CN108409305A - 一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：按各原料所占质量百分数：刚玉粉70～95％、氧化锆粉5～30％、外加氧化镁1～2％、外加氧化钛1～2％、外加氧化铈4～6％、外加氧化钐0.5～2％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料；造粒与陈腐；坯体成型和干燥；坯体烧成，得到陶瓷绝缘子支撑体；涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施涂一层熔块釉层，经1000～1200℃烧成得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子。该方法制备的陶瓷绝缘子能承受‑50℃的极低温冲击，不发生开裂和冻损现象，且釉层与支撑体结合良好，具有低温强度高，耐老化和抗冻融性能好的特点。

Description

一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷绝缘子的制备方法，主要用于极寒冷地区的输电线路，属于环保节能和新材料领域。
背景技术
绝缘子是安装在不同电位导体之间或导体与地电位构件之间的器件，能够耐受电压和机械应力作用，通常由玻璃或陶瓷制成。随着我国电气化铁道的快速发展，铁路正逐渐向极寒冷地区延伸，铁路网对绝缘子的需求也越来越大，其性能直接影响铁路的正常供电和行车安全。用于极寒冷地区(＜-50℃)铁路电网的陶瓷绝缘子，需承受低温冰冻、雷电冲击、介质劣化等恶劣的工作环境，其必须具备良好的抗冻融性能，从而避免出现冻裂、老化、强度降低等问题。一旦绝缘子受损，将导致整条铁路线路瘫痪。
目前对陶瓷绝缘子的研究主要集中在其机械性能、绝缘性能、电气性能和表面性能方面。如，中国发明专利《一种直流瓷绝缘子及其制备方法》(CN 102690104 B)公开了一种以高铝粘土、泾阳土、白胶泥、黑粘土和左云土为主要原料制备瓷绝缘子的方法，该绝缘子机械性能较好，无釉弯曲强度为157MPa；中国发明专利《一种高速电力机车用云母陶瓷绝缘子及其制备方法》(CN101746280B)公开了一种由云母陶瓷体和金属连接极柱嵌接件组成的云母陶瓷绝缘子产品的制备方法，该产品具有良好的绝缘性能、机械性能以及耐高温性能；中国发明专利《一种氧化铝陶瓷绝缘子表面闪络痕迹处理方法》(CN105272367B)提出通过喷砂、清洗、烘干三个步骤的表面处理方法，可去除陶瓷绝缘子表面的放电通道，使陶瓷重新恢复绝缘水平。中国发明专利《一种氧化锆陶瓷绝缘子及其制备方法》(CN106187177A)公开了一种以氧化锆、氧化硒、氧化铝、碳化硅、二氧化硅、氧化锰、五氧化二钒、氧化锌、碳化钛和硅酸铝为原料制备的瓷绝缘子，具有较好的耐老化和抗腐蚀性能。尽管目前陶瓷绝缘子的材质和制备方法较多，且具有较好的机械性能和耐久性，但并不适用于极寒冷地区的铁路线路，缺乏对其抗冻融性能的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，该方法制备的陶瓷绝缘子具有优良的低温耐老化性和抗冻融性，且低温强度高，能满足-50℃的极寒冷地区铁路电网的应用需求，大大提高输电线路的工作效率。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，包括如下步骤：
1)配料与混合：按各原料所占质量百分数：刚玉粉70～95％、氧化锆粉5～30％，在两者总质量的基础上外加氧化镁1～2％、氧化钛1～2％、氧化铈4～6％、氧化钐0.5～2％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料；
2)造粒与陈腐：混合料中加入粘结剂进行造粒，得到坯料颗粒，陈腐20～24h，得到陈腐好的坯料；
3)坯体成型：将陈腐好的坯料放入成型模具内，通过液压机压制成绝缘子坯体；
4)坯体干燥：将压制成型的坯体放入红外干燥箱中干燥12～24h；
5)坯体烧成：将干燥好的坯体放入硅钼棒高温炉内，升温至1500～1580℃，在烧成温度点保温2～3h，得到陶瓷绝缘子支撑体；
6)涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施涂一层熔块釉浆，形成抗冻融涂层，经红外干燥箱干燥30～60min，放入硅碳棒高温炉经1000～1200℃烧成，得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子。
优选地，步骤1)中将刚玉和氧化锆两种原料分别用球磨机研磨4～10h，过200～250目筛，得到刚玉粉和氧化锆粉。
优选地，步骤2)中粘结剂为质量浓度为5％的聚乙二醇(PVA)溶液，粘结剂的加入量为混合料质量的5～8％。
优选地，步骤3)中液压机的成型压力为40～50MPa。
优选地，步骤4)中红外干燥箱中干燥温度100～120℃。
优选地，步骤5)中高温炉升温速率为3～5℃/min。
优选地，步骤6)中，高温炉升温速率为3～5℃/min，在烧成温度点保温10～15min。
优选地，步骤6)釉浆包括熔块、苏州土、水、分散剂和悬浮剂，各原料所占的质量百分数：熔块90～95％、苏州土5～10％，在两者总质量的基础上外加水40～60％、分散剂0.2～0.4％和悬浮剂0.1～0.3％。
优选地，所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)。
优选地，所述悬浮剂为三聚磷酸钠(STTP)。
