多次烧成对电瓷机械性能的影响

0 引言

主要起支持和绝缘作用，有时兼做其他电气部件容器的电瓷材料是输变电系统的重要组成部分[1]。烧成可使坯体发生一系列物理化学变化，最终获得各项性能符合要求的电瓷制品，是制备电瓷的关键工序[2]。电瓷性能直接影响输变电系统的安全性及有效性，机械强度、绝缘性能、环境适应性以及外观质量等是评价电瓷产品的重要依据[3]。电瓷制造过程中，有时还存在多次烧成的现象，例如，大型电瓷套管的无机粘接，电瓷制品表面一些轻微缺陷的修复等。

在高压输变电中,绝缘性能、耐高压等级与电瓷套管高度成正比。大型电瓷产品，如1 000 kV变电站所使用的高度达十余米的套管，由于制造工艺的局限，往往要多段制造，再通过无机粘接或有机粘接的办法粘接组装成产品。无机粘接，即为通常所说的釉接，将釉涂覆于瓷件的粘接处，于钟罩窑中再次烧成[4]，可形成一体、不易老化。

随着电瓷产品的增多，一些机电性能符合要求，但存在少量诸如小面积缺釉、釉泡或杂色斑点等瘕疵的产品却不被用户接受[5]，这势必造成一些资源与能源上的浪费[6]。以湖南醴陵为例，现电瓷的年产值约为30亿元，废品率高达20%，相应地损失了约6亿元的年产值。对其中有表面缺陷且具有修复意义的电瓷制品进行再加工生产，就相当于新建了一个规模不小的电瓷厂。因表面缺陷而导致废品的现象在其他类型陶瓷制品中也常见[7]，用类似于补釉的方法进行电瓷的无机修复，也需要进行多次烧成。

多次烧成对电瓷机械性能的影响，虽然引起了人们的重视，但在文献中却鲜有报道。一般认为，多次烧成会使得瓷材料晶体异常长大，从而导致其性能弱化，但弱化的程度还很少有实验证实。某电瓷厂据此曾规定产品的重烧次数不能多于2次。

笔者通过测试多次烧成的电瓷试件的抗折强度，对显微结构的观察剖析[8]能有效验证多次烧成对瓷材料机械性能的影响，旨在为电瓷的重烧提供依据。

1 实验

1.1 原料

采用某电瓷厂普通硅质电瓷生产坯料，其属于粘土—石英－长石三元体系，化学成分见表1。

表1 坯料的化学成分Table 1 Chem ical com position of raw materials w t%

1.2 工艺过程

从电瓷生产泥料中选取适量的样品，经试验用立式真空练机挤制2次，再挤制出规格为Φ20 mm×130mm试条，先置于室内干燥3天，再转移至烘房与制品毛坯一同干燥，出烘房时试条水分在2.5%~2.8%之间。

将干燥后的样品一部分以浸釉法上釉，另一部分不上釉。随同批次电瓷半成品一起装窑，利用工业梭式窑与同类电瓷产品一起烧成。每次出窑后，除留下必要的试条作测试外，其余部分再随下一批次电瓷半成品重烧，反复多次。电瓷及试条烧成曲线见图1。

图1 电瓷烧成曲线图Fig.1 The firing curve of siliceous porcelain

1.3 性能检测

试验样品编号情况见表2。

表2 样品类别Table 2 Classification of sam ples

采用3点弯曲法在FR-103C万能试验机上分别测定了上述8组试条的抗折强度，计算其平均抗折强度和样本标准差，后者表征强度分散性；利用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜观测试样的显微结构特征；采用D/Max 2500型X射线衍射仪测定样品的物相组成与含量。

2 结果与分析

2.1 抗折强度的变化情况

图2是在相同测试条件下，样品的抗折强度与烧成次数的关系图。不论是上釉试条还是无釉试条，多次烧成均使样品的抗折强度有一定程度的降低。上釉试条样品中，C1的抗折强度为122.75 MPa，C2、C3、C4对应试条的抗折强度降低幅度分别为3.71%、8.54%、14.28%；同样的，素坯样品中P1的抗折强度为 95.08 MPa，P2、P3、P4 的 降 幅 分 别 为 2.99% 、4.59%、6.05%。

同样的条件下，上釉试条较素坯试条的抗折强度高。因为釉的膨胀系数一般低于坯的，烧成冷却后，会在瓷件表层产生压应力，从而提高试条的抗折强度；凝固的釉可视为一种连续相，一定程度上釉层能填平并阻断瓷体表面的气孔，阻止裂纹扩展，从而改善产品的力学性能，这也证实了釉层能提高瓷件的机械性能。随着烧成次数的增加，上釉试条的抗折强度降低幅度要高于素坯试条，这可能是因为反复烧成，坯釉间可产生相互融合，从而降低了两者膨胀系数的差别。

图2 样品抗折强度与烧成次数的关系Fig.2 Bending strength of sampleswith increasing firing numbers

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