CN102244376A - 一种碳化硅灭磁电阻及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种灭磁电阻及其制备方法，灭磁电阻按重量百分比配比：碳化硅为80～90％、结合剂为12～19％、导电碳黑为0.5～2.5％，本发明通过改变灭磁电阻材料配方，将碳化硅SiC的半导体颗粒分散在有一定电阻率的结合剂内，经过充分混合、磨细、压制成型、并控制烧结环境、烧结温度和烧结时间，制备出成本低、性能优良的碳化硅SiC灭磁电阻，本发明单片阀片残压比国外的SIC灭磁电阻低5％，通流能力大6％，而且相同电流流过后温升小10％，阀片残压变化率小10％。

Description

一种碳化硅灭磁电阻及其制备方法

技术领域

本发明涉及大型发电机组用灭磁电阻技术领域，尤其涉及一种碳化硅SiC灭磁电阻及其碳化硅SiC灭磁电阻的制备方法。

背景技术

采用非线性电阻灭磁对发电机是有利的，现有技术中，广泛采用的非线性电阻分别由氧化锌ZnO和碳化硅SiC两种材料为主要材料，国内的发电机组大多采用氧化锌ZnO灭磁电阻，这种类型的灭磁电阻具有灭磁速度快、灭磁电压容易控制、检修维护容易等优点，但不足在于：容易老化、击穿后短路容易造成励磁系统故障、单片能容小；整套装置体积大、非线性特别强，并联和串联需要采取均能、均流、均压措施，需要采用串联熔断器，需要特性选择，比较硬的非线性特性，要求直流断路器建压能力高。而碳化硅SiC有较软的非线性特性，磁场电流转移相对容易，不存在均流、均压、均能的问题，也不需要熔断器，整套装置体积小，但国内生产为空白，国外供货造成采购和维护不便。

碳化硅SiC为人工合成晶体，是碳C与硅S经高温还原气氛中烧结而成，现有技术中的灭磁电阻主要原料为碳化硅SiC加结合剂，结合剂为不导电陶瓷材料，在还原气氛环境下、并控制温度在1200度以上进行烧结而成；当电流通过阀体时，是靠互相接触的碳化硅SiC颗粒导电的，半导体的碳化硅SiC分散在绝缘的陶瓷材料中，势必造成电接触的不连续性，而且每通过一次大电流下，接触点都会有烧损，因此阀片的性能就会变差一次。所以现有技术中的阀片在多次通过大电流后，性能急剧下降；另外碳化硅SiC在900度温度下就开始氧化，形成不导电相，现有产品的灭磁电阻烧成温区非常窄，需高精度的温控来烧成，这就需炉腔内充氢气的钼丝炉来烧成，由于氢气是易燃易爆的，烧成成本非常高。现有技术存在缺陷，有待改进。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题提供了一种成本低、电气性能良好的碳化硅灭磁电阻及其制备方法。

本发明的技术方案如下：一种碳化硅灭磁电阻，其特征在于：灭磁电阻的原料组份重量百分配比为：碳化硅：粒径≤180目为32～36％、粒径≥120目为24～27％、粒径≥60目为24～27％；结合剂为12～19％；导电碳黑为0.5～2.5％；

所述结合剂由水玻璃和磷酸二氢铝配比混合而成，两者的重量配比范围为1∶0.2～0.5。

所述的灭磁电阻，其中，灭磁电阻原料最佳组份重量百分配比为：碳化硅：粒径≤180目为34％、粒径≥120目为25％、粒径≥60目为26％；结合剂为14％；导电碳黑为1.0％

所述结合剂组分的重量百分比：水玻璃为80％；磷酸二氢铝为20％。

一种碳化硅灭磁电阻制备方法，其中所述步骤包括：

步骤A、上述的配方备料；

步骤B、将配制好的所述原料进行搅拌，搅拌时间为2～3小时，搅拌同时，进行若干次的喷水；

步骤C、将搅拌后的所述原料密封储存20～24小时后进行压制后，然后阴干48-60小时；

步骤D、在氧化气氛环境下进行烧结，并控制烧结温度和烧结时间；

步骤E、烧结后的产品出炉冷却后，对其表面进行金属材料喷涂和老化处理。

所述的制备方法，其中，喷水周期为每间隔5-10分钟喷水一次，每次喷水量为200-300克。

所述的制备方法，其中，烧结温度和烧结时间控制范围为：从常温～200℃时，控制烧结时间在2～2.5小时之内；200℃～500℃时控制烧结时间在3～3.5小时内，500℃～900℃控制烧结时间在5小时之内。

