CN114649804A - 一种双流向防雷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双流向防雷装置，该防雷装置由外向内依次包括外壳(1)、负电极膜(4)、导电介质层(3)、正电极膜(5)和内芯(2)，所述负电极膜(4)制备于所述外壳(1)的内壁上，所述正电极膜(5)制备于所述内芯(2)的外壁上，所述负电极膜(4)为纳米铁负电极膜，所述正电极膜(5)为纳米镍正电极膜。本发明利用特殊结构，导电介质层具有宽带隙、高击穿场、高热导率、电子饱和率等特性，铁‑镍电池体系的充放电电压钳制技术，利用充放电流相反特性使电路中存在一个电流过零自动切断放电电路，能够实现快速的充、放电，防止电压过高而超出用电设备的允许承受范围，从而达到阻止隔断反向电流击坏设备的可能性。

Description

一种双流向防雷装置

技术领域

本发明涉及国防工程、轨道交通、机场、石油、化工、矿业、电力、建筑、通讯信号、广播电视、气象等诸多行业防雷技术领域，具体地，涉及一种双流向防雷装置。

背景技术

雷电生成于大自然，当发生雷击放电时，其引发的雷击电磁脉冲，具有大电流和过电压等特点；其对站场电源、通信传输及相关信号和网络设备具有极大的影响，造成巨大损失，直接威胁人们正常的安全生产。

申请公布号为CN 104966912 A的中国专利公开了一种变能组合式防雷接地装置。该变能组合式防雷接地装置至少由两个以上的变能防雷接地单体并联组成。所述变能防雷接地单体包括外壳和内芯，所述的外壳与内芯之间设置有空腔，所述的空腔内填充有电解质组合物，并采用绝缘盖板将其封装在该接地装置内。该变能组合式防雷接地装置具有蓄电池的充、放电性能，没有极性要求，正、反双向均可进行充、放电，适配雷电、不同极性的脉冲的冲击，内阻很小，低压测试小于0.6欧姆，高压测试小于0.06欧姆。该变能组合式防雷接地装置先吸收变能、后释放，反压很小，无反压，具有优异的防雷效果；且结构简单，免于维护，可广泛应用于电信、电力、通讯、移动设备、交通工具等接地系统中。

上述防雷接地装置虽然性能较佳，但是实际使用发现其变能效果比较迟钝，充放电性能弱、容量不足、稳定性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种双流向防雷装置，该防雷装置能够实现更加快速的充放电、容量大、具有良好的稳定性和更低的电压阀值。且具有操作简单，成本较低的特点。使双流向防雷器的防雷性能得到明显的提高。具有创新性和推广价值。

为了实现上述目的，本发明提供一种双流向防雷装置，该防雷装置由外向内依次包括外壳、负电极膜、导电介质层、正电极膜和内芯，所述负电极膜制备于所述外壳的内壁上，所述正电极膜制备于所述内芯的外壁上，所述负电极膜为纳米铁电极膜，所述正电极膜为纳米镍电极膜。

把纳米镍正电极膜制备于防雷装置内芯的外壁上，把纳米铁负极薄膜制备于防雷装置的外壳的内壁上，这样能缓冲材料在充放电过程中产生的体积应变，缩短电荷转移路径，提高活性物质利用率，从而提高材料的性能。除此之外，直接制备在防雷器内芯外壁上和外壳内壁上的电极材料，在装配过程中不需要使用黏结剂和导电剂，可以大大简化组装过程。

具体地，所述负电极膜的厚度为100nm-3μm，所述正电极膜的厚度为100nm-3μm。电极膜越薄，活性物质利用率越高，防雷装置性能越好。

优选地，以质量百分比计，所述导电介质层中的导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12-26％、氧化锰18-36％、石墨24-42％、二氧化钠6-12％、碳纳米颗粒18-28％。

