рефераты скачать

МЕНЮ


Дипломная работа: Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками

Если при введении ВаСО3 затравками служат уже существующие зерна корунда и происходит их рост, то при добавлении доломита затравки образуются в самом расплаве, откуда затем растут кристаллы корунда. Введение комплексной добавки, содержащей кроме доломита еще оксид титана (материал К-3), приводит к практически полному растворению муллита. Этот материал характеризуется наиболее высоким содержанием корунда по сравнению с введенным глиноземом.

Из табл.9 видно, что существенных различий свойств опытных материалов не наблюдается. Так, модуль упругости колеблется в пределах 116*103 – 128*103 МПа, механическая прочность составляет 180 – 210 МПа, электрическая прочность – 32.1 – 35.0 кВ/мм. Несколько ниже указанные параметры у материала К-3, содержащего в качестве минерализатора доломит и оксид титана.

Таким образом, наиболее перспективными минерализаторами являются доломит (5%), ВаСО3 (5%) и комплексный минерализатор ВаСО3 (3%) и ZnO (2%). Введение указанных минерализаторов позволяет снизить температуру спекания фарфора и практически не оказывает влияния на его основные характеристики [8]

Исключение кварца из состава глиноземистого фарфора для высоковольтных изоляторов

Более 150 лет тому назад, в 1849г., В. Фон Сименс впервые использовал фарфоровые изоляторы для телеграфной линии от Франкфурта до Берлина. Таким образом, фарфор считается самым традиционным среди изоляционных материалов. В настоящее время имеются изделия, которые, без сомнения можно назвать продуктами высокоразвитой технологии.

Фарфоровые изоляторы играют весьма важную роль. Поэтому необходимо всесторонними испытаниями заранее определять и подтверждать различные виды нагрузок на изоляторе.

На изоляторы действуют многочисленные нагрузки, поэтому повышение прочности фарфора было и будет целью научно-технических исследований.

Постоянно повышающиеся требования, предъявляемые к фарфору в качестве конструкционного материала по мере бурного развития промышленности, приводят к необходимости улучшения свойств фарфора и всесторонним его испытаниям.

Уменьшение структурных напряжений фарфора и разработка глиноземистого фарфора

Внедрение глиноземистого фарфора было огромным достижением разработчиков новых материалов. Использование его вместо применяемого до тех пор кварцевого фарфора не только повысило надежность продукции, но резко сократило проблемы, связанные с качеством и эксплуатационными неполадками изоляторов.

Д. Вейль вычислил примерные величины внутренних напряжений в кварцевом фарфоре.

По его подсчетам, в обыкновенном фарфоре высоковольтного назначения могут возникать структурные напряжения (не менее 4000 кг/см2), вызванные усиленной термической усадкой кварцевых частиц. Если величина предела прочности стекловидной фазы при растяжении будет равна 1000 кг/см2, тогда структурные напряжения на границе кварцевых и кристобалитных зерен электрофарфора могут привести к возникновению микротрещин, размеры которых соответствуют величине зерен этих кристаллов. Рис.11 – 13 подтверждают предположения Вейля. Во время эксплуатации такие микротрещины, исходящие от кварцевых или кристобалитных зерен и обусловленные структурными напряжениями, могут увеличиваться для высоковольтных изоляторов, при этом значительно снижается прочность изолятора в результате увеличения трещин, особенно при внезапном нагреве и длительной эксплуатации.

Особенно чувствительными являются кварцевые фарфоры, сцепленные с замазкой из портландцемента.

Здесь силы, действующие в процессе эксплуатации, вызывают местные пики напряжения в зоне замазывания между фарфором и арматурой, которые считаются причиной повреждения структуры.

Таким образом, за счет увеличения микротрещин, исходящих от кварцево-кристобалитного зерна, прочность нагруженного изолятора снижается: он стареет.

Вызванные этим случаи повреждения изоляторов кварцевого фарфора, примененных в атмосферных условиях, например длинностержневых изоляторов для воздушных линий в Германии, железнодорожных изоляторов в России и колпачково-стержневых изоляторов в Греции, привели к необходимости их замены.

