Резистивный материал

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электропроводным материалам, и может быть использовано для изготовления нелинейных регисторов, применяемых, например, в устройствах, предназначенных для защиты от перенапряжений. Резистивный материал содержит токопроводящую фазу, связующие и диэлектрический наполнитель. Согласно формуле изобретения в качестве токопроводящей фазы он содержит карбид бора. Содержание компонентов следующее, мас.%: карбид бора В₄С 10-70, связующее 10-30, диэлектрический наполнитель - остальное. Связующее может быть неорганическим или органическим. В качестве диэлектрического наполнителя содержит, по крайней мере, один компонент из группы, мас. %: ZnO 1-65, CuO 0,5-50, FeO₃ (или FeO) 0,5-50, MnO₂ (или MnO) 0,3-2, Co₂O₃ (или CoO) 0,5-5, Bi₂O₃ 0,5-5, Sb₂O₃ 0,5-50, CrO₃ 0,3-50, V₂O₃ 0,5-5, K₂Cr₂O₇ (или Na₂Cr₂O₇, или NH₄Cr₂O₇) 0,5-3. Техническим результатом является обеспечение одновременно высоких значений коэффициента нелинейности и начального удельного сопротивления. 4.з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области электропроводных материалов, и может быть использовано для изготовления нелинейных резисторов, применяемых, например, в устройствах, предназначенных для защиты от перенапряжений.

Известен резистивный материал [1), содержащий неорганическое связующее - портландцемент и воду, электропроводную фазу - порошок углерода и диэлектрический наполнитель - кварцевый песок и периклаз в следующих соотношениях, мас.%: Связующее - портландцемент - 23 - 43, Связующее - вода - 8 - 9 Порошок углерода - 6 - 29 Диэлектрический наполнитель - Остальное Электрическое сопротивление этого материала 1·10⁴Ом·см.

Недостатком этого материала является низкий коэффициент нелинейности, равный 1,1 - 1,5 и низкое начальное удельное сопротивление.

Известен резистивный материал [2] следующего состава, мас.%: Портландцемент - 35-50 Диэлектрический наполнитель - 40-60 Технический углерод - 5 - 20 Сульфированный нафталинформальдегидный олигомер - 0,35 -1,5
Вода - Остальное
Резисторы из этого материала имеют хорошие физико-механические и электрофизические характеристики. Недостатком материала является низкий коэффициент нелинейности и низкое начальное удельное сопротивление. Известен резистивный материал [3], принятый за прототип. Он содержит токопроводящую фазу на основе мелкодисперсного углерода и связующее на основе портландцемента или жидкого стекла. Материал дополнительно содержит оксид цинка при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент или жидкое стекло - 34-39,
Мелкодисперсный углерод - 6 - 17
Оксид цинка - 44 - 60
Этот материал имеет коэффициент нелинейности β, равный 5-50. Недостатком материала является низкое начальное удельное сопротивление.

Цель изобретения: обеспечение одновременно высоких значений коэффициента нелинейности и начального удельного сопротивления.

Поставленная цель достигается за счет того, что в резистивном материале, включающем токопроводящую фазу и связующее, новым является то, что в качестве токопроводящей фазы он содержит карбид бора. Компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%:
Карбид бора B₄C - 10-70
Связующее - 10 - 30
Диэлектрический наполнитель - Остальное.

Резистивный материал в качестве связующего может содержать неорганическое связующее.

Резистивный материал в качестве связующего может содержать органическое связующее.

Резистивный материал в качестве связующего может содержать неорганическое и органическое связующие.

Резистивный материал в качестве диэлектрического наполнителя содержит, по крайней мере, один компонент из группы, мас.%: ZnO 1 - 65, CuO 0,5 - 50, Fe₂O₃ (или FeO) 0,5 - 50, MnO₂ (или MnO) 0,3 - 2, Co₂O₃ (или CoO) 0,5 - 5, Bi₂O₃ 0,5 - 5, Sb₂O₃ 0,5 - 50, Cr₂O₃ 0,3 - 50, V₂O₅ 0,5 - 5, K₂Cr₂ O₇ (или Na₂Cr₂O₇, или NH₄Cr₂O₇ 0,5 - 3).

Предлагаемый резистивный материал, как и прототип, содержит токопроводящую фазу и связующее. В отличие от прототипа в качестве токопроводящей фазы используется не углерод, а карбид бора В₄С в количестве 10 - 70 мас.%.

Связующие могут быть как неорганические, например фосфатные цементы, так и органические, например эпоксидные клеи в количестве 10 - 30 мас.%.

В зависимости от заданных электрофизических, прочностных и технологических свойств в состав предлагаемого материала входит также, по крайней мере, один компонент из группы, мас.%: ZnO 1 - 65, CuO 0,5 - 50, Fe₂O₃ (или FeO) 0,5 - 50, MnO₂ (или MnO) 0,3 -2, Co₂O₃ (или CoO) 0,5 - 5, Bi₂O₃ 0,5 - 5, Sb₂ O₃ 0,5 - 50, Cr₂O₃ 0,3 -50, V₂O₅ 0,5 - 5, K₂Cr₂O₇ (или Na₂Cr₂O₇, или NH₄Cr₂O₇) 0,5 - 3.

Начальное электрическое сопротивление и коэффициент нелинейности вольт-амперной характеристики заявляемого материала больше, чем у прототипа и в зависимости от состава они достигают значений 10¹² Ом·см и до 50 соответственно. При этом высокие значения коэффициента нелинейности и начального удельного сопротивления реализуются в заявляемом материале одновременно. У известных же материалов оба эти параметра (коэффициент нелинейности и начальное удельное сопротивление) существенно меньше [1,2]. Прототип при высоком коэффициенте нелинейности характеризуется низким начальным удельным сопротивлением [3].

