CC BY
165
УДК 621.315:621.316.8
Керметные резистивные пасты для высоковольтный высокомегаомных резисторов
Недорезов В.Г., Подшибякин С.В.
ФГУП «НИИЭМП»
Обсуждается применение высокоомных паст с широким диапазоном удельного поверхностного сопротивления для формирования резистивных элементов высоковольтных высокомегаомных резисторов. Определяется влияние керамического материала на величину сопротивления квадрата резистивной плёнки и ТКС в разных поддиапазонах шкалы сопротивлений. Даются зависимости механизма проводимости композиционных систем от формы и размеров резистивного слоя, формируемого избирательным легированием. Оценивается степень влияния на процесс формирования более упорядоченных нанокомпозиционных структур. Приведены результаты гранулометрического анализа порошков, а также структура технологического регламента процесса приготовления резистивных паст.
Discusses the use of high-pastes with a wide range of surface resistivity to form the resistive elements of high vysokomegaomnyh resistors. Determined the effect of ceramic material on the resistance of the square of the resistive film and TAS in different sub-bands of the scale of resistance. Given the dependence of the conductivity mechanism of composite systems from the shape and size of the resistive layer formed by selective doping. Assessed the degree of influence on the formation of more ordered nanocomposite structures. The results of size analysis of powders, as well as the structure of production schedules cooking resistive pastes.
Ключевые слова: высокоомные резистивные пасты, температурный коэффициент сопротивления, сопротивление квадрата резистивной плёнки, электрофизические характеристики резистивных плёнок.
Key words: high-impedance resistive paste, the temperature coefficient of resistance, the resistance of a square resistive film, the electrical characteristics of the resistive films.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств контроля дисперсности микро- и нанопорошков и суспензий» (Тбос. контракт №2A38229C) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)»
2
Электрические и эксплуатационные характеристики высокоомных паст с
3 7
диапазоном удельного поверхностного сопротивления 10-10 Ом/^ и уровнем
ТКС не более ± (50-100)х10-6 1/°С определяют исходные компоненты и их процентное содержание в композициях. Разработанные пасты используются для формирования резистивных элементов высоковольтных высокомегаомных резисторов (далее ВВР) с коэффициентом формы, Кф, порядка 100 - 1000 и более. (Кф - отношение длины резистивного слоя к его ширине) как для плоских, так и цилиндрических резисторов.
Для изготовления высокомегаомных резисторов были использованы цилиндрические каркасы трех типоразмеров, которые выпускаются серийно на основе керамики УФ-46:
- ЮУ7.804.118-03 - (L = 70 мм); ЮУ7.804.141-04 - (L = 34 мм);
- ЮУ7.804.141-03 - (L = 25 мм).
На каркасы всех трёх типов наносились резистивные пасты с сопротивлением квадрата 103, 104, 105, 106, 107. Параллельно на основе этих же паст были изготовлены контрольные образцы для тестирования.
На рисунке 1 приведены кривые, иллюстрирующие влияние керамического материала на величину сопротивления квадрата резистивной плёнки (а) и ТКС (б) в разных поддиапазонах шкалы сопротивлений.
Из представленного следует:
1) имеет место изменение параметров плёнок при переходе от контрольных образцов на основе керамики ВК94-2 к цилиндрическим каркасам из керамики УФ-46;
2) изменение параметров тем значительнее, чем выше удельное сопротивление резистивных паст;
3) имеют место различия в значениях параметров плёнок для каркасов разных типоразмеров из керамического материала одной марки УФ-46.
2
3
Rttk/Rko
R - сопротивление квадрата резистивной плёнки, Ом;
Rko - сопротивление квадрата резистивной плёнки контрольного образца (КО) для керамики ВК94-2;
RtK - сопротивление квадрата резистивной плёнки на цилиндрическом каркасе (ЦК) для керамики УФ-46;
ЦК-1 - каркас ЮУ7.804.141-03;
ЦК-2 - каркас ЮУ7.804.141-04;
ЦК-3 - каркас ЮУ7.804.118-03.
