CN1268754A - 陶瓷绝缘子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷绝缘子,包括陶瓷绝缘子主体和形成在其表面上的涂层,制造陶瓷绝缘子的方法包括以下步骤:(1)制备陶瓷绝缘子主体;(2)将涂层材料制备成泥浆:(a)研磨原材料并混入粘土以制备陶瓷原材料,(b)单独制备出相对介电常数大于10的高介电常数材料;及(c)将100份重量的陶瓷原材料和3—10份重量的高介电常数材料混合;(3)将涂层材料施加到陶瓷主体的表面上;及(4)对表面上涂有涂层材料的陶瓷主体进行烧结。

Description

陶瓷绝缘子及其制造方法
本发明涉及到陶瓷绝缘子及其制造方法，并且特别涉及到具有良好机械强度和良好绝缘击穿强度即陡峭的波前击穿强度的一种陶瓷绝缘子及其制造方法。
诸如柱形绝缘子和悬挂绝缘子这样的陶瓷绝缘子被广泛地用做架空动力线的绝缘和机械支撑部件。这种陶瓷绝缘子的制造过程是：通过混合诸如铝土和粘土等原材料并且使混合的原材料成形而制成一个成形体；在由此获得的成形体表面上涂釉；以及烧结涂过釉的成形体。在上述这种公知的陶瓷绝缘子中，陶瓷绝缘子的抗拉强度主要是通过涂釉工序而产生的，因为瓷釉可以嵌入陶瓷绝缘子表面上的微小缺陷并且由于热膨胀的差别而产生内部应力。
公知的陶瓷绝缘子在正常电压和风雨气候条件下完全能够持久地使用。然而，如果施加在其上的电压较高，例如是由于自然雷电而产生的雷电冲击电压施加在其上时，公知的陶瓷绝缘子就不能充分地耐受这种状态，因而迫切地需要对公知陶瓷绝缘子的介电击穿强度加以改进。
另外，作为对陡峭的波前击穿强度特性的改进技术，申请人在日本专利申请公开No.63-211525(JP-A-63-211525)中提出了一种在瓷釉中添加预定量的MnO的技术，在日本专利申请公开No.9-63379(JP-A-9-63379)中提出了限定悬挂绝缘子中的沙和瓷釉的介电常数的技术，而日本专利申请公开No.10-228818(JP-A-10-228818)中提出了在陶瓷中添加氧化铝晶体的技术。然而，由于上述这些技术都采用了在陶瓷绝缘子主体表面上施加瓷釉的方式，对陡峭的波前击穿强度能够有一定程度的改善，但是并不能使陡峭的波前击穿强度得到根本的改善。
瓷釉的成分例如是在诸如滑石粉、铝土和粘土等普通陶瓷绝缘子的原材料中添加一定量的长石，从而在烧结之后产生一种玻璃相。X-射线分析的结果显示出玻璃相大于70％(重量百分比)。因此，瓷釉基本上被认为是和陶瓷一样具有良好的介电击穿强度，但是由于其内部含有微孔而低于陶瓷。由于微孔(空气)的介电常数比包围着微孔的玻璃相的介电常数要小，这一原因被认为是在施加电压的情况下在微孔处存在积聚的电场而造成的。另外，由于瓷釉的介电常数比陶瓷绝缘子主体的介电常数要小，当陡峭的波前击穿冲击作用在陶瓷绝缘子上时，瓷釉就形成了一个弱点。因此，在将瓷釉涂在陶瓷绝缘子主体表面上的这种公知的陶瓷绝缘子中，要想根本地改善介电击穿强度是很困难的。
本发明的目的就是要消除上述的缺陷，并且提供一种陶瓷绝缘子及其制造方法，使其介电击穿强度即冲击强度得以改善，同时又不会降低机械强度。
按照本发明的陶瓷绝缘子包括一个陶瓷绝缘子主体和形成在陶瓷绝缘子主体表面上的一个涂层，上述涂层是由主要包括高介电常数的材料并且相对介电常数大于4的陶瓷原材料构成的，在涂层中沿着涂层厚度方向上的微细部分的相对介电常数值在最大值和最小值之间的比例小于2。
另外，按照本发明，一种用来制造具有一个陶瓷绝缘子主体和形成在该陶瓷绝缘子主体表面上的一个涂层的陶瓷绝缘子的方法包括以下步骤：
