Chơng III: Quá trình chế tạo và đo lờng kết quả Chơng này nói về nội dung toàn bộ quá trình thực nghiệm từ việc tổng hợp vật liệu theo các phơng pháp khác nhau, sau đó chế tạo các mẫ
bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hµ néi luận văn thạc sĩ khoa học ngành: vật lỹ kỹ thuật nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ qúa áp từ vật liệu zno đỗ đức tuấn hà nội 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131622231000000 -1- Môc lôc mở đầu ch¬ng I: tỉng quan vỊ linh kiƯn varistors 1.1 Varistor linh kiện bảo vệ cần thiết 1.2 Các linh kiện bảo vệ áp 1.3 Cấu trúc đặc trng hoá lý vật liƯu ZnO varistors.[14] 1.3.1 Tinh thĨ cđa ZnO oxide 1.3.2 Biên hạt vi cấu tróc cđa ZnO varistor[16] 1.3.3 Rµo thÕ Schottky[14]: 10 1.3.4 ThuyÕt sù lÖch mạng nguyên tử 10 1.3.5 Sơ đồ mạch tơng đơng varistor[14] 11 ch¬ng iI: phơng pháp tổng hợp vật liệu zno varistor12 2.1 Phơng pháp cổ truyền 12 2.2 Phơng pháp đồng kết tủa 13 2.3 Phơng pháp phun nung 14 2.4 Ph¬ng pháp Hạt nhân_Hợp chất 14 2.5 Phơng pháp Hạt nhân_Dung dịch rắn 15 2.6 Phơng pháp Sol_Gel 15 2.6.1 Phơng pháp Sol_Gel alkoxide 16 2.6.2 Phơng pháp Sol_Gel d¹ng Gel_Keo 17 2.6.3 Phơng pháp Sol_Gel axit hữu 18 chơng iiI: trình chế tạo đo lờng 20 3.1 Tỉng hỵp vËt liƯu 20 3.1.1 Phơng pháp truyền thống 20 3.1.2 Phơng pháp đồng kÕt tña 22 3.1.3 Phơng pháp sol-gel 27 3.1.3.1 Các chế phản ứng tạo trình tạo gel 28 3.1.3.2 Giai đoạn 1: tạo gel ổn định .30 -2- 3.1.3.3 Giai đoạn 2: chế độ nung gel tạo hạt 33 3.1.3.4 Giai đoạn 3: hoàn thiện sản phẩm 33 3.2 đo lờng Kết thực nghiệm 38 3.2.1 Thiết bị đo lờng: 38 3.2.2 Đo đặc trng I-V: 40 3.2.3 Xác định điện trở tÜnh RX : 41 3.2.4 Xác định :[3,4] 42 3.2.5 Xác định V 1mA [3,4,14] 42 3.2.6 X¸c ®Þnh V C 44 3.2.7 Đỉnh dòng Ip, lợng E, công suất tiêu tán W: [3,4] 44 chơng iV: kết nghiên cứu vàthảo luận 46 4.1 Phơng pháp cổ truyÒn 46 4.1.1 khảo sát vật liệu: 46 4.1.2 Khảo sát đặc trng linh kiện: 47 4.2 Phơng pháp đồng kết tủa 51 4.2.1 khảo sát vật liệu: 51 4.2.2 kh¶o sát đặc trng linh kiện: 53 4.3 Phơng pháp sol-gel 55 4.3.1 Khảo sát hệ hai nguyên: 55 4.3.2 ChÕ t¹o linh kiƯn Varistors: 59 kÕt luËn 66 Tài liệu tham khảo 68 -3- më đầu Varistor đợc nghiên cứu chế tạo vào khoảng năm 1970, đợc sản xuất ứng dụng rộng rÃi từ năm 1980, với tính chất đặc biệt varistor linh kiện cần thiết cho thiết bị điện, hệ thống điện Các nớc cã khoa häc tiÕn bé trªn thÕ gíi nh Mü, Châu Âu, Nhật Bản đà thấy rõ hiệu ứng dụng varistor việc bảo vệ an toàn cho thiết bị điện, hệ thống điện nên đà vào sản xuất hàng loạt Từ việc sử dụng Varistor bảo vệ thiết bị đà tăng thêm an toàn cho ngời thiết bị, đà đem lại lợi ích kinh tế Vì vậy, suốt thời gian qua varistor đà đợc trọng không ngừng đợc cải tiến để phát huy hiệu ứng dụng Vấn đề bảo vệ an toàn cho ngời nh thiết bị làm việc trở lên vô quan trọng, thời thuận lợi nhiệm vụ cho việc nghiên cứu sản xuất Varistor Trong sản xuất công nghiệp nh sống sinh hoạt hàng ngày thiết bị điện, điện tử cần phải đợc bảo vệ tránh tác động xung điện lớn so với điều kiện làm việc bình thờng theo thiết kế thiết bị Các xung ®iƯn qu¸ lín ®ã sinh c¸c sù cè nguồn cung cấp điện, xung điện đóng ngắt mạch xung điện đột ngột sét Các tợng đà làm hỏng nhiều thiết bị chúng linh kiện bảo vệ gây thiệt hại nhiều