RU2712822C1 - High-voltage oxide-zinc varistor ceramic - Google Patents
High-voltage oxide-zinc varistor ceramic Download PDFInfo
- Publication number
- RU2712822C1 RU2712822C1 RU2019113008A RU2019113008A RU2712822C1 RU 2712822 C1 RU2712822 C1 RU 2712822C1 RU 2019113008 A RU2019113008 A RU 2019113008A RU 2019113008 A RU2019113008 A RU 2019113008A RU 2712822 C1 RU2712822 C1 RU 2712822C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramics
- voltage
- zinc
- leakage current
- varistor
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/453—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zinc, tin, or bismuth oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. zincates, stannates or bismuthates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/04—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient
- H01C7/042—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient mainly consisting of inorganic non-metallic substances
- H01C7/043—Oxides or oxidic compounds
- H01C7/044—Zinc or cadmium oxide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
- H01C7/12—Overvoltage protection resistors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения варисторной керамики и может быть использовано в электроэнергетике при изготовлении высоковольтных варисторов, являющихся основным элементом нелинейных ограничителей перенапряжения.The invention relates to methods for producing varistor ceramics and can be used in the power industry in the manufacture of high-voltage varistors, which are the main element of nonlinear surge arresters.
Основными характеристиками варисторной керамики на основе оксида цинка являются напряжение пробоя (Ub), коэффициент нелинейности (α) и плотность тока утечки (Iym). В промышленном масштабе выпускаются варисторы на основе ZnO-керамики с Ub=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.The main characteristics of zinc oxide-based varistor ceramics are breakdown voltage (U b ), non-linearity coefficient (α) and leakage current density (I ym ). On an industrial scale, varistors based on ZnO ceramics with U b = 0.2-0.5 kV / mm are produced. For high-voltage power lines, varistors with an increased (3-4 kV / mm) breakdown voltage are required. A necessary condition for reliable operation of the varistor is the low density of the leakage current flowing through the varistor during normal operation of the electrical circuit and determining the value of the stationary operating voltage. With an excess value of the leakage current density, the varistor self-heats up and its thermal breakdown occurs. Therefore, it is necessary to strive to obtain high-voltage varistor ceramics with a minimum leakage current at high breakdown voltage and non-linearity coefficient.
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.Known high-voltage oxide-zinc varistor ceramics (see US Pat. 8217751 USA, IPC Н01С 7/10 (2006.1), 2012), having the composition, wt. %: ZnO 94.69, Bi 2 O 3 3.0, Sb 2 O 3 1.5, Al 2 O 3 0.01, Co 3 O 4 0.5, NiO 0.2, Mn 2 O 3 or Li 2 CO 3 0.1. Ceramics is obtained by calcining a mixture of the initial nanosized oxides at 550 ° C, pelletizing the resulting powder and sintering the tablets by hot pressing at 800-850 ° C. The resulting ceramic has a breakdown voltage of 1.71-1.85 kV / mm, a nonlinearity coefficient of 75-77, and a leakage current density of about 10 μA / cm 2 .
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.The disadvantages of this varistor ceramics is that while ensuring sufficiently high values of the coefficient of nonlinearity, the ceramic has a relatively high leakage current density and low breakdown voltage.
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.Also known is a high-voltage oxide-zinc varistor ceramics adopted as a prototype (see US Pat. %: ZnO 60.0-85.0, Bi 2 O 3 3.42-9.11, Sb 2 O 3 4.79-12.76, Al 2 O 3 3.18-8.47, Co 2 O 3 2.53-6.74, NiO 1.08-2.92, while the oxides of bismuth, antimony, aluminum, cobalt and nickel are related as 1.0: 1.4: 0.93: 0.74: 0, 32. To obtain ceramics, powdered hydrated zinc, bismuth, aluminum, cobalt, nickel nitrates and antimony tartrate are used as starting components. The starting components are mixed in stoichiometric amounts with commercial sugar, the mixture is heated at 145 ° C and then calcined at 700 ° C. From the obtained ceramic powder with an average particle size of 30 nm, tablets are pressed, which are subjected to two-stage sintering at a temperature of 700 ° C and 935 ° C. The obtained high-voltage varistor ceramics has a breakdown voltage of 3.5–4.4 kV / mm, nonlinearity coefficient 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.Known varistor ceramics has rather high values of breakdown voltage and non-linearity coefficient, but, as experimental data show, the leakage current density of ceramics is relatively high.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в понижении плотности тока утечки варисторной керамики при обеспечении высоких значений напряжения пробоя и коэффициента нелинейности.The present invention is aimed at achieving a technical result consisting in lowering the leakage current density of varistor ceramics while ensuring high breakdown voltage and non-linearity coefficient.
