涇陽(yáng)土用于高鋁質(zhì)電瓷配方中的研究

丁彥霞　宮云霞　唐建新　李月霞　楊海

(1中材高新材料股份有限公司，淄博 255000；2山東龍達(dá)工程造價(jià)咨詢(xún)有限公司，濟(jì)南 250000)

涇陽(yáng)土用于高鋁質(zhì)電瓷配方中的研究

丁彥霞1宮云霞1唐建新1李月霞2楊海1

(1中材高新材料股份有限公司，淄博 255000；2山東龍達(dá)工程造價(jià)咨詢(xún)有限公司，濟(jì)南 250000)

摘要:本文研究了涇陽(yáng)土在電瓷配方中的應(yīng)用。結(jié)果表明，用涇陽(yáng)土取代章村土，通過(guò)冷等靜壓干法成型工藝，在合適的配比和燒成制度下，能夠滿(mǎn)足工藝要求，各項(xiàng)性能也有明顯的提高。

關(guān)鍵詞:涇陽(yáng)土；高鋁質(zhì)電瓷；冷等靜壓

章村粘土產(chǎn)于河北省邢臺(tái)專(zhuān)區(qū)沙河縣章村附近，礦藏儲(chǔ)量約有200萬(wàn)噸[1]，是幾十年來(lái)陶瓷行業(yè)應(yīng)用較廣泛的原料，也是絕緣子制造過(guò)程中不可或缺的原料。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陶瓷行業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展期，這在某種程度上加快了章村土的枯竭步伐。因此，人們急需尋找一種新的粘土來(lái)代替章村土[2]。

涇陽(yáng)土是一種硬質(zhì)伊利石類(lèi)粘土，產(chǎn)于陜西省咸陽(yáng)市涇陽(yáng)縣涇干鎮(zhèn)，交通便利，已探明的礦山儲(chǔ)量200多萬(wàn)噸，已被衛(wèi)生瓷和催化劑類(lèi)廠(chǎng)家研究多年[3]。該粘土呈淡黃色硬質(zhì)塊狀，質(zhì)地致密，基本上不水化；燒后呈灰黃色、青灰色塊狀，表面有少量雜質(zhì)。該原料鋁含量高達(dá)36%；鉀含量達(dá)8%以上，鈉含量低于1%，是一種比較理想的高鋁、高鉀低鈉的電瓷用原料，可部分或完全替代章村土或長(zhǎng)石，廣泛應(yīng)用于電瓷棒形絕緣子、懸式絕緣子、空心絕緣子的生產(chǎn)中。

本文采用冷等靜壓干法生產(chǎn)工藝，用涇陽(yáng)土取代絕緣子生產(chǎn)中的章村土，通過(guò)配方的調(diào)整，取得了較好的應(yīng)用效果。

1涇陽(yáng)土性能的測(cè)定

1.1　化學(xué)成分比較

章村土為絕緣子生產(chǎn)用正常原料，涇陽(yáng)土為廠(chǎng)家提供的樣品，按照章村土40目篩余小于2%的要求入廠(chǎng)。其化學(xué)成分的比較結(jié)果如表1所示。

表1　章村土和涇陽(yáng)土化學(xué)成分比較(%)

從表1可以看出，涇陽(yáng)土與章村土的化學(xué)成分區(qū)別主要在于，涇陽(yáng)土鋁高硅低、鉀高鈉低。其中Na2O的差別最為明顯，章村土中的Na2O含量為1.50%，而涇陽(yáng)土中Na2O含量?jī)H為0.07%。Na2O成分在電瓷坯料中的含量較高時(shí)，會(huì)使熔體的高溫黏度下降，使燒成溫度范圍變窄[4]，從而會(huì)使瓷件出現(xiàn)變形、開(kāi)裂甚至掉頭等現(xiàn)象。因此，少量的Na2O成分有利于控制坯料中的K2O和Na2O之比，從而有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.2　X射線(xiàn)衍射對(duì)比分析

通過(guò)D/MAXIII型X射線(xiàn)衍射儀，對(duì)章村土和涇陽(yáng)土試樣進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射分析。從圖1中可以看出，章村土和涇陽(yáng)土的衍射強(qiáng)度相差不大，但是涇陽(yáng)土的衍射峰數(shù)目較多，這說(shuō)明涇陽(yáng)土中高嶺石的結(jié)晶程度要高于章村土[4]，因此可有效提高產(chǎn)品強(qiáng)度[5]。

圖1 X射線(xiàn)衍射對(duì)比分析

1.3　偏光顯微分析

采用59XA透射偏光顯微鏡對(duì)章村土和涇陽(yáng)土在同等倍數(shù)下進(jìn)行了觀察，如圖2所示。從圖中可以看出，章村土中的顆粒呈粒狀，大小均勻；涇陽(yáng)土的顆粒大部分呈粒狀，也存在一定數(shù)量的針狀、不完整的六邊形和板條狀形態(tài)，且尺寸較大。分析認(rèn)為，兩種原料的不同顆粒形狀，與自身的礦物特征有關(guān)，章村土是一種白云母過(guò)渡到伊利石之間的過(guò)渡型礦物[1]，而涇陽(yáng)土是一種伊利石類(lèi)礦物，上述的化學(xué)成分分析及顯微分析等綜合鑒定也證明了這一點(diǎn)。

圖2 偏光顯微鏡分析

1.4　SEM掃描電鏡分析

為進(jìn)一步分析章村土和涇陽(yáng)土的微觀結(jié)構(gòu)，我們采用JSM-6380LA型SEM掃描電鏡分別對(duì)這兩種原料在×500,×2000和×5000的倍數(shù)下進(jìn)行了分析，如圖3所示。可以看出，兩種原料的表面形貌區(qū)別不大，晶粒發(fā)育良好，無(wú)明顯差別。

圖3 SEM掃描電鏡分析

2實(shí)驗(yàn)

2.1　配方設(shè)計(jì)

在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們最終擬定了三組配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，如表2所示。設(shè)計(jì)配方時(shí)，除要考慮所用原料的通用性外，還要充分考慮原料中化學(xué)成分的影響。從表3可以看到，3#配方的鉀鈉合量≥3.198%，比1#和2#的都要高出一些，這主要是因?yàn)?#配方鋁含量高、鈉含量低，適當(dāng)增加長(zhǎng)石的含量，有利于彌補(bǔ)因Na2O少而造成的熔劑量不夠的現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整，3個(gè)配方在試驗(yàn)電爐中的開(kāi)始不吸紅溫度點(diǎn)均為1240℃。

表2　配方設(shè)計(jì)(%)

表3　配方化學(xué)成份理論計(jì)算(%)

所有配方按照設(shè)計(jì)的比例準(zhǔn)確稱(chēng)量后，放入行星式快速球磨機(jī)中球磨。漿料經(jīng)LS-POP(Ⅵ)型激光粒度儀檢測(cè)，滿(mǎn)足生產(chǎn)用漿的粒度要求時(shí)放磨，放磨時(shí)需過(guò)150目篩子。放磨后的料漿盛在托盤(pán)中，放入烘箱烘干后，經(jīng)手工造粒和過(guò)篩，粉料裝入樣品袋內(nèi)陳腐備用。

2.2　體密、孔隙率

取陳腐的粉料，經(jīng)型號(hào)為Φ710×3200/145MPa的冷等靜壓機(jī)干法壓制成型，打磨成直徑為15mm、長(zhǎng)為18mm的白坯試條3組，每組8根，在60~70℃的烘箱內(nèi)放置至少4h。從制備的白坯試條中每組取出一根，制作成1cm3的試塊各8塊，一起放進(jìn)箱式電阻爐中做燒成溫度范圍。圖4所示為試塊在燒成溫度范圍內(nèi)的最大體密，以及對(duì)應(yīng)的孔隙率，可以看出，3個(gè)配方的體密均在2.75g/cm3以上，體密和孔隙率的變化趨勢(shì)相吻合，其中以3#配方的孔隙性能最優(yōu)。

圖4 體密和孔隙率對(duì)比圖

2.3　燒成收縮

將2.2中剩余的7根白坯試條，裝入抽屜窯中，隨產(chǎn)品一起燒成，燒成最高溫度為1250℃。采用精度為±0.01mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量出燒成前和燒成后試條上同一部位的尺寸，計(jì)算得出試條的燒成收縮率，結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，除3#配方的燒成收縮率略大外，其它兩個(gè)幾乎沒(méi)什么差別。因此，涇陽(yáng)土的替換對(duì)產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)和燒成過(guò)程影響不大。

圖5 燒成收縮率對(duì)比

2.4　強(qiáng)度對(duì)比

測(cè)試完燒成收縮的試條，經(jīng)GP-TS2000S型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，數(shù)據(jù)按照“平均值×(1±15%)”計(jì)算的范圍，剔除不合適的結(jié)果，剩下的數(shù)值取平均后，即為圖6所示結(jié)果。

圖6 試條強(qiáng)度對(duì)比

從圖6可以看出，1#和2#配方的試條強(qiáng)度相差不大，但3#配方的試條強(qiáng)度有明顯的提高。結(jié)合涇陽(yáng)土的性能分析結(jié)果可以看出，涇陽(yáng)土鋁高硅低、鉀高鈉低的成分組成、多晶的衍射結(jié)構(gòu)[4，5]以及伊利石類(lèi)的礦物結(jié)構(gòu)，有利于地提高了試條的強(qiáng)度，我們將在后續(xù)的中試試驗(yàn)中，進(jìn)一步驗(yàn)證涇陽(yáng)土的替代效果。

3結(jié)論

綜合以上化學(xué)成份、礦物結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)分析可以看出：涇陽(yáng)土的化學(xué)成分組成，有利于增大產(chǎn)品燒成過(guò)程中的高溫粘度；多晶的礦物結(jié)構(gòu)有利于提高產(chǎn)品的強(qiáng)度；試驗(yàn)結(jié)果也表明，涇陽(yáng)土的加入，使得配方各方面的性能有了一定程度的提高，因此，在電瓷干法生產(chǎn)過(guò)程中，涇陽(yáng)土部分或者全部取代章村土是可能的，我們將在接下來(lái)的產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)中進(jìn)一步論證。

參考文獻(xiàn)

[1]陸小玄. 章村土試驗(yàn)報(bào)告[J].電瓷避雷器，1980(03)：39-44.

[2]吳麗華. 用瓷石代替章村土生產(chǎn)衛(wèi)生瓷[J]. 中國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷, 2005, (2)：34-36.

[3]劉娟娟, 蘇怡, 張忠東,等. 涇陽(yáng)土用于催化裂化催化劑性能的研究[J]. 甘肅科技, 2009, (8):31-33.

[4]李玉書(shū)，吳落義，李瑛.電瓷工藝與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]丁彥霞，宮云霞，楊海等. 低品位鋁礬土在高鋁質(zhì)電瓷配方中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2013(04)17-19.

·信息·

美國(guó)陶瓷市場(chǎng)分析多用在精密科技工業(yè)

據(jù)悉，美國(guó)對(duì)陶瓷的需求量將以每年7%的速度增長(zhǎng)，其中，電子陶瓷元件仍為市場(chǎng)主流。2010年到2015年內(nèi)，氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、碳化矽、氮化矽等涂層、復(fù)合制品的生產(chǎn)情況，都會(huì)應(yīng)用在電子器件、工業(yè)機(jī)械、化工、環(huán)境污染防治等領(lǐng)域。而為了提高陶瓷后加工的效率，朝著節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、提高效率的方向發(fā)展，微波燒結(jié)、連續(xù)燒結(jié)或快速燒結(jié)等新技術(shù)及裝備也應(yīng)運(yùn)而生。

從2000年開(kāi)始，美國(guó)先進(jìn)陶瓷協(xié)會(huì)與美國(guó)國(guó)家能源部更聯(lián)合資助了為期20年的美國(guó)先進(jìn)陶瓷發(fā)展計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃主要運(yùn)用在先進(jìn)陶瓷的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品使用，共同推動(dòng)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用發(fā)展。

目標(biāo)是到2020年，先進(jìn)陶瓷以其優(yōu)越的耐高溫性能、可靠性以及其他獨(dú)特性能，成為經(jīng)濟(jì)又適用的首選材料，并廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、能源、航太、交通、軍事及消費(fèi)品制造等領(lǐng)域。如目前美國(guó)格魯曼公司正在研究大氣層超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷材料進(jìn)口、噴管和噴口等部件;杜邦公司也已研制出能承受1200~1300℃、使用壽命2000h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件;在臺(tái)灣，和成公司近年來(lái)亦針對(duì)抗彈陶瓷研發(fā)有重大進(jìn)展。

Study on Jingyang Clay Used in the High Aluminum Porcelain figure

Ding Yanxia1Gong Yunxia1Tang Jianxin1Li Yuexia2Yang Hai1

(1High Voltage Insulator Division of Sinoma, Zibo 255000;2Shandong Longda Project Cost Consulting Co., Ltd, Jinan 250000)

Abstract:In this paper, the Jingyang clay that would be used in the high aluminum porcelain figure has been studied. The results showed that, the test samples prepared by isostatic cool pressing, can meet the performance requirement of high aluminum porcelains in proper ratio and firing systems, and the performance was obviously improved.

Keywords:Jingyang clay；high aluminum porcelain；isostatic cool pressing

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.003

作者簡(jiǎn)介：丁彥霞(1981~)，女，研究生，工程師.主要從事高壓電瓷技術(shù)開(kāi)發(fā)工作.