專利名稱：用于中高電壓應(yīng)用的非線性電氣材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高和中電壓技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及非線性電氣材料和設(shè)備。本發(fā)明基于根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求前序部分的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法、非線性電氣材料和包括該非線性電氣材料的電器。
背景技術(shù)：
在EP 0875087 B1中公開了一種用于電應(yīng)力控制的壓敏電阻材料，含有嵌入在聚合物基體中的摻雜氧化鋅(ZnO)填料顆粒。具體說明該壓敏電阻材料為采用僅為圓形或至少光滑形狀的球狀顆粒并且大部分顆粒的最大尺度在5μm-100μm之間。其權(quán)利要求書中聲明用該填料材料獲得了良好的非線性并且適用于中壓電纜的終端和接頭。
在FR 2547451中公開了一種用于類似場(chǎng)應(yīng)力控制目的的類似壓敏電阻材料，其大部分摻雜的ZnO填料顆粒具有大于100μm的最大尺度。
在EP1274102 A1中公開了一種壓敏電阻粒子，包括具有不同的非線性電流-電壓特性的壓敏電阻顆?；旌衔?。
本發(fā)明從如EP 0992042(WO 99/56290)中所述的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)出發(fā)。填料材料包括燒結(jié)壓敏電阻粒子，由摻雜的氧化鋅制成并且具有粗和細(xì)級(jí)分的壓敏電阻微粒。該壓敏電阻微粒的尺寸范圍，對(duì)于粗級(jí)分為40μm-200μm，尤其是90μm-160μm，對(duì)于細(xì)級(jí)分，范圍為該值的10％-50％，尤其是32μm-63μm。細(xì)級(jí)分部分應(yīng)為粗級(jí)分部分的約5體積％-30體積％。該雙峰分布提供良好的壓敏電阻顆粒密度，由于所有壓敏電阻顆粒基本為圓形，結(jié)果粗級(jí)分以緊密球堆積排布且細(xì)級(jí)分填充于空隙之間。對(duì)于該雙峰分布，另外或可選擇地，填料包括用來改善緊密堆積的壓敏電阻顆粒之間接觸的導(dǎo)電顆粒。因而獲得改善的非線性電性質(zhì)，尤其是增加的非線性電系數(shù)、增加的功率吸收和下降的擊穿場(chǎng)強(qiáng)?？杉尤刖哂欣绲陀?2μm的尺寸的超細(xì)第三級(jí)分的壓敏電阻微粒來進(jìn)一步改善非線性性能。然而，燒結(jié)壓敏電阻粒子只含有能夠以緊密球堆積方式自排列的主要為球形的粗和細(xì)顆粒。因此，每一對(duì)相鄰顆粒形成唯一的一個(gè)單點(diǎn)接觸，無論是粗-粗、粗-細(xì)還是細(xì)-細(xì)顆粒接觸。這強(qiáng)烈界定了有效接觸區(qū)域以及隨之的電性能。此外，突出的針狀晶體可形成在壓敏電阻微粒表面并且可作為壓敏電阻顆粒之間的隔離物，從而阻止它們相互電接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的在于提供一種表現(xiàn)出良好非線性電特性且易于制造的復(fù)合材料、包括該非線性電氣材料的電氣部件、包括該部件的中或高電壓設(shè)備和生產(chǎn)該非線性電氣材料的方法。根據(jù)本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求所提出的主題來實(shí)現(xiàn)該目的。
