بخشی از مقاله
واریستورهای کامپوزیتی اکسیدروی-پنتااکسیدوانادیم-پلیمر با روش پرس گرم در دمای 130 درجه سانتیگراد تحت فشارهای مختلف 20 MPa، 40 MPa، 60 MPa و80 MPa سنتز شدند. سپس تاثیر فشار سنتز بر میکروساختار و خواص الکتروفیزیکی آنها بررسی شد. مطالعه مشخصهی "جریان – ولتاژ" نمونهها نشان میدهد که با افزایش فشار سنتز، جریان نشتی افزایش مییابد. همچنین، کاهش ولتاژ شکست، ضریب غیر خطی، ارتفاع سد پتانسیل و مقاومت الکتریکی نواحی خطی، نتیجه ای از افزایش فشار سنتز است. افزایش در فشار سنتز منجر به افزایش مساحت حلقهی هیسترزیس شده و طول عمر واریستور کاهش مییابد. بررسی تصاویر SEM نمونهها نمایانگر کاهش اندازهی متوسط دانهها و فاصلهی دانهها با افزایش فشار سنتز است.
در برابر ولتاژهای گذرا را افزایش داده است. یکی از راهکارهای مناسب جهت این حفاظت، استفاده از تثبیت کنندهی ولتاژ با ویژگی "جریان-ولتاژ" غیر خطی است. این نوع از تثبیت کننده-های ولتاژ واریستور نام دارد که به صورت یک مقاومت موازی در مدار قرار داده میشود و جریان شدیدی را که در اثر ولتاژ بالا به وجود میآید تغییر جهت داده و از عبور آن از قسمتهای حساس مدارجلوگی میکند.[1-2] واریستورهای اکسیدروی به خاطر رفتار
"جریان- ولتاژ" غیرخطی و قابلیت جذب انرژی بالا کاربرد زیادی در حفاظت مدارهای حساس دارند.
تاثیرافزودن ناخالصیهای
مختلف بر ویژگیهای واریستوری مانند ضریبغیرخطی، ولتاژ-شکست و ریزساختار واریستورها، توجه محققان زیادی را به خود جلب کرده است .[3] اخیرا، در واریستورهای اکسیدروی به جای استفاده از اکسیدهای کاتیونی مانند Bi2O3، CoO و Pr6O11 به عنوان مولد رفتار غیرخطی، از یک ماده جایگزین با ویژگیهای خاص به نام پنتااکسیدوانادیم استفاده میکنند. استفاده از پنتااکسید وانادیم به عنوان مادهی افزودنی حتما بر خواص الکتروفیزیکی واریستور و ریز ساختار آن از جمله اندازهی دانهها، فاصله دانهها و نحوهی توزیع دانهها تاثیر دارد. مطالعه بر روی سرامیکهای بر پایه ZnO-V2O5 هنوز از بسیاری از لحاظ در مراحل اولیه است .[4]
جهت تسهیل فرآیند ساخت واریستورها و بهینه سازی رفتار الکتریکی آنها، از کامپوزیت کردن اکسیدروی با پلیمرها استفاده میشود. مطالعات انجام یافته نشان میدهد که حضور دو نوع پلیمر رسانا و گرمانرم در ترکیب برای افزایش کیفیت واریستورها موثر است. پلیآنیلین، به عنوان یک پلیمر رسانا، به تنهایی رفتار الکتریکی کاملا اهمی دارد؛ در حالی که پلیمر گرمانرم پلیاتیلن عایق است. در حالت کلی پلیآنیلین مولد رفتار غیرخطی واریستور است و پلیاتیلن باعث افزایش استحکام مکانیکی و کاهش جریان نشتی واریستور میگردد.[5] تاثیر افزودن همزمان پلیمر و پنتااکسیدوانادیم بحثی است که تاکنون در کارهای پژوهشی به آن پرداخته نشده است. از طرفی وابستگی رفتار واریستورها به شرایط تهیهی آنها باعث میشود که پارامترهای زیادی درمورد آنها قابل مطالعه باشد. یکی از فاکتورهای اصلی در ساخت واریستورها فشار سنتز است. در این کار تجربی تاثیر فشار سنتز بر خواص الکتروفیزیکی واریستورهای ZnO-V2O5- Polymer بررسی شده است.
مواد و روشها
برای تهیهی نمونهها از اکسیدروی، پلیآنیلینآلاییده، پلیاتیلن با چگالی بالا و پنتااکسیدوانادیم استفاده شده است. جهت آماده سازی مواد اولیه، ابتدا پلیآنیلین به رنگ سبز زمردی و به صورت پودری سنتز شد.[6] اکسیدروی در هاون آسیاب شد تا کاملا پودر شود و در کوره به مدت 2 ساعت در دمای 700 درجه سانتیگراد قرار داده شد تا رسانندگی آن به مقدار مطلوب برسد. تمام مواد اولیه با الک شماره مش 200 غربال شدند تا قطر ذرات تشکیل دهنده کوچکتر از 74 میکرون گردد. براساس مطالعات قبلی، یک واریستور کامپوزیتی خوش رفتار زمانی ساخته میشود که اکسیدروی، پلی-آنیلین، پلیاتیلن و پنتااکسیدوانادیم به ترتیب با درصد جرمی 0/85 ، 0/5، 0/5، 0/5 ترکیب شوند. مواد اولیه در یک آسیاب گلولهای به مدت 36 ساعت مخلوط شدند تا از نظر توزیع ذرات یکنواخت شوند. نمونهها به روش پرس گرم با استفاده از قالبی با قطر 10 میلیمتر در دمای سنتز 130 درجه سانتیگراد، تحت فشارهای سنتز مختلف 20 MPa، 40 MPa، 60MPa، 80MPa تهیه شدند. سپس نمونههای تهیه شده از نظر شکل ظاهری مانند یکنواختی ضخامت، یکنواختی رنگ، نداشتن ترک و ... با یک میکروسکوپ نوری بررسی شدند. برای مطالعه خواص الکتریکی، نمونه بین 2 الکترود مسی با قطر 6 میلیمتر قرار داده شد و با اعمال ولتاژ مستقیم به نمونه، جریان گذرنده از آن اندازهگیری گردید. دقت اندازه گیری ولتمتر 1 ولت و برای آمپرمتر 0,001 میلی آمپر است. سپس، با افزایش ولتاژ به بالاتر از ولتاژ شکست و کاهش آن به صفر، حلقه هیسترزیس نمونهها رسم شد. برای بررسی خواص ساختاری پودر تهیه کننده نمونهها از پراش اشعهی X استفاده شد.
