一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子及其制造方法与流程

本发明涉及电子元件领域，尤其涉及一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子及其制造方法。

背景技术：

绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起到重要作用。

早年间绝缘子多用于电线杆，慢慢发展于高型高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体,它是为了增加爬电距离的,通常由玻璃或陶瓷制成,就叫绝缘子。绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地，这两个作用必须得到保证；同时，绝缘子应具有足够的电气绝缘强度、耐潮湿性能和耐高温性能。

在国内已申请的相关专利中，专利《高绝缘碳化硅/氮化硼陶瓷材料及其制备方法》（申请号：201310294766.0，公开日：2015-01-14），公开了一种碳化硅/氮化硼陶瓷材料及其制备方法，但该两种材料均属于脆性材料，其断裂韧性不高于6Mpa，易在运输和其它振动工况下断裂或破碎，其外该发明完全是整体陶瓷，其导热系数低、热裂倾向大；专利《一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷及其制备方法和用途》（申请号：201410310359.9，公开日：2015-12-30），公开了一种无机纳米复合陶瓷，保其有效成份制成陶瓷后均为高脆性材料，由于没有骨架支撑韧性很低，同时也没有将材料的综合性能优势发挥出来。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种内部导热性好、有骨架结构支撑、耐冲击、耐高温氧化的内置韧性骨架的陶瓷绝缘子及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子的制造方法，包括以下步骤：

1）碳纤维的准备

①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；

②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.5-3：7，获得纺丝原液；

③将步骤②获得的纺丝原液通过孔径0.05mm-0.08mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为1.5bar-2bar，喷头与凝固浴液面距离为10mm-15mm，获得聚丙烯腈原丝；

④将步骤③获得的聚丙烯腈原丝按标准方法进行预氧化，获得预氧化纤维；

⑤将步骤④获得的预氧化纤维进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度750℃-800℃，处理时间5min -10min，后炭化处理温度1500℃-1600℃，处理时间5min -8min获得炭化纤维；

⑥将步骤⑤获得的炭化纤维置进行石墨化处理，即将之放置于2400℃-2500℃环境下，保温8s-12s；

⑦收丝，获得所需碳纤维；

2）陶瓷原料的准备

①按重量份数准备颗粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉50-60份、碳粉10-15份、二氧化硅10-15份、正硅酸乙脂6-8份、无水乙醇3-5份、纯净水3-5份、热塑性酚醛树脂1.5-2.5份；

②将步骤①准备的原材料混合并搅拌均匀，获得素坯原料；

3）韧性骨架的制备

①将1）中⑦获得的碳纤维纺织为中心放射型网篮状，放射线共有8-64根，该网篮轮廓三维尺寸均根据所需绝缘子三维轮廓尺寸降低20mm-30mm，其整体轮廓形状与所需绝缘子整体轮廓相适应，获得粗纺品；

②在步骤①获得的粗纺品基础上，将所有放射线按其长度等分为4段，即所有放射线均呈现出第一节点、第二结点、第三节点和转折点，在每根纤维对应的结节上穿插纺织四根加强纤维，即获得所需韧性骨架；

4）制备绝缘子

①将2）中②获得的素坯原料铺设一部分在绝缘子模具底部至铺设高度10mm-15mm，将3）中②获得的韧性骨架置于铺设层的中心，再将剩余素坯原料在不影响韧性骨架形状的情况下均匀填充进绝缘子模具，填充满后压实；

②将该模具置于800℃-850℃下，在保护气氛或真空环境里保温5h-8h，获得绝缘子素坯；

③将步骤②获得的绝缘子素坯置于2-3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升温速率升温至1600℃-1700℃，保温时间4h-7h；

④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷；空冷至T＜150℃后将烧结的绝缘子毛坯脱出模具；

⑤采用金刚石磨料振动去毛刺设备对绝缘子毛坯进行振动去毛刺及抛光处理，即获得所需绝缘子。

一种根据上述制造方法所制造出的内置韧性骨架的陶瓷绝缘子，其中：该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子由碳化硅陶瓷基体和内置碳纤维韧性骨架组成，其中，内置碳纤维韧性骨架轮廓三维尺寸均比碳化硅陶瓷基体三维轮廓尺寸降低20mm-30mm；碳纤维韧性骨架由中心向边缘放射，放射线共有8-64根，所有放射线均被四根加强纤维等分为四段。