在第一方面，本發(fā)明在于非線性電氣材料，其包括聚合物基體和粉末形式的且嵌入在該基體中的顆粒壓敏電阻填料，其中所述填料包括第一級(jí)分的粗顆粒和第二級(jí)分的細(xì)顆粒，其中粗顆粒具有大于細(xì)顆粒的尺寸并且細(xì)顆?？商畛涞叫纬稍诖诸w粒之間的空隙中，而且其中第一級(jí)分中的粗顆粒主要為球形，第二級(jí)分中的細(xì)顆粒具有不規(guī)則成形體，其表面包括用來提供細(xì)顆粒與其相鄰顆粒的非點(diǎn)狀和/或多個(gè)接觸區(qū)域的邊緣和/或區(qū)域面。非點(diǎn)狀接觸區(qū)域涉及在延伸的接觸面之上可以觸及和電連接到相鄰顆粒的顆粒，這不能在兩個(gè)球形顆粒之間獲得。根據(jù)本發(fā)明，該非點(diǎn)狀和/或多個(gè)接觸是通過提供包括較大的球形和較小的不規(guī)則壓敏電阻微粒的雙峰顆粒填料混合物來獲得的。該不規(guī)則形狀提供所需的多點(diǎn)接觸或一或二維延伸的接觸面，然后當(dāng)球形和不規(guī)則顆粒混合并自排列時(shí)，該接觸面在至少一部分緊鄰的顆粒之間生成延伸的和/或多個(gè)微接觸。不規(guī)則小顆粒允許獲得較高的填料含量，以增加顆粒間的接觸數(shù)量，提供較持久的微接觸，基本擴(kuò)大有效微接觸面積，結(jié)果改善了該非線性電氣材料的電性能。另一方面，球形大顆粒的存在還有效改善了非線性電氣材料的非線性系數(shù)。此外，球形大顆粒的存在還改善了非線性電氣材料或設(shè)備生產(chǎn)期間的混合性能和可加工性，尤其是對(duì)于高填料含量。
在一個(gè)實(shí)施方案中，接觸區(qū)域包括相鄰顆粒之間的多點(diǎn)接觸和/或至少一個(gè)邊緣接觸和/或至少一個(gè)面接觸。這限定了當(dāng)將不規(guī)則細(xì)顆粒與球形粗顆?；旌喜⒁宰銐虻念w粒填料密度一起嵌入到基體中時(shí)，至少一部分不規(guī)則細(xì)顆?？商峁┑挠嘘P(guān)微接觸數(shù)量和/或面積的最小條件。
根據(jù)權(quán)利要求3和4的實(shí)施方案具有的優(yōu)點(diǎn)在于可以非常經(jīng)濟(jì)和大量變化地生產(chǎn)球形的破碎顆粒和較小尺寸的不規(guī)則碎顆粒。
在權(quán)利要求5中，給出用于顆粒填料材料的優(yōu)選設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和添加劑。在權(quán)利要求6和7中分別給出顆粒尺度和形狀不規(guī)則度的優(yōu)選范圍。
權(quán)利要求8-9涉及使用非線性電氣材料，用于電介質(zhì)絕緣、過電壓保護(hù)和/或場(chǎng)控制目的的電氣部件。
在另一方面，本發(fā)明在于生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，該非線性電氣材料通過將粉末形式的顆粒壓敏電阻填料嵌入到聚合物基體中來形成，其中煅燒用于第一級(jí)分的顆粒，隨后將其破碎，從而使顆粒保持其原有的、主要為球形的形狀，并且混合不同級(jí)分的顆粒，其中煅燒用于第二級(jí)分的顆粒并隨后將其壓碎，從而使該顆粒碎成不規(guī)則形狀的顆粒，并且選擇第一級(jí)分的球形顆粒以具有大于第二級(jí)分的不規(guī)則顆粒的尺寸，從而使不規(guī)則顆粒能夠填充到形成在球形顆粒之間的空隙中，并且能夠形成與相鄰顆粒的多個(gè)接觸和/或空間(一或二維)延伸接觸。
在一個(gè)實(shí)施方案中，通過將球形顆粒和不規(guī)則顆粒分別混合到兩組分基體的兩個(gè)組分中或單組分基體的兩個(gè)部分中來將其分別預(yù)混。從而得到具有不同尺寸和形狀并且尤其是難以混合的顆粒的非常均一的混合物。
權(quán)利要求14-15涉及用來改善該非線性電氣材料電性能的另外的粉末加工步驟。
