книги из ГПНТБ / Аветиков В.Г. Магнезиальная электротехническая керамика

40685-67 для плотных кордиеритовых материалов группы

410 допустимая величина тангенса угла диэлектрических

характеристика указанным стандартом не нормируется. По этой причине кордиеритовую керамику используют в электро- и радиотехнике как электроизоляционный стойкий к термоударам и дугостойкий материал.

Так как стойкость к термоударам и дугостойкость являются основными характеристиками кордиеритовой керамики, далее излагаются некоторые сведения о их зависимости от различных факторов.

Известно, что стойкость к термоударам является ком­ плексом многих свойств керамических материалов. Ме­ тодики разных стандартов определения стойкости к тер­ моударам сильно отличаются друг от друга. Поэтому за­ служивают внимания попытки рассчитать стойкость к термоударам. Формулы расчета интересны и тем, что показывают, какими свойствами материалов определяет­ ся стойкость к термоударам и от каких факторов зави­ сит. Разрушение при испытаниях на стойкость к термо­ ударам наступает, когда напряжения на поверхности из­ делия, возникающие' в результате резкого перепада тем­ ператур (термического удара), превышают механическую прочность при растяжении.

Приведенные ниже формулы расчета стойкости к тер­ моударам применимы в случае, если под стойкостью к термоударам понимают тот минимальный перепад тем­ ператур, при котором на керамике появляется первая

где о — механическое усилие при растяжении, при кото­ ром происходит разрушение образца; ц — коэффициент Пуассона; Е — модуль упругости; а — температурный ко­ эффициент линейного расширения; %— теплопроводность; С — удельная теплоемкость; d — объемная масса.

Большое значение имеет форма изделия, которая учи­ тывается при расчете стойкости к термоударам по сле­ дующей формуле:

(4-2)

гости, ТК.ЛР, удельной теплоемкости и объемной массы (уменьшении пористости). Увеличение размеров образца (изделия), главным образом толщины, снижает стой­ кость к гермоударам. Что касается формы изделий, то наличие отдельных частей изделия с большой разницей по толщине весьма отрицательно влияет на стойкость к термоударам, так как в местах, где разница толщины изделия имеет большие значения, концентрируются на­ пряжения.

Влияние различных характеристик на стойкость к тер­ моударам не равнозначно. Наибольшее влияние оказы­ вает прежде всего ТКЛР, затем прочность при растяже­ нии и модуль упругости. Большое значение также имеет пористость. Плотная кордиеритовая керамика (как и другие виды тонкой керамики) менее стойка к термоуда­ рам по сравнению с пористой. К числу факторов, повы­ шающих стойкость к термоударам кордиеритовых мате­ риалов, относятся свойственное кристаллам кордиерита анизотропное расширение и сжатие при нагревании и охлаждении. Как было указано выше, кристаллы с та­ кими свойствами имеют малую среднюю величину тем­

кристаллов, — причина появления в материале микротре­ щин, которые делят изделие на отдельные частицы. Та­ кие частицы могут незначительно сдвигаться, следствием чего являются повышение упругости структуры, возмож­ ность более свободного расширения и сжатия кристал­ лов и повышение стойкости к термоударам.

Другое важное свойство электротехнической кордиеритовой керамики — ее высокая дугостойкость. Это свой ство также зависит от многих условий. При работе вы­ соковольтной и низковольтной электроаппаратуры по­ является электрическая дуга, температура которой до­ стигает 20 000°С. Однако время горения дуги весьма незначительно, исчисляется долями секунд. Возникшая электрическая дуга прерывается и гасится в специаль­ ных дугогасительных камерах электроаппаратуры. Дуго­ гасительные решетки камер или детали, из которых вы­ полнены решетки, должны выдерживать без разрушения резкий перепад температур (термический удар) при воздействии электричской дуги. Поэтому керамика, при­ меняемая для изготовления дугогасительных устройств,

должна отличаться высоким электрическим сопротивле­ нием, большой стойкостью к термоударам и дугостойко­ стью.