氧化锌-石墨烯复合材料：氧化锌(ZnO)是一种宽带隙的多功能半导体材料，具有优良的物理和化学性质。石墨烯作为一种零带隙的半导体材料，具有极高的载流子迁移率和特殊的输运特性。氧化锌-石墨烯复合材料兼具二者的性能优势，具有宽带隙、高击穿场、电子饱和率等特性。

氧化锰：氧化锰材料由于资源丰富，价格低廉，环境友好，理论比电容高等优点，被认为是最具发展潜力的超级电极材料之一。

石墨：石墨强度随温度提高而加强，石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。石墨的导热性超过钢、铁、铅等金属材料。化学稳定性常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

二氧化钠：过氧化钠比氧化钠稳定。原子所带的能量，其能量越高就越容易得到电子或者失去外层电子，从而形成分子。由于过氧化钠稳定的性能，可以增加介质的循环稳定性。

碳纳米球：其耐高压性可增加26％，在电能转换输送过程，可以减少能量损失。

以上组分配合使用，使得导电介质层具有宽带隙、高击穿场、高热导率、电子饱和率等特性，以实现更加快速的充放电、容量大、具有良好的稳定性和更低的电压阀值。

进一步优选地，以质量百分比计，所述导电介质层中的导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12-18％、氧化锰18-24％、石墨24-42％、二氧化钠6-10％、碳纳米颗粒20-22％。

具体地，所述纳米铁电极膜制备于所述外壳的内壁上的方法包括如下步骤：

S1、将乙炔黑加入到硝酸铁溶液中，球磨后干燥，此处干燥采用冷冻干燥；

S2、将步骤S1干燥后的材料在氢氩混合气下热处理得到纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物，该复合物尺寸为10-100nm；

S3、将纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于N-甲基吡咯烷酮溶液中，加入聚乙烯醇，搅拌至糊状，均匀涂抹在所述外壳的内壁上，烘干处理后压实。

优选地，步骤S1中，所述乙炔黑为用硝酸溶液浸泡处理过的乙炔黑，所述硝酸溶液的浓度为3～4mol/L，浸泡时间为3～5h。浸泡后过滤、然后真空干燥。

优选地，步骤S1中，球磨时间为3～4h。

优选地，步骤S2中，热处理气氛为氢气质量百分数为10％的氢氩混合气。

优选地，步骤S2中，热处理温度为500～600℃，热处理时间为3～5h。

具体地，所述纳米镍电极膜制备于所述内芯的外壁上的方法包括如下步骤：

1)、将乙炔黑加入到硝酸镍溶液中，球磨后干燥；

2)、将步骤1)干燥后的材料在氢氩混合气下热处理得到纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物，该复合物尺寸为10-100nm；

3)、将纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于N-甲基吡咯烷酮溶液中，加入聚乙烯醇，搅拌至糊状，均匀涂抹在所述内芯的外壁上，烘干处理后压实。

上述技术方案中，采用氢热还原，得到纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合材料、纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合材料，进一步制得铁镍电池正、负极材料，这样能缓冲材料在充放电过程中产生的体积应变，缩短电荷转移路径，提高活性物质利用率，从而提高材料的性能。具有充放电快，容量大，电压阀值低，循环稳定性好，且操作简单等优点。

通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：

1、本发明利用特殊结构，导电介质层具有宽带隙、高击穿场、高热导率、电子饱和率等特性，电流是电子的定向引动，电子移动要碰撞原子，大量的碰撞使原子运动加剧，造成内能增大，将电能变为高变电场或高变磁场的能量，被加热物体在交变电场或磁场中被激化而高变运动或产生涡流，被加热物在交变电场或磁场中产生发热现象，电能转化为热能、磁性涡流能量、电化学能等能量，随之在能量特种变换器内以热量、磁性涡流能量、电化学能的形式进行释放，形成具有快速充、放电特性的性能。此外，铁-镍电池体系的充放电电压钳制技术，利用充放电流相反特性使电路中存在一个电流过零自动切断放电电路，能够实现快速的充、放电，防止电压过高而超出用电设备的允许承受范围，从而达到阻止隔断反向电流击坏设备的可能性。