Рисунок 1
Величины сопротивления квадрата резистивного слоя, нормированные к сопротивлению квадрата плёнки контрольного образца (рисунок 2), для разных каркасов изменяются от (0,8 - 7) раз для резистивной пасты 1 кОм/и до (4-100) раз для пасты 1 МОм/и.
3
4
Форма и размеры резистивного слоя контрольных образцов должны соответствовать рисунку 2.
Керамическое Резистивный Контактный
Рисунок 2
Коэффициент формы резистивного элемента контрольного образца равен 80 (длина резистивного слоя между точками А и Б по линии АБ равна 32 мм, ширина - 0,4 мм). При таком значении Кф можно не учитывать влияние контактов на характеристики резистивного слоя, что очень важно для резисторов с малым ТКС. Кроме того, такая топология позволяет тестировать разрабатываемые резистивные
пасты во всём диапазоне сопротивления от 1 кОм/^ до 10 МОм/Q
Значения ТКС при этом сдвигаются в сторону отрицательных величин на (50-180) единиц (х10-6, 1/°С) при переходе от контрольного образца к
цилиндрическим каркасам разных типоразмеров.
Полученные результаты со всей очевидностью свидетельствовали о необходимости учёта влияния керамического материала на электрофизические характеристики резистивных плёнок при изготовлении высоковольтных резисторов на цилиндрических каркасах. В связи с этим в ходе работы было принято решение о необходимости разработки резистивных паст с двумя уровнями ТКС:
- ± 100х10-6 1/°С (пасты группы А);
4
5
- (0 - 250)х10"6 1/°С (пасты группы Б).
Преимущества такого подхода очевидны.
Во-первых, появляется возможность целенаправленных действий по управлению уровнем ТКС резисторов на основе цилиндрической керамики разных типоразмеров и различных технологических партий.
И, во-вторых, сохраняется возможность применения разрабатываемых паст для высоковольтных высокомегаомных резисторов с низким ТКС на основе плоской керамики из материала ВК94-2.
Все известные технологии, разработанные на базе имеющихся порошкообразных рутениевых материалов, до настоящего времени не решили проблему создания резистивных паст, обеспечивающих разработку высокостабильных толстопленочных высоковольтных высокомегаомных резисторов с низкой температурной зависимостью сопротивления.
Прежде всего, это связано с физико-химической природой «толстых» резистивных пленок и механизмом переноса зарядов, протекающего в них при прохождении тока. Такие пленки представляют собой неупорядоченную композиционную систему, состоящую из аморфной стеклянной матрицы и высокодисперсного кристаллического наполнителя, в частности, оксидных соединений рутения с высокой электропроводностью, образующих трехмерную сетку из проводящих цепочек по внешним границам стеклянных зерен.
Процесс электропереноса в таких структурах является результатом существования двух процессов проводимости: металлической проводимости кристаллической фазы и активационной проводимости в изолирующих стеклянных прослойках, что обуславливает высокую температурную зависимость величины сопротивления в рабочем диапазоне температур от минус 60 до (125-155) °С. Кроме того, неоднородности в распределении проводящих микрочастиц в стеклянной матрице приводят к локальным перенапряженностям при воздействии
5
6
электрического поля и микропробоям в изолирующих прослойках, ухудшая временную стабильность резисторов.
Названные проблемы частично решаются при физико-химическом модифицировании составных частей композиционной пленочной структуры, влияющем на механизм проводимости в ней. Так, применение материалов типа тройных оксидов рутения, например рутенитов свинца Pb2Ru2O6 и висмута Bi2Ru2O7 или легированного ванадием диоксида рутения nVO2-mRuO2, в виде нанопорошков с дисперсностью частиц 100-300 нм и менее позволяет сформировать более упорядоченные структуры, в которых частицы нанодисперсного наполнителя разделены тончайшими изолирующими прослойками.
Более того, в таких структурах в результате диффузии ионов металлической фазы (рутения, легирующих добавок р- и d-элементов IV и V групп периодической системы) в изолирующей стеклянной фазе образуются дополнительные ловушки или локализованные состояния энергетических уровней, обуславливающие процесс электропереноса посредством туннелирования с очень малой энергией активации.
