Influência da adição de sementes de ZnO nas propriedades elétricas de cerâmicas varistoras



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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 100390

30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC


Influência da adição de sementes de ZnO nas propriedades elétricas de cerâmicas varistoras




Souza, F.L. (1); Gomes, J.W. (1); Santos, M.R.C. (1); Araujo, A. L. (1);

Bueno, P. R. (1); Leite, E. R. (1); Longo, E. (1); Varela, J. A. (2);

1 - CMDMC - LIEC/DQ/UFSCar

2 - CMDMC - LIEC/IQ/UNESP-ARARAQUARA

RESUMO
As características elétricas de tensão e corrente dos varistores é determinada pela relação J=KE, onde J é a densidade de corrente (mA.cm-2), E valor do campo elétrico aplicado (V.cm-1), e  representa o coeficiente de não linearidade entre essas grandezas, o qual caracteriza a função varistora do material. O ZnO tem como característica um valor médio, por unidade de barreira efetiva de 3 eV em temperatura ambiente, sendo estas cerâmicas aplicadas em sistemas ou circuitos de alta tensão. Com o objetivo de obter-se varistores de baixa tensão de ruptura, buscou-se reduzir o número de barreiras efetivas no sistema adicionando-se à composição varistora grãos de ZnO de grandes dimensões, resultando na redução da tensão de ruptura do material, para valores até 90% inferiores aos valores inicialmente obtidos, e o melhor coeficientes de não linearidade igual a 20.
Palavras chaves: ZnO, varistor, propriedade elétrica

INTRODUÇÃO


As cerâmicas à base de ZnO dopados com óxidos metálicos, são dispositivos eletrônicos com comportamento elétrico de E x J não linear (varistor). Esta característica é de extrema importância em sistemas elétricos e circuitos eletrônicos, sendo utilizados como protetores contra sobrecarga de voltagem 1-3.. A curva densidade de corrente x campo elétrico de um varistor expressa seu comportamento elétrico e a forma como atua para diferentes intensidades do campo elétrico aplicado. A curva característica E x J para um sistema varistor apresenta três regiões distintas mostrada na Figura 1 a seguir:



Figura 1- Curva característica de um sistema varistor.

a primeira região é denominada de pré-tensão de ruptura (“prebreackdown”) ou ôhmica, nesta região linear se caracteriza a resistividade do varistor. A segunda região, é conhecida por região de ruptura (“breackdown”), sendo uma região não ôhmica, a partir da qual se obtém a não linearidade do sistema e, consequentemente, a qualidade do varistor, realizando-se a 1mA o cálculo do coeficiente de não linearidade da curva (). A terceira região denominada “upturn” representa a limitação do dispositivo e está relacionado à resistividade do grão de ZnO; é uma região com grande variação de corrente para reduzidas variações de tensão. Os varistores de ZnO apresentam altos coeficientes de não linearidade (de 30 a 50), composição complexa, microestrutura com diferentes fases cristalinas e baixos valores de corrente de fuga. Estes varistores são formados pela mistura de ZnO e óxidos dopantes como o Bi, Sb, Co, Mn, Ni, Cr, Si, etc (2-4) . As reações à altas temperaturas entre o ZnO e os aditivos levam a formação de diferentes fases no contorno de grão do ZnO (5,6). A presença destas diferentes fases nos varistores de ZnO resultante desta composição complexa, ressalta como o processamento interfere na microestrutura e propriedades elétricas. Durante o processamento, algumas das variáveis a serem controladas são: temperatura e tempo de sinterização, velocidade de aquecimento e resfriamento. Estes fatores são relatados e discutidos em diferentes trabalhos apresentados na literatura, os quais descrevem a influência do processamento sobre os vários mecanismos envolvidos na obtenção da característica varistora destes sistemas a base de ZnO (1-6) .

O presente trabalho visa verificar a influência da adição de sementes de ZnO e tempo de sinterização sobre as propriedades elétricas de compsições varistoras contendo ZnO dopado com Mn, Ni, Sb, Ti, Co e Ba.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste trabalho, foram utilizadas duas composições varistoras (1 e 2) contendo óxido de bário, sendo estas, modificadas pela adição de sementes de ZnO crescidas por tratamento térmico. Uma comparação entre os valores obtidos para as propriedades elétricas das composições varistoras, foi realizada em diferentes tempos de sinterização para ambas as composições em estudo, tais como: composição 1 e 2 sinterizadas por 1h e 1,5h. O mesmo estudo foi realizado posteriormente com a adição de 1, 5 e 10% em massa de sementes.

Na Tabela I são dados, em porcentagem molar, as composições dos óxidos utilizados nas duas composições varistoras.



