烧成助剂的添加对电瓷机械性能的影响*

起着支持和绝缘作用，有时兼做其它电气部件的容器[1]的电瓷是输变电系统的重要组成部分.电瓷在特高压输电工程、电气化铁路工程、西电东送工程、城乡电网建设和改造等方面都起着十分重要的作用[2-3].良好的机械强度、绝缘性能、冷热急变性、化学稳定性及抗老化性等是评价电瓷质量的重要依据，而努力提高电瓷性能，是电瓷研发的重要工作[4].

电瓷的性能与其组成和结构，尤其是显微结构有很大的关系[5-7].优化电瓷的显微结构，进而增强电瓷的机械性能，有效提高电瓷使用性能，具有很大的意义.一般来说，电瓷主要由晶相、玻璃相、气孔相等构成.就普通电瓷而言，晶相主要有莫来石相(一次莫来石和二次莫来石)、残余石英晶粒[8]及刚玉相.晶相既有烧成过程中的物理化学反应形成的新相，也有从制瓷原料中保留下来的残余晶相.玻璃相是电瓷中含量较多的亚稳相，对电瓷的致密化有很大的意义[9].气孔相则多是烧成过程中未完全排除的孔隙，还有一些因残余晶相的存在，冷却过程中在晶粒周围形成的微裂纹.在晶相、玻璃相及气孔相中，晶相对电瓷的性能起着至关重要的作用，而气孔相是导致电瓷性能劣化的主要因素.因此，设法提高晶相比例，降低气孔相的量，对提高电瓷的性能具有决定性的意义[10-12].

电瓷烧成过程中产生足够的可以充填于坯料颗粒间空隙的玻璃液是减少电瓷孔隙的必要条件，而设法在烧成过程中促使玻璃液晶化，提高最终产品中的晶相比例，应该可以提高电瓷强度.根据这一思路，本文尝试添加一些具有较好结晶能力的ZnO，TiO2和ZrSiO4作为烧成助剂，既能保证体系中形成足够的玻璃液，又可促进玻璃液的晶化，从而优化电瓷的显微结构，取得了较好的效果，由此寻找到一种有效提高电瓷强度的手段.

1 实验

1.1 原料

采用某电瓷厂普通电瓷生产坯料，其属于粘土-石英-长石三元体系，化学成分见表1.以化学纯ZnO，TiO2，ZrSiO4粉末作为助剂，分别过200目筛，充分烘干备用.

表1 坯料的化学成分Tab.1 Chemical compositions of raw materials成分SiO2Al2O3Fe2O3K2ONa2OTiO2LOI质量分数/%

1.2 工艺过程

分别称取4份适量的生产用泥浆，计算干基质量，其中三份分别外加质量分数为2%的ZnO，TiO2，ZrSiO4粉末之一，而另一份不加入任何助剂的作为空白样.将上述四样再继续分别球磨2 h，使所加烧成助剂均匀分散于泥浆中；用石膏模脱水，至泥料水分为20%～22%；利用试验用小型真空练泥机揉制3次，阴干至水分为16%～17%，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 d，再移至烘房与电瓷毛坯一同均匀干燥至发白状态，出烘水分控制在1.5%～2.0%间，用浸釉法手工上釉，每组试条各1/3数量制备棕釉样、灰釉样、无釉样.

将干燥后的样品随同批次产品一起装于自动控制的车底窑中，与普通电瓷毛坯一起烧成.其烧成曲线如图1所示.

图1 电瓷烧成曲线图Fig.1 The sintering curve of siliceous insulator

1.3 分析测试

用三点弯曲法在FR-103C电子万能试验机上测量抗弯强度；利用Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜观测样品的显微结构特征；采用德国布鲁克的D8 Advanced型X射线衍射仪测定样品的晶相构成，测试条件为CuKα靶(λ=0.154 06 nm)；利用Rietveld Quantification软件处理XRD数据以定量确定主要物相的种类及含量.

2 结果与讨论

2.1 添加烧成助剂对抗弯强度的影响

图2给出了分别外加质量分数2%的ZnO，TiO2，ZrSiO4的样品及没有添加烧成助剂的空白样品的抗弯强度情况.每组样品又分为纯瓷样、棕釉样和灰釉样.

图2 添加助剂对抗弯强度的影响Fig.2 Evolution of bending strength with different additives

实验结果表明：不论是否上釉，外加了2%烧成助剂样品的弯曲强度都较没有添加烧成助剂的空白样有显著提高.其中，1)未上釉的纯瓷样品中抗弯强度增大的顺序为ZrSiO4> TiO2> ZnO >空白样，前三者的抗弯强度提高率均超过了25%；2)棕釉样、灰釉样中抗弯强度增大顺序为TiO2> ZrSiO4> ZnO >空白样，抗弯强度的提高效果略逊于未上釉的纯瓷，但抗弯强度提高率也达到了10%～20%不等.外加相同的烧成助剂时，上釉样试条的抗弯强度更高，灰釉样尤为突出，这也证实了釉层能提高瓷件的机械性能，灰釉样的坯-釉匹配性更好.

ZnO中，Zn2+离子半径小、场强大，在烧成高温过程中游离氧足够多时，可以形成[ZnO4]进入玻璃结构网络，使得无定形态的玻璃相易于分相、核化与晶化.Ti4+，Zr4+由于场强小于Si4+，当加入量少时可加速玻璃分相，促进玻璃相析晶，诱导玻璃的整体晶化.

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