Электроизоляционная керамика

Электроизоляционная керамика

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Реферат на тему:

«Электроизоляционная керамика»

Выполнил:

ст. гр. АЭ-01-01

Швыткин К.Е.

Проверил:

Прахова Т.Ю.

Уфа 2004

СОДЕРЖАНИЕ:

стр.

1. Классификация и основные свойства электроизоляционной

керамики

2

2. Основные сырьевые материалы для производства электро-изоляционной

керамики

6

3. Технология производства электрокерамических материалов

и изделий

9

4. Механическая обработка и металлизация керамических из-

делий

18

Приложения

22

Список литературы

31

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРО-ИЗОЛЯЦИОННОЙ

КЕРАМИКИ

Электроизоляционная керамика представляет собой материал, получаемый из

формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов

металлов. Любая керамика, в том числе и электроизоляционная,— материал

многофазный, состоящий из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Ее

свойства зависят от химического и фазового составов, макро- и

микроструктуры и от технологических приемов изготовления./1/

В электрической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология

широко применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых,

пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий. В

настоящее время, особенно с проникновением в быт электронной техники, из

электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований

изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограммов и размерами от

нескольких миллиметров до нескольких метров. В ряде случаев изделия из

керамики, главным образом из электрофарфора, покрываются глазурями, что

уменьшает возможность загрязнения, улучшает электрические и механические

свойства, а также внешний вид изделия./14/

Электрофарфор является основным керамическим материалом, используемым в

производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных

изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ

переменного и до 1500 кВ постоянного тока./8/

Преимущества электрокерамики перед другими электроизоляционными

материалами состоят в том, что из нее можно изготовлять изоляторы сложной

конфигурации, кроме того она имеет широкий интервал спекания. Сырьевые

материалы мало дефицитны, технология изготовления изделий относительно

проста./15/ Электрофарфор обладает достаточно высокими

электроизоляционными, механическими, термическими свойствами в области

рабочих температур; он выдерживает поверхностные разряды, слабо подвержен

старению, стоек к воздействию атмосферных осадков, многих химических

веществ, солнечных лучей и радиационных излучений./8/

В связи с передачей энергии высоким и сверхвысоким напряжением на дальнее

расстояние резко возросли требования к качеству высоковольтных изоляторов,

главным образом к механической прочности./12/

В последние годы выпускаются надежные высокопрочные изоляторы

оптимизированной конструкции из электрофарфора высокого качества. Известно,

что прочность фарфора при сжатии в 10—20 раз выше прочности при изгибе или

растяжении.

По назначению компоненты фарфора различаются на пластичные и отощающие, а

по роли при термической обработке — на плавни и кристаллорбразующие.

Механическая прочность фарфора в значительной степени зависит от

механических свойств и кристаллической структуры отощающего материала, а

также образованных в процессе обжига сетчатых волокнистых микроструктур

кристаллической фазы (в частности, игл муллита). Стеклофаза в структуре

фарфора ухудшает механическую прочность, так же как и наличие пор,

неблагоприятно влияющих на распределение напряжений.

Наравне с обычным фарфором налажен выпуск фарфора с повышенным

содержанием муллита, фарфор кристобалитовый и корундовый. В последнем

кремнезем в шихте частично заменен корундом./13/

Большинство корундовых кристаллов при обжиге остается в исходной форме и

благодаря высокому сопротивлению упругой деформации образует прочный каркас

микроструктуры. Незначительная часть растворяется в стек-лофазе и является

причиной возникновения вторичного муллита. Как следует из табл. 1 (см.

приложения), механическая прочность корундового фарфора значительно выше

прочности обычного фарфора.

