多次烧成对电瓷机械性能的影响

徐小燕，李玉平，章 鹏，郭爱芬，李晓琳

（湖南大学 材料科学与工程学院，长沙410082）

多次烧成对电瓷机械性能的影响

徐小燕2，李玉平3，章 鹏，郭爱芬，李晓琳

（湖南大学 材料科学与工程学院，长沙410082）

电瓷的无机粘接及对其表面进行少量的无机修复，都需要进行多次烧成，但对多次烧成对其性能的影响却缺少系统的讨论。本文将试条随同批电瓷产品进行多次烧成，通过测量试条的抗折强度及其强度分散性、显微结构特征及物相成分，讨论了多次烧成对电瓷机械性能的影响。结果表明：随着试条烧成次数的增加，抗折强度有小幅度下降，且强度分散性增大，上釉坯体中这种现象更明显。多次烧成后，晶体异常长大现象并不明显，但石英颗粒周围存在着微裂纹增多且出现扩展现象；主晶相莫来石－石英的量有一定程度减少，且析出了少量方石英相，无定形相含量则明显增多。正是这些原因造成了多次烧成电瓷试条抗折强度逐渐降低，强度的分散性有所增大。

多次烧成；机械性能；显微结构；物相；电瓷

0 引言

主要起支持和绝缘作用，有时兼做其他电气部件容器的电瓷材料是输变电系统的重要组成部分[1]。烧成可使坯体发生一系列物理化学变化，最终获得各项性能符合要求的电瓷制品，是制备电瓷的关键工序[2]。电瓷性能直接影响输变电系统的安全性及有效性，机械强度、绝缘性能、环境适应性以及外观质量等是评价电瓷产品的重要依据[3]。电瓷制造过程中，有时还存在多次烧成的现象，例如，大型电瓷套管的无机粘接，电瓷制品表面一些轻微缺陷的修复等。

在高压输变电中,绝缘性能、耐高压等级与电瓷套管高度成正比。大型电瓷产品，如1 000 kV变电站所使用的高度达十余米的套管，由于制造工艺的局限，往往要多段制造，再通过无机粘接或有机粘接的办法粘接组装成产品。无机粘接，即为通常所说的釉接，将釉涂覆于瓷件的粘接处，于钟罩窑中再次烧成[4]，可形成一体、不易老化。

随着电瓷产品的增多，一些机电性能符合要求，但存在少量诸如小面积缺釉、釉泡或杂色斑点等瘕疵的产品却不被用户接受[5]，这势必造成一些资源与能源上的浪费[6]。以湖南醴陵为例，现电瓷的年产值约为30亿元，废品率高达20%，相应地损失了约6亿元的年产值。对其中有表面缺陷且具有修复意义的电瓷制品进行再加工生产，就相当于新建了一个规模不小的电瓷厂。因表面缺陷而导致废品的现象在其他类型陶瓷制品中也常见[7]，用类似于补釉的方法进行电瓷的无机修复，也需要进行多次烧成。

多次烧成对电瓷机械性能的影响，虽然引起了人们的重视，但在文献中却鲜有报道。一般认为，多次烧成会使得瓷材料晶体异常长大，从而导致其性能弱化，但弱化的程度还很少有实验证实。某电瓷厂据此曾规定产品的重烧次数不能多于2次。

笔者通过测试多次烧成的电瓷试件的抗折强度，对显微结构的观察剖析[8]能有效验证多次烧成对瓷材料机械性能的影响，旨在为电瓷的重烧提供依据。

1 实验

1.1 原料

采用某电瓷厂普通硅质电瓷生产坯料，其属于粘土—石英－长石三元体系，化学成分见表1。

表1 坯料的化学成分Table 1 Chem ical com position of raw materials w t%

1.2 工艺过程

从电瓷生产泥料中选取适量的样品，经试验用立式真空练机挤制2次，再挤制出规格为Φ20 mm×130mm试条，先置于室内干燥3天，再转移至烘房与制品毛坯一同干燥，出烘房时试条水分在2.5%~2.8%之间。

将干燥后的样品一部分以浸釉法上釉，另一部分不上釉。随同批次电瓷半成品一起装窑，利用工业梭式窑与同类电瓷产品一起烧成。每次出窑后，除留下必要的试条作测试外，其余部分再随下一批次电瓷半成品重烧，反复多次。电瓷及试条烧成曲线见图1。

