| Summary: | En este trabajo se han estudiado algunos parámetros del procesamiento
de varistores de óxido de zinc, con vistas a la producción industrial de estos
componentes. Del estudio previo de algunos varistores comerciales se deduce
que la microestructura es semejante en todos ellos, con ligeras variaciones en
la composición.
Los aditivos que más influencia tienen en la sinterización de los varistores
son el Bi2O3 y el Sb2O3, que constituyen básicamente la fase líquida gracias
a la cual se verifica la consolidación de los polvos. En la microestructura final,
el Sb2O3 se encuentra oxidado como Sb(V) en la espinela α-Zn7Sb2O12, que se
presenta como granos de tamaño comprendido entre 1 y 4 μm, y con ciertas
cantidades de Cr, Mn, Co y Ni en solución sólida. El Bi2O3 se segrega en las
juntas de grano ZnO-ZnO y en los puntos triples; en este último caso, se
presenta con diferentes variedades cristalinas o incluso amorfas. Los granos de
ZnO, con tamaño comprendido entre 5 y 15 μm, constituyen la fase mayoritaria,
y contienen en solución sólida pequeñas cantidades de Co y Ni.
La sinterización de los varistores debe realizarse en atmósfera de aire,
pues el defecto de oxígeno empeora las propiedades eléctricas por aumento de
las vacantes de oxígeno en la capa de deplección, y por reducción parcial de algunos
óxidos.
La mayor dificultad para la producción de varistores de tamaño real,
comparado con los de tamaño de laboratorio, es la compactación del polvo. Es necesario realizar la mezcla en húmedo, y con dispersantes o aglutinantes orgánicos
para garantizar una adecuada distribución de los aditivos. Se consigue
una distribución homogénea del aglutinante realizando una granulación del
polvo antes de la compactación. De todos los aglutinantes estudiados, el más
efectivo ha resultado ser el polietilén glicol (PEG) disuelto en agua destilada.
Se ha comprobado también que los restos que dejan algunos aglutinantes
tras su descomposición influyen en la variación del coeficiente de no linealidad
con la frecuencia de muestreo. El coeficiente α también se reduce con la porosidad
residual en los varistores.
Una de las composiciones estudiadas posee excelentes propiedades eléctricas,
superiores incluso a las de los varistores comerciales. Posee a bajas frecuencias
un coeficiente de no linealidad (α) superior a 50, y una tensión de
ruptura (Vb) razonable, del orden de 300 V/mm. Esta composición se ha utilizado
como referencia para comprobar la influencia en la microestructura y las
propiedades eléctricas de la velocidad de enfriamiento, pequeños cambios en la
composición, temperatura de sinterización, etc. Además, muestras de esta
composición han sido sometidas a los ensayos estándar de los varistores comerciales
de alta tensión.
Se ha elaborado un modelo material de las juntas de grano, mediante
dispositivos de película delgada, con capas sucesivas de ZnO, Bi2O3 y ZnO, y
dos películas adicionales más de cobre, como contactos. Ante la dificultad para
realizar tratamientos de difusión en estos dispositivos, se ha simulado la difusión
mediante películas de mezcla de Bi2O3 y ZnO, depositadas por cosputtering.
La caracterización eléctrica de estos dispositivos muestra unas características
no lineales, lo cual indica que con modelos similares se puede realizar
la simulación de las propiedades eléctricas de los varistores.
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