專利名稱:高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷及其制造方法
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷及其制造方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及具有細(xì)致均勻的微觀組織、適用于大型高壓絕緣子的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷和耐酸陶瓷。本發(fā)明還涉及制造這種陶瓷的具體方法。
在高壓絕緣子的制造過(guò)程中，使用兩種長(zhǎng)石瓷，即普通的陶瓷和含鋁陶瓷。普通陶瓷主要含有石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物質(zhì)以及礦物粘土，而含鋁陶瓷主要含有石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物質(zhì)、礬土類物質(zhì)以及礦物粘土類物質(zhì)。
附圖7表示了陶瓷強(qiáng)度與原料混合物粒度之間的關(guān)系(就普通陶瓷是由石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物質(zhì)以及礦物粘土類物質(zhì)組成而言)?？v座標(biāo)代表素?zé)傻目箯潖?qiáng)度，而橫座標(biāo)代表有效直徑不大于10μm顆粒的重量百分率。如圖7所示，陶瓷的強(qiáng)度往往隨著其原料粒度的減小而增加。這種陶瓷強(qiáng)度增加的原因在于由于使用較細(xì)的原料，因而使得陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻。對(duì)于普通陶瓷和含鋁陶瓷的這種傾向已為人們所認(rèn)識(shí)。
另一方面，原始材料粒度越細(xì)，在干燥和煅燒工藝中就越可能出現(xiàn)裂縫，這已為實(shí)驗(yàn)所知。一般來(lái)說(shuō)，有效直徑不大于10μm的顆粒含量超過(guò)85%(以重量計(jì)，下同)時(shí)，裂縫常在上述工藝中發(fā)生。因此，陶瓷材料的粒度應(yīng)加以控制，以便在普通陶瓷和含鋁陶瓷中，有效直徑不大于10μm的顆粒含量小于85%。
在干燥或煅燒工藝中出現(xiàn)的上述的“裂縫”，指的是在陶瓷的應(yīng)變部分引起的那些裂縫，是由于干燥和煅燒工藝中的溫度差造成的內(nèi)部和其表面的膨脹差和收縮差而引起的。應(yīng)變部分包括在捏合和擠壓過(guò)程中由于顆粒取向和體材內(nèi)部與表面之間的密度差引起的內(nèi)應(yīng)變;以及體材的切割加工過(guò)程中，陶瓷的內(nèi)部和表面上引起的表面應(yīng)變。因此，本發(fā)明描述的裂縫指的是干燥和煅燒工藝中陶瓷內(nèi)部和表面上形成的裂縫。
總之，先有技術(shù)的長(zhǎng)石瓷缺點(diǎn)在于當(dāng)原料的粒度非常細(xì)，那么易出現(xiàn)裂縫的危險(xiǎn)性變得很高，當(dāng)這種陶瓷用來(lái)制做大型高壓絕緣子或內(nèi)部和表面之間的溫度差很大的高壓絕緣子時(shí)，這種危險(xiǎn)就會(huì)進(jìn)一步增大。
因此，原料的粒度限定在一定值以下，這個(gè)限定反映了陶瓷微觀組織的均勻性限度，以及比較低的陶瓷機(jī)械強(qiáng)度。例如，就普通陶瓷而言，具有12mm直徑，用于絕緣體的陶瓷，其素?zé)稍嚰娜c(diǎn)彎曲強(qiáng)度大約為1000Kg/cm2;而就含有20%剛玉的含鋁陶瓷而言，大約為1400Kg/cm2。如果原料的顆粒研磨的非常細(xì)，如上文指出，在生產(chǎn)陶瓷的干燥工藝和/或煅燒工藝中，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，對(duì)于需要有高機(jī)械強(qiáng)度(例如大型高壓絕緣子)的制品，就要采取特殊的方法，例如向體材中添加大量的剛玉或施加靜態(tài)液壓以便壓實(shí)，然后用壓實(shí)體材雕刻出絕緣子。這樣，這種特殊方法使得生產(chǎn)費(fèi)用增加或者使得生產(chǎn)工藝復(fù)雜化。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是克服先有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種新型的具有比以前更均勻的微觀組織的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷，以便提高其強(qiáng)度。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，該方法避免了在干燥和煅燒工藝中產(chǎn)生裂縫，甚至在使用的原料具有非常細(xì)的粒度的情況下。本發(fā)明的方法耗費(fèi)低于常規(guī)陶瓷的生產(chǎn)方法，并且不需要復(fù)雜的工藝。
根據(jù)本發(fā)明的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的優(yōu)選方案，此瓷具有粒度小于20μm及總結(jié)晶度高于40%(以重量計(jì))的晶相，因此使素?zé)傻目箯潖?qiáng)度高于1400Kg/cm2，并且無(wú)大于40μm的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明方法，可以按下文的方式生產(chǎn)這種高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷。即，(1)將原料研磨，以便得到這樣的粒度分布，其中85～95%(以重量計(jì))的顆粒的有效直徑小于10μm，(2)在煅燒后，粉狀材料與礦物粘土混合(3)，(4)研磨該混合物，以便其低于85%的顆粒有效直徑小于10μm，并且將這種方法獲得的粉狀混合物成型、干燥，并按照常規(guī)陶瓷生產(chǎn)的相同步驟進(jìn)行煅燒。上述步驟(3)和(4)的工藝次序可以相互更換。
本發(fā)明高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的強(qiáng)度比同種常規(guī)陶瓷大30～40%。更具體地說(shuō)，就普通陶瓷制品而言，具有12mm直徑的本發(fā)明的素?zé)稍嚰?，其三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為1400Kg/cm2;而含有20%剛玉的含鋁陶瓷制品，其三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為1800Kg/cm2;含30%的剛玉的含鋁陶瓷制品，其三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為2100Kg/cm2;含50%的剛玉的含鋁陶瓷制品，其三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為2900Kg/cm2。
現(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。使用本發(fā)明，陶瓷的微觀組織較先有技術(shù)制備得更加均勻，其強(qiáng)度得到提高。為此目的，除礦物粘土外，將陶瓷細(xì)料進(jìn)行研磨，使其85%以上粒子的有效直徑不超過(guò)10μm，然后煅燒，使其燒結(jié)。煅燒后，礦物粘土與按此法得到的粉狀料混合，然后研磨這種混合物，同時(shí)不斷地監(jiān)測(cè)控制粒度分布，以便使有效直徑不超過(guò)10μm的顆粒含量低于85%。借此，盡管煅燒前85%以上的原料是細(xì)粒料，其有效直徑不超過(guò)10μm，但通常陶瓷生產(chǎn)步驟，如捏和、擠壓、干燥和煅燒仍能以常規(guī)方法同樣的方式進(jìn)行。
在本發(fā)明中使用的原料是石英類物質(zhì)，如硅質(zhì)砂;長(zhǎng)石類物質(zhì)，如鉀堿長(zhǎng)石;以及礬土類物質(zhì)，如α-Al2O3。按常用陶瓷材料的研磨方法粉碎原料，以便生產(chǎn)出一種85～95%的顆粒有效直徑不大于10μm的顆粒粒度分布。上述的研磨可通過(guò)下述過(guò)程進(jìn)行1)對(duì)于每種原料進(jìn)行研磨，然后混合磨碎的物料，以便制備出預(yù)定的煅燒制品;2)也可研磨預(yù)定煅燒制品的原料的混合物。上述混合前后研磨的選擇取決于生產(chǎn)規(guī)模和現(xiàn)有加工設(shè)備的情況。
根據(jù)斯托克斯(Stokes)直徑(一般稱作有效直徑)的粒度，由沉積方法測(cè)定。
圖1表明用于本發(fā)明原料的粒度分布。為了便于比較，先有技術(shù)的普通陶瓷和含鋁陶瓷的石英類原料粒度分布，也在圖中作了描繪。在圖中，橫座標(biāo)代表顆粒的有效直徑，而縱座標(biāo)代表顆粒的有效直徑不大于橫座標(biāo)示出的顆粒有效直徑重量百分比。表1表明用于本發(fā)明原料的粒度分布區(qū)域，此區(qū)域?qū)?yīng)于圖1中曲線I1～I(xiàn)2之間的區(qū)域。
在圖1中，曲線S1和S2之間的區(qū)域指出了石英類物質(zhì)的粒度分布，這種物質(zhì)一般用于絕緣陶瓷子。曲線a1和a2之間的區(qū)域指出了已知的美國(guó)專利3，097，101所公開的石英類物質(zhì)的粒度分布。曲線P1和P2之間的區(qū)域指出了已知的日本專利公開22，807/1973所公開的石英類物質(zhì)的粒度分布。如圖1所示，用于本發(fā)明的石英類物質(zhì)的粒度比常用的石英類物質(zhì)的更細(xì)。用于本發(fā)明的長(zhǎng)石類物質(zhì)和礬土類物質(zhì)的粒度也比先有技術(shù)的細(xì)。
圖2表明煅燒物料的混合物(稱作“煅燒物料”)，它是由石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物質(zhì)和礬土類物質(zhì)組成。圖2陰影部分代表用于本發(fā)明煅燒物質(zhì)的優(yōu)選組份，該組份包括不大于85%的石英類物質(zhì)，15～75%的長(zhǎng)石類物質(zhì)，以及不大于85%的礬土類物質(zhì)?？刂七@種組份的原料粒度分布，使其85～95%的顆粒有如圖1和表1所示，不大于10μm的有效直徑。在900～1400℃下煅燒具有優(yōu)選混合物料和適當(dāng)粒子粒度分布的原料混合物，以便提供煅燒材料。
煅燒本發(fā)明細(xì)粉狀原料的原因有兩重，即，使陶瓷微觀結(jié)構(gòu)均勻化，防止陶瓷在后續(xù)加工步驟中產(chǎn)生裂縫。方法是控制通過(guò)研磨煅燒過(guò)的材料制備的二次粉未顆粒的粒度而達(dá)到上述要求。
