يُعد أوكسيد الخارصين (ZnO) السيراميكي مادة شبه موصلة نوع -n، ويلعب دورا هاما في مدى واسع من العمليات الصناعية والمنتجات التجارية.
إنّ من أكثر الاستعمالات أهمية إستعماله لحماية الدوائر الكهربائية والمعدات الإلكترونية من الجهد الزائد المدمر نتيجة البرق أو الناتج من الارتفاع الكبير والمفاجيء في قيم الجهد الكهربائي, وتُسمّى المقاوم المتغير المعدني (Metal Oxide Varistor MOV) .
يُعد المقاوم المتغير نبيطة ذات سلوك غير أومي وخواصه الكهربائية تشبه تقريبا في عملها ثنائي زينر.
لغرض دراسة وتوصيف مركبات مقوّم أوكسيد الخارصين السيراميكي المتغير وتحسين خواصه الكهربائية, تمّ تحضير مركباته بإضافة بعض الأكاسيد المعدنية وهي Bi2O3، Sb2O3، Co3O4، Cr2O3، وMnO2, حيث تم اختبار تأثيرها لوحدها أولاً, وثانياً تمّ إضافة أكاسيد الأتربة النادرة (M2O3) مع الأكاسيد المذكورة أعلاه واختبار تأثيرها على المقاوم المتغير, حيث أنّ (M=Dy, La,Y) وبتراكيز موليّة ( *10-3(1,5,10)).
تمّت عمليات التحضير والسيطرة على التركيب الدقيق عن طريق التحكّم بظروف عمليات الحرق بدءًا من عملية إلاعداد بخلط أوكسيد الزنك مع الأكاسيد المضافة و من ثمّ الحرق في درجة حرارة 600℃ وبمعدل 5 ℃⁄min في الفرن ولمدة ساعتين للعينات جميعها وذلك لإزالة الغازات والرطوبة من المساحيق.
بعد عملية الحرق تم كبس المساحيق بشكل اقراص بقطر 15mm وسمك 2mm تقريباً تحت ضغط يساوي 25MP.
بعد عملية الكبس أجريت عملية التلبيد (تفاعلات الأطوار الصلبة والأطوار السائلة) بدرجات حرارة مختلفة ( 1050, 1100, 1150 ℃ ) وزمن ثابت للعينات جميعها مقداره ساعتين للحصول على الأشكال النهائية والوصول إلى الخصائص المطلوبة.
تمّت دراسة بعض الخواص الفيزيائية للعينات المحضَّرة وهي الكثافة والمسامية والخواص التركيبية وذلك لغرض تقييم تأثير الأكاسيد المضافة وظروف التحضير على سلوك التطبيق الصناعي للعينات.
وقد تبيّن أنّ مقدار الكثافة النسبية والمساميّة تتأثر بدرجة حرارة التلبيد وبنسب تراكيز أكاسيد الاتربة النادرة المضافة ونوعها,فقد أزداد مقدار الكثافة بازدياد درجة حرارة التلبيد ونسبة أو تركيز أكاسيد الاتربة النادرة المضافة ونتيجة لذلك فقد نقص مقدار المساميّة.
لقد أعطى إختبار التركيب المجهري للمادة المحضّرة رؤية واضحة عن الانتشار والنمو الحبيبي , وإنّ نتائج إختبار الاشعة السينية (XRD) أوضحت أن التركيب البلوري لها معيني قائم كما أنّ قيم (a, b, c) وحجم خلية الوحد قد إزداد بزيادة درجة حرارة التلبيد ونسب تراكيز الأكاسيد المضافة ونوعها.
أظهرت الحبيبات النانوية والميكروية ضمن البحث الحالي تأثيراً كبيراً على الخصائص الكهربائية المدروسة والتي صُمّمت لها أداة في المختبر لقياس معامل السلوك اللاخطي, مقدار جهد الانهيار , تيار التسرّب, قابلية إمتصاص الطاقة , إنحدار الجهد وجهد الحدود الحبيبية.
حيث تبيّن أن معامل السلوك اللاخطي يزداد بازدياد تركيز الأكاسيد المضافة وارتفاع درجة حرارة التلبيد ومن ثمّ يبدا بالنقصان بعد درجة (1100℃) بسبب تطاير وتبخر أوكسيد البزموث وطور(. (Zn7Sb2O12
بينما نقص مقدار جهد الانهيار وقابلية إمتصاص الطاقة وإنحدار الجهد بازدياد درجة حرارة التلبيد,أمّا تيار التسرب فقد إزداد مقداره بازدياد درجة حرارة التلبيد, وكذلك بالنسبة لجهد الحدود الحبيبية فقد ازدادت قيمها بازدياد درجة حرارة التلبيد.
الملخص الانجليزي
ZnO is a ceramic material which tends to intrinsically form as an n-type semiconductor material, which plays an important role in a wide range of industrial processes and commercial products.
One of most important usages is a Surge protection device which used to protect power and electronic equipment from the destructive transient overvoltage which arises from lightning or other large-magnitude surge, this device is called metal oxide varistor (MOV).
Varistors are voltage dependent, non-ohmic devices whose electrical characteristics are almost similar to back-to-back Zener diodes.
Improvement ZnO varistor performance accomplished by doping it by some metal oxides, Bi2O3, Sb2O3, Co3O4, Cr2O3, and MnO2, where they were testing their effect alone first, and second was added rare earth oxides (M2O3) with oxides mentioned above and test their effect on varistor, where (M = Dy, La, Y) and molar concentrations (10-3, 5*10-3, 10*10-3)
The preparation process starts from mixing ZnO with additives, calcination at 600℃ in a furnace to remove the gases and the humidity from the powders.
Then the calcined powders uniaxially pressed into discs (pellets) of 15 mm in diameter and 2 mm in thickness under a pressure equals to 25MP.
After pressing the green pellets sintered under different temperatures (1050, 1100, 1150℃) and a fixed time to accomplish the final shapes and reach the desired properties of the samples.
Then the densities of the samples were measured by using Archimedes Principle with mercury liquid to calculate the relative density and the porosity of each sample, and to study the effect of the sintering temperature and REO concentration, which already be obvious the effect of them.
The microstructure test of the material prepared gave a clear vision for the diffusion and grain growth, although the results of XRD test showed that the crystal structure is an orthorhombic, and the values of (a, b, c) and the size of a the unit cell has been increased with increase the sintering temperature and ratios of the concentration of oxides added and kind.
Micro and nano grains within the present research showed a significant effect on the studied electrical characteristics, which designed a tool in the laboratory for it and to measure the nonlinear coefficient, the amount breakdown voltage, leakage current, the potential gradient, the energy absorption capability, and the voltage per grain boundary.
It was found that the nonlinear coefficient increases with the increasing of REO concentration added and increasing sintering temperature and then starts decreased after degree (1100℃ ) due to volatilization and evaporation of bismuth oxide and spinel phase (Zn7Sb2O12).
The amount of breakdown voltage, potential gradient, energy absorption capability decreased with rising the sintering temperature, while the leakage current has been increased with increasing the sintering temperature, as well as the voltage per grain boundary has been increased with increasing of the sintering temperature.
تاريخ النشر
29/04/2015
الناشر
جامعة بغداد كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) قسم الفيزياء
عادل إسماعيل كاظم | Adil I. Khadim | 2571