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

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.721 -724 УДК 666.3-13 БЕЗВИСМУТОВАЯ ВАРИСТОРНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА О. И. Родимое, М. М. Киселев, Е. С. Сетракова, М. А. Вартанян Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация Проведен анализ мировой литературы по получению и свойствам керамики на основе оксида цинка с добавкой оксида ванадия. Показано, что керамика в системе ZnO — V 2 O 5 — MnO 2 — Nb2O5 — Gd2O3 обладает приемлемыми варисторными свойствами (коэффициент нелинейности 66,1 и классификационное напряжение 5365 В/см). Температура спекания такой керамики составляет 900-950° С, что позволяет перейти к использованию чистого серебра в качестве внутреннего электрода для многослойных варисторов. Ключевые слова: оксид цинка, оксид ванадия, варисторы, жидкофазное спекание. NON-BISMUTH VARISTOR CERAMICS BASED ON ZINC OXIDE O. I. Rodimov, M. M. Kiselev, E. S. Setrakova, M. A. Vartanyan D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract The analysis of the world literature on obtaining and properties of ceramics based on zinc oxide with the addition of vanadium oxide, has been carried out. It has been shown that ceramics in the ZnO — V 2 O 5 — MnO 2 — Nb2O5 — Gd2O3 system have acceptable varistor properties (nonlinearity coefficient 66,1 and classification voltage 5365 V/cm). The sintering temperature of such ceramics is 900-950 °C, which allows to switch to the use of pure silver as an internal electrode for multilayer varistors. Keywords: zinc oxide, vanadium oxide, varistors, liquid-phase sintering. Керамические материалы на основе оксида цинка с добавками небольшого количества ряда других оксидов, содержащих тяжелые ионы, обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой [1, 2]. Данное свойство предопределило использование таких материалов в качестве варисторов. При низком напряжении варисторы не пропускают ток, обладая значительным сопротивлением, через который проходит только ток утечки. Однако при увеличении напряжения до некоторого критического уровня варистор становится проводником, тем самым пропуская ток через себя. Это дает возможность защищать объекты от коммутационных и грозовых перенапряжений. Нелинейные свойства варисторов можно объяснить с помощью модели барьера Шоттки [3]. Согласно данной модели, на границе раздела фаз между зерном оксида цинка и межзеренной прослойкой, которая образуется в процессе обжига, возникает потенциальный барьер. Таким образом, при прохождении тока через границу раздела фаз, происходит уменьшение напряжения. Так как керамические варисторы являются поликристаллическими, а следовательно, обладают протяженной границей раздела фаз, при протекании импульсного тока через варистор происходит падение напряжения. При этом энергия рассеивается в виде тепла. Важнейшими характеристиками варисторов являются классификационное напряжение (и кл), напряжение пробоя (Ub), коэффициент нелинейности (а) и плотность тока утечки (IL). Классификационное напряжение — это напряжение, при котором резко уменьшается сопротивление и возрастает проходящий ток. Классификационное напряжение, отнесенное к толщине варистора, называется напряжением пробоя. Типичные значения для промышленных варисторов составляют а = 40-50, Ub = 200-400 В/мм. Также важной характеристикой является фазовый состав. Для изготовления варисторной керамики на основе оксида цинка необходимо добавлять ряд других оксидов металлов для управления электрическими характеристиками материала. Как правило, это добавки оксидов таких металлов, как Bi, Sb, Mn, Co, Cr, Si. Добавки играют различную роль в управлении электрическими характеристиками. Установлено, что варисторная керамика с такими добавками спекается по жидкофазному механизму [1]. Образование жидкой фазы в процессе обжига изделия происходит за счет плавления эвтектических составов в системах ZnO — Bi 2 O 3 и ZnO — Sb 2 O3. Температуры плавления эвтектических составов 735 и 655 °С соответственно. Равномерное распределение добавок достигается за счет их растворения в эвтектическом расплаве. Оксид висмута и оксид сурьмы, применяемые в технологии оксидноцинковой варисторной керамики пагубно влияют на природу и организм человека. В связи с этим появляется необходимость замены вредных 721