Допускается оплавление поверхностного слоя стенок керамических решеток или ее деталей во время горения дуги. Образующийся из-за плавления керамики остекло­ ванный слой (как бы покрытие) должен быть прочно связан с керамикой во избежание его разрушения, ска­ лывания и вызванного этим загрязнения электроаппара­ туры. Для этих целей применяется дугостойкая керами­ ка с возможно большей огнеупорностью для уменьшения ее оплавления при эксплуатации. Однако огнеупорность керамического материала не является основным свойст­ вом, определяющим его пригодность для производства дугостойких изделий, так как огнеупорность даже наи­ более жаростойких керамических материалов не превы­ шает 2 000—2 500°С, а температура дуги во много раз выше.

Более существенным является прочность связи кера­

го материала и остеклованного слоя.

Чем меньше разница в ТКЛР керамического матери­ ала и покрытия (глазури, стекла, эмали), тем больше прочность их сцепления. Наиболее благоприятным явля­ ется тот случай, когда ТКЛР покрытия меньше, чем ке­ рамики, тогда покрытие находится в состоянии сжатия и в результате повышаются механическая прочность ке­ рамики и стойкость к термоударам, а также прочность связи керамики и покрытия. При этом условии умень­ шается возможность появления на покрытии дефектов: цека, трещин, отрыва от керамики и пр.

Зависимости теплового расширения керамики и по­ крытия от температуры должны быть согласованными. В противном случае между керамикой и покрытием воз­ никают внутренние напряжения, которые могут привести к отрыву покрытия, если напряжения превышают силу сцепления керамики и покрытия и прочность керамики при растяжении. По существующей методике дугостой­ кость керамических материалов на образцах определя­ ется при пониженном напряжении и токе, но, несмотря на это, дает известное представление о дугостойкости электрокерамики. Для исчерпывающего суждения о ду­ гостойкости керамических материалов, применяемых

в высоковольтной аппаратуре (например, высоковольт­ ных магнитных выключателях и других устройствах), необходимо проверить керамические детали в электро­ аппаратуре при номинальных напряжении и токе. В этом случае керамические изделия испытываются в более же­ стких условиях, больше разрушаются и оплавляются. По результатам таких испытаний судят об истинной дуго­ стойкости' керамики и пригодности ее для разных целей.

Испытания деталей одинаковой конструкции из кордиеритовой К-2 и сподуменовой керамики ЛС-9 в дугогасительных камерах высоковольтных магнитных выклю­ чателей показывают следующее. Более дугостойки кордиеритовые детали, выдерживающие испытания без раз­ рушения при напряжении 6 кв .и токе до 50 ка, Сподуменовые детали выдерживают испытания при напряже­ нии 6 кв и токе до 20 ка. При больших токах на сподуменовых деталях появляются трещины.

с керамикой слой толщиной 30—350 мкм. Этот слой пред­ ставляет собой стекло, отвечающее по составу кордиериту (УѴ=1,586±0,02), в которое вкраплены кристаллы же­ лезистого кордиерита (уѴ= 1,650 ч- 1,670). На сподумено­ вых деталях после испытаний при напряжении О кв и токе 20 ка образуется слой, легко отделяющийся от ке­ рамики. Этот слой достигает максимальной толщины 60 мкм. Он состоит в разрезе из кристаллов ß-сподумена и стекла, имеющего состав сподумена (N;= 1,516н-1,523) ; слой стекла имеет толщину около 20—30 мкм. Отрыв оплавленного слоя происходит в месте контакта споду­ меновой керамики и стекла; частично совместно со стек­ лом открывается керамика, состоящая из кристаллов ß-еподумена.

Остеклованный слой, образующийся на кордиеритовой керамике при воздействии электрической дуги, проч­ но связан с керамикой. Последнее объясняется, во-пер­ вых, сравнительно малым различием между ТКЛР кордиеритовой керамики К-2 и остеклованного слоя кордиеритового состава. Температурные коэффициенты линей­ ного расширения этих материалов мало отличаются друг от друга и при температурах 20—700 °С составляют око­ ло ЗЛО-6 СС~1. Во-вторых, благодаря тому что ход кри­ вых теплового расширения их мало различается. Поэтю-

му между кордиеритовой керамикой и стеклом не возни­ кает значительных внутренних напряжений, приводящих к отрыву остеклованного слоя даже при резком терми­ ческом ударе.

