Оксидно-цинковая варисторная керамика


 


Владельцы патента RU 2568444:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (ИХТРЭМС КНЦ РАН) (RU)

Изобретение относится к получению оксидно-цинковой варисторной керамики и может быть использовано в электроэнергетике при изготовлении варисторов, являющихся основным элементом нелинейных ограничителей перенапряжения. Оксидно-цинковая варисторная керамика содержит оксиды цинка, висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля в 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. Оксиды висмута, сурьмы, алюминия, кобальта и никеля соотносятся как 1,0:1,4:0,93:0,74:0,32. Получаемая варисторная керамика имеет напряжение пробоя 3,5-4,4 кВ/мм и коэффициент нелинейности 40-55, что позволяет использовать ее для изготовления высоковольтных варисторов. 1 табл.

 

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 (Ub) и коэффициент нелинейности (α). В промышленном масштабе оксидно-цинковые варисторы выпускают с использованием керамики с Ub=0,2-0,4 кВ/мм и α=40-50. Для работы ОПН в высоковольтных электрических сетях необходимы варисторы на основе керамики с Ub=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 Ub=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 Ub=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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при изготовлении варисторов на основе цинка. .

Изобретение относится к электронной технике. .

Варистор // 983761
Изобретение относится к способу получения варисторной керамики. Технический результат изобретения заключается в повышении напряжения пробоя и коэффициента нелинейности при использовании холодного прессования.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым керамическим материалам, и может быть использовано при производстве варисторов на основе оксида цинка.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, прежде всего к эффективным, быстродействующим сцинтилляционным детекторам. Описан способ получения прозрачной керамики, заключающийся в том, что предварительно в металлический порошкообразный цинк добавляют металлический порошкообразный магний, далее газофазным методом проводят синтез порошка для получения гранул в форме тетраподов и имеющих трехмерную наноструктуру, содержащую оксид магния в количестве 0,5-2,3 мас.%, затем полученную смесь подвергают горячему прессованию при температуре 1100-1200°C и давлении 100-200 МПа.

Изобретение относится к области производства керамических материалов и предназначено для использования при изготовлении мишеней на основе оксида цинка, являющихся источником материала для магнетронного, электронно-лучевого, ионно-лучевого и других методов нанесения пленок в микро-, опто-, наноэлектронике.
Изобретение относится к области производства керамических материалов и предназначено для использования при изготовлении керамических мишеней, являющихся источником материала для магнетронного, электронно-лучевого, ионно-лучевого и других методов нанесения прозрачных проводящих пленок в микро-, опто-, наноэлектронике.

Изобретение относится к распыляемым мишеням высокой плотности из спеченного изделия на основе серий оксид галлия-оксид цинка. .

Изобретение относится к распыляемой мишени для получения тонкой прозрачной проводящей пленки. .

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, прежде всего к эффективным, быстродействующим сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-квантов, и может быть использовано в медицине, промышленности, космической технике, научных исследованиях.

Изобретение относится к керамическим материалам на основе окислов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров.

Мишень для ионно-плазменного распыления выполнена на основе оксида металла и содержит углерод. Концентрация углерода в мишени выбрана из условия обеспечения при температуре распыления теплового эффекта от экзотермической реакции при окислении углерода кислородом оксида металла и свободным кислородом в зоне распыления, меньшего интегрального теплоотвода в упомянутой зоне, и составляет 0,1-20 ат.% . Оксидом металла является оксид цинка. Изобретение позволяет улучшить характеристики наносимых слоев, повысить степень использования мишеней и уменьшить энергетические затраты при распылении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх