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1、高压电瓷材料的发展趋势 1 前言 高压电瓷材料是高压输变电线路的重要组成部分,为适应超高压特高压大电流大跨距电力线路的需要，国内外竞相开展了以提高电瓷力、热、电性能为宗旨的科学研究，其成果不断涌现。目前，国内瓷绝缘材料制造工艺较落后，产品性能比国外有一定的差距。 本文试图以国内外电瓷材料的发展历程和研究现状等方面阐述我国高压电瓷行业面临的机遇、挑战和发展趋势，分析、归纳、总结国内外研究的先进成果，为电瓷材料研究与决策提供系统性数据与合理建议。 2 电瓷材料的研究与发展 1849年，德国西门子公司首次将瓷绝缘子用于从法兰克福至柏林的电报线路上，从而使陶瓷材料成为最早的电瓷绝缘材料，经过150多年
2、的发展，电瓷材料已经有了许多突破性的发展和变化。 2.1普通电瓷材料 早期的电瓷以长石质瓷为主，它以石英、长石、粘土为原料，瓷成分为1020石英、1020莫来石、6080的气孔和玻璃相。长石质普通瓷的颗粒粗，成型性能良好，但机械强度低，抗折强度仅为30MPa50MPa，因价格便宜，工艺简单而广泛地使用于不需要高强度的绝缘子、瓷套中。 2.2高强电瓷材料 2.2.1高硅质电瓷材料 高强度电瓷产品的发展是以石英应力理论为基础的高石英瓷，它是在普通瓷的基础上，调整粘土、长石、石英的比例而得到的较高强度瓷。 二十世纪六十年代初，日本人发明的方石英质电瓷材料在电瓷的发展史上可谓辉煌的一页，这种瓷属于“石
3、英长石粘土”系统，它是利用日本特有的陶石原料中所含的微细石英在烧成过程中变化而制成的，其特点是瓷质中的结晶相除含有莫来石与石英之外，还有大量的方石英(1540)，它具有很微细而均匀的显微结构，瓷体的机械强度比普通瓷提高了1.5倍左右，六十年代末我国已生产出高硅质瓷悬式产品，但普遍存在早期严重劣化现象。主要原因是由于工艺和配方不相适应，石英/方石英颗粒引发的微裂纹使承受负荷的绝缘子因裂纹增大而丧失强度，石英的方石英化并未形成所希望的压应力，而是存在有害应力和过大的膨胀系数。 2.2.2铝质电瓷材料 为了满足更高电压等级对瓷强度的要求，人们希望能找到一种具有更高强度的电瓷材料来替代现有的电瓷产品。
4、1931年，西门子公司将烧结氧化铝陶瓷用于制造火花塞绝缘子，引发了对高铝陶瓷所用原料、配方、添加剂的选择、制造工艺、烧结理论及显微结构等的研究。在这方面，日本、德国、美国、瑞典及前苏联等国都有报导。我国在五十年代末开始试制铝质瓷，八十年代末国内已能小批量生产超高压电瓷材料。九十年代，我国已规模生产超高压电瓷产品，但材料的综合性能一直偏低，生产成本偏高，其根本原因在于工艺水平落后。在铝质瓷中，刚玉取代石英构成了具有高弹性模量的结构组分，瓷质的热膨胀系数和内在应变小，耐电弧性能提高，裂纹的发展速度降低。用铝质瓷取代硅质瓷，不仅使产品的可靠性有了极大的提高，而且使瓷绝缘子长期存在的质量问题大为减少，
5、从普通瓷到高硅质瓷，进而发展到铝质瓷是电瓷工业发展史上极为重要的一步。 3电瓷材料研究现状 3.1电瓷材料研究的方法 瓷绝缘子在根本上存在着体积大、老化、污闪等缺陷，正如此，才加速了非瓷绝缘材料的研制。电瓷研究理念已从传统的无机非金属材料“原料工艺性能”转变为现代复合材料的“标准化原料先进制作工艺优越性能高质量产品广泛适应市场”思路，正因为受到了市场的制约，所以高性能的瓷绝缘子在研究上具有超前性，而在生产中具有滞后性，其根本原因是工艺水平控制程度较差。目前，国内外有关高压、超高压、特高压电瓷材料的研究几乎集中在以高铝瓷为基础、设法提高瓷材料性能上，特别是材料的强度、耐污性能、耐电弧性能、陡坡性
