر به محدوده 200 ولت بر میلی‌متر رسیده و نیز جریان نشتی از مقدار 3/2 میکرو آمپر به مقدار بیشینه قابل اندازه گیری دستگاه یعنی Aμ 60 رسیده است. با توجه به هدف گذاری بیشینه محدوده مطلوب برای جریان نشتی (Aμ 15>)، نمونه در دمای 1210 درجه به مدت 2 ساعت دارای جریان نشتی 7/13 میکرو آمپر و ولتاژ 482 ولت بر میلی‌متر است.

با توجه به نتایج مشاهده‌شده چنانچه پیشتر اشاره شد کاهش ولتاژ کاری نمونه­های وریستور تولیدشده در این بخش را می­توان به افزایش اندازه ذرات منتسب کرد چراکه اکسید منگنز به‌خوبی به‌عنوان یک عامل تشدیدکننده رشد دانه شناخته‌شده است. افزایش رشد دانه ها به معنای کاهش تعداد مرزدانه است و از آنجا که مرزدانه­های غنی از اکسید بیسموت عامل مهمی در شکل گیری سد پتانسیل هستند، رشد دانه که با کاهش مزردانه و کاهش سد پتانسیل همراه است ولتاژ عمل کردن واریستور را کاهش می دهد. در رابطه با جریان نشتی نتایج حاصل از افزایش میزان اکسید منگنز بهبود معناداری در این رابطه مشاهده نگردید که می‌تواند ناشی از افزایش رسانایی الکتریکی در اثر افزایش میزان این اکسید باشد چراکه MnO2 با ایجاد حالت‌های دهنده (اضافه شدن الکترون آزاد به نوار رسانش با افزوده شدن برخی مواد به شبکه بلوری یک نیمه‌رسانا) در شبکه ZnO، رسانایی الکتریکی را افزایش می‌­دهد. لذا از اکسید منگنز نمی توان انتظار ایجاد بهبود در شرایط جریان نشتی را داشت و این اکسید بیشتر به‌عنوان عامل مؤثر در تنظیم ولتاژ کاری مطرح است.

 

ولتاژ کاری()	جریان نشتی (Aμ)	شرایط تفجوشی
658	3/4	1-1210h
482	7/13	2-1210h
415	40	3-1210h
707	4/3	1-1230h
473	3/32	2-1230h
360	60<	3-1230h
690	3/2	1-1250h
312	60<	2-1250h
222	60<	3-1250h

 

شکل 5-  نمودار تغییرات ولتاژ و جریان نشتی برحسب زمان تفجوشی برای سه دمای 1210،1230 و 1250 درجه سانتی‌گراد

 

نتیجه گیری

1- پراش اشعه ایکس نشان داد که پس از اکسید روی به عناون فاز پایه، فاز عمده نمونه­ها بعد از کلسینه فاز اسپینل Zn7Sb2O12 بود که در کنار فازهای غنی از بیسموت ظاهر  می شد.

2-نمونه اولیه تولید شده با آسیاب پر انرژی و تفجوشی شده در 1210 درجه سانتیگراد به سبب ریز شدن زیاد، ولتاژ کاری 546 ولت بر میلیمتر و جریان نشتی بیش از 60 میکروآمپر داشت.

3-آسیاب کاری با آسیاب سیاره ای در زمان‌های مختلف نشان داد که با کاهش زمان آسیاب، سایش گلوله‌ها کمتر شده و جریان نشتی نیز کاهش یافت.

4-با حذف اکسید ایتریم از ترکیب، اندازه دانه‌ها بزرگتر شد و ولتاژ کاری کاهش یافت. در شرایط مختلف تفجوشی، ولتاژ کاری کمتر از 500 ولت به دست آمد.

5-مشخص شد اکسید منگنز به عنوان عامل تشدیدکننده رشد دانه عمل کرد و افزایش مقدار آن باعث کاهش ولتاژ کاری شد. هرچند تأثیر زیادی بر جریان نشتی نداشت.

ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش

همکاری مشارکت­کنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.

 

 

حامی مالی

انجام برخی از تست های الکتریکی مرتبط و تامین بخشی از هزینه­ تحقیق حاضر توسط شرکت رزین آویژه نامجو صورت گرفته است و در این رابطه از همکاری شایسته جناب آقای مهندس بهروز مینایی قدردانی می گردد.

مشارکت نویسندگان

انجام آزمایش ها: میعاد ملکی، محمد جزیره پور،

تحلیل داده­ها و نتایج: میعاد ملکی، محمد جزیره پور،

نگارش نهایی: میعاد ملکی، محمد جزیره پور،

تعارض منافع

بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

---