Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno

Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno Nghiên cứu chế tạo varistor bảo vệ quá áp từ vật liệu zno

bộ giáo dục đào tạo trường 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 -1- Mục lục 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 trưng 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 tương đương varistor[14] 11 ch­¬ng iI: phương pháp tổng hợp vật liệu zno varistor12 2.1 Phương pháp cổ truyền 12 2.2 Phương pháp đồng kết tủa 13 2.3 Phương pháp phun nung 14 2.4 Ph­¬ng pháp Hạt nhân_Hợp chất 14 2.5 Phương pháp Hạt nhân_Dung dịch rắn 15 2.6 Phương pháp Sol_Gel 15 2.6.1 Phương pháp Sol_Gel alkoxide 16 2.6.2 Phương pháp Sol_Gel d¹ng Gel_Keo 17 2.6.3 Phương pháp Sol_Gel axit hữu 18 chương iiI: trình chế tạo đo lường 20 3.1 Tỉng hỵp vËt liƯu 20 3.1.1 Phương pháp truyền thống 20 3.1.2 Phương pháp đồng kÕt tña 22 3.1.3 Phương 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 lường Kết thực nghiệm 38 3.2.1 Thiết bị đo lường: 38 3.2.2 §o ®Ỉc tr­ng I-V: 40 3.2.3 Xác định điện trë tÜnh R X : 41 3.2.4 Xác định :[3,4] 42 3.2.5 Xác định V 1mA [3,4,14] 42 3.2.6 Xác định V C 44 3.2.7 §Ønh dòng Ip, lượng E, công suất tiêu tán W: [3,4] 44 chương iV: kết nghiên cứu vàthảo luận .46 4.1 Phương ph¸p cỉ trun 46 4.1.1 khảo sát vËt liÖu: 46 4.1.2 Khảo sát đặc trưng linh kiÖn: 47 4.2 Phương pháp đồng kết tủa 51 4.2.1 khảo sát vật liệu: 51 4.2.2 khảo sát đặc trưng linh kiện: 53 4.3 Phương pháp sol-gel 55 4.3.1 Khảo sát hệ hai nguyªn: 55 4.3.2 ChÕ t¹o linh kiƯn Varistors: 59 kÕt luËn 66 Tài liệu tham khảo 68 -3- mở đầu Varistor nghiên cứu chế tạo vào khoảng năm 1970, 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 nước có khoa học tiến gới Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản đà thấy rõ hiệu qu¶ øng dơng cđa varistor viƯc b¶o vƯ 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 người thiết bị, đà đem lại lợi ích kinh tế Vì vậy, suốt thời gian qua varistor đà trọng không ngừng cải tiến để phát huy hiệu ứng dụng Vấn đề bảo vệ an toàn cho người 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 sống sinh hoạt hàng ngày thiết bị điện, điện tử cần phải bảo vệ tránh tác động xung điện lớn so với điều kiện làm việc bình thường theo thiết kế thiết bị Các xung điện lớn sinh cố nguồn cung cấp điện, xung điện đóng ngắt mạch xung điện đột ngột sét Các tượng 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 nước đà có số đề tài nghiên cứu chế thử linh kiện varistor phương pháp cổ truyền phương pháp hoá học có kết khả quan Tuy nhiên, chưa triển khai ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất Sau thời gian t×m hiĨu vỊ thùc tiƠn øng dơng cđa varistor 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 hướng tạo linh kiện có đặc trưng đạt chuẩn chất lượng theo mẫu phương tây với linh kiện ứng dụng bảo vệ thiết bị điện dân dụng dùng điện khoảng 220 V Với mục đích chế tạo 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: Chương I: Tổng quan Linh kiện Varistors Chương này, nhằm đưa khái quát Linh kiện khả ứng dụng chúng với cấu trúc tính chất hoá lý vật liệu chế tạo lên Varistor Chương II: Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO Varistor Chương giới thiệu phương pháp dùng chế tạo vật liệu công nghệ gốm điện tử nói trung chế tạo Varistor nói riêng Đặc biệt sử dụng phương pháp Sol gel phương pháp tổng hợp vật liệu theo công nghệ nano đưa vào quy trình sản xuất với quy mô lớn đảm bảo điều kiện công nghệ định Chương III: Quá trình chế tạo đo lường kết Chương nói nội dung toàn trình thực nghiệm từ việc tổng hợp vật liệu theo phương pháp khác nhau, sau chế tạo mẫu linh kiện theo yêu cầu, kiểm nghiệm bàng việc đo lường thông số đặc trưng linh kiện Chương IV: Kết nghiên cứu thảo luận Chương phân tích kết đạt trình nghiên cứu thực nghiệm Các thông sô kích thước hình dạng linh kiện đến thông số nói nên chất đặc trưng linh kiƯn -5- ch­¬ng I: tỉng quan vỊ linh kiện varistors 1.1 Varistor linh kiện bảo vệ cần thiết Varistor linh kiện bảo vệ cho mạch điện, hệ thống điện tránh hỏng, chập cháy tác động xung điện đột biến thay đổi điện áp cao mức quy đinh cho phép Varistor