包含BN/TiB₂复相陶瓷材料的触头材料、触头材料的用途及含有该触头材料的断路器的制作方法

专利名称：包含BN/TiB₂复相陶瓷材料的触头材料、触头材料的用途及含有该触头材料的断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的触头材料以及该触头材料制成的触头，其中所述触头材料包含BN/TiB2复相陶瓷。本发明还涉及包含BN/TiB2的陶瓷在断路器中作为触头的用途，特别是作为触头中的电阻的用途，并且涉及一种断路器，该断路器包含使用该陶瓷作为触头材料的触头。
背景技术：
断路器是电力系统中控制和保护用的电工设备。为了在高电压如24kV的条件下分断大电流如20kA，需要设计出具有特殊环境的特殊装置，例如中压断路器(如M24+或·FP61)或高压断路器。在断路器中，电流断开主要是通过机械系统及其周围的特殊环境来实现的。机械系统以足够的速度使断路器触头相向移动足够的距离从而切断电流。周围特殊环境用于改善并确保触头之间的分离。断路器根据灭弧环境的不同，主要分成五种类型I. SF6断路器作为最常见的断路器类型，其中使用SF6作为灭弧环境，并且通过机械系统切断电流。该开关断路器可以制造成非常小型，并且使用也非常经济(例如，对于24kV的电压而言，尺寸小于375mm)。但是，SF6作为温室气体，已经被限用，今后将逐步被替换。2.空气断路器这是另一种常见类型的断路器，使用空气作为电流切断环境。其缺点在于尺寸太大，例如开关通常大于600mm (对于24kV)。3.真空断路器使用真空作为灭弧环境。然而，这种类型的成本较高(例如比SF6断路器的成本高30% )。4.使用其他特殊气体如N2或CO2作为电流切断环境的断路器。这样可以减少SF6的用量，从而减少温室效应。但是这种技术目前还不成熟，几乎没有实际应用。此外，使用这种技术不可能分断大电流，如空载电流(default current)。5.油断路器在早期的应用中油被广泛地用作电流切断环境。但是目前已经很少使用这种技术，因为危险性太高。随着科技发展以及对环境问题的日益重视等原因，对断路器的需求也日益更新并更严格，例如希望断路器中不含对环境有害的SF6以及具有高功率因素等。尽管目前为止已经针对分断本身进行了大量的开发和研究工作，但是很少有研究涉及使用电阻用于断路器的触头中来降低分断前的电流，而且也没有任何研究涉及用作这种电阻性的合适的触头材料，并且目前更没有相应的(工业)应用。对于这种解决方案中的用于断路器中的触头的电阻材料，甚至没有相关的研究。仅仅在类似的应用中，有人提出了使用粘土陶瓷材料作为电阻用于吸收由短时电流冲击带来的大量能量。相关专利可以参见CN 2802666( “板形陶碳无感电阻器”)。然而这种陶瓷由于吸热性差在使用时受到很大限制。因此，现有技术中仍没有发现可行的用于分断断路器室内部高电流的材料的解决方案。此外，在断路器中，为了降低大电流并灭弧，通常会使用水、水泥或粘土陶瓷(如粘土 /炭黑陶瓷)，但是这些材料存在以下诸多不足I.这些方案并不关注开关本身，而只是设计开关断路器外部的电阻器。2.这些材料的使用极大地增加了外部电阻器的体积。3.这些材料不能承受非常高的温度，或者其电阻率随着温度的变化会发生剧烈变化，例如，上述的粘土陶瓷的短时工作温度不能超过250°C，长期工作温度不能超过200°C。4.长期工作会引起这些材料的氧化问题，并且对电阻率带来不可逆的负面影响，例如电阻率的变化，而这在开关和断路器中都是不能接受的。因此，为了满足目前对环境保护的要求并解决上述问题，迫切需要一种新的电阻材料，其能够在断路器内部用作触头电阻，以及由此得到一种断路器。·

发明内容
