Nadir Toprak Elementi İlaveli ZnO-Esaslı Varistörlerin Elektriksel Özelliklerinin Karşılaştırılması

Öz ZnO esaslı varistörler sahip oldukları doğrusal olmayan akım-voltaj (I-V) özelliği ile elektronik devreleri ve devre elemanlarını voltaj dalgalanmalarına karşı korumaktadır. Doğrusal olmayan I-V özelliği sayesinde varistörler farklı voltaj değerlerinde farklı direnç gösterir. Varistörlerde kırılma voltajı olarak belirtilen kritik voltaj değeri aşıldığı takdirde, varistör daha iletken hale gelerek oluşan yüksek akımı kendi üzerinden geçirerek devreyi koruyan sigorta görevi görür. Bu çalışmada ZnO-Bi2O3 esasla varistörlere çeşitli nadir toprak elementi katkısının (Y2O3, Er2O3, Sm2O3, La2O3, Yb2O3) mikroyapısal ve elektriksel özelliklerine etkileri karşılaştırılmıştır. % 98,5 mol ZnO, % 1 mol Bi2O3, % 0,5 mol (Y2O3, Er2O3, Sm2O3, La2O3, Yb2O3) komposizyonunda beş farklı varistör hazırlanmıştır. Bu kompozisyonlarda hazırlanan numuneler 1100°C’de 10 °C/dk ısıtma/soğutma hızında 1 saat sinterlenmiştir. Sonrasında hazırlanan varistörlerin mikroyapısal ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. Yapılan analiz ve hesaplamalar sonucunda en küçük tane boyutu (4μm) La2O3 katkılı varistörde, en büyük tane boyutu (6,66 μm) Y2O3 katlı varistörde gerçekleşmiştir. Üretilen varistörlerin kırılma voltajı ( Eb) büyükten küçüğe doğru sırasıyla C, D, B, A ve E kodlu numunelerde 149, 142, 116, 114 ve 28 volt/mm olarak ölçülmüştür.

Anahtar Kelimeler:

Varistor, ZnO, SPS, Nadir topraklar

PDF

___

[1] Nahm, C. W., & Shin, B. C. (2003). Highly stable nonlinear properties of ZnO-Pr6O11-CoO-Cr2O3-Y2O3- based varistor ceramics. Materials Letters, 57(7), 1322–1326. https://doi.org/10.1016/S0167- 577X(02)00980-1
[2] Desouky, O. A., & Rady, K. E. (2016). Improvement of sintering, nonlinear electrical, and dielectric properties of ZnO-based varistors doped with TiO2. Chinese Physics B, 25(6), 068402.
[3] Levinson, L. M., & Philipp, H. R. (1986). Zinc Oxide Varistors- A Review. American Ceramic Society Bultein., 65(4), 639.
[4] Choi, S., Jung, H., & Kang, S. (2018). The correlation between surge energy capability and Bi2O3 volatilization in ZnO varistor, 2–6. Journal of the Ceramic Society of Japan 126 [4] 236-240 2018 DOI http://doi.org/10.2109/jcersj2.17184
[5] Shen, B., Yao, X., Kang, L., & Peng, D. (2004). Effect of CuO or/and V2O5 oxide additives on Bi2O3–ZnO– Ta2O5 based ceramics. Ceramics International, 30(7), 1203–1206. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2003.12.101
[6] Kim, C. H., & Kim, J. H. (2004). Microstructure and electrical properties of ZnO-ZrO2-Bi2O3-M3O4 (M=Co, Mn) varistors. Journal of the European Ceramic Society, 24(8), 2537–2546. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2003.07.002
[7] Xu, Z., Bai, H., Ma, S., Chu, R., Hao, J., Chen, C., & Li, G. (2016). Effect of a Bi-Cr-O synthetic multiphase on the microstructure and electrical properties of ZnO-Bi2O3 varistor ceramics. Ceramics International, 42(13), 14350–14354. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.05.175
[8] Bai, H., Li, S., Zhao, Y., Xu, Z., Chu, R., Hao, J., Li, G. (2016). Influence of Cr2O3 on highly nonlinear properties and low leakage current of ZnO-Bi2O3 varistor ceramics. Ceramics International, 42(9), 10547– 10550. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.03.042
[9] Ma, S., Xu, Z., Chu, R., Hao, J., Liu, M., Cheng, L., Li, G. (2014). Influence of Cr2O3 on ZnO-Bi2O3- MnO2-based varistor ceramics. Ceramics International, 40 (7 PART A), 10149–10152. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.02.035
[10] Kato, T., & Takada, Y. (2013). Correlation between electrical properties and crystalline phases for ZnOBi2O3 based varistor ceramics with rare earth additives. Journal of Electroceramics, 31(1–2), 138–142. https://doi.org/10.1007/s10832-013-9816-x
[11] Senda, T., & Bradt, R. C. (1990). Grain Growth in Sintered ZnO and ZnO-Bi2O3 Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 73(1), 106–114. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05099.x
[12] Bernik, S., Daneu, N., Rečnik, A. (2004). Inversion boundary induced grain growth in TiO2 or Sb2O3 doped ZnO-based varistor ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 24(15–16), 3703–3708. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2004.03.004
[13] Bernik, S., Maček, S., Ai, B. (2001). Microstructural and electrical characteristics of Y2O3-doped ZnO– Bi2O3 -based varistor ceramics. Journal of Europen Ceramic Society 21, 1875-1878
[14] Wang, M. H., Li, G., Yao, C. (2011). Microstructure and electrical properties of Pr6O11-Co3O4-MnCO3- Y2O3-doped ZnO varistors. Ceramics International, 37(7), 2901–2905. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.03.076
[15] Nahm, C.-W. (2011). Microstructure, electrical properties, and aging behavior of ZnO–Pr6O11–CoO– Cr2O3–Y2O3–Er2O3 varistor ceramics. Ceramics International, 37(8), 3049–3054. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.05.032
[16] Hongyu, L., Hui, K., Dongmei, J., Wangzhou, S., Xueming, M. (2007). Microstructure and Electrical Properties of Er2O3-Doped ZnO-Based Varistor Ceramics Prepared by High-Energy Ball Milling. Journal of Rare Earths, 25(1), 120–123. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(07)60057-X
[17] Ashraf, M. A., Bhuiyan, A. H., Hakim, M. A., & Hossain, M. T. (2011). Microstructure and electrical properties of Sm2O3 doped Bi2O3-based ZnO varistor ceramics. Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials for Advanced Technology, 176(11), 855–860. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.04.009
[18] Zang, G. Z., Wang, X. F., Li, L. Ben, Wang, D. D. (2017). The effect of Sm2O3on the microstructure and electrical properties of SiO2-doped SnO2-Zn2SnO4ceramic varistors. Ceramics International, 43(11), 8018– 8022. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.100
[19] Xu, D., Cheng, X. N., Wang, M. S., Shi, L. Y. (2009). Microstructure and Electrical Properties of La2O3;- Doped ZnO-Bi2O3 Based Varistor Ceramics. Advanced Materials Research, 79–82, 2007–2010. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.79-82.2007
[20] Apaydin, F., Toplan, H.Ö., Yildiz, K. (2005), The effect of CuO on the grain growth of ZnO. Journal of Materials Science, 40, 677 – 682. https://doi.org/10.1007/s10853-005-6306-9