chế tạo với hệ vật liệu gồm ZnO thành phần thêm số phụ gia nh­: Bi O , MnO, CoO, Sb O để cải thiện đặc tính linh kiện cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng Hệ vật liệu dược tổng hợp phương pháp góm điện tử truyền thống phương pháp hoá học(Sol-Gel, đồng kết tủa) công nghệ nano mà ngày 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 th­êng dïng hiÖn nh­: Diode Zener, èng phãng tia lửa điện spark gap, loại cầu chì, Varistors, Mỗi loại linh kiện thường có nhiều hệ khác nhằm phân chia vùng làm việc đảm bảo tính công dụng ống phóng tia lửa điện: ống phóng tia lửa điện dùng để bảo vệ thiết bị tiêu thụ dải điện áp cao, xung dòng lớn, dòng dò nhỏ ống phóng tia lửa điện có nhược điểm thời gian đáp ứng xung dài Diode Zener: có tác dụng tròng bảo vệ vùng điện ¸p thÊp th­êng thÊy hƯ m¹nh cđa c¸c thiÕt 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 hệ thống điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử, đặc trưng I-V varistors phi tuyến, có dải điện áp bảo vệ rộng( từ vài V đến MV), xung dòng cao, hƯ sè phi tun lín, dßng dß nhá, -6- thêi gian đáp ứng nhanh Như vậy, Varistors phù hợp ứng dụng 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 ho¸ lý cđa vËt liƯu ZnO varistors.[14] 1.3.1 Tinh thĨ cđa ZnO oxide Tinh thĨ ZnO cã cÊu tróc lục giác nguyên tử Oxy bao bọc sáu mặt tinh thể, nguyên tử Zn chiÕm mét nưa vÞ trÝ tø diƯn Hai loại nguyên tử Zn O có vị trí tương đương 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 1,992 1.973 o A o A song song víi trơc c m¹ng ba chiỊu cđa c¸c khèi tø diƯn kỊ nhau[19] Zn O Hình 1.3.1.1: Mô hình cấu trúc tinh thể ZnO Cường 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 mô tả bên Loại I Loại II ZnO Loại III ZnO Bi2O3- rich Hình 1.3.2.1: Sơ đồ cấu trúc biên hạt ZnO varistors[14] -8- Biên hạt loại I xác định hố bao khối gốm thiêu kết Pha giàu Bi2O3 nằm hạt tinh thể mỏng gần tiếp xúc điểm hạt, chúng tạo thành biên hạt loại II Sự kết thúc điểm tiếp xúc không nằm hạt tinh thể, quan sát điều này, biên hạt loại III Pha spinel-type Zn Sb O kết 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 thước hạt, nhờ cải thiện tính phi tuyến linh kiện Đặc biệt hạt Zn Sb O tăng tính ổn định đặc trưng IV linh kiện trước tác động đột biến điện, vậy, làm t­ng thªm ti thä cđa linh kiƯn Pha pyrochlore-type Zn2Bi3Sb3O14 hình thành trình thiêu kết từ pha láng giµu Bi2O3 vµ pha spinel-type Zn7Sb2O12 chóng cïng kÕt 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 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 xác định hố bao khối gốm thiêu kết Pha giàu Bi2O3 nằm hạt tinh thể mỏng gần tiếp xúc điểm hạt, chúng tạo thành biên hạt loại II Sự kết thúc điểm tiếp xúc không nằm hạt tinh thể, quan sát điều này, biên hạt loại III Bi2O3 thăng hoa nhiệt độ 14000C Vì vậy, nhiệt độ thiêu kết thường chọn tối đa khoảng 12000C, nhiệt độ -9- phần Bi2O3 bề mặt bị thăng hoa nên lượng Bi2O3 bị giảm dần Hơn kết tinh oxide từ pha Bi2O3 lỏng suốt trình hạ nhiệt pha Bi2O3 láng chøa mét sè c¸c ion nh­ Zn, Co, Mn Sb Một lượng lớn ZnO có thĨ hoµ pha Bi2O3 láng Ngoµi ra, sù kÕt tinh ZnO xuất biên hạt suốt trình hạ nhiệt Như vậy, có hai chế suy giảm pha Bi2O3 suốt trình thiêu kết kết tinh ZnO số ion Bi, Co, Mn, Sb biên hạt Sự bám dính pha Bi2O3 lỏng hạt ZnO không tốt, vậy, lượng Bi2O3 suy giảm, hạt ZnO không hoàn toàn bị bao bới pha Bi2O3 lỏng Tuy nhiên, tốc độ khuếch tán biên hạt thường cao khối khoảng đến lần Kết là, ion Bi, Co, Mn, Sb dễ dàng khuếch tán vào biên hạt Các chế 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 Bi2O3 Hình 1.3.2.2: Mô cấu trúc ZnO varistors ... hoá lý vật liệu chế tạo lên Varistor Chương II: Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO Varistor Chương giới thiệu phương pháp dùng chế tạo vật liệu công nghệ gốm điện tử nói trung chế tạo Varistor. .. bảo vệ thiết bị điện dân dụng dùng điện khoảng 220 V Với mục đích chế tạo 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. .. trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu phương pháp solgel trọng tâm nghiên cứu với thành phần phụ gia tỷ lệ mẫu 4.3 Phương pháp sol-gel Nghiên cứu tổng hợp vật liệu theo phương pháp sol-gel cho chế tạo