(1)制备上述的陶瓷绝缘子主体；(2)用以下方式将涂层材料制备成泥浆：(a)研磨原材料并混入粘土以制备成包括按重量计占50-60％的SiO2、20-30％的Al2O3并且其余是MgO、CaO、K2O、Na2O的陶瓷原材料，(b)单独制备出相对介电常数大于10的高介电常数的材料；以及(c)将如此制备的100份重量的陶瓷原材料和如此制备的3-10份重量的高介电常数材料混合到一起；(3)将如此制备的涂层材料施加到陶瓷主体的表面上；以及(4)对表面上涂有涂层材料的这种陶瓷主体进行烧结。
在按照本发明的陶瓷绝缘子中，由于涂层的微细部分的相对介电常数的最大值和最小值之间的比例是均匀的例如小于2，而相对介电常数却大于4，也就是说，在陶瓷绝缘子主体表面上形成的这种材料具有均匀分布的高介电常数，因此，可以使得在冲击电压施加到陶瓷绝缘子上时可能形成弱点的涂层的相对介电常数接近于陶瓷绝缘子主体的相对介电常数。另外还可以减少微孔的数量，这样就能消除施加在涂层上的陡峭的波前击穿电压的积聚部位。此外，这种涂层对陶瓷绝缘子主体施加的压力等于或是大于公知的瓷釉所施加的压力。这样就能改善陶瓷绝缘子的陡峭的波前击穿强度特性，同时维持其原有的机械强度。另外，在本发明的这种制造陶瓷绝缘子的方法中还可以看出，无需采用将具有高介电常数的材料与先得到的原材料混合再进行烧结，而是将它们与后得到的原材料混合再进行烧结同样可以获得上述的涂层。
图1是作为本发明的陶瓷绝缘子的一个例子的悬挂绝缘子的一个实施例的局部截面图；
图2是按照本发明的制造陶瓷绝缘子的方法中使用的涂层材料制作步骤的一个示意图；
图3a和3b分别表示了测量采样原理的示意图。
作为本发明的陶瓷绝缘子的一个例子，图1表示了悬挂绝缘子的一个实施例的局部截面图。在图1所示的实施例中，数字1是陶瓷制成的一个悬挂绝缘子主体，数字2是分布在悬挂绝缘子主体1表面上的一个涂层，这其中包括具有高介电常数并且主要是由陶瓷原材料构成的材料。另外，数字3是粘在涂层2上的一种陶瓷砂，而数字4是一个帽部件。进而，数字5是一个销部件，而数字6是用来连接帽部件4和陶瓷砂3并且连接销部件5和陶瓷砂3的粘结剂。可以这样来制造图1所示的悬挂绝缘子：制备一个成形的绝缘子主体；将一种预定的涂层涂敷、干燥并且烧结在制备好的绝缘子主体1的表面上，再使用粘结剂6制成悬挂绝缘子主体2。在图1所示的悬挂绝缘子中，本发明的特征体现在这种涂层2的特征和组成。
也就是说，作为涂层2的特征，它应该是均匀的，即：使涂层2的微孔部分处的相对介电常数在最大值和最小值之间的比例小于2，并且应该具有大于4的相对介电常数。另外，涂层的厚度没有特别的限制，但是，从改善陡峭的波前击穿强度特性和改善机械强度的角度来说，其厚度最好是0.1mm-0.5mm。另外，对涂层2和悬挂绝缘子主体1之间的热膨胀系数差没有特别的限制，但是，为了改善机械强度，这一差值最好是在0.1-0.2％(在40-650℃的温度范围内)。如果将按照以下的制造方法制成的一种涂层材料涂敷在绝缘子主体表面上并且进行烧结，就可以获得上述的这种均匀的涂层2。
图2是用于本发明陶瓷绝缘子的涂层材料的制作步骤的一个示意图。在图2所示的例子中，首先将诸如瓷土石、长石、石英砂和镁砂研磨大约10小时，并且与瓷土混合制备成陶瓷原材料，其成分是按重量计SiO2：50-60％，Al2O3：20-30％并且其余是MgO，CaO，K2O和Na2O。同时制备成具有高介电常数的的材料，使其相对介电常数于10，并且最好具有0.1-5μm的平均粒径。在上述陶瓷原材料与瓷土的混合步骤中，将3-10份重量的如此制备的具有高介电常数的材料添加到如此制备的100份重量的陶瓷原材料中，并且和陶瓷原材料混合大约30分钟，以获得一种泥浆。这样获得的泥浆就是按照本发明用于绝缘子的涂层材料。这种粘土也可以采用一种煅烧的粘土。