上述内置韧性骨架的陶瓷绝缘子的体积电阻率不低于5×10¹²Ω•cm、介电强度不低于650kV/cm、热导率不低于45W/m·K、抗弯强度不低于550Mpa、杨氏模数不低于400Gpa、断裂韧性不低于30Mpa。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：心部中植入了石墨化的碳纤维韧性骨架，由于碳纤维比陶瓷更耐高温，在烧结时不会因为温度过高而软化变形，反而会因为陶瓷软化后渗入纤维组织使碳纤维韧性骨架与陶瓷本体结合更为紧密，碳纤维不仅能在韧性上给予一定改善，而且由于其极优良的导热性，也使得心部受热更为均匀，局部高温易扩散到低温区，使陶瓷的热裂倾向大大降低，因此本发明的陶瓷断裂韧性可达其它绝缘材料的5倍以上；碳化硅是绝缘性非常好的材料，但受限于碳化硅易氧化、且脆性很高的本质特性，单独使用无法适应恶劣工况（比如运输和安装时碰撞损毁、电线老化短路后高温氧化、风沙或冰雹震动等），本发明将碳纤维韧性骨架置于心部，一方面增加陶瓷的韧性，另外也利于表层氧化生成的二氧化硅进一步提升绝缘性，又不会导致氧化后脆性升高，加上心部韧性组织的支持，其断裂韧性有长足的提升，因此，本发明耐高温、综合性能好且主要材料功能互补；另外，本发明采用的均为同领域中较经济的材料，而且能适应大部分恶劣工况，基础导热性能甚至优于其它绝缘陶瓷，故而本发明的经济性好，适合大范围应用推广；另外，本发明在烧结过程中选择了最优升温速率，冷却时又采用阶梯缓冷，本身绝缘子残余的热应力和组织应力都较低，在后期抛光处理中又加入了振动过程，使内应力均匀化，提升了整体性能的均匀性，降低了缺口敏感性，也是本发明断裂韧性高的一个重要原因。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图中：碳化硅陶瓷基体1、碳纤维韧性骨架2。

具体实施方式

实施例1：

根据图1所示的一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子，该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子由碳化硅陶瓷基体1和内置碳纤维韧性骨架2组成，其中，内置碳纤维韧性骨架2轮廓三维尺寸均比碳化硅陶瓷基体1三维轮廓尺寸降低20mm；碳纤维韧性骨架2由中心向边缘放射，放射线共有16根，所有放射线均被四根加强纤维等分为四段。

该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子的制造方法，包括以下步骤：

1）碳纤维的准备

①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；

②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.5：7，获得纺丝原液；

③将步骤②获得的纺丝原液通过孔径0.05mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为1.5bar，喷头与凝固浴液面距离为10mm，获得聚丙烯腈原丝；

④将步骤③获得的聚丙烯腈原丝按标准方法进行预氧化，获得预氧化纤维；

⑤将步骤④获得的预氧化纤维进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度750℃，处理时间5min，后炭化处理温度1500℃，处理时间5min获得炭化纤维；

⑥将步骤⑤获得的炭化纤维置进行石墨化处理，即将之放置于2400℃环境下，保温8s；

⑦收丝，获得所需碳纤维；

2）陶瓷原料的准备

①按重量份数准备颗粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉50份、碳粉10份、二氧化硅10份、正硅酸乙脂6份、无水乙醇3份、纯净水3份、热塑性酚醛树脂1.5份；

②将步骤①准备的原材料混合并搅拌均匀，获得素坯原料；

3）韧性骨架的制备

①将1）中⑦获得的碳纤维纺织为中心放射型网篮状，放射线共有16根，该网篮轮廓三维尺寸均根据所需绝缘子三维轮廓尺寸降低20mm，其整体轮廓形状与所需绝缘子整体轮廓相适应，获得粗纺品；