由權(quán)利要求和權(quán)利要求組合以及考慮以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的其它實(shí)施方案、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用將變得顯而易見。


參照以下附圖進(jìn)行說明，其中在圖1a中示意性地示出在聚合物基體中包括大和小的球形壓敏電阻顆粒的混合物的非線性電氣復(fù)合材料(現(xiàn)有技術(shù))；在圖1b中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明在聚合物基體中包括大的球形和小的不規(guī)則壓敏電阻顆粒的混合物的非線性電氣復(fù)合材料；在圖2、3中示意性地示出大球形壓敏電阻顆粒(圖2)和多個(gè)小的不規(guī)則壓敏電阻顆粒(圖3)的掃描電子顯微鏡照片；
在圖4a、4b中示意性地示出通過在空隙中排列不規(guī)則壓敏電阻顆粒的接觸改善。
在附圖中，賦予相同部分以相同的標(biāo)記。
具體實(shí)施方案圖1a顯示具有填料1的現(xiàn)有技術(shù)材料的示意圖，該填料只含有球形顆粒2、3，即較大的球形顆粒2和較小的球形顆粒3。較小顆粒3排列在較大顆粒2之間的空隙4中并且形成與相鄰較大顆粒2的點(diǎn)式微接觸23。還可以將幾個(gè)較小顆粒3填充到空隙中從而也在其自身3之間形成微接觸(未示出)?？障?可以是空的或僅填充有聚合物40。緊鄰的大顆粒2彼此形成大-大顆粒微接觸22。將填料顆粒2、3嵌入到聚合物基體40中。至此，所有上述微接觸均為在相鄰球形顆粒之間產(chǎn)生的點(diǎn)接觸23、22。
圖1b示意性地示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)并且嵌入到基體40中的填料材料1’。該顆粒壓敏電阻填料1’包括第一級(jí)分的粗顆粒5和第二級(jí)分的細(xì)顆粒6。粗顆粒5具有大于細(xì)顆粒6的尺寸，從而使細(xì)顆粒6可以填充形成在粗顆粒5之間的空隙4。也可以出現(xiàn)空的或聚合物填充的空隙4。粗顆粒5具有主要為球形的形狀，而細(xì)顆粒6具有不規(guī)則成形體，其表面包括適于提供細(xì)顆粒6與相鄰顆粒5、6的非點(diǎn)狀和/或多個(gè)接觸區(qū)域56、56a、56b、66的邊緣和/或區(qū)域面。在該非線性電氣材料中，至少一部分該不規(guī)則細(xì)顆粒6有效地形成了與其緊鄰的5、6的這種非點(diǎn)狀和/或多個(gè)微接觸56、56a、56b、66。以下給出優(yōu)選實(shí)施方案。
圖1b示出在細(xì)顆粒6和粗顆粒5之間由特定細(xì)顆粒6的特定不規(guī)則性或尖形所產(chǎn)生的多個(gè)點(diǎn)接觸56a。在另一對(duì)細(xì)顆粒6和不同的粗顆粒5之間示出了由特定不規(guī)則細(xì)顆粒6的光滑，可能輕微凹陷的表面區(qū)所產(chǎn)生的邊緣或面接觸56b。占用共同空隙位置的兩個(gè)細(xì)顆粒6、6也可以形成點(diǎn)接觸66和/或至少一個(gè)邊緣接觸66和/或面接觸66。由這些實(shí)施例，顯然不規(guī)則或尖的或一般來說基本上為非球形的細(xì)顆粒6可增加與相鄰顆粒5、6的電接觸數(shù)量和有效接觸面積。此外，具有銳利邊緣的不規(guī)則細(xì)顆粒6提供了較穩(wěn)定的、較不容易隨時(shí)間而下降的微接觸56、66。從而改善了非線性電氣材料的電性能。球形大顆粒5的級(jí)分對(duì)獲得高非線性是必須的。相同尺寸的不規(guī)則大顆粒5將不能提供好的非線性電特性。例如，包括嵌入在硅樹脂基體中的摻雜氧化鋅填料1’的復(fù)合物具有非線性系數(shù)αB≥25，其中根據(jù)本發(fā)明的填料1’由60％的直徑范圍為100μm-160μm的球形大顆粒5和40％的尺度小于60μm的不規(guī)則小顆粒6組成。相反，包括嵌入在硅樹脂基體中的摻雜氧化鋅填料(具有60％的直徑范圍為100μm-160μm的不規(guī)則大顆粒和40％的尺度小于60μm的不規(guī)則小顆粒)的復(fù)合物僅具有αB＝25。該非線性系數(shù)αB定義為電壓-電流特性的斜率，該特性針對(duì)1.3·10-4A/cm2的電流密度以雙對(duì)數(shù)標(biāo)度對(duì)該復(fù)合物測(cè)量得到。
