CN103325512A - 一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，属于电工材料技术领域。首先将Bi₂O₃、Sb₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃分散于聚乙烯醇水溶液和乙醇混合液中形成均匀的浆料，将得到的浆料薄薄涂于压敏电阻阀片素胚侧面并进行烧制，在氧化锌压敏电阻阀片侧面得到以Zn₂SiO₄为主成分、固溶有Fe的Zn₇Sb₂O₁₂为副成分的高阻层；然后将粉状磷酸二氢铝溶于常温水得到的溶液，在常温下与SiO₂均匀混合后，均匀喷涂在电阻片侧面并恒温处理后形成高粘接强度的无机釉层；然后将上述氧化锌压敏电阻片烘干，即在电阻片侧面得到白色、光滑的侧面绝缘层。本发明制备方法可以获得具有大冲击电流耐受能力的高绝缘强度的高电压梯度电阻片的侧面绝缘。

Description

一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法

技术领域

本发明涉及一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，属于电工材料技术领域。

背景技术

ZnO压敏电阻是以ZnO为主要原料，添加了少量的Bi₂O₃、MnO₂、Sb₂O₃、Co₂O₃、SiO₂和Cr₂O₃等，采用陶瓷烧结工艺制备而成。因其具有优异的非线性伏安特性和大通流容量等优点，ZnO压敏电阻一直作为电力系统避雷器的核心元件被广泛地应用于电力系统防雷和电力设备保护。近年来，高电压梯度氧化锌压敏电阻的相关研究成为氧化锌避雷器领域的研究热点之一。但研究发现，氧化锌压敏电阻阀片的电压梯度提高后，8/20μs波形雷电冲击电流和4/10μs波形大冲击电流下单位高度电阻片的残压显著增大，对压敏电阻的侧面绝缘提出了更为严苛的要求。

根据生产经验与相关试验数据表明，高电压梯度电阻片在实际的避雷器比例单元试验中应该能够耐受两次4/10μs大冲击电流（根据GB11032-2010，针对不同等级的避雷器，冲击耐受要求亦不同）。而目前我国氧化锌电阻片侧面绝缘的处理方法一般为在电阻片预烧后浸涂或涂抹一层无机高阻层，待电阻片烧结后，再涂一层有机釉或上玻璃釉；有的则不涂无机高阻层，只上一层有机釉或RTV（室温硫化硅橡胶）涂料。

国内普遍采用的无机高阻层，通常是以Bi-Sb-Si-Li几种元素的氧化物组成。但这种侧面材料表面粗糙，易吸附灰尘和水分。烧结过程中电阻片侧面无机高阻层可以由表及里渗透，渗透到的区域非线性系数降低，使小直径的阀片有效通流面积减少，反过来加重电阻片侧面釉的负担使。此外电阻片在成型时，其边缘侧面与模套壁相摩擦，成型密度要差一些，是一个薄弱环节。无机高阻层渗透进去，使电阻片侧面绝缘电阻大于电阻片中间的本体电阻，电阻片边缘侧面的缺陷不至于引起电阻片的边缘击穿。因此无机高阻层对提高电阻片大冲击电流耐受能力没有贡献，但是可以提高电阻片2ms方波通流容量（因2ms方波通流时,电阻片两端的电压梯度要比大电流冲击耐受时要低得多）。

而使用有机釉的优点是对电阻片内无渗透，且实施工艺简单。缺点是有机釉与电阻片的热膨胀系数难匹配，有机釉没有弹性，电阻片受热时易形成微裂纹，特别是釉层上得较厚时。绝缘层与电阻片的附着力也有问题。另外釉层也不易上得很厚(因高温固化时流挂)，须反复上釉反复固化。同时有机釉不耐电弧灼烧。有机釉的涂覆对提高电阻片4/10μs大电流冲击耐受能力可取得一定的效果，但裕度不大。此外，目前的有机釉短时间只能耐受200℃的温度。

