國內(nèi)云母陶瓷絕緣子發(fā)展現(xiàn)狀及前景

1、國內(nèi)云母陶瓷絕緣子發(fā)展現(xiàn)狀及前景趙斌，夏志迎，王勝軍北京中材人工晶體研究院有限公司,北京100018摘要：云母陶瓷絕緣子是由云母陶瓷和金屬連接件組成的一種高性能絕緣組件，兼具陶瓷絕緣子和合成絕緣子的優(yōu)勢，具有耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足軌道交通車輛關(guān)鍵部位對絕緣子各項(xiàng)性能的要求。目前，已廣泛應(yīng)用于各類軌道交通車輛的電機(jī)、制動(dòng)電阻、變流器、電氣柜及電力機(jī)車的其他電氣部件。文章主要介紹了云母陶瓷絕緣子的技術(shù)性能、國內(nèi)生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀，并對實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的問題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：云母陶瓷；絕緣子；軌道交通；生產(chǎn)工藝1引言由于軌道交通車輛運(yùn)行環(huán)境的特殊性，其關(guān)鍵部位接線用的

2、絕緣子要具有優(yōu)異的電氣和機(jī)械性能，較高的使用溫度以及良好的耐候性等特點(diǎn)。云母陶瓷材料制成的絕緣子不僅在性能上能夠滿足以上要求，還具有體積小、可靠性好、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，已在國內(nèi)外軌道交通車輛多個(gè)部位的接線安裝中廣泛使用1。隨著近年來我國高速鐵路及城市地鐵的快速發(fā)展，云母陶瓷絕緣子的需求量也在逐年增加，且應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴(kuò)展。云母陶瓷絕緣子的技術(shù)性能2.1云母陶瓷材料性能云母陶瓷是由合成云母粉和低熔點(diǎn)玻璃粉按一定比例混合，熱壓后制成的一種無機(jī)非金屬復(fù)合材料，其兼有塑料、云母、陶瓷三者的優(yōu)點(diǎn)：既具有塑料的熱塑性、又具有云母優(yōu)良的電氣絕緣、還具有陶瓷的耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高等性能，是一種性能優(yōu)異、用途

3、廣泛的無機(jī)非金屬復(fù)合材料。以云母陶瓷材料為絕緣體，鑲嵌金屬連接件制成的云母陶瓷絕緣子，兼具合成絕緣子和陶瓷絕緣子的優(yōu)點(diǎn)2。2.2云母陶瓷絕緣子的性能目前，軌道交通車輛應(yīng)用較多的三類絕緣子分別是云母陶瓷絕緣子、BMC絕緣子以及氧化鋁陶瓷絕緣子。表1對相同尺寸的三類絕緣子的性能進(jìn)行了對比，并對云母陶瓷絕緣子的性能進(jìn)行了分析說明。表1不同種類絕緣子性能對比類型相同尺寸產(chǎn)品對比使用電壓/kV彎曲強(qiáng)度/kN抗拉強(qiáng)度扭矩最高使用溫度/Cp/(g/cm3)耐蝕性/kN/Nm云母陶瓷絕緣子22619504503.0耐酸堿腐蝕BMC絕緣子101.53301552.0不耐酸、堿、油、有機(jī)溶劑腐蝕氧化鋁陶瓷絕緣子2

4、04.514453003.6耐酸堿腐蝕2.2.1高絕緣等級云母陶瓷是一種絕緣性能優(yōu)異的絕緣材料，其絕緣電阻高，介電強(qiáng)度大，能夠在較高的電壓下正常使用而不發(fā)生擊穿。使用云母陶瓷生產(chǎn)的絕緣子，其耐受的電壓也非常高，國產(chǎn)云母陶瓷絕緣子單個(gè)的最高使用電壓能夠達(dá)到50kV以上，極間絕緣電阻達(dá)到106MQ以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的絕緣子。高機(jī)械強(qiáng)度軌道交通車輛用絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度主要包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及破壞扭矩，由于車輛運(yùn)行過程中會產(chǎn)生較大的震動(dòng)，因此要求絕緣子具有較高的機(jī)械性能。目前國內(nèi)生產(chǎn)的云母陶瓷絕緣子抗拉強(qiáng)度最高能達(dá)到50kN以上，抗壓強(qiáng)度最高能達(dá)到100kN以上，抗彎強(qiáng)度最高能達(dá)到7

