“CERÁMICO BASADO EN SnO2 CON CARACTERÍSTICAS NO ÓHMICAS PARA APLICACIONES ELECTRÓNICAS”

INTRODUCCION

Los varistores son materiales cerámicos policristalinos, los cuales están caracterizados por un comportamiento no óhmico alto en la relación corriente-voltaje. Estos materiales son comúnmente utilizados para absorber sobretensiones y cambios bruscos en la intensidad de voltaje en circuitos eléctricos y sistemas eléctricos.

Cuando un equipo se somete a voltajes transitorios, el varistor cambia su impedancia varios órdenes de magnitud desde un estado de casi circuito abierto (resistencia muy elevada) a un nivel altamente conductor. Una vez eliminada la amenaza, el voltaje regresa a su valor habitual y el material recupera su estado altamente resistivo, evitando pérdidas innecesarias de corriente.

En ausencia de picos de tensión el varistor actúa como un elemento pasivo que no influye en el funcionamiento normal del equipo que protege.

EL VARISTOR

INTRODUCCION

Hoy en día, las nuevas tecnologías, la nanotecnología y la tecnología planar, requieren de varistores con voltaje de operación muy bajos, de respuesta rápida y alta confiabilidad en servicio.

Actualmente, un arduo trabajo se ha llevado a cabo con el objeto de optimizar la formulación de la composición del varistor y de aportar un mayor conocimiento sobre los distintos mecanismos que se esconden tras la adición de cada dopante.

Tomando en consideración lo anteriormente expresado, es importante apostar sobre el desarrollo de formulaciones de varistores, aún y cuando implique el estudio de un complejo sistema multicomponente constituido por un conjunto de óxidos con propiedades físico-químicas muy diferentes.

INTRODUCCION

Entro los parámetros principales utilizado para describir el comportamiento no óhmico de un varistor es el coeficiente eléctrico de no linealidad α, o simplemente coeficiente no lineal, el cual está definido por:

(Ec. 1)

Otros parámetros importantes son el voltaje de ruptura y la capacidad de absorción energética.

Comportamiento ideal campo eléctrico-densidad de corriente de un varistor

ANTECEDENTES

Los varistores más utilizados comercialmente han sido los de óxido de cinc (ZnO). Los cuales fueron introducidos en 1971 a partir de los trabajos del investigador Michio Matsuoka. Desde entonces estos cerámicos están disponibles y se comercializan para proteger componentes eléctricos y electrónicos.

Las ventajas de los varistores basados en ZnO son sus altos coeficientes de no linealidad (de 30 a 80), así como su capacidad de absorción de energía que supera a los diodos Zener. Sin embargo, sus voltajes de ruptura son muy altos (3.2 V por límite de grano), lo cual los limita en aplicaciones de bajo voltaje.

Óxido de Cinc.

Otros óxidos con propiedades varistoras:

• TiO2• BaTiO3• WO3• SnO2

ANTECEDENTESÓxido de Estaño.

El dióxido de estaño es un semiconductor del tipo n con una estructura tipo Rutilo. Tiene propiedades físicas interesantes que se adaptan al uso de varias aplicaciones. Por más de una década el dióxido de estaño de alta densidad ha atraído la atención para ser utilizado en aplicaciones de varistores cerámicos.

El problema que tiene el dióxido de estaño es su densificación la cual ha sido atacada utilizando diferentes enfoques, entre ellos, mecánicos (por ejemplo, utilizando el prensado isostático en caliente) y químicos (con el uso de dopantes los cuales mejoran la sinterización).

Representación de la celda unitaria del Sn02, la cual presenta una estructura tipo Rutilo

Objetivo principal:

• Determinar las características microestructurales y propiedades eléctricas presentes en el sistema SnO2-Co3O4-Cr2O3 cuando a este se le agregan los óxidos: Nb2O5, Sb2O5 y Ta2O5.

Objetivos científicos:

• Obtener un coeficiente de no linealidad alto y campo eléctrico de ruptura bajo, en el sistema cerámico varistor en base óxido de estaño.

• Establecer la temperatura óptima de sinterización para la elaboración del cerámico varistor en a base de SnO2.

• Establecer los contenidos de dopantes óptimos para lograr las mejores propiedades varistoras en el cerámico a elaborar.

• Evaluar la dependencia funcional existente entre las características microestructurales del sistema SnO2 y sus propiedades eléctricas.

• Fortalecer una metodología científica para estudios posteriores relacionados con los distintos mecanismos que se esconden tras la adición de agentes dopantes sobre las propiedades eléctricas de varistores en base óxido de estaño.

OBJETIVOS

Mediante las interacciones químicas y microestructurales entre los óxidos de SnO2, Nb2O5 con variaciones en la adición de Co2O3 y la utilización de diferentes dopantes (In2O3, Cr2O3, Al2O3 y Fe2O3) es posible la obtención de cerámicos con propiedades varistoras.

HIPÓTESIS

METODOLOGÍA

1.1 Revisión bibliográfica actualizada del comportamiento de diferentes dopantes sobre el sistema cerámico varistor basado en SnO2.

1.2 Análisis exhaustivo de la información adquirida.

1.3 Adquisición de materias primas (óxidos dopantes).

1.4 Caracterización de materias primas.

1.5. Desarrollo del diseño de experimentos A partir de una matriz SnO2-Co3O4-Cr2O3: Con variaciones en adición de: Nb2O5 Sb2O5 Ta2O5

1.6 Determinación de medios para homogenizar y establecimiento de la ruta de homogenización (vía sol-gel o mecánica a través del uso de mortero de ágata por vía húmeda), así como la definición de tiempos de mezclado.1.7 Obtención de probetas cerámicas varistoras:

Uso de un conformado por medio de presión uniaxial. Sinterización en un horno tubular a 1350°C. El estudio puede ser complementado con la variación de temperatura.

1.8 Caracterización de las probetas cerámicas 1.8.1 Propiedades eléctricas. 1.8.2 Difracción de rayos-X. 1.8.3 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).

1.9 Caracterización de propiedades físicas del cuerpo cerámico varistor 1.9.1 Determinación de densidad. 1.9.2 Determinación de porosidad. 1.10 Análisis y discusión de resultados.

Diseño del experimento

Mezcla de óxidos

Molienda

Secado

Prensado

Sinterización

Caracterización

Análisis Microestructural

Mediciones eléctricas

Medición de la densidad

DRX MEB EDS

Análisis de resultados

Reporte final

Curvas I-V Constante de no linealidad

METODOLOGÍA