Conformado de dispositivos VDRS (Voltage Dependent Resistors) con base en óxido de estaño

Abstract

Durante el desarrollo de este trabajo de grado se estudió el sistema Sn-Co-Nb-Ti-Al, para el cual se determinó la influencia de los métodos de síntesis y el procesamiento cerámico sobre el comportamiento eléctrico de los dispositivos VDRS (“Voltage Dependent Resistor”) basados en SnO2. En este trabajo de grado, se obtuvo el polvo cerámico a través de los métodos de síntesis: precipitación controlada (MPC) y de precursor polimérico o Pechini (PCH). La optimización de dichos métodos garantizó la pureza química de la materia prima así como el control del tamaño de las partículas, dimensiones nanométricas, parámetros que definieron las propiedades eléctricas y microestructurales del material varistor obtenido. Durante la síntesis de los polvos cerámicos se consideró como variable importante la concentración de aluminio y titanio con el fin de determinar la influencia de estos elementos en las propiedades varistores del sistema Sn-Co-Nb-Ti-Al. Los polvos cerámicos obtenidos se caracterizaron utilizando Difracción de Rayos X (DRX), para investigar la cristalinidad y las fases presentes en el compuesto, Espectroscopía Infrarroja (FTIR), para determinar los grupos funcionales existentes, Microscopía Electrónica para conocer el tamaño y morfología de partícula, y Análisis Térmico Diferencial (ATD), y Termogravimétrico (TG ), para estudiar el comportamiento del sistema frente a tratamientos térmicos. Para la conformación de las pastillas, con el material en polvo sintetizado, se utilizó prensado uniaxial e isostático, determinando previamente la presión ideal de conformado (200Mpa), que permitió obtener una densidad en verde adecuada, superior al 98%. La temperatura ideal de sinterización (1350ºC) se determinó por medio de estudios de contracción y velocidad de contracción de muestras de sistemas. Las pastillas sinterizadas se caracterizaron microestructural y eléctricamente para obtener información sobre tamaño medio de grano, porosidad, coeficiente de no linealidad, corriente de fuga y campo de ruptura. Obteniéndose tamaños de grano entre los 5.2 y 13.5μm, porosidad menor al 2% de la densidad teórica, coeficientes de no-linealidad hasta de 41, corrientes de fuga inferiores al 0.1mA/cm2 y campos de ruptura entre 2083 y 6330V/cm2. Estos resultados otorgaron información sobre el efecto del método de síntesis y de los dopantes utilizados sobre el comportamiento varistor del sistema Sn-Co-Nb-Ti-Al.

In this work, it was studied the effects of the synthesis methods and the ceramic processing of the Sn-Co-Nb-Ti-Al systems on the electrical behavior of the VDRS devices using this SnO2 based ceramics. In this work, the ceramic powders were obtained by means of two different synthesis methods: controlled precipitation (MPC) and Pechini (PCH). The optimization of this methods guaranteed the raw material chemical purity as well as the particles size control, which are the main parameters that defined the electric and microstructural properties of the varistors obtained. Aluminum and titanium concentration was considered as important variable during the ceramic powders synthesis with the purpose of determining the influence of these elements on the varistor properties of the Sn-Co-Nb-Ti-Al system. X-ray diffraction patterns of ceramic powders were obtained to investigate the phases present in the compound; Infrared spectroscopy (FTIR) was used to determine the existence of functional groups; Electronic Microscopy micrographs were taken to know the size and particle morphology, and Differential Thermal Analysis (DTA), and Thermogravimetric (TG) were used, to study the thermal response of the samples. To conform pills with the synthesized powdered material, it was used uniaxial and isostatic pressure, determining the ideal conformed pressure that allowed to obtain a appropriated green density. Contraction and speed of contraction studies to determinate the adequate sintering temperature on previously pressed samples were carried out. Microstructural and electrical characterization on sintered samples were made to obtain information about grain size, porosity, nonlinear coefficient, leakage current and breakdown field; these results granted information about the synthesis method and dopants effect on the varistor behavior Sn-Co-Nb-Ti-Al systems.