作为具有高介电常数的材料，需要使用在1MHz上具有大于10的相对介电常数的材料，并且最好是使用钛氧化物和氧化钛的化合物(MgTiO3，CaTiO3，BaTiO3，MgO·Al2O3·3TiO2)。作为这种基本组成，使用了与绝缘子主体具有相似组成的陶瓷原材料，并且使用了具有高介电常数的材料，这样制成的按照本发明的用于绝缘子的涂层材料的介电常数可以大于4，接近于绝缘子主体的相对介电常数。另外，与使用瓷釉相比可以降低涂层的孔隙率。因此，在通过在绝缘子主体表面上涂敷涂层材料并且进行烧结而形成涂层的情况下，与公知的瓷釉层相比，涂层材料具有比较高的相对介电常数和比较低的孔隙率，并且，即使是受到诸如雷电等等的陡峭的波前击穿电压的作用，仍然能够消除由于涂层所造成的绝缘子故障。
使用具有大于10的相对介电常数的材料作为具有高介电常数的材料的理由在于存在这样的情况，即：即使是额外地增加具有高介电常数的材料，如果这一介电常数不大于10，涂层的相对介电常数在烧结之后也不会大于4。另外，相对于100份重量的陶瓷原材料而言，添加的具有高介电常数的材料被限制在3-10份的重量。添加量是随着具有高介电常数的材料的相对介电常数而变化的。然而，如果添加量不大于3份重量，涂层的相对介电常数在烧结之后不能达到大于4的可能性就会增大。另一方面，如果添加量不小于10份，陡峭的波前击穿强度就会降低。其原因可能如下所述。也就是说，涂层的相对介电常数大于绝缘子主体的相对介电常数，在微孔处可能出现电场的积聚。另外，还可能是因为与涂层材料的反应容易产生微孔。因此，本发明所采用的高介电常数材料的添加量被限制在3-10份重量。在烧结之后将涂层的相对介电常数限制在大于4的理由是这样的，在其绝缘子主体表面上涂有本发明涂层材料并且进行烧结的绝缘子中，如果相对介电常数大于4，陡峭的波前击穿强度是良好的。
按照本发明制造涂层材料的方法意味着一种后期添加方法，其中具有高介电常数的材料不是在研磨原材料时添加的，而是在原材料与粘土混合时添加的。另外，按照一个比较例制造涂层材料的方法意味着一种同时添加方法，其中具有高介电常数的材料是在研磨原材料时添加的。在使用氧化钛(TiO2)作为高介电常数材料的情况下，由于同时添加方法和后期添加方法之间的差别，产生的用来改善介电常数的TiO2复合物MgO·Al2O3·3TiO2和剩下的氧化钛在两者之间是各自不同的，并且正是这种差别被认为是造成了它们在陡峭的波前击穿强度上的差别。也就是说，TiO2的尺寸在原材料与粘土混合时是不同的，即：在后期添加方法中，TiO2的尺寸大，而在同时添加方法中，TiO2的尺寸小。因此，在同时添加方法中，在烧结步骤中产生的复合物增加了，这样就增加了TiO2复合物的数量。这种TiO2复合物被认为是不均匀沉积的，并且会增大相对介电常数的变化。因此，在同时添加方法中，涂层的相对介电常数是变化的。另一方面，没有在涂层的表面上或是涂层中检测到不均匀沉积的TiO2复合物，也就是说，涂层的介电常数是不变的并且保持均匀。因此，用后期添加方法应该能够产生陡峭的波前击穿强度。
(实验)