圖2示出第一級(jí)分的球形大顆粒5的掃描電子顯微鏡照片。其已通過以下過程來生產(chǎn)煅燒摻雜氧化鋅粉末并隨后以較小的力分離，具體而言是破碎聚集的顆粒5，從而使顆粒5保持其原有的、基本為圓形的形狀。優(yōu)選地，第一級(jí)分的顆粒5具有的直徑范圍為90μm-160μm，尤其是100μm-150μm。
圖3示出第二級(jí)分的不規(guī)則小顆粒6的掃描電子顯微鏡照片。其已通過以下過程來生產(chǎn)煅燒或燒結(jié)壓敏電阻粉末并隨后以強(qiáng)力壓碎或破碎聚集的粒，從而使初始的粒被破碎成為具有不規(guī)則、尤其是尖形形狀的顆粒6。優(yōu)選地，第二級(jí)分的顆粒6具有小于70μm的最大尺度，更優(yōu)選地小于60μm，特別優(yōu)選地小于50μm。
有利的是，第一和第二級(jí)分的顆粒5、6來源于同一煅燒粉末。這允許使用煅燒粉末的不同尺寸級(jí)分從而較為經(jīng)濟(jì)地利用該粉末。原則上可以選擇足夠大的填料含量，以使第一級(jí)分的球形顆粒5可基本上以緊密球堆積的形式排列。在實(shí)際中不需要這樣。球形顆粒5應(yīng)形成填料1’含量的至少50重量％。填料1，含量應(yīng)為非線性電氣材料的20vol％-70vol％?？梢约尤氲谌?jí)分的顆粒來定制該非線性電氣材料的機(jī)械和/或電特性。該顆?？蛇x自碳，納米管，用于聚合物基體40的電工填料，例如氫氧化鋁，高介電常數(shù)材料，例如BaTiO3，和/或晶須、和/或小板和/或纖維。還可以加入其它添加劑如打底劑或偶聯(lián)劑(例如硅烷)和/或穩(wěn)定劑和/或抗氧化劑(例如C35H62O3)。
圖4a示出以前未解決的在壓敏電阻顆粒5、6的表面上生長(zhǎng)有絕緣針狀晶體7的問題，在此示出在球形大顆粒5上。該針狀晶體7(Zn7Sb2O12)為非電傳導(dǎo)性的并且出現(xiàn)在大多數(shù)商用壓敏電阻上。該針狀晶體7可在顆粒5之間生成最小距離d，從而將其相互電隔離。如圖4b所示，本發(fā)明通過提供第二級(jí)分的較小的、不規(guī)則晶體6來解決這個(gè)問題，該晶體6能夠排列在球形大顆粒5之間的空隙位置，從而旁路針狀晶體7。
顆粒6的不規(guī)則性或非球體的所需程度可以用其縱橫比來規(guī)定，縱橫比定義為最大顆粒直徑與最小垂直直徑之比。第二級(jí)分的顆粒6應(yīng)具有足夠縱橫比的不規(guī)則性，以與類似顆粒體積的球形顆粒相比具有更多的接觸區(qū)域56a、56b、66和/或更高的填料1’含量。有利的是，該不規(guī)則性應(yīng)足以旁路位于顆粒表面且隔開相鄰顆粒5、6的絕緣針狀晶體7。典型的或主要存在的縱橫比應(yīng)選擇為大于1.5∶1，更優(yōu)選為大于2∶1，并且特別優(yōu)選為大于2.5∶1。
本發(fā)明還涉及電氣部件，例如電絕緣設(shè)備、電過壓設(shè)備或電場(chǎng)控制設(shè)備。實(shí)例有包含以上公開的非線性電氣材料的套管、浪涌阻止器、可插式浪涌阻止器、用于靜電放電保護(hù)的集成浪涌阻止器、壓敏電阻、電纜、電纜附件、機(jī)器絕緣、變壓器絕緣、支持絕緣體、任何種類的場(chǎng)控制裝置。還要求中或高電壓電氣設(shè)備，尤其是隔離開關(guān)，斷路器，例如立舉式(life tank)斷路器，鐵槽式(dead tank)斷路器或真空斷路器，電源或配電變壓器、電容器、感應(yīng)器、電流或電壓變換器、或電氣機(jī)器，其包含所述電氣部件。
