Дипломная работа: Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками
Зависимость удельного сопротивления фарфора от его температуры
Рис. 7 1 – твердого; 2 – электротехнического; 3 – стеатитового; 4 – цирконового (по Русселю и Альбрес-Шенбергу)
Вместе с тем установлено, что введение в стекловидную фазу разных оксидов щелочных металлов в повышенных количествах приводит к понижению электропроводности, что объясняется уменьшением энергии активации носителей тока. Данное явление получило название «нейтрализационного эффекта».
Согласно У.Д. Кингери [2] электропроводность поликристаллического электроизоляционного керамического материала складывается из содержащихся в нем фаз. Заметная проводимость присуща стекловидной фазе, низкая – порам и кристаллам изолятора.
При наличии небольшого количества округлых изолированных и равномерно распределенных пор электропроводность уменьшается почти пропорционально увеличению пористости. Размер кристаллов керамики не оказывает влияния на величину электропроводности.
Г.И. Барашенковым было установлено, что у фарфора, изготовленного на микроклине, альбите и их смесях, tgδвозрастает при уменьшении в них отношения оксида калия к оксиду натрия. Наименьшая величина tgδсоответствует фарфору на микроклине (0.024), наибольшая – фарфору на альбите (0.271). Отмечается значительное возрастание tgδв фарфорах, в которых отношение оксида калия к оксиду натрия составляет менее единицы. Были также установлены уменьшение tgδу фарфора и повышение температуры, соответствующей его возрастанию, при частичной замене оксидов калия и натрия оксидами кальция.
Диэлектрическая проницаемость ε фарфора при замене микроклина альбитом повышается и более резко изменяется с ростом температуры. Полная замена в шихтовом составе фарфора микроклина альбитом вызывает рост ε в 1.4 раза при 20ºС и в 2 раза при повышении температуры до 50ºС.
Удельное объемное сопротивление ρυ у фарфора на микроклине выше (4*1013 ом*см), чем на альбите (1*1010 ом*см). Замена микроклина альбитом или уменьшение отношения К2 О к Na2 Oвызывает понижение ρυ .
Электрическая прочность фарфора при нормальной температуре мало зависит от соотношения К2 О к Na2 Oв стеклофазе. Однако от этого соотношения весьма существенно зависит температура, при которой наблюдается заметное снижение пробивной напряженности. Уменьшение в фарфоре отношения К2 О : Na2 Oснижает эту температуру. Наиболее высокая температура наблюдалась у фарфора на микроклине (135ºС), наиболее низкая у фарфора на альбите (50ºС). Температуры, соответствующие заметному снижению пробивной напряженности, оказались близкими к температурам, при которых наблюдалось резкое возрастание tgδ. Следовательно, снижение пробивной напряженности при нагреве вызвано резким возрастанием диэлектрических потерь.
В этом же исследовании выявлено, что наличие в полевом шпате оксида кальция благоприятно сказывается на электрической и механической прочности фарфора. В ряде работ отмечается положительное влияние однородности структуры на его электрическую прочность и отрицательное – наличие пористости.
В связи с изложенным выше об электропроводности и диэлектрических потерях фарфора представляется возможным указать некоторые пути улучшения этих характеристик за счет:
1) уменьшения содержания щелочных оксидов;
2) увеличения в стеклофазе соотношения К2 О : Na2 O;
3) замены части щелочных оксидов оксидами щелочноземельных металлов.
М е х а н и ч е с к а я п р о ч н о с т ь. Механическая прочность фарфора, как и всякого керамического материала, определяется свойствами наиболее слабой составляющей его структуры – стекловидной фазы.
Прочность и упругость кристаллического кварца, муллита и фарфора характеризуются следующими (табл.1) величинами (кгс/см2 ):
Таблица 1 Механические свойства кварца, муллита и фарфора
|
Свойства | Наименование кристаллической фазы | ||
| Кварц | Муллит | Фарфор | |
| Предел прочности при сжатии, кгс/см2 | 22000 | 8300 | 4000-5500 |
| Предел прочности при разрыве, кгс/см2 | 850 | 820 | 250-500 |
| Предел прочности при изгибе, кгс/см2 | 1200 | 980 | 600-850 |
Из сопоставления приведенных выше данных следует, что механические свойства фарфора ниже аналогичных свойств содержащихся в нем кристаллических фаз.
Поскольку в электротехническом фарфоре содержится около 50% стекловидной фазы, ее превалирующее влияние на механические свойства фарфора не вызывает сомнения.
Прочность самой стекловидной фазы зависит от ее состава. Повышение в стекловидной фазе SiO2 и Al2 O3 способствует увеличению ее прочности. Последнее в известных пределах может быть достигнуто за счет изменения состава шихты фарфора или режима обжига.
В связи со сказанным выше о прочностных характеристиках кристаллических фаз становится также очевидным положительное влияние на механические показатели фарфора повышения содержания в нем кварца и муллита.
Положительное влияние увеличения количества кварца на прочность фарфора подтверждается рядом исследований.
По теории Марцаля [2] наличие в составе шихты фарфора кварца приводит к возникновению внутренних напряжений в процессе охлаждения изделий, что обусловливается различными значениями коэффициентов линейного расширения кварца и стеклофазы.
Данные о коэффициентах линейного расширения в процентах в области температур от 20 до 780ºС приводятся ниже.
Кварц………………… 1.38
Кристаболит………… 1.82
Тридимит……………. 1.21