所述的制备方法，其中，烧结后所述产品保温2～3小时，并控制36小时后出炉。

所述的制备方法，其中，喷涂的金属材料铝或铜。

本发明有益效果为：本发明采用上述技术方案后，通过改变灭磁电阻材料配方，将碳化硅SiC的半导体颗粒分散在有一定电阻率的结合剂内，并控制烧结环境、烧结温度和烧结时间，制备出成本低、性能优良的SIC灭磁电阻，本发明单片阀片残压比国外的SIC灭磁电阻低5％，通流能力大6％，而且相同电流流过后温升小10％，阀片残压变化率小10％。

具体实施方式

本发明提供了一种碳化硅灭磁电阻及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

碳化硅SiC灭磁电阻在灭磁主回路确定的前提下，灭磁阀片主要考虑的问题包括：装置最大允许电流、最大允许通流能力、灭磁灭磁电阻的残压等；碳化硅SiC灭磁电阻灭磁残压一般不低于30％、且不高于50％励磁绕组工频耐压幅值，如发电机机组励磁绕组的工频耐压为5000V，如果灭磁残压的选择过高，对于磁场断路器的建压要求过高，不利于磁场断路器分断磁场电流，严重情况下甚至造成磁场断路器损坏，考虑磁场断路器建压能力应留一定安全裕量，所以灭磁残压不宜选择过高。SiC灭磁电阻通流能为1700V 18900KJ阀片允许的最大电流为250A，实际使用电流98A，SiC通流能力需要一定裕量系数。碳化硅SiC具有负温度区域，所以需要格外注意SiC电阻的温升，国外1700V 18900KJ的阀片具备的最大温升为160K，碳化硅SIC阀片在50KJ、75KJ、90KJ下的温升分别为70K，107K，160K。

本发明通过对碳化硅SiC技术参数的分析和研究，为了得到更好性能碳化硅SiC灭磁电阻，申请人通过改变配方，在碳化硅SiC灭磁电阻的结合剂上解决问题，将碳化硅SiC的半导体颗粒分散在有一定电阻率的结合剂内，制备出性能优良的灭磁电阻。

本发明创新点在于：

1、首先将碳化硅SiC原料进行处理：包括粉碎、磨细、分级，得到不同粒径的碳化硅SiC；

180目以下的占20～40％；120目以上的占20～40％；其余为60目以上的。

2、结合剂的配制：将液态水玻璃和磷酸二氢铝进行混合和均匀搅拌，两者的重量比在1∶0.2～0.5范围内；

3、将分级后碳化硅SiC、结合剂和导电碳黑(纳米级)按下列重量百分比进行配料：

碳化硅：(碳化硅比例为80～90％)按不同粒径分别为：

粒径≤180目：    32～36％

粒径≥120目：    24～27％

粒径≥60目：     24～27％

结合剂：         12～19％

导电碳黑         0.5～2.5％

4、将上述配好的原料经压制成型并在低于SiC氧化温度下烧成。

5、表面喷涂易熔金属作电极，经大电流老化后测试其电性能。

根据上面处理后得到的碳化硅SiC的级配与最大允许通流能力、灭磁电阻的残压有密切关系，细的颗粒所占比例越大，灭磁电阻的残压越大；最大允许通流能力越小，非线性越向上抬，接近于ZnO阀片；原料配方中的纳米导电碳黑加入量越大，灭磁电阻的残压越小；最大允许通流能力越大，非线性越向下走，大电流老化后电性能越稳定；而烧成温度对SiC灭磁电阻的电性能有影响，温度越高，灭磁电阻的残压有抬增大的趋势，阀片坯体的机械强度越大，通流能力有增大的趋势，但温度一旦高于SIC的氧化温度，阀片的电性能急剧下降，所以本发明需要严格的控制烧结环境、烧结温度和烧结时间。

