Когда говорят про электротехнические материалы, то в первую очередь упоминаются металлы, а потом диэлектрики. И одним из самых известных и часто используемых диэлектрических материалов является керамика. Но на самом деле, керамика используется в самых разных целях. Опытный электротехник сразу назовет массу керамических изделий, которые бывают и проводниками и диэлектриками. В целом есть 4 основные категории электротехнической керамики, это:
- Магнитная — в ней часто содержится диоксид титана, а применяется такая керамика для производства конденсаторов для высокочастотной техники.
- Диэлектрическая — используется для изоляции. Такая керамика не должна проводить электрический ток.
- Полупроводниковая — что такая керамика проявляет полупроводниковые свойства и используется для производства такого элемента как — варистор. Он способен резко снижать напряжение при определенном пороговом напряжении.
- Сверхпроводниковая — по сути являются сверхпроводниками, например, керамика на основе лантана, бария и оксида меди.
Также некоторые керамические материалы способны проявлять ферромагнитизм.
Поговорим про фарфор
Тот самый фарфор, из которого сделаны красивые тонкие чайные сервизы. Его придумали в Китае и со временем выяснилось, что он является отличным диэлектриком. И фарфор стали использовать как изолятор уже на самой заре электротехники. Это не значит, что для создания изоляции используют чашки, тарелки и чайник, вовсе нет. Фарфор — это материал, которому можно придать практически любую форму. Из него производят электрические изоляторы, которые все мы видели на проводах.
Немного истории
Средневековые Китайские мастера, производили фарфор из 2х минералов — каолина («Гао Лин Ту, 高 岭土 » — что означает «Глина из города Гао Лин») и обычной керамики (Да, как ни странно, на китайском, 2й ингредиент назывался «Пу Тун Цы, 普通瓷 » и перевод означает «обычная керамика»).
Каолин рыхлый материал, а «путунцы» — довольно твердый камень. Блоки камня дробили на механической водяной мельнице, а потом полученный гравий, измельчали в мелкий порошок, пропуская через специальный механизм. Потом порошок сливали в баки для воды, где очищали от примесей. Все лишнее осаждалось. Самый мелкий порошок брали для изготовления эмалей. А смесь из зерен разных размеров смешивали и помещали в блоки, которые оставляли на несколько дней. Потом лепили нужные формы и обжигали в печах.
В конце 17 века, фарфор привозили только из Китая, и цена на него была огромной. Тонкие фарфоровые сервизы были предметом роскоши. Интересна история открытия секрета фарфора — все началось с алхимических экспериментов. Аптекарь Иоганн Фридрих Бёттгер, совместно с курфюрстом Августом Сильным в то время занимался поиском «философского камня».
В 1708 году в результате смешивания разных сортов глины и ее обжига получил неожиданный результат — белый фарфор, который почти не отличался от китайского. Бёттгер быстро понял, что это и есть их настоящий «философский камень», когда глину можно превращать в золото. Пусть и не напрямую, а просто продавая фарфоровые изделия. И в 1710 году была основана Мейсенская фабрика, фарфор которой ценится коллекционерами и сегодня.
Позже, в 1729 г. британский ученый Стивен Грей определил понятия «проводник» и «изолятор». В то время электростатические машины и лабораторные приборы нуждались в диэлектриках. Изначально для этой цели широко использовалось стекло. В первых аккумуляторных батареях также использовалось стекло в качестве контейнера и изолятора.
Когда появился телеграф, то потребовалась прокладка большого количества проводов и изоляции к ним. Для телеграфа использовали изоляторы из эмалированного твердого фарфора, которые использовались на столбах для крепления телеграфных проводов. Выяснилось, что фарфоровая изоляция лучше справляется со своими задачами. Параллельно с этим, была идея использовать костные изоляторы, например в Англии тестировались изоляторы из слоновой кости. Хорошо, что от такой жуткой идеи отказались и перешли на керамику.
Производство электротехнического фарфора росло год от года, а производители экспериментировали с составом и расширяли ассортимент.
К сожалению, технологии конца 19 века давали много брака из за образования трещин и пористой структуры. По этим причинам электрики того времени считали, что фарфор был плохим изолятором, а собственно изолирующим являлся только слой эмали. В 1902—1905 гг. изоляционные характеристики электротехнического фарфора еще не были в полной мере проанализированы и изучены.
