李玉平，章 鵬，徐小燕，馬天齊，蔡明俐，楊雪峰

（1. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412207）

用添加劑提高電瓷強度的研究

李玉平1，章 鵬1，徐小燕1，馬天齊1，蔡明俐1，楊雪峰2

（1. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412207）

在電瓷坯料中，分別外加了2wt.%的ZnO、TiO2、ZrSiO4，再制坯、擠制試條，與產(chǎn)品同窯燒成，之后測量試條的抗彎強度，觀測其顯微結(jié)構(gòu)，測量其物相組成。加入少量的添加劑可顯著提高試條的抗彎強度，優(yōu)化樣品的顯微結(jié)構(gòu)、提高其晶相含量。

添加劑；抗彎強度；顯微結(jié)構(gòu)；電瓷

0 引 言

電瓷是輸變電工程不可或缺的關(guān)鍵零部件[1,2,4]，它應(yīng)具有良好的機械性能、電氣絕緣性能、熱學(xué)性能、化學(xué)性能及耐老化性能[5]。而這些性能與電瓷的組成和結(jié)構(gòu)，尤其是顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3,6,7,8,9]。優(yōu)化電瓷的顯微結(jié)構(gòu)，可提高電瓷的機電性能，進而有效提高電瓷使用性能。一般而言，電瓷的晶相主要是莫來石(一次莫來石和二次莫來石)、石英(有新生石英和殘余石英顆粒)[9]及剛玉。電瓷中大量的亞穩(wěn)相——玻璃相對其致密化有很大的意義[10]。電瓷中的氣孔相則多是燒成過程中未完全排除的孔隙以及在晶粒周圍形成的微裂紋，對材料性能影響很大。總之，電瓷各相，晶相對電瓷的性能起至關(guān)重要的作用，而氣孔相則可導(dǎo)致電瓷性能劣化。設(shè)法提高晶相比例，降低氣孔相含量，是提高電瓷性能的重要途徑[11,12,13]。

本文嘗試在普通電瓷坯料中添加少量的具有較好結(jié)晶能力的ZnO、TiO2和ZrSiO4，既可保證電瓷的燒成工藝制度不變，又能促進電瓷燒成過程中晶相的生成，從而得到優(yōu)化的電瓷顯微結(jié)構(gòu)，并由此提高電瓷的抗彎強度。

1 實 驗

1.1 原料

華鑫公司普通電瓷生產(chǎn)坯料(化學(xué)成分列于表1)，化學(xué)純的ZnO、TiO2、ZrSiO4粉末。分別將它們烘干至恒重，備用。

1.2 工藝過程

稱取4份適量的生產(chǎn)坯料用泥(本次實驗為3 kg)，其中三份分別外加2wt.%的ZnO、TiO2、ZrSiO4粉末之一；而另一份不加入任何添加劑而作為空白樣。將上述四樣化漿，并在球磨壇中球磨2 h，使添加劑均勻分散；將所得泥漿倒入石膏模中脫水，至泥料水分為20%-22%；用小型真空練泥機揉制3-5次，再擠制出規(guī)格為Φ20 mm×130 mm試條。試條先置于室內(nèi)自然干燥3天，再移至烘房與電瓷毛坯一同干燥至發(fā)白，出烘水分控制在1.5-2.0%。用浸釉法手工上釉。每組試條總數(shù)的1/3上了棕釉，1/3上了灰釉，另1/3則沒有上釉。將準(zhǔn)備好的試條樣品與電瓷產(chǎn)品在自動控制的車底窯中同窯燒成。其燒成曲線如圖1所示。

1.3 性能表征

在FR-103C電子萬能試驗機上用三點彎曲法測量了抗彎強度；在Hitachi S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測了樣品的顯微結(jié)構(gòu)特征；用德國布魯克的D8 Advanced型X射線衍射儀測定了樣品的晶相成分，測試條件為CuKα靶(λ=1.5406?)；并用Rietveld Quantification軟件處理XRD數(shù)據(jù)以定量確定主要物相的含量。

