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

1. Основные сырьевые материалы для производства электро-изоляционной керамики 6

2. 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 ε_r до

3000;

Подгруппа материалы на основе ти-

350.1 таната бария, стронция,

висмута;

Подгруппа материалы на основе ти-

351 таната бария с ε_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:

П одгруппа

1. материалы на

Подгруппа основе алюмосиликатов

511 магния, пористые термо

Подгруппа стойкие;

512

Подгруппа высококордиеритовый

1. 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 α- и β-модификации, тридимит — α-, β- и γ-модификации. Стабиль­ными формами являются β-кварц (при темпера­туре ниже 573 °С), α-тридимит (870—1470 °С) и α-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 α-А1₂О₃ (корунд). Эта модификация характеризуется малым tgδ≈2•10^-4, высоким ρ≈10¹⁴ Ом•м, высокой теплопроводностью и стойкостью к термоударам, наибольшей плотностью (3999 кг/м³).

Две другие модификации: γ-А1₂О₃ и β-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 tgδ (≈50•10^-4 и 1000•10^-4). Технический глинозем представляет собой в основном γ-А1₂О₃ с частичным содержанием гидратов глинозема.

При нагреве γ-Аl₂О₃ переходит в α-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.