Projekti / Programi
Nizko dopirana ZnO keramika za energijske varistorje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
ZnO, varistorji, energijski varistorji, električne lastnosti, rast zrn, mikrostruktura, sestava, izdelava
Raziskovalci (4)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
18 |
Povzetek
Cilj projekta je razvoj nizko dopirane ZnO varistorske keramiko z nisko, srednjo ali visoko prebojno napetostjo, za energijske varistorje. Znanstveno osnovo za predlagani projekt predstavljajo naša najnoveša spoznanja o vplivu inverznih mej, ki povsem obvladujejo rast zrn; zrna, v katerih v zgodnji fazi sintranja pride do nastanka inverznih mej, rastejo anizotropno in pretirano na račun normalnih zrn, dokler v mikrostrukturi povsem ne prevladajo. Mehanizem rasti zrn pod vplivom inverznih mej, z zelo majnimi količinami dopanta, ki sproži njihov nastanek, omogoča kontrolo razvoja mikrostrukture in nastanek bodisi fino ali grobozrnate mikrostrukture, s tem pa pripravo varistorske keramike z željeno prebojno napetostjo ob bistveno nižjem dodatku varistorskih dopantov k ZnO. Nastanek inverznih mej sprožita standardna varistorska dopanta za kontolo rasti zrn, Sb2O3 in TiO2. Dodatek TiO2 pospeši rast zrn in nastanek grobozrnate mikrostrukture, ki je potrebna za nizkovoltno varistorsko keramiko. Zaradi neenakomerne rasti zrn in močnega donorskega efekta TiO2, so nelinearne lastnosti te varistorske keramike slabše, kot v priomeru dopiranja s Sb2O3. Dodatek Sb2O3 povzoči nastanek finozrnate mikrostrukture visokonapetostne varistorske keramike, zavrta rast zrn pa je po klasičnim razumevanje posledica nastanka Zn7Sb2O12 spinelne faze, ki zmanjša mobilnost mej med zrni. Takšen pristop k kontroli rasti zrn zahteva visoke dodatke Sb2O3. Velika količina nastale spinelne faze nase veže dobršen del oksidov Co, Mn in Ni, ki so pomembni za prevodnost ZnO faze, zato jih je potrebno dodati bistveno več. Zaradi tega, kot tudi dodatka Bi2O3 okoli 1 mol.%, kar je bistveno več kot je potrebno za nastanek elektrostatkih barrier na mejah med zrni, je običajen dodatek varistorskih dopantov k ZnO okoli 10 ut. %. Zaradi tega mirostruktura varistorske keramike vsebuje velik presežek sekundarnih faz na mejah med zrni, kar negativno vpliva na njene lastnosti. Pričakujemo, da bomo na osnovi obvladovanja razvoja mikrostrukture z mehanizmom rasti zrn pod vplivom inverznih mej iniciranih z dodatkom Sb2O3, izdelali varistorsko keramiko z nizko, srednjo in visoko napetostjo, pri dodatku manj kot 3 ut. % dopantov. Lastnosti varistorke keramike pri visokih tokovih (energijah) bomo optimizirali z dodatkom Al, ki pri zelo nizkih dodatkih poveča prevodnost zrn ZnO in stabilizira njeno delovanje.
Razvoj nizko dopirane varistorske keramike za energijske varistorje je izredno pomemben za domače proizvajalce na področju napetostnih zaščit in podpira njihove razvojne cilje tako na standardnih programih kot tudi pri razvoju novih produktov za področja energetike in informacijskih tehnologij. Zmanjšanje porabe kovinskih oksidov, med katerimi so nekateri tudi toksični, daje ob ekonomskih tudi ekološke prednosti tovrstni tehnologiji. Rezultati predlaganega projekta bodo tako močno prispevali k krepitvi konkurenčne sposobnosti domače industrije na svetovnem trgu komponent in naprav za tokovno-napetostno zaščito.
