專利名稱：具有非線性電流-電壓特性的組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有非線性電流-電壓特性的組合物及其制成的制品。
背景技術(shù)：
根據(jù)流過裝置的電流或者裝置上的電壓，變阻器(B卩，壓敏電阻)顯示出不同的阻抗。變阻器材料的性質(zhì)使得它們有利于用作電應(yīng)力控制裝置和電涌放電器，即電涌保護(hù)裝置等。例如，在端接或連接屏蔽電纜時(shí)，電應(yīng)力控制裝置用來容納并管理電應(yīng)力。絕緣屏蔽從電纜中移除后，電場(chǎng)會(huì)集中在中斷點(diǎn)處，導(dǎo)致電應(yīng)力較高。接線端或連接電纜的此類應(yīng)用需要電應(yīng)力控制。電涌保護(hù)裝置防御由電磁效應(yīng)生成的電涌，例如，由多種效應(yīng)造成的閃電或靜電放電。因此，電涌保護(hù)可以應(yīng)用在電源輸入處，以便應(yīng)對(duì)操作設(shè)備外部的市電電源上的干擾或者內(nèi)部生成的過電壓。電涌保護(hù)器可以通過濾波來減弱瞬變現(xiàn)象，或者轉(zhuǎn)移瞬變現(xiàn)象，以防止損壞負(fù)載。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供一種組合物，所述組合物包括:聚合物材料；以及煅燒的鈦酸鈣銅填充材料；其中所述組合物具有可逆的非線性電流-電壓特性。所述組合物可制成適用于電應(yīng)力控制裝置和電涌放電器裝置的材料。
`
本發(fā)明的另一方面提供一種方法，所述方法包括:提供已在約1100°C或更高溫度下煅燒的鈦酸鈣銅粒子，將所述粒子與聚合物材料相結(jié)合以形成組合物，以及將所述組合物形成為制品。本發(fā)明中所用的“可逆的非線性電流-電壓特性”是指在低于不可逆的擊穿場(chǎng)(breakdown field)的電場(chǎng)中，組合物的電流-電壓(1-V)行為。電流-電壓行為有時(shí)也稱為傳導(dǎo)性與電場(chǎng)行為。本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，提供了一種具有較高介電常數(shù)和非線性電流電壓特性的聚合物組合物和材料。本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，變阻器組合物的非線性系數(shù)較高，與當(dāng)前已知的變阻器組合物相比，這允許它們?cè)谡枚嗟碾妷悍秶鷥?nèi)傳遞大量變化的電流。本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，所述變阻器組合物具有折射(較高介電常數(shù))和電阻(較高的非線性IV特性)兩種電場(chǎng)應(yīng)力控制。本發(fā)明的上述發(fā)明內(nèi)容并不意圖描述本發(fā)明的每個(gè)公開的實(shí)施例或每種實(shí)施方式。以下附圖和具體實(shí)施方式
更具體地舉例說明了示例性實(shí)施例。


圖1示出了第一比較材料的線性電流-電壓特性。圖2示出了第二比較材料的線性電流-電壓特性。圖3示出了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的非線性電流-電壓特性。圖4示出了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的可逆的非線性電流-電壓特性。圖5示出了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的可逆的非線性電流-電壓特性。圖6a示出了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例在約50°C到約200°C的溫度范圍內(nèi)的介電常數(shù)。圖6b示出了本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例在約50°C到約200°C的溫度范圍內(nèi)的損耗角正切。
具體實(shí)施例方式在以下說明中，參考形成本說明的一部分的附圖，并且其中以圖示方式示出了若干具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可以設(shè)想出其他實(shí)施例并進(jìn)行實(shí)施。因此，以下的具體實(shí)施方式
不具有限制性意義。除非另外指明，否則本說明書和權(quán)利要求中使用的表示特征尺寸、數(shù)量和物理特性的所有數(shù)字均應(yīng)該理解為在所有情況下均是由術(shù)語“約”來修飾的。因此，除非有相反的說明，否則上述說明書和所附權(quán)利要求書中列出的數(shù)值參數(shù)均是近似值，根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員利用本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的所需特性，這些近似值可以變化。通過端值表示的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)的所有數(shù)字(如，I到5包括1、1.5、2、2.75,3,3.80、4和5)以及該范圍內(nèi)的任何范圍。在某些方面，本發(fā)明涉及電應(yīng)力控制，具體地講，涉及一種用于實(shí)現(xiàn)電應(yīng)力控制的物質(zhì)組合物。所述組合物可用于電力電纜的`接線端和連接器。在其他方面，本發(fā)明涉及電涌阻止，具體地講，涉及一種用于實(shí)現(xiàn)電涌阻止的物質(zhì)組合物。包括電纜在內(nèi)的電氣設(shè)備以約IOkV和以上的中壓或高壓操作，會(huì)受到一定的電應(yīng)力，而這些電應(yīng)力可能無法由基本上僅電絕緣的材料加以充分控制。