§ 56. Электрокерамические материалы.

Электрокерамические материалы представляют собой твёрдые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд, алмаз). К электрокерамическим материалам относятся электрофарфор, стеатит и др.

Все электрокерамические материалы по их назначению обычно делят на три группы: 1) изоляторная керамика; 2) конденсаторная керамика; 3) сегнетоэлектрическая керамика.

К первой группе электрокерамических материалов относятся электрофарфор и стеатит. Из этих материалов изготовляют изоляторы низкого и высокого напряжения, а также различные электроустановочные изделия (ролики, основания предохранителей, патронов и др.).

Во вторую группу входят керамические материалы, обладающие большими значениями диэлектрической проницаемости (=20÷500), поэтому из них изготовляют керамические конденсаторы различных конструкций (рис. 121).

Керамические сегнетоэлектрики - это такие электрокерамические материалы, которые обладают очень большой диэлектрической проницаемостью (=1500÷4000), что объясняется происходящими в них процессами самопроизвольной (спонтанной) поляризации.

Рис.121. Керамические конденсаторы: а- дисковой, б- трубчатый, в- бочоночный, г- горшковый.

Все электрокерамические материалы негигроскопичны, стойки к атмосферным воздействиям и обладают хорошими диэлектрическими и механическими свойствами. Недостатком электрокерамических материалов является их сравнительно большая объёмная усадка при обжиге 5-15%. Это создаёт трудности в обеспечении точных размеров в некоторых электрокерамических изделиях (платы с большим количеством отверстий и др.).

§ 57. Изоляторная керамика.

Одним из широко применяемых керамических материалов является электротехнический фарфор. Из него изготовляют многочисленные конструкции изоляторов высокого и низкого напряжения. Исходная электрофарфоровая масса (жидкая и тестообразная) состоит из глинистых веществ (42-50%), кварца (20-25%), калиевого полевого шпата (22-30%) и молотого фарфорового черепа (бракованных фарфоровых изделий) 5-8%.Для того чтобы исходные минералы в процессе термической обработки (обжига) изделий вступили в реакцию, их необходимо предварительно измельчить. Глинистые материалы состоят из мелкораздробленных (мелкодисперсных) частичек, поэтому они не нуждаются в помоле;их распускают в воде.

Каменистые материалы (кварц, полевой шпат или пегматит, фарфоровый череп) вначале подвергают грубому измельчению гранитными катками (бегунами). Дальнейшее измельчение этих материалов производят в шаровых мельницах – вращающихся стальных закрытых цилиндрах, внутренняя поверхность которых выстлана кремниевыми кирпичами. В шаровую мельницу загружают грубо размолотые каменистые материалы, заливают воду (50%) и вводят некоторое количество мелющих тел – кремниевую гальку. При вращении мельницы галька измельчает частицы минералов.

Рис.122. Корж фарфоровой массы.

Рис.123(а). Переработка коржей в пластичную фарфоровую массу в вакуум-прессе: 1- мундштук вакуум-пресса, 2- фарфоровая масс(скалка), 3- конвеерная лента

Рис.123(б). Заготовка штыревого изолятора, отпрессованного в гирсовой форме

Измельчение материалов в шаровой мельнице считается законченным, если частицы минералов проходят через сито в 10 000 отверстий на 1 см² (остаток на сите – не более 1-3%). Распущенные в воде глинистые материалы и размолотые (в шаровой мельнице) каменистые материалы очищают от частиц железа (магнитной сепарацией), затем смешивают друг с другом. Полученная жидкая масса (шликер) содержит 45-50% воды. Её под давлением 6-8 атм пропускают через фильтр-пресс, чтобы удалить из неё 25-30% воды, и получают тестообразную пластичную массу в виде коржей (рис. 122). Затем коржи перерабатывают в пластичную керамическую массу с помощью вакуум-пресса (рис. 123(а)). В результате такой переработки из массы удаляются воздушные включения и достигается равномерное распределение влаги.

Т естообразная фарфоровая масса, полученная из вакуум-пресса, представляет собой монолитный цилиндр 2, который по выходе из мундштука 1 разрезается на куски заданной длины (заготовки). Из нарезанных заготовок вакуумированной массы изготовляют (оформляют) различные типы изоляторов.

Рис.124. Поперечный раздел туннельной

печи(зона охлаждения): 1- колесо вагонетки,

2- рама вагонетки, 3- пол вагонетки,

4- наружная стенка печи, 5- внутренняя

стенка(футеровка) печи, 6- капсули с изоляторами

Изоляторы изготовляют прессованием заготовок в гипсовых (рис.123б ) или в стальных формах и другими методами. Извлечённые из форм изоляторы поступают на оправочные станки, где им придаются окончательное очертание и размеры. Оправленные изоляторы имеют влажность 16-18%. Они поступают в сушилки, где их влажность снижается до 0,5-2%. В связи с удалением воды из изделий происходит воздушная усадка – уменьшение объёма изделий.

Р ис. 125.

Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой суспензией (глазурью). Состав глазури отличается от состава жидкой фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварц, полевой шпат, доломит и др.). В цветные (коричневые) глазури вводят ещё красители – хромистый железняк, пиролюзит и др.

В процессе обжига электрофарфоровых изделий слой глазурной суспензии плавится, создавая на поверхности изделий ровное стекловидное покрытие. Глазурь повышает механическую прочность изоляторов и делает их стойкими к влаге и атмосферным загрязнениям. Цветные глазури служат также для маскировки изоляторов.

