陶瓷材料、压敏电阻和制备该陶瓷材料和压敏电阻的方法技术

公开了一种陶瓷材料，所述陶瓷材料包含作为主要组分的ZnO和选自以下的添加剂：含Al

Ceramic materials, varistors and methods of preparing the ceramic materials and Varistors

A ceramic material comprising zinc oxide as the main component and additives selected from the following: containing Al is disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷材料、压敏电阻和制备该陶瓷材料和压敏电阻的方法本专利技术涉及陶瓷材料和压敏电阻，所述压敏电阻包含含有烧结的陶瓷材料的陶瓷体。此外，本专利技术涉及制备该陶瓷材料的方法和制备包含由该陶瓷材料制成的陶瓷体的压敏电阻的方法。随着变电所容量的增加和地下站的发展，需要减小输电和转换装置的尺寸。因此，需要具有更小尺寸和/或更简单结构的气体绝缘开关装置(GIS)浪涌压敏电阻(surgevaristor)来跟随这一趋势并减少SF6和外壳材料的消耗。这样的要求需要新一代的关键部件—金属氧化物压敏电阻(metaloxidevaristor，MOV)，对于给定的保护电压该压敏电阻的高度应该明显降低。为了实现MOV的高度降低，必须改进制造MOV的陶瓷材料的若干性质。本专利技术的目的是提供一种具有改进性质的陶瓷材料待用于压敏电阻并提供一种包含由这样的陶瓷材料制成的陶瓷体的压敏电阻。进一步的目的是提供制备陶瓷材料的方法和制备压敏电阻的方法。这些目的用根据独立权利要求1的陶瓷材料、用根据独立权利要求9的压敏电阻和用根据权利要求11和13的方法实现。进一步的实施方案是从属权利要求的主题。根据至少一个实施方案，提供了陶瓷材料，所述陶瓷材料包含作为主要组分的ZnO和选自以下的添加剂：含Al3+的溶液、含Ba2+的溶液和至少一种含金属元素的化合物，其中所述金属元素选自：Bi、Sb、Co、Mn、Ni、Y和Cr。“陶瓷材料”应理解为多种组分的组合物，该组合物以仅必须烧结以变成陶瓷的方式制备。由陶瓷材料形成的主体可以称为生坯(greenbodies)。当陶瓷材料烧结时，形成陶瓷，该陶瓷具有取决于陶瓷材料的组成的性质。添加到主要组分ZnO中的添加剂可以包含一种含金属元素的化合物，或者几种各自含金属元素的化合物，其中在每种化合物中金属元素可以是不同的。例如，可以存在含Bi的化合物、含Sb的化合物和含Co的化合物作为陶瓷材料中的添加剂。添加剂含Al3+的溶液和含Ba2+的溶液应理解为添加到主要组分ZnO中的起始材料。或者，这些添加剂可分别称作Al3+和Ba2+，它们在制备陶瓷材料时以含Al3+的溶液和含Ba2+的溶液的形式加入。根据一个实施方案，陶瓷材料中添加剂的含量≤5mol％。应理解，所有添加剂的含量一起≤5mol％。与现有技术的陶瓷相比，这是减少的添加剂含量，所述现有技术的陶瓷通常具有5至7mol％的量的添加剂。陶瓷材料中添加剂的低含量导致烧结的陶瓷中低含量的第二相，这增强了有效的ZnO相和ZnO-ZnO晶界，导致压敏电阻陶瓷的更高体积效率。根据一个实施方案，在陶瓷材料中c1是Co3O4中Co的当量含量(equivalentcontent)，m是Mn3O4中Mn的当量含量，s是Sb2O3中Sb的当量含量，c2是Cr2O3中Cr的当量含量，a是Al3+的含量，y是Y2O3中Y的当量含量，b1是Bi2O3中Bi的当量含量，n是NiO中Ni的当量含量，b2是Ba2+的含量，且z是ZnO的含量，并且0.4mol%≤b1≤0.55mol%，1.10mol%≤s≤1.90mol%，0.50mol%≤c1≤0.80mol%，0.20mol%≤m≤0.30mol%，0.70mol%≤n≤1.20mol%，0.25mol%≤y≤0.45mol%，0.00mol%≤c2≤0.10mol%，0.003mol%≤a≤0.006mol%，和0.005mol%≤b2≤0.015mol%。在选择上述氧化物作为含金属元素的化合物的情况下，b1也对应于Bi2O3的含量，s也对应于Sb2O3的含量，c1也对应于Co3O4的含量，m也对应于Mn3O4的含量，n也对应于NiO的含量，c2也对应于Cr2O3的含量，并且y也对应于Y2O3的含量。此外，(c1+5c2+2s+4y–m–250a)(1-z)/b1可以称为组成因子F并且适用于0.27≤F≤0.43。陶瓷材料中不同添加剂的含量的关系是造成在陶瓷材料烧结期间晶粒尺寸控制和晶界电位形成的原因，以便实现从480V/mm到640V/mm(包括端值)的烧结陶瓷的超高压敏电阻梯度(E1mA)。压敏电阻梯度是每mm的特征性压敏电阻电压。添加剂的含量和压敏电阻梯度之间的关系使得能够通过针对所需的压敏电阻梯度同时且恰当地改变相关元素使烧结陶瓷中的压敏电阻非活性相(例如尖晶石相Zn7Sb2O12)最小化。