图1 电瓷烧成曲线图Fig.1 The firing curve of siliceous porcelain

1.3 性能检测

试验样品编号情况见表2。

表2 样品类别Table 2 Classification of sam ples

采用3点弯曲法在FR-103C万能试验机上分别测定了上述8组试条的抗折强度，计算其平均抗折强度和样本标准差，后者表征强度分散性；利用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜观测试样的显微结构特征；采用D/Max 2500型X射线衍射仪测定样品的物相组成与含量。

2 结果与分析

2.1 抗折强度的变化情况

图2是在相同测试条件下，样品的抗折强度与烧成次数的关系图。不论是上釉试条还是无釉试条，多次烧成均使样品的抗折强度有一定程度的降低。上釉试条样品中，C1的抗折强度为122.75 MPa，C2、C3、C4对应试条的抗折强度降低幅度分别为3.71%、8.54%、14.28%；同样的，素坯样品中P1的抗折强度为 95.08 MPa，P2、P3、P4的 降 幅 分 别 为 2.99% 、4.59%、6.05%。

同样的条件下，上釉试条较素坯试条的抗折强度高。因为釉的膨胀系数一般低于坯的，烧成冷却后，会在瓷件表层产生压应力，从而提高试条的抗折强度；凝固的釉可视为一种连续相，一定程度上釉层能填平并阻断瓷体表面的气孔，阻止裂纹扩展，从而改善产品的力学性能，这也证实了釉层能提高瓷件的机械性能。随着烧成次数的增加，上釉试条的抗折强度降低幅度要高于素坯试条，这可能是因为反复烧成，坯釉间可产生相互融合，从而降低了两者膨胀系数的差别。

图2 样品抗折强度与烧成次数的关系Fig.2 Bending strength of sampleswith increasing firing numbers

样品强度分散性与烧成次数的关系见图3。可见，随着烧成次数的增多，样品抗折强度的分散性逐渐增大，这说明在重复烧成的过程中，试条总体的均匀性及稳定性变差。上釉试条随烧成次数增加，离散性变大的趋势更为明显。素坯试条则相对变要小些。随着烧成次数的增多，上釉试条的坯釉界面会进行化学成分的相互扩散、迁移、互熔，甚至使相互间的界面变得模糊，坯釉适应性相对劣化，从而导致上釉试条的抗折强度随烧成次数的增多而产生较大的分散性，也使抗折强度的降低幅度增大。

图3 样品强度分散性与烧成次数的关系Fig.3 Standard deviation of sampleswith increasing firing numbers

2.2 显微结构特征的变化

图4为P1样品的低倍扫描电子显微镜照片。该照片可以反映出这类电瓷的显微结构概貌，图中标记了各种相的特征，一次莫来石（PM）、二次莫来石（SM）、石英（Q）、气孔（P）和微裂纹（Crack）都可清楚地显示出来。

图4 素坯P1样品SEM照片Fig.4 SEM image of overallmicrostructure of sample P1

普通电瓷的主晶相为莫来石相及石英颗粒。当温度高于1 000℃时，一次莫来石开始形成，在温度高于1 200℃时，呈相互交联的针状结构的二次莫来石相开始形成。二次莫来石对普通电瓷的增强机理已在相关文献中表述[9]，在电瓷基体中相互交联的针状二次莫来石族簇，交联程度越充分，提高材料强度的效果越好。

图5、图6分别为素坯、釉坯样品的SEM照片，4个样品中都能观察到一种由短簇状的一次莫来石与针状交联的二次莫来石的混合相。试条在第一次烧成后，一次莫来石较多，向二次莫来石转化程度低，说明当时烧成并不充分。多次重烧后，莫来石大多数会转化成二次莫来石，在二次莫来石群中，也可以观察到不同长度、不同大小、不同世代的二次莫来石晶体。它们能够呈棒状或针状，形成很好的相互交织现象，但异常长大现象并不明显。

图5 素坯样品SEM照片Fig.5 SEM image ofmicrostructure of unglazed sample

图6 釉坯样品SEM照片Fig.6 SEM image ofmicrostructure of glazed sample

一般来说，材料发生多晶转变时，由于内部质点发生重排，结构就会发生变化，相伴而来的会产生使体积发生变化。电瓷中常见的Si02组分，这种效应就非常显著。在电瓷烧成条件下，石英就可发生多种相变，据统计，会有23种变体，其中20种晶态，3种无定形状态。频繁的相变及由此引起的体积变化，会影响电瓷，尤其是多次烧成电瓷的性能。

