Efecto de la relación área-volumen en la sinterización de varistores cerámicos basados en ZnO-Bi₂O₃

Abstract

La sinterización de varistores cerámicos basados en el sistema ZnO-Bi 2 O 3 -Sb 2 O 3 requiere temperaturas del orden de 1150-1200ºC y ocurre en presencia de una fase líquida rica en Bi 2 O 3 que se forma entre 700 y 800ºC dependiendo de la composición concreta del material. La volatilización incontrolada de Bi 2 O 3 puede alterar notablemente la respuesta eléctrica del material, ya que este componente resulta crítico para la configuración de los bordes de grano activos. Por otro lado, la completa oxigenación del material durante la sinterización también resulta determinante en la respuesta eléctrica final del varistor. Consecuentemente, la relación área-volumen de los compactos en verde se convierte en un parámetro relevante durante la sinterización del material. En el presente trabajo se han estudiado las características microestructurales y la respuesta intensidad-voltaje de varistores cerámicos de idéntica composición, sinterizados a partir de compactos con diferente relación área-volumen. Se ha observado que, dependiendo de la temperatura de sinterización, existe un valor de la relación área-volumen a partir del cual la respuesta eléctrica del material se degrada dramáticamente. Palabras clave: varistor cerámico, relación área-volumen, sinterización, respuesta eléctrica. Effect of the area-volume ratio in the sintering of ZnO-Bi 2 O 3 based ceramic varistors.Sintering of ceramic varistors based on the system ZnO-Bi 2 O 3 -Sb 2 O 3 takes place at 1150-1200ºC in the presence of a Bi-rich liquid phase which forms at 700-800ºC, depending on the exact material composition. Uncontrolled bismuth oxide volatilisation can modify the electrical response of the material since bismuth is critical for the development of the electrically active grain boundaries. On the other hand, material oxygenation is also essential for the electrical behaviour of the material. Consequently the area-volume ratio of the green compacts becomes a relevant parameter for the sintering process. In the present work, the microstructure and current-voltage characteristic of sintered varistors with different area-volume ratio and identical composition have been studied. Depending on the sintering temperature, there is value for the area-volume ratio above which a strong decrease of the electric properties of the varistor device is observed. Key words: Ceramic varistor, area-volume ratio, sintering, electrical properties. 1.INTRODUCCIÓNLos varistores cerámicos basados en el sistema ZnO-Bi 2 O 3 -Sb 2 O 3 presentan una respuesta intensidad-voltaje no lineal característica, que es consecuencia directa de su microestructura(1-3). El comportamiento no óhmico se origina en los bordes de grano eléctricamente activos, formados por una fase intergranular rica en Bi 2 O 3 que separa los granos de ZnO semiconductores(4,5). El varistor cerámico está constituido además por pequeñas cantidades de óxidos dopantes; Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , CoO, MnO 2 y Cr 2 O 3 entre otros, implicados en la mejora de las características eléctricas del varistor. Sin embargo, las r...

Varistores cerámicos basados en óxido de cinc

“…Especialmente relevante resulta el ciclo de sinterización aplicado: típicamente los varistores basados en ZnO dopado con Bi 2 O 3 y Sb 2 O 3 son consolidados mediante un proceso de sinterización isoterma y en atmósfera de aire para permitir una buena oxigenación de los bordes de grano. Muestras densas y libres de defectos se pueden preparar en un rango de temperaturas que va desde los 900 hasta los 1300ºC, sin embargo, desde el punto de vista de la configuración de la microestructura de los bordes de grano, tanto la temperatura como el tiempo de permanencia a la máxima temperatura han de tener en cuenta el balance densidad-tamaño de granohomogeneidad; temperaturas de sinterización bajas impiden una configuración satisfactoria de las barreras de potencial (61), mientras que tratamientos prolongados o a temperaturas demasiado elevadas, pueden llevar a una degradación de la no linealidad del varistor por un problema de volatilización del óxido de bismuto (74,75); estudios recientes demuestran además que dicha volatilización del Bi 2 O 3 es función de la distancia a la superficie (Figura 8) y de la relación área-volumen del espécimen (76,77). Esto tiene un efecto inmediato sobre el tamaño final de los granos: al disminuir la cantidad total de líquido (rico en Bi 2 O 3 ), se reducen los caminos de alta difusividad para la materia y en consecuencia los granos crecen más lentamente (75).…”