đến hiệu công việc thiệt hại đến kinh tế Vì vậy, việc lắp thêm phận chống đột biến cần thiết Từ yêu cầu thực tiễn nhà khoa học nớc đà có số đề tài nghiên cứu chế thử linh kiện varistor phơng pháp cổ truyền phơng pháp hoá học có kết khả quan Tuy nhiên, cha triển khai ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất Sau thời gian tìm hiĨu vỊ thùc tiƠn øng dơng cđa varistor trªn thÕ giới, công nghệ nghiên cứu chế tạo sản xuất varistor đà chọn đề tài vào thực nhiệm vụ vừa hoàn thiện sở lý thuyết vừa tiến hành thực -4- nghiệm theo hớng tạo linh kiện có đặc trng đạt chuẩn chất lợng theo mẫu phơng tây với linh kiện ứng dụng bảo vệ thiết bị điện dân dụng dùng điện khoảng 220 V Với mục đích chế tạo đợc linh kiện Varistor dùng bảo vệ thiết bị điện, điện tử dân dụng đà chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo Varistors bảo vệ áp từ vật liệu ZnO Bản luận văn báo cáo nội dung công việc đà thực Nội dung bao gồm phần sau: Chơng I: Tổng quan Linh kiện Varistors Chơng này, nhằm đa khái quát Linh kiện khả ứng dụng chúng với cấu trúc tính chất hoá lý vật liệu chế tạo lên Varistor Chơng II: Các phơng pháp tổng hợp vật liệu ZnO Varistor Chơng giới thiệu phơng pháp đợc dùng chế tạo vật liệu công nghệ gốm điện tử nói trung chế tạo Varistor nói riêng Đặc biệt sử dụng phơng pháp Sol gel phơng pháp tổng hợp vật liệu theo công nghệ nano đa đợc vào quy trình sản xuất với quy mô lớn đảm bảo điều kiện công nghệ định Chơng III: Quá trình chế tạo đo lờng kết Chơng nói nội dung toàn trình thực nghiệm từ việc tổng hợp vật liệu theo phơng pháp khác nhau, sau chế tạo mẫu linh kiện theo yêu cầu, đợc kiểm nghiệm bàng việc đo lờng thông số đặc trng linh kiện Chơng IV: Kết nghiên cứu thảo luận Chơng phân tích kết đạt đợc trình nghiên cứu thực nghiệm Các thông sô kích thớc hình dạng linh kiện đến thông số nói nên chất đặc trng linh kiện -5- ch¬ng I: tỉng quan vỊ linh kiƯn varistors 1.1 Varistor linh kiện bảo vệ cần thiết Varistor linh kiện bảo vệ cho mạch điện, hệ thống điện tránh đợc hỏng, chập cháy tác động xung điện đột biến thay đổi điện áp cao mức quy đinh cho phép Varistor đợc chế tạo với hệ vật liệu gồm ZnO thành phần thêm số phụ gia nh: Bi O 3, MnO, CoO, Sb O để cải thiện đặc tính linh kiện cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng Hệ vật liệu dợc tổng hợp phơng pháp góm điện tử truyền thống phơng pháp hoá học(Sol-Gel, đồng kết tủa) công nghệ nano mà ngày đợc ứng dụng phát triển rộng toàn giới 1.2 Các linh kiện bảo vệ áp Linh kiện bảo vệ áp có nhiều loại hoạt động theo nguyên lý khác nhau, số loại phổ biến thờng dùng nh: Diode Zener, èng phãng tia lưa ®iƯn spark gap, loại cầu chì, Varistors, Mỗi loại linh kiện thờng có nhiều hệ khác nhằm phân chia vùng làm việc đảm bảo tính công dơng èng phãng tia lưa ®iƯn: èng phãng tia lưa điện đợc dùng để bảo vệ thiết bị tiêu thụ dải điện áp cao, xung dòng lớn, dòng dò nhỏ ống phóng tia lửa điện có nhợc điểm thời gian đáp ứng xung dài Diode Zener: có tác dụng tròng bảo vệ vùng điện áp thấp thờng thấy hệ mạnh thiết bị điện tử chịu xung dòng nhỏ, có thời gian đáp ứng nhanh Varistors linh kiên bảo vệ áp chống xung đột biến(sét, xung dòng lớn, ) cho thiết bị nh hệ thống điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử, đặc trng I-V varistors phi tuyến, có dải điện áp bảo vệ rộng( từ vài V đến MV), xung dòng cao, hệ số phi tuyến lớn, dòng dò nhỏ, -6- thời gian đáp ứng nhanh Nh vËy, Varistors rÊt phï hỵp øng dơng làm linh kiện bảo vệ chống áp cho hệ thống điện, thiết bị điện, điện tử, nguồn cấp áp hệ tải điện Varistor Hình1.2.1 : Sơ đồ mắc Varistor 1.3 Cấu trúc đặc trng hoá lý cđa vËt liƯu ZnO varistors.