Кристобалитовый фарфор с112 – поврежденная микроструктура с разрушенным зерном кристобалита

Рис. 11

Поэтому снижение стуктурных напряжений стало главной задачей структурного совершенствования материалов для высоковольтных изоляторов. Это важный шаг был сделан в результате разработки глиноземистого фарфора, в котором кристаллический кварц замещается совсем новым компонентом структуры, обеспечивающим ее прочность – α-Al2O3, т.е. корундом.

Внедрение глиноземистого фарфора сразу сократило такие постоянные проблемы, как пористость, неполадки при механических и электрических типовых испытаниях, а также выход из строя изоляторов при эксплуатации. Внедрение глиноземистого фарфора обеспечило высокое качество фарфоровых изоляторов.

Разрушенное зерно кварца с трещиной, возникшей вследствие внутренних напряжений в глиноземистом фарфоре с130.

Рис. 12

Вредный кристаллит кварца с обломом на месте отделения от стеклофазы в глиноземистом фарфоре

Рис. 13

Таблица 11 Плотность, коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктуры фарфора при тепловом расширении

Параметр Корунд Муллит Стеклофаза Кварц Кристобалит

Плотность, г/см3

3.98 3.16 2.27 2.65 2.33

Коэффициент теплового расширения 106

8.0 4.5 3.0 12.3 10.3

Поведение при расширении:

линейное

неравномерное

+

-

+

-

+

-

-

+

-

+


Повышение прочности при изгибе фарфора по мере увеличения содержания Al2O3

Рис. 14

Влияние содержания Al2O3 и тонкости помола массы на прочность

Рис.15

Одновременно виден эффект повышения прочности образцов с глазурью и соответствия коэффициента теплового расширения

Рис.15 показывает влияние содержания глинозема и тонкости помола массы на прочность. Эффект повышения прочности объясняется не только раздроблением агломераций глинозема, но и одновременным уменьшением величины частиц общей системы, преимущественно кварцевых фракций в полевом шпате. Совместный помол компонентов системы имеет гомогенезирующий эффект и активизирует поверхности частиц. Поэтому при замене помола более дешевым смешиванием качество микроструктуры, особенно прочности, снижается. Однако, высокое содержание корунда и минимальное содержание кристаллов кварц-кристобалита в микроструктуре глиноземистого фарфора обеспечивает его высокую прочность. Но одновременно и высокую стойкость к изменениям температуры по сравнению с кварцево-кристобалитным фарфором. Такой положительный эффект объясняется прежде всего показателями теплового расширения компонентов микроструктуры. Табл. 11 показывает соответствующие показатели: плотность, коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктуры фарфора при расширении.

Значительное сокращение в микроструктуре глиноземистого фарфора количества нежелательных кристаллов кварца и кристобалита с их неравномерными, скачкообразными изменениями объема (рис.16) повышает его стойкость к резким изменениям температуры, одновременно позволяя применение свинцовой замазки.

Пластично-упругие свойства свинцовой замазки вместо хрупкого портландцемента позволяют при нагрузке снять дополнительные напряжения в структуре фарфора и, избегая точкообразных пиков напряжения, исключить его повреждения в зоне замазывания.

Поэтому в настоящее время можно считать внедрение свинцовой замазки вместо портландцемента для фарфоровых изоляторов, подвергающихся нагрузкам растяжения, примерно таким же важным шагом развития, как одновременный переход от кварцевого фарфора к глиноземистому фарфору.[9]

Старение микроструктуры фарфора

Рис. 17 показывает распределение сил, вызванных изломом изоляторов при различных сроках эксплуатации (новых, 20 и 35 лет), которые были выпущены одним и тем же производителем. По мере повышения срока эксплуатации можно наблюдать явное уменьшение средней несущей способности и увеличение разброса. Особенно характерным является определение величины 1%-ного квантеля силы разрушения для хрупких материалов (99% изоляторов превышают эту величину).

