Электрокерамика

  Высокотемпературное прессование применяется преимущественно для получения некоторых специальных изделий простой формы. Оно заключается в спекании керамического материала под давлением при высокой температуре в нагревостойких формах, при этом оформление и обжиг изделий совмещаются в единой операции. Исходный материал применяется в виде порошков или гранул. Давление, температура и продолжительность прессования определяются составом материала, размером и конфигурацией изделий и т. п.

  Литье водных шликеров в пористые формы является одним из самых старых способов оформления керамических изделий. Этот способ широко применяется и сейчас, главным образом для изделий из специальных видов керамики — для крупногабаритных керамических конденсаторов, антенных обтекателей, а также различных изделий сложной формы.

  При заливке шликера в пористую, чаще всего гипсовую форму, вследствие поглощения влаги стенками формы на ее поверхности образуется достаточно плотный и прочный слой керамической массы.

  Различают два основных способа отливки  изделий. При сливном способе  после образования на внутренней стороне формы слоя массы требуемой толщины оставшийся шликер выливается из формы. При наливном способе отфильтрованная масса заполняет всю полость формы. Для оформления заготовок с внутренней полостью наливным способом в форму вставляется пористый сердечник.

  Горячее литье под давлением применяется преимущественно для изготовления изделий сложной формы с точными размерами из непластичных материалов и толщиной стенки не более 10 мм. Литье производится на специальных аппаратах в металлические формы при температуре 70—80 °С и избыточном давлении 0,1—1 МПа.

  В форму заливается вакуумированный шликер, который поступает под давлением в полость металлической формы и хорошо ее заполняет. Затвердевание шликера происходит при охлаждении формы. Метод оформления изделий очень трудоемок.

  Обточка необожженных керамических изделий  широко применяется при изготовлении изоляторов и других изделий, имеющих  форму тел вращения.

  Заготовки для последующей обточки получают методом протяжки (экструзии) пластичной массы. В некоторых случаях заготовки могут быть получены и другими способами — изостатическим прессованием, шликерным литьем и т. п.

  Для обточки используют горизонтальные и вертикальные токарные станки, снабженные специальными резцедержателями. На обточку материал подается либо в подвяленном (влажная обточка), либо в сухом состоянии (сухая обточка). В некоторых случаях производится обточка заготовок, прошедших предварительный (утильный) обжиг.

  Сушка, глазурование и обжиг  электрофарфоровых изделий. Сушка. Электрофарфоровые изделия, полученные методами протяжки, прессования и другими методами и прошедшие обточку на станках, содержат 17—18 % влаги; несколько меньшую влажность имеют заготовки установочных изделий. Для удаления влаги до остаточной влажности 0,2—2,0 % фарфоровые изделия подвергаются сушке в сушильных камерах различной конструкции. Чем больше габаритные размеры и толщина стенки изоляторов, тем меньше должна быть остаточная влажность.

  Существуют  следующие виды сушки изделий: конвективная, при которой изделия нагреваются теплым воздухом, уносящим испаряющуюся влагу; радиационная, при которой лучистая энергия поступает от электрических нагревателей; радиационно-конвективная, в которой сочетается конвективный и радиационный нагрев. Этот способ наиболее эффективен при сушке крупных и средних изоляторов. Сушка токами промышленной и высокой частоты применяется для провялки крупногабаритных влажных заготовок.

  Для сушки используются сушильные агрегаты периодического и непрерывного действия. Первые, главным образом, используются для крупногабаритных изоляторов. Для изделий среднего габарита и мелких в основном применяют сушилки непрерывного действия (конвейерные, туннельные) с большей производительностью.

  По  способу нагрева изделий существуют сушилки конвективные, радиационные и конвективно-радиационные, по способу  использования газов — однократного и многократного насыщения, а также использующие воздух в замкнутом цикле, по способу движения изделий в сушильных камерах и каналах — туннельные (с периодическим перемещением изделий) и конвейерные (с непрерывным горизонтальным или вертикальным). Горизонтальная конвейерная сушилка представляет собой камеру длиной 8—10, шириной 3—5 и высотой 3—4 м, вертикальная конвейерная сушилка — камеру длиной и высотой 5—6 м. Туннельные сушилки непрерывного действия представляют собой камеру длиной 20 — 25, высотой 2,5—3,5 м. Их ширина зависит от количества параллельно идущих в туннеле вагонеток с изоляторами.