已知，應(yīng)力控制材料尤其適用于此類應(yīng)用。此類材料可分類成“線性”或“非線性”。線性應(yīng)力控制材料遵循歐姆定律(Ohm’s law):I=kV其中I=電流V=電壓，以及k為常數(shù)。非線性材料遵循以下方程式的一般形式:I=kVY其中Y (伽馬)為大于I的常數(shù)，它的值根據(jù)材料而定。發(fā)明人不僅發(fā)現(xiàn)，采用壓盤形式的本發(fā)明的CCT粒子呈現(xiàn)出固有的非線性1-V特性，本文中也稱為“變阻器效果”，而且還發(fā)現(xiàn)，將這些CCT粒子添加到聚合物基質(zhì)中會(huì)使所得組合物具有非線性電流-電壓(1-V)特性。因此，對(duì)于本發(fā)明的組合物，電流可以改變幾個(gè)量級(jí)，但電壓變化較小。在本發(fā)明之前，人們并不知道添加具有非線性1-V特性的CCT粒子是否會(huì)使混合有這些粒子的聚合物基質(zhì)具有這種類似的特性。
本發(fā)明的整體組合物的非線性系數(shù)優(yōu)選大于約100，更優(yōu)選大于約150，且最優(yōu)選大于約200。當(dāng)前已知的變阻器材料，例如，摻雜的ZnO和SiC的非線性系數(shù)為約20到90，這些材料在用來制作組合物時(shí)，將形成非線性系數(shù)為約10到約15的組合物。本發(fā)明的組合物的非線性系數(shù)更高，與含有當(dāng)前已知的變阻器材料的組合物相比，這允許它在窄得多的電壓范圍內(nèi)傳遞大量變化的電流。在此所用的煅燒是指在重力下進(jìn)行高溫加熱，但不進(jìn)行任何壓縮。需要很小的力便可將所得材料弄碎，例如，輕輕研磨即可弄碎。這樣會(huì)將不規(guī)則形狀的粒子而非一般的球形平滑粒子的百分比降至最小，制造商最初供應(yīng)的CCT粉末的常見形狀便是一般的球形。煅燒與燒結(jié)的區(qū)別之處在于，燒結(jié)通常包括加熱，其中任選地施加壓力，隨后進(jìn)行淬火，而且通常導(dǎo)致粒子融合成材料塊。已經(jīng)表明，在空氣中煅燒并燒結(jié)或者僅僅燒結(jié)CCT粒子可形成具有非線性電流-電壓性質(zhì)的致密球粒，但并不知道的是，可通過單獨(dú)煅燒來使CCT粒子具有非線性IV性質(zhì)，如本發(fā)明人所完成的那樣。要在約1100°C或更高溫度下對(duì)本發(fā)明的CCT粒狀填料進(jìn)行煅燒。該粉末優(yōu)選在煅燒溫度下維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以確保所有粒子的電氣性質(zhì)一致。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在1000°c或更低的溫度下進(jìn)行煅燒并不會(huì)使CCT填 料產(chǎn)生所需的非線性電流-電壓特性。據(jù)信，煅燒過程導(dǎo)致各個(gè)粒子有效呈現(xiàn)出“變阻器效果”。這意味著，相對(duì)于D.C.電阻抗特性(施加給粒子的D.C.電壓與流過粒子的所得電流之間的關(guān)系)的變化而言，粒子是非線性的，但所述粒子的行為也發(fā)生過渡，因?yàn)殡妷号c電流曲線圖示出了線性行為與非線性行為之間的過渡。本發(fā)明的CCT優(yōu)選無摻雜。已表明，通過煅燒摻雜的氧化鋅可得到非線性電流-電壓性質(zhì)，但并不知道的是，無摻雜的CCT粒子可通過煅燒而獲得非線性IV性質(zhì)。氧化鋅等其他變阻器材料必須用Bi203、Cr203、Sb203、C0203以及MnO3等材料進(jìn)行摻雜以實(shí)現(xiàn)變阻器效果，這與本發(fā)明的CCT不同，所述CCT無需進(jìn)行任何摻雜便可實(shí)現(xiàn)變阻器效果。本發(fā)明的CCT可采用η型和P型摻雜，而且將仍保留非線性1-V特性。CCT粉末包括介于約25vol%與約45vol%之間的所得材料。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選的量為約30vol%。聚合物基質(zhì)可以包括:彈性材料，例如，氨基甲酸酯、硅樹脂或EPDM ;熱塑性聚合物，例如，聚乙烯或聚丙烯；粘接劑，例如，基于乙烯-乙酸乙酯或氨基甲酸酯的那些粘接劑；熱塑性彈性體；凝膠；熱固性材料，例如，環(huán)氧樹脂；或者此類材料的組合，包括共聚物，例如，聚異丁烯和無定形聚丙烯的組合。整體組合物還可以包括其他熟知的用于這些材料的添加劑，以便(例如)提高它們的加工性能和/或?qū)μ囟☉?yīng)用的適用性。在后一方面，例如，可能需要用作電纜附件的材料，以承受戶外環(huán)境條件。因此，合適的添加劑可包括加工助劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑以及增塑劑，例如油。整體組合物的介電常數(shù)優(yōu)選在約10到約40的范圍內(nèi)，優(yōu)選為約25。在20°C到200°C的溫度范圍和IkHz的頻率下，介電常數(shù)的差別優(yōu)選不超過15%。在IkHz的頻率下，整體組合物的損耗角正切優(yōu)選為約0.02或更小，更優(yōu)選為約