Термическую обработку – обжиг изоляторов производят в туннельных печах (рис. 125) непрерывного действия. Эти печи отличаются высокой производительностью.

Туннельная печь представляет собой туннель длиной 100-130 м, наружная кладка которого выполнена из строительного кирпича. Внутренняя же кладка (футеровка) печи и топки сделаны из огнеупорного (шамотного) кирпича. В зоне подогрева и в зоне обжига туннельной печи

располагаются топки, в которых сжигается жидкое топливо (мазут) или газ. Внутри туннельной печи в различных зонах её поддерживается строго определённая температура и состав печных газов (окислительный, восстановительный, нейтральный). Отформованные и высушенные изделия, установленные на вагонетках, перемещаются внутри туннельной печи со скоростью около 2,0 м/час. Они последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения в печи и по выходе из неё представляют собой готовые электрокерамические изделия. При обжиге электрокерамических изделий пламя и газы, поступающие из топок печи, не должны непосредственно действовать на них. Поэтому изоляторы и другие изделия помещают в капсюли (рис. 126), которые представляют собой круглые коробки, изготовленные из огнеупорной керамической массы.

На (рис. 125) показан поперечный разрез туннельной печи с вагонеткой, на огнеупорную поду которой установлены колонны капсюлей с помещёнными в них электрокерамическими изделиями.

Рис. 126. Изоляторы (полуфабрикат), помещенные в огнеупорные капсули для обжига: 1,2,3- капсули, 4,5,6- изоляторы.

П олученные после обжига электрокерамические изделия (изоляторы и др.) подвергаются механическим и электрическим испытаниям. При этом дефектные изделия отбраковывают.

Рис.127. Литые стеатитовые изделия – каркасы катушек.

Таблица 41

Кроме того, у готовых изделий проверяют размеры и внешний вид.Если рассматривать структуру фарфора под микроскопом, то видно, что фарфор

состоит из иглообразных кристаллов муллита (2SiO2 · 3Al2O3), хаотически перепутанных друг с другом.

Промежутки между этими кристаллами заполнены полевошпатовым стеклом, в котором частично растворились зёрна кварца. Сочетание кристаллической и стекловидной фазы обеспечивает достаточно высокую механическую и электрическую прочность фарфорам и отсутствие гигроскопичности. Основные характеристики электрофарфора приведены в табл. 41.

Вторым электрокерамическим материалом является стеатит. Он отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками.

Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 400°С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из электротехнического фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от температур 180-200°С и выше.

Стеатит – материал более дорогой по сравнению с электрофарфором, так как для его изготовления используется более дорогое сырьё. Технология производства стеатитовых изделий сложнее, чем изделий из электротехнического фарфора.

Исходные стеатитовые массы изготовляют на основе природного минерала – талька (3MgO · 4SiO2 · Н2О) и углекислого бария (ВаСО3) или углекислого кальция (СаСО3). Для обеспечения пластичности в стеатитовые массы вводят 15-20% глинистых веществ (бентонитовые и другие глины). Для стеатитов применяют наиболее чистые сорта природного талькового камня с содержанием окислов железа не более 0,5%.

Процесс изготовления исходных стеатитовых пластичных масс не отличается от приготовления электрофарфоровых масс.

Из пластичной стеатитовой массы изготовляют стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом прессования в гипсовых формах.

Наиболее широко распространен способ литья под давлением на парафиновом связующем (парафиновая связка). По этой технологии вначале получают так называемый спек. Это части коржей стеатитовой массы, прошедшие предварительный обжиг в печи, которые подвергают измельчению.

Полученные частицы спека подвергают магнитной сепарации с целью извлечения железистых включений. Очищенный поро­шок спека затем загружают в шаровую мельницу с электрическим обогревом. В нее же загружают парафин (8—16%), олеиновую кисло­ту (0,6—0,8%) и мелющие тела (стеатитовые шары). Мельницу нагревают до 100°С и, закрыв люк, пускают ее во вращение. При этом происходит тонкий помол стеатитового порошка и смешение его с расплавленном пара­фином. Обычно в этой же шаровой мельнице литейная стеатитовая масса подвергается вакуумированию с целью улучшения литейных качеств массы. Приготовленная литейная масса посту­пает в рабочие баки литейных аппара­тов. Оттуда под давлением 3—8 атм она поступает в стальные разъемные или целые формы.

Методом литья под давлением из­готовляют изделия сложного профи­ля, например каркасы катушек (рис. 127), для электрических аппаратов и приборов, ламповые панели, платы и др. Для удаления из отлитых изделий парафина их помещают в огнеупорные коробки — капсюли. Пространства между отлитыми изделиями в кап­сюлях заполняют порошков магне­зии или талька. Капсюли с изделиями плавно нагревают до 800°С и выдер­живают при этой температуре. Пара­фин уходит из отлитых изделий и впи­тывается порошками магнезии или талька. После удаления парафина из­делие подвергают обжигу в печах при конечной температуре 1280°С —1350°С. Объемная усадка стеатитовых изделий составляет 2—6%.

Стеатитовые изделия, полученные методом горячего литья под давлени­ем, имеют плотную и гладкую поверх­ность, не нуждающуюся в глазуровании. Наименьшей объемной усадкой обладают изделия, изготовляемые из литейной массы, в которую предвари­тельно вводятся обожженные минера­лы (спек), составляющие исходную стеатитовую массу.

Основой стеатита являются кристаллы клиноэнстатита (MgO · SiO2).