Tabela I – Composições varistoras 1 e 2, em mol (%).





ZnO



Bi2O3


Sb2O3


Cr2O3


MnO2


Co3O4


TiO2


NiO


BaO


Comp. 1

96.55

0.5

1.0

0.1

0.5

0.5

0.5

0.25

0.1



Comp. 2

97.15

0.3

0.6

0.1

0.5

0.5

0.5

0.25

0.1

As sementes utilizadas foram obtidas por prensagem de uma mistura entre óxido de zinco e carbonato de bário em quantidade proporcional a 1% em mol de BaO, seguido de tratamento térmico, a 1400 oC. Posteriormente, as pastilhas foram lavadas em água fervente e filtradas para eliminação do bário. Os cristais de ZnO, assim obtidos, foram caracterizados pela técnica de difração de raios X (Siemens modelo D-5000), utilizando a radiação K1 do cobre. Estes cristais foram caracterizados também por MEV-EDS. A Figura 2 apresenta a morfologia característica das sementes adicionadas à composição.


Figura 2- Fotomicrografia das sementes de ZnO.
As composições varistoras obtidas pela homogeneização após a adição das sementes em um misturador Turbula por 15 min., foram conformadas na forma de pastilhas com geometria cilíndrica ( = 11,0 mm e h = 1,0 mm) utilizando-se prensagem uniaxial (20 MPa). Posteriormente foram sinterizadas ‘a 1200C em diferentes patamares (1 a 1,5h) e resfriado até a temperatura ambiente a uma taxa de 10C/min. Após sinterização, as amostras foram caracterizadas eletricamente, fazendo medidas em corrente contínua (dc) de tensão em função da corrente (I-V) e morfologicamente (Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de Energia Dispersiva, MEV-EDS).

Para a caracterização elétrica foram depositados contatos elétricos de prata, sobre a superfície das amostras, seguido de um tratamento térmico a 400oC por 20 minuto para eliminação do solvente orgânico. Após a deposição do eletrodo, as amostras foram submetidas aos ensaios em corrente contínua para determinação das propriedades elétricas. Das curvas de ExJ foram avaliadas: 1) a não-linearidade, e 2) a tensão de ruptura característica de cada sistema. Para efetuar estas medidas elétricas dc, utilizou-se uma fonte de tensão estabilizada (KEITHLEY Modelo 237).



RESULTADOS E DISCUSSÃO


A caracterização elétrica (E x J) para as composições 1 e 2, com e sem adição de sementes, variando-se o tempo de sinterização de (1 e 1,5h), tem seus valores de tensão de ruptura e coeficientes de não linearidade apresentados nas Tabelas II e III:
Tabela II- Resultados da caracterização elétrica da composição 1.

Concentração

de sementes

(% em massa)


Sinterizado por 1h

Sinterizado por 1,5h

Er



Er



0

2357

17

2129

17

1%

1272

10

1347

15

5%

634

15

880

15

10%

400

13

500

20

*Er- tensão de ruptura; - coeficiente de não linearidade.
Tabela III- Resultados da caracterização elétrica da composição 2.

Concentração

de sementes (% em massa)



Sinterizado por 1h

Sinterizado por 1,5h

Er



Er



0

566

3

419

3

1%

290

3

517

4

5%

323

5

429

12

10%

360

16

357

13

*Er- tensão de ruptura; - coeficiente de não linearidade.
Ao analisar os resultados contidos na Tabela III, observa-se que ao reduzir a concentração de bismuto e de antimônio, em comparação com os dados da Tabela II, devem estar relacionados com a perda das características varistoras do material, contudo a adição de uma porcentagem elevada de sementes de ZnO (10%) recupera estas características, levando a obtenção de corpos de prova com uma baixa tensão de ruptura, coeficiente de não linearidade médio de 14 e pequenos valores de corrente de fuga. Neste caso as sementes de ZnO se mostram efetivas para a obtenção de varistores de baixa tensão. Comprovam-se esses resultados analisando-se a composição 1, para a qual, nas amostras com 10% de sementes (em comparação com as amostras sem adição de sementes ) obteve-se baixos valores de tensão de ruptura e adequados valores de coeficientes de não linearidade como podem ser vistos nas figuras a seguir:


Figura 3- Curvas das medidas elétricas dc realizadas para o sistema 1 sinterizadas por 1h, em função da adição de semente: (■) puro; (∙) com 1%; (▲) com 5% e (▼) com 10% ( em massa)



Figura 4- Curvas das medidas elétricas dc realizadas para o sistema 1 sinterizadas por 1,5h, em função da adição de sementes: (■) puro; (∙) com 1%; (▲) com 5% e (▼) com 10% ( em massa)