Наиболее перспективным является корундовый фарфор./16/

Следует ожидать, что традиционные способы производства, т. е. литье

изоляторов в гипсовые формы, а для больших опорных изоляторов — склейка

отдельных элементов до обжига, заменяется пластическим прессованием,

выдавливанием массивного цилиндра или трубки с дополнительной обработкой на

копировальных станках, а также изостатическим прессованием заготовок с

последующей автоматической обработкой. Использование последнего способа

производства изоляторов существенно сократит технологический цикл и объем

трудозатрат./5/

По ГОСТ 20419-83 (соответствует СТ СЭВ 3567-83) «Материалы керамические

электротехнические» эти материалы по их составу классифицируются следующим

образом:

Группа 100 материалы на основе щелоч-

ных алюмосиликатов

(фарфоры):

Подгруппа силикатный фарфор, со-

110 держащий до 30% А12О3;

Подгруппа силикатный фарфор тон-

110.1 кодисперсный;

Подгруппа силикатный фарфор прес-

111 сованный;

Подгруппа силикатный фарфор вы-

112 сокой прочности;

Подгруппа глиноземистый фарфор

120 (содержащий 30—50 %

А1203);

Подгруппа глиноземистый фарфор

130 высокой прочности, со-

держащий свыше 50 %

А1203.

Группа 200 материалы на основе си-

ликатов магния (стеати-

ты) :

Подгруппа стеатит прессованный;

210

Подгруппа стеатит пластичный;

220

Подгруппа стеатит литейный

220.1

Группа 300 материалы на основе ок-

сида титана, титанатов,

станнатов и ниобатов;

Подгруппа материалы на основе ок-

310 сида титана;

Подгруппа материалы на основе ти-

340 танатов стронция, вис-

мута, кальция;

Подгруппа материалы на основе ти-

340.1 таната кальция;

Подгруппа материалы на основе

340.2 стронций-висмутового ти-

таната;

Подгруппа материалы на основе

350 титаната бария с ?r до

3000;

Подгруппа материалы на основе ти-

350.1 таната бария, стронция,

висмута;

Подгруппа материалы на основе ти-

351 таната бария с ?г свыше

3000;

Подгруппа материалы на основе ти-

351.1 таната бария, станната и цирконата кальция.

Группа 400 материалы на основе

алюмосиликатов магния

(кордиерит) или бария

(цельзиан), плотные:

Подгруппа кордиерит;

410

Подгруппа цельзиан.

420

Группа 500 материалы на основе

алюмосиликатов магния,

пористые:

Подгруппа

510. материалы на

Подгруппа основе алюмосиликатов

511 магния, пористые термо

Подгруппа стойкие;

512

Подгруппа высококордиеритовый

520. материал, пористый;

Подгруппа высокоглиноземистый

530 материал, пористый, тер-

мостойкий.

Группа 600 глиноземистые материа-

лы (муллитокорундовые):

Подгруппа глиноземистый матери-

610 ал, содержащий 50 —65 % А1203;

Подгруппа глиноземистый матери-

620 ал, содержащий 65 —80 % А1203;

Подгруппа глиноземистый матери-

620.1 ал, содержащий 72 —77 % А1203.

Группа 700 высокоглиноземистые ма-

териалы (корундовые):

Подгруппа высокоглиноземистый

780 материал, содержащий

80—86 % А12О3;

Подгруппа высокоглиноземистый

786 материал, содержащий

86—95 % А12О3;

Подгруппа высокоглиноземистый

795 материал, содержащий

95—99 % А12О3;

Подгруппа высокоглиноземистый

799 материал, содержащий

свыше 99 % А1203./1/

Электроизоляционные керамические материалы по назначению классифицируются

согласно табл. 2 (см. приложения)./16/

Если поры керамики сообщаются между собой и поверхностью изделия, то она

называется «пористой», т. е. имеющей «открытые» поры.

Все керамические материалы более или менее пористые. Даже в обожженной до

максимальной плотности керамике объем пор (закрытых) составляет 2—6 %, а в

пористых материалах— 15—25 %.

Открытая пористость измеряется значением водопоглощения, т. е.