В результате такого целенаправленного воздействия на механизм проводимости композиционных систем посредством избирательного легирования их функциональных компонентов появляется возможность в той или иной степени влиять на процесс формирования более упорядоченных нанокомпозиционных структур, обеспечивающих создание резистивных материалов с рядом новых эксплуатационных свойств: стабильностью сопротивления не хуже (0,5-1) % и уровнем ТКС не более +(50-100) 10-6 град-1 в широком диапазоне сопротивлений (до 107 Ом/и).
В качестве функциональных компонентов резистивных паст при выполнении работы были выбраны сложные оксиды рутения составов: Pb2Ru2O6 (рутенит свинца марки ПРС) и nVO2-mRuO2 (диоксид рутения, легированный ванадием, марки ПДР-0,2В).
6
7
Отработка технологических режимов подготовки металлоокисных порошков производилась на высокоэффективном оборудовании для измельчения фирмы «Fritsch» - шаровой планетарной мельнице «Pulverisette-5» - в жидких средах.
Параллельно аналогичным способом производилась подготовка второго функционального компонента резистивных паст - порошкообразных стекол специальных составов.
Эффективность измельчения в процессе отработки режимов определялась периодическим контролем гранулометрического состава получаемых тонкодисперсных порошков. Для всех компонентов контроль гранулометрического состава производился в водных суспензиях с применением лазерного измерителя частиц «Analysette-22 (Compact)» той же фирмы.
На рисунке 3 в качестве примера представлены результаты гранулометрического анализа двух порошкообразных компонентов, изготовленных по отработанным режимам измельчения:
- диоксида рутения ПДР-0,2В (рис. 3 а) (для рутенита свинца ПРС картина аналогичная);
- специального стекла марки 279 (рис. 3 б) (для стекол других марок картина также аналогичная).
7
8
Q3(n]
dQ3[n)
Рисунок 3 - Результаты гранулометрического анализа порошков:
а) проводящего компонента;
б) стеклянного компонента
8
9
Из приведенных на рисунке интегральных кривых распределения частиц по фракциям следует, что:
а) дисперсность частиц проводящих порошков на основе сложных оксидов рутения находится в нанометрическом диапазоне: 90 % частиц имеют размер до 300 нм;
б) частицы порошков стеклянных компонентов несколько крупнее: 90 % частиц имеют размер до 0,6 мкм, остальные 10 % - от 0,6 до 0,9 мкм.
В процессе отработки нанокомпозиционных структур проводились исследования температурной зависимости сопротивления тест-образцов резистивных элементов (РЭ) на их основе. По полученным результатам рассчитывались значения ТКС в различных точках во всем исследованном температурном интервале.
Кривые, иллюстрирующие изменение величины ТКС в интервале температур от минус 60 до плюс 125 °С, приведены на рисунке 4.
ТКСХ106, 1/ °С
♦ ПРВ-31 - ПРВ-41 а ПРВ-51 + ПРВ-61 ж ПРВ-65
• ПРВ-71 Т, °С 9
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Рисунок 4
9
10
На основании полученных результатов были определены рецептуры, основанные на сложных оксидах рутения, а также технологические режимы их переработки в порошкообразное состояние с дисперсностью частиц в нанометровом диапазоне, которые обеспечили разработку резистивных паст с сопротивлением квадрата резистивной пленки 1 кОм, 10 кОм, 100 кОм, 1 МОм, 5 МОм и 10 МОм с двумя уровнями ТКС: ± 100х10-6 1/°С и (0-250) х10-6 1/°С в интервале температур от минус 40 до плюс 125 °С.
Названные пасты образовали новую серию резистивных паст «ПРВ»:
ПРВ-31 А - 1 кОм/л с ТКС ± 100Х10-6 1/°С;
ПРВ-41 А - 10 кОм/л -«- -«-
ПРВ-51 А - 100 кОм/л -«- -«-
ПРВ-61 А - 1 МОм/л -«- -«-
ПРВ-65 А - 5 МОм/л -«- -«-
ПРВ-71 А - 10 МОм/л -«- -«-
ПРВ-31 Б - 1 кОм/л с ТКС (0-250)х10-6 1/°С;
ПРВ-41 Б - 10 кОм/л -«- -«-
ПРВ-51 Б - 100 кОм/л -«- -«-
ПРВ-61 Б - 1 МОм/л -«- -«-
ПРВ-65 Б - 5 МОм/л -«- -«-
ПРВ-71 Б - 10 МОм/л -«- -«- .
