DE68920035T2 - Verfahren zur Herstellung eines Varistormaterials. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Varistormaterials.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials umfassend Zinkoxid als Grundlage.
  • Es ist bekannt, daß der elektrische Widerstand von gesintertem Zinkoxid, das ein spezifisches Additiv enthält, in erheblichem Maße in Abhängigkeit von der elektrischen pannung variiert. Ein solches Material wird in großem Umfang zum Stabilisieren der elektrischen Spannung oder zur Absorption einer Stoßspannung verwendet, indem man Vorteil aus der nichtlinearen Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom wahrnimmt. Diese elektrischen nichtlinearen Elemente werden Varistoren genannt.
  • Die quantitative Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der Spannung eines Varistors wird annähernd durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben:
  • I = (V/C)α (1)
  • woring V die an einen Varistor angelegte elektrische Spannung bedeutet; I den hindurchgehenden elektrischen Strom darstellt; C eine Konstante ist und α ein Index größer als ist.
  • In diesem Fall wird ein nichtlinearer Index, der den Grad der Nichtlinearität angibt, genannt. Allgemein gesagt, ist ein größerer α-Wert bevorzugter. α wird nach der folgenden Gleichung (2) berechnet:
  • α = log&sub1;&sub0;(I&sub2;/I&sub1;)/log&sub1;&sub0;(V&sub2;/V&sub1;) (2)
  • worin V&sub1; und V&sub2; jeweils die elektrische Spannung bei einem gegebenen Strom I&sub1; und I&sub2; bedeuten.
  • In einem allgemeinen Fall werden I&sub1; und I&sub2; mit 1 mA bzw. 10mA bestimmt, und V&sub1; wird als die Varistorspannung bezeichnet. C und α hängen von der Formulierung und der Herstellungsmethode des Varistors ab. Diese Tatsachen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Ein Zinkoxidvaristor kann im allgemeinen nach der nachfolgenden Methode hergestellt werden.
  • Hierzu werden Additive mit Zinkoxid vermischt. Die erhaltene Mischung wird in die gewünschte Form nach einer üblichen Formgebungsmethode, wie man sie für Keramik anwendet, geformt und anschließend bei einer geeigneten Temperatur gesintert. Während dieser Sinterstufe treten die gewünschten Umsetzungen zwischen dem Zinkoxid und den Additiven ein. Das heißt, daß die Mischung geschmolzen und gesintert wird und man dadurch das angestrebte Varistormaterial erhält. Anschließend wird das erhaltene Varistormaterial mit einer Elektrode und einem Leiter versehen. Auf diese Weise wird ein Element gebildet.
  • Es sind zwar verschiedene Theorien über den Mechanismus der Ausbildung von Varistoreigenschaften aus gesinterten Zinkoxidmaterialien berichtet worden, jedoch gibt es bisher keine definitive Theorie. Es gilt jedoch als anerkannt, daß die elektrischen Eigenschaften eines Varistors aus dessen Mikrostruktur stammen. Ein Zinkoxidvaristor umfaßt im allgemeinen Zinkoxidteilchen, um die herum eine sehr beständige Grenzschicht gelagert und gebunden ist. Additive verwendet man, um diese Grenzschicht zu bilden. Verschiedene oder mehrere Additive werden im allgemeinen verwendet, und die Typen und Mengen davon können von den angestrebten Eigenschaften abhängen.
  • Die üblichen Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials leiden unter einem erheblichen Problem. Das heißt, daß die Eigenschaften eines Sintermaterials in erheblichem Maße variieren und dadurch wird es unmöglich, wirksam Varistormaterialien mit konstanten Eigenschaften herzustellen. Dieses Problem kann durch die Tatsache verursacht sein, daß es schwierig ist, gleichmäßig die Mikrostruktur und die Mikroverteilung einer chemischen Komponente des gesinterten Varistormaterials mit hoher Reproduzierbarkeit zu kontrollieren. Gemäß dem Stand der Technik werden eine Reihe von Additiven verwendet, und diese Additive reagieren in komplizierter und spezieller Weise mit Zinkoxid sowie miteinander beim Brennen. Deshalb werden diese Umsetzungen in erheblichem Maße durch eine Veränderung der Herstellungsbedingungen beeinflußt.
