一種高梯度、大通流容量特高壓輸電系統(tǒng)用壓敏陶瓷制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及材料化學(xué)領(lǐng)域，特別是一種陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]ZnO壓敏電阻是以ZnO為主要原料，添加少量的Bi 203、Sb203、Mn02、Cr203、Co203、和銀玻璃粉等作為輔助成份，采用陶瓷燒結(jié)工藝制備而成。由于其良好的非線性性能和大通流容量的優(yōu)點(diǎn)，19世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)以來，ZnO壓敏電阻作為電力系統(tǒng)避雷器的核心元件被廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)防雷和電力設(shè)備的過電壓保護(hù)。
[0003]隨著輸電電壓等級的不斷提高，特別是是特高壓系統(tǒng)，設(shè)備絕緣問題日益突出，全面提高設(shè)備絕緣將付出高昂的代價。采用高梯度、低殘壓的ZnO壓敏電阻組裝而成的避雷器可降低系統(tǒng)的絕緣水平，減小輸變電設(shè)備的重量和體積，提高輸電系統(tǒng)的可靠性。
[0004]ZnO壓敏電阻的非線性特性可分為三個區(qū)域:小電流區(qū)、中電流區(qū)以及大電流區(qū)。小電流區(qū)(<10-4A/cm2)又稱為預(yù)擊穿區(qū)，該區(qū)域內(nèi)晶界呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，1-V曲線表現(xiàn)為歐姆特性，在該區(qū)域的歐姆特性曲線斜率越大，則ZnO壓敏電阻的小電流特性越穩(wěn)定，壓敏電壓UlmA也就越高。中電流區(qū)為非線性電阻區(qū)，此區(qū)域電流急劇增大而電壓增加緩慢，此區(qū)域1-V特性由ZnO晶粒與ZnO晶界共同影響而決定，是壓敏電阻的工作區(qū)。大電流區(qū)(>103A/cm2)又變?yōu)闅W姆特性，該區(qū)域ZnO晶粒的電阻決定了殘壓的高低，同時該區(qū)域在1-V特性平面出現(xiàn)的位置，決定了 ZnO壓敏電阻通流容量的大小。
[0005]不論是在中電流區(qū)還是大電流區(qū)，ZnO晶粒電阻都影響著1-V特性。要提高ZnO壓敏電阻的電壓梯度，必須降低ZnO壓敏電阻的電阻率。根據(jù)以往的研究表明，添加一定量的施主離子能夠明顯提高ZnO晶粒的電阻率，從而達(dá)到提高電壓梯度的目的。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中大多采用Al離子作為施主離子添加到ZnO壓敏電阻材料中，但是Al離子的添加往往伴隨著泄漏電流的增加，同時導(dǎo)致非線性系數(shù)的降低，ZnO壓敏電阻的老化特性也變得不穩(wěn)定。在工業(yè)應(yīng)用中，也有采用ZnO和部分輔助添加料預(yù)燒結(jié)的方式，使得部分混合原料預(yù)反應(yīng)，以提高壓敏材料的勢皇和穩(wěn)定性，這種方式使得生產(chǎn)工藝復(fù)雜化。目前主要通過提高晶粒的均勻程度，使得電流能夠均勻的流過整個壓敏電阻閥片，從而提高ZnO壓敏電阻的通流容量，但晶粒的均勻程度受燒結(jié)工藝以及原料混合研磨工藝等的影響較大，做到晶粒的均一化有難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，設(shè)計了一種高梯度、大通流容量特高壓輸電系統(tǒng)用壓敏陶瓷制備方法。具體設(shè)計方案為:
[0007]—種高梯度、大通流容量特高壓輸電系統(tǒng)用壓敏陶瓷制備方法，制備原料包括氧化鋅ZnO、氧化鉍Bi2O3、三氧化二銻Sb2O3、二氧化猛MnO2、氧化鉻Cr2O3、三氧化二鈷Co2O3、二氧化硅S12、硝酸鋁Al (NO3 )3、氧化銀Ag2O，
[0008]制備步驟包括制備輔助添加漿料、添加ZnO、添加鋁離子、添加銀離子、成型、燒結(jié)，
