一种绝缘子陶瓷坯体的制备方法与流程

本发明属于电气绝缘子材料，具体涉及一种绝缘子陶瓷坯体的制备方法。

背景技术：

1、陶瓷绝缘子在电力系统中应用广泛，变电站、换流站构架、输电线路铁塔上均有大量安装使用。绝缘子既要有良好的电气性能，又要有足够的机械强度，其瓷体质量占据重要地位。

2、然而，现有陶瓷绝缘子在长期运行中存在一些突出问题。如瓷绝缘子瓷件在运行过程中持续受到强电场、机械应力、冷热交替、潮气侵入等复杂工况的冲击，容易导致瓷绝缘子头部绝缘电阻降低，形成零值绝缘子。零值绝缘子的存在会显著增加污闪概率和过电压下的闪络概率，严重威胁电网安全。而一旦绝缘子串遭受雷击或其他原因造成闪络，大部分能量从低零值绝缘子头部瓷件内部放电通道泄放，产生的热量导致绝缘子炸裂脱开并引发断串事故。其次，绝缘子处于户外安装，表面容易附着灰尘等杂质，下雨天时容易发生污闪，而污秽物在潮湿条件下容易形成导电膜，使绝缘子的绝缘水平大大降低，且污秽潮湿条件下的泄漏电流和雷电电弧会引起绝缘子老化。当绝缘子串中存在零值绝缘子时，工频闪络或雷击会产生大电流流过缺陷绝缘子内部，强大的热效应往往造成悬式绝缘子钢帽炸裂或脱开，出现掉串事故。此外，现有加工工艺常采用传统高温烧结、烘干工艺，且采用钾长石等天然矿物质来作为助溶剂，不仅能耗、成功更高，还造成对环境的破坏。

3、因此，开发一种抗零值、高耐污且绿色低碳的绝缘子陶瓷坯体的制备工艺具有现实意义。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明提供一种绝缘子陶瓷坯体的制备方法，该制备方法能提升绝缘子的抗零值、耐污闪等核心性能，且能耗和碳排放低，是一种绿色低碳生产工艺。

2、本发明的目的是提供一种绝缘子陶瓷坯体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

3、步骤一：按重量份数配置陶瓷配体原料，包括基础料、功能料a和功能料b，其中基础料包括石英粉30-50份、铝矾石18-24份、高岭土15-20份、滑石2-4份、钛白粉1-2份、废瓷回收粉5-10份，功能料a包括碳化硅微粉5-8份，功能料b包括牛骨灰4-9份、稻壳灰1.5-3份；石英粉的主要成分是二氧化硅，铝矾石的主要成分是氧化铝，本发明以二氧化硅为陶瓷的主要骨架成分，与氧化铝反应生成莫来石晶体，增强陶瓷体的强度和硬度；滑石主要成分是氧化镁，引入后可促进致密化，提高抗热震性；加入的钛白粉主要成分为二氧化钛，能进一步增强光催化作用，降低烧结温度，同时利用其具有一定光催化自洁能力的特性提高耐污性；同时使用部分废瓷回收粉，不仅可部分替代石英粉和氧化铝原料，还可利用已含的莫来石晶体结构作为晶种降低烧结活化能，促进在结晶和致密化，并实现生产废料循环利用；通过配合部分在常温下具有半绝缘型导电特性的碳化硅微粉，可持续微焦耳热效应使瓷体表面温度高于露点温度，潮气无法在瓷体表面凝结，从物理层面杜绝零值产生的潮湿环境，即使在雾天、雨天等潮湿环境下，瓷体表面也能保持干燥状态，防止导电水膜的形成；牛骨灰氧化钙含量高，能与陶瓷体中的二氧化硅、氧化铝形成低共溶化合物，降低二氧化硅的软化温度，稻壳灰中的二氧化硅为非晶态纳米状态，具有极高的比表面积和反应活性，能加速固相反应的进行，通过以牛骨灰和稻壳灰作为生物质复合助溶剂，在烧结过程中形成cao-sio2低共熔体系，共熔温度约1100℃，比传统钾长石助熔体系降低约100℃，不仅可以降低烧结温度，还可废弃物资源化利用，减少矿物的使用。

