بخشی از مقاله
چکیده
پوشش عایق سطح جانبی در وریستورهاي اکسید روي به صورت ترموست، لعاب یا پوششهاي سرامیکی قابل اعمالمیباشند. در پوششهاي سربی مرسوم که بر روي قرص زینتر شده اعمال می گردند، با وجود دماي زینتر پایین، دو سیکل حرارتی مجزا مورد نیاز است. از طرف دیگر بخاطر سمی بودن ترکیبات سربی و مشکلات فریت سازي ، همواره حذفسرب از اجزاء پوشش مورد نظر بوده است. مزیت ردة جدیدپوششهاي مورد استفاده، یعنی پوشش هاي دما بالا، در اعمالدوغاب بر روي نمونه خام و پخت همزمان پوشش و بدنه در همان درجه حرارت زینتر بدنه ZnO میباشد که صرفهاقتصادي و زمانی را به دنبال خواهد داشت. در این مقاله، تهیهو اعمال پوششهاي بر پایه SiO2 و Fe2O3 ارائه شده وهمچنین تاثیر افزودن Bi2O3، B2O3 و Al2O3 بر خواص فیزیکی و الکتریکی پوشش قرصهاي بهینه سازي شده، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که تمامی پوشش هاي تهیه شده ازواکنش پذیري خوبی با سطح بدنهبرخوردارمی باشند. تصاویرحاصل از SEM پوشش ها وبدنه بهینه سازي شده نیز نتایج خوبی از نظر واکنش پذیري پوشش و بدنه و وجود تخلخل در نمونه ها ارائه می دهد.
کلمات کلیدي: وریستور اکسید روي، پوشش عایق دما بالا، اعمال پوشش ، ترکیبات بدون سرب، پخت همزمان
مقدمه
وریستورهاي اکسید روي جزء الکترو سرامیکهاي هوشمندمحسوب میگردند که نقش اصلی آنها در حفاظت سیستمهاي الکتریکی بوسیله حس و محدود کردن جریانات نا پایدار وگذرا میباشد بگونهاي که این وظیفه را بصورت مکرر و بدون تخریب شدن ایفاء مینمایند.[1] این وریستورها به خاطرمشخصههاي بالاي الکتریکی غیرخطی براي حفاظت صنایع الکتریکی و الکترونیکی به عنوان برقگیر1 استفاده می گردند .خواص غیر خطی جریان - ولتاژ در وریستور ZnO توسطرابطه تجربی زیر تشریح میگردد.تهیه وریستورهاي پایه اکسید روي با پوششهاي عایق دما بالاکه درآن J دانسیته جریان ، E میدان الکتریکی اعمالی ، αضریب غیرخطی و K عددي ثابت است .[2]تاریخچه وریستورهاي اکسید روي به سال 1971بازمیگرددکه ماتسوکا [1]نتایج خودرا درمورد خواص غیر خطی ZnO حاوي مقادیر مختلف Bi2O3، CoO، MnO،Cr2O3 و Sb2O3 منتشر کرد .
وریستورهاي اکسید روي تجاري امروزي شامل ده افزودنی مختلف هستند که مهمترینآنها Bi2O3، Sb2O3 میباشند . اکسید بیسموت زینتر درحضور فاز مایع مورد نیاز است که در اثناي سرمایش ، مذاب به صورت فاز غنی ازبیسموت متبلورمی شود . اکسید آنتیموان براي کنترل رشد دانه هاي اکسید روي مورد نیاز است که این کنترل با تشکیل فاز اسپینل با ترکیب اسمی Zn7Sb2O12صورت می گیرد که حاوي مقادیر اندکی کروم، منگنز، کبالت و بیسموت می باشد.فژ3-6بفسه قسمت تشکیل دهندة وریستورهاي ZnO عبارتند از بدنه سرامیکی پایه ZnO، پوشش عایق جانبی و دو سطح الکترود گذاري شده فوقانی و تحتانی جهت برقراري اتصال الکتریکی در مدار. بدنه سرامیکی از جنس ZnO بوده و توسط افزودنیهایی از اکسیدهاي فلزي در مقادیر جزئی -10/5 درصد مولی، سبب گسترش رفتار غیر خطی در زمینهZnO میشود.
پوشش عایق جانبی نقش مهمی در عملکرد خوب قرصبرقگیر ایفاء مینماید. این پوشش سبب جلوگیري از جرقه1مابین دیسکهاي متوالی در طی فرآیند تخلیه الکتریکی برقگیر میگردد7 ]و[ 8، لذا ایجاد یک پوشش عایق با خواص مناسب و چسبندگی خوب داراي اهمیت فراوانی در عملکرد صحیح قرص برقگیر میباشد. مشکلات متعددي در اعمال پوشش عایق روي قرصهاي اکسید روي وجود دارد. اولین مشکل طبیعت مادة اکسید روي پرس شده میباشد. که دوغابهاي پایهآبی نمیتوانند باندازة کافی سطح را در حالت خام تر نمایند.یکی از راه حلها، اعمال دوغاب بعد از عملیات زینتر قرص اکسید روي می باشد. در این حالت سیکل حرارتی ثانویه اي براي پخت پوشش عایق مورد نیاز است. به جهت اینکه این سیکل حرارتی میتواند سبب تخریب مشخصههاي وریستوريقرص ZnO گردد، لذا باید این سیکل در درجه حرارتهاي حداکثر 700 °C و در زمانهاي کوتاه صورت پذیرد.
