Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками (стр. 6 из 18)
Зависимость удельного объемного сопротивления от температуры
Рис.9 1 – корунд; 2 – муллито-корундовая керамика; 3 – фарфор
Диэлектрические потери высокоглиноземистой керамики возрастают с повышением температуры и до определенного значения частоты тока.
Корунд имеет tgδ=(1÷3)10-4 при 20ºС, частоте 1 – 3 МГц и содержании 50 – 60% Al2O3 имеет tgδ=(30÷60)10-4, при содержании 70 – 80% около (5÷10)10-4.
Величина пробивной напряженности у высокоглиноземистой керамики находится в пределах 30 – 35 кВ/мм и сильно зависит от структуры материала [3].
Выбор соотношения глинозема и полевого шпата в высокопрочных фарфоровых массах
Для разработки новых составов высокопрочного глиноземистого фарфора необходимо изучение прочностных свойств продуктов взаимодействия глинозема с полевошпатовыми материалами с целью установления общих закономерностей образования глиноземполевошпатовых композиций, сочетающих высокую прочность с низкой температурой спекания.
Исследовали [5] спеки глинозема с полевошпатовыми материалами при соотношениях 1:1, 1.5:1, 2:1, 3:1. для приготовления спеков использовали глинозем ГК; белогорский и приладожский полевые шпаты, приладожский пегматит. Химический состав сырьевых материалов приведен в табл.3. Путем смешивания этих материалов готовили смеси, шихтовый состав которых представлен в табл.4. Образцы изготовляли прессованием при удельном давлении 200 МПа с последующей сушкой и обжигом при температурах 1300, 1350, 1380, 1410 и 1430ºС в течение 9ч с выдержкой при конечной температуре 45мин.
Таблица 3 Химический состав сырьевых материалов
| Материал | Массовое содержание, % | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | TiO2 | CaO | MgO | K2O | Na2O | ∑R2O | п.п.п. | |
| Белогорский полевой шпат | 65.80 | 18.30 | 0.14 | 0.11 | 0.54 | 0.19 | 11.05 | 3.46 | 14.52 | 0.47 |
| Приладожский полевой шпат:III | 68.1264.14 | 16.6018.93 | 0.240.44 | 0.340.28 | 0.560.51 | 0.200.09 | 10.1812.27 | 3.443.45 | 13.6215.72 | 0.300.30 |
| Приладожский пегматит | 73.35 | 15.00 | 0.28 | 0.22 | 0.55 | 0.19 | 7.00 | 2.80 | 9.8 | 0.57 |
| Глинозем ГК | 3.85 | 94.91 | 0.12 | - | - | - | 0.48 | 0.23 | - | 0.41 |
По расчетному химическому составу исследуемых смесей содержание суммы щелочных оксидов в них изменяется от 2.98 до 8.93, отношение содержания глинозема к сумме щелочных оксидов (Al2O3:∑R2O) – от 4.88 до 25.20 и отношение содержания оксида калия к оксиду натрия (K2O:Na2O) – от 2.40 до 3.38 (табл.5). За температуру спекания принята температура максимальной усадки образца при дилатометрических испытаниях по методу ВНИИФа.
Физико-механические характеристики глиноземполевошпатовых смесей приведены в табл.6. Температура спекания исследованных смесей изменяется от 1300 до 1520ºС. Модуль упругости образцов, обожженных при температурах их спекания, находится в пределах 8*104 – 12*104 МПа. Значения температур спекания, лежащих выше 1430ºС, получены экстраполяцией зависимости открытой пористости от температуры обжига соответствующих образцов.
Таблица 5 Содержание оксидов в исследуемых смесях
| Смесь | Массовое содержание, % | K2O::Na2O | α-Al2O3: :∑R2O | ||
| K2O | Na2O | ∑R2O | |||
| 1 | 5.46 | 1.85 | 7.61 | 3.12 | 6.55 |
| 2 | 4.71 | 1.52 | 6.23 | 3.10 | 9.64 |
| 3 | 4.00 | 1.30 | 5.30 | 3.08 | 12.60 |
| 4 | 3.12 | 1.01 | 4.13 | 3.10 | 18.10 |
| 5 | 3.74 | 1.52 | 5.26 | 2.46 | 9.50 |
| 6 | 3.09 | 1.29 | 4.38 | 2.40 | 13.70 |
| 7 | 2.65 | 1.08 | 3.73 | 2.45 | 17.90 |
| 8 | 2.11 | 0.87 | 2.98 | 2.43 | 25.20 |
| 9 | 5.33 | 1.84 | 7.17 | 2.90 | 6.96 |
| 10 | 4.36 | 1.51 | 5.87 | 2.89 | 10.20 |
| 11 | 3.71 | 1.29 | 5.00 | 2.88 | 13.10 |
| 12 | 2.90 | 1.03 | 3.93 | 2.82 | 19.10 |
| 13 | 5.46 | 1.67 | 7.13 | 3.27 | 7.75 |
| 14 | 6.17 | 1.88 | 8.15 | 3.34 | 5.97 |
| 15 | 6.89 | 2.04 | 8.93 | 3.38 | 4.88 |
Математическая обработка результатов позволила получить уравнение 1-го порядка для зависимости температуры спекания образцов от отношения корунда к сумме щелочных оксидов и отношения оксида калия к оксиду натрия
Тсп=799.41+133.72х1+15.51х2 ,
где Тсп – температура спекания;
х1 – соотношения содержания оксидов Kи Na(K2O:Na2O);
х2 – отношение содержания α-Al2O3 к сумме оксидов щелочных металлов (α-Al2O3:∑R2O).