6、能及防电晕性能方面，以优越的综合性能来应对复合绝缘子的挑战。如提高材料中铝质的含量、短纤维增强、微裂纹增韧、减小材料形体、采用氧化焰烧成、缩短烧成时间、利用等静压或注射成型、涂覆半导体釉或绝缘自洁釉等，其研究方法主要有，以传统的无机材料理论和复合材料增强增韧的机理为基础，精确计算工艺参数，设计材料性能，优化材料结构，改善生产条件及工艺过程，最大程度发挥陶瓷材料的优势，实现材料性能质的飞跃。 3.2瓷绝缘子研究现状 随着电瓷材料不断发展，国内的电瓷材料与国外相比，仅就材料性能而言，已与国际水平相当，有些企业已能规模生产超高压绝缘子，但就总体程度而言，制作工艺水平较差，材料性能的利用率较低，综合成
7、本偏高，质量监控程度不高。 3.2.1原料研究 目前，国内各生产厂家已基本实现了进厂原料粉体化。采用有稳定颗粒级配的标准化粉体原料，不但有利于实现配料的机械化和自动化，更重要的是减少了瓷质结构中存在的大颗粒晶体，提高了瓷质结构的均匀性和化学成分的稳定性，为提高瓷质性能和产品运行的可靠性创造了条件。我国已相继兴建了江西宜春粉石英，河南巩县高铝矾土，辽宁绥中长石，安徽章村土和山西左云粘土等基本原料的加工厂。粉体原料的使用，改善和稳定提高了铝质高强度电瓷的机械性能，降低了生产能耗，缩短了球磨时间，增大了生产效率和经济效益。 但遗憾的是我国电瓷原料加工的企业大多为地方或个人投资兴建，其标准化程度较低，
8、加工的原料远远没有达到相关质量要求，实际指针值不稳定（如章村土中Al2O3的含量），质量的潜力没有充分发挥出来（如铝矾土加工的细度和刚玉的含量），原料中杂质含量高，技术含量低。与此同时，国外的电瓷行业已基本实现了原料的标准化、地方化、系列化，一方面，他们以本国的地方原料或稳定供应价格低廉的进口原料为出发点，精工细做，将原料按标准化进行分级，质量指标达到系列化，以质量稳定的原料供应电瓷厂或出口国外，如日本、美国、法国、德国等的原料加工。另一方面，原料加工企业投巨资开发和研究各种电瓷原料，提高原料中的技术含量，以质量求生存，立于市场不败的根本原因就是原料的质量指标。值得注意的是，国外电瓷行业选用原
9、料的标准首先是原料的性能，决不以舍弃部分性能而降档选择原料，如西门子公司的特高压瓷绝缘子生产选用的原料是高纯超细氧化铝粉，以使瓷体中出现更多的刚玉相，增加材料的强度和电气性能，国外电瓷行业使用原料的思路和理念值得国内同行认真思考。 3.2.2工艺过程研究 国内企业与国外企业相比，最大的差距就在于工艺水平较差，致使产品质量存在诸多问题。加强技术改造、改良工艺过程是电瓷生产永远遵循的主题。目前，国内电瓷业已充分认识到来自国外同行的激烈竞争，面对挑战，各厂家都在调整自己的工艺思路，如梭式窑的使用、利用等静压或注射成型等，工艺过程的研究主要集中在原料配方、球磨工艺、成型方法、烧成制度等方面，国内配方研
10、究的现状是利用粉体原料，通过调整料方化学组成和工艺参数，以实现提高性能的目的。目前，普瓷的强度在60Mpa-80Mpa，高强瓷的强度在120-160Mpa，比国外同型瓷强度低1525，值得说明的是釉层中的色剂，国内采用的是氧化物原料（氧化铁、氧化铬、氧化锰等），国外采用的是合成的高温色剂（适用温度13001380）这样的差别就使后续工艺的调整受到一定的制约。球磨工艺国内各厂家几乎相差无几，通过对原料和坯料的细磨和均匀分散，去除大的晶相颗粒，从而改善瓷质显微结构，提高瓷质性能，已成为电瓷材料研究人员的共识。但核心问题是球磨时间过长（36h48h），球磨效率低，这与进厂原料粒度过粗，球石材质和级配
11、不合理有较大的关系，而国外企业在球磨中球磨时间短、效率高，其根本原因在于，他们使用的原料粒度较细，粒径已基本达到生产的要求，球磨的目的不在于磨细原料，而在于均匀混料，调节料性。成型方法中较成熟的是注射成型和等静压成型，国内已有部分厂家引进了先进的成型生产线（如西安电瓷厂、南京电瓷厂），使产品质量明显提高。烧成制度是保证产品性能指标的关键环节，国内电瓷厂几乎都采用还原焰烧成，烧成周期在（65h75h），目前研究的焦点在于是否电瓷材料必须用还原焰烧成，国内外研究的结果表明，在采用高温合成色剂的前提下，利用氧化焰或弱还原气氛烧成电瓷制品是可行的，不但有利于提高电瓷的强度和材料表面釉层的光亮度，而且操