  Глазурование. Электрокерамические изделия покрывают тонким (0,1—0,3 мм) слоем глазури (стекловидный покров), что значительно повышает их механические свойства, изолирует от воздействия окружающей среды, улучшает внешний вид и электроизоляционные свойства, обеспечивает самоочистку изоляторов в процессе эксплуатации.

  Химический  процентный состав (по массе) глазури, используемой при изготовлении изоляторов в электротехнической промышленности: SiO₂—66,0—72,2; А1₂О₃—11,7—17,2; RO—5,7—7,7; R₂O—4,2—5,4. Для приготовления коричневых глазурей обычно вместо части кварцевого песка вводят фарфоровый бой и красители, содержание которых в шихтовом составе составляет 16,0—35,4 %.

  Красители для глазурей применяются для придания глазури определенного цвета. В качестве красителей обычно применяются оксиды железа, хрома, марганца и др., чаще всего — хромистый железняк, марганцевая руда и пиролюзит. Содержание красителей в глазури составляет 8—13 %.

  Химический  процентный состав коричневой глазури: SiO₂—65,7—68,3; А1₂О₃(ТiO₂)—13,4—13,8; Fe₂O₃—2,1—2,3; СаО —3,8—5,1; MgO—3,7—4,7; Na₂O—1,2—2,1; К₂О—1,9—2,2; Сr₂О₃— 2,6—3,1. Сырьем для этих глазурей служат природные материалы.

  В радиотехнической и электронной  промышленности для глазурования широко используются стеклоэмали различных марок с температурой размягчения 560—710°С.

  От  качества глазурного покрытия зависит  механическая прочность глазурованных  изделий (наличие микротрещин и  других дефектов может служить причиной снижения этого показателя). Возникновение начальных трещин в глазури зависит от степени гладкости ее поверхности и от обеспечения состояния сжатия глазури на керамическом изделии. Значения напряжений в глазурованных изделиях и их распределение зависят от условий обжига и охлаждения, от соотношения значений ТКl керамики и глазури, от степени развития промежуточной зоны на контакте керамика — глазурь. Наиболее существенный фактор — различие в значениях ТКl керамического материала и глазури. Возникновение цека и отскакивание глазури также зависит от значения ТКl. Глазурь только тогда повышает механическую прочность керамики, когда она находится в состоянии сжатия. Когда ТКl глазури больше ТКl керамики, создается напряжение растяжения, и механическая прочность керамики снижается. Так, при ТКl глазури (4,5—5,5)/10^-6 К^-1 прочность при разрыве глазурованного фарфора составляет 140—130 МПа, а при ТКl глазури (6—7) • 10^-6 К^-1 — 120—70 МПа.

  Высушенные  заготовки изоляторов перед обжигом  глазуруются методами полива, окунания или распыления глазурной суспензии плотностью 1400—1700 кг/м³. Глазурование в зависимости от размеров заготовок изоляторов осуществляют с применением станков карусельного типа, конвейерных машин и подъемных устройств для крупных изоляторов.

  В проходных и подвесных изоляторах электрическое поле по поверхности изоляторов неравномерно, а в увлажненных и загрязненных изоляторах степень неравномерности резко усиливается и приводит к частичным разрядам, а иногда и к перекрытию. В ряде случаев для выравнивания электрического поля, а также для защиты от радио- и телевизионных помех применяют изоляторы полностью или частично покрытые полупроводящей глазурью. Удельное поверхностное сопротивление полупроводящей глазури составляет 10²—10⁹ Ом.

  Для выравнивания электрического поля (особенно при покрытии внутренней поверхности проходных изоляторов) более благоприятно низкое сопротивление полупроводниковой глазури, но при этом должны быть учтены особенности конструкции изолятора. Кроме того, при низком сопротивлении глазури вероятнее возникновение теплового пробоя по глазури. Обычно верхний предел определяют экспериментальным путем в зависимости от термоустойчивости, сопротивления и условий эксплуатации изолятора. При этом под термоустойчивостью подразумевается температура, при которой удельное поверхностное сопротивление глазури уменьшается в 2 раза по сравнению с сопротивлением при температуре, принятой нормальной. Чем выше эта температура, тем выше термоустойчивость глазури.

  Качество  изоляторов с полупроводящей глазурью при их эксплуатаци в наружных установках ухудшается вследствие эрозии проводящего компонента в местах контакта с металлической арматурой. Износоустойчивость глазурных покрытий зависит от химического состава.