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.The technical result is achieved in that the high-voltage oxide-zinc varistor ceramics, including oxides of zinc, bismuth, antimony, aluminum, cobalt and nickel, according to the invention, contains oxide components in the following quantitative ratio, wt. %: ZnO 77.5-82.5, Bi 2 O 3 4.66-6.56, Sb 2 O 3 2.05-2.95, Al 2 O 3 4.08-5.83, Co 2 O 3 3.32-4.37, NiO 1.92-3.48, while the oxides of antimony and nickel are correlated as 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.The essential features of the claimed invention, which determine the scope of legal protection and are sufficient to obtain the above technical result, perform functions and relate to the result as follows.
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.Zinc oxide is the main component of the claimed ceramics. Its content in the amount of 77.5-82.5 wt. % provides ceramics with high breakdown voltage and non-linearity coefficient and low leakage current density.
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.The content of ceramics 4.66-6.56 wt. % Bi 2 O 3 and 3.32-4.37 wt. % Co 2 O 3 promotes the formation of ZnO grain boundaries with a high breakdown voltage and an increased non-linearity coefficient.
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.The content of ceramics is 4.08-5.83 wt. % Al 2 O 3 and 2.05-2.95 wt. % Sb 2 O 3 suppresses the growth of ZnO grains and, thereby, increases the breakdown voltage and reduces the leakage current density.
Содержание в составе керамики 1,92-3,48 мас. % NiO способствует более эффективному спеканию керамического порошка с получением керамики с низкой плотностью тока утечки.The content in the composition of ceramics is 1.92-3.48 wt. % NiO promotes more efficient sintering of the ceramic powder to produce ceramics with a low leakage current density.
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.The ratio of antimony and nickel oxides in the range of 0.66-1.51 provides high-voltage varistor ceramics with a leakage current density of 0.1-0.2 μA / cm 2 or less at high breakdown voltage and non-linearity coefficient.
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.The combination of the above features is necessary and sufficient to achieve the technical result of the invention, which consists in lowering the leakage current density of the varistor ceramics while maintaining high values of breakdown voltage and non-linearity coefficient.
Особенности и преимущества заявляемого изобретения могут быть пояснены нижеследующими Примерами 1-8.Features and advantages of the claimed invention can be explained by the following Examples 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.In Examples, a ceramic according to the invention is prepared as follows. First, the synthesis of nanosized ceramic powder is carried out by burning using commercial sugar as a fuel. The starting components are powdered hydrated metal nitrates: Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O, Bi (NO 3 ) 3 ⋅ 5H 2 O, Al (NO 3 ) 3 ⋅ 9H 2 O, Co (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O and antimony tartrate solution.
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.The starting components in stoichiometric amounts are mixed with commercial sugar, poured into a heat-resistant glass beaker, placed in a muffle furnace preheated to 500 ° C, kept for 5-10 minutes, removed from the oven and cooled to room temperature. The heat treatment (combustion) product is ground using a rod mixer and calcined in a muffle furnace at a temperature of 700 ° C for 1 hour. The synthesized ceramic powder is pelletized, the tablets are sintered at 975 ° C with isothermal exposure for 2.5 hours. The obtained varistor ceramics has a composition, wt. %: ZnO 77.5-82.5, Bi 2 O 3 4.66-6.56, Sb 2 O 3 2.05-2.95, Al 2 O 3 4.08-5.83, Co 2 O 3 3.32-4.37, NiO 1.92-3.48, while the oxides of antimony and nickel are correlated as 0.66-1.51.
Для определения варисторных свойств керамики на торцевые поверхности керамических таблеток наносят пленочные электроды с использованием серебряной пасты.To determine the varistor properties of ceramics, film electrodes using silver paste are applied to the end surfaces of ceramic tablets.
Состав и свойства варисторной керамики, полученной согласно Примерам 1-8 осуществления изобретения и согласно Примеру 9 по прототипу, представлены в Таблице.The composition and properties of varistor ceramics obtained according to Examples 1-8 of the invention and according to Example 9 of the prototype are presented in the Table.
