普通瓷绝缘材料包括长石质普通瓷、矾土质高铝瓷、石英质高硅瓷,都是以天然矿物为主要原料在1200~1300~(2高温下用氧化或还原性气氛烧制而成,它们的制备工艺与传统陶瓷相近。
(1)长石质普通瓷。长石质普通瓷主要以长石、粘土、硅石为原料,其典型的原料配比为:长石20%~30%;粘土50%~70%:硅石10%~20%。烧成温度为1250—1300~C,烧成后的瓷质组成以20%~30%的莫来石和10%~20%的残留石英为结晶相,剩余部分为玻璃相。由于玻璃相含量高,其机械强度和电气绝缘强度相对较低,无釉试样的弯曲强度约50~80MPa,有釉弯曲强度为60~1O0MPa。长石质瓷具有原料来源广、制作工艺简单、价格便宜等优点.因而被广泛应用于l10kV以下的输变电设备和线路绝缘中不需要高机械强度的绝缘领域。
(2)矾土质高铝瓷。矾土质高铝瓷是为提高长石质普通瓷的机械强度而开发的高强度瓷绝缘材料,其典型组成为用20%~50%的煅烧矾土取代长石质瓷中的硅石、部分粘土和长石,烧成温度与长石质瓷相近。瓷质结构中除20%~30%莫来石和少量残留石英外,还有较多的刚玉晶相。根据加入的铝矾土量不同,刚玉相含量在15%~40%之间,相应的瓷质弯曲强度无釉为120~180MPa,有釉可达200MPa以上,一般随原料中铝矾土用量的增加而提高。
由于刚玉相具有较高的机械强度和电气性能,在显著提高普通瓷绝缘材料机械强度的同时。也在一定程度上改善了其电气性能,已广泛应用于1lOkV及以上输变电工程中,如制作线路绝缘子、支柱绝缘子、变压器套管等。
(3)石英质高硅瓷。石英质高硅瓷是另一种具有较高强度的瓷绝缘材料,它是在普通长石质瓷中增加了石英颗粒的含量,石英用量达到30%~50%。其瓷质结构特征为含有15%~40%方石英结晶,其余的结晶为l0%~25%的莫来石和3%~15%的石英。由于方石英含量较高,通常又称为方石英瓷。石英质高硅瓷的机械强度在很大程度上取决于瓷质结构中方石英相的含量及晶粒尺寸。其上釉弯曲强度为120~160MPa。
方石英瓷的增强机理为:存在于玻璃相中的具有高膨胀系数方石英相与周围的玻璃相因热膨胀的差异,在冷却过程中导致强度**的玻璃相产生了压应力,属于预应力增强。因此,方石英瓷的机械强度与方石英颗粒的大小及其分布状况密切相关,对材料的制备工艺控制要求较严格。
目前日本生产的高强度瓷绝缘材料中方石英瓷占有较大比例,已在500kV以下的输变电系统中广泛采用。但我国则很少生产方石英瓷。
(4)堇青石瓷。堇青石瓷属于滑石系绝缘瓷。其主要以滑石为原料,添加氧化铝、粘土等,在约1300~C的温度下烧成。堇青石的特征是热膨胀系数低,相当于普通瓷热膨胀系数的一半,但烧成温度范围狭窄,容易形成多孔质,无法得到电气绝缘强度优越的制品。
堇青石瓷因热膨胀系数低,故用作多孑L质的电热器用发热板、绕线管和断路器灭弧罩等。
特种瓷绝缘材料一般以人工合成的氧化物、氮化物等为主要原料,通过特殊的措施如真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压、微波烧结等手段烧制而成。随着高导热、高频率、耐高温、高强度等特殊环境的需求,特种瓷绝缘材料经历了由单相的氧化物到非氧化物再到多相陶瓷基复合材料的发展过程。按照材料的性能,特种瓷绝缘材料具体可分为高导热瓷绝缘材料、耐热瓷绝缘材料和高强度瓷绝。
(1)氧化铍瓷。氧化铍(BeO)瓷是一种性能优异的高导热绝缘材料。原料一般采用活化烧结的工艺获得,即用氢氧化铍‘Be(OH)2]在1000~1200~C的氢气气氛中预烧而成。由于氧化铍陶瓷的烧成温度较高,通常在原料中加入适量的添加剂(Al20 、MgO、CaO等)以降低其烧成温度,烧成温度为1600-1800℃。在众多绝缘材料中,氧化铍具有仅次于金刚石的导热性,在室温下能以大约300W/m·K进行散热。另外,氧化铍瓷还具有较高的电阻率和较大的击穿强度,是一种导热性能优异的耐高温瓷绝缘材料。氧化铍瓷主要用于大功率集成电路基片和高可靠大功率电阻基体。但由于氧化铍有毒且价高,使其应用范围受到限制。
(2)氮化铝瓷。氮化铝陶瓷是以氮化铝粉末为原料,通过模压、热压、等静压以及流延成形等方法成形后在氮气氛中烧结而成。氮化铝陶瓷具有导热性好、电绝缘性好、热膨胀系数小等一系列优良性能,其热导率可达到180W/m·K。由于氮化铝具有很好的导热性和电绝缘性,被大量用于混合集成电路和多芯片组件中作为散热材料和电路元件以及互连线承载体。
(3)氧化铝瓷。氧化铝是一种以刚玉( 一A120,)为主晶相的陶瓷.一般含氧化铝在90%以上。氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷是Al20 含量在99.5%以上的陶瓷。普通型氧化铝陶瓷按A120,含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷等品种。刚玉烧结需要1750oC以上的高温,在制备氧化铝瓷时,一般通过添加钙、镁的氧化物和硅酸盐来降低烧成温度,在1600~1700oC烧成。氧化铝瓷具有机械强度高、高温电气绝缘性能优异、耐热温度高、耐磨性能好的特点,已被广泛用于燃机的火花塞、电真空管、高频瓷等领域。
(4)氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷是以氮化硅粉作原料,在氮气中于1700~C以上的高温下烧结而成。氮化硅陶瓷的强度高、韧性好,绝缘电阻大,因而是一种高性能的瓷绝缘材料,已在航天航空、电子信息等领域作为绝缘材料。