Кварцевые материалы. Кристаллический кремнезем SiO2 является одним из основных компонентов фарфоровой массы, который вводят в состав шихты в виде кварцевого песка или жильного кварца. Размер гранул кварцевых песков составляет 0,05—3 мм. Кристаллический кремнезем существует в нескольких полиморфных формах; три основные — кварц, тридимит и кристобалит. В свою очередь кварц и кристобалит имеют α- и β-модификации, тридимит — α-, β- и γ-модификации. Стабильными формами являются β-кварц (при температуре ниже 573 °С), α-тридимит (870—1470 °С) и α-кристобалит (1470—1710°С). Переход из одной модификации кремнезема в другую сопровождается изменением объема, плотности и других параметров. При производстве электрокерамики используются пески и жильный кварц, химический состав которых приведен в табл. 5 (см. приложения).
В зависимости от месторождения кварцевые пески имеют примеси (Fe2O3, TiO2, A12O3, CaO, MgO и др.), наиболее нежелательные из которых Fe2O3 и ТiO2 (допустимое содержание не более 0,15 %), СаО и MgO (не более 0,2 %).
Полевые шпаты представляют собой безводные алюмосиликаты, содержащие щелочные (Na+, К+) и щелочно-земельные (Са2+) катионы. Основные виды применяемых в керамическом производстве полевых шпатов: калиевый (микроклин) с приблизительной формулой К2О•А12O3•6SiO2, натриевый (альбит) Na2O•Al2O3•6SiO2, кальциевый (анортит) СаО•А12О3•2SiO2 и бариевый (цельзиан) ВаО•А12О3•2SiO2. Полевые шпаты всегда содержат примеси оксидов железа, магния, кальция и др./18/
Лучшим для изоляционной керамики полевым шпатом является микроклин. Из-за повышенного содержания Na2O в полевом шпате снижаются температура обжига, вязкость стеклофазы керамики и существенно ухудшаются его электрофизические свойства. Чем больше соотношение К2О и Na2O в полевом шпате, тем лучше свойства керамики.
В связи с ограниченностью запасов высококачественного полевого шпата для производства высоковольтных изоляторов используют пегматиты.
Пегматиты представляют собой крупнозернистые кристаллические породы — смесь полевого шпата с кварцем. Химический состав пегматитов и полевых шпатов приведен в табл. 6 (см. приложения).
Глинозем — безводный оксид алюминия Al2О3 — представляет собой порошок со средними размерами сферических гранул 50— 200 мкм. Глинозем широко применяется как основной компонент электрофарфора и ультрафарфора (на основе корунда) и в качестве самостоятельного материала для изготовления высоковольтных, высокочастотных изоляторов, конденсаторов, деталей вакуум-плотных узлов (корпусов предохранителей, колб натриевых ламп, корпусов полупроводниковых вентилей, обтекателей антенн, плат для интегральных схем и др.).
Безводный оксид алюминия существует в нескольких кристаллических модификациях, из которых самой устойчивой является α-А12О3 (корунд). Эта модификация характеризуется малым tgδ≈2•10-4, высоким ρ≈1014 Ом•м, высокой теплопроводностью и стойкостью к термоударам, наибольшей плотностью (3999 кг/м3).
Две другие модификации: γ-А12О3 и β-А12О3, последняя из которых представляет собой соединение глинозема со щелочными и щелочноземельными оксидами, имеют меньшую плотность (соответственно 3600 и 3300—3400 кг/м3) и более высокие значения tgδ (≈50•10-4 и 1000•10-4). Технический глинозем представляет собой в основном γ-А12О3 с частичным содержанием гидратов глинозема.
При нагреве γ-Аl2О3 переходит в α-А12О3 с уменьшением объема на 14,3 процента. Для уменьшения усадки керамики при обжиге технический глинозем предварительно обжигают при температуре 1450—1550 °С.
Спектрально чистый корунд плавится при 2050 °С, а изделия из него при небольшой механической нагрузке могут быть использованы даже при температуре до 1800°С.
Для производства электроизоляционной керамики применяются технический глинозем (шесть сортов), электроплавленный корунд и глинозем особой чистоты в зависимости от назначения керамики.
Кальцит — карбонат кальция СаСО3, представляющий собой плотный кристаллический агрегат, называется мрамором, а при тонкодисперсной структуре — мелом. При нагреве СаСО3 разлагается с выделением СО2 согласно реакции СаСО3 → СаО + СО2↑. Скорость разложения зависит от скорости подъема температуры и от давления воздуха. При нормальных условиях температура разложения составляет порядка 900 °С.