В результате проведенных работ по поиску и отработке рецептур паст, отработке оптимальных технологических режимов их изготовления, экспериментальных работ по исследованию влияния ряда технологических факторов на основные технические характеристики резистивных пленок были определены исходные материалы для подготовки основных функциональных компонентов разрабатываемых паст, а также технологический регламент процесса их приготовления, структура которого представлена ниже. 10
10
11
Структура технологического регламента процесса приготовления резистивных паст серии «ПРВ»
1 - Изготовление контрольных образцов;
2 - Контроль параметров
11
Приготовление органической связки
12
В работе исследовалась стойкость резистивных элементов контрольных образцов для тестирования паст (рисунок 2) к следующим внешним воздействующим факторам (ВВФ):
- воздействие изменения температуры среды от минус 60 до плюс 125 °С (пятикратное);
- воздействие повышенной рабочей температуры среды под электрической нагрузкой при испытательном напряжении, соответствующем номинальной мощности 0,75 Вт, но не более 1000 В, при температуре 85 °С в течение 100 ч;
- воздействие повышенной относительной влажности воздуха (93 ± 3) % при температуре 40 °С в течение 10 суток.
Испытания на воздействие ВВФ проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 20.57.406.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Обозначение пасты Относительное изменение сопротивления, 5R, %, при воздействии ВВФ
изменение температуры среды электрическая нагрузка повышенная влажность
ПРВ-31 -0,02 - 0,00 0,20 - 0,41 - (0,17 - 0,09)
ПРВ-41 -0,04 - 0,02 0,18 - 0,67 - (0,04 - 0,08)
ПРВ-51 -0,05 - 0,00 0,01 - 0,04 -0,01 - 0,00
ПРВ-61 -0,01 - 0,10 -0,02 - 0,04 0,01 - 0,06
ПРВ-65 0,03 - 0,27 0,30 - 0,50 0,00 - 0,09
ПРВ-71 0,09 - 0,30 0,33 - 0,86 0,03 - 0,11
12
13
При испытании опытной партии резистивных паст ПРВ-31 Б, ПРВ-51 А и ПРВ-71 А получены следующие результаты (таблица 2):
Таблица 2
Обозначение пасты Относительное изменение сопротивления, 5R, %, при воздействии ВВФ
изменение температуры среды электрическая нагрузка повышенная влажность
ПРВ-31 Б -0,05 - 0,01 0,47 - 0,87 - 0,04 - 0,01
ПРВ-51 А -0,02 - 0,16 -0,02 - 0,05 0,00 - 0,11
ПРВ-71 А 0,13 - 0,31 -0,04 - 0,26 -(0,21 - 0,36)
По результатам исследований стабильности резистивных плёнок при воздействии внешних дестабилизирующих факторов определён допустимый уровень величины 8R не более ± 1,0 %.
В качестве защитного покрытия в высоковольтных резисторах наиболее часто применяются покрытия на основе органосиликатных композиций (ОСК). ОСК представляют собой суспензии мелкодисперсных слоистых силикатов и оксидов металлов в толуольных растворах полиорганосилоксанов с разветвлённым строением молекул (в кремнийорганических лаках). Полиорганосилоксаны - это кремнийорганические полимеры, главные цепи которых построены из чередующихся атомов кремния и кислорода, а органические составляющие представлены углеводородными радикалами, соединёнными с кремнием. После испарения растворителя и отверждения ОСК образуют полимерный композиционный материал с поли-органосилоксановой матрицей.
В настоящей работе влияние покрытия оценивалось на примере композиции ОС-92-25 ТУ 84-725-78. Данная композиция в течение многих лет применяется для герметизации проволочных резисторов.
