一种氧化铋包覆氧化锌粉体及其制备方法和应用

本发明属于制备氧化锌材料的，更具体地，涉及一种氧化铋包覆氧化锌粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，氧化锌避雷器(moa)已经成为电力系统中使用最广泛的过电压保护设备。从结构上看氧化锌避雷器相比于阀型避雷器，其内部没有串联间隙，只有氧化锌电阻阀片，该电阻阀片具有优异的非线性伏安特性、通流容量大、无续流、动作时延短和残压低等优点。

2、氧化锌避雷器电阻阀片的制备过程主要由粉体制备与压片烧结两步组成，其中粉体制备过程对氧化锌避雷器电阻阀片的微观结构有重要影响。粉体制备工艺关系到氧化锌避雷器电阻阀片中的晶界尺寸均匀性、添加剂分布均匀性，对氧化锌避雷器电阻阀片的最终电性能有重要影响。因此优化粉体制备工艺对提升氧化锌避雷器电阻阀片的电气性能有重要意义。

3、目前，国内外研究人员高度关注避雷器的粉体制备这一研究方向，围绕着氧化锌避雷器的粉体制备方法展开了大量的实验和研究工作，也提出了多种氧化锌避雷器粉体制备的方法，大力地推动了这一研究领域的发展。

4、例如，传统固相法是将氧化锌和其他添加剂按照配比通过球磨或搅拌磨混合，于粉体存在吸附、团聚等现象，导致机械混合手段无法有效地将粉体分散开，混合均匀。这些实验和研究工作的粉体制备方法虽然都在一定程度上改善添加剂分布均匀性，提高电气性能，但没有深入到微观层面中实现纳米尺度下对添加剂分布的控制，在进一步提升均匀性上存在困难。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氧化铋包覆氧化锌粉体原料制备方法。该方法通过氧化锌悬浊液和硝酸铋溶液进行沉淀反应，结合水热法促进铋化合物初步氧化，通过煅烧获得氧化锌粉体。该制备方法实现了纳米尺度下氧化铋在氧化锌粉体原料中的均匀分布，解决了传统方法下含有氧化铋的添加剂在粉体原料中分布均匀性难以进一步提升的问题，为氧化锌避雷器电阻阀片的电气性能提升提供新的方法和思路。

2、基于本发明的目的，在本发明的第一方面，公开了一种氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)将硝酸铋制备溶液a，将纳米氧化锌分散后制备悬浊液b；将所述溶液a加入到所述悬浊液b中进行混合，控制混合溶液的ph为5-8，形成悬浊液c，洗涤后得到铋化合物包覆氧化锌的粉末；

4、(2)将步骤(1)中得到的所述铋化合物包覆氧化锌的粉末通过水热法对铋化合物进行氧化，烘干收集产物；

5、(3)通过对步骤(2)中的产物煅烧获得氧化铋包覆氧化锌粉体。

6、作为本发明的优选，在所述步骤(1)中，使用10-70％质量分数的浓酸对所述硝酸铋进行溶解；所述浓酸选自盐酸、硝酸、硫酸、溴酸，优选65％的浓硝酸。

7、作为本发明的优选，在所述步骤(1)中，将所述溶液a与碱性溶液交替加入至所述悬浊液b中，用于控制混合过程的ph为5-8。

8、作为本发明的优选，在所述步骤(2)中，所述水热法包括：将所述铋化合物包覆氧化锌的粉末制备成悬浊液d，调节悬浊液d的ph为9-11.5；将悬浊液d在100℃-140℃的条件下加热3-12h。

9、作为本发明的优选，在所述步骤(3)中，所述煅烧的升温速率为2-5℃/min，温度为415-450℃，煅烧时间为1.5-3h。

10、作为本发明的优选，所述纳米氧化锌的粒径尺寸范围为80-100nm。

11、作为本发明的优选，所述纳米氧化锌与所述硝酸铋的质量比为1:0.06-1.2，优选1:0.18-0.42。

12、作为本发明的优选，所述氧化铋包覆氧化锌粉体为核壳结构，所述氧化锌晶粒表面形成有氧化铋相；其中氧化铋包覆氧化锌的晶粒尺寸范围为80-120nm。

13、在本发明的第二方面，公开了通过第一方面的方法得到的氧化铋包覆氧化锌粉体。

14、在本发明的第三方面，公开了一种氧化铋包覆氧化锌粉体的应用，所述氧化铋包覆氧化锌粉体作为氧化锌压敏电阻粉体，应用于制备氧化锌避雷器电阻阀片。

15、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

16、本发明公开的氧化锌粉体的制备方法，通过沉淀法使得铋化合物包覆的氧化锌纳米颗粒，实现了纳米尺度下的铋化合物包覆；通过对水热法铋化合物进行初步氧化转化为氧化铋与碳酸氧铋等化合物；最后使用煅烧将碳酸氧铋等完全转化为氧化铋，最终实现氧化铋的包覆。通过该方法获得了氧化铋包覆的氧化锌纳米颗粒，实现了纳米尺度下氧化铋在氧化锌粉体原料中的均匀分布，解决了传统方法下含有氧化铋的添加剂在粉体原料中分布均匀性难以进一步提升的问题，为氧化锌避雷器电阻阀片的电气性能提升提供新的方法和思路。