Figura 5- Curvas das medidas elétricas dc realizadas para o sistema 2, sinterizadas por 1h, em função da adição de sementes: (■) puro; (∙) com 1%; (▲ )com 5% e (▼) com 10% ( em massa)



Figura 6- Curvas das medidas elétricas dc realizadas para o sistema 2, sinterizadas por 1,5h, em função da adição de sementes: (■) puro; (∙) com 1%; (▲) com 5% e (▼) com 10% ( em massa)

As microestruturas referentes as composições 1 e 2 sinterizadas por 1h e 1,5h à 1200C estão apresentadas nas Figuras 7 e 8. Observa-se que o maior tamanho de grão de ZnO revelado na microestrutura das composições varistoras (1 e 2) analisadas é também responsável pela queda no valor da tensão de ruptura, permitindo associar este procedimento ao processo para obtenção de varistores de baixa voltagem.


(a) (b)

Figura 7 – Fotomicrografias das composições varistoras a base de ZnO. (a) sistema

1-1h com 10% de semente; (b) sistema 2-1h com 10% ( em massa) de semente.


(a) (b)

Figura 8- Fotomicrografias das composições varistoras a base de ZnO. (a) sistema 1-1,5h com 10% de semente. (b) sistema 2-1,5h com 10% ( em massa) de semente.

CONCLUSÃO

A adição de sementes de ZnO nas composições analisadas, mostrou-se efetiva na redução da tensão de ruptura, sem alterar muito o coeficiente de não linearidade, tal como observado para a composição 1. No entanto, para a composição 2, a redução sucessiva de bismuto e antimônio promove um efeito deletério nas propriedades elétricas características do sistema varistor. O tempo de sinterização não afeta significativamente as propriedades varistoras do material. De todos os resultados obtidos, têm-se que a adição de sementes favorece a obtenção de varistores de baixa tensão. Estes sistema encontra-se em fase de otmização.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] L. M. Levinson; H. R. Phillip. Ceram Bull 65 (4) 639-46 (1986)

[2] Matsuoka – Jpn. J. Appl. Thys, 10, 736 (1971).

[3] Gupta T.K. – J. Am. Ceram. Soc., 73(7), 1840 (1990).

[4] Pianaro S.A., Pereira E.C.; Bulhões L.O.S.; Longo E., Varela J.A. – J. Mat. Sci, 30, 133 (1995).

[5] Inada M. – Jpn. J. Appl. Phys., 17, 673 (1978).

[6] Inada M. – Jpn. J. Appl. Phys, 19, 409 (1890).

[7] Leite E.R., Varela J.A., Longo E. – J. Appl. Phys., 72, 147 (1992).

[8] Yamaoka N., Masuyama M. Fukui M. – Amer. Ceram. Soc. Bull., 62, 698 (1983).

[9] Yan, M.F. and Rhodes W.W. – J. Appl. Phys. Lett., 40(6), 536 (1982).

[10 Pennewiss J., Hoffmann B. – Mater. Lett., 9, 219 (1990).

[11]Yang S.L. and Wu J. M. – J. Mat. Res., 10, 345 (1995).

[12] Makarov V., Tronteli M. – J. Mat. Lett., 13, 937 (1994).

[13] Pianaro S.A., Bueno P.R., Longo E., Varela J.A. – J. Mat. Sci. Lett., 14, 692 (1995).

[14] E. R. Leite; Nascimento A.M., E. Longo; J. A. Varela. J. Mat. Sci., 10, 1 (1999).

[15] Cassia-Santos M. R., Bueno P. R., Longo E. and Varela J. A. J. Eur. Ceram. Soc., to be

published.

[16] D. R. Clarke. J. Am. Ceram. Soc. 82 (3) 485-502 (1999).

[17] M.Tiraboschi, A.H.A. Bressiani e R.H.G.A.Kiminami – apresentado no 37 Congresso ABC.

Influence of the addition of seeds on the electrical properties of varistor ceramics




Abstract

The electric characteristic of voltage and current of varistors are determined by the



J = KE relationship, where J is the current density (mA.cm-2), E the value of the applied electric field (V.cm-1) and  represent the non – linear coefficient between these variables, and characterizes the varistor property of the material. ZnO has the of presenting na intermediate value of effetive barrier of 3eV at room temperature and these ZnO ceramics are applied in systems or circuits of high voltage. The present work has the goal of obtaining varistors presenting low voltage of rupture. So it was intended to reduce the number of effective barriers in the system by adding to the varistor composition grains of high size particle ZnO. As a consequence the voltage of rupture of the varistors was reduced to values up to 90% lower than the values initially obtained, where the best non linearity coeficient was 20.
Key – words: ZnO, varistors, electrical properties

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