Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками (стр. 10 из 18)

Фаза	Массовое содержание, %, в образцах из массы (по данным РФА)
	М-0	М-1	М-2	М-3	М-4	М-5	М-6	К-1	К-2	К-3	К-4
α-Al2O3МуллитСтеклоЦинковая шпинельКордиерит	461143--	48547--	48448--	4310398-	46648--	43651--	451238-5	461341--	441145--	51-49--	465445-

Если при введении ВаСО₃ затравками служат уже существующие зерна корунда и происходит их рост, то при добавлении доломита затравки образуются в самом расплаве, откуда затем растут кристаллы корунда. Введение комплексной добавки, содержащей кроме доломита еще оксид титана (материал К-3), приводит к практически полному растворению муллита. Этот материал характеризуется наиболее высоким содержанием корунда по сравнению с введенным глиноземом.

Из табл.9 видно, что существенных различий свойств опытных материалов не наблюдается. Так, модуль упругости колеблется в пределах 116*10³ – 128*10³ МПа, механическая прочность составляет 180 – 210 МПа, электрическая прочность – 32.1 – 35.0 кВ/мм. Несколько ниже указанные параметры у материала К-3, содержащего в качестве минерализатора доломит и оксид титана.

Таким образом, наиболее перспективными минерализаторами являются доломит (5%), ВаСО₃ (5%) и комплексный минерализатор ВаСО₃ (3%) и ZnO(2%). Введение указанных минерализаторов позволяет снизить температуру спекания фарфора и практически не оказывает влияния на его основные характеристики [8]

Исключение кварца из состава глиноземистого фарфора для высоковольтных изоляторов

Более 150 лет тому назад, в 1849г., В. Фон Сименс впервые использовал фарфоровые изоляторы для телеграфной линии от Франкфурта до Берлина. Таким образом, фарфор считается самым традиционным среди изоляционных материалов. В настоящее время имеются изделия, которые, без сомнения можно назвать продуктами высокоразвитой технологии.

Фарфоровые изоляторы играют весьма важную роль. Поэтому необходимо всесторонними испытаниями заранее определять и подтверждать различные виды нагрузок на изоляторе.

На изоляторы действуют многочисленные нагрузки, поэтому повышение прочности фарфора было и будет целью научно-технических исследований.

Постоянно повышающиеся требования, предъявляемые к фарфору в качестве конструкционного материала по мере бурного развития промышленности, приводят к необходимости улучшения свойств фарфора и всесторонним его испытаниям.

Уменьшение структурных напряжений фарфора и разработка глиноземистого фарфора

Внедрение глиноземистого фарфора было огромным достижением разработчиков новых материалов. Использование его вместо применяемого до тех пор кварцевого фарфора не только повысило надежность продукции, но резко сократило проблемы, связанные с качеством и эксплуатационными неполадками изоляторов.

Д. Вейль вычислил примерные величины внутренних напряжений в кварцевом фарфоре.

По его подсчетам, в обыкновенном фарфоре высоковольтного назначения могут возникать структурные напряжения (не менее 4000 кг/см²), вызванные усиленной термической усадкой кварцевых частиц. Если величина предела прочности стекловидной фазы при растяжении будет равна 1000 кг/см², тогда структурные напряжения на границе кварцевых и кристобалитных зерен электрофарфора могут привести к возникновению микротрещин, размеры которых соответствуют величине зерен этих кристаллов. Рис.11 – 13 подтверждают предположения Вейля. Во время эксплуатации такие микротрещины, исходящие от кварцевых или кристобалитных зерен и обусловленные структурными напряжениями, могут увеличиваться для высоковольтных изоляторов, при этом значительно снижается прочность изолятора в результате увеличения трещин, особенно при внезапном нагреве и длительной эксплуатации.

Особенно чувствительными являются кварцевые фарфоры, сцепленные с замазкой из портландцемента.

Здесь силы, действующие в процессе эксплуатации, вызывают местные пики напряжения в зоне замазывания между фарфором и арматурой, которые считаются причиной повреждения структуры.

Таким образом, за счет увеличения микротрещин, исходящих от кварцево-кристобалитного зерна, прочность нагруженного изолятора снижается: он стареет.

Вызванные этим случаи повреждения изоляторов кварцевого фарфора, примененных в атмосферных условиях, например длинностержневых изоляторов для воздушных линий в Германии, железнодорожных изоляторов в России и колпачково-стержневых изоляторов в Греции, привели к необходимости их замены.