17、在本发明中，将含铋元素的盐溶解为溶液a，尤其是可以使用65％的浓硝酸对铋盐先进行处理，以溶解其中的盐，减少其他离子杂质，使得铋化合物包覆氧化锌的杂质更少，进一步保证氧化铋包覆氧化锌粉体的纯度。

18、在本发明中，将溶液a加入至悬浮液中，尤其是通过碱性溶液与溶液a的交替加入，控制反应体系的酸碱性保持在ph在5-8之间，促进了沉淀反应的充分性，使得铋化合物包覆氧化锌的产物尺寸更加均匀，实现了纳米级别的均匀分布。

19、在本发明中通过沉淀法形成的铋化合物包覆氧化锌核壳结构，铋化合物在氧化锌晶粒表面均匀分布。铋化合物包覆氧化锌核壳结构的氧化锌粉体原料有利于烧结时离子快速扩散到晶粒表面及形成富铋相，晶粒性能更稳定，晶界中杂质离子减少。

20、在本发明中，在沉淀过程后使用水热反应与煅烧结合的手段，使氧化铋在氧化锌晶粒表面生长更加完整。尤其是在煅烧之前使用水热反应对铋化合物包覆的氧化锌纳米颗粒进行初步氧化，能够减少煅烧中副反应的产生，尤其是减少使用煅烧时副反应产生的气体在颗粒表面形成气孔，使得铋化合物氧化包覆的氧化锌纳米颗粒更加均匀，利于氧化铋在氧化锌晶粒表面的生长。

21、进一步的，本发明基于上述沉淀法和水热法后，所提供的煅烧的升温速率为2-5℃/min，温度为415-450℃，煅烧时间为1.5-3h，有利于氧化铋包覆纳米氧化锌的制备。其中通过控制升温度速率来调整适宜的提纯速度与氧化铋的生长速度，改善包覆效果；通过温度控制确保足够发生提纯反应；控制煅烧时间下限保证反应充分，控制上限减少对表面的破坏程度。

22、与传统物理混合方法相比，通过本方法制备的氧化锌粉体原料纳米颗粒具有氧化铋包覆纳米氧化锌的核壳结构，实现了分子层面氧化铋组分在氧化锌种的均匀分布。

23、本发明制备的氧化锌粉体，作为原料可以代替传统氧化锌压敏电阻配方中的氧化锌与氧化铋添加剂，改善了氧化锌避雷器电阻阀片在氧化铋添加剂的分布均匀性，在一定程度上解决了电气性能上存在瓶颈的情况。

技术特征：

1.一种氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，使用10-70％质量分数的浓酸对所述硝酸铋进行溶解；所述浓酸选自盐酸、硝酸、硫酸、溴酸，优选65％的浓硝酸。

3.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，将所述溶液a与碱性溶液交替加入至所述悬浊液b中，用于控制混合过程的ph为5-8。

4.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述水热法包括：将所述铋化合物包覆氧化锌的粉末制备成悬浊液d，调节悬浊液d的ph为9-11.5；将悬浊液d在100℃-140℃的条件下加热3-12h。

5.根据权利要求1-4任一项所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述煅烧的升温速率为2-5℃/min，温度为415-450℃，煅烧时间为1.5-3h。

6.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化锌的粒径尺寸范围为80-100nm。

7.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化锌与所述硝酸铋的质量比为1:0.06-1.2，优选1:0.18-0.42。

8.根据权利要求1所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，其特征在于，所述氧化铋包覆氧化锌粉体为核壳结构，所述氧化锌晶粒表面形成有氧化铋相；其中氧化铋包覆氧化锌的晶粒尺寸范围为80-120nm。

9.如权利要求1-8任一项所述的氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法得到的氧化铋包覆氧化锌粉体。

10.如权利要求9所述氧化铋包覆氧化锌粉体的应用，其特征在于，所述氧化铋包覆氧化锌粉体作为氧化锌压敏电阻粉体，应用于制备氧化锌避雷器电阻阀片。

技术总结
一种氧化铋包覆氧化锌粉体的制备方法，属于制备氧化锌材料的技术领域。该方法包括如下步骤：(1)将硝酸铋制备溶液A，将纳米氧化锌分散后制备悬浊液B；将所述溶液A加入到所述悬浊液B中进行混合，控制混合溶液的pH为5‑8，形成悬浊液C，洗涤后得到铋化合物包覆氧化锌的粉末；(2)将步骤(1)中得到的所述铋化合物包覆氧化锌的粉末通过水热法对铋化合物进行氧化，烘干收集产物；(3)通过对步骤(2)中的产物煅烧获得氧化铋包覆氧化锌粉体。基于本发明的方法制备的氧化铋包覆的氧化锌纳米颗粒，实现了纳米尺度下氧化铋在氧化锌粉体原料中的均匀分布，为氧化锌避雷器电阻阀片的电气性能提升提供新的方法和思路。

技术研发人员：周本正,宋丽,何俊佳
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15