高铝瓷中二次莫来石对电瓷强度的影响.pdf

文章编号:100328337(2003)0620003203高铝瓷中二次莫来石对电瓷强度的影响成茵,肖汉宁,汪洋(湖南大学材料科学与工程学院,湖南 长沙410082)摘要:研究了铝氧原料种类及长石用量对铝质高强度电瓷中二次莫来石结晶形态的影响。结果表明:以工业氧化铝为原料时易形成颗粒状二次莫来石,以铝矾土为原料时有利于形成针状莫来石,用部分工业氧化铝替代铝矾土则可改善二次莫来石的网状结构,显著提高电瓷的机械强度。适当增加长石含量,可促进二次莫来石晶体生长并提高电瓷的致密度和机械强度。关键词:高强度电瓷;铝氧原料;二次莫来石中图分类号:TQ 174175+8文献标识码:AEffects of SecondaryM ullite on theM echan ical Strengthof Alum inous PorcelainCHENGY in,XIAO Han-n ing,WANGYang(College ofM aterials Science&Engineering,Hunan U niversity Changsha 410082,China)Abstract:Effects of types of alum ina materials and the amount of feldspar on crystallineshape of secondary mullite in high2strength alum inous electric porcelain have been discussed inthis paper.Results exhibit that using industrial alum ina as raw material tends to form secondarymullite grain,w hile bauxite helps to generate secondary mullite w hisker.Substituting industrialalum ina for bauxite may i mprove the mesh texture of secondary mullite and increase themechanical strength of alum inous porcelain greatly.A dding proper amount of feldspar maypromote the grow th of secondary mullite crystal,the density and the mechanical strength ofalum inous porcelain.Key words:high2strength;alum ina materials;secondary mullite1引言高压输变电工程的发展对电瓷产品的性能,特别是机械强度和可靠性提出了越来越高的要求。尽管国内许多电瓷生产企业都在设法提高电瓷产品的强度13,但与国外先进水平相比,仍存在一定差距。主要表现为产品的强度偏低且可靠性较差。线路运行故障率较高成为制约我国电瓷产品参与国际竞争的重要障碍。因此,研制具有高机械强度和高可靠性的电瓷材料,对我国电瓷新产品的开发,提高行业的国际竞争力具有重要的现实意义。影响高强度电瓷性能的因素是多方面的,如原料的特性、坯料的组成、颗粒细度及分布情况、烧成制度及制备工艺等。目前,国内外针对上述因素开展了较多的研究。余政厚等4通过实验研究得出,降低泥料粒度、提高矾土真密度、粘土原料经过淘收稿日期:2003206228作者简介:成茵(19812),女,湖南娄底人,硕士,现从事无机非金属材料的研究32003年第6期(总第196期)电瓷避雷器I NSULATORS ANDSURGE ARRESTERS 2003 N umber6(Ser1196)洗加工、提高除铁效率等方法都能有效改善高铝质电瓷的机械强度。钱端芬等5则探讨了烧成制度对高铝质电瓷显微结构的影响。谢清云等6认为电瓷材料可以按脆性颗粒增强玻璃复合材料来处理,在此基础上建立了电瓷材料力学性能与显微结构因素的定量关系,提出了电瓷材料的强度和断裂韧性与晶粒大小成反比的关系。Carty7等探讨了原料特性、制备工艺等对电瓷性能的影响,为改善电瓷性能提出了一些有效的解决方法。电瓷强度和可靠性与材料的显微结构密切相关,但目前有关晶相含量、结晶形态及晶相与玻璃相间的结合状况对铝质高强度电瓷性能影响的研究报道很少。笔者探讨了铝氧原料种类及长石用量对高铝瓷中二次莫来石结晶形态及其对电瓷机械强度的影响,以寻找进一步提高电瓷机械强度的有效途径。2实验211原料与配方试验用高强度电瓷配方的化学组成如表1所示。其中1#配方的铝氧原料为铝矾土,2#配方为工业氧化铝。