Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

Abstract The studies on synthesis of varistor powders by microwave burning, have been carried out. Varistor powders with a high specific surface area of 48,1-54,7 m2/g and perspective high-voltage ceramics with breakdown voltage of 4,1 kV/mm, nonlinearity coefficient of 46, and leakage current density of 0,4 ^A/cm2 are obtained. Keywords: varistor powders, microwave burning, ZnO-ceramics, varistor properties. Для высоковольтных линий электропередач, а также для миниатюрных электронных устройств необходимы высоковольтные варисторы на основе варисторной ZnO-керамики с напряжением пробоя 2,5-3 кВ/мм [1, 2]. Исходным материалом для получения такой керамики является оксид цинка ZnO, легированный примесями висмута, сурьмы, кобальта и других элементов. Согласно модели барьера Шоттки напряжение пробоя можно повысить путем резкого уменьшения размера частиц варисторной керамики, что можно достигнуть при использовании наноразмерных порошков оксидов цинка и легирующих элементов [3]. Имеются сведения по разработке способов синтеза варисторных порошков (смеси оксидов цинка и легирующих элементов): твердофазный с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы [4], метод дефлегмации [5], золь-гель метод [ 6 ]. В настоящее время возрастающее внимание уделяется синтезу наноразмерных варисторных порошков методом сжигания [7, 8 ]. При этом образование оксидов является результатом самораспространяющейся экзотермической восстановительно-окислительной реакции между нитратами цинка, легирующими элементами (окислителями) и топливом (восстановителем). Преимуществами реакции сжигания являются простота процесса и быстрота реакции. В работе [7] этим методом с применением в качестве топлива сахарозы и прокалкой продукта сжигания при 750 °С синтезированы варисторные порошки с размером частиц от 15 до 250 нм. Холодным прессованием синтезированного порошка в таблетки и спеканием их при 925 °С в течение 4 ч получена керамика состава, мас. %: ZnO 88,0, Bi 2 O 3 5,0, Sb 2 O 3 3,5, Co 3 O 4 1,5, Cr 2 O 3 1,0, MnO 2 1,0, с Ub = 0,89 кВ/мм, a = 112, Iyi. = 1,7 мкА/см2, относительной плотностью 97 %. В работе [ 8 ] аналогичным способом получена керамика при температуре спекания 975 °С с изотермической выдержкой 2 ч состава, мас. %: ZnO 90, Bi 2 O 3 2,76, Sb 2 O 3 1,92, AbO 3 3,32, Co 3 O 4 2,0, с Ub = 4,5 кВ/мм, a = 50, 1ут. = 1,1 мкА/см2, относительной плотностью 96,1 %. При этом варисторные порошки синтезировали путем нагрева исходных веществ (нитраты цинка, висмута, алюминия, кобальта, раствор оксида сурьмы в винной кислоте, сахар) во фторопластовом стакане в предварительно нагретом до 200°С сушильном шкафе в течение 50 мин с последующими измельчением в агатовой ступке и прокалкой продукта сжигания в муфельной печи при температуре 700 °С в течение 1 ч. Для ускорения процесса сжигания при получении нанокристаллических порошков ZnO в работе [9] использован микроволновый процесс нагревания водного раствора, содержащего стехиометрические количества нитрата цинка и топлива. В этом случае происходит объемный нагрев, формируемый многочисленными точками воспламенения по всему объему раствора, в результате чего образуется однородный продукт. По сравнению с другими методами это метод - - простой, быстрый, одноступенчатый и недорогой. Сведения по использованию данного метода для синтеза варисторных порошков отсутствуют. Целью данной работы является исследование влияния процесса микроволнового сжигания на свойства варисторных порошков и высоковольтных керамик на их основе. Экспериментальная часть Образцы высоковольтной варисторной ZnO-керамики получали в системе ZnO-Bi 2 O 3 -Sb 2 O 3 -A l 2 O 3 -Co 3 O 4 с содержанием ZnO 90 мас. % (К-90) и 70 мас. % (К-70) при массовом соотношении оксидных добавок Bi 2 O 3 : Sb 2 O 3 : AhO 3 : Co 3 O4 = 1,0 : 0,7 : 1,2 : 0,72, Синтез варисторных порошков. В качестве исходных материалов использовали Zn(NO 3 ) 2 6 H 2 O, Bi(NO 3 ) 35 H 2 O, А 1 (N 0 з)з• 9 Н 2 0 , Co(NO 3)2 6 H 2 O, Ni(NO 3)2 6 H 2 O, раствор Sb 2 O 3 в винной кислоте, коммерческий сахар. Нитраты цинка, висмута, алюминия, кобальта в стехиометрических количествах и топливо (сахар) растворяли в дистиллированной воде в стеклянном однолитровом стакане на магнитной мешалке при температуре 60 °С. Количество исходных веществ вычисляли из расчета получения 5 или 10 г конечного продукта, объем воды для растворения составлял 1 мл на получение 1 г варисторного порошка. Расход сахара равен 2,25, 2,5, 3,0 г на 5 г продукта и 4,5 г на 10 г продукта. В полученный прозрачный раствор добавляли стехиометрическое количество раствора оксида сурьмы в винной кислоте и обрабатывали его в бытовой микроволновой печи (Samsung M 1920NR, microwave 1000W) при заданной мощности. При этом раствор обезвоживался, кипел, вспенивался и воспламенялся. Пламя сохранялось в течение примерно 1 мин, а процесс сжигания протекал за 3-3,5 мин. В результате образуется объемистый, пенообразный продукт, который занимает половину (5 г конечного продукта) или весь (10 г конечного продукта) объем стакана. В ходе разработки условий синтеза порошка меняли мощность микроволновой печи и расход сахара, процесс сгорания проводили в одну и две ступени. При двухступенчатом процессе после вспенивания раствора микроволновую печь выключали, делали выдержку до полного удаления из печи выделившегося NO 2 , после чего вновь включали микроволновую печь на 3 мин. С целью удаления примеси углерода продукт сжигания измельчали в агатовой ступке и прокаливали в муфельной печи при температуре 700 °С с изотермической выдержкой 1 ч. 589