Стеатитовая керамика с заданными электрическими свойствами для статора электростатического генератора Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

извнети $

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИЙ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 214 1977

СТЕАТИТОВАЯ КЕРАМИКА С ЗАДАННЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ СТАТОРА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

П. Г. УСОВ, В. Н. ТУРИНА, Ю. И. АЛЕКСЕЕВ (Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)

Одним из основных рабочих органов электростатического генератора (ЭСГ) является слабопроводящий статор [1, 2], служащий для задания определенного закона распределения напряжения между индукторами. Свойства материала статора должны отвечать определенным требованиям (табл. 1). В качестве материала для такого статора используют чаще всего обычное известково-натровое стекло [2], однако присутствие в конструкции агрегата деталей из стекла не обеспечивает в достаточной степени надежности его работы: стекло обладает повышенной поверхностной электропроводностью при температуре среды ниже (100—120°С) и легко подвержено разрушению при вибрациях машины. В связи с этими и рядом других факторов в работе исследована возможность замены стеклообразного материала статора на керамический, обеспечивающий необходимый комплекс стабильных электрических свойств и обладающий высокой механической прочностью.

В качестве объекта исследований выбрана стеатитовая керамика, соответствующая по допускаемому ГОСТом 5458—64 нижнему пределу электрических свойств предъявляемым требованиям. Но радиокерамическая промышленность выпускает в настоящее время керамику с улучшенными электрическими свойствами, по всем показателям превышающую требования ГОСТа (табл. 1).

Таким образом, целью работы было получение стеатитовой керамики с заданным значением электрических параметров.

Известно, что свойства керамического материала, сложенного кристаллической и стекловидной фазами, определяются в основном составом

Таблица 1

Основные требования к материалу статора и свойства стеатитовой керамики

Свойства

Требуемые значения

Стеатитовая керамика

по ГОСТу 5458—64 действительные

Удельное объемное сопротивление, рт ом-см при 20°С

Электрическая прочность, Ёпр кв/мм

Диэлектрическая проницаемость*- е.

Предел прочности при сжатии,

'СЖ

■кГ/см*

Коэффициент линейного термического расширения, а ]/град 106

Ю'Ч-Ю14 20—25 6

.: 2000

не менее 1012 не менее 20 Не более 7,5

6—8

101(; 25—30 6,9

3000

о о

Таблица 2

Химический состав исходных материалов, в вес %

Компонент ЭЮз Л^О Ре203 АГ>03 СаО ВаО ТЮ2 К20 N3,0 п. п. п. V

Тальк онотский сорт «Экстра» 62,02 31,64 0,45 0,45 0,42 _ _ 4,78 99,76

Тальк онотский сырой с повышенным содержанием примесей 60,12 31,56 1,09 0,86 0,77 5,56 99,96

Глина Часов-Ярская 50,76 0,63 1,16 32,38 0,84 — 1,16 3,86 — 9,26 100,05

В а СО? — — — —. 77,66 — — 22,34 100

й количеством аморфной фазы; свойства же кристаллофазы практически постоянны и, как правило, значительно выше свойств стекла.

Стекловидная фаза стеатитовой керамики слагается из продуктов разложения глинистого минерала и плавня, в качестве которого используется углекислый барий (табл. 2). Электрические свойства стекол находятся в сложной зависимости от состава и трудно поддаются дажё ориентировочному расчету, в связи с чем подбор составов стеклофазы для получения керамики с заданными свойствами носит экспериментальный характер и основывается на общих представлениях о влиянии состава и соотношения окислов различных групп в стекле. Исследовано не^ сколько составов масс с различным содержанием глинистого компонента и углекислого бария. Тальк сорта «экстра», используемый в производстве стеатитовой керамики, заменен тальком с повышенным содержанием примесей (табл. 2). Шихтовые составы масс, выбранных для исследования, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Шихтовые составы исследуемых масс, в вес %

Наименование компонентов Содержание компонентов

промышленный состав С-1 с-п С-1Н

Тальк ойотский сырой 38 80 80 75

Тальк онотский обожженный 42 — — _

Глина Часов-Ярская 5 5 10 15

Углекислый барий 15 15 10 10

В качестве основного контролируемого электрического свойства мае* сы принята величина удельного объемного сопротивления (ду). Объемное сопротивление диэлектрика меньше подвержено воздействию случайных факторов (наличие гидратйых пленок на поверхности, возможность протекания окислительно-восстановйтельных реакций с окружающей газо* вой средой), чем поверхностное сопротивление (д5).

В бариевых алюмосиликатных стеклах, какими представлена стекло* фаза стеатитовой керамики, электропроводность обусловливается главным образом наличием примесей, среди которых существеннейшее значе-ние принадлежит щелочам и окислам переменной валентности (РеО» Ре20з). Катионы щелочноземельной группы (Ва++) практически не уча» ствуют в переносе тока в твердых телах, положительное действие их заключается в «подавлении» активности щелочей, обеспечивающих ионную проводимость стекол. В бесщелочных стеклах резкое снижение объемного сопротивления вызывает присутствие окислов железа в результате сильно выраженной электронной проводимости. При совместном присутствии щелочей и окислов железа электронная проводимость уменьшается, однако в присутствий А1203 такое действие щелочей «нейтрализуется» [3].