3#配方为铝矾土与工业氧化铝配合使用,4#配方是在1#配方的基础上将长石用量从23%降低到17%。表1试样的化学组成配方Si O2A l2O3Fe2O3CaO M gO K2O N a2O T i O2I1L1#3419252180 1119 0145 0121 2171 0178 2109 41282#3718552191 0152 0128 0126 2184 0179 0123 31863#3419652196 1112 0146 0121 2171 0178 1184 41384#3511152182 1120 0151 0123 2110 0157 2109 4162212制备工艺本配方是在实验室的工艺条件下进行的。为使各配方具有较好的重现性和可比性,笔者采用基本相同的工艺条件即:原料采用湿法球磨至平均粒径为3m4m,脱水、初练陈腐24h,真空练泥,挤制成24mm150mm的试条。干燥后在电炉中于1 260 1 310温度下烧成。烧成中的升温制度基本相同,950中火保温1h,达到预定烧成温度后保温2h,然后随炉冷却。为确保各配方在最佳烧成温度下烧成,用CGW型材料高温物性测定仪测定了各配方的烧结温度范围,确定了最佳烧成温度。213测试方法烧成后的试条用三点弯曲法测定抗弯强度,用排水法测定体积密度。试样断口经1%HF酸腐蚀1m in,用清水充分漂洗后,再用JOEL公司JM S25600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察瓷质结构中二次莫来石的结晶形态。3结果分析与讨论311配方的基本性能各配方的烧成温度、试样的体积密度及抗弯强度测试结果如表2所示。引入工业氧化铝(2#)或减少长石用量(4#)都会使配方的烧成温度提高,但用铝矾土与工业氧化铝配合使用时(3#),烧成范围变宽,烧成温度还略有下降,抗弯强度在各配方中也是最好的。表2实验配方的基本性能性 能1#配方2#配方3#配方4#配方最佳烧成温度?1 2801 2801 2601 310烧成温度范围?1 2401 310 1 2601 330 1 2401 330 1 2901 330纯瓷抗弯强度?M Pa132137175107体积密度?gcm-32183218321882178312莫来石的形成与作用高铝质电瓷中主要晶相为刚玉和莫来石,还存在少量游离石英。刚玉一般由原料直接引入,平均粒径在3m以上,其含量增加可提高电瓷的机械强度。当瓷件受到应力作用时,裂纹总是沿坯体中强度较低的玻璃相扩展。因此,提高玻璃相的强度或改善晶体与玻璃体间的结合状况是提高电瓷机械性能的关键因素。电瓷中的莫来石相除少量由铝矾土引入外,主要来源有二:一是从高岭土的分解产物偏高岭石中生成颗粒状或鳞片状的一次莫来石,二是从富铝的长石熔体中析出针状结构的二次莫来石。针状莫来石能相互交织构成网状结构,起到用晶须补强玻璃类似的作用,且有利于改善晶体与玻璃体的结合状态,从而提高电瓷的机械强度。因此,通过调整配方的化学组成,促进玻璃相中二次莫来石相的生成,42003年第6期高铝瓷中二次莫来石对电瓷强度的影响(总第196期)是提高电瓷机械强度的另一重要途径。313铝氧原料种类对莫来石结晶形态的影响图1为各配方中二次莫来石结晶形态的SEM照片。从图中可以看出,引入的铝氧原料种类不同,试样烧成后形成的二次莫来石的结晶形态也显著不同。1#配方中莫来石晶体基本上呈针状或棒状,针晶间相互交织较少。2#配方中由于引入的是工业氧化铝,二次莫来石基本呈颗粒状,不能像针状莫来石那样相互交织成网状结构,对玻璃体的增强结果显然不及针状莫来石。与此相反,3#配方中的针状莫来石晶体发育很好,针晶细小,排列致密,构成了较为理想的交织网络。从表2中3#配方的抗弯强度可知,具有致密网状结构的二次莫来石针晶可显著提高电瓷的机械强度。图1不同配方试样的SEM形貌上述结果表明,用工业A l2O3替代部分铝矾土引入A l2O3,有利于促进二次莫来石网状结构的形成,提高电瓷的机械强度。如果用工业氧化铝取代全部铝矾土,由于原料中Si O2、Fe2O3、T i O2等杂质含量很低,降低了刚玉相在长石熔体中的溶解度,即熔体中的A l2O3含量降低,只是在靠近刚玉颗粒或粘土颗粒的地方才能形成莫来石,因此,形成的莫来石不是针状而是粒状。此外,原料中的Fe2O3、T i O2杂质对莫来石针晶的定向生长有一定促进作用。314长石用量对莫来石生长发育的影响坯料配方中的K2O和N a2O主要由长石引入。长石作为熔剂原料,可以降低坯体的烧成温度;另一方面,长石在高温下熔融为液相后,能促使高岭土、刚玉等其他矿物的熔解,使之互相扩散、渗透,形成富铝玻璃相,以加速莫来石晶体的形成。同时,长石熔体对刚玉和石英颗粒具有良好的润湿性,填充于各结晶颗粒之间,能促进坯体的致密化烧结,提高瓷件的机械强度。