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.From the data presented in the Table it follows that the obtained high-voltage varistor ceramic based on zinc oxide has a higher breakdown voltage, a higher non-linearity coefficient and a significantly lower leakage current density in comparison with the prototype. So, the breakdown voltage is 3.7-5.1 kV / mm, the nonlinearity coefficient is 56-74, the leakage current density is 0.1-0.2 μA / cm 2 or less. The resulting ceramic is promising for the production of varistors with high stability performance.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113008A RU2712822C1 (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | High-voltage oxide-zinc varistor ceramic |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113008A RU2712822C1 (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | High-voltage oxide-zinc varistor ceramic |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2712822C1 true RU2712822C1 (en) | 2020-01-31 |
Family
ID=69625486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019113008A RU2712822C1 (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | High-voltage oxide-zinc varistor ceramic |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2712822C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0761622B1 (en) * | 1995-08-31 | 2001-01-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd | Zinc oxide ceramics and method for producing the same and zinc oxide varistors |
CN102020463B (en) * | 2010-11-10 | 2013-06-12 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Zinc oxide piezoresistor material and preparing method thereof |
RU2514085C2 (en) * | 2012-06-20 | 2014-04-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Магнетон Варистор" | Ceramic material for zinc oxide-based varistors |
RU2568444C1 (en) * | 2014-11-27 | 2015-11-20 | 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) | Zinc-oxide varistor ceramics |
RU2612423C1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-03-09 | 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) | Zinc oxide varistor ceramics |
-
2019
- 2019-04-26 RU RU2019113008A patent/RU2712822C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0761622B1 (en) * | 1995-08-31 | 2001-01-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd | Zinc oxide ceramics and method for producing the same and zinc oxide varistors |
CN102020463B (en) * | 2010-11-10 | 2013-06-12 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Zinc oxide piezoresistor material and preparing method thereof |
RU2514085C2 (en) * | 2012-06-20 | 2014-04-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Магнетон Варистор" | Ceramic material for zinc oxide-based varistors |
RU2568444C1 (en) * | 2014-11-27 | 2015-11-20 | 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) | Zinc-oxide varistor ceramics |
RU2612423C1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-03-09 | 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) | Zinc oxide varistor ceramics |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104944935A (en) | ZnO varister ceramic and preparation method thereof | |
JP6231127B2 (en) | Zinc oxide based varistor and method for producing the same | |
RU2612423C1 (en) | Zinc oxide varistor ceramics | |
RU2712822C1 (en) | High-voltage oxide-zinc varistor ceramic | |
RU2568444C1 (en) | Zinc-oxide varistor ceramics | |
JP2008172034A (en) | Current/voltage nonlinear resistor | |
JPH0136684B2 (en) | ||
JP5282332B2 (en) | Manufacturing method of zinc oxide laminated chip varistor | |
JPH01289206A (en) | Voltage-dependent nonlinear resistance element and manufacture thereof | |
JP2625178B2 (en) | Varistor manufacturing method | |
JP5334636B2 (en) | Voltage non-linear resistor, lightning arrester equipped with voltage non-linear resistor, and method of manufacturing voltage non-linear resistor | |
JPH068211B2 (en) | Manufacturing method of varistor material | |
JP2985559B2 (en) | Varistor | |
JP2943367B2 (en) | Method of manufacturing voltage non-linear resistor | |
JPS6028121B2 (en) | Manufacturing method of voltage nonlinear resistor | |
JP2546726B2 (en) | Voltage nonlinear resistor | |
JP2985619B2 (en) | Method of manufacturing voltage non-linear resistor and lightning arrester | |
JP3089371B2 (en) | Voltage non-linear resistance composition | |
JPH03138905A (en) | Voltage dependent non-linear ceramic resistor and its manufacture | |
JP2012060003A (en) | Voltage nonlinear resistor element, manufacturing method for the same, and over-voltage protector | |
JPH0574608A (en) | Manufacture of voltage-dependent nonlinear resistor | |
JPH0212901A (en) | Manufacture of zinc oxide varistor | |
JPH1036169A (en) | Voltage non-linear resistor and production thereof | |
JPS589562B2 (en) | Manufacturing method of voltage nonlinear resistor | |
JPS5919444B2 (en) | Manufacturing method of voltage nonlinear resistor |