本发明还提供一种用于极寒冷地区的陶瓷绝缘子，采用上述的方法制备得到。
经测试，本发明的陶瓷绝缘子的吸水率≤0.5％、体积密度≥3.9g.cm-3，经过30次冻融循环(-50～40℃)后不开裂，釉面仍光滑完整、无裂纹，无釉抗折强度≥290MP，且釉层与支撑体结合良好。本发明的陶瓷绝缘子能满足-50℃的极寒冷地区铁路电网的应用需求，大大提高输电线路的工作效率。
本发明的有益效果是：
(1)抗冻融性能优良。本发明通过引入氧化铈(CeO2)改变了陶瓷绝缘子中氧化锆(m-ZrO2)的衍射峰位置，减小了因冷却过程中t-ZrO2向m-ZrO2转变而产生的体积膨胀，减少了绝缘子中裂纹、气孔等缺陷。此外，CeO2和氧化钐(Sm2O3)的引入均能抑制刚玉晶粒的生长，起到细晶化的作用，从而使绝缘子的结构更加致密，机械性能和抗冻融性能优良。
(2)釉层封孔效果好。本发明经1100℃热处理后釉面的维氏硬度为761.0HV，经过冻融后，表面完整光滑。釉层结构致密且填充了基体表面的气孔，能有效地阻止绝缘子表面吸附水向内部渗透，大大降低水结冰体积膨胀对材料的破坏作用，进一步改善了绝缘子的抗冻融性能。本发明的釉层的效果远优于相同条件下制备的ZrO2-SiO2-Al2O3三元复合溶胶膜。
优良的抗冻融性能有效延长极寒冷地区陶瓷绝缘子的使用寿命，降低维修成本，经济效益良好。
附图说明：
图1为实施例2所得陶瓷绝缘子材料经-50～40℃冻融30次后陶瓷绝缘子的坯釉结合形貌,可见，冻融后显微结构致密，坯釉结合良好，从而赋予其优良的机械性能和抗冻融性能；
图2为实施例2所得陶瓷绝缘子材料经-50～40℃冻融30次后陶瓷绝缘子的釉表面形貌,冻融后釉表面完好。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1)原料处理：将刚玉和氧化锆两种原料分别用球磨机研磨4h，过250目筛，得到刚玉粉和氧化锆粉。
2)原料配料与混合：按各原料所占质量百分数：刚玉粉70％、氧化锆粉30％，在两者总质量的基础上外加氧化镁1％、氧化钛1％、氧化铈4％、氧化钐0.5％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料。
3)造粒与陈腐：混合料中加入5wt％的粘结剂(质量浓度为5％)进行造粒，得到坯料颗粒，再经陈腐24h，得到陈腐好的坯料。
4)坯体成型：将陈腐好的坯料放入成型模具内，通过液压机压制成砖坯试样，成型压力为50MPa。
5)坯体干燥：将压制成型的坯体放入100℃的红外干燥箱中干燥24h。
6)坯体烧成：将干燥好的坯体放入高温炉内，升温至1500℃(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上为3℃/min)，在烧成温度点保温2h，得到陶瓷绝缘子支撑体。
7)涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施凃一层熔块釉浆(釉浆中各原料的所占的质量百分数：熔块90％、苏州土10％，在两者总质量的基础上外加水40％、分散剂0.2％和悬浮剂0.1％)，形成抗冻融涂层，经红外干燥箱干燥30min，放入高温炉于1000℃烧成(升温速率5℃/min，在烧成温度点保温10min)，制备得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子材料。
所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)；悬浮剂为三聚磷酸钠(STTP)。
经测试，本发明的陶瓷绝缘子支撑体的吸水率≤0.5％、体积密度≥3.9g.cm-3，经过30次冻融循环(-50～40℃)后不开裂，抗折强度≥290MPa；涂覆釉层的陶瓷绝缘子冻融30次后，釉面仍光滑完整、无裂纹，且釉层与支撑体结合良好。
实施例2
1)原料处理：将刚玉和氧化锆两种原料分别用球磨机研磨6h，过250目筛，得到刚玉粉和氧化锆粉。
2)原料配料与混合：按各原料所占质量百分数：刚玉粉80％、氧化锆粉20％，在两者总质量的基础上外加氧化镁1％、氧化钛1％、氧化铈5％、氧化钐1％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料。
3)造粒与陈腐：混合料中加入6wt％的粘结剂(质量浓度为5％)进行造粒，得到坯料颗粒，再经陈腐24h，得到陈腐好的坯料。
4)坯体成型：将陈腐好的坯料放入成型模具内，通过液压机压制成砖坯试样，成型压力为50MPa。
5)坯体干燥：将压制成型的坯体放入110℃的红外干燥箱中干燥24h。
6)坯体烧成：将干燥好的坯体放入高温炉内，升温至1540℃(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上为3℃/min)，在烧成温度点保温2h，得到陶瓷绝缘子支撑体。
7)涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施凃一层熔块釉浆(釉浆中各原料的所占的质量百分数：熔块92％、苏州土8％，在两者总质量的基础上外加水50％、分散剂0.3％和悬浮剂0.2％)，形成抗冻融涂层，经红外干燥箱干燥40min，放入高温炉于1100℃烧成(升温速率5℃/min，在烧成温度点保温10min)，制备得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子材料。
所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)；悬浮剂为三聚磷酸钠(STTP)。