然而,由于玻璃相的强度远远不如刚玉、莫来石等晶相,因此玻璃相过多必然导致电瓷的强度降低。从表2可以看出,1#、4#配方中A l2O3含量基本相同,但1#配方的长石用量较大,其相应的机械强度也较高。从两配方的SEM照片(图1)可知,1#配方中玻璃相与莫来石晶相结合较好,莫来石含量较高;4#由于玻璃相含量较少,不利于莫来石的生成。因此,莫来石含量较1#配方少,这是导致试样机械强度降低的主要原因。4结论(1)高铝质电瓷中以工业氧化铝为铝氧原料时,易形成粒状二次莫来石,在玻璃体中不能形成交织网状结构,其增强效果不及针状二次莫来石。(2)用工业氧化铝替代部分铝矾土,可促进莫来石针晶的发育生长,形成较致密的网状结构,有(下转第8页)52003年第6期电瓷避雷器(总第196期)的单位长度电阻和闪络电压的关系曲线,其中“+”线为F1R izk所得曲线5,“o”线为P1Claverie等人所得曲线6,“-”线为模型输出,“22”线为R1Sundararajan等人所得曲线2。可以看出,污闪动态模型的输出结果与实际情况相当吻合,大致介于其他三者中间,从而证实了其可行性。图3试验结果比较曲线图4结论笔者提出的特定条件下的污闪动态模型,考虑了电弧电阻、绝缘子的外形轮廓和电弧的传播速度等因素,用数学方法计算和判断闪络情况。认为在已知一些具体条件下进行模型的初始值设置和采用一定的循环方式,此类模型可能是一种可行的方法,并且值得为绝缘子污闪研究和监测借鉴。该污闪动态模型同样适合于复合绝缘子。由于复合绝缘子所用的有机材料均为硅橡胶。其憎水性较强,所以只要适当地设置电弧电阻、污秽电阻和电容可使此动态模型适合于复合绝缘子的情况。但由于此模型针对的是工作于交流系统中的户外绝缘子,其中考虑了污秽层电容以及发展电弧与电极间的杂散电容,因此它不适合运行在直流条件下绝缘子污闪情况。参考文献:1朱德恒,严璋 1 高电压绝缘M 1 清华大学出版社,199212Sundararajan,R1,Gorur,R1S11Dynam ic arc mode2lling of pollution flashover of insulators under dcvoltage J 1IEEE T rans1on Electrical Insulation,1993,28(2):20921813Beroual,A11Electronic and gaseous processes in thebreakdown phenomena of dielectric liquidsJ 1Joumalof Applied Physics,1993,73(9):4528453314Dhahbi2M egriche,N1,et al1Dynam icmodel of pollu2tedinsulatorsflashoverC 110thInternationalSymposium on H igh Voltage Engineering,199715R izk,F11M athematicalmodels for pollution flashoverJ 1Electra,1981,78:7110316Claverie,P1,Porcheron,Y11How to choose insulato2rs for polluted areasJ 1IEEE T rans1PA S1,1973,92(3):112111311(上接第5页)利于高铝质电瓷产品机械强度的提高。(3)适当增加长石用量,有利于降低玻璃相的高温粘度,促进莫来石晶体的生长发育,减少瓷坯内的残留气孔,提高电瓷产品的机械强度。参考文献:1邹长根 1 铝质中强度瓷配方的试验和XW P270耐污悬式瓷绝缘子的研制J 1 电瓷避雷器,1995,(3):1012郑世强 1 浅析影响高强度铝质瓷生产的几个问题J 1电瓷避雷器,1997,(4):2313周顺宇,苗长河 1 我厂棒形绝缘子和瓷套用铝质高强度坯料配方的研究和应用J 1 电瓷避雷器,1999,(1):1914余政厚,胡伟志 1 稳定和提高铝质电瓷机械强度的途径A 11991年提高瓷质性能研讨会论文集:21415钱端芬,徐学文等 1 烧成制度对铝质高强度瓷显微组织结构的影响J 1 硅酸盐学报,2001,(2):3516谢清云,周敬恩,沈光汉 1 电瓷材料显微结构与力学性能的研究J 1 电瓷避雷器,2000,(3):1217W illiam M1Carty,U dayan Senapati1Porcelain2RawM aterials,Processing,Phase Evolution,andM echa2nicalBehaviorJ 1Am1Ceram1Soc1,1998,81(1):3182003年第6期 污秽绝缘子闪络的动态模型探讨(总第196期)