5、kN以上，破壞扭矩最高能達(dá)到150Nm以上。對比可以看出，云母陶瓷絕緣子的機(jī)械性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于合成絕緣子，與氧化鋁陶瓷絕緣子相比也有一定的優(yōu)勢。耐高溫、耐冷熱沖擊云母陶瓷絕緣子具有耐高溫和耐冷熱沖擊的優(yōu)點(diǎn)。由北京中材人工晶體研究院生產(chǎn)的云母陶瓷絕緣子，其最高使用溫度能夠達(dá)到450C；經(jīng)權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)的檢測，其生產(chǎn)的產(chǎn)品在-50C150C的條件下進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)20次后，再對電性能和機(jī)械性能進(jìn)行檢測，其各項(xiàng)性能指標(biāo)仍能達(dá)到要求，且無明顯降低。由此可見云母陶瓷絕緣子可用于一些可能會產(chǎn)生高溫的部位，并且能夠在高寒地區(qū)使用。而合成絕緣子在高溫環(huán)境下則可能產(chǎn)生有毒有害氣體甚至燃燒，因此不能用于一些關(guān)鍵部

6、位和特殊環(huán)境。2.2.4優(yōu)異的耐候性云母陶瓷絕緣子成型后結(jié)構(gòu)致密，表面及其內(nèi)部不存在孔隙，水分，且電解質(zhì)很難滲入其內(nèi)部進(jìn)而造成絕緣子擊穿，能夠在潮濕的環(huán)境中正常使用；同時(shí)云母陶瓷絕緣子耐酸堿腐蝕，不會發(fā)生老化且使用壽命長。國內(nèi)云母陶瓷絕緣子生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀在我國高速鐵路發(fā)展初期，軌道交通車輛使用的云母陶瓷絕緣子完全依賴于進(jìn)口。2006年，北京中材人工晶體研究院率先研發(fā)出了云母陶瓷絕緣子，并于2008年建成了國內(nèi)第一條年產(chǎn)能20萬件的云母陶瓷絕緣子生產(chǎn)線，從而打破了該產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口的局面。經(jīng)過多年的發(fā)展，國產(chǎn)的云母陶瓷絕緣子在質(zhì)量和產(chǎn)量上都有了很大進(jìn)步，并在國內(nèi)占有相當(dāng)一部分的市場份額，并且每年還

7、有少量產(chǎn)品出口至歐洲的一些國家。目前，國內(nèi)云母陶瓷絕緣子生產(chǎn)企業(yè)一般采用熱壓成型工藝。其工藝流程如下：3.1混料將一定粒度的合成云母粉與一定粒度的低熔點(diǎn)玻璃粉按特定的比例放入混料機(jī)中混合均勻。3.2預(yù)燒結(jié)將混合均勻后的物料加黏結(jié)劑壓制成型放入高溫爐中，在一定的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，一定時(shí)間后關(guān)閉高溫爐，使燒結(jié)后的物料自然冷卻至室溫，而后取出待用。3.3破碎粉磨將預(yù)燒結(jié)后的物料進(jìn)行破碎粉磨，篩選出合適粒度的粉體備用。3.4壓制毛坯在篩選后的粉體中加入一定比例的黏結(jié)劑混合均勻后冷壓成型，根據(jù)不同型號的要求壓制具有特定重量和形狀的毛坯，將壓制好的毛坯烘干備用。3.5熱壓成型將毛坯和模具分別放入不同溫度的高