將煅燒材料與礦物粘土混合。根據(jù)情況可以通過(guò)下面的三種方法中任何一種來(lái)進(jìn)行混合。即，1)研磨煅燒材料，然后與礦物粘土混合，對(duì)這種混合物進(jìn)行研磨，并向粉末狀混合物中添加其余的礦物粘土。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，控制含有45～80%的煅燒材料和20～55%的礦物粘土混合物粒度，以便不超過(guò)85%的顆粒的有效直徑不大于10μm。所需的高強(qiáng)度長(zhǎng)石類陶瓷可通過(guò)按這種方法得到的粒度的控制加以制備;在1100～1400℃下，按任何適宜的常規(guī)方法的相應(yīng)步驟的同樣方式，捏和、擠壓、成型、干燥、煅燒。
按照本發(fā)明，高強(qiáng)度長(zhǎng)石陶瓷的晶相由至少一種晶體構(gòu)成，這種晶體選自剛玉、莫來(lái)石、方晶石和石英。優(yōu)選的結(jié)晶混合物含有不大于60%，最好為20～60%的剛玉，5～50%的莫來(lái)石，不大于40%的方晶石，以及不大于10%的石英。
現(xiàn)在說(shuō)明本發(fā)明的各種限定的原因。
由于下述原因，高強(qiáng)度長(zhǎng)石類陶瓷混合物的主要成份限定為22～85%的SiO2、10～73%的Al2O3，1.5～6.5%的K2O和/或Na2O。即，為了提供所需陶瓷的特性，得到一種易擠壓、成型和煅燒的體材，選擇了上述的混合物。所考慮的特性主要包括機(jī)械性能、熱性能和電性能，例如抗彎強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)，體積電阻率，等等。
如果SiO2含量(主要來(lái)源于硅石類物質(zhì)和礦物粘土)低于22%或高于85%，體材難以擠壓、成型和煅燒。如果Al2O3含量(主要來(lái)源于礦物粘土)低于10%，擠壓和成型便難以進(jìn)行;而超過(guò)73%，則煅燒溫度太高，烘干工藝又難以進(jìn)行。如果K2O和/或Na2O的含量(主要來(lái)源于長(zhǎng)石類物質(zhì))小于1.5%，則很難煅燒;而超過(guò)6.5%，則陶瓷中的玻璃含量太高，煅燒過(guò)程中，陶瓷徑徑變軟，結(jié)果很難使復(fù)雜形狀的陶瓷穩(wěn)定生產(chǎn)。
為了生產(chǎn)所要求的特性的陶瓷，高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的晶相限制在選自含剛玉、莫來(lái)石、方晶石和石英中的至少一種晶體。
以重量百分比為單位的晶相，限制在不大于60%的剛玉、5～50%的莫來(lái)石、不大于40%的方晶石，以及不大于10%的石英，這是由于下述原因，即剛玉大于60%，使煅燒很難進(jìn)行。如果莫來(lái)石的含量小于5%，則陶瓷強(qiáng)度不夠;而超過(guò)50%，又很難煅燒。如果方晶石的含量超過(guò)40%，陶瓷的熱膨脹系數(shù)變得太大，使陶瓷產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力，從而陶瓷強(qiáng)度降低。高于10%的石英使陶瓷強(qiáng)度不夠。
總結(jié)晶度限制在大于40%(以重量計(jì))，因?yàn)槿绻∮?0%(以重量計(jì))，則不能制備出優(yōu)良的機(jī)械性能和電性能的陶瓷。例如，隨著總結(jié)晶度的增加，機(jī)械性能，例如抗彎強(qiáng)度和韌性，以及電性能(例如體積電阻率和絕緣強(qiáng)度)都得到改善。由于本發(fā)明高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的原料是非常細(xì)的顆粒，即，其85～95%的粒度不大于10μm和小于40%的低總結(jié)晶度，使陶瓷在煅燒過(guò)程中產(chǎn)生了很大的形變，很難使復(fù)雜形狀的高壓絕緣子穩(wěn)定生產(chǎn)。結(jié)晶度是通過(guò)定量的x射線衍射方法測(cè)定的，所測(cè)量的單個(gè)晶體的衍射峰值為剛玉(113)，莫來(lái)石(220)，方晶石(101)和石英(100)。
由于大于20μm的晶體不能產(chǎn)生均勻的微觀組織，從而不能提供所需的高強(qiáng)度陶瓷，因此，晶體的粒度限制在不大于20μm。本發(fā)明陶瓷的原料呈現(xiàn)非常細(xì)的顆粒形式，即85～95%的顆粒有效直徑不大于10μm，5-15%顆粒有效直徑大于10μm，在煅燒過(guò)程中，這種顆粒熔化并發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果，大于20μm的晶粒幾乎不存在于陶瓷中。本發(fā)明人用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡證實(shí)了本發(fā)明的陶瓷晶粒不大于20μm。
由于大于40μm的缺陷能降低陶瓷的強(qiáng)度，有礙高強(qiáng)度陶瓷的生產(chǎn)，因此陶瓷的缺陷被限制在不大于40μm。“缺陷”指的是陶瓷中的雜質(zhì)和孔隙。雜質(zhì)是一種不同于陶瓷固有材料的物質(zhì)，大多數(shù)這種雜質(zhì)是在體材制造步驟中進(jìn)入陶瓷的。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，用于煅燒材料和礦物粘土的模塑泥釉混合物的最后一道篩子，其目數(shù)為44μm。結(jié)果，通過(guò)最后一道篩子的雜質(zhì)，在煅燒陶瓷時(shí)熔化，從而沒(méi)有大于40μm的殘留雜質(zhì)?？紫兜拇笮∪Q于陶瓷生產(chǎn)的方法，而按照本發(fā)明的方法保證了陶瓷孔隙不大于40μm。本發(fā)明人用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡證實(shí)，本發(fā)明陶瓷的雜質(zhì)和孔隙不大于40μm。
