Грант на защиту от перенапряжений

Политехники планируют создать альтернативную технологию получения ограничителей перенапряжения

Весной этого года Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) подвел итоги конкурса для молодых исследователей «Мой первый грант» и поддержал 31 проект молодых ученых Томского политехнического университета (всего политехники подали 43 заявки). В течение двух лет победители будут получать финансовую поддержку на развитие своих исследований, в первый год она составит 500 000 рублей. Сегодня мы расскажем о проекте ассистента отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Юлии Шаненковой — «Разработка метода получения объемных оксидно-цинковых материалов с управляемыми электрическими характеристиками».

Этой темой Юлия увлечена второй год. Всего же наукой в лаборатории магнитно-плазменных технологий под руководством профессора Александра Анатольевича Сивкова занимается уже семь лет, с третьего курса. В работе над исследованием, получившим грант, ей помогает четверокурсник Александр Циммерман.

«Оксидно-цинковые материалы широко применяются в различных областях науки и техники — химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей промышленностях, при производстве стекла, керамики и так далее, — рассказывает Юлия.?— В нашей лаборатории мы также активно исследуем эти материалы. В последнее время нами был отмечен рост числа научных публикаций, посвященных наноструктурированному оксиду цинка. Связано это с тем, что потенциал использования этих материалов велик и раскрыт не до конца». Понятно, что электроэнергетиков интересуют больше всего электрические свойства материалов; каким оксид цинка должен быть, чтобы его можно было использовать для разных нужд энергетической отрасли. «Тема наших исследований, ?продолжает Юлия, — получение материалов с такими характеристиками, которые позволят применять его для производства ограничителей перенапряжений (ОПН) — варисторов — взамен устаревших вентильных разрядников».

Молниезащита как задача

По метеорологическим данным, в России в среднем за год такое явление, как гроза, происходит минимум 700 раз. Разряд молнии в момент удара достигает 200 тысяч ампер, а температура в точке его прохождения возрастает до 30 тысяч градусов Цельсия. Подобная сила тока, сопровождающаяся высоким напряжением, выводит из строя любое оборудование. Безусловно, от этого явления необходимо защищаться. По сути, ограничитель перенапряжений — это «два в одном». В нормальном режиме работы, когда в электросетях все хорошо, ОПН работает как сопротивление. Как только в сети возникает перенапряжение выше пороговой величины (например, когда молния бьет в высоковольтную линию), он резко уменьшает свое сопротивление и работает как проводник, защищая потребителей электрической энергии от пагубных воздействий. ОПН работает автоматически, не требует обслуживания и используется как в микроэлектронике, так и на крупных энергетических объектах. Его главное свойство — защита оборудования от различных перенапряжений в сети. Особенно актуально это для предприятий, которые оснащены мощным и дорогостоящим оборудованием. При отсутствии такой защиты можно за секунды понести огромные убытки, поэтому спрос на эти элементы велик. Исследование политехников позволит улучшить качество и удешевить производство ОПН.

Преимущества метода

В рамках проекта ученые будут разрабатывать метод получения оксидно-цинковых наноструктурированных порошков и на их основе создавать объемные материалы с управляемыми электрическими характеристиками.

Порошкообразный наноструктурированный оксид цинка синтезируется с помощью плазмодинамического метода, основными преимуществами которого являются: простота и одностадийность технологического цикла, в результате которого сразу получается готовый продукт, не требующий дополнительной подготовки и обработки.

«Плюс нашего метода заключается в том, что нанодисперсный порошок мы не закупаем, а производим сами в лаборатории, на коаксиальном магнитно-плазменном ускорителе, разработанном профессором А.А. Сивковым», — говорит Юлия.

Как это выглядит?

В настоящий момент в лабораторных условиях за один цикл достаточно просто удается синтезировать около 20 граммов нанодисперного оксида цинка. Сам процесс получения занимает порядка одной миллисекунды, а на сборку всей системы уходит не более часа. Синтезируемый порошок не требует какой-либо последующей обработки и может сразу использоваться для изготовления объемных образцов?? керамики.

Получение объемных образцов реализуется с использованием современной технологии искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering). За короткое время (в течение часа) удается изготовить высококачественный образец ОПН при достаточно низких температурах (~ 600 °С).

«И этот образец можно сразу использовать в качестве ограничителя перенапряжений», ? говорит Юлия. Размер и форма получаемых изделий может быть различной и задаваться с помощью пресс-форм. Регулирование электрических характеристик ОПН достигается путем изменения химического состава варистора за счет введения допирующих добавок, например висмута. «Основные задачи, которые мы должны выполнить в рамках гранта, ? найти оптимальные пропорции фазового состава и количества допирующих добавок, а также исследовать режимы спекания, которые необходимы для достижения наилучших свойств», ? рассказывает победитель конкурса.

Что в итоге?

Авторы и исполнители проекта рассчитывают, что через два года будут определены оптимальные параметры и условия спекания для получения объемных керамических образцов с высокой нелинейностью вольт-амперной характеристики и высокими физико-механическими свойствами. За счет введения добавки оксида висмута получится управлять электрическими характеристиками объемных керамических материалов.

Полученные результаты в итоге позволят создать альтернативную технологию получения ограничителей перенапряжения с управляемыми электрическими характеристиками за счет использования наноструктурированных порошков оксида цинка, полученных плазмодинамическим методом.

Сергей Мазуров