طیف اشعهی X توسط دستگاه D500X-ray, Siemens CU-K radiation موجود در دانشگاه تبریز تهیه شد. برای بررسی ریزساختار نمونهها از تصاویر SEM گرفته شده توسط دستگاه TESCAN MIRA3 موجود در دانشگاه تبریز استفاده شده است.
نتایج و بحث
اولین اثر مشهود افزایش فشار سنتز بر واریستورهای کامپوزیتی،بهبود پایداری مکانیکی آنهاست. در واقع با افزایش فشار، در دمای بالا، ذرات پودری با استحکام بیشتری بهم میچسبند. رفتار "جریان-ولتاژ" کامپوزیتهای اکسیدروی-پنتااکسید وانادیم-پلی-آنیلین-پلیاتیلن از نوع غیرخطی واریستوری است. همانطور که در شکل 1 دیده میشود، قبل از ولتاژ شکست جریان نشتی کم بوده و قابل چشمپوشی است. اما، بعد از ناحیهی شکست، جریان عبوری از واریستور به طور چشمگیری افزایش مییابد. بررسی رفتار "جریان-ولتاژ" نمونههای ساخته شده در فشارهای سنتز مختلف نشان میدهد که با افزایش فشار سنتز، ولتاژ شکست کاهش مییابد - شکل. - 2 مشاهده میشود که در فشارهای پایین، تاثیر افزایش فشار سنتز بر کاهش اندازه ولتاژ شکست بیشتر بوده و با حرکت به سمت فشارهای بالا این اثر کاهش مییابد. همچنین با افزایش فشار سنتز، مقاومت الکتریکی در ناحیهی خطی پیش از شکست و نیز در ناحیه خطی بعد از شکست کاهش مییابد - شکل. - 3 در مورد اندازه مقاومت الکتریکی نمونه ها در نواحی خطی قبل و بعد از شکست نیز مشاهده میشود که شیب کاهش ابتدا تند بوده و با افزایش فشار، این شیب کاهش مییابد. پیش بینی میشود که با افزایش بیشتر فشار، تابعیت مقاومت از آن، هم در ناحیه پیش از شکست و هم در ناحیه بعد از شکست، حذف شود. تابعیت جریان واریستورازولتاژآن در ناحیه غیرخطی بهصورت رابطه I=kV میباشد. ضریب غیر خطی که یک پارامتر بسیار مهم در تعیین کیفیت واریستورها و زمان پاسخ آنها میباشد، شیب نمودار - lnI-lnv - در ناحیهی غیرخطی، است. ملاحظه میشود که با افزایش فشار سنتز، ضریب غیر خطی یک رفتار کاهشی تقریبا خطی دارد - شکل. - 4
شکل:1منحنی "جریان –ولتاژ نمونه های تهیه شده در فشارهای سنتز مختلف.
شکل:4 ضریب غیر خطی نمونه های واریستوری بر حسب فشار سنتز.
رفتار غیرخطی واریستورهای اکسیدروی، در واقع یک نمود ماکروسکوپی از ریزساختار ویژه این مواد کامپوزیتی است که شامل دانهها و مرزهای بین دانهای است. در نواحی تماس بین دانههای مجاور، سدهای پتانسیل وجود دارند. دلیل تشکیل این سدهای پتانسیل به تغییر شکل نوارهای انرژی نیمهرسانا در اثر میدانی که توسط ناخالصیهای باردار و نیز نقصهایی که در مرزهای بین بلوری به وجود میآیند، مربوط میشود. این رفتار با توجه به نظریه سد شاتکی قابل توجیه است.[7-8] در سازو کار هدایت از نوع شاتکی از مدل پیانارو استفاده میشود:
j= AT2 H[S> - - 0.5- B - / kT] ارتفاع سد که در آن A و ثابت، T دما، E میدان اکتریکی، B پتانسیل و k ثابت بولتزمن میباشد. برای محاسبهی B ، کافی است عرض از مبدا نمودار - lnI-V0.5 - در یک دمای ثابت محاسبه شود. ملاحظه میشود که با افزایش فشار سنتز، ارتفاع سد پتانسیل به صورت تقریبا خطی کاهش مییابد - شکل. - 5 فرسایش یک واریستور، موضوع مهمی است که مستقیما روی طول عمر واریستور اثر میگذارد. بر طبق مطالعات موجود، دو احتمال برای فرسایش یک واریستور وجود دارد. وقتی جریان نشتی واریستور زیاد است، پدیده گرمایش ژول نقش اساسی در فرسایش آن ایفا میکند. زیاد شدن جریان نشتی باعث افزایش دمای کار واریستور - - Q= RI2t
