Результат интеллектуальной деятельности: Высоковольтная оксидно-цинковая варисторная керамика

Изобретение относится к способам получения варисторной керамики и может быть использовано в электроэнергетике при изготовлении высоковольтных варисторов, являющихся основным элементом нелинейных ограничителей перенапряжения.

Основными характеристиками варисторной керамики на основе оксида цинка являются напряжение пробоя (U_b), коэффициент нелинейности (α) и плотность тока утечки (I_ym). В промышленном масштабе выпускаются варисторы на основе ZnO-керамики с U_b=0,2-0,5 кВ/мм. Для высоковольтных линий электропередач необходимы варисторы с повышенным (3-4 кВ/мм) напряжением пробоя. Необходимым условием надежной работы варистора являются малые значения плотности тока утечки, протекающего через варистор при нормальной работе электрической цепи и определяющего значение стационарного рабочего напряжения. При избыточной величине плотности тока утечки происходит саморазогрев варистора и его тепловой пробой. Поэтому необходимо стремиться к получению высоковольтной варисторной керамики с минимальным значением тока утечки при высоких значениях напряжения пробоя и коэффициента нелинейности.

Известна высоковольтная оксидно-цинковая варисторная керамика (см. пат. 8217751 США, МПК Н01С 7/10 (2006.1), 2012), имеющая состав, мас. %: ZnO 94,69, Bi₂O₃ 3,0, Sb₂O₃ 1,5, Al₂O₃ 0,01, Co₃O₄ 0,5, NiO 0,2, Mn₂O₃ или Li₂CO₃ 0,1. Керамику получают путем прокалки смеси исходных нанодисперсных оксидов при 550°С, таблетирования образующегося порошка и спекания таблеток горячим прессованием при 800-850°С. Полученная керамика имеет напряжение пробоя 1,71-1,85 кВ/мм, коэффициент нелинейности 75-77, плотность тока утечки около 10 мкА/см².

Недостатками данной варисторной керамики является то, что при обеспечении достаточно высоких значений коэффициента нелинейности керамика имеет относительно высокую плотность тока утечки и низкое напряжение пробоя.

Известна также принятая в качестве прототипа высоковольтная оксидно-цинковая варисторная керамика (см. пат. 2568444 РФ, МПК С04В 35/453, H01C 7/112 (2006.01), 2015), имеющая состав, мас. %: ZnO 60,0-85,0, Bi₂O₃ 3,42-9,11, Sb₂O₃ 4,79-12,76, Al₂O₃ 3,18-8,47, Со₂О₃ 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 получения керамики в качестве исходных компонентов используют порошкообразные гидратированные нитраты цинка, висмута, алюминия, кобальта, никеля и виннокислый раствор сурьмы. Исходные компоненты смешивают в стехиометрическом количестве с коммерческим сахаром, нагревают смесь при 145°С и затем прокаливают при 700°С. Из полученного керамического порошка со средним размером частиц 30 нм прессуют таблетки, которые подвергают двухступенчатому спеканию при температуре 700°С и 935°С. Полученная высоковольтная варисторная керамика имеет напряжение пробоя 3,5-4,4 кВ/мм, коэффициент нелинейности α=40-55.

Известная варисторная керамика имеет довольно высокие значения напряжения пробоя и коэффициента нелинейности, но, как показывают экспериментальные данные, плотность тока утечки керамики относительно высока.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в понижении плотности тока утечки варисторной керамики при обеспечении высоких значений напряжения пробоя и коэффициента нелинейности.

Технический результат достигается тем, что высоковольтная оксидно-цинковая варисторная керамика, включающая оксиды цинка, висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля, согласно изобретению, содержит оксидные компоненты в следующем количественном соотношении, мас. %: ZnO 77,5-82,5, Bi₂O₃ 4,66-6,56, Sb₂O₃ 2,05-2,95, Al₂O₃ 4,08-5,83, Co₂O₃ 3,32-4,37, NiO 1,92-3,48, при этом оксиды сурьмы и никеля соотносятся как 0,66-1,51.

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

Оксид цинка является основным компонентом заявляемой керамики. Содержание его в количестве 77,5-82,5 мас. % обеспечивает получение керамики с высокими величинами напряжения пробоя и коэффициента нелинейности и низким значением плотности тока утечки.

Содержание в составе керамики 4,66-6,56 мас. % Bi₂O₃ и 3,32-4,37 мас. % Co₂O₃ способствует формированию межзеренных границ ZnO с высоким напряжением пробоя и повышенным коэффициентом нелинейности.

Содержание в составе керамики 4,08-5,83 мас. % Al₂O₃ и 2,05-2,95 мас. % Sb₂O₃ обеспечивает подавление роста зерен ZnO и, тем самым, увеличивает напряжение пробоя и снижает плотность тока утечки.

Содержание в составе керамики 1,92-3,48 мас. % NiO способствует более эффективному спеканию керамического порошка с получением керамики с низкой плотностью тока утечки.

Соотношение оксидов сурьмы и никеля в диапазоне значений 0,66-1,51 обеспечивает получение высоковольтной варисторной керамики с плотностью тока утечки на уровне 0,1-0,2 мкА/см² и менее при высоких значениях напряжения пробоя и коэффициента нелинейности.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в понижении плотности тока утечки варисторной керамики при сохранении высоких значений напряжения пробоя и коэффициента нелинейности.

Особенности и преимущества заявляемого изобретения могут быть пояснены нижеследующими Примерами 1-8.

В Примерах керамику согласно изобретению получают следующим образом. Вначале осуществляют синтез нанодисперсного керамического порошка методом сжигания с использованием в виде топлива коммерческого сахара. 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 в стехиометрическом количестве смешивают с коммерческим сахаром, засыпают в стеклянный термостойкий стакан, помещают его в предварительно нагретую до 500°С муфельную печь, выдерживают в течение 5-10 минут, извлекают из печи и охлаждают до комнатной температуры. Продукт термообработки (сжигания) измельчают с помощью стержневого миксера и прокаливают в муфельной печи при температуре 700°С в течение 1 часа. Синтезированный керамический порошок таблетируют, таблетки спекают при 975°С с изотермической выдержкой в течение 2,5 часов. Полученная варисторная керамика имеет состав, мас. %: ZnO 77,5-82,5, Bi₂O₃ 4,66-6,56, Sb₂O₃ 2,05-2,95, Al₂O₃ 4,08-5,83, Со₂О₃ 3,32-4,37, NiO 1,92-3,48, при этом оксиды сурьмы и никеля соотносятся как 0,66-1,51.

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 1-8 осуществления изобретения и согласно Примеру 9 по прототипу, представлены в Таблице.

Из представленных в Таблице данных следует, что получаемая высоковольтная варисторная керамика на основе оксида цинка имеет по сравнению с прототипом более высокое напряжение пробоя, повышенный коэффициент нелинейности и значительно меньшую величину плотности тока утечки. Так, напряжение пробоя составляет 3,7-5,1 кВ/мм, коэффициент нелинейности 56-74, плотность тока утечки 0,1-0,2 мкА/см² и менее. Получаемая керамика перспективна для производства варисторов с высокой стабильностью рабочих характеристик.