Таблица 6 Характеристики исследуемых смесей
| Смесь | Модуль упругости Е*10-4, МПа,при температуре, ºС | Темпера-тура спе-кания,ºС | ||||
| 1300 | 1350 | 1380 | 1410 | 1430 | ||
| 1 | 7.50 | 8.82 | 8.51 | 7.61 | - | 1325 |
| 2 | 6.93 | 8.32 | 8.71 | 8.90 | 9.82 | 1375 |
| 3 | 6.02 | 6.28 | 6.99 | 9.58 | 10.52 | 1410 |
| 4 | 5.41 | 6.38 | 6.57 | 8.93 | 10.23 | 1500 |
| 5 | 8.10 | 9.05 | 9.00 | 9.42 | 10.29 | 1305 |
| 6 | 8.08 | 9.39 | 9.34 | 10.19 | 10.96 | 1335 |
| 7 | 6.57 | 8.14 | 8.20 | 10.89 | 12.42 | 1400 |
| 8 | 5.47 | 6.73 | 6.46 | 9.64 | 11.40 | 1520 |
| 9 | 9.25 | 8.88 | 8.92 | 9.00 | 10.32 | 1290 |
| 10 | 7.98 | 9.18 | 9.25 | 10.42 | 11.65 | 1340 |
| 11 | 8.38 | 7.85 | 9.20 | 10.49 | 12.39 | 1380 |
| 12 | - | - | 7.30 | 9.98 | 11.83 | 1465 |
| 13 | 8.30 | 10.00 | 10.80 | 11.10 | 10.90 | 1390 |
| 14 | 10.80 | 10.60 | 10.40 | 10.10 | 9.80 | 1330 |
| 15 | 10.30 | 10.00 | 9.70 | 9.30 | 9.10 | 1300 |
Анализ уравнения показывает, что увеличение как соотношения K2O:Na2O, так и соотношения α-Al2O3:∑R2Oприводит к повышению температуры спекания. При этом увеличение соотношения K2O:Na2Oна 0.1 повышает температуру спекания на 13.4ºС, а увеличение соотношения α-Al2O3:∑R2Oна 1.0(5.0) – на 15.5ºС (77.5ºС). Таким образом, для снижения температуры спекания целесообразней уменьшить соотношение K2O:Na2O.
В табл.6 приведены значения модуля упругости образцов, обожженных при температуре их спекания, при различных соотношениях K2O:Na2Oи α-Al2O3:∑R2Oв смесях. С увеличением соотношения α-Al2O3:∑R2Oнаблюдается рост модуля упругости материала. Возрастание соотношения K2O:Na2Oпри постоянном соотношении α-Al2O3:∑R2Oтакже сопровождается повышением модуля упругости образцов.
Одна и та же величина модуля упругости может быть достигнута при различных соотношениях K2O:Na2Oи α-Al2O3:∑R2Oв материалах.
Обработка экспериментальных данных позволила получить уравнение 2-го порядка
М=37.85+13.80х1-17.07х2-76.60х3-4.41х1х2+6.44х1х3+24.28х2х3-0.11х12- 1.82х22+32.56х32,
где М – модуль упругости, 104 МПа;
х1 – соотношение K2O:Na2O;
10*х2 – соотношение α-Al2O3:∑R2O;
103*х3 – температура обжига, ºС.
Частные производные по х1 и х2 равны:
∂М/∂х1=13.80-0.22х1-4.41х2-6.44х3;
∂М/∂х2=-17.07-4.41х1-3.64х2+24.28х3. (1)
Из условия ∂М/∂хi=0 получены уравнения, позволяющие определить значения х1 и х2, при которых модуль упругости имеет экстремум
х1=62.73-20.05х2-29.27х3; (2)
х2=-4.69-1.21х1+6.67х3. (3)
По уравнению (2) при заданных величинах температуры обжига и соотношения α-Al2O3:∑R2Oможно выявить соотношение K2O:Na2O, при котором модуль упругости принимает максимальное значение. Аналогично по уравнению (3) можно найти соотношение α-Al2O3:∑R2O, при котором модуль упругости максимален при заданных значениях температуры обжига и соотношения K2O:Na2O.
При постоянной температуре обжига поверхность, описываемая уравнением (1), имеет вид «седла» - гиперболического параболоида.
Решив систему уравнений (2) и (3), получим координаты «седловинной» точки в зависимости от температуры обжига
х1=7.01х3-6.74; (4)
х2=3.47-1.81х3. (5)
Из уравнений (4) и (5) следует, что при повышении температуры обжига координаты «седловинной» точки сдвигаются в сторону бóльших значений соотношения K2O:Na2Oи меньших значений соотношения α-Al2O3:∑R2O. Поскольку в этой точке модуль упругости принимает минимальное из максимальных значение, при увеличении температуры обжига целесообразно выбирать составы с минимально возможным для получения спеченного материала значением соотношения K2O:Na2O. Соответственно при пониженных температурах обжига для повышения модуля упругости рациональнее увеличивать соотношение K2O:Na2O, а не α-Al2O3:∑R2O.
Ограничения, накладываемые на соотношения α-Al2O3:∑R2Oи K2O:Na2O, обусловлены характеристиками сырья и возможностями технологического процесса.
Следует также отметить, что при постоянном значении соотношения α-Al2O3:∑R2O, меньшем значения, соответствующего уравнению (2), с увеличением соотношения K2O:Na2Oмодуль упругости повышается. При постоянных значениях соотношения α-Al2O3:∑R2O, больших значения, соответствующего уравнению (2), с возрастанием соотношения K2O:Na2Oмодуль упругости снижается.