本發(fā)明涉及電子元件領域，尤其涉及一種絕緣子用韌化陶瓷及其制造方法。
背景技術：
絕緣子是一種特殊的絕緣控件，能夠在架空輸電線路中起到重要作用。
早年間絕緣子多用于電線桿，慢慢發(fā)展于高型高壓電線連接塔的一端掛了很多盤狀的絕緣體,它是為了增加爬電距離的,通常由玻璃或陶瓷制成,就叫絕緣子。絕緣子在架空輸電線路中起著兩個基本作用，即支撐導線和防止電流回地，這兩個作用必須得到保證；同時，絕緣子應具有足夠的電氣絕緣強度、耐潮濕性能和耐高溫性能。
在國內已申請的相關專利中，專利《高絕緣碳化硅/氮化硼陶瓷材料及其制備方法》（申請?zhí)枺?01310294766.0，公開日：2015-01-14），公開了一種碳化硅/氮化硼陶瓷材料及其制備方法，但該兩種材料均屬于脆性材料，其斷裂韌性不高于6Mpa，易在運輸和其它振動工況下斷裂或破碎，其外該發(fā)明屬于高溫燒結（1900℃-2300℃）加熱等靜壓成型，其成本過高，無法進行工業(yè)化生產，另一方面，由于碳化硅的氧化溫度較低，當電短路產生高溫時，該絕緣子易發(fā)生表層氧化而導致絕緣性能降低；專利《一種絕緣導熱的無機納米復合陶瓷及其制備方法和用途》（申請?zhí)枺?01410310359.9，公開日：2015-12-30），公開了一種無機納米復合陶瓷，保其有效成份制成陶瓷后均為高脆性材料，沒有韌化處理，同時也沒有將材料的綜合性能優(yōu)勢發(fā)揮出來。
技術實現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，本發(fā)明旨在提供一種經濟性好、耐高溫氧化、斷裂韌性高、綜合性能好且主要材料功能互補的絕緣子用韌化陶瓷及其制造方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種絕緣子用韌化陶瓷的制造方法，其特征在于包括以下步驟：
1）原材料準備
①按重量份數(shù)準備硼酸鋁晶須2-3份、顆粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉70-80份、顆粒尺寸3μm-5μm的氮化鋁微粉20-30份、氟化鈣粉末1-1.5份、碳粉10-15份、硅化鉬10-15份、正硅酸乙脂6-8份、無水乙醇3-5份、純凈水3-5份、熱塑性酚醛樹脂1.5-2.5份；
②將所有硼酸鋁晶須、60%-75%的碳化硅微粉、所有碳粉和所有硅化鉬微粉混合并攪拌均勻，作為心部物料；將剩余的碳化硅微粉、所有氮化鋁微粉和所有氟化鈣混合并攪拌均勻，作為表層物料；
2）預制備絕緣子
①將1）中步驟②獲得的心部物料與所有正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂混合后放入涂有脫模劑的心部模具中，心部模具的輪廓三維尺寸均在所需目標絕緣子尺寸基礎上減少8mm-10mm，將該心部模具置于800℃-850℃下，在保護氣氛或真空環(huán)境里保溫5h-8h，獲得心部毛坯；
②將1）中步驟②獲得的表層物料在涂有脫模劑的絕緣子模具中鋪墊4mm -5mm;再將步驟①獲得的心部毛坯置于絕緣子模具正中間，表層物料鋪墊層的表面中心；
③在不影響心部毛坯尺寸的情況下將表層物料繼續(xù)放入絕緣子模具中，直至將模具填充滿，獲得預制備絕緣子毛坯；
3）絕緣子燒結及完成
①將2）中步驟③獲得的預制備絕緣子毛坯置于2-3倍大氣壓的保護氣氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升溫速率升溫至1600℃-1700℃，保溫時間4h-7h；
②燒結完成后，爐溫T不低于1000℃時隨爐冷卻；爐溫T處于800℃≤T＜1000℃半開爐門冷卻；爐溫T＜800℃出爐空冷；空冷至T＜150℃后將燒結的絕緣子毛坯脫出模具；
③采用金剛石磨料振動去毛刺設備對絕緣子毛坯進行振動去毛刺及拋光處理，即獲得所需絕緣子。
上述的一種絕緣子用韌化陶瓷的制造方法，其中：2）中步驟①采用的正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂的重量比為4:2:2:1。
上述的一種絕緣子用韌化陶瓷的制造方法，其中：3）中步驟①采用的保護氣氛優(yōu)選為氬氣。