  Полупроводящая  глазурь представляет собой композиционный материал преимущественно с электронным характером электропроводности и состоит из 20—40 % (по массе) электропроводящих кристаллических компонентов и 60—80 % стеклообразующих оксидов. В качестве электропроводящих компонентов используют Fe₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃, ZnO, SnO₂, Sb₂O₃ и др. оксиды и их твердые растворы или химические соединения, а в качестве стеклообразующих компонентов обычно применяют оксиды SiO₂, А1₂О₃, CaO, MgO, BaO и др.

  Полупроводящую  глазурь приготовляют различными способами. По одному способу электропроводящие  и стеклообразующие оксиды измельчают и смешивают помолом мокрым способом. Полученный шликер необходимой консистенции наносят на поверхность заготовки изолятора по принятой технологии глазурования.

  При применении других способов электропроводящий компонент синтезируют отдельно в виде химического соединения или твердого раствора путем обжига. Полученный продукт измельчают мокрым способом в известных пропорциях, затем осуществляют помол со стекло-образующими компонентами.

  Применяемая в электротехнической промышленности полупроводящая глазурь для изоляторов имеет следующий процентный химический состав (по массе): F₂O₃—7,9; А1₂О₃—13,4; SiO₂—52,5; TiO₂—20,2; CaO—1,07_: MgO—1,2; R₂O—2,4; потери при прокаливании—2,18. Из такой смеси совместным мокрым помолом в шаровых мельницах приготовляется глазурная масса, которая наносится на поверхность заготовки изолятора. Обжиг изоляторов производят в туннельной печи или в горне при температуре 1320—1420 °С. Удельное поверхностное сопротивление имеет значение 10—80 МОм, термостойкость составляет 60—70 К, механическая прочность при статическом изгибе глазурованных стандартных образцов повышается примерно на 15—20 %.

  Опубликовано  большое количество работ с описанием  получения полупроводящей глазури. Используя оксиды металлов в качестве проводящего компонента глазури ТiO₂—10÷40, Fe₂O₃—50÷10, Сг₂О₃—40÷50% (по массе) и стеклообразующие оксиды SiO₂ — 73÷77, Аl₂О₃— 12÷17, MgO —2÷9, CaO—2÷8 % (по массе), совместным смешением можно получить глазури с удельным сопротивлением 10—1000 МОм. Сопротивление глазури может быть уменьшено за счет уменьшения концентрации ТiO₂. Полупроводящая глазурь на базе оксидов металлов Fe₂O₃—16, ТiO₂—7,2, SnO₂—13,6 в качестве электропроводящего компонента и оксидов металлов SiO₂—44,1, Аl₂О₃—8,6, CaO— 2,9, MgO—1,7, R₂O—2,2 % (по массе) в качестве стеклообразующего компонента может иметь удельные поверхностные сопротивления 3,4—12,2 МОм, термостойкость 70 К.

  Обжиг фарфоровых изделий является важным, в ряде случаев завершающим процессом производства. В процессе обжига, преимущественно в стадии нагрева, удаляется вода, выделяются газы, происходят полиморфные превращения материала, изменяются размеры и плотность, образуются кристаллические и аморфные фазы и происходят другие процессы. Обжиг и охлаждение ведутся при заданных температурном, газовом и гидравлическом режимах с учетом габаритов изделий и конструкции применяемых печей. Для обжига фарфоровых изделий используют пламенные печи периодического и непрерывного действия, для малогабаритных изделий и изделий специального назначения — электрические печи периодического и непрерывного действия с использованием силитовых и других нагревателей и на основе дисилицида молибдена, а иногда нагревателей с защитной средой. Обжиг керамических изоляторов является наиболее дорогостоящей операцией технологического процесса приготовления фарфора. Для обжига крупногабаритных изоляторов также используют пламенные печи периодического действия, круглые (горны), прямоугольные, одно-, двух- и трехэтажные, со стационарным или выдвижным подом. Рабочий объем круглых печей, используемых в производстве, составляет от нескольких до 120 м³. Нагрев печей производится за счет тепла от сгорания жидкого или газообразного топлива; продукты сгорания поступают в рабочую камеру и обогревают находящиеся в горне изоляторы; охлаждение производится воздухом, проходящим через камеру с обожженными изоляторами. Обжиг изделий в пламенных печах периодического действия производится в капселях, устанавливаемых на поду печи. Обжиг в больших круглых печах требует большого расхода топлива и затрудняет механизацию процесса загрузки изоляторов.