在另一方面，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法。根據(jù)本發(fā)明，用于第二級(jí)分的壓敏電阻顆粒被煅燒或燒結(jié)并隨后壓碎以使該顆粒被破碎成不規(guī)則形狀顆粒6，并且選擇第一級(jí)分的球形顆粒5以具有大于第二級(jí)分的不規(guī)則顆粒6的尺寸，從而使不規(guī)則顆粒6可以填充形成在球形顆粒5之間的空隙40，并且可形成與相鄰顆粒5、6的多個(gè)和/或空間延伸接觸56、56a、56b、66。以下描述一些優(yōu)選生產(chǎn)過程。
顆粒粉末通常通過噴霧干燥包括ZnO和摻雜添加劑的漿料來生產(chǎn)。該生產(chǎn)步驟產(chǎn)生主要為球形的實(shí)心或中空?；蝾w粒。將生粒熱處理以得到具有非線性電氣特性的壓敏電阻微粒。術(shù)語煅燒指熱處理一層松散的粒，其典型地通過形成橋接顆粒的頸(neck)而或多或少地?zé)谝黄稹？蛇x擇地，可在旋轉(zhuǎn)窯爐中煅燒所述粒，其大大減少了成頸。煅燒后的聚集體，尤其是頸，可通過僅使用較小的力來破碎。這保存了粗顆粒5的原有球體形狀。相反，術(shù)語燒結(jié)涉及壓縮和熱處理的完全致密的陶瓷塊。必須將該塊壓碎以得到碎的不規(guī)則顆粒6。該不規(guī)則顆粒6還可通過如下方式從煅燒粉末得到例如用具有比完好顆粒的最小尺度小的狹縫的雙盤磨來饋送球形壓敏電阻微粉顆粒。所得的碎小顆粒6示于圖3。在此情況下，第一和第二顆粒級(jí)分5、6可得自同一煅燒粉末以節(jié)省該粉末。典型地通過篩分來選擇顆粒5、6的優(yōu)選尺寸。
將壓敏電阻微粉混入聚合物基體40中的過程稱作混配(compound)。預(yù)先生產(chǎn)第一和第二粉末級(jí)分5和6。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，通過將第一和第二級(jí)分5和6分別混合到兩組分基體40的兩個(gè)組分中來將其分別預(yù)混。最后，只是在非線性電氣產(chǎn)品制造之前將該兩個(gè)組分組合在一起。該產(chǎn)品的制造包括將非線性電氣材料制成所需幾何形狀的步驟，該形狀可以包括例如以塊狀、管狀、片狀、層狀或表面覆蓋形式的任意設(shè)計(jì)。用來預(yù)混球狀大顆粒5和不規(guī)則小顆粒6的混合過程和混合設(shè)備可以不同。在單組分聚合物基體40的情況下，如果需要的話，在將兩部分混合在一起之前，球狀顆粒5和不規(guī)則顆粒6可以采用不同的方法和設(shè)備來分別混合到聚合物40的兩個(gè)部分中。如果將加入很細(xì)顆粒的第三級(jí)分，如碳黑或納米粉末，則對(duì)預(yù)混具有特別的興趣。對(duì)于這種填料，為了獲得在基體40中的良好分散性，必須使用最優(yōu)化的高剪切混合機(jī)，而對(duì)于較大顆粒，如直徑20-200μm的球體，可以使用簡(jiǎn)單的混合機(jī)，例如雙輥磨。分離的預(yù)混允許對(duì)每種顆粒級(jí)分5、6施加取決于顆粒尺寸和形狀的最優(yōu)混配參數(shù)。最終的復(fù)合物可以通過良好控制的預(yù)混物混合來細(xì)調(diào)。因而，預(yù)混可以簡(jiǎn)化和節(jié)省混合過程并且能夠改善混合后的產(chǎn)品均一性。在另一方法中，混合第一和第二粉末級(jí)分5和6并隨后混配到基體中。球狀顆粒級(jí)分的存在允許僅對(duì)于不規(guī)則形狀填料的更好混合和/或加工性能。