Для производства электроизоляционной керамики в основном используют мел Белгородского месторождения с содержанием СаСО3 не менее 98 %.
В керамике карбонат кальция используется как основной компонент кристаллических фаз титанатов, станнатов и цирконатов кальция, анортита, волластонита, а также входит в состав стеклофазы различных электрокерамик и глазурей.
Ашарит — борат магния 2MgO•B2O3•H2O является стеклообразующим оксидом. Его твердость по Моосу — 4. Он добавляется в керамические массы в количестве 2—3 %. Ашарит в состав ашаритового фарфора вводится в виде предварительно приготовленного спека из глинозема, ашарита и полевого шпата в количестве до 60 % массы, для улучшения электроизоляционных свойств фарфора.
Циркон ZrO2•SiO2 (цирконовая руда) имеет твердость 7—8; плотность его около 4700 кг/м3. Руду обогащают, в результате полученный циркон содержит ZrO2 не менее 60 % и Fe2O3 не более 0,15 %. Циркон используется в качестве основного компонента в стойкой к термоударам керамике и в виде части кристаллической фазы цирконового фарфора. В последнем случае циркон вводится в состав фарфора вместо кварца, кристаллическая фаза керамики в таком случае представлена цирконом и муллитом. Химический состав сырья, содержащего цирконий, приведен в табл. 7 (см. приложения)./13/
Сырьевые материалы для производства других видов керамики. Тальк разных месторождений имеет состав, близкий к 3MgO•4SiO2•H2O или 4MgO•5SiO2•H2O, с незначительным количеством других оксидов. Лучшие разновидности талька отличаются малым содержанием СаО (от 0,2 до 1 %) и Fe2O3 (от 0,3 до 0,8 %). Тальк должен иметь однородный состав без прослоек, а потери массы при прокаливании не должны превышать 5—7 %.
Химический состав тальков, используемых для производства стеатитов, приведен в табл. 8 (см. приложения).
Диоксид титана — мелкодисперсный порошок белого цвета с желтоватым оттенком. Для природного и полученного химическим путем диоксида титана характерен полиморфизм.
Технические данные диоксида титана приведены в табл. 9, химический состав — в табл. 10 (см. приложения)./17/
3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
В общем случае технологический процесс производства электрокерамических изделий можно представить схемой рис. 1 (см. приложения). Для каждого конкретного случая процесс будет несколько видоизменяться, однако можно отметить общие для большинства случаев основные этапы производства: приготовление формовочной массы; оформление заготовок изделий; сушка, глазурование и обжиг изделий. В некоторых случаях обожженные изделия могут подвергаться дополнительной механической обработке./5/
Приготовление формовочной массы. Керамическая формовочная масса характеризуется размерами и распределением частиц; от этого зависят плотность упаковки, влагосодержание и прочность заготовки до обжига, технологические свойства материала, а также характеристики обожженных керамических изделий.
Измельчение компонентов является одним из основных процессов при приготовлении формовочных масс. Как правило, твердые минеральные компоненты массы сначала подвергают грубому измельчению в щековых дробилках и на бегунах, затем просеивают на виброситах для получения заданной фракции, далее производят мокрый или сухой тонкий помол на ротационных шаровых мельницах периодического или непрерывного действия. Сверхтонкий помол производят в струйных мельницах с использованием сжатого воздуха.
Степень измельчения отдельных компонентов массы зависит от требований, предъявляемых к материалу, размеров изделий и применяемых способов оформления, сушки и обжига. При измельчении обычно происходит смешение компонентов массы. Степень измельчения проверяют ситовым и микроскопическим анализами, а в лабораторных условиях — седиментационным. Для удаления частиц железа измельченную массу пропускают через магнитный сепаратор.
Обезвоживание водного шликера после мокрого помола производится на фильтр-прессе под давлением 0,8—3 МПа. Масса, остающаяся между пластинами фильтра в виде коржей, в зависимости от назначения проходит различную обработку. При изготовлении масс для пластичной формовки коржи поступают для переминки в вакуум-прессы, с помощью которых обеспечивается хорошее извлечение воздуха, окончательная переминка массы и выдавливание ее через мундштук, придающий заготовкам определенный профиль. Заготовки используются для формовки изделий пластичными методами.
Для приготовления водного литейного шликера коржи распускаются в шликерных мешалках в воде с добавкой электролита и доводятся до нужной влажности. После вакуумирования шликер подается на литье. Безглинистые массы или массы с небольшим содержанием глинистых веществ (например, конденсаторные массы с содержанием около 3 % бентонита) не подвергают обезвоживанию на фильтр-прессе, а используют как литейный шликер после вакуумировки.