[14] 1.3.1 Tinh thĨ cđa ZnO oxide Tinh thĨ ZnO cã cÊu tróc lơc gi¸c nguyên tử Oxy đợc bao bọc sáu mặt tinh thể, nguyên tử Zn chiếm nửa vị trí tứ diện Hai loại nguyên tử Zn O có vị trí tơng đơng tứ diện o o Các số mạng a=3.25 A , c= 5.2 A , số phụ thuộc vào sai số tính toán Tỷ lệ c/a vào khoảng 1.6, nhỏ giá trị lý thuyết(1,63) phù hợp Khoảng cách Zn - O lµ 1,992 vµ 1.973 o A o Asong song với trục c mạng ba chiều khối tứ diện kề nhau[19] Zn O Hình 1.3.1.1: Mô hình cấu trúc tinh thể ZnO Cờng độ (Cps) -7- Góc quét Hình 1.3.1.2: Giản đồ XRD tinh thể ZnO 1.3.2 Biên hạt vi cấu trúc ZnO varistor[16] Biên hạt vi cấu trúc Varistors có ba loại đợc mô tả bên Lo¹i I Lo¹i II ZnO Lo¹i III ZnO Bi2O3- rich Hình 1.3.2.1: Sơ đồ cấu trúc biên hạt ZnO varistors[14] -8- Biên hạt loại I đợc xác định hố bao khối gốm thiêu kết Pha giàu Bi2O3 nằm hạt tinh thể mỏng gần nh tiếp xúc điểm hạt, chúng tạo thành biên hạt loại II Sự kết thúc điểm tiếp xúc không nằm hạt tinh thể, quan sát đợc điều này, biên hạt loại III Pha spinel - type Zn Sb O kÕt tinh biên hạt suốt trình thiêu kết Các hạt Zn Sb O biên hạt có nhiệm vụ làm cầu nối cho chuyển tải ion hạn chế tăng kích thớc hạt, nhờ cải thiện tính phi tuyến linh kiện Đặc biệt hạt Zn Sb O tăng tính ổn định đặc trng I V linh kiện trớc tác động đột biến điện, vậy, làm tng thªm ti thä cđa linh kiƯn Pha pyrochlore - type Zn2Bi3Sb3O14 đợc hình thành trình thiêu kết tõ pha láng giµu Bi2O3 vµ pha spinel-type Zn7Sb2O12 chóng kết tinh vùng biên hạt nơi có chuyển tiếp ion liên kết Kết tăng biên hạt suốt trình thiêu kết bị khống chế Khi pha lỏng đợc lấp vào vị trí rỗng hạt ZnO tạo Trong suốt trình kết tinh, pha lỏng giàu Bi2O3 chuyển thành pha - pha- Bi2O3 nằm hạt tinh thể Vì vậy, biên hạt loại I đợc xác định hố bao khối gốm thiêu kết Pha giàu Bi2O3 nằm hạt tinh thể mỏng gần nh tiếp xúc điểm hạt, chúng tạo thành biên hạt loại II Sự kết thúc điểm tiếp xúc không nằm hạt tinh thể, quan sát đợc điều này, biên hạt loại III Bi2O3 thăng hoa nhiệt độ 14000C Vì vậy, nhiệt độ thiêu kết thờng chọn tối đa khoảng 12000C, nhiệt độ -9- phần Bi2O3 bề mặt bị thăng hoa nên lợng Bi2O3 bị giảm dần Hơn n÷a sù kÕt tinh oxide tõ pha Bi2O3 láng suốt trình hạ nhiệt pha Bi2O3 lỏng chứa số ion nh Zn, Co, Mn Sb Một lợng lớn ZnO hoà pha Bi2O3 lỏng Ngoài ra, kết tinh ZnO xuất biên hạt suốt trình hạ nhiệt Nh vậy, có hai chế suy giảm pha Bi2O3 suốt trình thiêu kết kết tinh ZnO vµ mét sè ion Bi, Co, Mn, vµ Sb biên hạt Sự bám dính pha Bi2O3 lỏng hạt ZnO không tốt, vậy, lợng Bi2O3 suy giảm, hạt ZnO không hoàn toàn bị bao bới pha Bi2O3 lỏng Tuy nhiên, tốc độ khuếch tán biên hạt thờng cao khối khoảng đến lần Kết là, ion Bi, Co, Mn, Sb dễ dàng khuếch tán vào biên hạt Các chế đợc mô tả ba loại biên hạt khác Quan hệ ba loại biên hạt khác tuỳ thuộc vào hệ vật liệu, vào thành phần chế độ thiêu kết Pore ZnO Pyrochlore Spinel Bi 2O3 Hình 1.3.2.2: M« pháng cÊu tróc cđa ZnO varistors