2、本发明采用氢热还原，得到纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合材料、纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合材料，进一步制得铁镍电池正、负极材料，具有充放电快，容量大，电压阀值低，循环稳定性好，且操作简单等优点。

3、本发明导电介质采用氧化锌-石墨烯复合材料、氧化锰、石墨、二氧化钠、碳纳米颗粒配合使用，使得导电介质层具有宽带隙、高击穿场、高热导率、电子饱和率等特性，可以提高防雷装置变能效果、充放电性能、大大增加容量以及循环稳定性。

附图说明

图1是本发明所述防雷装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中制得的铁-氧化铁/乙炔黑复合材料的XRD图；

图3是本发明实施例1中制得的铁-氧化铁/乙炔黑复合材料的SEM图；

图4是本发明实施例1中制得的镍-氧化镍/乙炔黑复合材料的XRD图；

图5是本发明实施例1中制得的镍-氧化镍/乙炔黑复合材料的SEM图；

图6是实施例1制备的负电极充放电随时间的变化曲线；

图7是实施例1制备的正电极充放电随时间的变化曲线；

图8是实施例1制备的正电极充放电曲线。

附图标记说明

1外壳、2内芯、3导电介质层、4负电极膜、5正电极膜、6绝缘盖板

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

首先需要说明的是，在下文的描述中为清楚地说明本发明的技术方案而涉及的一些方位词，例如“外”、“内”等均是按照防雷装置中零部件正常所指的方位类推所具有的含义，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的双流向防雷装置由外向内依次包括外壳1、负电极膜4、导电介质层3、正电极膜5和内芯2，所述负电极膜4制备于所述外壳1的内壁上，所述正电极膜5制备于所述内芯2的外壁上，所述负电极膜4为纳米铁电极膜，所述正电极膜5为纳米镍电极膜。

本发明利用以上结构，形成具有快速充、放电特性的能量特种变换器，将电能变能后，在能量特种变换器内以热量、电化学能的形式进行释放，实现更加快速的充放电、容量大、具有良好的稳定性和更低的电压阀值。

把纳米镍正电极膜贴附在防雷装置内芯的外壁上，把纳米铁负极薄膜贴附在防雷装置的外壳的内壁上，这样能缓冲材料在充放电过程中产生的体积应变，缩短电荷转移路径，提高活性物质利用率，能够实现快速的充、放电，防止电压过高而超出用电设备的允许承受范围，从而达到阻止隔断反向电流击坏设备的可能性。此外，直接贴附在防雷器内芯外壁上和外壳内壁上的电极材料，在装配过程中不需要使用黏结剂和导电剂，可以大大简化组装过程。

优选地，所述负电极膜4的厚度为100nm-3μm，所述正电极膜5的厚度为100nm-3μm。

外壳1和内芯2可使用ADI(等温淬火球墨铸铁)材料。

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

以下实施例中，氧化锌-石墨烯复合材料购自西安齐岳生物科技有限公司。

实施例1

防雷装置的制备方法包括如下步骤：

(1)制备导电介质

以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12％、氧化锰36％、石墨24％、二氧化钠10％、碳纳米颗粒18％。

(2)制备负极材料

S1、将0.25g乙炔黑加入到20mL浓度为3M的硝酸溶液中，搅拌后浸泡3h；将含有乙炔黑的溶液过滤干燥；

S2、将10g九水合硝酸铁溶于20mL水溶液中，并与步骤S1制得的乙炔黑混合；

S3、对硝酸铁/乙炔黑混合物采用球磨法球磨3h后，冷冻干燥；

S4、将干燥后的混合物置于管式炉中，在氢气质量百分数为10％的氢氩混合气中，500℃(升温速率为5℃/min)热处理3h，得到纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物，图2是该铁-氧化铁/乙炔黑复合材料的XRD图，从图中可以看出仅存在铁-氧化铁的特征峰，证明纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合材料被成功合成；图3是该铁-氧化铁/乙炔黑复合材料的SEM图，从图中可以看出铁-氧化铁膜厚度为2μm；