  • Weiterhin werden beim Stand der Technik Additive, die bei einer hohen Temperatur verdampfen, wie Wismutoxid, verwendet, und dadurch wird die Kontrolle der Mikrostruktur des Sintermaterials und die Mikroverteilung der chemischen Verbindungen darin noch schwieriger.
  • In Ep-A-0346895, die ein Dokument unter Art. 54 (3) EPC darstellt, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials beschrieben, das aus einer einfachen Zusammensetzung besteht. Genauer gesagt wird in EP- A-0346895 ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials offenbart mit einem nichtlinearen Index (α) von wenigstens 20, umfassend die Zugabe einer Manganverbindung zu Zinkoxid; Hitzebehandeln der erhaltenen Mischung in Form eines Pulvers an der Atmosphäre bei 1050 bis 1150ºC, Malen des Materials unter Erhalt einer Teilchengröße von 150 Mesh oder weniger; Formen des Pulvers in gewünschte Form; und Sintern desselben bei 1200 bis 1350ºC. Das gesinterte Material kann dann bei 50 bis 1150ºC geglüht werden. Eine vorläufige Calcinierungsstufe bei 700 bis 900ºC kann vor der Wärmebehandlung vorgenommen werden. Das MnO kann zu dem ZnO in einer Menge von 3 bis 7 Mol-%, bezogen auf eine molare Basis von MnO pro 100 Mol-% ZnO + MnO zugegeben werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten, bei üblichen Zinkoxidvaristormaterialien beobachteten Probleme zu überwinden, indem man ein Verfahren zur Herstellung eines Varistormaterials zur Verfügung stellt, welches einen erhöhten nichtlinearen Index (α) und einen einfachen Aufbau hat, und das man leicht herstellen kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials zur Verfügung, umfassend zwei kristalline Phasen aus ZnO und ZnMn&sub2;O&sub4;, worin Zn und Mn in einem solchen Verhältnis vorliegen, daß 3 bis 7 Mol-% MnO pro 100 Mol-% ZnO + MnO enthalten sind, und der nichtlineare Index (α) der Varistoreigenschaften wenigstens 10 beträgt, wobei (α) nach der Gleichung
  • α = log&sub1;&sub0;(I&sub2;/I&sub1;)/log&sub1;&sub0;(V&sub2;/V&sub1;)
  • berechnet ist, worin V&sub1; und V&sub2; jeweils die elektrische Spannung bei einem gegebenen Strom I&sub1; und I&sub2; bedeuten, umfassend die Zugabe einer Manganverbindung zu ZnO in einem solchen Verhältnis, daß der Gehalt von MnO 3 bis 7 Mol-%, bezogen auf 100 Mol-% ZnO + MnO beträgt Calcinieren der Mischung bei etwa 700ºC ; Sintern der Mischung bei 1100 bis 1350ºC und weiteres Glühen des erhaltenen Sintermaterials bei einer Temperatur, die um wenigstens 50ºC niedriger als die Sintertemperatur und höher als 1000ºC ist, für 0,5 bis 3 Stunden.
  • Bei dem obigen Verfahren kann jede Manganverbindung verwendet werden, so weit sie durch Calcinieren in Manganoxid umgewandelt werden kann. Beispiele hierfür sind anorganische Säuren von Mangansalzen, wie Mangannitrat und -halogenide, organische Säuresalze, wie Manganacetat, -propionat, - benzoat, -acetylacetat, -n-butyrat, -4-cyclohexylbutyrat, - naphthenat oder -2-ethylhexan sowie Manganhydroxid. Die Verwendung von Mangannitrat wird bevorzugt.
