Керамические диэлектрические материалы общие сведения

Керамическими материалами (керамикой) называют неорганиче­ские материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое (обожженное) изделие приобретает нужные свойства. Ранее кера­мические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формироваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Впоследствии появились и другие виды керамических материалов, 168

в состав которых глина входит лишь в очень малом количестве или же совсем не входит.

Керамические материалы могут быть весьма разнообразны по свойствам и области применения; в электротехнике исполь­зуют керамические материалы в качестве полупроводниковых (стр. 265) и магнитных (ферриты, стр. 283) материалов. Чрезвы­чайно большое значение имеют керамические диэлектрические, в частности электроизоляционные, а также сегнетоэлектрические и не­которые другие специальные керамические материалы. Многие ке­рамические электроизоляционные материалы имеют высокую ме­ханическую прочность, очень малый угол диэлектрических потерь, значительную нагревостойкость и другие ценные свойства. По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика, как правило, более стойка к электрическому и тепловому старению, не дает остаточных деформаций при продолжительном при­ложении к ней механической нагрузки. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает воз­можность осуществления спайки с металлом, что имеет особое зна­чение для создания герметизированных конструкций.

ФАРФОР

С самого начала развития электротехники фарфор широко ис­пользовался как электроизоляционный материал, и в настоящее время он является одним из основных изоляционных материалов. Для изготовления фарфора применяют специальные сорта глин (каолин — высококачественная светлая глина большой чистоты, а также другие виды огнеупорных пластичных глин) и минералы — кварц SiO2 и полевой шпат. Сущность технологического процесса изготовления фарфора сводится к очистке от примесей всех составных частей, тщательному их измельчению и перемешиванию в однород­ную массу с водой. Из фа зфоровой массы той или иной консистенции различными способами: обточкой, прессовкой, отливкой в гипсо­вые формы, выдавливанием сквозь отверстие — получают изделия нужной конфигурации. Отформованные изоляторы или другие фар­форовые изделия сушат для удаления избытка воды. Следующие операции — глазуровка и обжиг. Глазурь — масса, наносимая в виде водной суспензии тонким слоем на поверхность фарфорового изделия. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает поверх­ность фарфора гладким блестящим слоем. Глазурь защищает фар­фор от проникновения влаги внутрь неизбежно образующихся в нем пор; глазурованные изоляторы достаточно водостойки и могут ра­ботать в открытых установках, на воздушных линиях электропере­дачи, подвергаясь действию атмосферных осадков. Глазурь улучшает внешний вид фарфора и позволяет придавать фарфоровым изделиям окраску в желаемый цвет. К гладкой поверхности глазури менее пристают различные загрязнения; глазурь уменьшает ток утечки по поверхности изоляторов и повышает их напряжение перекры­тия. Наконец, глазурь, «заглаживая» трещины и другие дефекты на

поверхности фарфора, которые являются местами начала разрушения при механических нагрузках, существенно повышает механическую прочность фарфоровых изделий. Температура размягчения глазури несколько ниже температуры обжига, чтобы во время обжига она уже плавилась и хорошо остекловывала поверхность фарфора. Гла­зурь должна иметь температурный коэффициент линейного расши­рения аь близкий к аг фарфора, иначе она при изменениях темпе­ратуры будет давать мелкие трещины —цен (см. стр. 165).

Обжиг — чрезвычайно важная операция, придающая фарфору высокую механи­ческую прочность, водостойкость и хорошие электроизоляционные свойства. При обжиге глина изменяет кристаллическую структуру и теряет входящую в ее состав кристаллизационную воду; полевой шпат — наиболее легкоплавкая составная часть фарфора — плавится, образуя стекловидную массу, заполняющую промежутки между зернами подвергнутых обжигу глины и кварца, и прочно связывает друг с другом эти зерна. Обжиг фарфоровых изоляторов в зависимости от их размеров может длиться от 20 до 70 ч. При этом собственно обжиг при максимальной темпе­ратуре (для установочного фарфора 1300—1350 °С, для высоковольтного 1330—• 1410 °С) занимает сравнительно небольшое время; много времени требует постепен­ный подъем температуры (во избежание повреждения изделий бурно выделяющимися водяными парами и газами), а также медленное охлаждение изделий перед их извле­чением из печи (во избежание появления температурных напряжений и трещин). Подвергающиеся обжигу фарфоровые изделия помещаются в печь, отапливаемую мазутом, газом или углем (весьма хороши электрические печи), в изготовля­емых из огнеупорной глины (шамота) цилиндрах или коробках, так называемых капселях, чтобы предохранить изделия от непосредственного воздействия пламени, неравномерного нагрева с разных сторон и загрязнения копотью (рис. 6-40). По­верхность, которой обжигаемое изделие из фарфора или аналогичного керамиче­ского материала ставится на дно капселя, должна быть свободна от глазури, иначе изделие приплавится к капселю (читатель может убедиться в этом, рассмотрев донышко любой чайной чашки).