S5、将纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于30mL的NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中，加入0.2gPVA(聚乙烯醇)，搅拌至糊状，均匀涂抹在外壳1的内壁上，在80℃下，烘干处理，时间约为10h；

S6、利用辊压机辊压，压力约为10MPa，得到负极材料。

(3)制备正极材料

1)、将0.25g乙炔黑加入到20mL浓度为3M的硝酸溶液中，搅拌后浸泡3h，将含有乙炔黑的溶液过滤干燥；

2)、将10g六水合硝酸镍溶于20mL水溶液中，并与步骤1)制得的乙炔黑混合；

3)、对硝酸镍/乙炔黑混合物采用球磨法球磨3h后，冷冻干燥；

4)、将干燥后的混合物置于管式炉中，在氢气质量百分数为10％的氢氩混合气中，500℃(升温速率为5℃/min)热处理3h，得到纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物，图4是该镍-氧化镍/乙炔黑复合材料的XRD图，从图中可以看出仅存在镍-氧化镍的特征峰，证明纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合材料被成功合成；图5是该镍-氧化镍/乙炔黑复合材料的SEM图，从图中可以看出镍-氧化镍膜厚度为2μm；

5)、将纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于30mL的NMP溶液中，加入0.2g PVA，搅拌至糊状，均匀涂抹在内芯2的外壁上，在80℃下，烘干处理，时间约为10h；

6)、利用辊压机辊压，压力约为10MPa，获得正极材料。

(4)材料组装

将正负极材料组装，并在二者形成的空腔中填充导电介质，最后用绝缘盖板6密封。

实施例2

其他同实施例1，以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12％、氧化锰18％、石墨42％、二氧化钠10％、碳纳米颗粒18％。

实施例3

其他同实施例1，以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料26％、氧化锰24％、石墨24％、二氧化钠6％、碳纳米颗粒20％。

实施例4

其他同实施例1，以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12％、氧化锰36％、石墨24％、二氧化钠6％、碳纳米颗粒22％。

实施例5

其他同实施例1，以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料18％、氧化锰18％、石墨24％、二氧化钠12％、碳纳米颗粒28％。

对比例1

防雷装置包括不锈钢制的内芯和外壳，外壳和内芯直接形成有空腔，空腔中填充有导电介质，以质量百分比计，导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12％、氧化锰36％、石墨24％、二氧化钠10％、碳纳米颗粒18％。

对比例2

防雷装置结构同本发明，导电介质采用专利CN104966912A实施例8中的电解质组合物。

性能测试

图6为实施例1制备的负电极充放电随时间的变化曲线。从其充放电曲线图可以看出，电极具有良好的循环稳定性。

图7为实施例1制备的正电极充放电随时间的变化曲线。从其充放电曲线图可以看出，电极具有良好的循环稳定性。

图8为实施例1制备的正电极充放电曲线。从图中可以看出，电池的充电容量大，放电容量低，表明电池的充放效率低，能量消耗大。

测试实施例和对比例中防雷装置的性能，试验项目和试验方法如表1所示。

表1防雷装置性能试验项目和试验方法

测试结果如表2所示。

表2性能测试结果

从表2可以看出：

(1)实施例的防雷装置的50％放电电压比对比例低50-250kV左右，说明在同等条件下，本发明的防雷装置更不易产生上行先导放电，降低了直接雷接闪概率；

(2)实施例的防雷装置的冲击电流5kA时电阻仅为0.1Ω左右，而对比例的防雷装置为0.2-0.6Ω左右，可见，本发明的防雷装置电阻远小于实施例的电阻，接收雷电可能性越小；