②在步骤①获得的粗纺品基础上，将所有放射线按其长度等分为4段，即所有放射线均呈现出第一节点、第二结点、第三节点和转折点，在每根纤维对应的结节上穿插纺织四根加强纤维，即获得所需韧性骨架；

4）制备绝缘子

①将2）中②获得的素坯原料铺设一部分在绝缘子模具底部至铺设高度10mm，将3）中②获得的韧性骨架置于铺设层的中心，再将剩余素坯原料在不影响韧性骨架形状的情况下均匀填充进绝缘子模具，填充满后压实；

②将该模具置于800℃下，在保护气氛或真空环境里保温5h，获得绝缘子素坯；

③将步骤②获得的绝缘子素坯置于2倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h的升温速率升温至1600℃，保温时间4h；

④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷；空冷至T＜150℃后将烧结的绝缘子毛坯脱出模具；

⑤采用金刚石磨料振动去毛刺设备对绝缘子毛坯进行振动去毛刺及抛光处理，即获得所需绝缘子。

按本实施例生产出的绝缘子用韧化陶瓷，其体积电阻率为1×10¹³Ω•cm、介电强度为680kV/cm、热导率为52W/m·K、抗弯强度为590Mpa、杨氏模数为440Gpa、断裂韧性为37Mpa。

实施例2：

一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子，该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子由碳化硅陶瓷基体1和内置碳纤维韧性骨架2组成，其中，内置碳纤维韧性骨架2轮廓三维尺寸均比碳化硅陶瓷基体1三维轮廓尺寸降低30mm；碳纤维韧性骨架2由中心向边缘放射，放射线共有8根，所有放射线均被四根加强纤维等分为四段。

该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子的制造方法，包括以下步骤：

1）碳纤维的准备

①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；

②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为3：7，获得纺丝原液；

③将步骤②获得的纺丝原液通过孔径0.08mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2bar，喷头与凝固浴液面距离为15mm，获得聚丙烯腈原丝；

④将步骤③获得的聚丙烯腈原丝按标准方法进行预氧化，获得预氧化纤维；

⑤将步骤④获得的预氧化纤维进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度800℃，处理时间10min，后炭化处理温度1600℃，处理时间8min获得炭化纤维；

⑥将步骤⑤获得的炭化纤维置进行石墨化处理，即将之放置于2500℃环境下，保温12s；

⑦收丝，获得所需碳纤维；

2）陶瓷原料的准备

①按重量份数准备颗粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉60份、碳粉15份、二氧化硅15份、正硅酸乙脂8份、无水乙醇5份、纯净水5份、热塑性酚醛树脂2.5份；

②将步骤①准备的原材料混合并搅拌均匀，获得素坯原料；

3）韧性骨架的制备

①将1）中⑦获得的碳纤维纺织为中心放射型网篮状，放射线共有8根，该网篮轮廓三维尺寸均根据所需绝缘子三维轮廓尺寸降低30mm，其整体轮廓形状与所需绝缘子整体轮廓相适应，获得粗纺品；

②在步骤①获得的粗纺品基础上，将所有放射线按其长度等分为4段，即所有放射线均呈现出第一节点、第二结点、第三节点和转折点，在每根纤维对应的结节上穿插纺织四根加强纤维，即获得所需韧性骨架；

4）制备绝缘子

①将2）中②获得的素坯原料铺设一部分在绝缘子模具底部至铺设高度15mm，将3）中②获得的韧性骨架置于铺设层的中心，再将剩余素坯原料在不影响韧性骨架形状的情况下均匀填充进绝缘子模具，填充满后压实；

②将该模具置于850℃下，在保护气氛或真空环境里保温8h，获得绝缘子素坯；

③将步骤②获得的绝缘子素坯置于3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持250℃/h的升温速率升温至1700℃，保温时间7h；