本发明的一个方面提供一种用于断路器中的触头材料，其中所述触头材料包含BN/TiB2复相陶瓷。在一个实施方案中，所述复相陶瓷材料中还含有选自下列的一种或多种A1N、Si3N4, Ca, Co, Ni, Cr, W Nb。所述复相陶瓷材料在断路器中可以用作电阻性材料。在该BN/TiB2复相陶瓷材料中，BN和TiB2含量之和可以为整个陶瓷的至少90重量％以上，优选至少95重量％以上，更优选至少98重量％以上。在另一实施方案中，在BN/TiB2复相陶瓷材料中，以BN和TiB2的含量计，TiB2为40 55重量％，BN为45 60重量％。优选TiB2为49 50重量％，BN为50 51重量％，以BN和TiB2的含量计。在又一实施方案中，上述陶瓷的热膨胀系数可以为5X 10_6/K 8Χ 10_6/Κ。在另一实施方案中，该所述陶瓷的热导率为40 150W/(m · K)，优选50 120W/(m · K)，所述热导率在20°C下测得。本发明的第二方面提供了一种用于断路器中的触头，该触头包括如上所述的触头材料，例如作为电阻性部分，以及任选的导电部分。本发明的第三方面提供了包含BN/TiB2的复相陶瓷材料在断路器中作为触头的用途。在该用途的一个实施方案中，所述陶瓷在断路器的触头中用作电阻性部分。在一个实施方案中，所述BN/TiB2复相陶瓷材料中BN和TiB2含量之和为整个陶瓷的至少90重量％以上,优选至少95重量％以上,更优选至少98重量％以上。进一步地，在一个实施方案中，在BN/TiB2复相陶瓷材料中，TiB2S 40 55重量％，BN为45 60重量％ ;优选TiB2为49 50重量％，BN为50 51重量％，均以BN和TiB2的含量计。在又一实施方案中，该陶瓷的热膨胀系数为5X 10_6/K 8Χ 10_6/Κ。在再一实施方案中，所述陶瓷的热导率为40 150W/(m*K)，优选50 120W/(m · K)，所述热导率在20°C下测得。在该用途的再一实施方案中，该陶瓷中还含有选自下列的一种或多种AlN、Si3N4、Ca、Co、Ni、Cr、W 和 Nb。本发明的第四方面提供了一种断路器，该断路器包括可分触头，其中所述可分触头包括如上所述的触头材料作为电阻部分。在该断路器的一个实施方案中，所述断路器还包括导电回路、灭弧装置、任选的操作机构。在该断路器的一个实施方案中，该可分触头中还包括导电部分。在该断路器的另一实施方案中，该可分触头为静触头或动触头。



图I :大电流冲击实验的试验装置照片；图2 :本发明中使用的BN/TiB2复相陶瓷制成的触头电阻在大电流冲击实验之前和之后的显微照片。
具体实施例方式本发明出人意料地发现了 BN/TiB2复相陶瓷在作为触头材料用于断路器的触头时，可以满足在本文开头时提出的需求。本发明的第一方面提供了一种在断路器中使用的触头材料，其中所述触头材料包含BN/TiB2复相陶瓷。在本发明中使用的“包含BN/TiB2的陶瓷”以及“BN/TiB2复相陶瓷”等术语同义使用，是指由BN、TiB2作为主要成分，优选高于90%重量的结而成的陶瓷，该陶瓷中还可以含有其他调节功能的少量成分或杂质。作为最终陶瓷中主要成分的BN和TiB2，其含量之和优选整个陶瓷的至少90重量％以上，优选在至少95重量％以上，更优选在98重量％以上，例如99重量％。在本文中，如未有特别说明，“ ％ ”均指重量比。此外，可以加入AlN作为陶瓷中的第三成分，由此能够改进陶瓷的机械性能。但是AlN的总重量含量不应超过6 %,优选不超过5 %,例如不超过4重量%、不超过3重量%、不超过2重量％或小于I重量％。此时可以获得更好的机械性能(“TiB2-AlN复相陶瓷的制备与性能研究”，王斌，硕士学位论文，武汉理工大学)。为了满足对烧结品质和氧化性能等性能进一步需要，在满足上述对主要成分含量要求的前提下，还在制备过程中向一些陶瓷中加入适量的Si3N4、Co、Ca、Ni、Cr、W和/或Nb。在一个优选实施方案中，该触头材料除使用BN/TiB2复相陶瓷成分之外，还任选地含有其它成分，例如选自下列的一种或多种成分A1N、Si3N4, Co、Ca、Ni、Cr、W和Nb。优选地，该陶瓷材料含有A1N，由此能够增强BN/TiB2复相陶瓷的烧结性能。向陶瓷材料中加入Si3N4也能够提高该陶瓷的抗腐蚀性能。申请人:还发现，在制备过程中向BN/TiB2陶瓷中加入Si3N4或A1N，还可以改进该复相陶瓷的抗氧化性。此外，如本领域技术人员所公知的，添加Co、Ca、Ni、Cr、W、Nb等金属元素可以提高陶瓷的烧结性能。优选，添加的金属不应超过6%重量，否则太多的金属成分会产生相分离问题，并且会影响陶瓷的稳定性。所述BN/TiB2复相陶瓷用于断路器中作为触头材料使用，特别是用作触头中的电阻部分。