一種根據(jù)上述制造方法所制造出的絕緣子用韌化陶瓷，其中：分為心部和表層，其中表層包括以下重量份的成分：碳化硅17.5-32份、氮化鋁20-30份、氟化鈣1-1.5份；心部包括以下重量份的成分：碳化硅58-77.5份、硼酸鋁晶須2-3份、鉬的不定化合物10-15份。
根據(jù)上述方法制備出的絕緣子用韌化陶瓷，其體積電阻率≥2×1013Ω?cm、介電強度≥750kV/cm、熱導率≥25W/m·K、抗彎強度≥400Mpa、楊氏模數(shù)≥320Gpa、斷裂韌性≥25Mpa。
與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：心部物料中混入了適當比例的硼酸鋁晶須、硅化鉬顆粒，前者在陶瓷體內植入韌化纖維、后者通過晶間相強化直接提高心部碳化硅陶瓷的韌性，表層的材料由于也混入了一定比例的碳化硅，因此和心部的結合力會非常好，有多個強化結合支撐區(qū)域和緩沖過渡區(qū)域，同時氟化鈣也能在一定程度上提升表層與心部的結合力及氮化鋁本身的韌性，因此本發(fā)明的陶瓷斷裂韌性可達其它絕緣材料的4倍以上；碳化硅和氮化鋁都是絕緣性非常好的材料，但受限于碳化硅易氧化、氮化鋁脆性很高的本質特性，單獨使用均無法適應惡劣工況（比如運輸和安裝時碰撞損毀、電線老化短路后高溫氧化、風沙或冰雹震動等），本發(fā)明將碳化硅主要置于心部，表層只含部分碳化硅，一方面增加氮化鋁的韌性，另外也利于在使用過程中受高溫致表層氧化，生成的二氧化硅進一步提升絕緣性，又不會導致氧化后脆性升高或過渡氧化后絕緣性降低，而氮化鋁由于有了碳化硅的加入，加上心部韌性組織的支持，其斷裂韌性有長足的提升，因此，本發(fā)明耐高溫、綜合性能好且主要材料功能互補；另外，本發(fā)明采用的均為同領域中較經濟的材料，而且能適應大部分惡劣工況，基礎絕緣及導熱性能甚至優(yōu)于其它絕緣陶瓷，故而本發(fā)明的經濟性好，適合大范圍應用推廣；另外，本發(fā)明在燒結過程中選擇了最優(yōu)升溫速率，冷卻時又采用階梯緩冷，本身絕緣子殘余的熱應力和組織應力都較低，在后期拋光處理中又加入了振動過程，使內應力均勻化，提升了整體性能的均勻性，降低了缺口敏感性，也是本發(fā)明斷裂韌性高的一個重要原因；優(yōu)化的工藝使得心部的碳粉及硅化鉬大部分反應成為外來碳化硅及鉬的化合物填補了原碳化硅陶瓷粉體的間隙，提升了心部陶瓷的致密性和耐高溫性能，而其它心部燒結助劑均可高溫氣化，由于在真空環(huán)境中燒結，所有高溫下氣化的燒結助劑均通過真空泵抽離，留下了燒結完全的陶瓷體，而不會留下氣孔和疏松。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結構示意圖；
圖中：表層1、心部2。
具體實施方式
實施例1：
一種韌化陶瓷，分為心部2和表層1，其中表層1包括以下重量份的成分：碳化硅17.5份、氮化鋁20份、氟化鈣1份；心部2包括以下重量份的成分：碳化硅58份、硼酸鋁晶須2份、鉬的不定化合物10份；
一種絕緣子用韌化陶瓷，制造方法包括以下步驟：
1）原材料準備
①按重量份數(shù)準備硼酸鋁晶須2份、顆粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉70份、顆粒尺寸3μm-5μm的氮化鋁微粉20份、氟化鈣粉末1份、碳粉10份、硅化鉬10份、正硅酸乙脂6份、無水乙醇3份、純凈水3份、熱塑性酚醛樹脂1.5份；
②將所有硼酸鋁晶須、75%的碳化硅微粉、所有碳粉和所有硅化鉬微粉混合并攪拌均勻，作為心部2物料；將剩余的碳化硅微粉、所有氮化鋁微粉和所有氟化鈣混合并攪拌均勻，作為表層1物料；
2）預制備絕緣子
①將1）中步驟②獲得的心部2物料與所有正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂混合后放入涂有脫模劑的心部2模具中，其中正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂的重量比為4:2:2:1，心部2模具的輪廓三維尺寸均在所需目標絕緣子尺寸基礎上減少8mm，將該心部2模具置于800℃下，在保護氣氛或真空環(huán)境里保溫8h，獲得心部2毛坯；