Pomen za razvoj znanosti
Rast zrn predstavlja bistven dejavnik v procesu razvoja mikrostrukture polikristaliničnih keramičnih materialov in s tem njenih lastnosti. Vpliv velikosti zrn je zlasti neposreden v primeru varistorske keramike na osnovi ZnO, saj določa njeno prebojno napetost, ki izhaja iz nelinearnosti mej med zrni. Rezultati in ugotovitve, do katerih smo prišli v okviru projekta, o vplivu inverznih mej na rast zrn, prinašajo nova fundamentalna spoznanja na zelo raziskanem področju rasti zrn in ga pomembno dopolnjujejo. Gonilna sila za rast zrn je zmanjšanje specifične površine in s tem energije mej med zrni, kar običajno opišemo z mehanizmom Ostvaldowe pogrobitve. V primeru varistorske keramike sta ključna dopanta, ki vplivata na rast zrn, Bi2O3 in Sb2O3. Dodatek Bi2O3 vpliva na rast zrn z nastankom taline na mejah med zrni. Sb2O3 je standardni dodatek v primeru fino zrnate varistorske keramike z visoko prebojno napetostjo. Zaviranje rasti zrn je običajno pojasnjeno z zmanjšanjem mobilnosti mej med zrni zaradi Zenerjevega efekta pripenjanja, ki ga povzroči nastanek spinelne faze Zn7Sb2O12 na mejah med zrni. Dodatek Sb2O3 povzroči tudi nastanek inverznih mej (IBs). Zrno ZnO, ki je v zgodnji fazi sintranja okuženo z inverzno mejo raste pretirano in anizotropno na račun normalnih zrn, dokler ne trči z drugimi zrni, ki vsebujejo IB. Rast zrn se močno upočasni, mikrostruktura pa vsebuje samo zrna z inverzno mejo. Rast zrna ZnO diktira vgrajevanje Sb2O3 v strukturo planarnega defekta (inverzno mejo), ki je pri temperaturi pod temperaturo nastanka binarne faze med ZnO in Sb2O3 termodinamsko bolj stabilna, kot pa sama reaktanta. V primeru manjšega števila zrn okuženih z IB lahko zrastejo večja, preden trčijo med seboj in dobimo grobo zrnato mikrostrukturo. Ko v zgodnji fazi sintranja IB nastane v večini zrn, lahko zrastejo le malo in dobimo fino zrnato mikrostrukturo. S količino dopanta, ki povzroči nastanek IB (Sb2O3, TiO2, SnO2) tako lahko vplivamo na nastanek bodisi grobo ali fino zrnate mikrostrukture. Vsi ti dopanti povzročijo tudi nastanek spinelne faze in v skladu s klasičnim razumevanjem rasti zrn, nastanek grobo zrnate mikrostrukture nebi bil možen. Nova fundamentalna spoznanja o rasti zrn pod vplivom inverznih mej tako pojasnjujejo dejanski mehanizem rasti zrn in razvoj mikrostrukture v ZnO keramiki. Na osnovi razumevanja dejanskih procesov smo lahko kot prvi pripravili poleg fino tudi grobo zrnato ZnO keramiko dopirano z Bi2O3 in Sb2O3. Uspešno smo pripravili tudi nizko dopirano varistorsko keramiko z dodatkom le 2,7 do 4 ut.% varistorskih dopantov k ZnO (standardni dodatki so 8 do 10 ut.%), z zelo različno velikostjo zrn ZnO od 6 do 35 ?m, prebojnimi napetostmi od 60 do 350V/mm in koeficientom nelinearnosti med 30 in 50.
Dobljeni rezultati tako najbolj neposredno kažejo na izreden pomen osnovnih raziskav, ki edine lahko pojasnjejo pravo naravo procesov in pokažejo na ključne dejavnike, ki nanje vplivajo in jih kontrolirajo. Spoznanja, do katerih smo prišli v primeru ZnO keramike so signifikantna tudi v primeru drugih polikristaliničnih keramičnih materialov pri katerih pride do nastanka posebnih mej kot so inverzne meje.
Pomen za razvoj Slovenije
V Sloveniji imamo več proizvajalcev komponent in naprav za napetostno zaščito in rezultati raziskave v okviru tega projekta nudijo pomembno pomoč njihovim razvojnim prizadevanjem. Firma VARSI proizvaja različne tipe varistorjev. Varistorji so aktivni del naprav za napetostno zaščito (SPD) pred škodljivimi elektromagnetnimi sunki, ki jih povzročijo električne razelektritve v ozračju – strele. Iskra Zaščite izdeluje SPD-je na osnovi varistorjev in kombinacije varistor/plinski odvodnik, tako da je razvoj novih tipov SPD-jev tesno povezan z razvojem varistorjev. Že danes obe firmi večino svojega proizvodnega programa z višjo dodano vrednostjo, ki bazira na domačem znanju, izvozita na najbolj zahtevne svetovne trge, kjer je konkurenca izredno huda. Rezultati razvoja nizko dopirane varistorske keramike z nizko, srednjo in visoko prebojno napetostjo za energijske varistorje, so za oba proizvajalca izrednega pomena. Glede na trenutno stanje v svetu na področju varistorske keramike predstavlja veliko korak naprej in jima odpira nove možnosti razvoja tako obstoječega programa kot tudi pri širitvi na nova področja uporabe napetostnih zaščit v energetiki in informacijskih tehnologijah. Izdelava nizko dopirane varistorske keramike je pomembna tudi zaradi prihranka na surovinah za izdelavo varistorjev, kar predstavlja pomembno znižanje stroškov proizvodnje in veliko prednost pred konkurenco. Zmanjšanje porabe kovinskih oksidov, med katerimi so nekateri tudi toksični, pa daje tudi ekološke prednosti tovrstni tehnologiji. Rezultati predlaganega projekta bodo tako močno prispevali k krepitvi konkurenčne sposobnosti domače industrije na svetovnem trgu komponent in naprav za tokovno-napetostno zaščito. Projekt predstavlja nadaljevanje uspešnega dosedanjega sodelovanja med partnerji iz instituta in gospodarstva, ki zagotavlja stalen pretok novih spoznanj in znanj med partnerji in spodbuja razvoj na področjih elektronskih materialov, novih materialov in novih tehnologij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