另一可選加工步驟是通過表面處理以導(dǎo)電顆粒來裝飾第一和/或第二級(jí)分顆粒5、6，尤其是通過銀薄片的燒結(jié)或機(jī)械熔融，以提供在顆粒5、6之間的金屬性微接觸，和/或由于表面處理，尤其是通過分別使用金屬鹵化物(例如SnF2)或過氧化物(例如H2O2)而使顆粒5、6具有較高導(dǎo)電性或較高阻抗性。還可以在第二熱處理中，在煅燒之后處理填料顆粒5和6以改善其長(zhǎng)期電穩(wěn)定性。該效應(yīng)與壓敏電阻微粒5和6中的相變有關(guān)。以及，第二級(jí)分的不規(guī)則顆粒6可以通過進(jìn)行進(jìn)一步的專門熱處理來修復(fù)壓碎或破碎期間產(chǎn)生的微裂紋。
壓敏電阻顆粒級(jí)分5、6典型地由在臨界場(chǎng)強(qiáng)度以上表現(xiàn)出非線性電流-電壓行為的摻雜ZnO壓敏電阻粉末制成。然而，并不存在對(duì)顆粒壓敏電阻填料1’和基體40的材料選擇的限制。聚合物基體40的實(shí)例有硅樹脂，乙丙橡膠(EPR)，乙烯-丙烯-二烯單體聚合物(EPDM)，聚氨酯，熱塑性聚合物，如乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，聚乙烯或聚酰胺，熱塑性彈性體(TPE)，硬質(zhì)體，如環(huán)氧樹脂，玻璃，凝膠或液體，如油。兩種顆粒級(jí)分5和6也可以由不同的化學(xué)組成制成(例如，但不限于，具有不同摻雜的ZnO、或摻雜的ZnO和摻雜的SnO2)。
附圖標(biāo)記列表1 球形顆粒，球形填料粉末(現(xiàn)有技術(shù))1’球形和不規(guī)則顆粒，球形和不規(guī)則填料粉末(本發(fā)明)2 大的圓顆粒22 大-大顆粒的點(diǎn)接觸23 大-小顆粒的點(diǎn)接觸3 小的圓顆粒4 空的空間(填充有聚合物)40 聚合物基體5 球形大顆粒，第一粉末級(jí)分56 圓-尖顆粒接觸56a 圓-尖顆粒多點(diǎn)接觸56b 圓-尖顆粒的邊緣或面接觸6 不規(guī)則小顆粒，第二粉末級(jí)分66 尖-尖顆粒的邊緣或面接觸7 顆粒表面上的須晶d 間隔距離
權(quán)利要求
1.一種非線性電氣材料，包括聚合物基體(40)和粉末形式且嵌入基體(40)中的顆粒壓敏電阻填料(1’)，其中所述填料(1’)包括第一級(jí)分的粗顆粒(5)和第二級(jí)分的細(xì)顆粒(6)，其中粗顆粒(5)具有大于細(xì)顆粒(6)的尺寸并且細(xì)顆粒(6)可填充形成在粗顆粒(5)之間的空隙，以及其中第一級(jí)分中的粗顆粒(5)還具有主要為球形的形狀，其特征在于第二級(jí)分中的細(xì)顆粒(6)具有不規(guī)則成形體，其表面包括用來提供細(xì)顆粒(6)與相鄰顆粒(5、6)的非點(diǎn)狀和/或多個(gè)接觸區(qū)域(56、56a、56b、66)的邊緣和/或區(qū)域面。
2.權(quán)利要求1所要求的非線性電氣材料，其特征在于所述接觸區(qū)域(56、56a、56b、66)包括在相鄰顆粒(5、6)之間的多點(diǎn)接觸(56a)和/或至少一個(gè)邊緣接觸(56b、66)和/或至少一個(gè)面接觸(56b、66)。
3.前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所要求的非線性電氣材料，其特征在于a)已將用于第一級(jí)分的顆粒(5)煅燒和隨后分離，具體而言是破碎，從而使得顆粒(5)保持其原有的、主要為球形的形狀，和/或b)已通過以下來生產(chǎn)用于第二級(jí)分的顆粒(6)煅燒或燒結(jié)且隨后粉碎，從而使顆粒(6)具有不規(guī)則的，尤其是尖形形狀，和/或c)通過壓碎壓敏電阻塊來得到第二級(jí)分的顆粒(6)。
