Elaboration et caractérisation de varistances à fort champ de seuil à base d’oxyde de zinc

par Damien Choron

Thèse de doctorat en chimie des matériaux

Sous la direction de Sylvain Marinel.

Soutenue en 2015

à Caen , dans le cadre de École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016) , en partenariat avec Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne Leriche.

Le jury était composé de Sylvain Marinel, Anne Leriche, Sophie Guillemet, Dominique Goeuriot, Sophie Beaudet-Savignat, Bruno Pintault.

Les rapporteurs étaient Sophie Guillemet, Dominique Goeuriot.

mots clés

• Céramique industrielle -- Thèses et écrits académiques
• Varistances -- Thèses et écrits académiques
• Oxyde de zinc -- Thèses et écrits académiques
• Chimie douce -- Thèses et écrits académiques
• Frittage (métallurgie) -- Thèses et écrits académiques
• Microondes -- Thèses et écrits académiques
• Plan d'expérience -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Les varistances sont des composants électriques à résistivité variable en fonction du champ électrique qui leur est appliqué. Ces composants sont généralement utilisés dans les dispositifs de protection contre les surtensions. Ce travail vise à améliorer les connaissances liées à un procédé d’élaboration de varistances à fort champ de seuil par chimie douce et métallurgie des poudres. Dans un premier temps, la sensibilité des caractéristiques physico-chimiques des poudres à la teneur en dopants et à deux temps de mûrissement des poudres en suspension après synthèse a été vérifiée. Les propriétés physico-chimiques des poudres synthétisées ne sont pas affectées par la modification de ces paramètres. Les mécanismes de frittage en four conventionnel sont ensuite étudiés par la méthode MSC et par la mise en place d’un plan d’expériences, portant sur trois paramètres : la vitesse de montée en température, la température et la durée de palier. Ces études ont conduit à comparer la densification de matériaux avec et sans sodium et à établir les conditions de frittage permettant d’obtenir les spécifications requises. Les températures utilisées permettent de conserver une faible taille de grain, d’obtenir une densité élevée et un champ de seuil conforme aux spécifications. Enfin, le frittage de céramiques par micro-ondes a été évalué : celui-ci est possible par chauffage sous champ magnétique et permet de raccourcir les durées de frittage et d’atteindre une densité et une taille de grain similaires à celles observées en frittage conventionnel. Toutefois, du fait des fortes rampes de température utilisées, ces matériaux présentent de faibles caractéristiques électriques.

Résumé

A varistor is a variable resistor: its resistivity varies according to applied electric field. This type of component is generally used in surge suppressor systems. This work aims to improve knowledge on a high-field varistor elaboration-process by chemical route and powder metallurgy. First, the influence of dopants’ concentration and ripening durations after precipitation on powders’ physico-chemical properties were investigated. The synthesised powders’ characteristics were not affected by these process modifications. The sintering mechanisms were then studied both by the MSC-method and the use of a design of experiments, dealing with three parameters: the heating rate and the dwell temperature and duration. During these studies, the densification of the material was compared with and without sodium, and sintering conditions conducing to the desired properties were established. Used temperatures allowed to retain a small grain size and to obtain a high density and a breakdown field compliant with specifications. Finally, microwave sintering of ceramics was investigated: magnetic-field heating is possible and allows reducing drastically the sintering duration. The obtained densities and grain sizes are similar to those observed in conventional sintering. However, this materials show low electric properties, probably due to the high heating rates used in these experiments.