Отверждение композиции проводится путём термообработки покрытия при 250-270 °С в течение 3 часов с плавным (2-3,5 °С/мин) подъёмом температуры до температуры выдержки. Режим термообработки достаточно жёсткий для рези-
13
14
стивных слоёв на основе толстых плёнок, поэтому необходимо было оценить его влияние на величину сопротивления РЭ.
Оценка влияния производилась измерением величины сопротивления РЭ начального (до защитного покрытия), промежуточного (после отверждения первого слоя) и конечного (после отверждения второго слоя покрытия). Эксперименты проводились как на образцах тестплат, так и на макетных образцах высоковольтных резисторов с разным номинальным сопротивлением. Вычисленные значения относительного изменения сопротивления образцов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Обозначение образца Сопротивление РЭ Относительное изменение сопротивления, 5R, %,
отверждение 1 слоя отверждение 2 слоя
Тестплата (Кф=300) 300 кОм 0,43 - 0,60 0,54 - 0,78
3 МОм 0,49 - 0,70 0,63 - 0,90
30 МОм 0,50 - 0,60 0,69 - 0,78
300 МОм 0,21 - 0,53 0,34 - 0,59
Резистор (каркас 25 мм) 1 МОм 0,74 - 1,16 0,98 - 1,13
10 МОм (I) 0,20 - 0,51 0,40 - 0,82
10 МОм (II) 0,35 - 0,59 0,59 - 0,85
Резистор (каркас 70 мм) 300 МОм -0,03 - 0,27 0,00 - 0,34
1 ГОм 0,48 - 0,57 0,56 - 0,68
Как следует из таблицы, независимо от удельного сопротивления резистивной пасты, типа керамического материала относительное изменение сопротивления резистивных элементов при отверждении защитного покрытия составляет, как правило, плюс (0,5-1) %. Эта величина достаточно легко может быть учтена в технологическом процессе изготовления резисторов при подгонке резистивных элементов в необходимый допуск по номинальному сопротивлению.
Определение изменения сопротивления резистивных элементов контрольных образцов (тестплат) от изменения напряжения проводилось в соответствии с
14
15
ГОСТ 21342.17-78. Сопротивление РЭ измерялось по ГОСТ 21342.20-78 по методу вольтметр а- амперметр а.
Схема измерения изображена на рисунке 5.
1
1 - калибратор программируемый П320;
2 - прибор комбинированный цифровой Щ300;
3 - измеряемое сопротивление RX.
Рисунок 5
В соответствии с ГОСТ относительное изменение сопротивления от изменения напряжения (8и), выраженное в процентах, определяют по формуле:
8и = х 100 (1),
R1
где R - сопротивление, измеренное при напряжении, равном 10 % напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния или предельного рабочего напряжения;
R2 - сопротивление, измеренное при напряжении, равном 100 % напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния резистора или
15
16
предельного рабочего напряжения.
Коэффициент напряжения (Ки), выраженный через относительное изменение сопротивления в процентах, рассчитанное на 1 В, определяют по формуле:
Кц = R2 r, х loo,
(U 2 - Ui) Ri
(2),
где U1 - напряжение, при котором сопротивление резистора равно R1;
U2 - напряжение, при котором сопротивление резистора равно R2.
Отправной точной при расчёте номинальной мощности рассеяния, а также предельного рабочего напряжения для резистивного элемента контрольного образца явилось одно из требований технического задания, согласно которому разрабатываемые пасты должны обеспечить создание высоковольтных высокомегаомных резисторов на цилиндрическом каркасе с номинальной мощностью до 5 Вт и максимальным рабочим напряжением до 15-25 кВ.
Расчёт производился следующим образом.
Номинальную мощность для контрольного образца (рисунок 1) рассчитывали, исходя из равенства удельных мощностей на единицу массы (или объёма при допущении равенства плотностей керамических масс ВК94-2 и УФ-46) для керамической платы и цилиндрического каркаса, геометрические размеры которых следующие:
- керамическая плата (КП) размером 11,8x9,2x0,63 мм;
- цилиндрический каркас (ЦК) длиной 70 мм, 0 7,45 мм в основании.