8、溫爐中進(jìn)行預(yù)熱，分別達(dá)到特定溫度并在該溫度下加熱一定時(shí)間。壓制時(shí)，先將預(yù)熱后的模具取出，放在壓機(jī)操作臺的特定位置，快速將預(yù)熱后的毛坯從爐中取出放入模具，將預(yù)先裝好金屬芯棒的模具進(jìn)行組裝，此過程要快速進(jìn)行，避免毛坯冷卻造成不利影響；模具組裝完成后，在特定壓力下對模具保壓一定時(shí)間，使云母陶瓷絕緣子晶化定型；保壓時(shí)間結(jié)束后進(jìn)行脫模將絕緣子取出并放入隧道爐中退火。3.6表面處理及加工對退火后的絕緣子應(yīng)進(jìn)行表面處理，清除表面的毛刺、余料等，使絕緣子表面更加光滑、美觀，不影響產(chǎn)品的正常使用。采用熱壓一次成型法只能生產(chǎn)外形結(jié)構(gòu)簡單的云母陶瓷絕緣子3，如圖1所示是一種紡錘形結(jié)構(gòu)的絕緣子，只需進(jìn)行表面處理即可；

9、對于外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的絕緣子，如圖2所示是一種傘裙結(jié)構(gòu)的絕緣子，則需要利用云母陶瓷材料優(yōu)異的可加工性進(jìn)行機(jī)加工，加工成所需要的外形，再進(jìn)行表面處理。但是在機(jī)加工的過程中，由于機(jī)床的震動(dòng)、加工人員的操作水平不一等因素，可能會使絕緣子的傘裙產(chǎn)生裂紋、缺損、內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞等情況，從而對絕緣子的電性能和機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響，使絕緣子不能正常使用。對企業(yè)而言，傘裙有裂紋、缺損的產(chǎn)品即為不合格品，會嚴(yán)重影響該類產(chǎn)品的合格率，同時(shí)由于增加了一道加工工序，也會使產(chǎn)品的成本增加。圖1外形結(jié)構(gòu)簡單的云母陶瓷絕緣子圖2外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的云母陶瓷絕緣子應(yīng)研究的問題云母陶瓷絕緣子在性能方面與其他類型絕緣子相比具有絕對的優(yōu)勢，但

10、產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中還存在一定的問題，主要有以下幾個(gè)方面：4.1成型工藝的研究云母陶瓷絕緣子的成型是其生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝過程，對產(chǎn)品的各項(xiàng)性能以及外觀都有非常重要的影響。目前，國內(nèi)生產(chǎn)云母陶瓷絕緣子的成型工藝只有熱壓一次成型一種方法，該成型工藝在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。但國內(nèi)采用該工藝生產(chǎn)絕緣子的自動(dòng)化程度還比較低，需要投入大量的人員進(jìn)行人工操作，會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。同時(shí)，由于不同操作人員的操作水平和習(xí)慣不盡相同，因此會對產(chǎn)品的質(zhì)量一致性造成一定的影響，可能會產(chǎn)生不合格產(chǎn)品，降低產(chǎn)品合格率。據(jù)了解，圣戈班集團(tuán)早已采用自動(dòng)化水平較高的成型方法生產(chǎn)各類云母陶瓷絕緣子，其生產(chǎn)效率相當(dāng)高，且產(chǎn)品的穩(wěn)定