  • Um das erfindungsgemäße Varistormaterial in einer bevorzugten Weise herzustellen, wird die in einem Lösungsmittel gelöste Manganverbindung zu Zinkoxid gegeben. Das Vermischen kann beispielsweise durch Vermischen einer Lösung der Manganverbindung mit Zinkoxid in Gegenwart eines Lösungsmittels, in welchem die Manganverbindung löslich ist, erfolgen. Beispiele für das Lösungsmittel schließen Wasser, organische Lösungsmittel und Mischungen davon ein. Beispiele für das organische Lösungsmittel schließen Alkohole, wie Methanol und Ethanol ein. Jedes Lösungsmittel kann verwendet werden, solange es keine direkte Wirkung auf das Zinkoxid hat, und nach Beendigung des Vermischens einfach durch Verdampfen entfernt werden kann. Da die Manganverbindung mit dem Zinkoxid in gelöster Form bei diesem Vermischen vermischt wird, kann die Manganverblndung homogen durch die Zinkoxidteilchen auf einem molekularen Niveau aufgebracht werden.
  • Die so erhaltene Mischung wird getrocknet und das Lösungsmittel durch Verdampfen entfernt. Dann wird sie calciniert, gesintert und das gesinterte Produkt wird anschließend noch einmal erhitzt (geglüht). Das Sintern wird bei einer solchen Temperatur durchgeführt, daß man eine Sinterdichte des gesinterten Produktes von wenigstens 90 %, bezogen auf die theoretische Dichte des Zinkoxids erhält. Im allgemeinen wird es bei 1100 bis 1350ºC, vorzugsweise bei 1200 bis 1300ºC für 0,5 bis 2 Stunden durchgeführt. Das Glühen wird bei einer Temperatur, die wenigstens 50ºC unterhalb der Sintertemperatur und höher als 1000ºC ist, durchgeführt, um die Ausbildung von zwei kristallinen Phasen aus Zinkoxid (ZnO) und Zinkmanganat (ZnMn&sub2;O&sub4;) zu ermöglichen. Das heißt, daß die Erhitzungs(glüh)temperatur im Bereich von 1000 bis 1300ºC, vorzugsweise 1000 bis 1200ºC, liegen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Sintern bis annähernd 1300ºC durchgeführt, während man das Glühen bei annähernd 1100ºC vornimmt. Die Glühzeit beträgt 0,5 bis 3 Stunden. Beträgt die Glühzeit weniger als 0,5 Stunden, dann kann man eine merkliche Wirkung nicht erzielen. Beträgt die Glühzeit mehr als 3 Stunden, dann wird dadurch kein Vorteil erzielt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann das Vermischen des Zinkoxids mit einer Manganverbindung vorzugsweise vorgenommen werden, indem man die Manganverbindung in einem gelösten Zustand unter Verwendung eines Lösungsmittels hält, wie vorher schon angegeben wurde. Selbstverständlich ist es jedoch, daß man entweder eine lösliche oder unlösliche Manganverbindung mit dem Zinkoxid durch eine physikalische oder mechanische Verfahrensweise, wie sie üblicherweise im Stand der Technik angewendet wird, vermischen kann.
  • Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Manganverbindung zu dem Zinkoxid in einer Menge von 3 bis 7 Mol-%, vorzugsweise 4 bis 6 Mol-%, auf einer molaren Basis von MnO, pro 100 Mol-% Zno + MnO zugegeben. Fällt das Verhältnis der Manganverbindung nicht in diesen Bereich, dann wird es schwierig, den gewünschten erhöhten, nichtlinearen Index (α) zu erreichen.
  • Gemäß der Erfindung kann man das Varistormaterial in einfacher Weise herstellen, indem man nur ein Additiv (Mangan) zu Zinkoxid gibt. Darüber hinaus hat das dabei erhaltene Varistormaterial einen ausreichend hohen nichtlinearen Index (α), wie er für die Praxis erwünscht ist.
  • Zur weiteren Beschreibung der Erfindung dient das nachfolgende, nicht beschränkende Beispiel.
  • BEISPIEL
  • Eine bestimmte Menge von Mangannitrat (Mn(NO&sub3;)&sub2; 6H&sub2;O) wurde zu Zinkoxid in Ethanol gegeben. Nach gründlichem Mischen wurde das Lösungsmittel abgedampft. Dann wurde der Rückstand eine Stunde bei 700ºC calciniert.