表1 坯料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of raw materials

圖1 電瓷燒成曲線圖Fig.1 The sintering curve of siliceous insulator

圖2 添加助劑對抗彎強度的影響Fig.2 Evolution of bending strength with different additives

2 結(jié)果與討論

2.1 添加添加劑對抗彎強度的影響

圖2給出了各類樣品的抗彎強度情況。

實驗結(jié)構(gòu)表明，樣品無論是否上釉，使用了添加劑后，可使樣品的抗彎強度得以顯著的提高。其中不上釉的(1)純瓷樣品中抗彎強度增大的順序為ZrSiO4>TiO2>ZnO >空白樣，其提高率都超過了25%；(2)棕釉樣、灰釉樣中TiO2>ZrSiO4>ZnO >空白樣，抗彎強度提高率也達到了10%-20%不等。

2.2 添加助劑對顯微結(jié)構(gòu)的影響

采用了添加劑后，可使樣品的晶相、玻璃相和氣孔相發(fā)生顯著變化。圖3為沒有采用添加劑空白樣的SEM圖，從圖3(a)可以看到樣品的孔洞較多且不均勻，除了在石英顆粒周圍形成的有顯裂紋外，還聚集有大量的微裂紋；從圖3(b)則可觀察存在有大量呈短簇狀的一次莫來石，而呈針狀、交聯(lián)狀態(tài)的二次莫來石很少。

圖4依次為添加2wt.%ZnO、TiO2、ZrSiO4樣品的SEM圖。放大倍數(shù)較低的顯微結(jié)構(gòu)照片圖4(c)、(e)、 (g)，與圖3相比，孔隙率已有所減少，雖仍可見到石英顆粒周圍的裂紋，但微裂紋聚集擴展趨勢卻已較圖4(a)明顯減弱。尤其是4(g)圖，添加了ZrSiO4的樣品，沒有觀察到聚集的或者連通的孔隙，微裂紋只見于較大的殘余石英顆粒周圍。

放大高倍較大的SEM照片上，如圖4(d)、(f)中，都可見到呈良好交聯(lián)態(tài)的針狀二次莫來石，而短柱簇狀的一次莫來石的量明顯減少。

2.3 添加助劑對物相組成及含量的影響

圖5給出了各類樣品的XRD圖譜。沒有使用添加劑的空白樣的晶相主要有莫來石、石英，加入添加劑后，除了基本的晶相成分外，還產(chǎn)生了一些新的晶相。例如，添加了ZnO后，可出現(xiàn)少量的方石英、剛玉、鋅尖晶石等物相。而添加了TiO2后，則出現(xiàn)了少量金紅石及方石英相；而添加了ZrSiO4后，則出現(xiàn)了方石英及鋯英石相。瓷件物相組成發(fā)生改變，除均有不等量的方石英相產(chǎn)生，同時也因為摻雜不同成分的助劑分別形成了其他的晶相。表2列出了各樣品中物相的半定量分析結(jié)果。與空白樣相比較，添加TiO2、ZnO、ZrSiO4樣品最顯著的特征是顯著減少了體系中的玻璃相含量。

圖3 空白樣的SEM圖((a)、(b)—沒有添加任何助劑的空白樣)Fig.3 SEM images of samples without additives

圖4 添加2wt%助劑的樣品SEM圖Fig.4 SEM images of different samples with 2wt.% additives((c), (d)—ZnO; (e), (f)—TiO2; (g), (h)—ZrSiO4)

表2 樣品XRD半定量分析結(jié)果Tab.2 Semi-quantitative XRD analysis of siliceous porcelain

圖5 各樣品粉料的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of different samples