количеством воды, поглощаемым материалом до насыщения и отнесенным к массе

сухого образца.

В тех случаях, когда водопоглощение образца не превышает 0,5 %, для

определения пористости часто применяется качественный метод: прокраска

образцов в 1 %-ном спиртовом растворе фуксина. Наличие открытой пористости

определяется по проникновению красителя в толщу образца.

Для характеристики плотности керамики употребляют параметр — кажущаяся

плотность, ее значение 1800—5200 кг/м3./13/

2. ОСНОВНЫЕ СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОД-СТВА ЭЛЕКТРОЛЯЦИОННОЙ

КЕРАМИКИ

Сырьевые материалы для производства электрофарфора. Для изготовления

электрофарфора основными сырьевыми материалами служат огнеупорные глины,

кварц, пегматиты, полевые шпаты, каолины, глинозем, ашарит и циркон (для

производства соответственно глиноземистого, ашаритового и цирконового

фарфора), мел и доломит (в качестве плавней, главным образом, в глазури) и

др.

Огнеупорные глины и каолины представляют собой тонкозернистые (от

коллоидной дисперсности до размеров частиц менее 2 мкм) водные

алюмосиликаты; для них характерна слоистая структура.

Основными составляющими тонкозернистой фракции глинистых пород являются

минералы каолиновой группы с химическими формулами А12О3 x x2SiO2 • 2Н2О

(каолинит), А12О3 • 2SiO2 • 4Н2О (галлуазит) и др. Для производства

высоковольтного фарфора отечественными заводами используются глины и

каолины, химический состав которых и потери по массе при прокаливании

приведены в табл. 3 и 4 (см. приложения).

Кварцевые материалы. Кристаллический кремнезем SiO2 является одним из

основных компонентов фарфоровой массы, который вводят в состав шихты в виде

кварцевого песка или жильного кварца. Размер гранул кварцевых песков

составляет 0,05—3 мм. Кристаллический кремнезем существует в нескольких

полиморфных формах; три основные — кварц, тридимит и кристобалит. В свою

очередь кварц и кристобалит имеют ?- и ?-модификации, тридимит — ?-, ?- и

?-модификации. Стабильными формами являются ?-кварц (при температуре ниже

573 °С), ?-тридимит (870—1470 °С) и ?-кристобалит (1470—1710°С). Переход из

одной модификации кремнезема в другую сопровождается изменением объема,

плотности и других параметров. При производстве электрокерамики

используются пески и жильный кварц, химический состав которых приведен в

табл. 5 (см. приложения).

В зависимости от месторождения кварцевые пески имеют примеси (Fe2O3,

TiO2, A12O3, CaO, MgO и др.), наиболее нежелательные из которых Fe2O3 и

ТiO2 (допустимое содержание не более 0,15 %), СаО и MgO (не более 0,2 %).

Полевые шпаты представляют собой безводные алюмосиликаты, содержащие

щелочные (Na+, К+) и щелочно-земельные (Са2+) катионы. Основные виды

применяемых в керамическом производстве полевых шпатов: калиевый

(микроклин) с приблизительной формулой К2О•А12O3•6SiO2, натриевый (альбит)

Na2O•Al2O3•6SiO2, кальциевый (анортит) СаО•А12О3•2SiO2 и бариевый

(цельзиан) ВаО•А12О3•2SiO2. Полевые шпаты всегда содержат примеси оксидов

железа, магния, кальция и др./18/

Лучшим для изоляционной керамики полевым шпатом является микроклин. Из-за

повышенного содержания Na2O в полевом шпате снижаются температура обжига,

вязкость стеклофазы керамики и существенно ухудшаются его электрофизические

свойства. Чем больше соотношение К2О и Na2O в полевом шпате, тем лучше

свойства керамики.

В связи с ограниченностью запасов высококачественного полевого шпата для

производства высоковольтных изоляторов используют пегматиты.

