用添加剂提高电瓷强度的研究

0 引 言 电瓷是输变电工程不可或缺的关键零部件[1,2,4]，它应具有良好的机械性能、电气绝缘性能、热学性能、化学性能及耐老化性能[5]。而这些性能与电瓷的组成和结构，尤其是显微结构密切相关[3,6,7,8,9]。优化电瓷的显微结构，可提高电瓷的机电性能，进而有效提高电瓷使用性能。一般而言，电瓷的晶相主要是莫来石(一次莫来石和二次莫来石)、石英(有新生石英和残余石英颗粒)[9]及刚玉。电瓷中大量的亚稳相——玻璃相对其致密化有很大的意义[10]。电瓷中的气孔相则多是烧成过程中未完全排除的孔隙以及在晶粒周围形成的微裂纹，对材料性能影响很大。总之，电瓷各相，晶相对电瓷的性能起至关重要的作用，而气孔相则可导致电瓷性能劣化。设法提高晶相比例，降低气孔相含量，是提高电瓷性能的重要途径[11,12,13]。 本文尝试在普通电瓷坯料中添加少量的具有较好结晶能力的ZnO、TiO2和ZrSiO4，既可保证电瓷的烧成工艺制度不变，又能促进电瓷烧成过程中晶相的生成，从而得到优化的电瓷显微结构，并由此提高电瓷的抗弯强度。 1 实 验 1.1 原料 华鑫公司普通电瓷生产坯料(化学成分列于表1)，化学纯的ZnO、TiO2、ZrSiO4粉末。分别将它们烘干至恒重，备用。 1.2 工艺过程 称取4份适量的生产坯料用泥(本次实验为3 kg)，其中三份分别外加2wt.%的ZnO、TiO2、ZrSiO4粉末之一；而另一份不加入任何添加剂而作为空白样。将上述四样化浆，并在球磨坛中球磨2 h，使添加剂均匀分散；将所得泥浆倒入石膏模中脱水，至泥料水分为20%-22%；用小型真空练泥机揉制3-5次，再挤制出规格为Φ20 mm×130 mm试条。试条先置于室内自然干燥3天，再移至烘房与电瓷毛坯一同干燥至发白，出烘水分控制在1.5-2.0%。用浸釉法手工上釉。每组试条总数的1/3上了棕釉，1/3上了灰釉，另1/3则没有上釉。将准备好的试条样品与电瓷产品在自动控制的车底窑中同窑烧成。其烧成曲线如图1所示。 1.3 性能表征 在FR-103C电子万能试验机上用三点弯曲法测量了抗弯强度；在Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜观测了样品的显微结构特征；用德国布鲁克的D8 Advanced型X射线衍射仪测定了样品的晶相成分，测试条件为CuKα靶(λ=1.5406?)；并用Rietveld Quantification软件处理XRD数据以定量确定主要物相的含量。 表1 坯料的化学成分Tab.1 Chemical composition of raw materials成分SiO2Al2O3Fe2O3K2ONa2OTiO2LOI含量 /wt.% 图1 电瓷烧成曲线图Fig.1 The sintering curve of siliceous insulator 图2 添加助剂对抗弯强度的影响Fig.2 Evolution of bending strength with different additives 2 结果与讨论 2.1 添加添加剂对抗弯强度的影响 图2给出了各类样品的抗弯强度情况。 实验结构表明，样品无论是否上釉，使用了添加剂后，可使样品的抗弯强度得以显著的提高。其中不上釉的(1)纯瓷样品中抗弯强度增大的顺序为ZrSiO4>TiO2>ZnO >空白样，其提高率都超过了25%；(2)棕釉样、灰釉样中TiO2>ZrSiO4>ZnO >空白样，抗弯强度提高率也达到了10%-20%不等。 2.2 添加助剂对显微结构的影响 采用了添加剂后，可使样品的晶相、玻璃相和气孔相发生显著变化。图3为没有采用添加剂空白样的SEM图，从图3(a)可以看到样品的孔洞较多且不均匀，除了在石英颗粒周围形成的有显裂纹外，还聚集有大量的微裂纹；从图3(b)则可观察存在有大量呈短簇状的一次莫来石，而呈针状、交联状态的二次莫来石很少。 图4依次为添加2wt.%ZnO、TiO2、ZrSiO4样品的SEM图。放大倍数较低的显微结构照片图4(c)、(e)、 (g)，与图3相比，孔隙率已有所减少，虽仍可见到石英颗粒周围的裂纹，但微裂纹聚集扩展趋势却已较图4(a)明显减弱。尤其是4(g)图，添加了ZrSiO4的样品，没有观察到聚集的或者连通的孔隙，微裂纹只见于较大的残余石英颗粒周围。 放大高倍较大的SEM照片上，如图4(d)、(f)中，都可见到呈良好交联态的针状二次莫来石，而短柱簇状的一次莫来石的量明显减少。 2.3 添加助剂对物相组成及含量的影响 图5给出了各类样品的XRD图谱。没有使用添加剂的空白样的晶相主要有莫来石、石英，加入添加剂后，除了基本的晶相成分外，还产生了一些新的晶相。例如，添加了ZnO后，可出现少量的方石英、刚玉、锌尖晶石等物相。而添加了TiO2后，则出现了少量金红石及方石英相；而添加了ZrSiO4后，则出现了方石英及锆英石相。瓷件物相组成发生改变，除均有不等量的方石英相产生，同时也因为掺杂不同成分的助剂分别形成了其他的晶相。表2列出了各样品中物相的半定量分析结果。与空白样相比较，添加TiO2、ZnO、ZrSiO4样品最显著的特征是显著减少了体系中的玻璃相含量。 图3 空白样的SEM图((a)、(b)—没有添加任何助剂的空白样)Fig.3 SEM images of samples without additives 图4 添加2wt%助剂的样品SEM图Fig.4 SEM images of different samples with 2wt.% additives((c), (d)—ZnO; (e), (f)—TiO2; (g), (h)—ZrSiO4) 表2 样品XRD半定量分析结果Tab.2 Semi-quantitative XRD analysis of siliceous porcelain空白样ZnOTiO2ZrSiO4莫来石石英颗粒方石英\刚玉\1.1\\锌尖晶石\10.6\\金红石\\1.3\锆英石\\\2.6无定形相 图5 各样品粉料的XRD图谱Fig.5 XRD patterns of different samples 3 结 论 添加2wt.%的ZnO、TiO2及ZrSiO4，可显著地提高电瓷的抗弯强度，也可优化瓷的显著结构及物相构成。 适当的添加剂，可以显著改变瓷系统中的晶相、玻璃相及气孔相的相对含量及其分布，从而改善瓷的显微结构，并提高瓷件的机械性能及其它相应的性能，是值得深入探讨的。

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