[0009]所述制備原料還包括硝酸釔Y(NO3)3或氧化釔Y2O3中的一種。
[0010]各制備原料的摩爾比為:
[0011]ZnO:Bi2O3: Sb2O3:Mn02:Cr2O3:Co203:Si02:Al(NO3)3:Ag20:Y(N03)3 = 87.5?95.8:
0.5-2.0:0.5-1.5:0.5-1.0:0.5-1.0:0.5-1.5:1.0-2.0:0.卜1.0:0.卜1.0:1.0-1.5 ο
[0012]ZnO: Bi2O3: Sb2O3: MnO2: Cr2O3: Co2O3: S12: Al (NO3)3: Ag2O: Y2O3 = 87.5 ?95.8:0.5-2.0: 0.5-1.5:0.5-1.0: 0.5-1.0: 0.5-1.5:1.0-2.0: 0.H.0: 0.H.0:1.0-1.5 ο
[0013]制備輔助添加漿料步驟中，成分包括Bi2O3、Sb2O3、Mn02、Cr2O3、Co2O3、S12，輔助添加漿料的制備方法為加水砂磨，加水砂磨時間為l_3h，加水砂磨過程中加入的水為去離子水，所加入去離子水與所述輔助添加漿料的質(zhì)量份數(shù)比為去離子水2份、輔助添加漿料I份，
[0014]所加入的Bi203、Mn02、Cr203、Co203、Si02成分的摩爾比為:0.5-2.0:0.5-1.5:0.5-
1.0:0.5~1.0:0.5~1.5:1.0~2.00
[0015]所述成型步驟為壓片成型，使用液壓壓片機(jī)以及直徑50mm的圓柱形模具，將干燥造粒后的顆粒料壓片成型，成型壓力為150MPa，成型時間3min。
[0016]采用高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，采用100?250°C/h的升溫速度，使高溫爐升至400°C，在400°(:環(huán)境下保溫排膠5h，從室溫升溫至燒結(jié)溫度1240?1260°C，在燒結(jié)溫度下保溫3?4h，使陶瓷燒結(jié)致密。
[0017]添加ZnO過程中，加入的ZnO與輔助添加漿料中Bi2O3的摩爾比為87.5?95.8:0.5-2.0，添加ZnO后進(jìn)行混合砂磨形成漿料，混合砂磨時間為0.5-lh，混合砂磨過程中需加入去離子水，所加入的去離子水與漿料的質(zhì)量份數(shù)比為去離子水I份、漿料1-2份。
[0018]添加鋁離子、銀離子、釔離子步驟中:
[0019]加入厶1003)3、厶820、￥(腸3)3與漿料中2110的摩爾比為0.1-1.0:0.1-1.0:87.5?95.8，繼續(xù)砂磨，形成粉料；
[0020]加入厶1003)3、厶820、丫203與漿料中2110的摩爾比為0.1-1.0:0.1-1.0:0.5?1.5:87.5?95.8，繼續(xù)砂磨，形成粉料。
[0021]通過本發(fā)明的上述技術(shù)方案得到的高梯度、大通流容量特高壓輸電系統(tǒng)用壓敏陶瓷制備方法，其有益效果是:
[0022]無需改變現(xiàn)有原料混合研磨工藝，在燒結(jié)工藝也不必預(yù)燒的情況下，通過改變輔助添加料的比例和成份，可以很好地達(dá)到控制各項電氣參數(shù)的目的。
[0023]可以控制壓敏電壓梯度不低于450V/mm，2ms方波通流容量達(dá)到500J/cm3以上，除此之外，可以控制其泄漏電流在lA/cm2以下，非線性系數(shù)在70以上，殘壓比控制到1.5以下，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。
【具體實(shí)施方式】
[0024]—種高梯度、大通流容量特高壓輸電系統(tǒng)用壓敏陶瓷制備方法，制備原料包括氧化鋅ZnO、氧化鉍Bi2O3、三氧化二銻Sb2O3、二氧化猛MnO2、氧化鉻Cr2O3、三氧化二鈷Co2O3、二氧化硅S12、硝酸鋁Al (NO3 )3、氧化銀Ag2O，
[0025]制備步驟包括制備輔助添加漿料、添加ZnO、添加鋁離子、添加銀離子、成型、燒結(jié)，
[0026]所述制備原料還包括硝酸釔Y(NO3)3或氧化釔Y2O3中的一種。
[0027]各制備原料的摩爾比為:
