Оксидно-цинковая варисторная керамика

Оксидно-цинковая варисторная керамика

Реферат

Изобретение относится к получению оксидно-цинковой варисторной керамики и может быть использовано в электроэнергетике при изготовлении варисторов, являющихся основным элементом нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН).

В настоящее время применяют варисторы на основе ZnO-керамики. Основными свойствами варисторной керамики являются напряжение пробоя (U_b) и коэффициент нелинейности (α). В промышленном масштабе оксидно-цинковые варисторы выпускают с использованием керамики с U_b=0,2-0,4 кВ/мм и α=40-50. Для работы ОПН в высоковольтных электрических сетях необходимы варисторы на основе керамики с U_b=3-4 кВ/мм. Это позволит уменьшить толщину варисторов и, соответственно, уменьшить габариты и вес высоковольтных ОПН на их основе.

Известна оксидно-цинковая варисторная керамика (см. Hembram K., Sivaprahasam D., Rao T.N. Combustion synthesis of doped nanocrystalline ZnO powders for varistors applications // Journal of the European Ceramic Society, 2011, Vol. 31, Issue 10, P. 1905-1913) состава, мас. %: ZnO 88,0, Bi₂O₃ 5,0, Sb₂O₃ 3,5, Co₃O₄ 1,5, Cr₂O₃ 1,0, MnO₂ 1,0, которую получают путем химического сжигания исходных компонентов, прокалки продукта сжигания при 750°C, таблетирования образующегося порошка путем холодного прессования и 2-ступенчатого спекания при температуре 600°C в течение 120 минут на первой ступени и температуре 925°C в течение 240 минут на второй ступени. Полученная керамика имеет U_b=0,89 кВ/мм и α=112.

Недостатком данной варисторной керамики является то, что при обеспечении высоких значений коэффициента нелинейности напряжение пробоя не превышает 0,89 кВ/мм. Это усложняет использование варисторов на основе керамики в высоковольтных электрических сетях.

Известна также оксидно-цинковая варисторная керамика (см. пат. 8217751 США, МПК H01C 7/10 (2006.1), 2012) состава, мас. %: ZnO 94,69, Bi₂O₃ 3,0, Sb₂O₃ 1,5, Al₂O₃ 0,01, Co₃O₄ 0,5, NiO 0,2, Mn₂O₃ или Li₂CO₃ 0,1, которую получают путем прокалки смеси исходных нанодисперсных оксидов при 550°C, таблетирования образующегося порошка, спекания таблеток горячим прессованием при 800-850°C. Полученная керамика имеет напряжение пробоя U_b=1,71-1,85 кВ/мм и коэффициент нелинейности α=75-77.

Недостатками известной варисторной керамики является то, что при обеспечении высоких значений коэффициента нелинейности значение напряжения пробоя является относительно невысоким (1,85 кВ/мм). Кроме того, исходные оксиды берут в виде нанодисперсных порошков, а спекание керамических таблеток осуществляют путем горячего прессования, что существенно затрудняет и удорожает производство керамики.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении напряжения пробоя высоковольтной оксидно-цинковой варисторной керамики при обеспечении ее высокого коэффициента нелинейности.

Технический результат достигается тем, что оксидно-цинковая варисторная керамика, включающая оксиды цинка, висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля, согласно изобретению содержит оксидные компоненты в следующем количественном соотношении, мас. %: ZnO 60,0-85,0, Bi₂O₃ 3,42-9,11, Sb₂O₃ 4,79-12,76, Al₂O₃ 3,18-8,47, Co₂O₃ 2,53-6,74, NiO 1,08-2,92, при этом оксиды висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля соотносятся как 1,0:1,4:0,93:0,74:0,32.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Оксид цинка является основным компонентом заявленной керамики. Содержание оксида цинка в количестве 60-85 мас. % обеспечивает получение керамики с повышенным напряжением пробоя и высоким коэффициентом нелинейности. При содержании ZnO более 85 мас. % и менее 60 мас. % резко снижаются напряжение пробоя керамики и величина коэффициента нелинейности.

Количественное содержание добавок в виде оксидов висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля зависит от содержания оксида цинка и должно отвечать соотношению: Bi₂O₃ 3,42-9,11, Sb₂O₃ 4,79-12,76, Al₂O₃ 3,18-8,47, Co₂O₃ 2,53-6,74, NiO 1,08-2,92, при этом указанные оксиды висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля должны соотноситься как 1,0:1,4:0,93:0,74:0,32. Это обеспечивает стабильно высокую величину как напряжения пробоя керамики, так и коэффициента нелинейности.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в получении высоковольтной оксидно-цинковой варисторной керамики с повышенным напряжением пробоя и высоким коэффициентом нелинейности.

Особенности и преимущества заявляемого изобретения могут быть пояснены нижеследующими Примерами.

Керамику согласно изобретению получают следующим образом. Вначале осуществляют синтез нанодисперсного керамического порошка методом химического сжигания с использованием сахарного топлива. В качестве исходных компонентов берут порошкообразные гидратированные нитраты металлов: Zn(NO₃)₂·6H₂O, Bi(NO₃)₃·5H₂O, Al(NO₃)₃·9H₂O, Co(NO₃)₂·6H₂O, Ni(NO₃)₂·6H₂O и виннокислый раствор сурьмы. Исходные компоненты смешивают в стехиометрическом количестве с коммерческим сахаром, нагревают при 145°C в течение 40 минут и продукт сжигания прокаливают при 700°C в течение 60 минут. Из полученного керамического порошка со средним размером частиц 30 нм прессуют таблетки на гидравлическом прессе при давлении 140 МПа, которые подвергают двухступенчатому спеканию при температуре 700°C в течение 60 минут на первой ступени и при 935°C в течение 240 минут на второй ступени с получением варисторной керамики состава, мас. %: ZnO 60,0-85,0, Bi₂O₃ 3,42-9,11, Sb₂O₃ 4,79-12,76, Al₂О₃ 3,18-8,47, Co₂O₃ 2,53-6,74, NiO 1,08-2,92. При этом оксиды висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля соотносятся как 1,0:1,4:0,93:0,74:0,32.

Для определения варисторных свойств керамики на торцевые поверхности керамических таблеток наносят пленочные электроды с использованием серебряной пасты.

Состав и свойства варисторной керамики, полученной согласно Примерам 1-6 осуществления изобретения, представлены в Таблице.

Из данных Таблицы следует, что в диапазоне заявленного содержания оксидных компонентов получаемая оксидно-цинковая варисторная керамика имеет напряжение пробоя 3,5-4,4 кВ/мм и коэффициент нелинейности 40-55, что позволяет использовать ее для изготовления высоковольтных варисторов. Нанодисперсные порошки варисторной керамики по изобретению в отличие от прототипа получают в процессе их синтеза из гидратированных нитратов металлов и спекают без использования горячего прессования, что упрощает и удешевляет производство керамики.

Оксидно-цинковая варисторная керамика, включающая оксиды цинка, висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля, отличающаяся тем, что керамика содержит оксидные компоненты в следующем количественном соотношении, мас.%: ZnO 60,0-85,0, Bi₂O₃ 3,42-9,11, Sb₂O₃ 4,79-12,76, Al₂O₃ 3,18-8,47, Co₂O₃ 2,53-6,74, NiO 1,08-2,92, при этом оксиды висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля соотносятся как 1,0:1,4:0,93:0,74:0,32.