结果，通过更有效的ZnO-ZnO晶界可以提高烧结陶瓷的体积效率。此外，所述至少一种化合物可选自金属氧化物、金属碳酸盐、金属乙酸盐、金属氮化物及其混合物。所述至少一种化合物可选自Bi2O3、Sb2O3、Co3O4、Mn3O4、NiO、Y2O3和Cr2O3。例如，所有含金属元素的化合物可以是各自包含不同金属元素的金属氧化物。此外，所述含Al3+的溶液和所述含Ba2+的溶液可以是选自氮化物、乙酸盐、水合物及其混合物的溶液。例如，所述含Ba2+的溶液可以是Ba(CH3COO)2的溶液，所述含Al3+的溶液可以是硝酸铝Al(NO3)3的溶液。调节陶瓷材料中Ba2+的含量以降低由该陶瓷材料制成的陶瓷的高温功率损耗和/或漏电流，并改善包含由该陶瓷材料制成的陶瓷体的压敏电阻的I/V曲线的非线性。根据一个实施方案，陶瓷材料具有在1020℃和1060℃之间的烧结温度，包括端值。该降低的烧结温度需要较少能量。这在环境保护方面是有利的，并且使得能够快速生产包含由该陶瓷材料制成的陶瓷的压敏电阻装置。此外，Bi2O3的蒸发是热力学抑制的，导致较少的Bi2O3蒸发，同时减少由烧结引起的可能的组成偏差和可能的不均匀性。陶瓷的均匀性导致在操作期间由该陶瓷材料制成的压敏电阻中电流分布的均匀性，该电流分布的均匀性对于压敏电阻装置的能量容量是至关重要的。因此，根据上述实施方案的ZnO基陶瓷材料可用于金属氧化物压敏电阻(MOV)，所述金属氧化物压敏电阻可用于气体绝缘避雷器(gasisolatedarresters,GIS)。由该陶瓷材料制成的陶瓷的超高压敏电阻梯度确保避雷器装置的小型化和设计简化。此外，所述陶瓷显示出降低的高温功率损耗，即使在较差的散热条件下也能防止热失控(thermalrun-away)。此外，提供一种压敏电阻，所述压敏电阻包含含有烧结的根据上述实施方案的陶瓷材料的陶瓷体。由于陶瓷材料的组成，压敏电阻可以称为金属氧化物压敏电阻(MOV)。压敏电阻可以具有480V/mm和640V/mm之间的压敏电阻梯度E1mA，包括端值。因此，提供了压敏电阻的超高梯度。例如，这样的压敏电阻可以用于紧凑型GIS避雷器中。由于在压敏电阻中使用了根据上述实施方案之一的陶瓷材料，压敏电阻具有若干有利性质。例如，由于陶瓷材料的组成，陶瓷体中第二相的量可以大大减少。在传统的压敏电阻陶瓷中，晶粒尺寸由尖晶石相(Zn7Sb2O12)控制，尖晶石相实际上在压敏电阻响应中不具活性。在烧结期间尖晶石相的形成消耗了陶瓷材料组成中相当多的ZnO(1molSb2O3对应于7molZnO)。因此，对于包含2mol％Sb2O3的组合物，约14mol％的ZnO将被尖晶石相夺走，并且最多86mol％的ZnO可用于在最终陶瓷中形成压敏电阻晶界。高含量的尖晶石相还降低了ZnO晶界的连通性。因此，体积效率受到很大限制，特别是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 陶瓷材料，包含‑ 作为主要组分的ZnO，和‑ 选自以下的添加剂：含Al3+的溶液、含Ba2+的溶液和至少一种含金属元素的化合物，其中所述金属元素选自：Bi、Sb、Co、Mn、Ni、Y和Cr。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.17 DE 102016104990.51.陶瓷材料，包含-作为主要组分的ZnO，和-选自以下的添加剂：含Al3+的溶液、含Ba2+的溶液和至少一种含金属元素的化合物，其中所述金属元素选自：Bi、Sb、Co、Mn、Ni、Y和Cr。2.根据权利要求1的陶瓷材料，其中陶瓷材料中添加剂的含量≤5mol％。3.根据前述权利要求之一的陶瓷材料，其中c1是Co3O4中Co的当量含量，m是Mn3O4中Mn的当量含量，s是Sb2O3中Sb的当量含量，c2是Cr2O3中Cr的当量含量，a是Al3+的含量，y是Y2O3中Y的当量含量，b1是Bi2O3中Bi的当量含量，n是NiO中Ni的当量含量，b2是Ba2+的含量，且z是ZnO的含量，并且0.4mol%≤b1≤0.55mol%，1.10mol%≤s≤1.90mol%，0.50mol%≤c1≤0.80mol%，0.20mol%≤m≤0.30mol%，0.70mol%≤n≤1.20mol%，0.25mol%≤y≤0.45mol%，0.00mol%≤c2≤0.10mol%，0.003mol%≤a≤0.006mol%，和0.005mol%≤b2≤0.015mol%。4.根据前述权利要求的陶瓷材料，其中(c1+5c2+2s+4y–m–250a)(1-z)/b1=F且0.27≤F≤0.43。5.根据前述权利要求之一的陶瓷材料，其中所述至少一种化合物选自金属氧化物、金属碳酸盐、金属乙酸盐、金属氮化物及其混合物。6.根据前述权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y王，J吴，W伊，
申请(专利权)人：埃普科斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE