SPRAWOZDANIE Z MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTRYCZNEGO

TEMAT ĆWICZENIA:

MATERIAŁY CERAMICZNE

Wykonali:

1.Jarecki Tomasz

2.Pawełek Jerzy

3.Grabowski Paweł

4.Styka Michał

I. Wprowadzenie

Izolacyjne materiały ceramiczne wytwarzane są z surowców nieorganicznych pochodzenia mineralnego - głównymi składnikami są tlenki krzemu SiO₂ (krzemionka) i glinu Al₂O₃. Nie mogą więc w ceramice zachodzić procesy utleniania i stąd jej duża odporność na nagrzewanie i praktycznie nieograniczona trwałość.

W elektrotechnice wyroby ceramiczne mają szerokie zastosowanie z uwagi na ich zalety jak:

• dużą odporność na wpływy atmosferyczne i chemiczne,

• odporność na działanie podwyższonych temperatur,

• dobre własności elektryczne,

• znaczną wytrzymałość mechaniczną,

• nieuleganie procesom starzenia i zmęczenia,

• łatwo dostępne i niekosztowne surowce.

Przez odpowiedni dobór składu surowcowego i technologii produkcji można otrzymywać wyroby ceramiczne o różnych cechach specjalnych. Do głównych rodzajów ceramiki elektroizolacyjnej zalicza się:

• porcelanę elektrotechniczną,

• kamionkę,

• steatyt,

• ceramikę o małym tg δ,

• ceramikę kondensatorową,

• ceramikę elektrotermiczną.

Główne zastosowania wyrobów z elektroizolacyjnej ceramiki to:

• izolacje linii wysokiego i niskiego napięcia oraz aparatów elektrycznych, zwłaszcza napowietrznych,

• izolacja odporna na działanie wysokiej temperatury w urządzeniach elektrotermicznych,

• izolacja w urządzeniach wysokiej częstotliwości,

• diaelektryki kondensatorowe o dużej ε_w lub małym tg δ.

Surowce w postaci gliny, piasku i odpowiednich, zgodnych z recepturą, dodatków mineralnych są rozdrabniane, drobno mielone i mieszane z wodą.

Z plastycznej masy formuje się (przez wytłaczanie, toczenie, odlewanie, prasowanie itd.) elementy izolacyjne odpowiednich kształtów. Po wysuszeniu (komorowym lub promiennikowym) elementy są wypalane w wysokiej temperaturze. W procesie wypalania zachodzą w materiale przemiany fizyczne, chemiczne i krystalograficzne, decydujące o własnościach gotowego wyrobu. Przemianom krystalograficznym towarzyszy zazwyczaj skurcz objętościowy. Po wypaleniu i sortowaniu poddaje się wyroby ceramiczne obróbce wykańczającej (obcinanie, szlifowanie, piaskowanie itd.).

Powierzchnie otwarte elementów izolacyjnych pokrywane są zwykle szkliwem zabezpieczającym przed zabrudzeniem. Do pokrywania izolatorów wnętrzowych stosuje się zwykle szkliwa białe, izolatorów napowietrznych - brązowe. Szkliwo nanosi się na elementy uformowane i wysuszone przed ich wypaleniem.

Porcelana elektrotechniczna zawiera ok. 50% kaolinu (Al₂O₃ + 3SiO₂+ 2H₂O),

ok. 25% kwarcu (krzemionka SiO₂) w postaci białego piasku kwarcowego oraz

ok. 25% szpatu polnego (skalenia K₂O +Al₂O₃+ 6SiO₂). Zwiększenie zawartości skalenia korzystnie wpływa na własności elektryczne porcelany, a kwarcu, na jej własności mechaniczne. Mięknienie porcelany zaczyna się w temperaturze ok. 600°C, tak więc porcelanowe elementy konstrukcyjne nie powinny pracować w temperaturach wyższych niż ok. 400°C. Z uwagi na szybko pogarszające się własności elektryczne porcelany ze wzrostem temperatury, nie zaleca się stosowania porcelany jako izolacji elektrycznej w temperaturach wyższych niż 100°C. Poważną wadą porcelany jest znaczny skurcz towarzyszący wypalaniu (dochodzący nawet do 20%, uniemożliwiający wykonanie elementów izolacyjnych o dokładnie kontrolowanych wymiarach.

Dopuszczalna tolerancja wymiarów izolatorów porcelanowych zawiera się w granicach 3...10%. Porcelana elektrotechniczna służy do wyrobu izolatorów liniowych wysokiego i niskiego napięcia, izolatorów stacyjnych wsporczych i przepustowych, wszelkiego rodzaju izolatorów w aparaturze elektrycznej oraz używana jest w masowej produkcji różnego rodzaju elementów izolacyjnych osprzętu instalacyjnego, jak: tulejki, rolki, fajki, korpusy i główki bezpieczników, oprawy żarówek itp.

Kamionka jest materiałem ceramicznym podobnym do porcelany, ale znacznie tańszym opartym na tańszych surowcach. Jest ona stosowana do wyrobu elementów izolacyjnych masywnych i grubościennych. Temperatura wypalania wynosi 1280°C, a skurcz po wypaleniu 9...14%. Własności elektryczne kamionki są nieco gorsze od analogicznych własności porcelany, ale własności mechaniczne są lepsze. Z kamionki produkowane są masywne osłony izolacyjne aparatury najwyższych napięć (komory wyłączników małoolejowych, korpusy napowietrznych przekładników małoolejowych itp.).

Głównym składnikiem steatytu jest talk, czyli krzemian magnezu (3MgO + 4SiO₂ + H₂O). Jako dodatków używa się glin plastycznych (5...15%) oraz skalenia (do 5%). Materiały steatytowe wypalane są w temperaturze ok. 1400°C. Steatyty odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi i bardzo dobrymi elektrycznymi. W temperaturze 20°C ρ_s wynosi ok. 10¹² Ωm,ρ_p - 10 Ωm/m, ε_w - 5,5, tg δ - 0,003 (przy 50 Hz). Zaletą steatytu jest bardzo mały skurcz towarzyszący wypalaniu, co pozwala na dokładne zachowanie wymiarów i zmniejsza tolerancję wymiarów nawet do 1%. Po wypaleniu może być stosunkowo łatwo obrabialny przez szlifowanie. Powierzchnie wyrobów steatytowych są na ogół gładkie i najczęściej nie wymagają szkliwienia. Masy steatytowe używane są do wyrobu elementów izolacyjnych poddawanych dużym naprężeniom mechanicznym, o wymaganiach dużej odporności na nagrzewanie oraz dużych wymaganiach odnośnie zachowania wymiarów.

Będą to m.in. izolatory wysokiego napięcia do urządzeń radiowych, izolatory liniowe długopniowe, drobne kształtki dla grzejnictwa elektrycznego.

W zastosowaniach izolacyjnych ceramiki w urządzeniach wysokiej częstotliwości wymaga się szczególnie małych wartości współczynnika stratności dielektrycznej. Zastępując skaleń w masie porcelanowej węglanem baru BaCO₃ uzyskuje się ceramikę o bardzo małej stratności dielektrycznej (tg δ = 0,003, przy 20°C i f = 1 MHz), zwaną nieraz ceramiką radiotechniczną.

Przez częściowe zastąpienie kaolinu trudno topliwym korundem Al₂O₃ uzyskuje się ceramikę (tzw. ultraporcelanę) o jeszcze niższej stratności dielektrycznej (tg δ = 0,0006, przy 20°C i 1 MHz) i znacznej wytrzymałości mechanicznej. Podobne wartości tg δ uzyskuje się w odmianach steatytów zawierających dodatek tlenku baru BaO. Są to steatyty specjalne, znane pod nazwami: kalan, kalit, frekwenta itp.

Do ceramiki kondensatorowej należą materiały o szczególnie dużej wartości przenikalności elektrycznej. Uzyskuje się je przede wszystkim przez dodatek związków tytanu. Z punktu widzenia wartości przenikalności elektrycznej oraz jej zależności od temperatury można wyróżnić co najmniej cztery grupy tych materiałów o nieco odmiennych własnościach.

Do grupy pierwszej należą ceramiki o dużej wartości ε_w (55...160) silnie zależnej od temperatury, przy czym ze wzrostem temperatury maleje wartość

ε_w (ujemny temperaturowy współczynnik przenikalności elektrycznej).

Głównym składnikiem tych materiałów są kryształy rutylu TiO₂ lub tytanianu wapnia CaO + TiO₂.

Grupa druga obejmuje materiały ceramiczne o niższej wartości ε_w (12...20), znacznie słabiej zależnej od temperatury, z dodatnim współczynnikiem temperaturowym. Do głównych składników tych materiałów należy tytanian magnezu 2MgO + TiO₂.

Do grupy trzeciej należą ceramiki o pośrednich wartościach ε_w (30...40),

słabo zależnych od temperatury, z ujemnym współczynnikiem temperaturowym.

Do grupy czwartej należą ferroelektryki. Najczęściej używanym materiałem ferroelektrycznym jest tytanian baru (BaO + TiO₂).

Ceramika elektrotermiczna musi być przede wszystkim odporna na działanie wysokich temperatur i nagłe zmiany temperatury oraz odznaczać się przy tym dostateczną wytrzymałością mechaniczną i elektryczną. Niekiedy dodatkowym wymaganiem jest znaczna przewodność cieplna.

Najbardziej znaną odmianą ceramiki elektrotermicznej jest szamota, wytwarzana ze zmielonej, wypalonej już uprzednio gliny ogniotrwałej z dodatkiem kaolinu. Głównymi więc jej składnikami są SiO₂ i Al₂O₃ (do 40%). Wytwarza się z niej m.in. wykładziny elektrycznych pieców przemysłowych, płytki kuchenek elektrycznych mieszczących w swoich rowkach spirale grzejne. Jej temperatura pracy jest ograniczona do ok. 1350°C.

W wyższych temperaturach (do 1700°C) może pracować silimanit

(20% SiO₂, 72% Al₂O₃) o znacznie większej rezystywności niż szamoty.

Dla pracy przy bardzo wysokich temperaturach stosowana jest w elektrotechnice ceramika cyrkonowa, zawierająca tlenki cyrkonu (ZrO₂)

I krzemu (SiO₂). Jest to materiał trudno topliwy, trudno obrabialny i stosunkowo kosztowny.

Kordieryt (2MgO + 2Al₂O₃ + 5SiO₂) jest materiałem nie wrażliwym na nagłe zmiany temperatury, o bardzo małym temperaturowym współczynniku rozszerzalności liniowej.

Dobrym materiałem izolacyjnym jest tlenek magnezu wypełniający w postaci proszku grzejniki rurkowe - cienkościenne rurki stalowe z umieszczonymi w nich spiralami grzejnymi.

II. Program ćwiczenia:

Przykłady zastosowań elektroizolacyjnych materiałów ceramicznych:

Grupa	Rodzaj	Materiał	Zastosowanie
100	110	Porcelana elektrotechniczna		izolatory wysoko napięciowe i niskonapięciowe; przepusty stacyjne i aparatowe; izolacyjne osłony wielkogabarytowe
	111	porcelana elektrotechniczna prasowana		elementy konstrukcyjno-izolacyjne osprzętu elektrotechnicznego i aparatów niskonapięciowych
	112	porcelana elektrotechniczna krystobalitowa	Izolatory i części izolacyjne	izolatory wysokonapięciowe liniowe; izolatory stacyjne wsporczego zwiększonej wytrzymałości mechanicznej
	120	porcelana elektrotechniczna wysokoglinowa
	130	porcelana elektrotechniczna wysokoglinowa o dużej wytrzymałości mechanicznej		izolatory wysokonapięciowe liniowe i aparatowe o bardzo dużej wytrzymałości mechanicznej
200	210	steatyt niskonapięciowy (prasowany)	elementy konstrukcyjno-izolacyjne aparatów i urządzeń niskonapięciowych
	220	steatyt	izolatory i elementy izolacyjne WN i NN o dużej wytrzymałości mechanicznej i podwyższonych temperaturach eksploatacji; elementy konstrukcyjnozolacyjne w obwodach wielkiej częstotliwości; kondensatory
	221	steatyt specjalny
	230	steatyt porowaty	elementy izolacyjne w urządzeniach elektronicznych i próżniowych, obrabiane po wypaleniu
	240	forsteryt porowaty
	250	forsteryt	elementy lamp elektronowych; elementy konstrukcyjno-izolacyjne do pracy w obwodach wielkiej częstotliwości
300	310	na bazie dwutlenku tytanu	kondensatory do obwodów wielkiej częstotliwości; kondensatory kompensacyjne do obwodów rezonansowych; części i podzespoły urządzeń elektronicznych
	320 331	na bazie tlenków tytanu i innych tlenków
	340	na bazie tytanu wapnia, strontu, bizmutu	kondensatory do obwodów wielkiej częstotliwości; kondensatory kompensacyjne do obwodów rezonansowych; części i podzespoły urządzeń elektronicznych
	350	na bazie tytanianu baru	kondensatory blokujące i sprzęgające; elementy nieliniowe i piezoelektryczne
400	410	kordieryt	części konstrukcyjne o dużej.		Elementy łukoodporne i żaroodporne o temperaturze pracy do 1200^oC
	420	celsjan	odporności na zmiany temperatury		korpusy cewek do urządzeń wielkiej częstotliwości; elementy pracujące w podwyższonych temperaturach

500	510	materiał szamotowy porowaty		do 1000^oC
	511 512	materiał talkowo-szamotowy porowaty	Elementy izolacyjnokonstrukcyjne elektrycznego sprzętu grzejnego o
	520	kordieryt porowaty	temperaturze przewodów grzejnych	do 1200^oC	elementy komór łukowych i osłon przeciwiskrowych aparatury niskonap.
	530	materiał szamotowy wysokoglinowy porowaty		do 1300^oC
600	610	materiał mulitowy	elementy konstrukcyjno-izolacyjne do pracy w wysokich temperaturach, np.: rury, osłony elementy termoelementów, izolatory wysokonapięciowego pracy w temperaturach ponad 100^oC; części izolacyjne pieców elektrycznych i wysokotemperaturowych, izolatory do świec zapłonowych		elementy konstrukcyjno-izolacyjne w elektronice
	620	materiał korundowo-mulitowy					Elementy izolacyjne w urządzeniach półprzewodnikowych i w ukł. scalonych
700	780	materiał 80-86%
	786	korundowy 86-95%
	795	zawartość 95-99%
	799	Al2O3 99%
800	810	materiał berylowy specjalny
	820	materiał magnezowy specjalny	elementy konstrukcyjno-izolacyjne do specjalnych urządzeń elektrotechnicznych, urządzeń próżniowych, lamp
	830	materiał cyrkonowy specjalny	elektronowych

Porównanie materiałów ceramicznych z grup 110 i 220:

Właściwość	sym- bol	Jednostka	Mnoż- nik	Warunki badania	110	220
					Porcelana elektrotechniczna	Steatyt
Gęstość pozorna, co najmniej	ρ	g/cm^3	-	-	2,2	2,6
Porowatość pozorna, nie większa niż	p	%	-	-	0,0	0,0
Nasiąkliwość fuksyną	-	-	-	-	0	0
Wytrzymałość na zginanie, co najmniej	Rg	MPa (N/mm^2)	-	bez szkliwa ze szkliwem	50 60	120 -
Wytrzymałość na rozciąganie, co najmniej	Rr	MPa (N/mm^2)	-	bez szkliwa ze szkliwem	25 30	45 60
Udarność, co najmniej	Ru	kJ/m^2	-	bez szkliwa	1,8	2,2
Współczynnik sprężystości wzdłużnej, co najmniej	E	MPa (N/mm^2)	10^3	bez szkliwa	60	80
Wytrzymałość dielektryczna, co najmniej	Ed	kv/mm	-	-	20	13
Współczynnik strat dielektrycznych, nie więcej niż	tgδ	-	10^-3	f = 50Hz f = 1kH f = 1MHz	35 - 12	5 - 3
Przenikalność dielektryczna względna	ε	-	-	f = 50Hz	6 - 7	5 - 7
Współczynnik temperaturowy przenikalności elektrycznej	TWε	1/K	10^-6	f = 50Hz	+600÷+500	+160÷ +70
Rezystywność, co najmniej	ρv	Ω^.cm	-	20^0C 200^0C 600^0C	10^13 10^8 10^4	10^13 10^10 10^5
Rezystywność powierzchniowa, co najmniej	ρp	Ω	-	-	10^10	10^10
Ciepło właściwe	Cp	J/(kg^.K)	-	20-100^0C	800-900	800-900
Średni współczynnik rozszerzalności liniowej		1/K	10^-6	20-100^0C 20-600^0C	3-6 4-7	7-9 7-9
Średnia przewodność temperaturowa	a	m^2/s	10^-6	20-100^0C	0,6-1,1	1,0-1,1
Przewodność cieplna	λ	W/(m^.K)	-	20-100^0C	1,0-2,5	2,0-3,0
Odporność na zmiany temperatury, co najmniej	ΔT	K	-	-	150	80
Przenikalność elektryczna	ε	-	-	f = 50Hz	20-100	4-6

