Influence Factors on Electrophysical Parameters of Composite Varistors
Loading...
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро
Abstract
ENG: Purpose. The work is aimed to evaluate the influence of the structural state of polymer phase on the response voltage and nonlinearity coefficient of a multilayer varistor based on zinc oxide. Methodology. Zinc oxide consisted of 97% zinc oxide and 3% total oxides of Bi2O3, Co3O4, MnO2, B2O3, SbO3, ZrO2, Al2O3. To obtain the composite of thermoplastic polymers and zinc oxide, non-polar and polar polymers, high pressure polyethylene and polyvinyli-denefluoride were used. The composites were obtained by hot pressing at the melting temperature of the polymer phase and a pressure of 15 MPa. After that, using silver paste measuring electrodes 10 mm in diameter were applied to the surface of the synthesized samples and then current–voltage characteristics were measured. Modification of composites under the action of gas-discharge plasma was carried out in a special cell that creates a dielectric-gas-composite system. The composites structure was studied by X-ray diffraction analysis and IR spectroscopy. Findings. The obtained experimental results show that the size of inorganic phase particles significantly affects the cur-rent-voltage characteristics of the composite varistor: at a given thickness of the composite varistor, the operation voltage decreases markedly, and the nonlinearity coefficient increases. The influence of electric discharge plasma on the polymer zinc oxide-composite results in a significant change in the permittivity and the concentration of local levels at the separation boundary of the composite. The results research showed that electrical plasma effect on the response voltage depends on the polarity of polymer matrices. Moreover, plasma processing itself significantly changes the structure of the polymer phase in the composite. Originality. The magnitude of the potential barrier at the phase boundary is mainly determined by the volume fraction and size of the main structural element of ZnO ceramics. The change in the structural state of the polymer matrix allows adjusting the response voltage and nonlinearity coefficient of volt-ampere characteristic of the multilayer varistor. Practical value. The discovered development of electron-ion processes in the polymer phase of the varistor indicates the need of taking into account the change in its service characteristics from the duration and intensity of use. The result obtained shows not only the reason for the properties change, but also the need to develop the measures to increase the service life of varistor.
UKR: Мета. У роботі передбачено оцінити вплив структурного стану полімерної фази на напругу відбиття та коефіцієнт нелінійності багатошарового варистора на основі оксиду цинку. Методика. Оксид цинку складався з 97 % оксиду цинку і 3 % з оксидів Bi2O3, Co3O4, MnO2, B2O3, SbO3, ZrO2, Al2O3. За температури 1 573 °С здійснено синтез напівпровідникової кераміки на основі оксиду цинку. Для отримання композиту з термопластичних полімерів та оксиду цинку використовували неполярні та полярні полімери, поліетилен високого тиску та полівініліденфторид. Композити отримували гарячим пресуванням за температури плавлення полімерної фази й тиску 15 МПа. Після цього, за допомогою срібної пасти на поверхню синтезованих зразків наносили вимірювальні електроди діаметром 10 мм, а потім вимірювали вольт-амперні характеристики. Модифікування композитів під дією газорозрядної плазми проводили в спеціальній комірці, яка створює систему діелектрик – газ – композит. Структуру композитів досліджували методами рентгенівського фазового аналізу та ІЧ-спектроскопії. Результати. Отримані експериментальні результати показують, що розмір частинок неорганічної фази суттєво впливає на вольт-амперні характеристики композитного варистора: за заданої товщини композитного варистора помітно зменшується робоча напруга, а коефіцієнт нелінійності зростає. Вплив плазми електричного розряду на полімерний композит оксид цинку призводить до суттєвої зміни діелектричної проникності та концентрації локальних рівнів на межі поділу композиту. Результати досліджень свідчать, що вплив електричної плазми на напругу відбиття залежить від полярності полімерних матриць. Крім того, сама плазмова обробка суттєво змінює структуру полімерної фази в композиті. Наукова новизна. Величину потенційного бар’єру на межі поділу фаз в основному визначають об’ємною часткою і розмірами основного структурного елемента кераміки ZnO. Зміна структурного стану полімерної матриці дозволяє регулювати напругу відбиття та коефіцієнт нелінійності вольт-амперної характеристики багатошарового варистора. Практична значимість. Виявлений розвиток електронно-іонних процесів у полімерній фазі варистора свідчить про необхідність урахування зміни його службових характеристик від тривалості та інтенсивності використання. Отриманий результат вказує не тільки на причину зміни властивостей, але й на необхідність розробки заходів для збільшення терміну служби варистора.
UKR: Мета. У роботі передбачено оцінити вплив структурного стану полімерної фази на напругу відбиття та коефіцієнт нелінійності багатошарового варистора на основі оксиду цинку. Методика. Оксид цинку складався з 97 % оксиду цинку і 3 % з оксидів Bi2O3, Co3O4, MnO2, B2O3, SbO3, ZrO2, Al2O3. За температури 1 573 °С здійснено синтез напівпровідникової кераміки на основі оксиду цинку. Для отримання композиту з термопластичних полімерів та оксиду цинку використовували неполярні та полярні полімери, поліетилен високого тиску та полівініліденфторид. Композити отримували гарячим пресуванням за температури плавлення полімерної фази й тиску 15 МПа. Після цього, за допомогою срібної пасти на поверхню синтезованих зразків наносили вимірювальні електроди діаметром 10 мм, а потім вимірювали вольт-амперні характеристики. Модифікування композитів під дією газорозрядної плазми проводили в спеціальній комірці, яка створює систему діелектрик – газ – композит. Структуру композитів досліджували методами рентгенівського фазового аналізу та ІЧ-спектроскопії. Результати. Отримані експериментальні результати показують, що розмір частинок неорганічної фази суттєво впливає на вольт-амперні характеристики композитного варистора: за заданої товщини композитного варистора помітно зменшується робоча напруга, а коефіцієнт нелінійності зростає. Вплив плазми електричного розряду на полімерний композит оксид цинку призводить до суттєвої зміни діелектричної проникності та концентрації локальних рівнів на межі поділу композиту. Результати досліджень свідчать, що вплив електричної плазми на напругу відбиття залежить від полярності полімерних матриць. Крім того, сама плазмова обробка суттєво змінює структуру полімерної фази в композиті. Наукова новизна. Величину потенційного бар’єру на межі поділу фаз в основному визначають об’ємною часткою і розмірами основного структурного елемента кераміки ZnO. Зміна структурного стану полімерної матриці дозволяє регулювати напругу відбиття та коефіцієнт нелінійності вольт-амперної характеристики багатошарового варистора. Практична значимість. Виявлений розвиток електронно-іонних процесів у полімерній фазі варистора свідчить про необхідність урахування зміни його службових характеристик від тривалості та інтенсивності використання. Отриманий результат вказує не тільки на причину зміни властивостей, але й на необхідність розробки заходів для збільшення терміну служби варистора.
Description
S. Ahadzade: ORCID 0000-0002-0892-8933; I. Vakulenko: ORCID 0000-0002-7353-1916; K. Asgarov: ORCID 0000-0003-4771-3406
Keywords
amorphous state, boundary, phase, varistor, ceramic, electric current, conductivity, аморфний стан, межа, фаза, варистор, кераміка, електричний струм, провідність, КПММ
Citation
Ahadzade, S., Vakulenko I., Asgarov K. Factors Influence on Electrophysical Parameters of the Composite Varistors. Наука та прогрес транспорту. 2023. № 1. С. 29–36. DOI: 10.15802/stp2023/283013.