12、作过程简单易控，有数据表明，欧洲的电瓷生产厂家,如瑞典 IFO CERAMICS AB电瓷厂、法国CERALEP电瓷厂、德国RHEINISCH-WEST,FALISCHISOLA-TOREN-WERKE电瓷厂，均采用氧化焰气氛烧成。 3.2.3 性能研究 为了得到优越的瓷体性能，人们往往是通过改变化学组成、配方和改善瓷体结构来实现的，国内外的研究多集中在配方和结构两方面，试图通过配方、工艺过程、工艺参数和瓷体微结构的研究，设法提高电瓷材料的力、热、电性能，研究的对象多以铝质电瓷材料为主。就氧化铝瓷而言，它具有较高的弹性模量和较好的热稳定性，其绝缘性能与强度成正比线性关系，因此，电瓷材料研究的重
13、点就放在通过调整瓷体的微结构，提高材料的强度方面。目前，国内高强电瓷材料与国外相比，在综合性能上有一定的差距，主要体现在力学强度、介电常数、电气强度等方面。 从显微结构看，日本瓷优于法国瓷，法国瓷优于国内瓷，我国普通瓷整个物相分布很不均匀，晶体粒径偏大且大小悬殊、气孔较大、形状不规则，带棱角的孔多，气孔的面积含量大，铝质瓷的显微结构相对合理些，但仍不及日、法等国电瓷。日本高强度瓷的显微结构中，矾土熟料为不规则的锯齿状、细小的桶状或锥状，刚玉微晶较均匀地分布，气孔小而少，针、柱状莫来石发育，显微结构整体概貌的均匀性程度好。研究结果表明，铝质高强电瓷材料合理的相组成应以刚玉和莫来石为主，石英/方石
14、英和玻璃相及气孔相的量较少，其中，刚玉微晶均匀分布、粒度应在3M5M之间，玻璃相小于15，气孔相应控制在10以下，孔中发育莫来石雏晶或晶簇。 4分析讨论 4.1原料的开发与应用 从电瓷行业特点出发，开发和建立适合自身工艺特点的原料矿和加工厂，实行标准化管理，是提高产品质量和生产技术水准的先决条件。目前，我国已建立的常用原料加工基地可基本满足生产要求，但有些原料仍然存在着加工程度低、理化性能波动大、杂质、有机物质含量高、矿源不稳定等现象，导致生产工艺和产品性能波动较大，给新产品的开发和研制带来了困难。因此，电瓷原料开发研究的重点是，以质量稳定的大型矿山原料为依托，研究原料的理化性能和加工工艺特征
15、，特别是原料中合理相结构和主晶相含量的保证，将原料按标准化的思路分级整理，使其形成系列化的标准原料。国外电瓷原料加工、使用的经验或许能给我们一些启发。以德国为例，该国目前大部分电瓷企业生产的铝质瓷是以氧化铝粉为原料的(如西门子公司)，所用的氧化铝粉在纯度、粒度、晶形、含量、性能等方面有着非常严格的分级标准，企业可据自身的需要选用现成的粉体。而原料加工企业从原矿成品的过程中，一方面投入相当的人、财、物加大研究开发的力度，另一方面层层把关，建立了明确的质量监控体系，企业从中获得很好的效益。在国内，铝矾土具有非常大的价格优势，但往往造成瓷体结构不良、材料性能偏低，若以氧化铝粉体为原料，采用氧化气氛烧
16、成，无疑可提高产品性能、降低能耗，同时，随着材料强度和绝缘性能的提高，可适当缩小绝缘子的体积，节省用料，其产品的总体成本只是略有上升，但产品的整体竞争力将明显提高。因此，国内外电瓷原料的开发研究正向着“地方化、标准化、系列化”的方向发展，而在原料的选用原则上有从“粗粮-铝矾土”到“细粮氧化铝粉”的趋势。 4.2瓷材料力学性能的研究 材料的机械强度是其抵抗外加机械负荷的能力，是材料重要的力学性能，也是设计和使用材料的重要指标。电瓷材料的强度多用抗折强度表示，我国目前开发应用的矾土铝质瓷弯曲强度一般在120MPa160Mpa，且分散性较大。通过改善工艺过程，提高材料性能的利用率是电瓷研究的重要课题。与国外相