Кристобалитовый фарфор с112 – поврежденная микроструктура с разрушенным зерном кристобалита

Рис. 11

Поэтому снижение стуктурных напряжений стало главной задачей структурного совершенствования материалов для высоковольтных изоляторов. Это важный шаг был сделан в результате разработки глиноземистого фарфора, в котором кристаллический кварц замещается совсем новым компонентом структуры, обеспечивающим ее прочность – α-Al₂O₃, т.е. корундом.

Внедрение глиноземистого фарфора сразу сократило такие постоянные проблемы, как пористость, неполадки при механических и электрических типовых испытаниях, а также выход из строя изоляторов при эксплуатации. Внедрение глиноземистого фарфора обеспечило высокое качество фарфоровых изоляторов.

Разрушенное зерно кварца с трещиной, возникшей вследствие внутренних напряжений в глиноземистом фарфоре с130.

Рис. 12

Вредный кристаллит кварца с обломом на месте отделения от стеклофазы в глиноземистом фарфоре

Рис. 13

Таблица 11 Плотность, коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктуры фарфора при тепловом расширении

Параметр	Корунд	Муллит	Стеклофаза	Кварц	Кристобалит
Плотность, г/см3	3.98	3.16	2.27	2.65	2.33
Коэффициент теплового расширения 106	8.0	4.5	3.0	12.3	10.3
Поведение при расширении:линейноенеравномерное	+-	+-	+-	-+	-+

Повышение прочности при изгибе фарфора по мере увеличения содержания Al₂O₃

Рис. 14

Влияние содержания Al₂O₃ и тонкости помола массы на прочность

Рис.15

Одновременно виден эффект повышения прочности образцов с глазурью и соответствия коэффициента теплового расширения

Рис.15 показывает влияние содержания глинозема и тонкости помола массы на прочность. Эффект повышения прочности объясняется не только раздроблением агломераций глинозема, но и одновременным уменьшением величины частиц общей системы, преимущественно кварцевых фракций в полевом шпате. Совместный помол компонентов системы имеет гомогенезирующий эффект и активизирует поверхности частиц. Поэтому при замене помола более дешевым смешиванием качество микроструктуры, особенно прочности, снижается. Однако, высокое содержание корунда и минимальное содержание кристаллов кварц-кристобалита в микроструктуре глиноземистого фарфора обеспечивает его высокую прочность. Но одновременно и высокую стойкость к изменениям температуры по сравнению с кварцево-кристобалитным фарфором. Такой положительный эффект объясняется прежде всего показателями теплового расширения компонентов микроструктуры. Табл. 11 показывает соответствующие показатели: плотность, коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктуры фарфора при расширении.

Значительное сокращение в микроструктуре глиноземистого фарфора количества нежелательных кристаллов кварца и кристобалита с их неравномерными, скачкообразными изменениями объема (рис.16) повышает его стойкость к резким изменениям температуры, одновременно позволяя применение свинцовой замазки.

Пластично-упругие свойства свинцовой замазки вместо хрупкого портландцемента позволяют при нагрузке снять дополнительные напряжения в структуре фарфора и, избегая точкообразных пиков напряжения, исключить его повреждения в зоне замазывания.

Поэтому в настоящее время можно считать внедрение свинцовой замазки вместо портландцемента для фарфоровых изоляторов, подвергающихся нагрузкам растяжения, примерно таким же важным шагом развития, как одновременный переход от кварцевого фарфора к глиноземистому фарфору.[9]

Старение микроструктуры фарфора

Рис. 17 показывает распределение сил, вызванных изломом изоляторов при различных сроках эксплуатации (новых, 20 и 35 лет), которые были выпущены одним и тем же производителем. По мере повышения срока эксплуатации можно наблюдать явное уменьшение средней несущей способности и увеличение разброса. Особенно характерным является определение величины 1%-ного квантеля силы разрушения для хрупких материалов (99% изоляторов превышают эту величину).

Если рассмотреть ход старения по времени на рис. 18, то видно, что все партии изоляторов данного производства характеризуется снижением силы, вызывающей излом. Новый керамический материал (А), основанный на глиноземе, в неиспользованном состоянии отличается существенно более высоким уровнем силы, вызывающей излом, в связи с чем уже начальные условия обеспечивают соответственное удлинение срока эксплуатации изоляторов.

Обобщая результаты вышеуказанных исследований использования изоляторов, можно сделать следующие выводы: