Зависимость между микроструктурой материала и качеством высоковольтных изоляторов

13 апреля 2002

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 s_b 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.

Физико-механические параметры монокристаллов кварца, муллита и корунда (приближенные значения):

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.

Плотность и параметры теплового расширения возможных компонентов
микроструктуры фарфора:

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%.

Практические примеры анализа микроструктур электрофарфора

Ниже рассмотрены результаты анализа микроструктур различных видов фарфора, применяемого для изготовления изоляторов. Представленные микрофотографии наглядно отражают различия структур. Образец А приготовлен из японского электрофарфора марки С110/112 выпуска 1997 г. Образец В — электрофарфор компании Siemens марок С120 и С130, изготовленный в 2001 г. Образец С — высокопрочный бокситовый фарфор С130, разработанный компанией Siemens в 2001 г.

Предварительно была проведена керамографическая подготовка образцов указанным способом (алмазное шлифование и т. д.), после чего исследовались поры, микротрещины и кристаллические фазы микроструктуры:

для исследования пор были сделаны микроснимки полированной поверхности шлифов в светлом поле светового микроскопа с увеличением 100:1 и на электронном микроскопе РЭМ с увеличением 200:1;
для изучения микротрещин использованы снимки на микроскопе РЭМ с увеличением от 2000:1 до 5000:1;
кристаллические фазы микроструктуры выявлялись с помощью микроснимков (РЭМ), выполненных с увеличением от 1000:1 до 5000:1. Для этого образцы были подвергнуты химическому травлению.

На рис. 3 – 9 приведены реальные микроструктуры различных образцов, из которых видны наиболее значительные различия между ними.

Рис. 3. Микроструктуры образцов (полированный шлиф), снятые на световом (СМ) и растровом электронном (РЭМ) микроскопах с увеличением 100:1 и 200:1
а — образец А, японский изолятор NKG (1997 г.);
б — образец В, глиноземистый фарфор марки 1605 компании Siemens;
c — образец С, высокопрочный бокситовый фарфор компании Siemens (2001 г.)

Анализ рассмотренных микроструктур позволил сделать следующие выводы об исследованных параметрах:

поры — образцы А и В имеют приблизительно одинаковую степень пористости, на образце С пор меньше. Их размеры от 2 до 30 мкм (см. рис. 3, а, б, в);

Рис. 4. Микроструктура образца В,
снятая на микроскопе РЭМ с увеличением 3000:1 и 5000:1

Рис. 5. Микроструктура образца В (полированный шлиф), снятая на микроскопе РЭМ с увеличением 5000:1

Рис. 6. Микроструктура образца С (полированный шлиф), снятая на микроскопе РЭМ:
а — увеличение 1000:1; б — увеличение 3000:1 и 5000:1

корунд — в микроструктуре образца А наименьшее содержание пластинок корунда размером 2 – 10 мкм (см. рис. 7, а, б); в образце В пластинок корунда такого же размера больше (см. рис. 8, а, б); наибольшее содержание кристаллитов корунда размером 5 – 20 мкм в образце С (см. рис. 9, а, б);

Рис. 7. Микроструктура образца А (химически травленный шлиф), снятая на микроскопе РЭМ: а — увеличение 1000:1 и 2000:1; б — увеличение 3000:1 и 5000:1

кварц и кристобалит — образец а содержит достаточно много частиц кварца и кристобалита размером 5 – 20 мкм, в связи с чем микроструктура характеризуется изобилием микротрещин (см. рис. 4, а, б; рис. 7, а, б); в образце В встречаются лишь отдельные частицы кварца размером 5 – 20 мкм. Здесь нет сетки микротрещин, лишь у зерен кварца заметны следы их зарождения (см. рис. 5, рис. 8, а); в образце частицы кварца отсутствуют, не обнаружены также и микротрещины (см. рис. 6, а, б);

Рис. 8. Микроструктура образца В (химически травленный шлиф), снятая на микроскопе РЭМ: а — увеличение 1000:1; б — увеличение 2000:1 и 3000:1

аморфная фаза — на образцах А и В почти одинаковое содержание аморфной фазы с вкраплениями кристаллитов муллита (см. рис. 7, а, б; рис. 8, а, б); в образце С аморфной фазы с кристаллитами муллита меньше, чем в других образцах, в связи с высоким содержанием корунда (см. рис. 9, а, б).