3 結(jié) 論

添加2wt.%的ZnO、TiO2及ZrSiO4，可顯著地提高電瓷的抗彎強度，也可優(yōu)化瓷的顯著結(jié)構(gòu)及物相構(gòu)成。

適當(dāng)?shù)奶砑觿?，可以顯著改變瓷系統(tǒng)中的晶相、玻璃相及氣孔相的相對含量及其分布，從而改善瓷的顯微結(jié)構(gòu)，并提高瓷件的機械性能及其它相應(yīng)的性能，是值得深入探討的。

[1] MENG Yong, GONG Guohong, WEI Dongtian. A comparative microstructure study of high strength alumina and bauxite insulator [J]. Ceramics International, 2014, 40: 10677-10684.

[2] 張銳, 吳光亞. 高壓架空輸電線路絕緣子行業(yè)發(fā)展和技術(shù)綜述[J]. 電力技術(shù), 2009, 72(2): 47-53.

[3] 徐常明, 王士維, 黃校先. 方石英的析晶與無定形化[J]. 無機材料學(xué)報, 2007, 22(4): 577-582.

[4] 林賓. 發(fā)展高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的思考和探討[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計, 2014, (28): 1078.

[5] MONTOYA N, SERRANO F J, REVENTOS M M. Effect of TiO2on the mullite formation and mechanical properties of alumina porcelain [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30: 839-846.

[6] 丁京玲, 尹宗舉, 姚軍. 瓷質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)對盤形懸式瓷絕緣子性能的影響[J]. 電瓷避雷器, 2013, (5): 13-18.

[7] MARTIN-MARQUEZ J, RINCON J M, ROMERO M. Effect of microstructure on mechanical properties of porcelain stoneware [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30: 3063-3069.

[8] 閆斌, 鄧大勇, 何喜梅. 高壓支柱瓷絕緣子顯微結(jié)構(gòu)分析[J].絕緣材料, 2009, 42(3): 40-47.

[9] 楊志遠.電瓷坯樣顯微結(jié)構(gòu)對比研究[J].絕緣材料, 2002, (3): 39-43.

[10] 張潔茹, 謝娜. TiO2、MgO 添加劑對Al2O3陶瓷材料燒結(jié)致密化影響的研究[J]. 建材發(fā)展導(dǎo)向, 2013, (9): 142-143.

[11] MENG Yong, GONG Guohong, WU Zhengping. Fabrication and microstructure investigation of ultra-high-strength porcelain insulator [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32: 3043-3049.

[12] MARTIN-MARQUEZ J, RINCON J M, ROMERO M. Mullite development on firing in porcelain stoneware bodies [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30: 1599-1607.

[13] 孟勇, 龔國洪, 伍正平. 淺談瓷絕緣子中微裂紋結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸的關(guān)系[J]. 礦物學(xué)報, 2011, (S1): 1004-1005.

Doping Additives for Higher Insulator Strength

LI Yuping1, ZHANG Peng1, XU Xiaoyan1, MA Tianqi1, CAI Mingli1, YANG Xuefeng2
(1. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410083, Hunan, China; 2. Liling Huaxin Insulator Technology Co., Ltd., Liling 412207, Hunan, China)

Test samples extruded from the ceramic body prepared by doping 2wt.% ZnO, TiO2or ZrSiO4as an additive. After firing in the kiln with real products, the bending strength, microstructure and phase composition of the samples were investigated. Results show small amounts of additives can lead to increased bending strength, optimized microstructure and improved crystalline content.

additive; bending strength; microstructure; siliceous insulator

TQ174.75

A

1006-2874(2016)06-0007-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.06.002

2016-06-25。

2016-6-28。

湖南省自然科學(xué)基金委員會與株洲市政府自然科學(xué)聯(lián)合基金(14JJ5004)。

李玉平，男，博士，教授。

Received date:2016-06-25. Revised date: 2016-06-28.

Correspondent author:LI Yuping, male, Ph. D., Professor.

E-mail:yxf6996@aliyun.com