(3)实施例的防雷装置升温试验响应时间为5μs左右，对比例为8-25μs，实施例防雷装置充放电试验响应时间为15μs左右，对比例为25μs以上，可见，本发明的防雷装置可以实现更快速充放电；

(4)防雷装置核心材料是由多种化学材料组合而成，具有非线性电阻特性；当带电的雷云出现时，能将地面因静电感应作用而积累的电荷部分中和，局部降低与带电云层极性相反的地电荷的密度与场强，从而降低引雷的概率。在综合射频场强检测中，实施例的防雷装置的综合射频场强和功率密度均远小于对比例，可见实施例的防雷装置可以中和更多的雷电电荷，起到更好的防雷效果；

(5)在耐低温试验中，实施例的防雷装置在-50℃条件下168h后无变化，而对比例的防雷装置出现了不同程度的裂纹，可见本发明的防雷装置的耐低温性能更好。

以上结合附图和实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种双流向防雷装置，其特征在于，由外向内依次包括外壳(1)、负电极膜(4)、导电介质层(3)、正电极膜(5)和内芯(2)，所述负电极膜(4)制备于所述外壳(1)的内壁上，所述正电极膜(5)制备于所述内芯(2)的外壁上，所述负电极膜(4)为纳米铁负电极膜，所述正电极膜(5)为纳米镍正电极膜。

2.根据权利要求1所述的双流向防雷装置，其特征在于，所述负电极膜(4)的厚度为100nm-3μm，所述正电极膜(5)的厚度为100nm-3μm。

3.根据权利要求1所述的双流向防雷装置，其特征在于，以质量百分比计，所述导电介质层(3)中的导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12-26％、氧化锰18-36％、石墨24-42％、二氧化钠6-12％、碳纳米颗粒18-28％。

4.根据权利要求3所述的双流向防雷装置，其特征在于，以质量百分比计，所述导电介质(3)中的导电介质包括如下组分：氧化锌-石墨烯复合材料12-18％、氧化锰18-24％、石墨24-42％、二氧化钠6-10％、碳纳米颗粒20-22％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的双流向防雷装置，其特征在于，所述纳米铁负电极膜制备于所述外壳(1)的内壁上的方法包括如下步骤：

S1、将乙炔黑加入到硝酸铁溶液中，球磨后干燥；

S2、将步骤S1干燥后的材料在氢氩混合气下热处理得到纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物；

S3、将纳米铁-氧化铁/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于N-甲基吡咯烷酮溶液中，加入聚乙烯醇，搅拌至糊状，均匀涂抹在所述外壳(1)的内壁上，烘干处理后压实。

6.根据权利要求5所述的双流向防雷装置，其特征在于，步骤S1中，所述乙炔黑为用硝酸溶液浸泡处理过的乙炔黑，所述硝酸溶液的浓度为3～4mol/L，浸泡时间为3～5h。

7.根据权利要求5所述的防雷装置，其特征在于，步骤S1中，球磨时间为3～4h。

8.根据权利要求5所述的双流向防雷装置，其特征在于，步骤S2中，热处理气氛为氢气质量百分数为10％的氢氩混合气，热处理温度为500～600℃，热处理时间为3～5h。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的双流向防雷装置，其特征在于，所述纳米镍正电极膜制备于所述内芯(2)的外壁上的方法包括如下步骤：

1)、将乙炔黑加入到硝酸镍溶液中，球磨后干燥；

2)、将步骤1)干燥后的材料在氢氩混合气下热处理得到纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物；

3)、将纳米镍-氧化镍/乙炔黑复合物洗涤干燥，重新分散于N-甲基吡咯烷酮溶液中，加入聚乙烯醇，搅拌至糊状，均匀涂抹在所述内芯(2)的外壁上，烘干处理后压实。

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