[0028]ZnO:Bi2O3:Sb2O3:MnO2:Cr2O3:Co2O3:S12:Al(NO3)3:Ag2O: Y(N03)3 = 87.5?95.8:0.5-2.0:0.5-1.5:0.5-1.0:0.5-1.0:0.5-1.5:1.0-2.0:0.H.0:0.H.0:1.0-1.5 ο
[0029]ZnO: Bi2O3: Sb2O3: MnO2: Cr2O3: Co2O3: S12: Al (NO3)3: Ag2O: Y2O3 = 87.5 ?95.8:0.5-2.0:0.5-1.5:0.5-1.0:0.5-1.0:0.5-1.5:1.0-2.0:0.H.0:0.H.0:1.0-1.5 ο
[0030]制備輔助添加漿料步驟中，成分包括Bi2O3、Sb2O3、Mn02、Cr2O3、Co2O3、S12，輔助添加漿料的制備方法為加水砂磨，加水砂磨時間為l_3h，加水砂磨過程中加入的水為去離子水，所加入去離子水與所述輔助添加漿料的質(zhì)量份數(shù)比為去離子水2份、輔助添加漿料I份，
[0031]所加入的Bi203、Mn02、Cr203、Co203、Si02成分的摩爾比為:0.5-2.0:0.5-1.5:0.5-1.0:0.5~1.0:0.5~1.5:1.0~2.00
[0032]所述成型步驟為壓片成型，使用液壓壓片機(jī)以及直徑50mm的圓柱形模具，將干燥造粒后的顆粒料壓片成型，成型壓力為150MPa，成型時間3min。
[0033]采用高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，采用100?250°C/h的升溫速度，使高溫爐升至400°C，在400°(:環(huán)境下保溫排膠5h，從室溫升溫至燒結(jié)溫度1240?1260°C，在燒結(jié)溫度下保溫3?4h，使陶瓷燒結(jié)致密。
[0034]添加ZnO過程中，加入的ZnO與輔助添加漿料中Bi2O3的摩爾比為87.5?95.8:0.5-2.0，添加ZnO后進(jìn)行混合砂磨形成漿料，混合砂磨時間為0.5-lh，混合砂磨過程中需加入去離子水，所加入的去離子水與漿料的質(zhì)量份數(shù)比為去離子水I份、漿料1-2份。
[0035]添加鋁離子、銀離子、釔離子步驟中:
[0036]加入厶1003)3、厶820、￥(腸3)3與漿料中2110的摩爾比為0.1-1.0:0.1-1.0:87.5?95.8，繼續(xù)砂磨，形成粉料；
[0037]加入厶1003)3、厶820、丫203與漿料中2110的摩爾比為0.1-1.0:0.1-1.0:0.5?1.5:87.5?95.8，繼續(xù)砂磨，形成粉料。
[0038]實(shí)施例一:
[0039]I)原料配制
[0040]該低殘壓ZnO壓敏電阻陶瓷材料按以下比例Zn0(90.5mol%)、Bi203(1.5mol%)、Sb203(Imol %)、Mn02(Imol %)、Cr203( Imol %)、Co203(Imol%)、Si02(1.5mol%)、Al(N03)3(111101%)^820(0.511101%)和￥(從)3)3(111101%)配制初始原料。
[0041 ] 2)制備輔助添加漿料
[0042]將Bi203(l.5mol% )、Sb203(lmol%)、Mn02(lmol%)、Cr203( Imol % )、Co203(lmol% )和Si02(l.5mol% )放入臥式砂磨機(jī)的砂磨罐中，加入粉料重量1.5倍的去離子水，砂磨2個小時。
[0043]3)將輔助添加漿料和ZnO混合
[0044]在砂磨后的輔助添加漿料中加入90.5%mol的ZnO，添加粉料重量I倍的去離子水，將所有混合原料混合砂磨I個小時，至分散均勻為止。
[0045]4)添加鋁、銀和釔離子
[0046]在混合均勻的2110漿料中，添加厶1(腸3)3(111101%))820(0.511101%)和￥(^)3)3(lmol% )，繼續(xù)砂磨I小時。
[0047]5)成型
[0048]將上一步中得到的粉料進(jìn)行噴霧干燥干燥、含水后，使用液壓壓片機(jī)以及直徑50_的圓柱形模具，將顆粒料壓片成型，成型壓力為150MPa，保壓時間3分