11、性好，產(chǎn)品合格率高。文獻(xiàn)中出現(xiàn)過使用類似于塑料注射成型生產(chǎn)云母陶瓷的案例，這種方法能夠一次成型外形復(fù)雜的各種異形產(chǎn)品，而熱壓成型異形產(chǎn)品，還需要進(jìn)行機(jī)加工。這種注射成型方法生產(chǎn)的產(chǎn)品表面光滑，沒有毛刺，只需要進(jìn)行簡單的表面處理即可，使異形產(chǎn)品的生產(chǎn)效率大大提高，且產(chǎn)品質(zhì)量一致性好。目前國內(nèi)企業(yè)在異形云母陶瓷絕緣子的注射成型方面還處于研發(fā)試驗(yàn)階段，僅有少數(shù)企業(yè)能夠進(jìn)行小批量生產(chǎn)，但其生產(chǎn)過程相對繁瑣，生產(chǎn)效率不高，產(chǎn)品的質(zhì)量較國外同種產(chǎn)品也有一定差距。國內(nèi)的研發(fā)人員可以從以下方面進(jìn)行工藝改進(jìn)：（1）與相關(guān)設(shè)備廠家進(jìn)行合作，開發(fā)能夠在較高溫度下正常使用的自動(dòng)化水平較高的熱壓成型設(shè)備，使熱壓一次成型

12、實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量一致性。（2）設(shè)計(jì)用于注射成型異形產(chǎn)品的新模具，使異形產(chǎn)品的注射成型能夠簡單快速的完成；改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品配方，使毛坯材料加熱后具有更好的流動(dòng)性，能夠快速地注滿整個(gè)異形模具；適當(dāng)?shù)膶υO(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以更好地適用于注射成型。4.2產(chǎn)品無鉛化的研究目前，國產(chǎn)的云母陶瓷絕緣子基本都是含鉛產(chǎn)品，無鉛化產(chǎn)品很少。主要原因在于無鉛低熔點(diǎn)玻璃粉的產(chǎn)品種類很多，但能夠用于云母陶瓷絕緣子的型號較少，要找到一種合適的產(chǎn)品需要通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；且大多數(shù)無鉛玻璃粉由于其生產(chǎn)工藝的特殊性，其價(jià)格相對較高，約是含鉛低熔點(diǎn)玻璃粉的510倍，對于企業(yè)來說生產(chǎn)成本過高，因此也鮮有企業(yè)進(jìn)行無鉛云

13、母絕緣子的研發(fā)生產(chǎn)。而歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，均要求使用無鉛類絕緣子，故國產(chǎn)的云母陶瓷絕緣子很少能夠出口到這些需求量較大的地區(qū)。與此同時(shí)，隨著我國對環(huán)境保護(hù)的要求愈加嚴(yán)格，以及動(dòng)車組要求輕量化的趨勢，開發(fā)無鉛云母陶瓷絕緣子無論從環(huán)保角度還是產(chǎn)品減重方面來說都是勢在必行的。國內(nèi)在無鉛云母陶瓷絕緣子的研究開發(fā)方面，北京中材人工晶體研究院有限公司的有關(guān)研發(fā)人員做了大量的試驗(yàn)。他們通過試用多種無鉛低熔點(diǎn)玻璃粉以及其他材料與合成云母進(jìn)行配方改良，最終確定了一種無鉛低熔點(diǎn)玻璃粉，并對其生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過大量試驗(yàn)成功開發(fā)出了幾種型號的無鉛云母陶瓷絕緣子。經(jīng)檢測，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國外同類產(chǎn)品的要求。目前，該企業(yè)對其他型號云母陶瓷絕緣子無鉛化的研究也正在有序的進(jìn)行當(dāng)中。5結(jié)語國產(chǎn)云母陶瓷絕緣子經(jīng)過十幾年的發(fā)展，其熱壓成型工藝已相當(dāng)成熟，且產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際水準(zhǔn)，大量的應(yīng)用于我國的高速鐵路、地鐵等軌道交通車輛。同時(shí)，我國軌道交通的快速發(fā)展，也為云母陶瓷絕緣子的深入研究和應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。國內(nèi)的云母陶瓷絕緣子生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)從自身做起，通過不斷地優(yōu)化配方，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高設(shè)備自動(dòng)化水平等措施，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，以生產(chǎn)出更多優(yōu)質(zhì)的云母陶瓷絕緣子產(chǎn)品，為我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展提供更加可