Если рассмотреть ход старения по времени на рис. 18, то видно, что все партии изоляторов данного производства характеризуется снижением силы, вызывающей излом. Новый керамический материал (А), основанный на глиноземе, в неиспользованном состоянии отличается существенно более высоким уровнем силы, вызывающей излом, в связи с чем уже начальные условия обеспечивают соответственное удлинение срока эксплуатации изоляторов.

Обобщая результаты вышеуказанных исследований использования изоляторов, можно сделать следующие выводы:

а) подтверждено ожидаемое повышение долговечности и надежности керамического материала на основе глинозема с использованием свинцовой замазки; б) наибольшее снижение прочности отмечается в кварцевом керамическом материале; изоляторы из этого материала достигли максимального срока эксплуатации уже по истечении 15 лет и требуют замены;

в) глиноземистый фарфор более ранних сроков выпуска, отличающийся более высоким качеством, также имеет эффект старения;

Рентгенодифрактометрические кривые кварцевого и глиноземистого фарфоров для изоляторов

Рис.16


Здесь характерная разница по микроструктуре проявляется особенно явно

Измерение разрушающей нагрузки длинностержневых изоляторов после различных сроков эксплуатации (одинаковая производственная партия)

Рис.17 Утолщением показана 1%-ная квантиль

Измерение прочности изоляторов во времени (по отношению к 1%-ной квантили силы разрушения)

Рис.18

г) у так называемых смешанных масс ( кварц с добавками глинозема или глинозем с добавками кварца) снижение прочности значительно выше.


Анализ преобладающих дефектов

Будущие научно-технические исследования с целью разработки новых и усовершенствованных материалов должны быть основаны на анализе преобладающих дефектов. При этом керамография и современная рентгенотехника могут оказать большую помощь.

Рис. 19 иллюстрирует дефекты на излом согнутых стержней глиноземистого фарфора двух видов и результаты их фактографического исследования по С120 и С130.

Поверхность излома глиноземистого фарфора С120 с порой, вызвавшей излом, стеклом и SiO2

Рис.19

Типичным дефектом в современных глиноземистых фарфорах являются зоны с высоким содержанием стекловидной фазы в сочетании с порами и зернами из SiO2 (кварца). В зоне напряжений, вызывающих излом, стекловидная фаза всегда характеризовалась большим количеством накоплений SiO2 или зерен кварца, чем матрица. Поэтому можно предполагать, что в исходном состоянии в этих зонах имеются достаточно объемные накопления SiO2 или зерен кварца, которые частично взаимодействовали с окружающей матрицей, а частично сохранялись в виде крупных зерен. Возможно, часть дефектов, обнаруженных в виде пор, в первоначальном состоянии была заполнена зернами кварца, которые во время излома были раздроблены и выпали. Такие зерна кварца с трещинами были обнаружены также на микроснимках.

Вредный кристаллит кварца в глиноземистом фарфоре С130

Рис. 20

Поверхности излома глиноземистого фарфора, причем излом вызван стеклом и зерном SiO2

 

Рис.21

На основании анализа дефектов можно сделать следующие выводы.

В глиноземистых фарфорах С120 и С130 имеются остатки кварца с различными разметками кристаллов. При исследовании кристаллов размером от 59 до 100 мкм они вызвали излом. Меньшие вредные включения кварца, характеризующиеся величиной кристаллов в пределах 2 – 30 мкм, показаны также на рис.22. Точечные анализы х3, х4 и х5 однозначно подтверждают наличие кварца и позволяют сделать вывод, что существует еще зона перехода к стекловидной фазе, т.е. зона кварца с прилегающей стекловидной фазой.

Рис. 20, 21 показывают вредный кристаллит кварца в глиноземистом фарфоре С130. Излом проходит по всей длине грани на пути около 10мкм. Поверхность кварца взаимодействовала с окружающей матрицей, к ней прилегает стеклофаза. Характерными для этой микроструктуры являются весьма тонкокристаллические, скрещенные между собой муллитовые иглы и продолговатые кристаллы корунда. Крупные зерна кварца, которые могут вызвать сетку микротрещин, представляют собой компоненты сырья – полевого шпата и каолина [9].

