Síntesis y sintonización de polvos cerámicos con base en cinc-bismuto-antimonio-aluminio-lantano para utilizar en la fabricación de varistores

Abstract

Durante el desarrollo de este trabajo de grado se estudiaron la síntesis y la sinterización de los polvos cerámicos de los sistemas Zn – Bi – Sb – Al (óxido de Cinc dopado con Bismuto, Antimonio y Aluminio) y Zn – Bi – Sb – Al – La (óxido de Cinc dopado con Bismuto, Aluminio, Antimonio y Lantano), variando los porcentajes de los cationes presentes en el sistema y se obtuvo información sobre el efecto de la concentración de los dopantes sobre la formación de las barreras tipo Schottky, en los bordes de grano y las características no lineales propias del varistor (desviadores de sobre-tensión); los anteriores sistemas se constituyeron en la materia prima básica utilizada para fabricar estos dispositivos. La síntesis se realizó utilizando el método de co-precipitación controlada con el fin de obtener polvos cerámicos con características predeterminadas en tamaño y morfología de partícula. Se realizó la descripción y el análisis de las reacciones de hidrólisis y condensación que ocurren en las disoluciones que contienen individualmente Zn, Bi, Sb, La y Al, considerando las diferentes variables del proceso: concentración del precursor, pH de la solución, temperatura y concentración de ácido en el sistema necesarios para diluir adecuadamente los precursores. Para realizar estos estudios se utilizaron ensayos de valoración potenciométrica y conductimétrica y técnicas espectroscópicas para obtener más información del sistema. El sólido obtenido de la precipitación se caracterizó utilizando difracción de rayos X, para determinar las fases cristalinas presentes, espectroscopia infrarroja, para determinar los grupos funcionales existentes, y microscopía electrónica para conocer el tamaño y morfología de las partículas. Una vez obtenida la materia prima, con las especificaciones requeridas y realizada la caracterización correspondiente, se procedió a estudiar su sinterabilidad y a optimizar el procesamiento cerámico de los polvos obtenidos. Se utilizó molienda en atricción para mejorar las características de la materia prima (se rompieron los aglomerados) y se realizó la curva de prensado del polvo cerámico para determinar el valor óptimo de presión para conformar el dispositivo. Con base en los resultados del estudio de sinterabilidad se determinaron las condiciones más adecuadas de velocidad de calentamiento, temperatura y tiempo de tratamiento a utilizar durante la sinterización de las muestras prensadas, todo esto con el fin de obtener una buena microestuctura en las muestras densificadas. Finalmente se caracterizaron eléctricamente las muestras sinterizadas y se determinaron los valores de los parámetros eléctricos de interés: coeficiente de no-linealidad (α), voltaje de ruptura y corriente de fuga; además se relacionó la microestructura de las pastillas con las propiedades eléctricas observadas.