为了检验相对介电常数的变化和相对介电常数在涂层中的影响，制造了如图1所示的具有相同尺寸的本发明一个实施例的和一个对照例的悬挂绝缘子。在这种情况下，对本发明的悬挂绝缘子是这样来控制的，涂层中的相对介电常数的比例小于2，而相对介电常数大于4。另一方面，对照例的悬挂绝缘子是这样来控制的，即上述比例不小于2，或是其相对介电常数不大于4。分别针对由此制成的悬挂绝缘子在电击穿率(贯穿数量/抽样数量)的基础上进行了冲击强度的检验，分别施加20次2500和3000kV/μs的陡峭的波前击穿电压。此处的高介电常数材料采用了氧化钛，陶瓷原材料是瓷土石、长石、银砂和镁砂。另外，陶瓷原材料的组成按重量计是SiO2：50-60％，Al2O3：20-30％。按照本发明例子的悬挂绝缘子采用了上述的后期添加方法，而按照对照例的悬挂绝缘子采用了上述的同时添加方法。另外，由于绝缘子实际上的电击穿率是很小的，采用了一种加速测试方法，使实验中的绝缘子的漏电距离比实际绝缘子的漏电距离要短，并且假设电击穿率应该是实际绝缘子的大约10倍。另外，有一个对照例的绝缘子采用了公知的瓷釉。结果如表1所示。
在烧结之后通过一点一点地对涂层表面进行抛光来测量涂层中微孔部分处的相对介电常数，在每次抛光操作之后测量涂层的电容，并且根据测得的电容计算出涂层中微孔部分处的相对介电常数。图3a和3b分别表示了测量采样原理的示意图。在图3a和3b所示的实施例中，符号A是一个涂层，符号B是陶瓷，符号C是用来测量电容的一种银膏。另外，d1是第一次抛光操作中除去的一层，d2是第二次抛光操作中除去的一层，而dn是第n次抛光操作中除去的一层。在这种条件下，由第一次抛光操作除去的d1层的电容是根据在本次抛光操作之前所有的层d1、d2-dn的电容和通过抛光操作除去了d1层之后的d2-dn层的电容来计算的，根据计算出的电容就可以获得d1层的相对介电常数。在本例中，陶瓷B的厚度被做得尽量地薄，以便改善涂层A中的介电常数的测量精度。例如，陶瓷B的厚度可以是1mm。
                                表1
   涂层的相对介电常数 相对介电常数的最大值/最小值      电击穿率(％)
  2500kV/μs   3000kV/μs
本发明的例子     1     4.1     1.2     0     0
    2     4.8     1.8     0     2
    3     5.3     1.6     0     0
    4     5.6     1.9     0     2
    5     5.9     1.1     0     0
    6     6.4     1.2     0     0
    7     7.8     1.4     0     0
    8     9.3     1.7     0     7
对照例     9     3.1     1.3     90     100
    10     5.5     2.5     63     100
    11     7.9     2.2     53     100
    12     3.8(瓷釉)     1.6     86     100
根据表1所示的结果可以得出以下结论。在本发明的例子中，在涂层中微孔部分处的相对介电常数的最大值和最小值之间的比例小于2，而相对介电常数大于4，电击穿率很低，因此，陡峭的波前击穿强度是良好的。另一方面，在对照例中，涂层中的上述比例不小于2，或者是相对介电常数不大于4，或者是采用了公知的瓷釉，电击穿率很高，因此，陡峭的波前击穿强度会变差。
在上述的例子中，在陶瓷绝缘子的陶瓷绝缘子主体1的表面上形成预定的涂层2，但是也可以在涂层2上设置由瓷釉制成的第二涂层。在这种情况下，第二涂层的作用是将沙粒3粘在陶瓷绝缘子主体1的一个头部的外表面和内表面上。第二涂层的厚度没有特殊的限制，但是，考虑到为了改善陡峭的波前击穿强度的问题，这一厚度最好是小于0.5mm，这是因为如果不小于0.5mm，在瓷釉中就会产生微孔。在这种情况下最好是采用富含长石的瓷釉原材料来制成瓷釉，这种原材料的组成是按重量计SiO2：不超过60-70％，Al2O3：不超过15-20％。另外，在上述的例子中，在陶瓷绝缘子主体1的整个表面上形成预定的涂层2，但是也可以在一部分表面上形成这种涂层2，而在表面的其余部分上形成公知的瓷釉层。另外，本发明也可以用于不含砂的绝缘子。此外，烧结操作不仅可以在还原气氛下执行，也可以氧化气氛中执行。
