Síntese e caracterização elétrica de cerâmicas varistoras à base de ZnO

The doping of the basic varistor system ZnO.Bi2O3.MnO2.Co3O4 by praseodymium was studied in this work. The individual and combined action of the dopant and atmosphere sintering on the electrical properties and degradation of zinc oxide varistors were studied. The varistor ceramics syntheses followed the ceramic process of powder metallurgy and were sinterized at the same temperature in nitrogen or air atmospheres to investigate the influence of the sintering atmosphere on varistor properties. The microestrutural and the ceramic phases were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The electrical characterization and degradation properties were made by the current density as a function of the electric field besides on low current measurements. The results show that the Pr contributes to high varistor properties when the ceramic is synterized in air atmosphere. The breakdown electric field has been shown to be 900V.cm-1 (nonlinear coefficient α=19) and such result indicated that the ceramics obtained in this work might be used as high voltage varistors. When subjecting the ZnO ceramics to an electric field at high temperatures it was observed an insulator to conductor transition. Even when the temperature becomes lower the conductivity remains high and this phenomenon is not related with the dopants (Pr) or another metallic oxide (Bi2O3, MnO2, Co3O4), because this high persistent conductivity was presented in pure ZnO samples. It was proposed that high persistent conductivity may be due to the redistribution of intrinsic point defects promoted by the electric field and favored by the high temperatures.Neste trabalho foram sintetizadas amostras cerâmicas à base de ZnO, através da técnica de metalurgia do pó com o objetivo de obter cerâmicas com propriedades elétricas características de cerâmicas varistoras. O sistema quaternário ZnO_Bi2O3_MnO2_Co3O4 estudado levou a obtenção de tais propriedades varistoras. Com o propósito de descobrir o efeito de um elemento de transição interna como dopante, foi adicionado ao sistema o praseodímio na forma de Pr6O11, nas concentrações de 0,05; 0,10 e 0,30 em % molar. O processo de sinterização foi realizado em atmosfera de oxigênio ou em atmosfera de nitrogênio a fim de se avaliar o efeito da atmosfera nas propriedades varistoras. As microestruturas das cerâmicas foram analisadas por microscópio eletrônico de varredura (MEV), a morfologia e a fase cristalina foram analisadas por difração de raios-X. Foram observados sistemas monofásicos com picos característicos da estrutura da wurtzita e sistemas com formação de precipitado no contorno de grão. Estes últimos apresentaram apenas um pico característico, com pouca intensidade, correspondente ao pico mais intenso do difratograma do óxido de bismuto. As amostras sinterizadas em atmosfera de N2 apresentaram maior corrente de fuga e menores valores de α, confirmando a necessidade do oxigênio durante o processo de sinterização. As amostras dopadas com praseodímio resultaram mais densas e com menores tamanhos de grão. Observou-se, em todas as amostras, uma transição de isolante para condutor quando as mesmas foram submetidas a campos elétricos e a altas temperaturas. Tal condutividade manteve-se persistente, mesmo após o resfriamento das amostras. Este fenômeno não deve estar associado aos óxidos adicionados ao ZnO, pois também foi observado em amostras livres de tais óxidos. É proposto neste trabalho que esta alta condutividade persistente deve-se a uma redistribuição dos defeitos pontuais intrínsecos, provocada pelo campo elétrico e facilitada pelas altas temperaturas