Печи для обжига фарфора бывают двух типов: прерывного действия (горны) и непрерывного действия (туннельные печи). Горн после обжига каждой партии фарфоровых изделий приходится охлаж­дать для выемки обожженных изделий

и загрузки новых. Туннельные печи, в которых обжигаемые изделия на особая вагонетках подаются с одной стороны печи, медленно проходят сквозь печь и вы­ходят с другой стороны ее, дают возможность непрерывной работы при более вы­сокой производительности. В средней части печи (зона обжига) поддерживается наиболее высокая температура; от середины к концам печи температура постепенно понижается. На фарфоровых заводах применяют туннельные печи (рис. 6-41) длиной свыше 100 м. На огнеупорном поду 2 вагонетки установлены капсели / с обжигаемыми изделиями; для устранения подсоса в печь холодного воздуха и для защиты от нагрева металлических деталей вагонеток служит песочный за­твор 3, образованный желобами, заполненными песком; в песке скользят связпн-ные с вагонетками фартуки, выполненные из стали и футерованные огнеупорным кирпичом.

При обжиге вследствие потери составными частями фарфора воды и уплот­нения структуры наблюдается усадка— значительное (до 20%) уменьшение ргз-меров обжигаемого изделия. Усадка бывает больше в вертикальном направлении (считая по положению изолятора в печи во время обжига), чем в горизонтальном. Принимая во внимание усадку, необходимо при формовке фарфоровых изоляторов давать им завышенные размеры против требующихся окончательных размеров готовых изделий. Однако вследствие колебаний состава сырья и режима обжига точно предугадать усадку практически невозможно, а потому фарфоровые изделия изготовляют с большими допусками на размеры (от 2 до 5 %.). Отдельные фарфо­ровые детали соединяют друг с другом при помощи склеивания (например, эпо­ксидной смолой), цементирования, заливки расплавленным легкоплавким металлом, но не при помощи таких способов, которые требуют точности размеров соединя­емых деталей.

При рассмотрении в микроскоп образца обожженного фарфора устанавли­вается его структура: фарфор состоит из кристаллов муллита ЗА12ОЭ'25Ю2 и кварца SiO2, промежутки между которыми заполнены стеклообразным материалом, обра­зовавшимся в основном в результате расплавления полевого шпата. Наличие стекловидной фазы определяет довольно высокую механическую прочность фарфора. Электротехнический фарфор содержит примерно 70 % SiO2 и 25 % А12О3 (прочее — К2О, Na2O, Fe2O3 и другие оксиды).

Обожженный фарфор имеет плотность 2,3—2,5 Мг/м3; его щ составляет (3— 4,5)-10~в К"1. Предел прочности при сжатии 400—700 МПа; значительно меньше предел прочности при растяжении 45—70 МПа и при изгибе 80—150 МПа. Удель­ная ударная вязкость фарфора 1,8—2,2 кДж/м2. Электрические свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительны для его использования при низких частотах: его р составляет 1012—1013 Ом-м, е, = 6-=-8, tg 6 =. 0,015^-0,025, £Бр = = lO-i-ЗО МВ/м (см. также рис. 4-9). Однако при повышении температуры электро­изоляционные свойства фарфора сильно ухудшаются (см. рис. 1-7, 2-7, 3-9, 4-10), так как стекловидная фаза, полученная из минералов типа полевого шпата, содер­жащих значительное количество калия и натрия, представляет собой щелочное силикатное стекло (стр. 163). Из фарфора изготавливают самые разнообразные электрические изоляторы.