真空开关管壳用９０氧化铝瓷的研究现状

1、真空开关管壳用9 0氧化铝瓷的研究现状摘要 本文简要介绍了真空开关管壳材料的发展现状，叙述了降低90 瓷烧结温度、改善其性能的措施，并对90瓷将逐步取代95瓷，成为真空 开关管壳的主要材料作了展望。关键词真空开关管壳，氧化铝瓷，烧成温度1引言真空开关管属于真空电了器件中的无源真空器件，是电力开关的核心 部件1。真空开关管的主要任务是控制线路中能量的输送，以及当线路 发生故障时保护电力系统。早期真空开关管壳一直使用玻璃材料2,但 由于玻璃的机械强度差、耐热冲击性能不好，以及介质损耗高等缺点，不 能适应电子器件的发展，因此逐步被陶瓷所取代。与玻璃相比，陶瓷真空 开关管具有介质损耗小、耐高温性能好、

2、机械强度高、可进行高精度尺寸 加工等优点。生产陶瓷真空开关管壳的主要原料为滑石瓷和氧化铝瓷3。陶瓷真 空开关管壳早期经常使用滑石作为原料，滑石的成分为 3mg0• 4si02• h20 ,在高温锻烧时生成原顽辉石 mg0•si02和游离态石英si02o原顽辉石为高温稳定态，在700°c以下易转换成同素异形体斜顽辉石。滑石瓷易发生晶型转变而变成多孔疏松 体，失去原来的气密性能。随着气密性好的氧化铝瓷的出现，滑石瓷已经 不再用作管壳材料，现在国内外市场的真空开关管壳主要采用氧化铝瓷。2氧化铝瓷的发展情况及改善其性能的措施2. 1

3、氧化铝瓷的发展情况氧化铝瓷以a -a1203为主要晶相，同时含有少量的其他氧化物。氧化 铝瓷通常根据配料或瓷体中氧化铝的含量来分类，习惯上把氧化铝含量在 90%wt左右的陶瓷称为“90瓷”，把含量95%wt和99%wt的称为“95瓷” 和“99瓷”。99瓷虽然各方面性能优异，但是其烧成温度过高，能耗过大, 若在烧成过程中控制不当还会引起晶粒异常长大，使材料性能恶化。为了 降低99瓷的烧成温度，人们尝试向氧化铝粉料中加入一定量的添加剂。 当添加剂的含量大约占5wt%左右时，氧化铝的含量大约占95wt%左右，这 就是我们所说的95瓷。经过多年研究，制备出來的95瓷具冇优异的电性 能、热性能、机械性

4、能，且烧成温度低于99瓷，被人们广泛使用，现在 国内市场真空开关管壳主要采用95瓷作为材料。但是近年来，国内外能 源形势日益严峻，95瓷烧成温度较高、耗能较人，这些缺点导致能源消耗 严重，生产成本过高。为了降低烧成温度，同时提高制品性能，人们尝试 继续向氧化铝粉料中加入一定量的添加剂，当添加剂的含量大约占10wt% 左右时（即氧化铝的含量大约占90wt%左右），这就是我们所说的90瓷。 由于加入了更多的添加剂，所以90瓷烧结温度较低。添加剂主要分为两 类,一类在基体中生成液相；另一类与a1203生成固溶体4。在烧结过 程中，通过液相或固溶体加强扩散，在较低的温度下，就能使氧化铝实现 致密化烧结

5、。生成液相的添加剂有si()2、mgo. ca()> sr()、ba()等碱土金属氧化物。 这是由于它们能与a1203生成二元、三元或多元的低共熔物。由于出现液 相，对固相的表面有表面张力作用，使固相颗粒靠紧并填充气孔，从而促 进瓷体的烧结，降低粉料的烧结温度，并且利于获得晶粒细小、结构均匀、 致密的制品。akira nakajima 和 gray l. messin5以 0. 2 » m 的 a1203 (纯 度99.99%)为主原料，选择mgo-a12()3 -si02系添加剂,在1460°c下烧 结100 min,得到烧结体的相对密度是理论密度的97%,而0.

6、2 u m的a1203 在同样的时间内要达到同样的致密度则需1500°c以上的高温。薄占满6 等选用高纯超细的a1203为原料，选择cao-mgo-si02系为添加剂，在 14001430°c的低温下烧结，得到晶粒大小约为0.6um的细晶氧化铝瓷。生成固溶体型的添加剂有ti02、"203、fe203、nb205等，其晶格常 数与a1203相似，能够与a1203形成不同类型的固溶体，同时它又是变价 氧化物，由于变价作用使a1203晶格产生缺陷、活化晶格，促进烧结，降 低烧成温度。刘于昌等7的研究得出，掺杂1. 0% nb205的氧化铝样品在 1500°c下