0.0168或更小。組合物可形成為應(yīng)力控制層，例如，可應(yīng)用在設(shè)備周圍的條帶或管。所述層還可作為共擠壓件的一部分，例如，作為內(nèi)層。層厚度可根據(jù)需要而變，例如，取決于電場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供電氣設(shè)備，例如，用于電力電纜的連接器或接線端，所述電氣設(shè)備包括材料層，所述材料層包括本發(fā)明的組合物，這種材料用作應(yīng)力控制材料。由于具有可逆的非線性電流-電壓特性，因此本發(fā)明的組合物和材料尤其適用于電應(yīng)力控制應(yīng)用。例如，這在圖5中進(jìn)行圖解，圖5示出了電壓增加(A)和減少(B)時(shí)電場(chǎng)中的電流-電壓曲線形狀。本發(fā)明的組合物可多次暴露于增加和減少的電壓，而且每次將表現(xiàn)出類似(但不必相同)的行為，只要電壓不超出組合物或材料的不可逆的擊穿場(chǎng)即可。當(dāng)本發(fā)明的組合物用于接線端時(shí)，接線端可以制作得比常規(guī)接線端短，但性能水平仍相同?；蛘?，它們可制作成與常規(guī)接線端一樣長(zhǎng)，但性能水平更高。當(dāng)本發(fā)明的組合物用于接頭時(shí)，接頭可以制作得比常規(guī)接頭薄，但性能水平仍相同?；蛘?，它們可制作成與常規(guī)接頭一樣厚，但性能水平更高。由于具有可逆的非線性電流-電壓特性，因此本發(fā)明的組合物和材料還尤其適用于穩(wěn)壓器應(yīng)用，例如，電涌放電器。電涌放電器是廣泛用于電力線的過電壓保護(hù)系統(tǒng)。由于本發(fā)明的組合物和材料的非線性1-V曲線比通常使用的變阻器(例如，摻雜的ZnO、SiC等)陡得多，因此，它們可在更窄的電壓范圍內(nèi)傳遞大量變化的電流。本發(fā)明的組合物和材料可對(duì)作用在其上的電壓進(jìn)行限制，因而保護(hù)并聯(lián)連接的設(shè)備免受電力電涌或超高電壓應(yīng)力，從而充當(dāng)電涌放電器。SM以下實(shí)例和比較實(shí)例有助于理解本發(fā)明，且這些實(shí)例和比較實(shí)例不應(yīng)被理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。除非另外指明，否則所有的份數(shù)和百分比均按體積計(jì)。使用下述測(cè)試方法和方案來評(píng)估以下示例性實(shí)例和比較實(shí)例:材料列表
權(quán)利要求
1.一種組合物，其包括: 聚合物材料；以及 煅燒的鈦酸鈣銅填充材料； 其中所述組合物具有可逆的非線性電流-電壓特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述煅燒的鈦酸鈣銅填充材料并未燒結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述煅燒的鈦酸鈣銅填充材料并無摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其具有介于約10與約40之間的介電常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述組合物包括約25vol%與約45vol%之間的填充材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中鈦酸鈣銅填料在約1100°C下進(jìn)行煅燒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中在約20°C到約200°C的溫度范圍內(nèi)，在IkHz的頻率下，所述介電常數(shù)的差別小于15%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其在IkHz的頻率且室溫下，具有約0.02或更小的損耗角正切。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其具有大于約100的非線性系數(shù)(α)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述聚合物材料選自硅樹脂、環(huán)氧樹脂、EPDM、氨基甲酸酯，以及它們 的組合。
11.一種制品，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制品，其中所述制品為電涌放電器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制品，其中所述制品為電應(yīng)力控制制品。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制品，其具有介于約10與約40之間的介電常數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制品，其中所述制品的介電常數(shù)值為約25。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制品，其中所述制品為高壓電纜接頭。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制品，其中所述制品為高壓接線端。
18.—種方法,其包括: 提供已在約1100°C或更高溫度下煅燒的鈦酸鈣銅粒子， 將所述粒子與聚合物材料相結(jié)合以形成組合物，以及將所述組合物形成為制品。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述制品為電涌放電器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述制品為電應(yīng)力控制制品。
全文摘要
本發(fā)明提供一種組合物和材料，所述組合物和材料具有變阻器性質(zhì)，而且適用于電應(yīng)力控制裝置和電涌放電器裝置。所述組合物和材料包括聚合物材料和煅燒的鈦酸鈣銅填充材料，而且具有可逆的非線性電流-電壓特性。
文檔編號(hào)C08L101/12GK103080237SQ201180041206
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者迪潘克爾·高希, 肯頓·D·布德, 納納亞克拉·L·D·索馬希里, 蔣鴿, 布雷德利·L·吉沃特 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司