4.前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所要求的非線性電氣材料，其特征在于a)第一和第二級(jí)分的顆粒(5、6)來源于同一煅燒粉末，或b)第一和第二級(jí)分的顆粒(5、6)具有不同的化學(xué)組成。
5.前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所要求的非線性電氣材料，其特征在于a)第一級(jí)分的顆粒(5)占填料(1’) 含量的至少50重量％，和/或b)所述填料(1’)含量為所述非線性電氣材料的20vol％-70vol％，和/或c)加入第三級(jí)分的顆粒來定制所述非線性電氣材料的機(jī)械和/或電特性，該顆?？蛇x自碳，納米管，用于聚合物基體(40)的電工填料，如氫氧化鋁，高介電常數(shù)材料，如BaTiO3，和/或晶須、和/或小板和/或纖維，和/或d)所述非線性電氣材料包括打底劑和/或穩(wěn)定劑和/或抗氧化劑。
6.前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所要求的非線性電氣材料，其特征在于a)第一級(jí)分的顆粒(5)具有的直徑范圍為90μm-160μm，尤其是100μm-150μm，和/或b)第二級(jí)分的顆粒(6)具有小于70μm的最大尺度，優(yōu)選地小于60μm，特別優(yōu)選地小于50μm。
7.前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所要求的非線性電氣材料，其特征在于a)第二級(jí)分的顆粒(6)具有足夠縱橫比的不規(guī)則性，以與類似顆粒體積的球形顆粒相比具有更多的接觸區(qū)域(56a、56b、66)和/或更高的填料(1’)含量，和/或b)第二級(jí)分的顆粒(6)具有足夠縱橫比的不規(guī)則性，以便于旁路位于顆粒表面并隔開相鄰顆粒(5、6)的絕緣針狀晶體(7)，并且c)具體而言，所述縱橫比基本上大于1.5∶1，優(yōu)選地大于2∶1，特別優(yōu)選地大于2.5∶1。
8.一種電氣部件，尤其是套管、浪涌阻止器、可插式浪涌阻止器、用于靜電放電保護(hù)的集成浪涌阻止器、壓敏電阻、電纜、電纜附件、機(jī)器絕緣、變壓器絕緣、支持絕緣體或場(chǎng)控制裝置，其特征在于存在根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項(xiàng)的非線性電氣材料。
9.一種中或高壓電氣設(shè)備，尤其是隔離開關(guān)，斷路器，如立舉式斷路器，鐵槽式斷路器或真空斷路器，電源或配電變壓器，電容器，感應(yīng)器，儀表變換器，或電氣機(jī)器，其特征在于存在根據(jù)權(quán)利要求8的電氣部件。
10.一種生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1的非線性電氣材料的方法，所述非線性電氣材料通過將粉末形式的顆粒壓敏電阻填料(1’)嵌入聚合物基體(40)中來形成，其中第一級(jí)分的顆粒(5)被煅燒并隨后被破碎，從而使顆粒(5)保持其原有的，基本為球性的形狀，并且混合不同級(jí)分的顆粒(5、6)，其特征在于a)將用于第二級(jí)分的顆粒煅燒或燒結(jié)并隨后壓碎，從而使所述顆粒被碎成不規(guī)則形狀的顆粒(6)，和b)選擇第一級(jí)分的球形顆粒(5)以具有大于第二級(jí)分的不規(guī)則顆粒(6)的尺寸，從而使不規(guī)則顆粒(6)可填充形成在球形顆粒(5)之間的空隙(40)，并且可形成與相鄰顆粒(5、6)的多個(gè)和/或空間延伸接觸(56、56a、56b、66)。
11.權(quán)利要求10所要求的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，其特征在于a)超過50重量％的填料(1’)選自所述球形顆粒(5)，和/或b)選擇填料(1’)含量，占所述非線性電氣材料的20vol％-70vol％。