Достижение цели предполагаемого изобретения определяется использованием в качестве токопроводящей фазы карбида бора вместо углерода. Замена углерода в прототипе на карбид бора приводит к повышению начального сопротивления без снижения коэффициента нелинейности. Заявляемые пределы содержания карбида бора определяются тем, что при уменьшении его концентрации ниже 10 мас.% коэффициент нелинейности резко снижается, а при содержании карбида бора больше 70 мас.% возрастает вероятность электрического пробоя из-за малого расстояния между токопроводящими частицами.

Использование оксидов ZnO, CuO, Fe₂O₃ (или FeO), MnO₂ (или MnO), Co₂O₃ (или CoO), Bi₂O₃, Sb₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₅, а также солей К₂Cr₂O₇ (или Na₂Cr₂O₇, или NH₄Cr₂O₇) приводит к увеличению начального электрического сопротивления, но одновременно способствует повышению коэффициента нелинейности. При этом они увеличивают коэффициент нелинейности даже в относительно небольших концентрациях за счет увеличения количества контактов между разнородными частицами, перестраивающими свою электронную структуру в электрическом поле.

В таблице в качестве примера приведены состав и свойства (логарифм начального электрического сопротивления lg( ρ , Ом·см) и коэффициент нелинейности β) 9 образцов предлагаемого материала и прототипа. В качестве неорганического связующего могут использоваться, например, промышленные фосфатные цементы марок "Висфат" или "Фосфат", которые поставляются в виде порошка и затворяющей жидкости. В качестве органического связующего могут использоваться эпоксидные клеи, состоящие из смолы и отвердителя.

Из таблицы видно, что предлагаемый материал при близких к прототипу значениях коэффициента нелинейности вольт-амперных характеристик обладает на 2-6 порядков более высоким начальным удельным электрическим сопротивлением. Этим и определяется существенное техническое его преимущество.

Достоинством нового резистивного материала является его технологичность. Технология изготовления элементов любой конфигурации проста и не требует высокотемпературного обжига. Сначала производят сухое перемешивание порошков карбида бора и диэлектрических наполнителей. Затем в полученную смесь добавляется связующее.

В случае использования в качестве связующего фосфатного цемента к смеси карбида бора и диэлектрического наполнителя добавляется порошок фосфатного цемента и производят сухое перемешивание. В полученную сухую смесь добавляют затворяющую жидкость фосфатного цемента. Полученная масса тщательно перемешивается.

В случае использования в качестве связующего эпоксидной смолы к сухой смеси карбида бора и диэлектрического наполнителя добавляется эпоксидная смола и отвердитель. Полученная масса тщательно перемешивается.

В случае использования в качестве связующего фосфатного цемента и эпоксидной смолы к смеси карбида бора и диэлектрического наполнителя добавляется порошок фосфатного цемента и производят сухое перемешивание. В полученную смесь добавляются жидкости: сначала эпоксидная смола и отвердитель, затем затворяющая жидкость фосфатного цемента. После этого производится тщательное перемешивание.

Полученная масса укладывается в форму нужной конфигурации и размеров. В форме происходит затвердевание массы при комнатной температуре. Затвердевшая заготовка извлекается из формы и в случае необходимости поверхности ее могут подшлифовываться.

Например, для изготовления образцов резистивного материала N 4 (по таблице) в расчете на 100 г шихты необходимо 24 г порошка карбида бора B₄C смешать с 50 г порошкоообразных оксида железа (FeO) и 1 г бихромата калия (K₂Cr₂O₇). К полученной сухой смеси необходимо добавить 20 г эпоксидной смолы и 5 г отвердителя. Полученную массу необходимо тщательно перемешать и уложить в формы. Через сутки смесь полностью затвердевает и заготовки извлекают из форм. Плоскости изделий могут подшлифовываться до заданной толщины.

Список литературы
1. RU, авторское свидетельство N 484573, H 01 С 7/10, 1973 г.

2. RU патент N 2009559, H 01 C 7/00, 1994 г.

3. RU, авторское свидетельство N 978205, H 01 С 7/10, 1981 г.

Формула изобретения

1. Резистивный материал, содержащий токопроводящую фазу, связующее и диэлектрический наполнитель, отличающийся тем, что в качестве токопроводящей фазы содержит карбид бора B₄C, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбид бора В₄С - 10 - 70
Связующее - 10 - 30
Диэлектрический наполнитель - Остальное
2. Резистивный материал по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве связующего содержит неорганическое связующее.

3. Резистивный материал по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве связующего содержит органическое связующее.

4. Резистивный материал по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве связующего содержит неорганическое и органическое связующие.

5. Резистивный материал по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве диэлектрического наполнителя содержит, по крайней мере, один компонент из группы, мас.%:
ZnO - 1 - 65
Fe₂O₃ (или FeO) - 0,5 - 50
MnO₂ (или MnO) - 0,3 - 2
Со₂О₃ (или СоО) - 0,5 - 5
Bi₂O₃ - 0,5 - 5
Sb₂O₃ - 0,5 - 50
Cr₂O₃ - 0,3 - 50
V₂O₅ - 0,5 - 5
K₂Cr₂O₇ (или Na₂Cr₂O₇, или NH₄Cr₂O₇) - 0,5 - 3
CuO - 0,5 - 50о

РИСУНКИ

Рисунок 1