对于断路器中用作电阻部分的触头材料，要求当有大电流通过该断路器时，该大电流会在短时间内快速下降至期望的电流范围内，从而防止电弧产生。申请人:已经发现，TiB2/BN复相陶瓷可以通过控制调节其中含有的TiB2和BN的重量比(或体积比)，从而控制该BN/TiB2复相陶瓷得到具有所需电阻(率)，由此能够得到具有所需范围的电阻(率)，从而适合用作触头材料，特别是用于断路器中。具体地，TiB2与BN形成的复相陶瓷的电阻(率)随着TiB2(相)含量的变化存在一个临界值范围。在该临界值附近，复相陶瓷的电阻(率)发生显著变化。随着TiB2含量的增加高于该临界值，复相陶瓷的电阻(率)明显降低。本申请的发明人特别地利用了这一特性，通过调节TiB2和BN比例(重量或体积)，控制该复相陶瓷的电阻(率)在所需的范围内，同时保持该复相陶瓷好的热导性。作为本发明触头材料的陶瓷材料的电阻率可根据复相陶瓷内具体成分的变化，在几个毫欧姆厘米至数百欧姆厘米的范围内变化，而获得所需的电阻率。此外，本发明触头材料的电阻(率)还会受到原料纯度、预处理工艺、烧结工艺以及颗粒大小等方面的影响，但是本领域普通技术人员根据现有技术会理解如此能够得到具有所需电阻(率)和热 导性范围的复相陶瓷材料。电阻率是用来表示电阻特性的物理量。在本文中，电阻(率)表示电阻和/或电阻率。在描述具有相同形状和尺寸的电阻性元件时，电阻与电阻率相对应。对应于不同的断路器设计，通常对触头材料的电阻率的要求也相应地不同。在本领域中，可以根据所需的电阻大小和断路器设计等具体需要，使用本领域技术人员公知的手段将陶瓷材料制成各种尺寸和形状，具有所需的电阻率。例如，对于插入式断路器，要求复相陶瓷材料的电阻率通常在Im Ω ^cm 500 Ω · cm的范围,优选5m Ω ·cm至200 Ω *cm,其中更优选IOm Ω ^cm 150 Ω ^cm,例如50m Ω · cm 100 Ω · cm,再优选250m Ω · cm 150 Ω .cm0例如针对中压或高压断路器，如在10，OOOV至50，OOOV的电压下使用的断路器中，希望该复相陶瓷的电阻在1-100 Ω范围内，优选在10-80 Ω，更优选在10-50 Ω范围内。当该BN/TiB2复相陶瓷的电阻低于所述范围时，起不到电阻材料所应具有的作用；而当电阻高于所需范围时，则通常会出现“硬断路”，对断路器自身产生不利影响。通常，触头(材料)电阻范围的选择，根据断路器的具体应用范围能够由本领域普通技术人员确定。由此，该BN/TiB2复相陶瓷材料能够用在断路器中，作为触头的一部分，起电阻的作用，在意外的大电流通过时，短时、快速地降低电流，耐受此时的热冲击。同时，希望该触头在断路后，可以再次合闭断路器，多次循环使用。为了满足上述迅速降低电流的要求，该复相陶瓷材料要求具有大的电阻。作为电阻使用的该复相陶瓷的电阻率可以设定为ImΩ · cm至500 Ω · cm,更优选ImΩ · cm至300 Ω · cm, 5m Ω · cm 至 200 Ω · cm,优选 300m Ω · cm 至 150 Ω · cm,再优选 400m Ω · cm 至100 Ω · cm,例如 400m Ω · cm 至 80 Ω · cm。该复相陶瓷材料是耐热的，能够承受断路器断路时高达1800°C的高温。该复相陶瓷材料在该温度能够快速地降低温度，再次使用时，仍具有高的耐热承受能力，和稳定的化学电学性质。优选地，要求用于本发明的复相陶瓷在受到热冲击时不因尺寸变化过快而发生爆裂，如果发生变形，希望尺寸变化很小，不会由于材料变形影响到与其邻近的断路器其他元件的接触，还能保持整个断路器电路的完整性、可工作性。为此目的，本发明的复相陶瓷材料需要具有一定的热膨胀性。例如，本发明中使用的BN/TiB2复相陶瓷的热膨胀系数在5X 10_6/κ 8X 1(Γ6/Κ(该数值是在20。。 1600°C下测定)。此外，作为断路器(包括触头)，在工作时会有大电流流过，这会导致断路器(包括触头)的温度在短时间内迅速上升。为了防止材料的局部温度上升过快产生任何不利影响，希望作为触头使用的复相陶瓷材料需要具有合适的热导率。优选，本发明中使用的BN/TiB2复相陶瓷的热导率可以为40 150W/ (m*K) (20°C )，优选50 120W/ (m · K) (20°C )。或者，本发明中使用的BN/TiB2复相陶瓷的热导率可以为30至50W/(m · K) (1200°C )。用于断路器中的触头除使用复相陶瓷触头材料外，还包括导电部分。导电部分可以为例如金属连接部分，均压金属套筒，绝缘保护。另一方面，本发明提供了包含BN/TiB2的陶瓷在断路器中作为触头的用途。优选地，该包含BN/TiB2的陶瓷在断路器中用作触头中的电阻部分。