Приведенные данные свидетельствуют о сложном и не поддающемся точным прогнозам взаимном влиянии компонентов на электрические свойства стекол. В механизме переноса тока в стеклах принимают участие электроны и ионы, основным фактором при этом является концентрация ионов и их ионный радиус. В связи с этим для анализа состава стеклофазы исследуемых масс принято выражение его в молярных процентах (табл. 4).

Из данных, приведенных в табл. 4, следует, что изменение содержания окислов, ответственных за электропроводность стекловидной фазы, осуществляется в основном за счет щелочного иона К+. Содержание окислов железа практически поддерживается постоянным, так как по существующей технологии керамика обжигается в окислительной среде, а

7 Зака:! (¡322

97

Таблица 4

Химический состав стеклофазы исследуемых масс, мол. % (расчетный)

Состав 5Ю3 тю2 СаО Ре203 А1202 к2о ВаО Сумма

Промышленный 68,79 0,24 0,22 0,45 6,12 0,57 23,57 99,96

С-1 63,7 0,24 3,61 1,72 6,88 0,95 23,00 100,1

с-н 68,8 0,38 3,36 1,65 10,5 1,65 13,66 100,0

с-ш 68,2 0,50 2,90 1,46 12,8 2,26 11,90 100,02

для создания электронной проводимости за счет окислов железа необходимо Совместное присутствие Ре203 И РеО в соотношении Ре+++/Ре++ меньше 4,6 [3], т. е. обжиг керамики в восстановительной среде.

Керамика изготавливалась по спековой технологии, образцы для исследования прессовались в стальных прессформах под удельным давлением 750 кГ/см2 из порошка, пластифицированного парафином с добавкой поверхностноактивных веществ. Образцы подвергались утсльно-му (в засыпке) и окончательному обжигам. Микроструктура керамики всех составов характеризуется достаточной однородностью.

Кристаллическая фаза представлена протоэнстатитом со средней величиной зерна (2—6 мкм). Стекло равномерно окружает зерна прото-знстатита, самостоятельных скоплений не образует. Соотношение кристаллической и стекловидной фаз исследованных составов керамики находится в пределах (6,5—7) : (3—3,5). Свойства керамики, изученные на стандартных образцах по методикам, соответствующим требованиям ГОСТа 5458—64, приведены в табл. 5.

Т а б л и ц п Г)

Свойства керамики исследованных составов

Свойства Промышленный С-1 с-н с-ш

Температура обжига, °С 1280 1280 1270 1260

Объемный вес, Г/сж3 зл 3,0 2,8 2,7

Водопоглощение, % 0 0 0 0

Предел прочности при 3000 2200

сжатии, бсш кГ1см2 2600 2500

Электрическая прочность

¿пр кВ/мм 25—30 23 22 21,5

Удельное объемное соп-

ротивление, ру ом»см при

(ГС) 3,1 -1013

100 0,9-1016 2,3 -Ю15 2,0-1014

200 6,МО15 0,5-10й 1,4-1013 3,0-1012

Тангенс угла диэлектри-

ческих потерь, •10~4

на частоте 1 мгц при

(ГС)

20 4 5 4,8 5,1

100 7 6 7,5 6,2

200 8 7 9 * 8

Диэлектрическая прони-

цаемость, е, ^ ^ 1 мгц, при

20°С 6,0 5,9 6,1 6,0

Коэффициент термическо-

го расширения КТР-10"8 1 ¡град. (ГС) 20-4-200

7,2 0,1 (3,0 6,2

Из анализа данных, приведенных в табл. 5, следует, что наибол^ё полно удовлетворяет поставленным требованиям керамика состава С-111. Значение параметра удельного объемного сопротивления этого состава керамики, полученное опытным путем, удовлетворительно согласуется с расчетным, произведенным по формуле [3]:

л 2-К-Т

ру = Ар-е

где удельное объемное сопротивление, ом-см;

К — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура, °К.

Ар, 11р —константы для данного свойства и данного стекла. Для состава С-111 температурная зависимость определяется константами А р= 107; иР = 15,1 • 10~20.

Таким образом, выявлена возможность регулирования электрических свойств стеатитовой керамики путем вариации состава стекловидной фазы. Получена керамика, состав и свойства которой удовлетворяют требованиям для статора электрического генератора.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. П. К о н о н о в. Исследование электростатического генератора дискового типа с проводящими транспортерами. Диссертация, Томск, 1967.

2. В. И. Левитов, А. Г. Л я п и н. Электростатические генераторы с жестким ротором. Ч. I и II ЦИНТИ электропром, М., 1963, 1965.

3. А. А. А п п е н. Химия стекла. Л., Изд. «Химия», 1970.