按照本發(fā)明，高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的抗彎強(qiáng)度限制在大于1400Kg/cm2，因?yàn)橄拗魄笆龇绞降幕旌衔铩⒕?、結(jié)晶度和顯微組織來(lái)提高長(zhǎng)石瓷的強(qiáng)度時(shí)，這種素瓷的抗彎強(qiáng)度也得到提高。
更具體地講，當(dāng)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷滿足下列條件即根據(jù)重量，陶瓷主要含有22～85%的SiO2、10～73%的Al2O3和1.5～6.5%的K2O和/或Na2O;陶瓷具有一種晶相，這種晶相是由至少一種晶體所形成，它選自含有剛玉、莫來(lái)石、方晶石和石英類，晶相的總結(jié)晶度大于40%，晶體的結(jié)晶度選自如下范圍剛玉不大于60%，莫來(lái)石5～50%、方晶石不大于40%，石英不大于10%、晶體粒度小于20μm，陶瓷無(wú)大于40μm的缺陷。這時(shí)，抗彎強(qiáng)度大于1400Kg/cm2的素?zé)杀憧梢缘玫健１景l(fā)明使用的“素?zé)煽箯潖?qiáng)度”指的是12mm直徑的素?zé)稍嚰膹澢鷳?yīng)力，在此應(yīng)力下，跨距為100mm的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的試件破裂(此彎曲試驗(yàn)使用加載機(jī)的橫梁速度為0.5mm/min)。具有素?zé)煽箯潖?qiáng)度為1800Kg/cm2的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷只限于一種混合物，該混合物主要包括30-60%的SiO2，30-73%的Al2O3，低于1.5%的Fe2O3，低于1.5%的TiO2，低于0.7%的CaO，低于0.5%的MgO和1.5-6.5%的K2O和/或Na2O，以及在其晶相中只限于含有20～60%的剛玉。這種陶瓷研制為大型高壓絕緣體，因此30-60%的SiO2和30-70%的Al2O3為高的成型性能所必需，不大于1.5%Fe2O3為電絕緣體所必需，不大于1.5%的TiO2，不大于0.7%的CaO和不大于0.5%的MgO為便于煅燒大型陶瓷絕緣體所必需。K2O和/或Na2O限制在1.5-6.5%的原因與上面描述的相同。當(dāng)剛玉結(jié)晶的含量小于20%，直徑為12mm的素?zé)稍嚰c(diǎn)彎曲強(qiáng)度不小于1，800Kg/cm2，而其含量大于60%，便很難煅燒。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，使用一種混合物可以得到素?zé)蓮澢鷱?qiáng)度為1800Kg/cm2的上述高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷。這種混合物主要含有30～60%的SiO2，30～73%的Al2O3，不大于1.5%的Fe2O3，不大于1.5%的TiO2，不大于0.7%的CaO，不大于0.5%的MgO，1.5～6.5%的K2O和/或Na2O，以及不大于20%的至少一種氧化物，它選自含TiO2、BaO、ZrO2、B2O3和ZnO。除了石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物、礬土類物質(zhì)和礦物粘土類物質(zhì)外，如果使用不大于20%的至少一種選自含TiO2、BaO、ZrO2和ZnO的成份即試劑，可以取得上述素?zé)傻目箯潖?qiáng)度，但如果這種附加成份即試劑大于20%，則很難進(jìn)行陶瓷的擠壓、成型和煅燒。
本發(fā)明陶瓷的原料只限于至少一種選自石英類物質(zhì)，長(zhǎng)石類物質(zhì)和礬土類物質(zhì)的材料，因?yàn)檫@種原料可以產(chǎn)生具有所需的物理和化學(xué)特性的陶瓷。原料還需要研磨，以便其85～95%是有效直徑不大于10μm的顆粒形狀，因?yàn)槿绻@種細(xì)顆粒不大于85%，就不能得到所需的陶瓷強(qiáng)度;而其大于95%，就要花費(fèi)額外的研磨時(shí)間，對(duì)陶瓷強(qiáng)度又沒(méi)有任何提高。
按照本發(fā)明生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，上述煅燒材料的混合物只限于不大于85%重量的石英類物質(zhì)，15～75%重量的長(zhǎng)石類物質(zhì)和不大于85%重量的礬土類物質(zhì)。選擇這種混合物的主要原因在于長(zhǎng)石類物質(zhì)的含量。如果長(zhǎng)石類物質(zhì)的含量小于15%，就不能獲得陶瓷的致密結(jié)構(gòu)，即使在煅燒材料和礦物粘土的混合之后;而如果長(zhǎng)石類物質(zhì)的含量超過(guò)75%，在煅燒過(guò)程中，陶瓷常常軟化，有礙大型高壓絕緣子的穩(wěn)定生產(chǎn)。
只要把足夠量的礦物粘土與粉狀煅燒材料相混合，保證材料有合適的塑性，含有大于85%的細(xì)顆粒，其有效直徑不大于10μm的礦物粘土和其它化學(xué)物質(zhì)可添加到煅燒材料中，但須保證陶瓷微觀組織的均勻性不被破壞。上述其它化學(xué)物質(zhì)是，例如TiO2、BaO、ZrO2B2O3、ZnO等等。
煅燒溫度只限于900～1400℃，因?yàn)槿绻褵郎囟鹊陀?00℃，燒結(jié)作用不足以在煅燒材料中生成均勻的微觀結(jié)構(gòu);如果高于1400℃，產(chǎn)生氣泡，在煅燒材料中不能產(chǎn)生細(xì)致均勻的微觀結(jié)構(gòu)。