Микроструктура – решающий фактор качества материала

По Петцову [9] структура материала включает в себя совокупность всех фазовых зон, участвующих в строении, и дефектов, входящих в его состав. Структура в существенной мере определяет многие свойства материала, в том числе прочность и поведение в процессе старения. Проведено огромное количество исследований причин, повышающих или снижающих прочность, что позволяет пользоваться результатами этих работ.

Керамические материалы характеризуются многофазной поликристаллической микроструктурой (рис.23).

Микроснимок со включениями кварца х3, х4, х5 в глиноземистом фарфоре

Рис.22

Схема многофазной поликристаллической микроструктуры глиноземистого фарфора

Рис.23

К микроструктуре фарфоровых материалов для высоковольтных изоляторов предъявляются два основных требования:

1) высокая механическая прочность, обеспеченная очень высоким содержанием и гомогенным распределением корунда;

2) высокая стойкость против выветривания (устойчивость к отказу) в процессе длительной эксплуатации за счет сокращения до минимума количества кварца во всех размерах (формах).

Возможность легкой и надежной характеристики глиноземистого фарфора разного качества от различных производителей путем качественного и количественного определения твердых фаз на рентгеновском дифрактометре показана на рис.24.

На этом рисунке внимание привлекает различный уровень содержания остаточного кварца при примерно одинаковом содержании корунда.

В последних разработках, в которых в качестве носителя Al2O3 применялся спекшийся боксит, впервые удалось достигнуть почти полного растворения вредного остаточного кварца рано образующимися агрессивными эвтектическими жидкими фазами расплава.

Рентгенодифрактометрические кривые разных видов глиноземистого фарфора с различным содержанием кварца


Рис.24

Микроструктура этого нового материала, лишенного остаточного кварца, показана на рис.25а. Микроснимок 25б показывает материал с наилучшей микроструктурой, характеризующийся высоким содержанием корунда при очень небольшом количестве остаточного кварца. Наименее выгодной является микроструктура материала от производителя (рис.25в), характеризующегося наиболее высоким содержанием вредного остаточного кварца. Для повышения физико-математических свойств желательно, чтобы максимальное количество Al2O3 имело форму корунда, а размеры муллитовых игл были как можно меньше. Микроструктура, показанная на рис.25, соответствует этой цели.

Микроснимок микроструктуры высокопрочного бокситового фарфора С130, подвергнутого химическому травлению; температура спекания – 1190ºС

 

Рис.25 А – матрица – муллит (А1) и стекловидная фаза (А2); В – частица корунда; С – пора

Перспективное направление и основные пути дальнейшего развития

В разработке высококачественных изоляторов из глиноземистого фарфора можно выделить несколько перспективных направлений и путей развития (рис. 26,27).

- Разработка материалов с усовершенствованной микроструктурой, по мере возможности полностью лишенной вредного остаточного кварца.

- Максимальное превращение Al2O3, введенного в виде глинозема или других носителей Al2O3, в корунд, так как благодаря своим высоким показателям модуля упругости и плотности корунд представляет собой компонент микроструктуры, от которого зависит ее прочность.

- Несмотря на то, что взаимодействие Al2O3 с SiO2 не позволяет полностью исключить муллитовую кристаллическую фазу, целесообразно свести до минимума размеры муллитовых игл и количественную долю муллита в микроструктуре в пользу максимального увеличения количества корунда.

Путь решения с указанием приоритетных мероприятий, предпринимаемых для достижения свойств, показанных на рис.27


Рис.26

В то время как в кварцевом фарфоре применение агрессивной низковязкой жидкой фазы расплава не желательно для прочности из – за растворения кварца, ее присутствие в глиноземистом фарфоре приобретает огромное значение для достижения желательных характеристик микроструктуры. Чем больше будет количество агрессивной стекловидной фазы, которое может образоваться во время спекания в результате рано начинающихся эвтектических процессов расплавления, тем лучше будут условия для инициирования растворения кварца и для образования максимального количества корунда.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17


Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.