玻璃釉表面光滑，不易粘灰和吸附水分，釉层耐温要比有机釉高。有的采用电阻片上高阻层后，外面再复合一层玻璃釉，但是对低电压梯度的电阻片，大电流耐受无法达到额定要求。

涂覆硅橡胶涂料时，常采用单组份RTV，工艺实施简单，基本不受固化时间限制，绝缘层厚度可非常方便地调节。其固化时间很短，不需要高温固化。RTV作电阻片侧面绝缘，其高弹性能与电阻片热膨胀系数相匹配，同时RTV绝缘层耐水、耐电弧、绝缘电阻高，喷涂工艺可使表面非常光滑。采用RTV可明显地提高电阻片4/10μs大电流冲击耐受能力。但是，RTV绝缘层只能耐温200℃。

符合要求的高电压梯度电阻片的侧面绝缘不但绝缘强度高、表面光滑、不易吸尘、憎水性好，而且须能够耐受200℃以上（甚至300℃）的高温。故上述这些侧面绝缘材料都无法满足研究的高电压梯度氧化锌电阻片耐受两次4/10μs大冲击电流要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，改变已有的氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层的制备方法，以提高氧化锌压敏阀片侧面绝缘层的使用性能，保证氧化锌压敏阀片的安全性能。

本发明提出的高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，包括以下步骤：

（1）制备质量百分比浓度为15～25%的聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇水溶液与纯乙醇以体积比3:1均匀混合，得到混合溶液；将质量百分比为10～30%的Bi₂O₃、质量百分比为10～30%的Sb₂O₃、质量百分比为30～50%的SiO₂和质量百分比为10～30%的Fe₂O₃均匀混合，得到混合粉料，将上述混合粉料与混合溶液混合并球磨12～24小时，得到固含量为10～60%的高阻层浆料；

（2）将上述高阻层浆料均匀涂覆在未排胶的成型氧化锌压敏电阻阀片素坯的侧面，平均厚度小于3毫米，待高阻层浆料中的乙醇挥发、高阻层浆料变干且不会发生流动后，对氧化锌压敏电阻阀片素坯进行烧制，得到氧化锌压敏电阻阀片，烧制的温度控制过程如下：

从室温至500℃，升温时间6小时，

在500℃保温3小时，进行排胶，

从500℃至900℃，升温时间4小时，

从900℃至1150℃，升温时间2小时，

保持1150℃，保温时间1小时，

随炉冷却；

（3）将磷酸二氢铝Al(H₂PO₄)₃溶于水，得到质量百分比浓度为10～30%的磷酸二氢铝水溶液，在常温下，将SiO₂均匀混合于上述磷酸二氢铝水溶液中，使SiO₂在磷酸二氢铝水溶液中的质量百分比浓度为1～15%，得到无机釉浆料，将无机釉浆料均匀喷涂在氧化锌压敏电阻阀片的高阻层侧面上，涂层厚度为0.3～0.5毫米，并在90～110℃保温4小时，形成高粘接强度的无机釉层，加温至350～500℃，烘干3～5小时，在氧化锌压敏电阻阀片的侧面形成白色、光滑的侧面绝缘层。

本发明提出的高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，具有以下优点：

1、使用本发明方法制备的高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层中的高阻层，其中的元素可以轻微地向氧化锌压敏阀片的内部渗透，从而减小氧化锌压敏阀片的边缘电流密度，从而避免氧化锌压敏阀片的边沿发生穿孔击穿，保证氧化锌压敏阀片在大电流情况下的工作可靠性。

2、使用本发明方法制备的高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层中的无机釉，其中的磷酸二氢铝非常粘稠，可在常温下固化，磷酸二氢铝与SiO₂无机盐复配后，具有耐高温、抗震、抗剥落、耐高温气流冲刷等特性，因此进一步保证了氧化锌压敏阀片在大电流情况下的工作可控性。