就通過(guò)把礦物粘土與粉狀煅燒材料混合制備的體材混合物而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最好為45～80%(以重量計(jì))的煅燒材料和20～55%(以重量計(jì))的礦物粘土。原因主要在于礦物粘土，如果其含量小于20%或大于55%，體材的塑性便不夠，很難把體材擠壓和成型。
煅燒材料和礦物粘土的混合物的煅燒溫度限定在1100-1400℃之間。如果煅燒溫度低于1100℃，不能得到燒結(jié)很好的陶瓷;如高于1400℃，產(chǎn)生氣泡，有礙陶瓷的穩(wěn)定生產(chǎn)。
為了更好地理解本發(fā)明，參閱下列附圖，其中圖1示出了按照本發(fā)明制備的陶瓷的顆粒粒度分布，并與先有技術(shù)的普通陶瓷和含鋁陶瓷的石英類物質(zhì)作了對(duì)比;
圖2示出了用本發(fā)明的原料的組份范圍，其原料包括石英類物質(zhì)、長(zhǎng)石類物質(zhì)和礬土類物質(zhì);
圖3示出了石英類物質(zhì)，長(zhǎng)石類物質(zhì)和礬土類物質(zhì)的顆粒粒度分布，其中礬土類物質(zhì)用于下述的本發(fā)明的陶瓷實(shí)例。
圖4示出在后面描述的實(shí)例中使用的石英-長(zhǎng)石-礬土樣品組份;
圖5A是攝自透射型光學(xué)顯微鏡的顯微照片，示出了按照本發(fā)明實(shí)例1的樣品F的微觀結(jié)構(gòu);
圖5B是攝自透射型光學(xué)顯微鏡的顯微照片，示出了按常規(guī)方法生產(chǎn)的實(shí)例1的參考樣品M的微觀結(jié)構(gòu);
圖6圖示了傘狀的實(shí)心絕緣子，以及圖7示出了根據(jù)石英類物質(zhì)，長(zhǎng)石類物質(zhì)、礦物粘土制備的普通陶瓷，試件的抗彎強(qiáng)度和原料粒度之間的關(guān)系。
參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明實(shí)例1選出四種原材料，即硅質(zhì)砂作為石英類材料，鉀長(zhǎng)石作為長(zhǎng)石類材料，α-Al2O3礬土和鋁礬土作為礬土類材料。除此之外，還選出高嶺土作為礦粘土材料。將這四種原材料放入球磨機(jī)中，采用濕法進(jìn)行研磨。淘洗高嶺土，使其95%的顆粒的粒度不大于10μm，這樣就不必對(duì)粘土進(jìn)行研磨。上述四種原材料經(jīng)研磨后，每一種的粒度分布如圖3和表2所示。
利用圖4中由A到I九種組分，采用將這些石英類、長(zhǎng)石類和礬土類材料混合的方法，制備用于煅燒的原材料混合物。放入球磨機(jī)中，使用濕法將用于煅燒的原材料進(jìn)行混合?；旌虾?，用電干燥機(jī)將混合物的各個(gè)組分都干燥，然后放入硅碳棒電加熱爐中，在1，150～1，300℃溫度下煅燒。在圖4中，試樣C′是采用外推法將5%的ZnO加入試樣C中，再經(jīng)過(guò)煅燒制備出來(lái)的。
礦粘土材料(即這里使用的高嶺土)與每一種煅燒過(guò)的材料分別混合。該煅燒過(guò)的材料按表3由試樣A到I采用不同的配比。將這樣加工的每一種混合物放入球磨機(jī)中進(jìn)行濕法研磨，以使每一種試樣中80%的顆粒的粒度不大于10μm。煅燒材料和高嶺土的混合物構(gòu)成了澆注泥釉。每一種澆注泥釉經(jīng)鐵過(guò)濾器脫鐵后，再用濾壓機(jī)將泥釉過(guò)44μm網(wǎng)篩進(jìn)行脫水。用真空捏合機(jī)進(jìn)行捏合，然后擠出。這些經(jīng)捏合的材料為每種試樣模制成直徑12mm的試件。經(jīng)過(guò)干燥，然后在連續(xù)加熱爐中以1，300～1，350℃的溫度煅燒，從而生產(chǎn)出由A到I的十種瓷試樣。表3中表示了這些瓷試樣的性能。
表3中由J到K的每種參考試樣都具有一種煅燒材料組分，該組分含量在圖2和圖4所示的本發(fā)明組分含量范圍之外。但是，這些原材料和設(shè)備，以及生產(chǎn)條件都與本發(fā)明由A到I的試樣相同。因此，除了混合物的組分含量之外，由J到K的試樣的制備方法均與本發(fā)明的試樣的制備方法相同。
表3中由L到N的試樣是用先有工藝方法制備的，即三種組分硅質(zhì)砂作為石英類材料，鈉長(zhǎng)石作為長(zhǎng)石類材料和α-Al2O3作為礬土類材料。這些材料以表3中所示的配比相混合。放入球磨機(jī)中，將每種混合物濕法研磨，以便在進(jìn)一步與高嶺土相混合后其中70～80%的顆粒的粒度不大于10μm。高嶺土作為礦粘土材料。在經(jīng)過(guò)研磨的每一種煅燒材料中加入高嶺土，然后放在球磨機(jī)中進(jìn)行濕法研磨，混合后得到澆注泥釉。泥釉經(jīng)過(guò)鐵過(guò)濾器脫鐵，再用濾壓機(jī)將每種泥釉過(guò)88μm網(wǎng)篩進(jìn)行脫水，捏合，然后擠出，以便制備直徑12mm的試件。試件干燥后，以1，300～1，350℃的溫度在連續(xù)加熱爐中煅燒。
就表3中所列的各種性能而論，結(jié)晶度可用X射線衍射法定量測(cè)得，混合物組分通過(guò)濕化學(xué)定量分析確定，晶粒大小及缺陷用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀測(cè)確定。12mm素?zé)稍嚰目箯潖?qiáng)度用三點(diǎn)彎曲法測(cè)得。使用載荷試驗(yàn)機(jī)時(shí)，跨距為100mm，加載速度以其橫梁速度表示為0.5mm/min。熱膨脹系數(shù)用根據(jù)光學(xué)杠桿原理制做的鏡式熱膨脹儀測(cè)得。用于這種測(cè)量的試件尺寸為4mm(直徑)×50.00mm。