从图4可发现，在石英颗粒周围存在明显的微裂纹，这就是石英颗粒温度变化过程中发生的异构转变，由此导致较大的体积变化引起的微裂纹。电瓷中石英颗粒主要来自原料中的石英，也有部分来自高硅熔体中析出的方石英[10]。多次烧成，会在石英颗粒周围发现有明显的熔融圈，裂纹的扩展加剧，多条短小的裂纹相遇汇集成较大裂纹时，穿越玻璃相和围绕孔洞延伸，进而导致产品的力学性能降低。

有研究者[11－12]建立了电瓷材料力学性能与显微结构因素的关系，提出了电瓷材料强度和显微结构影响最敏感的因素及其先后顺序是Al2O3含量＞烧成温度 T（℃）＞（K2O+Na2O）含量＞ SiO2含量。 但从显微结构来看，引起电瓷强度降低的主要因素可能是石英及其周围裂纹的存在，尽可能减少原料中石英大颗粒的量，或许可以减缓电瓷抗折强度的降低。

2.3 物相种类及含量的变化

图7为P1样、P4样的XRD图谱，表3给出了它们的物相含量，该表是利用rietveld quantification软件处理各衍射峰后得出的半定量分析结果。以莫来石－石英为主晶相的普通电瓷，经过多次烧成后，莫来石－石英的含量均有不同程度的降低，并可析出少量方石英，无定形相含量增加较明显。

图7 P1样、P4样的XRD对比图谱Fig.7 XRD patterns of sample P1 and sample P4

表3 硅质瓷物相半定量分析结果Table 3 Sem i-quantitative XRD analysis of phase com position of siliceous porcelain

无定形相成连续分布，晶体被无定形相包围，再次烧成时，生成的液相促进原子扩散，同时也使得莫来石－石英晶体按照熔解－沉淀机理来进行，液相浓度高处晶体被熔解，形成少量新相和新的无定形相。多次重烧后，无定形相有较大量增加，其强度较晶体低，这也是导致重烧后电瓷抗折强度降低的原因。

3 结论

以粘土－石英－长石三元体系的普通电瓷试条在工业条件下的多次烧成实验表明，随着烧成次数的增加，电瓷的主晶相莫来石－石英无明显的晶体异常长大现象，但呈相互交织状的二次莫来石会有一定程度的增长；在石英颗粒周围会出现较多的微裂纹，这些微裂纹贯穿玻璃相并聚集扩展；在多次烧成过程中莫来石－石英部分溶解，会增加无定形相的含量，并析出少量方石英相。正是这些现象的出现，造成了多次烧成电瓷样品的抗折强度逐渐降低，强度的分散性有所增大。

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Effect of M ultip le-Firing on M echanical Properties of Porcelain Insulator

XU Xiaoyan2， LIYuping3， ZHANG Peng， GUO Aifen， LIXiaolin
（College ofMaterial Science and Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China）

Porcelain Insulatorswith Inorganic Jointing or Inorganic restoration of glaze defects need to bemultiple－firing,but systematic study on the effect ofmultiple－firing on mechanical properties of porcelain insulator is lack.In this paper,barrel samples aremultiple－firing togetherwith the same batch porcelain Insulators.Through measuring the bending strength,standard deviation,microstructure features and phase composition of barrel samples,effect ofmultiple－firing on mechanical properties of porcelain insulator is discussed.The results indicate that along with the increasing multiple－firing number,the bending strength reduces a little and standard deviation expanded which ismore apparent among glazed samples.After multiple－firing,the phenomenon that crystal grew up unusually is not obvious,but there are increasing micro－cracks with extension around quartz particles;The main crystallization phasesmulti－quartz reduce in some degree along with a small amount of cristobalite separate out,while a large increase in the amount of amorphous phase.It is the reason that the bending strength of barrel porcelain samples decrease gradually while the standard deviation increased.

multiple－firing;mechanical properties;microstructure;phase composition;porcelain insulator

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.026

2016－04－21

徐小燕 （1989—），女，硕士，从事电瓷绝缘子及功能陶瓷研究。

湖南省自然科学基金委员会与株洲市政府自然科学联合基金 （编号：14JJ5004）。