Рис. 9. Микроструктура образца С (химически травленный шлиф), снятая на микроскопе РЭМ: а — увеличение 1000:1 и 2000:1; б — увеличение 3000:1 и 5000:1

Количественное содержание кристаллических фаз как оптимальная характеристика микроструктуры и качества высоковольтных изоляторов

Количественная оценка выполняется с помощью анализа Ритфельда (программа Autoquan, Seifert FPM) с использованием структурных данных о корунде, a-кварце, a-b-кристобалите и муллите. Для определения содержания аморфной фазы следует учитывать предусматриваемое внутренним стандартом добавление 9,1% кремния. Результат количественной оценки содержания кристаллических фаз в образцах А, В и С представлен на рис. 10, из которого видны значительные качественные различия между рассматриваемыми видами электрофарфора. Этот рисунок дополняет результаты качественного анализа микроструктур и подтверждает их количественно.

Рис. 10. Процентное содержание кристаллических фаз (k) в образцах А, В и С

Какое же влияние оказывают различные свойства микроструктуры на физические параметры образцов А, В и С?

Прямая зависимость между микроструктурой и физическими свойствами изоляционного фарфора — правила и ориентировочные показатели для изготовителей и потребителей

На образцах А, В и С дополнительно к качественному и количественному анализу определены важнейшие параметры материалов: прочность, модуль упругости, плотность, содержание Al₂O₃ и SiO₂, относительная звуковая частота и скорость прохождения ультразвука.

Рис. 11. Сравнение прочности s исследовавшихся образцов фарфора

Рис. 12. Сравнение содержания SiO₂ и Al₂O₃ и скорости распространения ультразвукового сигнала (v_US) в образцах фарфора

Обобщающие данные приведены на рис. 11, 12 и 13, из которых явственно видна прямая связь между физическими свойствами исследовавшихся образцов и характеристиками микроструктуры. Количественные различия в кристаллических фазах, отражаемые в рис. 10, коррелируются со всеми параметрами, приведенными на рис. 11 – 13.

Рис. 13. Сравнение некоторых физических параметров исследовавшихся образцов фарфора: D — плотность; f_k — относительная звуковая частота; Е — модуль упругости

Изготовители изоляторов и потребители этой продукции могут пользоваться этими данными для определения ориентировочных параметров материалов, а также для выбора простейших методов испытаний, позволяющих надежно оценить качество электрофарфора различных видов. К специальным современным методам оценки качества фарфора относятся ультразвуковые испытания, основанные на определении скорости прохождения ультразвукового сигнала, и методика определения относительной звуковой частоты (звуковой анализ материалов). Связь физических параметров с относительной звуковой частотой при использовании образцов одинаковой формы иллюстрируется выражением:

2) где f_k — относительная звуковая частота; E — модуль упругости; r — плотность.

Из диаграмм рис. 10 – 13 видны основные различия между веществами. С ростом прочности увеличиваются модуль упругости, плотность, скорость прохождения ультразвукового сигнала и относительная звуковая частота.

Таким образом, эти параметры являются непосредственной информацией о физических свойствах вещества и характере микроструктуры, т. е. о прочности и состоянии микроструктуры. В противоположность этому один химический анализ не дает представления о состоянии микроструктуры.

Рис. 14. Кривые дифрактометрического анализа трех видов фарфора, отображающие содержание кристаллических фаз кварца, муллита и корунда

Значительно более информативным является дифрактометрический анализ оцениваемых материалов, результаты которого в виде кривых представлены на рис. 14. Здесь особое внимание следует обратить на содержание кристаллического остаточного кварца: фарфор с наименьшим содержанием кварца наиболее пригоден для изготовления высоковольтных изоляторов, испытывающих в длительной эксплуатации высокие механические нагрузки и частые смены температуры.

Выводы

Обобщая приведенные данные, можно сделать следующие выводы:

надежность высоковольтных изоляторов, находящихся в длительной эксплуатации под большими механическими нагрузками и в условиях частых колебаний температуры, определяется микроструктурой фарфора;
в мире многие изготовители изоляторов используют фарфор различного качества. Надежная и простая классификация фарфора по качеству возможна с помощью представленных параметров и методов. Эти параметры и методы пригодны также для переработки и актуализации действующих норм и стандартов на материалы;
существующие системы могут использоваться в повседневной практике для выполнения анализов с целью обеспечения качества;
новый количественный фазовый анализ Ритфельда в ближайшие годы будет внедрен как стандартный метод;
с помощью количественного и качественного анализа микроструктуры и оценки взаимосвязи ее свойств с физическими параметрами возможна надежная оценка качества материала высоковольтных изоляторов, рассчитанных на высокие механические нагрузки. Рассмотренные правила, параметры и методики являются важным информационным материалом для изготовителей и потребителей продукции из электрофарфора;
оценка реальной микроструктуры требует большого опыта и компетенции в области керамографической подготовки образцов. Большая роль здесь принадлежит институтам Фраунгофера — IKTS в Дрездене и IWM в Фрайбурге, а также институту силикатной техники технического университета — Горной академии во Фрайбурге.

J. Liebermann. Keramische Zeitschrift, 2002, 54, S. 858 – 861, 944 – 951.

Позвоните нам!