在電性能方面，體積電阻率，介電常數(shù)和介電損耗角正切用JIS-C2141法測(cè)得(JIS∶日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。絕緣強(qiáng)度按VDE-0335測(cè)得(VDE∶德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì))。耐酸性用JIS-K1503的JIS粉末法測(cè)得。
正如表3所示，按照本發(fā)明由A到I的瓷試樣的晶粒粒度范圍為15～18μm，缺陷的大小范圍為26～28μm。這些混合物組分中，含有SiO233～80%，Al2O316～63%，K2O和/或Na2O2.2～5.1%。其中各種晶粒的含量不超過(guò)50%的剛玉，8～35%的莫來(lái)石，不超過(guò)32%的方晶石以及不超過(guò)9%的石英石?？偨Y(jié)晶度為42～66%。它們的抗彎強(qiáng)度在1，420～2，940Kg/cm2范圍內(nèi)。更具體地說(shuō)，含剛玉18.8%的試樣E的抗彎強(qiáng)度為1，950Kg/cm2，含剛玉49.2%的試樣F的抗彎強(qiáng)度為2，940Kg/cm2。這種試樣與用常規(guī)方法制做的，含有相同剛玉量的瓷試樣比較表明前者的強(qiáng)度提高了30～40%。
參考試樣J所使用的煅燒材料中，有一種組分的含量在本發(fā)明的含量范圍之外，即煅燒材料中含有10%的鉀長(zhǎng)石，這樣就導(dǎo)致K2O和Na2O的含量不足，這兩種組分的總含量為1.2%。在這種情況下，試樣J就不能很好地煅燒，而且缺陷也相當(dāng)大，為55μm數(shù)量級(jí)，抗彎強(qiáng)度僅為570Kg/cm2。在參考試樣K的煅燒材料中含有80%的鉀長(zhǎng)石，這使得K2O和Na2O的含量過(guò)多，這兩種組分的總含量為7.3%;總結(jié)晶度為16.1%，而抗彎強(qiáng)度僅為1，210Kg/cm2。
用常規(guī)方法制備的由L至N的試樣的晶粒粒度范圍為25～50μm，總結(jié)晶度范圍為34～38%，缺陷大小范圍為52～86μm，抗彎強(qiáng)度為950～1，380Kg/cm2。
為了得到高強(qiáng)度和低的熱膨脹的瓷，在由石英類材料、長(zhǎng)石類材料和礬土類材料組成的煅燒材料中加入了相當(dāng)于該煅燒材料總量5%的ZnO，從而制備出了本發(fā)明的試樣C′。加入ZnO后表明抗彎強(qiáng)度提高了100Kg/cm2，而在650℃時(shí)熱膨脹系數(shù)大約減少了0.09%。
在電性能和耐酸性方面，用本發(fā)明的方法制成的由A至I的瓷試樣與用常規(guī)方法制成的由L至N的瓷試樣相比，前者優(yōu)于后者。圖5A為用本發(fā)明的方法制成的瓷試樣F的微觀結(jié)構(gòu)照片，它是采用透射式光學(xué)顯微鏡拍攝的。為了參考，圖5B為用相同方法拍攝的常規(guī)方法制成的參考瓷試樣M的微觀結(jié)構(gòu)照片。正如從圖5A和5B中所看到的，與常規(guī)方法制成的瓷相比，本發(fā)明方法制成的瓷的微觀結(jié)構(gòu)更均勻。
實(shí)例2由于本發(fā)明的特征之一就是在大型高電壓絕緣子方面的應(yīng)用，所以用本發(fā)明的瓷制成了試樣絕緣子。這種試樣絕緣子包括如圖6所示的傘狀實(shí)心絕緣子和兩種棒狀實(shí)心絕緣子。這種傘狀實(shí)心絕緣子的圓柱部分的直徑為145mm，傘狀部分的直徑為230mm，全長(zhǎng)為1，150mm。第一種棒狀實(shí)心絕緣子的全長(zhǎng)為1，150mm，圓柱部分的直徑為165mm;第二種棒狀實(shí)心絕緣子的全長(zhǎng)為1，150mm，圓柱部分的直徑為185mm。
實(shí)例1中瓷試樣F用做試樣絕緣子。原材料中，硅質(zhì)砂作為石英類材料，鉀長(zhǎng)石作為長(zhǎng)石類材料，α-Al2O3作為礬土類材料，淘洗過(guò)的高嶺土作為礦粘土類材料。將硅質(zhì)砂、鉀長(zhǎng)石和α-Al2O3按表3中F欄下的煅燒材料組分配比混合，用滾筒篩對(duì)原材料進(jìn)行濕法研磨，使90%的顆粒粒度不大于10μm。用鐵過(guò)濾器脫鐵后，再用濾壓機(jī)將這種研磨過(guò)的原材料混合物過(guò)44μm的網(wǎng)篩進(jìn)行脫水，然后用電干燥機(jī)進(jìn)行干燥。將這種干燥后的原材料混合物用軋輥粉碎機(jī)輾成粒度不大于10mm的顆粒。為了烘干瓷片，用旋轉(zhuǎn)烘干爐在1，150℃下連續(xù)煅燒。再將這種經(jīng)煅燒的混合物用軋輥粉碎機(jī)粗略地輾成粒度不大于2mm的顆粒。
在混合69%的煅燒過(guò)的材料和31%的高嶺土(如表3所示)時(shí)，首先將15%的高嶺土與煅燒過(guò)的材料一起裝入滾筒篩中;再將余下的16%的高嶺土濕法研磨。研磨的方法是在把余下的16%的高嶺土加入上述混合物中時(shí)，使80%以上的顆粒的粒度不大于10μm，然后再把這余下的高嶺土加入滾筒篩中徹底混合。用鐵過(guò)濾器脫鐵后，用濾壓機(jī)將煅燒過(guò)的材料和高嶺土混合后配制的模制泥釉通過(guò)44μm的網(wǎng)篩，進(jìn)行脫水。將脫水后的泥釉用真空擠出機(jī)擠出，從而生產(chǎn)中直徑為290～310mm，全長(zhǎng)為1800mm的泥釉體，三十個(gè)上述傘狀實(shí)心絕緣子，三十個(gè)上述第一種棒狀實(shí)心絕緣子，三十個(gè)上述第二種棒狀實(shí)心絕緣子，將這些絕緣子成型后干燥。這些實(shí)心絕緣子的尺寸如前所述。
