DE1243744B

DE1243744B - Verwendung einer keramischen Masse zur Herstellung von elektrischen Isolierkoerpern

Info

Publication number: DE1243744B
Application number: DER27931A
Authority: DE
Inventors: Peter Bock
Original assignee: Rosenthal AG
Current assignee: Rosenthal AG
Priority date: 1960-05-10
Filing date: 1960-05-10
Publication date: 1967-07-06
Also published as: DE1646953A1

Description

Verwendung einer keramischen Masse zur Herstellung von elektrischen Isolierkörpern Die Erfindung betrifft die Verwendung von keramischen Massen des Dreistoffsystems @ Erdalkalioxyd, A1203 und Si02 mit einem großen Sinterbereich und einer voll ausgeprägten homogenen Kristallphase zur Herstellung von elektrischen Isolierkörpern.
Die bisher bekannten Massen dieses Dreistoff Systems wurden vom Porzellan her entwickelt und haben ein sehr kleines Sinterintervall, weshalb die Herstellung von Formkörpern erschwert, wenn nicht unmöglich gemacht wird, da die Erdalkalioxyde nicht die Sintereigenschaften haben, wie die Alkalien sie mitbringen. Die Alkalien wiederum sind wegen ihrer Ionenleitfähigkeit bei Dauer- und Gleichstrombelastung sowie besonders bei Temperatureinfluß in keramischen Isolierstoffen nicht zu verwenden. Bei den bisher bekannten Massen wurde versucht, die Alkalien im Porzellan durch Erdalkalioxyde in der Weise zu ersetzen, daß mehrere Erdalkaliverbindungen vorgefrittet in die Masse eingeführt wurden oder daß die Alkalien ganz oder teilweise durch ein Erdalkalioxyd oder dieses beim Brand bildende Verbindungen ersetzt wurden. Bei allen diesen bekannten -Massen wurden jedoch die Anteile der übrigen Komponenten (A1203 und Si0@ zu sehr der Porzellanzusammensetzung angepaßt, so daß sich die Sintereigenschaften der Erdalkalioxyde ungünstig auf das Sinterintervall dieser Massen auswirken. Solche Zusammensetzungen ergeben eine irrhomogene Scherbenstruktur unterschiedlicher Dichte und somit ungünstige dielektrische und mechanische Eigenschaften.
Daher war nun die Aufgabe zu lösen, ob und bei welchen Mischungsverhältnissen in dem wohl an sich bekannten Dreistoffsystem ein ausreichend breites Sinterintervall ermittelt werden kann und. welche Massen überdies gute dielektrische und mechanische Eigenschaften nach dem Brand aufweisen. Die aus dem Referat in der Zeitschrift »Silikattechnik« vom November 1955, S. 459 bis 461, bekannte Arbeit über »Das Zustandsdiagramm des Systems Ba0 - A1203 -Si02« von Toropow, Galachow und Bond a r (Izvesta Akad. Nauk. SSSR, Otdel. Chim. Nauk, 1954, 5, S. 753 bis 764 [Nachr. Akad. Wiss. UdSSR, Abt. Chem. Wissenschaften, Moskau]) gibt keinen Hinweis zur Lösung der genannten Aufgabe. Aus dem in der A b b. 3 wiedergegebenen Schmelzpunktdiagramm kann man auf keinen Fall irgendwelche Sinterungstemperaturen oder Sinterungsbereiche herleiten.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Mängel der bisher bekannten Massen des Dreistoffsystems Erdalkalioxyd -A1203-Si02 vermieden werden können, wenn eine keramische Masse verwendet wird, bestehend aus 8 bis 12 °/o Erdalkalioxyd, vorzugsweise Ba0, 35 bis 74 °/o A1203 und 45 bis 53°/o Si02, die im wesentlichen ein Aluminiumsilikat von einer Körnung kleiner als 5/c, vorzugsweise um 2,u, enthält.