另外，按照本发明在陶瓷原材料中添加了具有高介电常数的材料，但是，如果在瓷釉原材料中添加这种高介电常数的材料并且执行烧结操作，就会出现发泡现象。而且会在瓷釉中产生较大的微孔，孔隙率就会变大。因而不能在瓷釉原材料中添加具有高介电常数的材料。其原因是这样的，因为瓷釉原材料与具有高介电常数的材料具有良好的反应性，这样就会出现发泡现象。另外，因为瓷釉原材料的软化温度比具有高介电常数的材料要低，发泡的微孔容易闭合。另外，通过X-射线分析得到的结果是，按照本发明的涂层中按重量计具有堇青石晶体：20-45％，富铝红柱石：少于20％，石英：少于5％，而剩下的是玻璃相(少于65％)，而不是具有高介电常数的材料晶体。
在上述的说明中可以清楚地看出，按照本发明，由于在涂层中微孔部分处的相对介电常数的最大值和最小值之间的比例是均匀的，例如是小于2，并且相对介电常数大于4，这就说明具有高介电常数的材料是均匀分布的，在陶瓷绝缘子主体的表面上形成了这样的涂层，对于在陡峭的波前击穿冲击电压作用到陶瓷绝缘子上时会变成弱点的这种涂层来说，可以使涂层的相对介电常数接近于陶瓷绝缘子主体的相对介电常数。另外还可以减少微孔的数量，这样就能消除作用在涂层上的冲击电压产生积聚的部位。此外，这种涂层对陶瓷绝缘子主体施加的压力可以达到等于或是大于公知的瓷釉所施加的压力。这样就能改善陶瓷绝缘子的陡峭的波前击穿特性，并且同时维持其机械强度。

Claims (6)

1.一种陶瓷绝缘子，包括一个陶瓷绝缘子主体和形成在该陶瓷绝缘子主体表面上的一个涂层，上述涂层是由主要包括高介电常数的材料并且相对介电常数大于4的陶瓷原材料构成的，在涂层中沿着涂层厚度方向上的微细部分处的相对介电常数值在最大值和最小值之间的比例小于2。
2.按照权利要求1的陶瓷绝缘子，其特征是上述涂层是通过烧结以下的涂层材料而获得的，这种涂层材料包括由按重量计50-60％的SiO2、20-30％的Al2O3并且其余为MgO、CaO、Na2O所构成的100份重量的陶瓷原材料和3-10份重量的相对介电常数大于10的高介电常数的材料。
3.按照权利要求1的陶瓷绝缘子，其特征是上述高介电常数的材料是由钛氧化物或是氧化钛的复合物制成的。
4.一种制造陶瓷绝缘子的方法，该陶瓷绝缘子具有一个陶瓷绝缘子主体和形成在该陶瓷绝缘子主体表面上的一个涂层，该方法包括以下步骤：
(1)制备上述的陶瓷绝缘子主体；
(2)用以下方式将涂层材料制备成泥浆：(a)研磨原材料并混入粘土以制备成包括按重量计50-60％的SiO2、20-30％的Al2O3并且其余是MgO、CaO、K2O、Na2O的陶瓷原材料，(b)单独制备出相对介电常数大于10的高介电常数的材料；以及(c)将如此制备的100份重量的陶瓷原材料和如此制备的3-10份重量的高介电常数材料混合到一起；
(3)将如此制备的涂层材料施加到陶瓷主体的表面上；以及
(4)对表面上涂有涂层材料的这种陶瓷主体进行烧结。
5.按照权利要求4的制造陶瓷绝缘子的方法，其特征是上述高介电常数的材料是由钛氧化物或是氧化钛的复合物制成的。
6.按照权利要求4的制造陶瓷绝缘子的方法，其特征在于高介电常数材料的平均粒径是0.1-5μm。
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