Пегматиты представляют собой крупнозернистые кристаллические породы —

смесь полевого шпата с кварцем. Химический состав пегматитов и полевых

шпатов приведен в табл. 6 (см. приложения).

Глинозем — безводный оксид алюминия Al2О3 — представляет собой порошок со

средними размерами сферических гранул 50— 200 мкм. Глинозем широко

применяется как основной компонент электрофарфора и ультрафарфора (на

основе корунда) и в качестве самостоятельного материала для изготовления

высоковольтных, высокочастотных изоляторов, конденсаторов, деталей вакуум-

плотных узлов (корпусов предохранителей, колб натриевых ламп, корпусов

полупроводниковых вентилей, обтекателей антенн, плат для интегральных схем

и др.).

Безводный оксид алюминия существует в нескольких кристаллических

модификациях, из которых самой устойчивой является ?-А12О3 (корунд). Эта

модификация характеризуется малым tg??2•10-4, высоким ??1014 Ом•м, высокой

теплопроводностью и стойкостью к термоударам, наибольшей плотностью

(3999 кг/м3).

Две другие модификации: ?-А12О3 и ?-А12О3, последняя из которых

представляет собой соединение глинозема со щелочными и щелочноземельными

оксидами, имеют меньшую плотность (соответственно 3600 и 3300—3400 кг/м3) и

более высокие значения tg? (?50•10-4 и 1000•10-4). Технический глинозем

представляет собой в основном ?-А12О3 с частичным содержанием гидратов

глинозема.

При нагреве ?-Аl2О3 переходит в ?-А12О3 с уменьшением объема на 14,3

процента. Для уменьшения усадки керамики при обжиге технический глинозем

предварительно обжигают при температуре 1450—1550 °С.

Спектрально чистый корунд плавится при 2050 °С, а изделия из него при

небольшой механической нагрузке могут быть использованы даже при

температуре до 1800°С.

Для производства электроизоляционной керамики применяются технический

глинозем (шесть сортов), электроплавленный корунд и глинозем особой чистоты

в зависимости от назначения керамики.

Кальцит — карбонат кальция СаСО3, представляющий собой плотный

кристаллический агрегат, называется мрамором, а при тонкодисперсной

структуре — мелом. При нагреве СаСО3 разлагается с выделением СО2 согласно

реакции СаСО3 > СаО + СО2^. Скорость разложения зависит от скорости

подъема температуры и от давления воздуха. При нормальных условиях

температура разложения составляет порядка 900 °С.

Для производства электроизоляционной керамики в основном используют мел

Белгородского месторождения с содержанием СаСО3 не менее 98 %.

В керамике карбонат кальция используется как основной компонент

кристаллических фаз титанатов, станнатов и цирконатов кальция, анортита,

волластонита, а также входит в состав стеклофазы различных электрокерамик и

глазурей.

Ашарит — борат магния 2MgO•B2O3•H2O является стеклообразующим оксидом.

Его твердость по Моосу — 4. Он добавляется в керамические массы в

количестве 2—3 %. Ашарит в состав ашаритового фарфора вводится в виде

предварительно приготовленного спека из глинозема, ашарита и полевого шпата

в количестве до 60 % массы, для улучшения электроизоляционных свойств

фарфора.

Циркон ZrO2•SiO2 (цирконовая руда) имеет твердость 7—8; плотность его

около 4700 кг/м3. Руду обогащают, в результате полученный циркон содержит

ZrO2 не менее 60 % и Fe2O3 не более 0,15 %. Циркон используется в качестве

основного компонента в стойкой к термоударам керамике и в виде части

кристаллической фазы цирконового фарфора. В последнем случае циркон

вводится в состав фарфора вместо кварца, кристаллическая фаза керамики в

таком случае представлена цирконом и муллитом. Химический состав сырья,

содержащего цирконий, приведен в табл. 7 (см. приложения)./13/

Сырьевые материалы для производства других видов керамики. Тальк разных

Страницы: 1, 2, 3