实施例1

步骤1、碳化硅灭磁电阻原料的配制：按下面组份重量百分配比：

碳化硅：

粒径≤180目：   34％

粒径≥120目：   25％

粒径≥60目：    26％

结合剂：        14％

导电碳黑        1.0％

其中，配制结合剂，其组分的重量百分比为：

水玻璃：        80％

磷酸二氢铝      20％

步骤2、将上述配制的原料置入容器中，使用专用搅拌机搅拌，搅拌时间为2～3小时，在搅拌同时，需适量喷水，大概每5～10分钟一次，一次的喷水量为200～300克；

步骤3、搅拌结束后把原料密封储存，隔20～24小时后进行产品压制；

根据产品尺寸的大小决定油压机的压力等级(灭磁电阻的直径为150mm，压力为70～75顿)；

步骤4、根据产品压制成型后，需阴干48～60小时后才能烧结，其烧结的设备可用厢式电炉(其烧结气氛为氧化气氛)；

在烧结升温的过程中必须控制其升温速度，一般其升温控制为：

从常温～200℃必须控制在2～2.5小时之内；

从200℃～500℃必须控制在3～3.5小时之内；

从500℃～900℃必须控制在5小时之内。

烧结完成之后必须保温2～3小时，最后必须在36小时之后才能出炉。

步骤5、产品出炉以后，将烧结后得产品冷却至常温后，可对其表面进行简单处理打磨，保持其表面的光洁；

然后对其表面进行金属喷涂，其喷涂材料一般为铝或者是铜；经大电流老化处理后测试其电气性能。

按此配方所生产出的灭磁电阻电气性能一般可控制在以下范围：阻值为4-6欧姆，其单片的能量可达到65～80KJ(国外产品的最大能量值为65KJ)。

实施例2

步骤1、碳化硅灭磁电阻原料的配制：按下面组份重量百分配比：

碳化硅：

粒径≤180目：    30.8％

粒径≥120目：    30.8％

粒径≥60目：     26.4％

结合剂：         10％

导电碳黑         2.0％

其中，配制结合剂，其组分的重量百分比为：

水玻璃：         80％

磷酸二氢铝       20％

步骤2-步骤5、其制备过程同实施例1。

按此配方所生产出的灭磁电阻电气性能一般可控制在以下范围：阻值一般为1-4欧姆，其单片的能量可达到70～100KJ，其性能远远超过国外同行产品的水平。

经上述方案反复试验，SIC灭磁电阻片达到及超过了进口的产品，如相同直径与厚度的阀片，本方案的阀片残压比国外的低5％，通流能力大6％，相同电流流过后温升小10％、阀片残压变化率小10％。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种碳化硅灭磁电阻，其特征在于：所述碳化硅灭磁电阻的原料组份重量百分配比为：

碳化硅：

粒径≤180目：32～36％

粒径≥120目：24～27％

粒径≥60目： 24～27％

结合剂：     12～19％

导电碳黑     0.5～2.5％

其中，所述结合剂由水玻璃和磷酸二氢铝配比混合而成，两者的重量配比范围为1∶0.2～0.5。

2.根据权利要求1所述的灭磁电阻，其特征在于：所述灭磁电阻原料组份重量百分配比为：

碳化硅：

粒径≤180目：34％

粒径≥120目：25％

粒径≥60目： 26％

结合剂：     14％

导电碳黑     1.0％

其中，所述结合剂组分的重量百分比：

水玻璃：     80％

磷酸二氢铝   20％

3.一种碳化硅灭磁电阻制备方法，其特征在于：所述步骤包括：

步骤A、按权利要求1或2的配方备料；

步骤B、将配制好的所述原料进行搅拌，搅拌时间为2～3小时，搅拌同时，进行若干次的喷水；

步骤C、将搅拌后的所述原料密封储存20～24小时后进行压制，然后阴干48-60小时；

步骤D、在氧化气氛环境下进行烧结，并控制烧结温度和烧结时间；

步骤E、烧结后的产品出炉冷却后，对其表面进行金属材料喷涂和老化处理。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤C的喷水周期为每间隔5～10分钟喷水一次，每次喷水量为200～300克。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D的烧结温度和烧结时间控制范围为：从常温～200℃时，控制烧结时间在2～2.5小时之内；200℃～500℃时控制烧结时间在3～3.5小时内，500℃～900℃控制烧结时间在5小时之内。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：烧结后所述产品保温2～3小时，并控制36小时后出炉。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤E中喷涂的金属材料为铝或铜。