Contribution of the microwave sintering for getting nanosized ZnO based ceramics for varistors

• Autorzy: Savary E. , Marinel S. , Harnois C. , Pautrat A. , Retoux R.

Warianty tytułu

PL

Wkład spiekania mikrofalowego w otrzymywanie nanometrycznej ceramiki ZnO z przeznaczeniem na warystory

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Zinc oxide is a well-known material, used especially as varistors. The electrical properties of the zinc oxide varistor are strongly correlated to the final microstructure. The breakdown voltage is particularly grains size dependent. In this paper, a wet chemical route was used to get nano-sized ZnO based powder, with a very narrow granulometric distribution centred at roughly 20 nm. The used synthesis method is based on the direct precipitation of the zinc oxalate solution. The conventional sintering of this nano-sized powder leads to a slight decrease of the grain size (around 2 µm), compared to the grain size observed in a material originated from the powder conventionally synthesized and sintered (> 4 µm). Despite this slight grain size modification, a strong increase of the breakdown voltage is evidenced in the samples obtained through the liquid route. When the microwave sintering process is used to sinter nano-sized ZnO powder, nano-sized grains bulk ceramics are obtained owing to the very short thermal cycle (less than 5 minutes). It is undoubtedly clear that the microwave sintering allows both maintaining the grain size at the nanometric scale and achieving very high density. In that case, a high resistivity increasing below the breakdown voltage is observed and the breakdown voltage is becoming too high (> value) to be measured. Otherwise, it is clearly indicated that the very short time of the heating process induces a modification of the secondary phases composition, which are mainly localized at the grain boundaries. 

PL

Tlenek cynku jest dobrze znanym materiałem, wykorzystywanym szczególnie do wytwarzania warystorów. Właściwości elektryczne warystora z tlenku cynku związane są mocno z końcową mikrostrukturą tworzywa. Napięcie przebicia jest w sposób szczególny zależne od wielkości ziarna. W niniejszym artykule, wykorzystano mokrą metodę chemiczną do uzyskania nanometrycznego proszku opartego na ZnO, mającego bardzo wąski skład granulometryczny z centrum umiejscowionym mniej więcej przy 20 nm. Wykorzystana metoda syntezy opiera się na wytrącaniu szczawianu cynku bezpośrednio z roztworu. Konwencjonalne spiekanie tego nanoproszku prowadzi do nieznacznego zmniejszenia rozmiaru ziarna (około 2 µm), w porównaniu z rozmiarem ziarna w materiale otrzymanym z proszku syntezowanego i spiekanego konwencjonalnie (> 4 µm). Pomimo tej małej modyfikacji rozmiaru ziarna, udokumentowano mocny wzrost napięcia przebicia w próbkach otrzymanych metodą mokrą. Wtedy gdy wykorzystuje się proces spiekania mikrofalowego do spieczenia nanometrycznego proszku ZnO uzyskuje się masywną ceramikę o nanometrycznym ziarnie, dzięki bardzo krótkiemu cyklowi termicznemu (poniżej 5 min). Jest niewątpliwie oczywiste, że spiekanie mikrofalowe umożliwia zarówno utrzymanie rozmiaru ziarna w skali nanometrycznej, jak i osiągnięcie bardzo dużej gęstości. W takim przypadku, obserwuje się wysokie zwiększenie rezystywności poniżej napięcia przebicia, a napięcie przebicia staje się zbyt duże, aby mogło być zmierzone. Poza tym jasno wykazano, że bardzo krótki czas procesu ogrzewania wywołuje modyfikację składu faz drugorzędnych, które zlokalizowane są głównie w granicach międzyziarnowych. 

Słowa kluczowe

EN

ZnO; microwave sintering; varistors; nanoceramics

PL

ZnO; spiekanie mikrofalowe; warystory; nanoceramika

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 3
• Strony: 376--381
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Savary E.

autor

Marinel S.

autor

Harnois C.

autor

Pautrat A.

autor

Retoux R.

• CRISMAT Laboratory, UMR 6508 CNRS-ENSICAEN, Caen, France,

Bibliografia

• [1] Park K., Ko K.Y.: „Effect of TiO2 on high-temperature thermoelectric properties of ZnO”, J. Alloys Comp., 430, (2007), 200–204.
• [2] Sahay P.P., Nath R.K.: „Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG) sensors”, Sensors and Actuators B: Chemical, 133, (2008), 222-227.
• [3] Jingxia Z., Lanju X., Tao Z., Guogang R., Zhuo Y.: „Influences of nanoparticle zinc oxide on acutely isolated rat hippocampal CA3 pyramidal neurons”, NeuroToxicology, 30, (2009), 220-230.
• [4] Nahm C.W.: „Effect of sintering temperature on microstructure and electrical properties of Zn·Pr·Co·Cr·La oxide-based varistors”, Mater. Lett., 60, (2006), 3394-3397.
• [5] Kelleher M.C., Hashmi M.S.J.: „The effect of vibratory milling on the powder properties of zinc oxide varistors”, J. Mater. Process. Tech., 201, (2008), 645-650.
• [6] Nahm C.W.: „The effect of sintering temperature on varistor properties of (Pr, Co, Cr, Y, Al)-doped ZnO ceramics”, Mater. Lett., 62, (2008), 4440-4442.
• [7] Ronfard-Haret J.C.: „Influence of the sintering temperature on the electrical and luminescent properties of Mn-doped ZnO”, Solid State Ionics, 167, (2004), 355-366.
• [8] Yang J., Liu X., Yang L., Wang Y., Zhang Y., Lang J., Gao M., Feng, B.: „Effect of annealing temperature on the structure and optical properties of ZnO nanoparticles”, J. Alloys Comp., 447, (2009), 632-635.
• [9] Chen C.C., Liu P., Lu C.H.: „Synthesis and characterization of nano-sized ZnO powders by direct precipitation method”, Chem. Eng. J., 144, (2008), 509-513.
• [10] Anas S., Mangalaraja R.V., Poothayal M., Shukla S.K., Ananthakumar S.: „Direct synthesis of varistor-grade doped nanocrystalline ZnO and its densification through a step-sintering technique”, Acta Mater., 55, (2007), 5792-5801.
• [11] Wang Q., Qin Y., Xu G.J., Chen L., Li Y., Duan L., Li Z.X., Li Y.L., Cui, P.: „Low-voltage ZnO varistor fabricated by the solution-coating method”, Ceram. Int., 34, (2008), 1697-1701.
• [12] Chu S.Y., Yan T.M., Chen, S.L.: „Analysis of ZnO varistors prepared by the sol-gel method”, Ceram. Int., 26, (2000), 733-737.
• [13] De Sousa V.C., Morelli M.R., Kiminami, R.H.G. : “Combustion process in the synthesis of ZnO-Bi2O3”, Ceram. Int., 26, (2000), 561-564.
• [14] Hwang C.C., Lin C.S., Wang G.P., Peng C.H., Chung S.L.: „A self-propagating high-temperature synthesis method for synthesis of zinc oxide powder”, J. Alloys Comp., 467, (2009), 514-523.
• [15] Takehana M., Nishino T., Sugawara K., Sugawara T.: „Preparation of zinc oxide varistor by a wet chemical method”, Mater. Sci. Eng. B, 41, (1996), 186-189.