用于中高电压应用的非线性电气材料制造技术

一种非线性电气材料，包括聚合物基体（４０）和粉末形式且嵌入基体（４０）中的颗粒压敏电阻填料（１’），其中所述填料（１’）包括第一级分的粗颗粒（５）和第二级分的细颗粒（６），其中粗颗粒（５）具有大于细颗粒（６）的尺寸并且细颗粒（６）可填充形成在粗颗粒（５）之间的空隙，以及其中第一级分中的粗颗粒（５）还具有主要为球形的形状，其特征在于第二级分中的细颗粒（６）具有不规则成形体，其表面包括用来提供细颗粒（６）与相邻颗粒（５、６）的非点状和／或多个接触区域（５６、５６ａ、５６ｂ、６６）的边缘和／或区域面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高和中电压
，具体地，涉及非线性电气材料和设备。本专利技术基于根据独立权利要求前序部分的生产非线性电气材料的方法、非线性电气材料和包括该非线性电气材料的电器。
技术介绍
在EP 0875087 B1中公开了一种用于电应力控制的压敏电阻材料，含有嵌入在聚合物基体中的掺杂氧化锌(ZnO)填料颗粒。具体说明该压敏电阻材料为采用仅为圆形或至少光滑形状的球状颗粒并且大部分颗粒的最大尺度在5μm-100μm之间。其权利要求书中声明用该填料材料获得了良好的非线性并且适用于中压电缆的终端和接头。在FR 2547451中公开了一种用于类似场应力控制目的的类似压敏电阻材料，其大部分掺杂的ZnO填料颗粒具有大于100μm的最大尺度。在EP1274102 A1中公开了一种压敏电阻粒子，包括具有不同的非线性电流-电压特性的压敏电阻颗粒混合物。本专利技术从如EP 0992042(WO 99/56290)中所述的现有技术状态出发。填料材料包括烧结压敏电阻粒子，由掺杂的氧化锌制成并且具有粗和细级分的压敏电阻微粒。该压敏电阻微粒的尺寸范围，对于粗级分为40μm-200μm，尤其是90μm-160μm，对于细级分，范围为该值的10％-50％，尤其是32μm-63μm。细级分部分应为粗级分部分的约5体积％-30体积％。该双峰分布提供良好的压敏电阻颗粒密度，由于所有压敏电阻颗粒基本为圆形，结果粗级分以紧密球堆积排布且细级分填充于空隙之间。对于该双峰分布，另外或可选择地，填料包括用来改善紧密堆积的压敏电阻颗粒之间接触的导电颗粒。因而获得改善的非线性电性质，尤其是增加的非线性电系数、增加的功率吸收和下降的击穿场强。可加入具有例如低于32μm的尺寸的超细第三级分的压敏电阻微粒来进一步改善非线性性能。然而，烧结压敏电阻粒子只含有能够以紧密球堆积方式自排列的主要为球形的粗和细颗粒。因此，每一对相邻颗粒形成唯一的一个单点接触，无论是粗-粗、粗-细还是细-细颗粒接触。这强烈界定了有效接触区域以及随之的电性能。此外，突出的针状晶体可形成在压敏电阻微粒表面并且可作为压敏电阻颗粒之间的隔离物，从而阻止它们相互电接触。
技术实现思路
本专利技术的一般目的在于提供一种表现出良好非线性电特性且易于制造的复合材料、包括该非线性电气材料的电气部件、包括该部件的中或高电压设备和生产该非线性电气材料的方法。根据本专利技术通过独立权利要求所提出的主题来实现该目的。在第一方面，本专利技术在于非线性电气材料，其包括聚合物基体和粉末形式的且嵌入在该基体中的颗粒压敏电阻填料，其中所述填料包括第一级分的粗颗粒和第二级分的细颗粒，其中粗颗粒具有大于细颗粒的尺寸并且细颗粒可填充到形成在粗颗粒之间的空隙中，而且其中第一级分中的粗颗粒主要为球形，第二级分中的细颗粒具有不规则成形体，其表面包括用来提供细颗粒与其相邻颗粒的非点状和/或多个接触区域的边缘和/或区域面。非点状接触区域涉及在延伸的接触面之上可以触及和电连接到相邻颗粒的颗粒，这不能在两个球形颗粒之间获得。