Таким образом,
PУД.КП = PУД.ЦК или РНОМ.КП / Ккп = РНОМ.ЦК / Уцк .
Отсюда
Рном.кп = РнОМ.ЦК X 0КП / Уцк >
РНОМКП = 5 (Вт) х 11,8x9,2x0,63 (мм3) / 70xpx3,7252 (мм3) ^
Р НОМ.КП = 0,112 Вт.
16
17
Предельное рабочее напряжение (иРАБ.КП) для контрольного образца рассчитывали, исходя из равенства напряженностей электрических полей в резистивных слоях на керамической плате и цилиндрическом каркасе.
При выбранных топологиях резистивные слои на керамической плате и на цилиндрическом каркасе при одинаковой ширине резистивной дорожки 0,4 мм имеют различную длину: 32 мм и 1040 мм, соответственно.
Следовательно,
Екп = Ецк или ^РАБ.КП / 32 = ^РАБ.ЦК / 1040 > t/рАЕКП = ^РАБ.ЦК Х0,0307.
При максимальном рабочем напряжении высоковольтного резистора на цилиндрическом каркасе (иРАБ.ЦК), равном 15 кВ, иРАБ.КП = 460,5 В.
При ^раб.цк, равном 25 кВ, ирАБ.кп = 767,5 В.
Таким образом, были определены:
- номинальная мощность для расчёта величин подаваемых на резистивный элемент напряжений U1 и U2 в формуле (2) для резистивных паст с сопротивлением квадрата 103 и 104 Ом;
- предельные рабочие напряжения U и U2 в формуле (2) для более высокоомных резистивных паст с сопротивлением квадрата 10 - 10 Ом.
Для исследований были изготовлены контрольные образцы тестплат на основе шести резистивных паст, составляющих серию «ПРВ». В таблице 4 представлены результаты измерений относительного изменения сопротивления от изменения напряжения (5и) и коэффициента напряжения (Ки). Приведённые величины представляют собой среднеарифметические по 6 контрольным образцам (КО) каждого типономинала.
Анализ полученных результатов не позволяет выявить какие-либо закономерности в изменении сопротивления резистивных элементов с изменением приложенного напряжения. На данном этапе можно лишь констатировать, что наименьшая зависимость сопротивления от напряжения наблюдается у резистивных
17
18
плёнок на основе паст серии «ПРВ» в диапазоне сопротивлений квадрата 104 - 106 Ом.
Таблица 4
Обозна- чение пасты Кко, кОм U1, В /1, мкА R1, кОм U2, В h-, мкА R2, кОм Su, % Ки % / В
ПРВ-31 84,5 9,72 115,54 84,3 97,2 1,1545 • 103 84,4 0,0833 0,00096
ПРВ-41 814,6 30,19 37,04 815,3 301,9 0,3701 103 816,0 0,0812 0,00030
ПРВ-51 8079 46,05 5,701 8084 460,5 57,06 8077 -0,0935 -0,00023
ПРВ-61 85228 46,05 0,5404 85301 460,5 5,407 85251 -0,0583 -0,00014
ПРВ-65 433583 46,05 0,1075 430967 460,5 1,075 430723 -0,0561 -0,00014
ПРВ-71 776067 46,05 0,0585 789133 460,5 0,5881 785254 -0,4820 -0,00116
ПРВ-51 8079 76,75 9,503 8083 767,5 95,13 8074 -0,1085 -0,00016
ПРВ-61 85228 76,75 0,9010 85269 767,5 9,018 85193 -0,0887 -0,00013
ПРВ-65 433583 76,75 0,1792 430630 767,5 1,795 429963 -0,1518 -0,00022
ПРВ-71 776067 76,75 0,0976 788624 767,5 0,9883 778759 -1,2384 -0,00179
В ходе выполнения работы на основе резистивных паст серии «ПРВ» было изготовлено несколько партий макетных образцов высоковольтных резисторов с применением цилиндрических каркасов трёх типоразмеров.
На рисунке 6 изображены резистивные элементы из таких каркасов с нанесёнными слоями из проводниковой и резистивной паст.