12.權(quán)利要求10-11的任何一項(xiàng)所要求的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，其特征在于a)選擇所述球形顆粒(5)，具體而言篩分所述球形顆粒(5)，使其具有的直徑范圍為90μm-160μm，尤其是100μm-150μm，和/或b)選擇所述不規(guī)則顆粒(6)，具體而言篩分所述不規(guī)則顆粒(6)，使其具有小于70μm的最大尺度，優(yōu)選地小于60μm，特別優(yōu)選地小于50μm，和/或用于第一和第二級(jí)分的顆粒(5、6)得自同一煅燒粉末或第一和第二級(jí)分的顆粒(5、6)具有不同的化學(xué)組成，和/或c)第二級(jí)分的顆粒(6)得自壓敏電阻塊。
13.權(quán)利要求10-12的任何一項(xiàng)所要求的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，其特征在于所述球形顆粒(5)和所述不規(guī)則顆粒(6)通過將其分別混合到二組分基體(40)的兩個(gè)組分中或單組分基體(40)的兩個(gè)部分中而分別預(yù)混。
14.權(quán)利要求10-13的任何一項(xiàng)所要求的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，其特征在于第一和/或第二級(jí)分的顆粒(5、6)a)通過表面處理用導(dǎo)電顆粒來裝飾，尤其是通過銀薄片燒結(jié)或機(jī)械熔融，以提供所述顆粒(5、6)之間的金屬性微接觸，和/或b)由于表面處理，尤其是通過分別使用金屬鹵化物或過氧化物而具有較高導(dǎo)電性或較高阻抗性。
15.權(quán)利要求10-14的任何一項(xiàng)所要求的生產(chǎn)非線性電氣材料的方法，其特征在于a)在第二熱處理中，在煅燒之后處理所述填料顆粒(5、6)以改善其長(zhǎng)期電穩(wěn)定性，和/或b)通過進(jìn)一步的熱處理來修復(fù)粉碎期間產(chǎn)生的第二級(jí)分的顆粒(6)的微裂紋。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的微壓敏電阻填料(1’)的非線性電氣材料，涉及包括該非線性電氣材料的裝置和電氣設(shè)備，并且涉及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明，填料(1’)包括較大球形顆粒(5)和較小不規(guī)則顆粒(6)，所述不規(guī)則顆粒(6)排布在空隙中并且由于其包括邊緣和面的不規(guī)則的外部形狀導(dǎo)致提供非點(diǎn)狀和/或多個(gè)接觸區(qū)域(56、56a、56b、66)。其中實(shí)施例方案涉及煅燒和破碎球形顆粒(5)以保持其原有形狀；不規(guī)則的、尖形顆粒(6)通過煅燒或燒結(jié)以及壓碎或破碎粒或塊來得到；以及加入第三級(jí)分顆粒。其中有利的是非線性電氣材料的較高填料含量、越來越耐久的顆粒間的接觸(56、56a、56b、66)、增大的有效微接觸面積、和改進(jìn)的電性能。
文檔編號(hào)H01C7/00GK1681052SQ20051006319
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月6日
發(fā)明者漢斯約爾格·格勒梅斯帕謝, 邁克爾·哈格邁斯特, 彼得拉·克盧格-韋斯, 費(fèi)利克斯·格羅特, 利斯·東澤爾, 雷托·凱斯勒 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司