  • Anschließend wurde die calcinierte Probe zu einer Scheibe vorgeformt (Durchmesser: 10 mm, Dicke: 2 mm) unter 300 kg/cm² und anschließend unter einem hydrostatischen Druck von 1 t/cm². Das so erhaltene geformte Material wurde in einem elektrischen Widerstands-Heizofen aus Siliciumkarbid eingegeben und an der Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 6ºC/min. erhitzt. Wenn die Temperatur 1300ºC erreichte, sinterte das Material, und bei dieser Temperatur wurde es eine Stunde gehalten. Dann ließ man es in dem Ofen abkühlen. Ein Teil des nicht geglühten, gesinterten Materials wurde herausgenommen und die beiden Oberflächen davon wurden geglättet. Anschließend wurde Indium/Quecksilberamalgam aufgegeben, um dadurch Elektroden zu bilden. Dann wurden die elektrische Strom/Spannungs-Eigenschaften durch die Gleichstrom-Zweipol-Methode bestimmt. Im Ergebnis zeigten Proben, enthaltend 3 bis W Mol-% (wobei MnO + ZnO jeweils 100 Mol-% sind, das gilt auch anschließend) der Manganverbindung, bemerkenswerte Varistoreigenschaften.
  • Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 1 Nichtlinearer Index (α)
  • Beim Sintern bei 1100 bis 1350ºC ergaben proben, enthaltend 3 bis 7 Mol-% MnO dicht gesinterte Materialien mit einer Sinterdichte von 90 % oder mehr, bezogen auf die theoretische Dichte von Zinkoxid. Jedoch zeigten solche, die bei einer Temperatur unterhalb 1100ºC gesintert wurden, eine Sinterdichte von weniger als 90 %, während solche, die bei einer Temperatur oberhalb 1350ºC gesintert wurden, ebenfalls eine erniedrigte Sinterdichte aufwiesen. Anschließend wurden die restlichen gesinterten Materialien bei 1100ºC eine Stunde geglüht (Temperaturerhöhungsrate: 6ºC/min., Atmosphäre). Die Strom/Spannungseigenschaften der erhaltenen Proben wurden in gleicher Weise wie vorher angegeben bestimmt. Im Ergebnis zeigten solche die 3 bis 7 Mol-% MnO enthalten, jeweils einen nichtlinearen Index (α), der um 10 oder mehr erhöht war. Es wurde beispielsweise bestätigt, daß ein Varistormaterial mit einem spezifischen Widerstand von 1,31 x 10&sup7; X cm,einem nichtlinearen Index (α) von 18,4 und einer Varistorspannung von 280 V/mm erhalten wurde, indem man ein Sintermaterial mit einem spezifischen Widerstand von 4,09 x 10&sup6; X cm, einem nichtlinearen Index (α) von 6,1 und einer Varistorspannung von 320 V/mm temperte. Durch Röntgenstrahl- Beugungsmessung der pulverförmigen geglühten Probe zeigte, daß diese im wesentlichen zwei kristalline Phasen aus ZnO und ZnMn&sub2;O&sub4; umfaßte. Diese beiden kristallinen Phasen traten innerhalb der Brenn(Glüh)temperatur zwischen 1000 und 1300ºC auf.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidvaristormaterials, umfassend zwei kristalline Phasen aus ZnO und ZnMn&sub2;O&sub4;, worin Zn und Mn in einem solchen Verhältnis vorliegen, daß 3 bis 7 Mol-% MnO pro 100 Mol-% ZnO + MnO enthalten sind, und der nichtlineare Index (α) der Varistoreigenschaften wenigstens 10 beträgt, wobei (α) nach der Gleichung
    α = log&sub1;&sub0;(I&sub2;/I&sub1;)/log&sub1;&sub0;(V&sub2;/V&sub1;)
    berechnet ist, worin V&sub1; und V&sub2; jeweils die elektrische pannung bei einem gegebenen Strom I&sub1; und I&sub2; bedeuten, umfassend die Zugabe einer Manganverbindung zu ZnO in einem solchen Verhältnis, daß der Gehalt von MnO 3 bis 7 Mol-%, bezogen auf 100 Mol-% ZnO + MnO beträgt; Calcinieren der Mischung bei etwa 700ºC ; Sintern der Mischung bei 1100 bis 1350ºC und weiteres Glühen des erhaltenen Sintermaterials bei einer Temperatur, die um wenigstens 50ºC niedriger als die Sintertemperatur und höher als 1000ºC ist, für 0,5 bis 3 Standen.
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