根据本专利技术，该非点状和/或多个接触是通过提供包括较大的球形和较小的不规则压敏电阻微粒的双峰颗粒填料混合物来获得的。该不规则形状提供所需的多点接触或一或二维延伸的接触面，然后当球形和不规则颗粒混合并自排列时，该接触面在至少一部分紧邻的颗粒之间生成延伸的和/或多个微接触。不规则小颗粒允许获得较高的填料含量，以增加颗粒间的接触数量，提供较持久的微接触，基本扩大有效微接触面积，结果改善了该非线性电气材料的电性能。另一方面，球形大颗粒的存在还有效改善了非线性电气材料的非线性系数。此外，球形大颗粒的存在还改善了非线性电气材料或设备生产期间的混合性能和可加工性，尤其是对于高填料含量。在一个实施方案中，接触区域包括相邻颗粒之间的多点接触和/或至少一个边缘接触和/或至少一个面接触。这限定了当将不规则细颗粒与球形粗颗粒混合并以足够的颗粒填料密度一起嵌入到基体中时，至少一部分不规则细颗粒可提供的有关微接触数量和/或面积的最小条件。根据权利要求3和4的实施方案具有的优点在于可以非常经济和大量变化地生产球形的破碎颗粒和较小尺寸的不规则碎颗粒。在权利要求5中，给出用于颗粒填料材料的优选设计标准和添加剂。在权利要求6和7中分别给出颗粒尺度和形状不规则度的优选范围。权利要求8-9涉及使用非线性电气材料，用于电介质绝缘、过电压保护和/或场控制目的的电气部件。在另一方面，本专利技术在于生产非线性电气材料的方法，该非线性电气材料通过将粉末形式的颗粒压敏电阻填料嵌入到聚合物基体中来形成，其中煅烧用于第一级分的颗粒，随后将其破碎，从而使颗粒保持其原有的、主要为球形的形状，并且混合不同级分的颗粒，其中煅烧用于第二级分的颗粒并随后将其压碎，从而使该颗粒碎成不规则形状的颗粒，并且选择第一级分的球形颗粒以具有大于第二级分的不规则颗粒的尺寸，从而使不规则颗粒能够填充到形成在球形颗粒之间的空隙中，并且能够形成与相邻颗粒的多个接触和/或空间(一或二维)延伸接触。在一个实施方案中，通过将球形颗粒和不规则颗粒分别混合到两组分基体的两个组分中或单组分基体的两个部分中来将其分别预混。从而得到具有不同尺寸和形状并且尤其是难以混合的颗粒的非常均一的混合物。权利要求14-15涉及用来改善该非线性电气材料电性能的另外的粉末加工步骤。由权利要求和权利要求组合以及考虑以下详细描述时，本专利技术的其它实施方案、优点和应用将变得显而易见。附图说明参照以下附图进行说明，其中在图1a中示意性地示出在聚合物基体中包括大和小的球形压敏电阻颗粒的混合物的非线性电气复合材料(现有技术)；在图1b中示意性地示出根据本专利技术在聚合物基体中包括大的球形和小的不规则压敏电阻颗粒的混合物的非线性电气复合材料；在图2、3中示意性地示出大球形压敏电阻颗粒(图2)和多个小的不规则压敏电阻颗粒(图3)的扫描电子显微镜照片； 在图4a、4b中示意性地示出通过在空隙中排列不规则压敏电阻颗粒的接触改善。在附图中，赋予相同部分以相同的标记。具体实施方案图1a显示具有填料1的现有技术材料的示意图，该填料只含有球形颗粒2、3，即较大的球形颗粒2和较小的球形颗粒3。较小颗粒3排列在较大颗粒2之间的空隙4中并且形成与相邻较大颗粒2的点式微接触23。还可以将几个较小颗粒3填充到空隙中从而也在其自身3之间形成微接触(未示出)。空隙4可以是空的或仅填充有聚合物40。紧邻的大颗粒2彼此形成大-大颗粒微接触22。将填料颗粒2、3嵌入到聚合物基体40中。至此，所有上述微接触均为在相邻球形颗粒之间产生的点接触23、22。图1b示意性地示出根据本专利技术设计并且嵌入到基体40中的填料材料1’。该颗粒压敏电阻填料1’包括第一级分的粗颗粒5和第二级分的细颗粒6。粗颗粒5具有大于细颗粒6的尺寸，从而使细颗粒6可以填充形成在粗颗粒5之间的空隙4。也可以出现空的或聚合物填充的空隙4。