在一个优选的实施方案中，所述包含BN/TiB2的复相陶瓷用作断路电阻。在用作断路电阻时，本发明的陶瓷可以根据需要将分断电流降低到例如低于I. 5kA，优选降低到低于I. OkA，更优选降低到低于O. 7kA，特别是在在电压为IOkV至50kV时，如在电压为IOkV至50kV的断路器中。在此情况下，所述陶瓷的电阻率可以为，例如，ΙπιΩ ·_至500Ω · cm，优选高于
I.6m Ω · cm,更优选 10 Ω · cm 至 160 Ω · cm。当用作触头材料时，所述陶瓷的热导率可以为110/35至120/40W/ (m · K)(20 0C /1200。。)。为了调节该陶瓷的机械性能、烧结性能和/或氧化性能，该复相陶瓷还可以含有AIN、Si3N4'Co、Ni、Ca、Cr、W 和 / 或 Nb。在再一方面中，本发明提供了一种断路器，该断路器包括可分触头，其中所述可分触头包括上述的任一种包含BN/TiB2的陶瓷的触头材料，特别用作电阻。所谓可分触头是使电路接通或分断的执行元件。显然，可分触头中还可以包括导电部分。所述断路器还可以包括导电回路、灭弧装置和任选的操作机构等结构。具体而言，导电回路用来承载电流，灭弧装置则是用来迅速、可靠地熄灭电弧，使电路最终断开。触头的分合运动是靠操动机构作功并经传动机构传递力来带动的，操作机构的操作方式可分为手动、电动、气动和液压等。在一些情况中，断路器的操动机构可以不包括在断路器的本体内，而是作为独立的产品向断路器提供。在一个优选的实施方案中，可分触头包括静触头和动触头。所述触头包括电阻部分和导电部分。具体而言，该可分锄头的电阻部分可以采用本发明的BN/TiB2复相陶瓷材料。可以根据具体的设计需要，选择该复相陶瓷材料中BN/TiB2的合适比例，从而实现所需的电阻值。本发明提供的BN/TiB2复相陶瓷作为触头具有很好的机械性能，例如足够的硬度、韧性、耐磨性和耐撕裂性等，并且电阻率可控性好，满足耐高温和稳定的化学性能等各项性能。并且，该触头热电容高，能够承受大电流冲击引起的高温，由此满足了分断大电流的要求。因此，在一个实施方案中，本发明的触头可以在高达1700°C的温度下工作而不发生爆裂。在一个更优选的实施方案中，本发明的触头可以在高达1600°C的温度下工作而不发生爆裂。
特别地，本发明使用的这种BN/TiB2陶瓷触头的热吸收高，能够承受大电流冲击引起的高温；在分断前能够降低大电流，并由此使电流分断更加容易进行。这是因为这样可以使得需要分断的电流更小，相应地，所需要的灭弧条将极大的降低，例如通过简单的计算可知，对于24KV、20KA的实际应用中，若串入电阻达到20 Ω以上，分断电流可以降低到低于1KA。因此可以使用更少的SF6，从而也降低了对温室效应的不利影响。
因此，本发明的触头可以适合用于额定电压为IOkV至50kV的断路器中。本发明的TiB2/BN复相陶瓷还具有出色的机械性能，易于切削加工，并方便在大范围内调节和控制其电阻率，并且该陶瓷还具有高温下的稳定化学性能。这种BN/TiB2复相陶瓷可以通过以下步骤进行制备(a)首先将BN和TiB2粉末混合在一起；(b)将混合粉末压制成块后进行烧结，烧结温度不低于1500°C ；(c)通过热压烧结方法烧结所述块体，从而得到陶瓷；(d)将所述陶瓷机械加工成最终使用的电阻。最终的陶瓷产品应当具有均匀的电阻率和显微结构。本发明提供的使用TiB2/BN复相陶瓷触头材料的断路器能够以一种新的方式实现分断大电流，并且具有如下的优点I.提供了减低分断电流的可能方案；2.减少SF6的使用；3.提高功率因数(power factor)；4.相对于真空瓶和粘土陶瓷而言成本降低。本发明在断路器的内部使用了特定的材料，即BN/TiB2陶瓷，作为触头或其一部分如电阻性部分，由于该触头(材料)的电阻性质和吸热容量大等优点，由此在断路器分断之前的很短时间内能够迅速降低大电流并且吸收大量的能量，而且温度不会剧烈上升而导致陶瓷炸裂。