Изготовление макетных образцов высоковольтных резисторов включало следующие основные технологические операции:
- нанесение и вжигание проводниковой пасты;
- нанесение и вжигание резистивной пасты:
- прессование колпачков с выводами на керамические каркасы с формированными проводниковыми и резистивными слоями;
18
19
- подгонка резистивных элементов в необходимый допуск по номинальному сопротивлению;
- нанесение и отверждение органосиликатного защитного покрытия.
Каркасы:
ЮУ7.804.141-03
ЮУ7.804.141-04
ЮУ7.804.118-03
Рисунок 6
На рисунке 7 изображены макетные образцы высоковольтных резисторов на разных стадиях изготовления.
Рисунок 7
По приведённой выше схеме с применением разных керамических каркасов и резистивных паст с различным сопротивлением квадрата были изготовлены экспериментальные партии макетных образцов резисторов с номинальным сопротивлением 1 МОм, 10 МОм, 300 МОм, 1 ГОм, 10 ГОм и 20 ГОм.
19
20
Образцы с номинальным сопротивлением до 1 ГОм, включая последний, изготавливались в номинал с допуском ± 0,1; ± 0,25; ± 0,5; ± 1 %; образцы с номинальным сопротивлением 10 и 20 ГОм - с допуском ± 5; ± 10; ± 20 %.
ТКС измерялся на макетных образцах с RHOM 1, 10, 300 МОм и 1 ГОм.
Партия образцов с Rhom = 300 МОм была исследована на воздействие электротермотренировки в условиях: U = 15 кВ, плюс 85 °С, 100 ч.
Три партии резисторов с ЯНОМ = 1, 10 и 20 ГОм подвергались длительному воздействию повышенной температуры среды (+ 85 °С) под электрической нагрузкой при испытательном напряжении U = 20 кВ (с промежуточными замерами через каждые 100 ч).
Результаты исследований представлены ниже на рисунках 8-11 и в таблице 5.
Рисунок 8 иллюстрирует температурную зависимость сопротивления R = F(T) высоковольтных резисторов с RHOM = 1 МОм в диапазоне температур от минус 40 до плюс 125 °С, рисунок 9 - характер изменения ТКС резисторов, рас-
считанный, исходя из измеренной зависимости R = F(T).
R, МОм
Т, °С
Рисунок 8
20
21
Т, °С
На рисунке 10 приведены кривые, характеризующие величину ТКС макетных образцов высоковольтных резисторов пяти партий с номинальным сопротивлением: 1 МОм; 10 МОм; 300 МОм (две партии) и 1 ГОм.
ТКСх106, 1/ °С
100
75
50
25
0
-25
п.) -50
-75
п.) -100
-125
-150
-50
-25
25
50
75
100
125
150
1 МОм 10 МОм 1 ГОм
300 МОм (I 300 МОм (II
Рисунок 10
Т, °С
Кривые построены по результатам вычисления ТКС при измерении сопро-
тивления резисторов в семи точках:
21
22
+20 °С; - 40 °С; -10 °С; +20 °С; +85 °С; +125 °С; +20 °С.
Как следует из представленных рисунков, резистивные пасты серии «ПРВ» позволяют создать управляемые технологические процессы, обеспечивающие разработку и изготовление высоковольтных цилиндрических резисторов с ТКС ± (50, 100, 200)х10-6 1/ °С.
В таблице 5 приведены данные по относительному изменению сопротивления (SR, %) резисторов с Яном = 300 МОм, полученные после электротермотренировки партии резисторов из 34 шт в течение 100 ч при 85 °С и напряжении 15 кВ.