4、步骤二：将功能料b预处理后与基础料混合球磨、除铁、喷雾造粒得到基础颗粒；功能料a高能球磨活化处理后，加入淀粉造粒，得到功能料颗粒；

5、步骤三：在等静压成型模具中，按表层、过渡层、芯部三层进行梯度填充，其中表层占坯体壁厚的15-20%，过渡层占坯体壁厚的30-40%、芯部为剩余厚度；根据材料不同部位的功能需求不同，采用梯度填充，使得绝缘子表层具有自发热和光催化功能，芯部保持高绝缘性，过渡层的设计可避免表层与芯部之间银组分突变过大产生热膨胀不匹配和应力集中。

6、步骤四：将梯度填充后的模具密封，置于冷等静压机中，以80-120mpa的压力、保压2-4分钟进行预成型；

7、步骤五：将预成型坯体从模具中取出，装入温等静压专用封装袋中，抽真空密封后置于温等静压机中，以60-80℃的温度、100-130mpa的压力、保压5-10分钟进行二次压制；本发明采用两次温等静压工艺进行压制，可促进颗粒重排，提高坯体密度均匀性，二次压制还可闭合冷等静压后坯体中存在的微小裂纹，有效杜绝绝缘子的零值问题。

8、步骤六：对温等静压后的坯体进行修坯处理，去除毛边和瑕疵，其中修坯产生的废料收集后返回步骤一作为废瓷回收粉原料，然后将坯体送入利用窑炉余热加热的干燥窑中，干燥温度50-70℃，时间18-30h；

9、步骤七：分段烧结，包括低温排胶段、中温素烧段、高温釉烧段和原位氟化处理；先在低温下烧结缓慢排除粘结剂和烧失量组分，可避免快速排胶产生裂纹，并形成原位均匀微孔；然后采用中温素烧，烧失量组分在此阶段完全烧失，并促进坯体早期致密化，同时，sic表面形成微氧化层；最后采用高温煅烧使陶瓷体致密化及高强度化；同时通过通入微量氟化氢在釉层表面形成si-f键，形成永久疏水层，进一步增强坯体自洁性。

10、步骤八：冷却至室温，即得。

11、优选地，上述技术方案步骤一中，所述碳化硅微粉的d50为1-3μm。

12、优选地，上述技术方案步骤一中，所述功能料b中牛骨灰与稻壳灰的质量比为2-4:1，其中牛骨灰中cao的含量为70-75%，所述稻壳灰中非晶态sio2的含量为85-95%。本技术方案将屠宰场废弃牛骨和农业废弃稻壳转化为高价值的生物质复合助熔剂，将牛骨灰中的cao与稻壳灰中的非晶态sio2复合后兼具助熔和补硅双重功能，不仅降低了原料成本，还可解决农业/畜牧业废弃物处置的环境问题，实现变废为宝。

13、优选地，上述技术方案步骤二中，所述功能料b的预处理步骤为：将废弃牛骨经清洗、脱脂、700-800℃煅烧后研磨得到牛骨灰；将农业废弃稻壳经500-700℃煅烧得到稻壳灰；将牛骨灰与稻壳灰按质量比2-4:1混合，球磨2-4h，粒度达到d50≤10μm，即得。

14、优选地，上述技术方案步骤二中，所述基础颗粒的制备工艺为：将石英粉、铝矾石、高岭土、滑石、钛白粉、功能料b按配方量混合，装入球磨机中，加入原料总质量40-50%的去离子水，以氧化铝球为研磨介质，球磨时间为18-24h，使原料细度达到万孔筛余量不超过0.3%，然后将陶瓷浆料通过磁选机进行除铁处理，使浆料中的fe2o3含量控制在0.8%以下，过200目筛后，将浆料送入喷雾干燥塔进行喷雾造粒，利用窑炉余热作为热源，进口温度200-250℃，出口温度90-110℃，得到基础颗粒；所述基础颗粒的粒径为80-150μm，含水量为2-4%。