干燥后，通過(guò)對(duì)所有絕緣體檢驗(yàn)后證實(shí)在整個(gè)干燥期間，無(wú)論是圓柱部分，還是傘狀部分均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫(干燥裂縫)。檢查后，將這些絕緣體上釉，然后放入連續(xù)加熱爐中，在1，300～1，380℃溫度下煅燒。正經(jīng)證實(shí)煅燒后，傘狀和棒狀實(shí)心絕緣體均沒(méi)有出現(xiàn)煅燒裂縫，具有良好的煅燒性能。干燥裂縫可用肉眼查出，而煅燒裂縫既要用肉眼檢查，又要用x射線進(jìn)行探傷檢查。煅燒性能通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行吸濕實(shí)驗(yàn)來(lái)檢查，這種試件是從絕緣子中部切取的。
本發(fā)明中大型高壓絕緣子試樣，例如圓柱部分直徑為145mm的傘狀實(shí)心絕緣子、直徑為165mm的棒狀實(shí)的絕緣子和直徑為185mm的棒狀實(shí)心絕緣子，這些都是用與生產(chǎn)常規(guī)瓷相同的方法生產(chǎn)的，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)任何干燥裂縫和煅燒裂縫。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷及其生產(chǎn)方法，通過(guò)進(jìn)行精細(xì)的研磨將有利于使瓷的微觀結(jié)構(gòu)均勻化，提高了瓷的機(jī)械強(qiáng)度。在本發(fā)明的生產(chǎn)方法中，對(duì)各種原材料，即長(zhǎng)石類材料、石英類材料和礬土類材料都進(jìn)行了精細(xì)的研磨、混合和煅燒，從而提供出微觀結(jié)構(gòu)均勻的煅燒材料。然后加入礦粘土，同時(shí)控制混合物的粒度分布，這樣便在捏合，擠出、成型、干燥和煅燒每一道工序中都為瓷體提供了一種良好的可塑性，從而有效地防止了在干燥和煅燒過(guò)程中裂縫的出現(xiàn)。
按本發(fā)明生產(chǎn)的長(zhǎng)石瓷及其生產(chǎn)方法對(duì)大型高壓絕緣子的生產(chǎn)工藝做出了很大貢獻(xiàn)。因?yàn)樵摯煽芍圃靾?jiān)實(shí)而致密的絕緣子，它具有極好的電性能，如耐電弧性。除此之外，本發(fā)明的瓷還具有很好的耐化學(xué)性，如耐酸性。
盡管在一定程度上已就本發(fā)明的細(xì)節(jié)進(jìn)行了描述，但應(yīng)認(rèn)為這只是運(yùn)用實(shí)例進(jìn)行的說(shuō)明。對(duì)于構(gòu)造、組合、組分范圍、組分配比及工序等這些細(xì)節(jié)都會(huì)翻新出大量的變型，應(yīng)該認(rèn)為這些都沒(méi)有超出下文提出的本發(fā)明權(quán)利要求
的范圍。
權(quán)利要求
1.抗彎強(qiáng)度大于1，400kg/cm2的高強(qiáng)度素?zé)L(zhǎng)石瓷，這種瓷主要是由22～85%(以重量計(jì))的SiO2，10～73%(以重量計(jì))的Al2O3組成的，另外還至少含有一種從K2O和Na2O中選取的氧化物，其含量為1.5～6.5%(以重量計(jì))；這種瓷具有至少由一種從剛玉，莫來(lái)石、方晶石和石英石中選取的晶體而形成的晶相，上述晶相的總結(jié)晶度按重量計(jì)大于40%，上面所選取的晶體的結(jié)晶度范圍對(duì)于剛玉不大于60%(以重量計(jì))，對(duì)于莫來(lái)石為5～50%(以重量計(jì))，對(duì)于方晶石不大于40%(以重量計(jì))，對(duì)于石英不大于10%(以重量計(jì))，上述晶體的顆粒粒度不大于20μm，上述瓷沒(méi)有大于40μm的缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷，其中上述素?zé)邚?qiáng)度長(zhǎng)石瓷的抗彎強(qiáng)度大于1，800Kg/cm2;這種瓷主要含有30～60%(以重量計(jì))的SiO2，30～73%(以重量計(jì))的Al2O3，不大于1.5%(以重量計(jì))的Fe2O3，不大于1.5%(以重量計(jì))的TiO2，不大于0.7%(以重量計(jì))的CaO，不大于0.5%(以重量計(jì))的MgO以及至少一種從K2O和Na2O中選取的、含量為1.5～6.5%(以重量計(jì))的氧化物，上述晶相中的剛玉含量為20～60%(以重量計(jì))。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2中所述的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷，其中上述瓷主要含有30～60%(以重量計(jì))的SiO2，30～73%(以重量計(jì))的Al2O3，不大于1.5%(以重量計(jì))Fe2O3，不大于0.7%(以重量計(jì))的CaO，不大于0.5%(以重量計(jì))的MgO，不大于1.5%(以重量計(jì))的TiO2，至少一種從K2O和Na2O中選取的、含量為1.5～6.5%(以重量計(jì))的氧化物，以及至少一種從TiO2、ZrO2、B2O3和ZnO中選取的、含量不大于20%(以重量計(jì))的氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1，2或3中所述的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷，其中上述瓷用做瓷絕緣子。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3中所述的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷，其中上述瓷具有耐酸性。