该断路器在电路恢复后也能立即恢复正常工作并能长期使用，因为使用的复相陶瓷能够恢复其原热导率和电阻性。根据本发明的断路器触头还具有出色的尺寸稳定性，即使温度发生剧烈变化时，尺寸变化非常小，从而不易从断路器脱落或损坏整个断路器，也就不会影响到整个器件的电学等方面性能。本发明触头中使用的陶瓷材料在受热时不会释放出对环境污染有害的气体，是一种环境友好性材料。此外，本发明提供的具有由所述触头材料制成的触头的断路器可以减少使用或甚至避免使用常规断路器中的SF6环境。这种包含BN/TiB2的复相陶瓷触头材料特别适合用于中压或高压断路器中。此外，本发明使用的这种陶瓷材料还可以应用于能源转换设备如风能和太阳能供能中。实施例实施例I本发明触头材料的制备根据上述方法制备BN/TiB2复相陶瓷材料。具体的制备过程可以如下将二硼化钛(4. 52g/cm3)与氮化硼(2. 27g/cm3)的粉末均匀混合后经过等静压制成初级压块，其致密度不低于90 %，之后采用热压烧结工艺，烧结温度不低于150(TC，烧结压力不低于30Mpa。得到了密度在2. 75 3g/cm3的陶瓷体。基于上述方法，按照下述配比分别制备出不同的TiB2/NB复相陶瓷表I :依据不同原料配比烧制本发明的复相陶瓷样品1-权利要求
1.一种用于断路器中的触头材料，其中所述触头材料包含BN/TiB2复相陶瓷材料。
2.根据权利要求I所述的触头材料，其中所述BN/TiB2复相陶瓷材料中BN和TiB2含量之和为整个陶瓷的至少90重量％以上，优选至少95重量％以上，更优选至少98重量％以上。
3.根据权利要求2所述的触头材料，其中，以BN和TiB2的含量计，TiB2为40 55重量％，BN为45 60重量％ ;优选TiB2为49 50重量％，BN为50 51重量％。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的触头材料，其中所述复相陶瓷材料中还含有选自下列的一种或多种:A1N、Si3N4'Ca、Co、Ni'Cr、W 和 Nb。
5.根据权利要求I至4中任一项的触头材料，其中所述复相陶瓷材料在断路器中用作电阻性材料。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的触头材料，其中所述复相陶瓷材料的热膨胀系数为 5 X 1(Γ6/Κ 8 X 10_6/κO
7.根据权利要求I至6中任一项所述的触头材料，其中所述复相陶瓷材料的热导率为40 150W/(m · K)，优选50 120W/(m · K)，所述热导率在20°C下测得。
8.一种用于断路器中的触头，包括权利要求1-7中任一项的触头材料用作电阻性部分以及任选的导电部分。
9.包含BN/TiB2的复相陶瓷材料在断路器中作为触头的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其中所述复相陶瓷材料在断路器的触头中用作电阻性部分。
11.根据权利要求10所述的用途，其中所述BN/TiB2复相陶瓷材料中BN和TiB2含量之和为整个陶瓷的至少90重量％以上，优选至少95重量％以上，更优选至少98重量％以上。
12.根据权利要求11所述的用途，其中，以BN和TiB2的含量计，TiB2为40 55重量％，BN为45 60重量％ ;优选TiB2为49 50重量％，BN为50 51重量％。
13.—种断路器，包括可分触头，其中所述可分触头包括权利要求1-7中任一项的触头材料作为电阻部分。
全文摘要
本发明涉及一种新的触头材料以及该触头材料制成的触头，其中所述触头材料包含BN/TiB2复相陶瓷。本发明还涉及包含BN/TiB2的陶瓷在断路器中作为触头的用途，特别是作为触头中的电阻的用途，并且涉及一种断路器，该断路器包含使用该陶瓷作为触头材料的触头。
文档编号H01H1/021GK102983015SQ20111026165
公开日2013年3月20日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者王云涛 申请人:施耐德电器工业公司