Фарфор это практически всегда водонепроницаемый, кислотостойкий и выдерживает большие перепады температур без образования трещин. Фарфоровая эмаль придает поверхности гладкую структуру, не имеющую пор. Поэтому, многие понимали, что для создания материала с более лучшими свойствами, нужно проводить эксперименты, и в 1919 году, в Париже открылась первая лаборатория по испытанию керамики. В тот же год, Фредерик Легран, человек который занимался производством декоративного фарфора, объединил усилия с Жаном Мондо. Его компания, Mondot, Vinatier and Jacquetty, с 1905 г. производила электрические выключатели из фарфора для бытового освещения. Этот союз привел к созданию электротехнического подразделения в компании Legrand.
В 1923 году, рядом с Парижем, была создана лаборатория, где тестировались высококачественные образцы фарфоровой изоляции, способной выдерживать миллион вольт.
Можно сказать, что к концу первой четверти 20 века, производство электротехнического фарфора стало зрелой индустрией.
Немного химии
Мы уже немного касались состава фарфора, и теперь поговорим более подробно.
Основными компонентами фарфора являются пластичные глины и каолины, представляющие собой водные алюмосиликаты. Не будем приводить химические формулы и таблицы, их можно в избытке найти в справочниках. Но что такое алюмосиликаты надо обязательно пояснить. Это самые распространенные минералы на земле. Земная кора на 50% состоит из подобных минералов. Да, именно то, что можно легко найти на заднем дворе, например полевые шпаты и глина, кварц. Состав их очень сильно отличается, но в целом из названия «алюмосиликат» понятно, что это соединения кремния и алюминия. И для того, чтобы получился фарфор, надо в составе дополнительно иметь кальцит и глинозем.
Все-таки добавим немного формул для понимания.
Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO2 и 25% Al2O3. Остальное приходится на К2О, Na2O, Fe2O3 и другие примеси.
Фарфор, в который добавлен оксид бария проявляет более высокие диэлектрические свойства и даже получил отдельное название — радиофарфор.
Если дополнительно увеличить долю оксида бария и глинозема в составе, то свойства будут еще лучше. Такой фарфор получил название ультрафарфор. Он настолько хорош, что его можно использовать в высокочастотной технике.
Как производят
Берутся нужные материалы, затем их нужно перемолоть и просеять, смешать и подготовить раствор фарфоровых масс. Потом смесь нагревают, происходит испарение газов и запускаются химические реакции между ингредиентами. Потом, температуру начинают снижать и образуется однородная вязкая масса. Ее формуют горячим прессом, и заготовку еще раз сушат и покрывают глазурью.
О глазури надо написать отдельно, она тоже состоит из каолина и глины. Если требуется, добавляют краситель. Она защищает изделия от внешних воздействий. Очень прочная, улучшает внешний вид и даже повышает диэлектрические свойства, так как уменьшает поверхностный ток утечки.
После нанесения — производят прожиг. Это довольно длительный процесс, может занимать от 20 до 70 часов. Температура очень медленно повышается и в самом пике может быть до 1300-1350 0С. При этих температурах происходят диффузионные процессы, состав равномерно распределяется, что приводит уменьшению пористости. В итоге изделие может дать усадку до 20%.
Использование фарфора
Сейчас его используют в основном как изолятор. Он относительно дешев в производстве, технология отработана и не претерпевала кардинальных изменений уже сто лет. Также, низковольтный фарфор часто используется для изготовления установочной керамики. Это ролики, детали штепсельных розеток и вилок, ламповых патронов.
Более того, современная промышленность предлагает отдельный вид продукции — ретро электроустановочные изделия. Стилизованные под предметы вековой давности керамические розетки, переключатели и прочая ретро электрика.
Что касается высоковольтной установочной керамики, то тут фарфор уже практически вытеснен другими видами керамики.
Стеатитовая керамика
Обязательно к упоминанию стеатитовая керамика. Это не разновидность фарфора, она имеет иной химический состав и вместо силикатов алюминия содержит силикаты магния. Имеет немного иные механические свойства и из нее изготавливают пластины для сухих силовых трансформаторов, изолирующие кольца, цоколи ламп, корпуса предохранителей, термостатов и реостатов, основания резисторов, клеммные колодки и основания для различных приборов и компонентов энергетики и электротехники.
Выводы
Керамика это семейство удивительных материалов. Люди тысячелетиями производят керамические изделия, начиная от примитивной посуды, заканчивая ножами и использованием в самых передовых областей техники, вплоть до сверхпроводящих материалов. Обычная глина, которая пачкает обувь может превращаться и в прекрасный фарфоровый сервиз, и помочь доставить электроэнергию в дом.