7、就能获得最大的致密度。2.2改善90氧化铝瓷的措施为了降低90瓷的烧结温度，改善其性能，还可以采用下面两种措施。2.2. 1原料的预处理对原料进行适当的预处理可以降低粉料的烧结温度，改善制品的性 能。预处理最重要的是降低粉末原料的粒径，因为烧结是通过表面张力来 使物质迁移得以实现。高温氧化物较难烧结，原因是它们有较大的晶格能 和较稳定的结构状态，质点迁移需要较高的活化能，即活性较低。采用颗 粒小、比表面积大、表面活性高的单分散超细a1203粉料，由于颗粒间扩 散距离短，只需耍较低的烧结温度和烧结活化能。通过换算可知，如果颗 粒尺寸能降低到20册以下，则烧结温度能降低到1000°c以下

8、8。另外， 颗粒粒度的分布范围要尽可能地窄，如果原料颗粒粒度的分布宽，会导致 在烧结过程中个别晶粒异常长大，对制品各方血性能都会有影响。到目前为止，超细a1203粉体的制备方法众多，大致可以分为固相法、 气相法、液相法三大类9。固相法主耍有传统的烧结法，即采用几种单 一成分的原料，经过配料、混合和炸殳烧后得到组成一定的多组分化合物， 固相法虽然操作简单，但是能耗大，生成颗粒的粒径难以控制，且粉末的 收集非常困难。气相法包括完全没有化学反应的蒸发凝聚法和通过气相反 应生成微粒子的方法，气相法虽然可以制备无团聚、粒径分布窄的粉体， 但是设备投资大、操作复杂，且同样存在收集困难的缺点。液相法种类众

9、多，有熔融法、沉淀法、排除溶剂法和溶胶-凝胶法。液相法操作简单， 能得到性能优越的粉末，其中溶胶-凝胶法是一种借助于胶体分散系的制 粉方法，它可以获得均匀分散的多组分氧化物，细度可达数十个nm,是一 种较为理想的粉料制备方法。2.2.2改善成形方式将传统的热压铸成形法改为先进的等静压成形法，有助于降低粉料的 烧结温度，改善制品性能。热压铸成形法是国内真空开关管壳生产中使用 最早但现在仍普遍使用的一种成形方法。它主要是利用石蜡料浆加热融化 后具有流动性和可塑性，冷却后能在金属模中凝固成一定形状这一特点来 完成的。具体操作是将加热后的石蜡混合粉料用空气压力将料浆注入模 中，冷却定型。虽然热压铸成形

10、法具有工效高、产量大、设备投资小、操 作简单等优点，但是由于成形压力小、受力不均，烧成后制品的均匀性、 电性能都较差，而且由于热压铸成形在配料中添加了有机物，因此还需进 行排蜡工序，在排蜡过程中容易有空气介入，会影响制品性能。另外，热 压铸成形法的工序比较复杂、粉尘多、污染大、工期长。因此在国外很少 用热压铸方法来制作真空开关管壳。冃前国外厂家生产真空开关管壳通常都使用等静压成形法。该方法 主要是利用液体介质不可压缩性和均匀传递性的特点来完成的。由于液体 介质受压后各个方向的压力均处处相等，各向压力传递到粉体中，保证坯 体在等静压成形过程屮受压均匀，各向性能一致性好，而且等静压成形可 以达到1

11、50200mpa的较大压力,使等静压成形的生坯经烧结后致密度高、 机械性能好；而且等静压成形工艺不用粘结剂，无需进行排蜡操作，从而 大大降低了牛产成本，提高了制甜各方面的性能。等静压成形与热压铸成 形工艺相比，不仅生坯密度高，还可适当降低烧成温度。可见，等静压成 形是国内厂家生产真空开关管壳的发展方向。3氧化铝真空开关管壳的性能下表中列举了国内外部分厂家生产的95瓷和90瓷真空开关管壳的有 关参数，由该表可以看出，90瓷真空开关管壳的抗折强度、直流击穿强度、 介电常数、介质损耗、体积电阻率等均达到国家标准gb/t5593-1999,完 全符合使用要求。同时，90瓷烧成温度比95瓷低50

12、6;c左右，可降低能耗 和生产成本。在当今能源日趋紧张的形势下，国外大多采用90瓷作为真 空开关管壳的主耍材料，如日本京都陶瓷公司、德国西门子公司、韩国kcc 公司等，可见90瓷真空开关管壳已成为大势所趋。4结论冃前90瓷真空开关管壳的机电性能符合使用耍求，且烧成温度比95 瓷低。由此可见，90瓷将逐步取代95瓷，成为真空开关管壳的主要材料。参考文献1李庆和.我国真空开关管的现状与发展趋势j真空电子技术， 2004, 4： 122单达文，饶平根等.陶瓷真空开关管的研究现状及应用j中国 陶瓷，2008, 12： 12163尹衍升，张景德著.氧化铝陶瓷及其复合材料m化学工业出版 社，20014吴振东，叶建东.添加剂对氧化铝陶瓷的烧结和显微结构的影响j兵器材料科学与工程,2002, 1： 68725 akira nakajima and gray lmessin. liquid-phase sintering of alumina coated with magnesiumalum in osilicate glass j j. am. ceram soc,1996, 79(12) : 199-