پوششهایی که دراین درجه حرارتهاي پایین قابل پختباشند، پوششهاي لعاب2 درجه حرارت پایین نامیده میشوند و معمولا پایه اکسید سرب میباشند که از طریق فریت سازي3تهیه و سپس بر روي نمونه زینتر شده اعمال میگردند.ردة جدید پوششهاي مورد استفاده بر روي قرصهاي برقگیرZnO ، پوششهاي به اصطلاح درجه حرارت بالا میباشند.مزیت این پوششها در اعمال دوغاب بر روي نمونه خام و پخت پوششها در همان درجه حرارت زینتر بدنه ZnOمیباشد که صرفه اقتصادي و زمانی را بدنبال خواهد داشت].[9 از طرف دیگر بخاطر عدم استفاده از اجزاء سمی نظیراکسید سرب - PbO - دراین پوششها و حذف مراحل فریتسازي، جالب توجه میباشند . تحقیقات اخیر بر روي توسعهاینگونه پوششهاي سرامیکی4 استفاده تجاري از این پوششهاي عایق متمرکز گردیده است.[10] نشان داده شده است کهدستیابی به خواص مقاومت به جریان ضربهاي-150 kA 5100 در صورت استفاده از این نوع پوششها بر روي قرص برقگیر میسر میباشد.[11]
روش تحقیق
براي تهیه بدنه ZnO ، از پودر ZnO به عنوان جزء اصلی و از افزودنیهاي اکسید فلزي استفاده بعمل آمد. تمامی موادداراي خلوص خیلی بالا و از شرکت Merck تهیه گردیدندکه اندازههاي ذرات پودر در محدوده 1-10 میکرون بودند.براي تهیه بدنه قرص برقگیر ، پودر ZnO و سایرافزودنیها، مطابق با جدول 1 انتخاب گردید، مقادیر وزنی مناسب از هر جزء، محاسبه و با دقت 0,001 توزین شدند.دوغاب بدنه با افزودن آب مقطر یون زدایی شده1 ، بایندر آلی و مواد پراکنده ساز2 به مخلوط اولیه پودري خشک در درون آسیاب گلوله اي3 تهیه گردید. میزان بایندر آلی در حدود %1 وزنی مخلوط خشک پودري و از 4PVA براي این منظور استفاده گردید. نسبت مواد جامد پودري در دوغاب براي تهیه گرانول %35 وزنی دوغاب انتخاب شد.
بعد از تهیهگرانول و خشک کردن دوغاب در دستگاه اسپري درایر5، پودر گرانول شده در فشار 350 kg/cm2 در اندازةْ قرصهاي به قطر 40 mm و ضخامت 24 mm با پرس هیدرولیک دو طرفه و در قالب فولادي پرس گردیدند. عملیات آسیاب کردن، تهیه گرانول و پرس نمودن پودرها بگونه اي انجام میپذیرد که از حضور آلودگیها در پودر که میتوانند سبب کاهش قابلملاحظه خواص بدنه ZnO گردند، جلوگیري بعمل آید.براي تهیه پوشش عایق قرص برقگیر، از پودرهاي SiO2 ، Fe2O3 ، Bi2O3 ، B2O3 و Al2O3 که همگی داراي خلوص خیلی بالا و تهیه شده از شرکت Merck میباشند، استفاده گردید. اجزاء اکسیدي مطابق جدول 2 ، انتخاب وتوزیع گردیدند و براي هر بچ از ترکیب شیمیایی پوشش، کدگذاري صورت پذیرفت.
میزان 30 درصد وزنی از مواد جامد پودري به همراه %5 وزنی PVA - که %1 وزنی مواد جامد را تشکیل میدهد - و بقیه آب مقطر یون زدایی شده جهت تهیه دوغاب پوشش استفاده گردید و جهت ایجادهموژناسیون ، دوغابها درون جارمیل به مدت 10 ساعتمخلوط شدند. همچنین از مواد پراکنده سازDisperbyk-190 محصول شرکت Byk Chemie بهمیزان 0/1 تا 0/5 درصد وزنی جهت تعلیق ذرات جامد در دوغاب استفاده بعمل آمد. سپس دوغاب تهیه شده به درونمحفظه اسپري انتقال داده شده و روي سطح قرصهاي خامZnO اسپري شدند . میزان پوشش اعمال شده به گونهايکنترل گردید که میزان مادة خشک در واحد سطح حدود20mg/cm2 باشد.
بعد از خشک شدن پوشش در درجهحرارت محیط ، نمونهها جهت عملیات همزمان پخت پوشش و زینترینگ بدنه ZnO به کوره انتقال داده شد. سیکل حرارتی اعمال شده مطابق شکل 1 بود. جهت زدودن بایندر آلی بدنه ZnO ، مرحله 1 حرارت دهی نمونه ها تا دماي ºC450 ، با سرعت 1/5 ºC در دقیقه صورت گرفت و سپس در مرحله 2 تا دماي حداکثر، با سرعت 3 ºC در دقیقه ادامهیافت. نمونه ها در مرحله 3 و در درجه حرارت -1250 ºC1100 به مدت زمان 1-3 ساعت زینتر گردیدند و سپس درمرحله 4 در کوره با سرعت1 ºC در دقیقه به دماي بین ºC500 - 600 خنک شدند و در این فاصله حرارتی به مدت 1ساعت آنیل گردیدند تا بهبود خواص وریستوري در نمونه هاایجاد شود - مرحله . - 5