图1是观察釉层与支撑体的结合情况，图2是釉层表面形貌。
经测试，本发明的陶瓷绝缘子支撑体的吸水率≤0.5％、体积密度≥3.9g.cm-3，经过30次冻融循环(-50～40℃)后不开裂，抗折强度≥290MPa；涂覆釉层的陶瓷绝缘子冻融30次后，釉面仍光滑完整、无裂纹，且釉层与支撑体结合良好。
实施例3
1)原料处理：将刚玉和氧化锆两种原料分别用球磨机研磨10h，过250目筛，得到刚玉粉和氧化锆粉。
2)原料配料与混合：按各原料所占质量百分数：刚玉粉90％、氧化锆粉10％，在两者总质量的基础上外加氧化镁2％、氧化钛2％、氧化铈6％、氧化钐2％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料。
3)造粒与陈腐：混合料中加入8wt％的粘结剂(质量浓度为5％)进行造粒，得到坯料颗粒，再经陈腐24h，得到陈腐好的坯料。
4)坯体成型：将陈腐好的坯料放入成型模具内，通过液压机压制成砖坯试样，成型压力为50MPa。
5)坯体干燥：将压制成型的坯体放入120℃的红外干燥箱中干燥24h。
6)坯体烧成：将干燥好的坯体放入高温炉内，升温至1580℃(1000℃以下升温速率为5℃/min，1000℃以上为3℃/min)，在烧成温度点保温2h，得到陶瓷绝缘子支撑体。
7)涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施凃一层熔块釉浆(釉浆中各原料的所占的质量百分数：熔块95％、苏州土5％，在两者总质量的基础上外加水60％、分散剂0.4％和悬浮剂0.3％)，形成抗冻融涂层，经红外干燥箱干燥60min，放入高温炉于1200℃烧成(升温速率5℃/min，在烧成温度点保温10min)，制备得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子材料。
所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)；悬浮剂为三聚磷酸钠(STTP)。
经测试，本发明的陶瓷绝缘子支撑体的吸水率≤0.5％、体积密度≥3.9g.cm-3，经过30次冻融循环(-50～40℃)后不开裂，抗折强度≥290MPa；涂覆釉层的陶瓷绝缘子冻融30次后，釉面仍光滑完整、无裂纹，且釉层与支撑体结合良好。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)配料与混合：按各原料所占质量百分数：刚玉粉70～95％、氧化锆粉5～30％，在两者总质量的基础上外加氧化镁1～2％、氧化钛1～2％、氧化铈4～6％、氧化钐0.5～2％，称取原料并用球磨机混合均匀，得到混合料；
2)造粒与陈腐：混合料中加入粘结剂进行造粒，得到坯料颗粒，陈腐20～24h，得到陈腐好的坯料；
3)坯体成型：将陈腐好的坯料放入成型模具内，通过液压机压制成绝缘子坯体；
4)坯体干燥：将压制成型的坯体放入红外干燥箱中干燥12～24h；
5)坯体烧成：将干燥好的坯体放入硅钼棒高温炉内，升温至1500～1580℃，在烧成温度点保温2～3h，得到陶瓷绝缘子支撑体；
6)涂覆釉层：在陶瓷绝缘子支撑体表面施涂一层熔块釉浆，形成抗冻融涂层，经红外干燥箱干燥30～60min，放入硅碳棒高温炉经1000～1200℃烧成，得到极寒冷地区用陶瓷绝缘子。
2.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤1)中将刚玉和氧化锆两种原料分别用球磨机研磨4～10h，过200～250目筛，得到刚玉粉和氧化锆粉。
3.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤2)中粘结剂为质量浓度为5％的聚乙二醇(PVA)溶液，粘结剂的加入量为混合料质量的5～8％。
4.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤3)中液压机的成型压力为40～50MPa。
5.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤4)中红外干燥箱中干燥温度100～120℃。
6.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤5)中高温炉升温速率为3～5℃/min；步骤6)中，高温炉升温速率为3～5℃/min，在烧成温度点保温10～15min。
7.如权利要求1所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，步骤6)釉浆包括熔块、苏州土、水、分散剂和悬浮剂，各原料所占的质量百分数：熔块90～95％、苏州土5～10％，在两者总质量的基础上外加水40～60％、分散剂0.2～0.4％和悬浮剂0.1～0.3％。
8.如权利要求7所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)。
9.如权利要求7所述用于极寒冷地区陶瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，所述悬浮剂为三聚磷酸钠(STTP)。
10.一种用于极寒冷地区的陶瓷绝缘子，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备得到。
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