④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷；空冷至T＜150℃后将烧结的绝缘子毛坯脱出模具；

⑤采用金刚石磨料振动去毛刺设备对绝缘子毛坯进行振动去毛刺及抛光处理，即获得所需绝缘子。

按本实施例生产出的绝缘子用韧化陶瓷，其体积电阻率为5×10¹³Ω•cm、介电强度为720kV/cm、热导率为48W/m·K、抗弯强度为560Mpa、杨氏模数为460Gpa、断裂韧性为37Mpa。

实施例3：

一种内置韧性骨架的陶瓷绝缘子，该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子由碳化硅陶瓷基体1和内置碳纤维韧性骨架2组成，其中，内置碳纤维韧性骨架2轮廓三维尺寸均比碳化硅陶瓷基体1三维轮廓尺寸降低28mm；碳纤维韧性骨架2由中心向边缘放射，放射线共有64根，所有放射线均被四根加强纤维等分为四段

该内置韧性骨架的陶瓷绝缘子的制造方法，包括以下步骤：

1）碳纤维的准备

①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；

②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.8：7，获得纺丝原液；

③将步骤②获得的纺丝原液通过孔径0.07mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为1.8bar，喷头与凝固浴液面距离为12mm，获得聚丙烯腈原丝；

④将步骤③获得的聚丙烯腈原丝按标准方法进行预氧化，获得预氧化纤维；

⑤将步骤④获得的预氧化纤维进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度780℃，处理时间8min，后炭化处理温度1550℃，处理时间8min获得炭化纤维；

⑥将步骤⑤获得的炭化纤维置进行石墨化处理，即将之放置于2480℃环境下，保温10s；

⑦收丝，获得所需碳纤维；

2）陶瓷原料的准备

①按重量份数准备颗粒尺寸3μm-5μm的碳化硅微粉58份、碳粉12份、二氧化硅12份、正硅酸乙脂8份、无水乙醇4份、纯净水5份、热塑性酚醛树脂2.5份；

②将步骤①准备的原材料混合并搅拌均匀，获得素坯原料；

3）韧性骨架的制备

①将1）中⑦获得的碳纤维纺织为中心放射型网篮状，放射线共有64根，该网篮轮廓三维尺寸均根据所需绝缘子三维轮廓尺寸降低28mm，其整体轮廓形状与所需绝缘子整体轮廓相适应，获得粗纺品；

②在步骤①获得的粗纺品基础上，将所有放射线按其长度等分为4段，即所有放射线均呈现出第一节点、第二结点、第三节点和转折点，在每根纤维对应的结节上穿插纺织四根加强纤维，即获得所需韧性骨架；

4）制备绝缘子

①将2）中②获得的素坯原料铺设一部分在绝缘子模具底部至铺设高度12mm，将3）中②获得的韧性骨架置于铺设层的中心，再将剩余素坯原料在不影响韧性骨架形状的情况下均匀填充进绝缘子模具，填充满后压实；

②将该模具置于830℃下，在保护气氛或真空环境里保温8h，获得绝缘子素坯；

③将步骤②获得的绝缘子素坯置于3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h的升温速率升温至1700℃，保温时间7h；

④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷；空冷至T＜150℃后将烧结的绝缘子毛坯脱出模具；

⑤采用金刚石磨料振动去毛刺设备对绝缘子毛坯进行振动去毛刺及抛光处理，即获得所需绝缘子。

按本实施例生产出的绝缘子用韧化陶瓷，其体积电阻率为5×10¹³Ω•cm、介电强度为690kV/cm、热导率为55W/m·K、抗弯强度为580Mpa、杨氏模数为480Gpa、断裂韧性为41Mpa。

本发明的工作原理为：由于有韧化的心部，在受到外部冲击时，通过心部的相对柔性支撑层缓冲，提升了对冲击的耐受能力，同时受力较多的方向会受到韧性骨架提供的反向拉扯力，使陶瓷体不易破碎和分解同时该韧性骨架如同植物根系一样交错在心部陶瓷内，提升了心部陶瓷的结合力和断裂韧性，另外加上工艺上的细节优化处理，三种因素共同作用使本发明的韧性是常规绝缘陶瓷的5倍以上，足以适应其它绝缘陶瓷不能适应的恶劣工况。

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。