По-другому ведет себя сподуменовая керамика ЛС-9, которая сильно отличается по ТКЛР от сподуменового

700 °С) его величина положи­ тельна (рис. 4-7). Как показано ниже, стекла системы Li20 —А120 з—Si02 имеют большой ТКЛР (в 2 раза боль­ ше, чем стекла системы Mg0-^-Al20 3—Si02). Из-за боль­ ших различий между ТКЛР сподуменовой керамики и сподуменового стекла, а также из-за несоответствия хода кривых их теплового расширения между керамикой и остеклованным слоем при термоударе возникают боль­ шие напряжения, что приводит к отрыву остеклованного слоя.

Стекла различных систем в интервале температур 20—500°С имеют значения ТКЛР:

Из-за особенностей теплового расширения сподуме­ новой керамики, несмотря на то что она имеет очень низ­ кий ТКЛР, высокую стойкость к терімоударам и большое удельное объемное электрическое сопротивление, ее при­ менение как дугостойкого материала ограничено. В от­ личие от кордиеритовой керамики она может быть при­ менена для изготовления дугостойких деталей электро­ аппаратуры, предназначенной для работы при меньших токах и напряжении.

Свойства кордиеритовых материалов во многом опре­ деляются шихтовым, химическим и минералогическим составом. В составе различных кордиеритовых материа­ лов содержание окислов, образующих кордиерит, колеб­

кордиеритовых материалов находятся в поле корунда или

ные количества муллита, корунда и других минералов. Присутствие в кордиеритовом материале минералов с большим тепловым расширением, чем у кордиерита,

повышает ТКЛР, а следовательно, снижает стойкость к термоударам и дугостойкость. Исключение составляет корунд; хотя его ТКЛР намного выше, чем у кордиери­ та, благодаря высокой теплопроводности содержание ко­ рунда в кордиеритовой керамике значительно повышает ее стойкость к термоударам и дугостойкость, несмотря на некоторое одновременное увеличение ТКЛР. Поэтому в кордиеритовые материалы часто вводят корунд. Так, в состав отечественных кордиеритовых материалов К-2, К-4, Л-24 и др. вводят электрокорунд или обожженный технический глинозем (10—20%). Наличие в этих мате­ риалах корунда — одна из причин их высокой стойкости к термоударам и дугостойкости.

Следует отметить роль муллита, нередко содержаще­ гося в кордиеритовых материалах. Муллит несколько снижает стойкость к термоударам и дугостойкость кор­ диеритовой керамики, так как ТКЛР муллита выше, чем кордиерита, а по теплопроводности эти минералы мало различаются. Присутствие муллита объясняется тем, что он образуется при обжиге кордиеритовых материалов как промежуточная фаза, а реакции получения из него кордиерита полностью не завершаются, о чем подробнее сказано ниже.

В табл. 4-10 приведены составы различных кордиеритовых ма­

разцов кордиеритовых материалов № 1—6 (табл. 4-10). Образцы обожжены при температурах, обеспечивающих водопоглощение ма­ териала около 3—8% (табл. 4-11). Исключение составляют образцы

Свойства кордиеритовых материалов

кордиеритовых материалов объясняется более высоким тепловым расширением метасиликата магния, силимакита и особенно форстери­ та по сравнению с кордиеритом. Как видно из данных табл. 4-11, у образцов всех кордиеритовых материалов высокий тангенс угла диэлектрических потерь, снижающийся при увеличении частоты от ІО5 до ІО7 гц с 200—300 до 9—36. Наименьший tg Ô имеет материал № 1 из-за большого содержания форстерита. Малая величина s ма­ териала № 2 при указанных частотах объясняется его высокой пори­ стостью. Кордиеритовый спекшийся материал из химически чистых окислов с незначительной добавкой бентонита, у которого содержа­

4-3. ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИИ ИЗ КОРДИЕРИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

а) Приготовление кордиеритовых масс

Кордиеритовые массы, применяемые для изготовле­ ния изделий, содержат непластичные материалы: тальк, магнезит, корунд, глинозем, кварцевый песок, добавки полевых шпатов, пегматитов и др. и пластичные: глину, бентонит, каолин. Наиболее рациональная технология приготовления кордиеритовых материалов заключается