附图说明

图1为本发明方法制备的氧化锌压敏阀片的结构示意图。

图2为图1的剖视图。

图1和图2中，1为氧化锌压敏电阻阀片，2为高阻层，3为无机釉层。

具体实施方式

本发明提出的高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，包括以下步骤：

（1）制备质量百分比浓度为15～25%的聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇水溶液与纯乙醇以体积比3:1均匀混合，得到混合溶液；将质量百分比为10～30%的Bi₂O₃、质量百分比为10～30%的Sb₂O₃、质量百分比为30～50%的SiO₂和质量百分比为10～30%的Fe₂O₃均匀混合，得到混合粉料，将上述混合粉料与混合溶液混合并球磨12～24小时，得到固含量为10～60%的高阻层浆料；

（2）将上述高阻层浆料均匀涂覆在未排胶的成型氧化锌压敏电阻阀片素坯的侧面，平均厚度小于3毫米，待高阻层浆料中的乙醇挥发、高阻层浆料变干且不会发生流动后，对氧化锌压敏电阻阀片素坯进行烧制，得到氧化锌压敏电阻阀片，烧制的温度控制过程如下：

从室温至500℃，升温时间6小时，

在500℃保温3小时，进行排胶，

从500℃至900℃，升温时间4小时，

从900℃至1150℃，升温时间2小时，

保持1150℃，保温时间1小时，

然后随炉冷却；

（3）将磷酸二氢铝Al(H₂PO₄)₃溶于水，得到质量百分比浓度为10～30%的磷酸二氢铝水溶液，在常温下，将SiO₂均匀混合于上述磷酸二氢铝水溶液中，使SiO₂在磷酸二氢铝水溶液中的质量百分比浓度为1～15%，得到无机釉浆料，将无机釉浆料均匀喷涂在氧化锌压敏电阻阀片的高阻层侧面上，涂层厚度为0.3～0.5毫米，并在90～110℃保温4小时，形成高粘接强度的无机釉层，加温至350～500℃，烘干3～5小时，在氧化锌压敏电阻阀片的侧面形成白色、光滑的侧面绝缘层，其结构如图1和图2所示，图1和图2中，1为氧化锌压敏电阻阀片，2为高阻层，3为无机釉层。

以下介绍本发明方法的实施例。

实施例一

按照本发明专利说明书部分介绍的侧面绝缘层制备方法，对某型号为D35的高电压梯度压敏电阻阀片进行侧面绝缘。

（1）制备质量百分比浓度为18%的聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇水溶液与纯乙醇以体积比3:1均匀混合，得到混合溶液；将质量百分比为15%的Bi₂O₃、质量百分比为25%的Sb₂O₃、质量百分比为35%的SiO₂和质量百分比为25%的Fe₂O₃均匀混合，得到混合粉料，将上述混合粉料与混合溶液混合并球磨15小时，得到固含量为25%的高阻层浆料；

（2）将上述高阻层浆料均匀涂覆在未排胶的成型氧化锌压敏电阻阀片素坯的侧面，平均厚度小于3毫米，待高阻层浆料中的乙醇挥发、高阻层浆料变干且不会发生流动后，对氧化锌压敏电阻阀片素坯进行烧制，得到氧化锌压敏电阻阀片，烧制的温度控制过程如下：

从室温至500℃，升温时间6小时，

在500℃保温3小时，进行排胶，

从500℃至900℃，升温时间4小时，

从900℃至1150℃，升温时间2小时，

保持1150℃，保温时间1小时，

然后随炉冷却；

（3）将磷酸二氢铝Al(H₂PO₄)₃溶于水，得到质量百分比浓度为15%的磷酸二氢铝水溶液，在常温下，将SiO₂均匀混合于上述磷酸二氢铝水溶液中，使SiO₂在磷酸二氢铝水溶液中的质量百分比浓度为7%，得到无机釉浆料，将无机釉浆料均匀喷涂在氧化锌压敏电阻阀片的高阻层侧面上，涂层厚度为0.4毫米，并在95℃保温4小时，形成高粘接强度的无机釉层，加温至400℃，烘干4小时，在氧化锌压敏电阻阀片的侧面形成白色、光滑的侧面绝缘层。