粗颗粒5具有主要为球形的形状，而细颗粒6具有不规则成形体，其表面包括适于提供细颗粒6与相邻颗粒5、6的非点状和/或多个接触区域56、56a、56b、66的边缘和/或区域面。在该非线性电气材料中，至少一部分该不规则细颗粒6有效地形成了与其紧邻的5、6的这种非点状和/或多个微接触56、56a、56b、66。以下给出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非线性电气材料，包括聚合物基体(40)和粉末形式且嵌入基体(40)中的颗粒压敏电阻填料(1’)，其中所述填料(1’)包括第一级分的粗颗粒(5)和第二级分的细颗粒(6)，其中粗颗粒(5)具有大于细颗粒(6)的尺寸并且细颗粒(6)可填充形成在粗颗粒(5)之间的空隙，以及其中第一级分中的粗颗粒(5)还具有主要为球形的形状，其特征在于第二级分中的细颗粒(6)具有不规则成形体，其表面包括用来提供细颗粒(6)与相邻颗粒(5、6)的非点状和/或多个接触区域(56、56a、56b、66)的边缘和/或区域面。2.权利要求1所要求的非线性电气材料，其特征在于所述接触区域(56、56a、56b、66)包括在相邻颗粒(5、6)之间的多点接触(56a)和/或至少一个边缘接触(56b、66)和/或至少一个面接触(56b、66)。3.前述权利要求的任意一项所要求的非线性电气材料，其特征在于a)已将用于第一级分的颗粒(5)煅烧和随后分离，具体而言是破碎，从而使得颗粒(5)保持其原有的、主要为球形的形状，和/或b)已通过以下来生产用于第二级分的颗粒(6)煅烧或烧结且随后粉碎，从而使颗粒(6)具有不规则的，尤其是尖形形状，和/或c)通过压碎压敏电阻块来得到第二级分的颗粒(6)。4.前述权利要求的任意一项所要求的非线性电气材料，其特征在于a)第一和第二级分的颗粒(5、6)来源于同一煅烧粉末，或b)第一和第二级分的颗粒(5、6)具有不同的化学组成。5.前述权利要求的任意一项所要求的非线性电气材料，其特征在于a)第一级分的颗粒(5)占填料(1’) 含量的至少50重量％，和/或b)所述填料(1’)含量为所述非线性电气材料的20vol％-70vol％，和/或c)加入第三级分的颗粒来定制所述非线性电气材料的机械和/或电特性，该颗粒可选自碳，纳米管，用于聚合物基体(40)的电工填料，如氢氧化铝，高介电常数材料，如BaTiO3，和/或晶须、和/或小板和/或纤维，和/或d)所述非线性电气材料包括打底剂和/或稳定剂和/或抗氧化剂。6.前述权利要求的任意一项所要求的非线性电气材料，其特征在于a)第一级分的颗粒(5)具有的直径范围为90μm-160μm，尤其是100μm-150μm，和/或b)第二级分的颗粒(6)具有小于70μm的最大尺度，优选地小于60μm，特别优选地小于50μm。7.前述权利要求的任意一项所要求的非线性电气材料，其特征在于a)第二级分的颗粒(6)具有足够纵横比的不规则性，以与类似颗粒体积的球形颗粒相比具有更多的接触区域(56a、56b、66)和/或更高的填料(1’)含量，和/或b)第二级分的颗粒(6)具有足够纵横比的不规则性，以便于旁路位于颗粒表面并隔开相邻颗粒(5、6)的绝缘针状晶体(7)，并且c)具体而言，所述纵横比基本上大于1.5∶1，优选地大于2∶1，特别优选地大于2.5∶1。8.一种电气部件，尤其是套管、浪涌阻止器...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉斯约尔格·格勒梅斯帕谢，迈克尔·哈格迈斯特，彼得拉·克卢格韦斯，费利克斯·格罗特，利斯·东泽尔，雷托·凯斯勒，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：