Таблица 5
№ обр. ЯНАЧ, МОм Яко^ МОм 8Я, % № обр. ЯНАЧ, МОм Яко^ МОм 8Я, %
1 303,41 303,37 -0,01 18 300,62 300,66 0,01
2 301,43 301,40 -0,01 19 300,89 300,93 0,01
3 298,11 298,15 0,01 20 301,56 301,71 0,05
4 301,50 301,56 0,02 21 300,56 300,62 0,02
5 300,39 300,42 0,01 22 299,97 300,01 0,01
6 301,01 301,04 0,01 23 300,67 300,74 0,02
7 302,11 302,15 0,01 24 299,91 299,91 0,00
8 302,82 302,86 0,01 25 300,20 300,23 0,01
9 306,74 306,77 0,01 26 301,85 301,88 0,01
10 301,30 301,32 0,01 27 301,37 301,41 0,01
11 302,82 302,87 0,02 28 301,41 301,45 0,01
12 300,17 300,21 0,01 29 300,81 300,85 0,01
13 300,98 301,04 0,02 30 296,44 296,45 0,00
14 300,09 300,11 0,01 31 297,76 297,72 -0,01
15 300,86 300,88 0,01 32 302,11 302,13 0,01
16 302,06 302,13 0,02 33 301,17 301,18 0,00
17 301,51 301,55 0,01 34 300,21 300,23 0,01
На рисунке 11 представлены кривые, характеризующие изменение сопротивления макетных образцов трёх партий резисторов с Яном = 1, 10 и 20 ГОм при длительном воздействии температуры среды 85 °С и испытательного напряжения 20 кВ.
22
23
SR, %
t, ч
Рисунок 11
Кривые 1, 2 и 3, относящиеся к резисторам с номинальным сопротивлением 1, 10 и 20 ГОм, соответственно, наглядно демонстрируют надёжную высоковольтную стабильность образцов:
- SR < 0,1 % за 700 ч для резисторов 1 ГОм;
- SR < 0,5 % за 600 ч для резисторов 10 ГОм;
- SR < 1,0 % за 600 ч для резисторов 20 ГОм.
Кривые 4 и 5 построены по усреднённым значениям для образцов, для которых значительное отклонение сопротивления от первоначального зафиксировано при первом замере через 100 ч:
- SR ~ (16-17) % для двух резисторов 10 ГОм;
- SR ~ (6-7) % для пяти резисторов 20 ГОм.
Выводы:
- разработана новая серия резистивных паст «ПРВ» с диапазоном удельных сопротивлений от 1 кОм/^ до 10 МОм/^ и ТКС ± (100; 250)х10-6 1/°С, состоящая
23
24
из паст шести типономиналов: ПРВ-31, ПРВ-41, ПРВ-51, ПРВ-61, ПРВ-65 и ПРВ-71; пасты предназначены для изготовления высоковольтных высокомегаомных резисторов методом трафаретной печати на:
а) цилиндрические каркасы из керамического материала, соответствующего требованиям ОСТ 11 0309 класса VII, группы в, категории 3;
б) основания из керамического материала, соответствующего требованиям ОСТ 11 0309 класса VII, группы б, категории 5;
- отработаны технологические режимы приготовления нанокомпозиционных структур на основе тройных оксидов рутения составов Pb2Ru2O6 и nVO2mRuO2, что позволило создать резистивные пасты, обеспечивающие создание высоковольтных высокомегаомных резисторов с ТКС не более ± (50-100)х10-6 1/°С в диапазоне номинальных сопротивлений от 1 МОм до 20 МОм;
- проведены исследования влияния керамического материала на величину сопротивления и ТКС резисторов на основе разработанных паст; соответствующие рекомендации изложены в разделе «Указания по применению» технических условий на пасты;
- проведены исследования влияния органосиликатного покрытия на сопротивление резистивных пленок, исследована зависимость сопротивления тестовых резистивных элементов от напряжения и их стойкость к внешним воздействующим факторам;
- изготовлены и исследованы макетные образцы высоковольтных резисторов, включающие партии резисторов с номинальным сопротивлением 1 МОм, 10 МОм, 300 МОм, 1 ГОм, 10 ГОм и 20 ГОм; результаты исследований показали перспективность использования паст серии «ПРВ» для создания высоковольтных выскомегаомных резисторов на цилиндрическом каркасе с высокими техникоэксплуатационными характеристиками;
- разработан комплект ТД на типовой технологический процесс «Пасты резистивные серии «ПРВ» КЮБР.01201.00056;
- разработаны технические условия на пасты КЮБР.430410.008 ТУ.
24