15、优选地，上述技术方案步骤二中，所述功能料a的活化工艺为：先将碳化硅微粉按配方量称取，加入占粉料总重量0.5-1.5%的聚羧酸类分散剂，装入高能球磨机中进行活化处理，球磨转速为300-400rpm，活化4-6小时，然后将活化功能粉料与占粉料总重量5-8%的淀粉混合，送入造粒机中进行造粒，过筛得到功能料颗粒；所述功能料颗粒的粒径为100-200μm，含水量为1-3%。

16、优选地，上述技术方案步骤三中，所述表层中基础颗粒与功能料颗粒的体积比为0.8-1.2:1，所述过渡层中基础颗粒与功能料颗粒的体积比为2.5-3.5:1，所述芯部为全基础颗粒。通过梯度分层填充使得陶瓷坯体表层富含碳化硅的功能组分，实现表面自发热去湿功能；过渡层功能料颗粒配比降低可避免表层与芯部之间银组分突变产生热膨胀不匹配和应力集中；芯部只含基础颗粒组分，可保持高绝缘性，避免功能组分对整体绝缘性的影响。

17、优选地，上述技术方案步骤七中，低温排胶段的工艺为：在弱氧化气氛条件下，以1.5-2.5℃/min的速率从室温升高至400-500℃，保温0.5-1h；所述弱氧化气氛中氧含量为5-10%。

18、优选地，上述技术方案步骤七中，中温素烧段的工艺为：还原气氛下，以3-5℃/min的速率升高至850-1020℃，保温2-3h；所述还原气氛中co含量为2-5%。

19、优选地，上述技术方案步骤七中，高温釉烧段的工艺为：弱还原至中性气氛下，以2-4℃/min的速率升高至1180-1240℃，保温2-3h；在保温的最后0.5-1h，向炉内通入气氛总体积0.1-0.5%的氟化氢气体。

20、相对于现有技术的有益效果：

21、1、本发明通过从原料配比上优化，将陶瓷体中氧化铝含量控制在较低水平，可保证机械强度的前提下有效降低产品的重量；利用碳化硅自发热效应使陶瓷体表面温度高于环境温度，达到驱潮的目的，同时通过控制其用量，确保驱潮的同时有效避免漏导电流过大影响绝缘性能。

22、2、本发明将各原料分成两部分，经独立造粒后，再通过梯度分层填充以及双重等静压作用，使得陶瓷坯体表层富含碳化硅功能组分，实现表面自发热驱潮功能、芯部富含基础颗粒组分，保持高绝缘性，避免功能组分对整体绝缘性的影响；采用双重温等静压工艺，促进颗粒重排，提高坯体密度均匀性，可消除微裂纹、阻断潮气侵入，避免零值问题。

23、3、本发明采用分段可控气氛烧结工艺，低温缓慢排胶并确保有机物完全燃烧形成微孔；中温可促使表面碳化硅微氧化，形成二氧化硅氧化膜，既可保证微焦耳热效应，还可避免电流过大，同时牛骨灰的cao与稻壳灰的非晶态sio2形成cao-sio2低共熔体系，可促进坯体早期致密化；高温进一步促使陶瓷体致密化，并提高陶瓷体强度。

24、4、本发明以牛骨灰和稻壳灰为生物质复合助熔剂替代传统钾长石，以废瓷回收粉作为晶种，同时配合稻壳灰中纳米级非晶态sio2，利用cao-sio2低共熔体系、废瓷回收粉中的部分玻璃相以及稻壳灰中的纳米级非晶态sio2的高比表面积和高反应活性，三者协同作用，可将釉烧温度从传统工艺的1250-1310℃降低至1180-1240℃，降低80-130℃，达到节能减排的目的；同时实现了农业废弃物牛骨灰和稻壳灰的资源化利用。

25、5、本发明充分将窑炉系统产生的余热进行分级利用，降低额外耗能，绿色低碳环保，且有利于降低成本。