Gęstość materiałów ceramicznych przyjmuje wartość od 1,8 g/cm³ (ceramika porowata) do ok. 9,7g/cm³ (tlenek toru). Odporność na zmiany

temperatury wynosi średnio 110 - 160°C (materiałów podgrupy 400 osiąga 250°C). Przewodność cieplna wynosi 1,1 - 1,6 W/mK (porcelana), aż do

ok. 200W/mK (tlenek berylu). Najlepsze własności mechaniczne wykazuje ceramika cyrkonowa oraz czysty trójtlenek glinu. Pokrycie szkliwem ceramiki krzemianowej i steatytowej może polepszyć jej właściwości mechaniczne.

Porowatość struktury powoduje zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej.

Rezystywność skrośna zależy przede wszystkim od składu chemicznego i zawiera się w granicach 10¹¹ - 10¹⁶ Ωcm w 20°C. Największą rezystywność mają masy celsjanowe (podgrupa 420). Rezystywność powierzchniowa zależy zarówno od struktury, jak i stanu powierzchni; w warunkach normalnych wynosi 10¹⁰ - 10¹²Ω. Wytrzymałość elektryczna zależy przede wszystkim od mikrostruktury materiału, spoistości oraz rodzaju i kształtu występujących w nim porów; wynosi 10 - 15kV/mm - korund i 30 - 40kV/mm - ceramika celsjanowa. Szczególnie niekorzystny wpływ na wytrzymałość elektryczną wywiera obecność porów otwartych, które są powodem występowania mechanizmu przebicia zapoczątkowanego przez wyładowania niezupełne. Poryte ponadto powodują znaczną nasiąkliwość materiału (do 20%), co pogarsza wszystkie właściwości elektryczne.

Wytrzymałość elektryczna materiałów ceramicznych maleje wraz ze wzrostem temperatury. Zależność ta w wielu przypadkach ogranicza dopuszczalny zakres temperatury, w którym dany materiał można stosować. Przenikalność elektryczna względna w zależności od składu materiałów ceramicznych zmienia się w bardzo szerokich granicach: od 4 - 5 (drobnoporowate masy kordierytowe) do kilku tysięcy (ceramika tytaninowa). Ceramika o znacznej przenikalności elektrycznej wykazuje właściwości ferroelektryczne. Wpływ częstotliwości na przenikalność elektryczną większości materiałów ceramicznych jest mały. Tangens kąta strat przy 50Hz i 20°C wynosi ok. 10^-2 (materiały porcelanowe) i 10^-3 (materiały steatytowe). Wzrost temperatury powoduje zwiększenie tangensa kąta strat. Odporność materiałów ceramicznych na łuk jest dość dobra. Poza pewnymi szczególnymi przypadkami nie obserwuje się w materiałach ceramicznych procesów starzeniowych i zmęczenia mechanicznego. Znaczną wadą materiałów ceramicznych jest ich bardzo trudna obrabialność (szlifowanie)

po procesie wypalenia końcowego. Wytwarzanie ceramiki w za niskiej temperaturze powoduje tworzenie się dużej ilości masy porowatej drobnej, rozrzuconej na całej objętości. Masa ta powoduje, że materiał jest kruchy i chropowaty, a związki składowe słabo ze sobą reagują. Za duża temperatura w procesie wytworzenia powoduje, iż porów jest bardzo dużo i łączą się one w łańcuchy, co osłabia materiał, gdyż powierzchnia połączeń mas krystalicznej i szklistej jest zakłócona przez pory. Najwłaściwszą temperaturą procesu wypalania jest temperatura ok. 1380°C, gdyż proporcje między kryształami a porami są zachowane. Właściwości elektroizolacyjne są wspomagane przez szkliwienie, gdzie powierzchnia porowata zostaje wypełniona szkliwem, które powoduje, że powierzchnia jest gładka, co uniemożliwia osadzanie się zanieczyszczeń i osłabienie własności elektroizolacyjnych, ale polepszenie własności mechanicznych.

---