采用此新型侧面绝缘层后，该型号为D35的高电压梯度电阻片4/10μs大冲击电流耐受能力可达65kA。

实施例二

按照实施例一所述的制备方法，对某型号为D70的高电压梯度压敏电阻阀片进行侧面绝缘层的制备。

（1）制备质量百分比浓度为23%的聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇水溶液与纯乙醇以体积比3:1均匀混合，得到混合溶液；将质量百分比为25%的Bi₂O₃、质量百分比为15%的Sb₂O₃、质量百分比为45%的SiO₂和质量百分比为15%的Fe₂O₃均匀混合，得到混合粉料，将上述混合粉料与混合溶液混合并球磨22小时，得到固含量为50%的高阻层浆料；

（2）将上述高阻层浆料均匀涂覆在未排胶的成型氧化锌压敏电阻阀片素坯的侧面，平均厚度小于3毫米，待高阻层浆料中的乙醇挥发、高阻层浆料变干且不会发生流动后，对氧化锌压敏电阻阀片素坯进行烧制，得到氧化锌压敏电阻阀片，烧制的温度控制过程如下：

从室温至500℃，升温时间6小时，

在500℃保温3小时，进行排胶，

从500℃至900℃，升温时间4小时，

从900℃至1150℃，升温时间2小时，

保持1150℃，保温时间1小时，

然后随炉冷却；

（3）将磷酸二氢铝Al(H₂PO₄)₃溶于水，得到质量百分比浓度为25%的磷酸二氢铝水溶液，在常温下，将SiO₂均匀混合于上述磷酸二氢铝水溶液中，使SiO₂在磷酸二氢铝水溶液中的质量百分比浓度为13%，得到无机釉浆料，将无机釉浆料均匀喷涂在氧化锌压敏电阻阀片的高阻层侧面上，涂层厚度为0.3毫米，并在105℃保温4小时，形成高粘接强度的无机釉层，加温至460℃，烘干3小时，在氧化锌压敏电阻阀片的侧面形成白色、光滑的侧面绝缘层。

采用此新型侧面绝缘层后，该型号为D70的高电压梯度电阻片4/10μs大冲击电流耐受能力可达100kA。

Claims (1)

1.一种高梯度氧化锌压敏阀片的侧面绝缘层制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）制备质量百分比浓度为15～25%的聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇水溶液与纯乙醇以体积比3:1均匀混合，得到混合溶液；将质量百分比为10～30%的Bi₂O₃、质量百分比为10～30%的Sb₂O₃、质量百分比为30～50%的SiO₂和质量百分比为10～30%的Fe₂O₃均匀混合，得到混合粉料，将上述混合粉料与混合溶液混合并球磨12～24小时，得到固含量为10～60%的高阻层浆料；

（2）将上述高阻层浆料均匀涂覆在未排胶的成型氧化锌压敏电阻阀片素坯的侧面，平均厚度小于3毫米，待高阻层浆料中的乙醇挥发、高阻层浆料变干且不会发生流动后，对氧化锌压敏电阻阀片素坯进行烧制，得到氧化锌压敏电阻阀片，烧制的温度控制过程如下：

从室温至500℃，升温时间6小时，

在500℃保温3小时，进行排胶，

从500℃至900℃，升温时间4小时，

从900℃至1150℃，升温时间2小时，

保持1150℃，保温时间1小时，

随炉冷却；

（3）将磷酸二氢铝Al(H₂PO₄)₃溶于水，得到质量百分比浓度为10～30%的磷酸二氢铝水溶液，在常温下，将SiO₂均匀混合于上述磷酸二氢铝水溶液中，使SiO₂在磷酸二氢铝水溶液中的质量百分比浓度为1～15%，得到无机釉浆料，将无机釉浆料均匀喷涂在氧化锌压敏电阻阀片的高阻层侧面上，涂层厚度为0.3～0.5毫米，并在90～110℃保温4小时，形成高粘接强度的无机釉层，加温至350～500℃，烘干3～5小时，在氧化锌压敏电阻阀片的侧面形成白色、光滑的侧面绝缘层。

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