6.一種生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，該素?zé)拈L(zhǎng)石瓷的抗彎強(qiáng)度大于1，400Kg/cm2，而且不含大于40μm的缺陷，該方法由下列工序組成配制從含石英類材料、長(zhǎng)石類材料和礬土類材料組中選出的原材料;研磨該原材料，以便把85～95%(以重量計(jì))的原材料制成有效直徑不大于10μm的顆粒;在900～1，400℃的溫度下煅燒這種經(jīng)過(guò)研磨的材料;再將礦粘土材料與經(jīng)過(guò)煅燒的材料混合;研磨這樣形成的混合物，以便把不大于85%(以重量計(jì))的混合物制成有效直徑不大于10μm的顆粒;使這種經(jīng)過(guò)研磨的混合物成型，干燥;在1，000～1，400℃的溫度下煅燒這種成型后干燥了的混合物;這樣產(chǎn)生的瓷含晶相，而所形成的晶相中至少有一種晶體是從剛玉、莫來(lái)石、方晶石和石英中選取的，上述晶相的粒度不大于20μm，而總結(jié)晶度不大于40%(以重量計(jì))。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6中所述的用于生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述煅燒后的原材料中主要含有不大于85%(以重量計(jì))的石英類材料，15～75%(以重量計(jì))的長(zhǎng)石英材料，以以不大于85%(以重量計(jì))的礬土類材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6中所述的用于生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述混合物主要含有45～80%(以重量計(jì))的上述經(jīng)過(guò)煅燒的原材料和20～55%(以重量計(jì))的礦粘土材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6、7或8中所述的高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述瓷用做瓷絕緣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6、7或8中所述的用于生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述瓷具有耐酸性。
11.一種生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，該素?zé)拈L(zhǎng)石瓷的抗彎強(qiáng)度大于1，400Kg/cm2，而且不含大于40μm的缺陷，這種方法由下列工序組成配制從含石英類材料、長(zhǎng)石類材料和礬土類材料組中選出的原材料;研磨該原材料，以便把85～95%(以重量計(jì))的原材料制成有效直徑不大于10μm的顆粒;在900～1400℃的溫度下煅燒這種經(jīng)過(guò)研磨的材料;研磨煅燒后的材料;將礦粘土與經(jīng)過(guò)煅燒的材料混合，以便把不大于85%(以重量計(jì))的混合物制成有效直徑不大于10μm的顆粒;使這種經(jīng)過(guò)研磨的混合物成型、干燥;在1，000～1，400℃的溫度下煅燒這種成型后干燥了的混合物，這樣產(chǎn)生的瓷含有晶相，而所形成的晶相中至少有一種晶體是從剛玉、莫來(lái)石、方晶石和石英中選取的;上述晶相的粒度不大于20μm，而總結(jié)晶度不大于40%(以重量計(jì))。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11中所述的用于生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述煅燒后的原材料中主要含有不大于85%(以重量計(jì))的石英類材料，15～75%(以重量計(jì))的長(zhǎng)石類材料，以及不大于85%(以重量計(jì))的礬土類材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11中所述的生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述混合物主要由45～80%(以重量計(jì))的上述煅燒過(guò)的材料和20～55%(以重量計(jì))的礦粘土材料組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11、12或13中所述的生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述瓷用做瓷絕緣子。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11、12或13中所述的生產(chǎn)高強(qiáng)度長(zhǎng)石瓷的方法，其中上述瓷具有耐酸性。
專利摘要
高強(qiáng)度素?zé)L(zhǎng)石瓷，其抗彎強(qiáng)度大于1400kg/ cm
文檔編號(hào)C04B33/13GK86100202SQ86100202
公開日1986年8月27日 申請(qǐng)日期1986年1月17日
發(fā)明者小田功 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan