Зависимость между
микроструктурой материала и качеством
высоковольтных изоляторов

Высоковольтные изоляторы являются наиболее крупными и сложными из всех изделий, изготавливаемых из керамического сырья. Они играют важную и ответственную роль в процессах распределения и передачи электроэнергии. Изготовители изоляторов, имеющие большой опыт в этот области, обеспечивают требуемую клиентурой высокую надежность своей продукции, сохраняющуюся в течение длительного времени, постоянно совершенствуя характеристики материала, технологию изготовления и конструкцию изделий. При этом чем выше требования к соотношению цены и уровня технических характеристик, тем в большей мере успех зависит от комплексного воздействия на многочисленные влияющие факторы. В частности, необходимо с особым вниманием учитывать взаимное влияние свойств материала, технологического процесса и конструкции изоляторов. Опыт изготовителей подтверждает важность знания этой взаимосвязи.

Наибольшее влияние на надежность высоковольтных изоляторов в течение длительной эксплуатации оказывает микроструктура материала. Ее свойства и качество изоляторов, подверженных высоким механическим нагрузкам, находятся в прямой взаимозависимости. Доказательство этого является целью данной статьи.

Фарфор — идеальный материал
высоковольтных изоляторов

Ассортимент изделий керамической промышленности чрезвычайно разнообразен. В зависимости от чистоты ингредиентов, соотношения их в смесях, видов смесей, а также от способов обжига можно изготавливать разнообразные изделия, свойства которых должны в наибольшей степени соответствовать определенным целям применения. Разнообразное применение изделий из керамики основывается на особых свойствах этого материала, которых нет ни у каких других. Речь идет о следующих качествах:

• твердость и механическая прочность;
• термостойкость;
• изменяемость электрических свойств от изолятора до полупроводника;
• высокая коррозионная стойкость, обусловленная постоянной инертностью по отношению к химическим воздействиям всех видов;
• устойчивость к климатическим воздействиям;
• полное отсутствие запаха;
• хорошая формуемость.

Фарфор как представитель керамических материалов обладает всеми без исключения перечисленными качествами. Благодаря этому он широко распространен в повседневной практике. В то же время он с давних пор традиционно применяется в качестве изолирующего вещества в электротехнике. Еще в 1849 г. Вернер фон Сименс впервые использовал фарфоровые изоляторы для линии телеграфной связи между Франкфуртом-на-Майне и Берлином.

С развитием промышленности, и прежде всего электротехники, постоянно растущие требования к фарфору как конструкционному материалу стали причиной более точного исследования и поисков усовершенствования определенных свойств этого материала. На рис. 1 отражена тенденция повышения изгибной прочности фарфора различных видов, применяемого для изготовления высоковольтных изоляторов.

Рис. 1. Изгибная прочность sb фарфора различных видов

Атомным строением фарфора обусловлено действие интенсивных внутренних сил связи. Для керамических материалов характерны смешанные формы ионных и ковалентных связей. Благодаря им эти материалы имеют высокие значения твердости и модуля упругости. Интенсивностью этих связей объясняются также высокая температура плавления, низкий коэффициент термического расширения и высокая устойчивость к химическим воздействиям. В отличие от металлов керамика не имеет свободных электронных пар. Этим обусловлены электро- и термоизоляционные свойства керамических материалов. Для их прочности большое значение имеет не только атомное строение, но и микроструктура.

Влияние микроструктуры на прочность

Как известно, микроструктура материала описывает совокупность всех образующих ее фазовых состояний вместе с имеющимися дефектами. Она определяет многие свойства, такие, как прочность и поведение в ходе длительной эксплуатации. Под микроструктурой понимают вид и число фаз, наблюдаемых на керамическом образце, а также величину, форму, ориентацию и распределение их частиц. Таким образом, говоря о керамических материалах, под термином «микроструктура» следует понимать всю совокупность фаз с их параметрами и характеристиками, полученными при исследовании. Важнейшими параметрами микроструктуры являются процентное содержание кристаллической фазы, величина и форма зерен, пористость, наличие плавленой фазы и текстура.

Пластические деформации керамики под действием нагрузок происходят не только в кристаллической решетке, но и по границам зерен. Сопротивление скольжению на границах зерен является параметром, определяющим прочность.

В отличие от металлов для керамики еще нет достаточно надежных методов расчета усталостной прочности. В последнее время для изучения керамических материалов с целью повышения их прочностных характеристик используют результаты исследования поведения керамики при разрушающих испытаниях. Для этого на образцах с насечкой при испытаниях на изгиб определяли сопротивление R материала образованию трещины.

В ряде работ сопротивление R (характер кривых изменения этого параметра) оценивают как работу сил трения и сцепления по граням насечки. Поэтому желательно было бы иметь такую керамику, в которой бы сочетались прочность и высокая твердость. В связи с этим следует стремиться к таким микроструктурам, которые являются максимально гомогенными и содержат много кристаллических взаимосцепленных компонентов.

Эти важнейшие для механики разрушения взаимосвязи характеризуются критическим коэффициентом интенсивности напряжений K_1с. У многофазных поликристаллических керамических веществ (рис. 2) отчетливо наблюдается влияние микроструктуры на величину коэффициента K_1с, служащего в качестве критерия разрушения. Таким образом, желательными компонентами микроструктуры являются сцепленные между собой кристаллические вторичные фазы (например, корунд, муллит), так как они усиливают силы связи и трения на границах зерен, что в конечном итоге улучшает механические свойства вещества и сопротивляемость его разрушению.

Рис. 2. Пример многофазной поликристаллической микроструктуры

Различные качества микроструктуры керамических веществ удобно описывать также с помощью статистики Вайбулла. Модуль Вайбулла mявляется важной константой материала, так как он характеризует диапазон разброса полученных результатов измерения. Этот разброс зависит от свойств материала и является при этом функцией интенсивности и характера распределения макроскопических дефектов, т. е. определяется степенью однородности микроструктуры. Приближенно модуль m можно найти из выражения:

(1)

где s — среднее арифметическое отдельных значений прочности (в среднем 20 значений); s — стандартное отклонение.

Чем выше величина m, тем уже полоса разброса. Поскольку статистика Вайбулла является удобным инструментом оценки микроструктуры, она обязательно должна применяться также и для оценки совершенствуемых видов керамики.

Как достичь высокой прочности
и стабильной микроструктуры фарфора?

Новые пути и возможности повышения прочности фарфора уже глубоко исследовались в ряде научных работ. Обобщая их результаты, можно сделать вывод, что прочность линейно растет с увеличением модуля упругости. Важнейшей целью является обеспечение максимально возможного содержания в микроструктуре a-корунда. Обладая высокими значениями модуля упругости и плотности, корунд способствует увеличению этих параметров, а следовательно, и прочности фарфора.

Нерастворенные кристаллиты остаточного кварца и кристобалит, наоборот, снижают прочность и ускоряют старение материала. Их наличие уже в процессе изготовлении деталей из фарфора может привести к образованию внутренних напряжений и микротрещин, величина которых соответствует размерам кристаллитов кварца. Это происходит в результате резкого изменения объема изделия при охлаждении его в печи. Под действием механических нагрузок и изменений температуры возможны рост и разветвление трещин. В связи с этим присутствие в микроструктуре частиц кристобалита и кристаллитов кварца, ухудшающих гомогенность материала изоляторов, несущих механические и термические нагрузки, должно быть полностью исключено. В табл. 1 и 2 представлены основные параметры возможных компонентов микроструктуры.

Как показали результаты многих исследований, механически прочный фарфор с устойчивой микроструктурой должен содержать не менее 40 % корунда, не более 15 % муллита и менее 1 % остаточного кварца. Оставшаяся доля, составляющая около 45 %, приходится на стекловидную фазу.

Для повышения прочности и стабильности структуры фарфора необходимо:

• снижать содержание кварца;
• формировать на ранней стадии агрессивные эвтектические фазы в расплаве;
• увеличивать до 60 % и более содержание Al₂O₃;
• использовать низкие температуры обжига;
• обеспечивать быстрое охлаждение в диапазоне температур выше 1000 °C.

Керамографический анализ микроструктуры —
надежный метод оценки ее качества

Для аналитических исследований микроструктуры керамических материалов введен термин «керамография». Ее целью является количественное и качественное определение различных параметров, которые по возможности должны коррелироваться с методом изготовления и задаваемыми свойствами. На практике используют два комплекса методов, дополняющих друг друга:

• керамографию, определяющую пространственное расположение и размеры частиц, степень пористости;
• рентгеновскую дифрактометрию, позволяющую определять виды фаз и их процентное содержание, размеры кристаллитов, напряжения и текстуру.

Одно из исследований было посвящено керамографическим характеристикам микроструктуры глиноземистого фарфора и двух видов бокситового (С120 и С130). Микроструктуру изучали в три этапа:

• сравнивали микроструктуры путем керамографического анализа. Образцы подвергались многоступенчатому алмазному шлифованию, алмазному полированию и химическому травлению. Такая тщательная подготовка позволяет получить качественную и количественную информацию о содержании пор, их средней величине и математическом распределении размеров;
• на следующем этапе анализировали микроструктуру с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) высокого разрешения. В ходе этого анализа получали микроснимки, по которым определяли виды кристаллических фаз в микроструктуре с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии. Для лучшего представления микроструктуры на подготовленных образцах дополнительно проводят травление границ зерен и их поверхностей;
• важным инструментом количественной оценки кристаллических фаз микроструктуры является анализ Ритфельда, выполняемый на основе данных о структуре корунда, высокотемпературного кварца (a-кварца), a-b-кристобалита и муллита. Анализ Ритфельда является новым, но уже получившим признание методом эффективной количественной оценки микроструктур. С его помощью, кроме фазового состава, определяют также величину кристаллитов, текстуру и характер образования трещин. Этим методом можно определить содержание компонентов, значительно меньшее 1 %.