Die Massen können bei Temperaturen von SK 10 (-- 1350°C) bis SK 15 (... 1430°C) dicht gebrannt werden und haben ein sehr großes Sinterintervall. Gegenüber den bisher verwendeten Massen dieses Dreistoffsystems stellt dieses große Sinterintervall insofern einen wesentlichen Fortschritt dar, als es nunmehr möglich ist, Formkörper mit sehr guten dielektrischen Eigenschaften unter Anwendung der üblichen wirtschaftlichen Brenntemperaturen sicher und ohne Fehler, wie Bläherscheinungen, herzustellen. Außerdem weisen diese Massen eine vollständig homogene Kristallphase auf. Darüber hinaus brauchen bei den Zusammensetzungen weder die Erdalkalioxyde vorgefrittet noch irgendwelche anderen Ausgangskomponenten vorbehandelt zu werden. Wesentlich ist jedoch, daß das Ausgangsgemisch in der Hauptsache aus einem Aluminiumsilikat von außerordentlich feiner Körnung (< 5 #t, vorzugsweise um 2 #t) besteht. Die erzielte stabile homogene Kristallphase verhält sich gegenüber Dauerbelastungen und Temperatureinflüssen dielektrisch stabil. Wenn auch die Bedeutung der kristallinen Struktur von keramischen Isoliermaterialien für die dielektrischen Eigenschaften allgemein bekannt ist, bisher wurden jedoch solche keramischen Massen nicht verwendet, die dem Idealfall eines Materials aus Keramik, das weder Elektronen- noch Ionenleitfähigkeit aufweist, nahekommen.
Massen mit irrhomogener Scherbenstruktur, wie sie sich aus den vom Porzellan her entwickelten Erdalkalioxyd enthaltenden Massen ergeben, sowie Zusammensetzungen mit einem gewissen Anteil an Alkalien sind dagegen für die Herstellung von elektrischen Isolierkörpern wenig geeignet. Die Sintereigenschaften der Erdalkalioxyde erfordern jedoch bestimmte kristallchemische Voraussetzungen der Reaktionsteilnehmer. Diese sind dadurch gegeben, daß die verwendeten Aluminiumsilikate im Temperaturbereich der Flußmittelwirkung der Erdalkalien noch sehr stabile Verbindungen darstellen. Der Lösungsprozeß der Erdalkalischmelze geht daher verhältnismäßig langsam vor sich, wodurch ein breiter Sinterbereich erzielt wird, während Massen mit mehr als 60 °/o Si02 wegen der schlagartig einsetzenden Flußmittelwirkung der gebildeten Erdalkalisilikate einen sehr kurzen Sinterbereich haben, wobei es gleichgültig ist, ob die Erdalkalioxyde vorher gefrittet sind oder nicht.
Durch das zu verwendende sehr feine Korn des Aluminiumsilikats wird das Sinterintervall in einen Bereich niedrigerer Temperaturen verschoben und somit erheblich erweitert. Diese Vergrößerung des Sinterintervalls wird durch das verringerte Lösungsvermögen der Erdalkalien im niedrigeren Temperaturbereich bei gleichzeitiger Stabilität der anderen Reaktionsteilnehmer verursacht, im vorliegenden Fall durch die Stabilität des Aluminiumsilikats, durch dessen Feinkörnigkeit außerdem die Homogenität der Scherbenstruktur gefördert wird.
-Die Bedeutung der Anteile von A1203 und Si02 bei keramischen Massen, die Erdalkalioxyde als Flußmittel enthalten, für das Sinterverhalten geht aus der folgenden Tabelle und dem Dreistoffdiagramm hervor.

P# Si02 A1,03 E b# Ba0 d S111t0Ilrit0rvä11

0 /0 0/0 0/0 ° C

A 62 28 10 25

B 57 33 10 30

C 52 38 10 55

D 47 43 10 110

E 42 48 10 130

Die mit dem Erhitzungsmikroskop ermittelten Sintereigenschaften haben in der Praxis bestätigt, daß in Richtung der Si02-Komponente (im Dreistoffdiagramm) das Sinterintervall immer kleiner wird und nach Überschreitung des Sinterpunktes (größte Schwindung) starke Blähersche'nungen auftreten. Dagegen vergrößert sich in Richtung der A1203-Komponente das Sinterintervall wesentlich, und die Bläherscheinungen werden mit steigendem AI203-Anteil immer geringer. Besonders vorteilhaft ist hierbei noch, daß die Zusammensetzungen bei den Punkten C und D bei den für normales Porzellan erforderlichen Temperaturen (SK 12 bis SK 14) gebrannt werden können. Massen mit noch höherem Al2O3-Anteil, wie bei Punkt E, besitzen in bezug auf ihr Sinterverhalten wohl die gleichen Vorteile, benötigen jedoch zum Dichtsintern eine höhere Brenntemperatur, durch welche die Wirtschaftlichkeit bei deren Verwendung in Frage gestellt ist. Die in diesen Massezusammensetzungen enthaltenen Ausgangsstoffe sind wasserhaltige oder wasserfreie Aluminiumsilikate und Erdalkalioxyde, vorzugsweise Bariumoxyd, oder Verbindungen, aus denen sich beim Brand die Erdalkalioxyde bilden, sowie Erdalkali-Aluminium-Silikate. Wenn auch vorzugsweise Bariumoxyd als Flußmittel zu verwenden ist, so ist es jedoch vorteilhaft, wenn weniger als die Hälfte des Flußmittelanteiles aus anderen Erdalkalioxyden, wie Ca0, Mg0 und Sr0, besteht.
Die zur Herstellung von keramischen Isolierkörpern zu verwendenden Massen sind mit überaus großer Gleichmäßigkeit herzustellen und haben nach dem Brand eine homogene feinkristalline Scherbenstruktur. Besonders aber weisen die Isolierkörper aus den zu verwendenden Massezusammensetzungen gegenüber den bisher bekannten keramischen Körpern dieses Dreistoffsystems äußerst geringe dielektrische Verluste (Verlustfaktor 0,0005) und eine gute Gleichstromfestigkeit auch bei höheren Temperaturen auf. Darüber hinaus haben sie eine hohe mechanische Festigkeit (Biegefestigkeit 1200 kg/cm). Ihre homogene, feinkristalline Scherbenstruktur ist auch für die Weiterbearbeitung (Schleifen, Schneiden, Bekohlen usw.) von Bedeutung und stellt gegenüber den bisher bekannten Zusammensetzungen eine wesentliche Verbesserung dar.
Die Aufbereitung dieser Massen erfolgt nach dem in der Keramik üblichen Verfahren. Durch den großen Anteil an Aluminiumsilikaten, welche zum größten Teil als Kaolin eingeführt werden, ist die Masse sehr plastisch und eignet sich auch für die Verformung sehr komplizierter Gegenstände.
Die Brenntemperatur kann durch die Steigerung des AI203-Anteiles-über 35°/o beliebig gewählt werden, wobei sich das Sinterintervall dieser Massen mindestens über drei Segerkegel, SK 12 bis SK 14, erstreckt.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer keramischen Masse, bestehend aus 8 bis 12 °/a Erdalkalioxyd, 35 bis 47 °/o A1203 und 45 bis 53 °/o S'02, die im wesentlichen ein Aluminiumsilikat von einer Körnung kleiner als 5 p., vorzugsweise um 2 V., enthält, zur Herstellung von elektrischen Isolierkörpern.
2. Verwendung einer keramischen Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Ba0 als Erdalkalioxyd enthält.
3. Verwendung einer keramischen Masse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Ba0 geringe Mengen eines anderen Erdalkalioxyds enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Izvestia Akad. Nauk UdSSR, 1154 (5), S. 752 bis 764; Silikattechnik vom November 1955, S. 459 bis 461.