②將1）中步驟②獲得的表層1物料在涂有脫模劑的絕緣子模具中鋪墊4mm;再將步驟①獲得的心部毛坯置于絕緣子模具正中間，表面1物料鋪墊層的表面中心；
③在不影響心部2毛坯尺寸的情況下將表層1物料繼續(xù)放入絕緣子模具中，直至將模具填充滿，獲得預制備絕緣子毛坯；
3）絕緣子燒結及完成
①將2）中步驟③獲得的預制備絕緣子毛坯置于2倍大氣壓的氬氣中，以1000℃以上保持250℃/h的升溫速率升溫至1700℃，保溫時間4h；
②燒結完成后，爐溫T不低于1000℃時隨爐冷卻；爐溫T處于800℃≤T＜1000℃半開爐門冷卻；爐溫T＜800℃出爐空冷；空冷至T＜150℃后將燒結的絕緣子毛坯脫出模具；
③采用金剛石磨料振動去毛刺設備對絕緣子毛坯進行振動去毛刺及拋光處理，即獲得所需絕緣子。
按本實施例生產出的絕緣子用韌化陶瓷，其體積電阻率為5×1013Ω?cm、介電強度為810kV/cm、熱導率為29W/m·K、抗彎強度為430Mpa、楊氏模數(shù)為370Gpa、斷裂韌性為31Mpa。
實施例2：
一種韌化陶瓷，分為心部2和表層1，其中表層1包括以下重量份的成分：碳化硅32份、氮化鋁30份、氟化鈣1.5份；心部2包括以下重量份的成分：碳化硅77.5份、硼酸鋁晶須3份、鉬的不定化合物15份；
一種絕緣子用韌化陶瓷，制造方法包括以下步驟：
1）原材料準備
①按重量份數(shù)準備硼酸鋁晶須3份、顆粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉80份、顆粒尺寸3μm-5μm的氮化鋁微粉30份、氟化鈣粉末1.5份、碳粉15份、硅化鉬15份、正硅酸乙脂8份、無水乙醇5份、純凈水5份、熱塑性酚醛樹脂2.5份；
②將所有硼酸鋁晶須、60%的碳化硅微粉、所有碳粉和所有硅化鉬微粉混合并攪拌均勻，作為心部2物料；將剩余的碳化硅微粉、所有氮化鋁微粉和所有氟化鈣混合并攪拌均勻，作為表層1物料；
2）預制備絕緣子
①將1）中步驟②獲得的心部2物料與所有正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂混合后放入涂有脫模劑的心部2模具中，其中正硅酸乙脂、無水乙醇、純凈水、熱塑性酚醛樹脂的重量比為4:2:2:1，心部2模具的輪廓三維尺寸均在所需目標絕緣子尺寸基礎上減少10mm，將該心部2模具置于850℃下，在保護氣氛或真空環(huán)境里保溫5h，獲得心部2毛坯；
②將1）中步驟②獲得的表層1物料在涂有脫模劑的絕緣子模具中鋪墊5mm;再將步驟①獲得的心部毛坯置于絕緣子模具正中間，表面1物料鋪墊層的表面中心；
③在不影響心部2毛坯尺寸的情況下將表層1物料繼續(xù)放入絕緣子模具中，直至將模具填充滿，獲得預制備絕緣子毛坯；
3）絕緣子燒結及完成
①將2）中步驟③獲得的預制備絕緣子毛坯置于3倍大氣壓的氬氣中，以1000℃以上保持200℃/h的升溫速率升溫至1600℃，保溫時間7h；
②燒結完成后，爐溫T不低于1000℃時隨爐冷卻；爐溫T處于800℃≤T＜1000℃半開爐門冷卻；爐溫T＜800℃出爐空冷；空冷至T＜150℃后將燒結的絕緣子毛坯脫出模具；
③采用金剛石磨料振動去毛刺設備對絕緣子毛坯進行振動去毛刺及拋光處理，即獲得所需絕緣子。
按本實施例生產出的絕緣子用韌化陶瓷，其體積電阻率為1×1014Ω?cm、介電強度為830kV/cm、熱導率為27W/m·K、抗彎強度為410Mpa、楊氏模數(shù)為360Gpa、斷裂韌性為29Mpa。
本發(fā)明的工作原理為：表層氮化鋁/碳化硅本身斷裂韌性不低，又由于有韌化的心部，在受到外部沖擊時，通過心部的相對柔性支撐層緩沖，提升了對沖擊的耐受能力，同時硼酸鋁晶須如同植物根系一樣交錯在心部陶瓷內，提升了心部陶瓷的結合力和斷裂韌性，另外加上工藝上的細節(jié)優(yōu)化處理，三種因素共同作用使本發(fā)明的韌性是常規(guī)絕緣陶瓷的4倍以上，足以適應其它絕緣陶瓷不能適應的惡劣工況。
對所公開的實施例的上述說明，僅為了使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。