CN102351426A - 玻璃云母复合材料、制造方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种玻璃云母复合材料，由35-60wt%玻璃和40-65wt%云母组成，其线膨胀系数为13.0×10-6K-1-17.0×10-6K-1。本发明所述的玻璃云母复合材料，使得复合材料线膨胀系数更接近金属材料，不仅较好解决了绝缘材料和金属嵌件之间的CTE匹配问题，还克服了由于热震过程导致绝缘子失效问题，提高了绝缘产品在各种温度环境下的工作稳定性。
Description
技术领域
本发明属于一种无机绝缘材料，尤其涉及一种主要由玻璃和云母复合而成的材料、制造方法及其应用。
背景技术
绝缘子是电力传输和电力机车重要的基础元件，根据制造材料的不同可以分为陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子、复合绝缘子。陶瓷绝缘子采用泥浆压制、烧结的陶瓷材料做绝缘体，应用较早，使用广泛，但是由于其材料内部均质化和表面刚度难以得到保证，正在丧失其主导地位。玻璃绝缘子采用软化温度高、物化性能均质稳定的硼硅酸盐或铝硅酸盐钢化玻璃为绝缘件，具有良好机械性能和优良的耐热温差性能，但是玻璃绝缘子自爆率高。复合绝缘子采用环氧树脂和玻璃纤维作为芯棒，有机硅橡胶作为伞裙护套构成的绝缘子，具有体积小、重量轻、抗污闪、耐老化等特点，在国外应用广泛，大量用于电力传输和电力机车领域，但是复合绝缘子线膨胀系数高，不耐高低温循环和高温老化。
玻璃陶瓷是由微晶云母相和玻璃相组成，具有比普通陶瓷和玻璃更好的机械性强度、可加工性和低的导电性，云母的存在可以阻止裂纹扩展，克服玻璃脆性。玻璃陶瓷兼具玻璃和陶瓷的高强度和耐高温的优点，同时具有良好的韧性，具有较好的绝缘性，特别适合作为绝缘材料用于绝缘子制造。
中国发明专利申请200810239109.5公开了一种云母陶瓷绝缘子的制作方法，采用玻璃和云母高温预烧结、粉碎、高温软化和模塑成型等工艺过程。普通玻璃线膨胀系数（CTE）较低，通常在4×10-6K-1-11.5×10-6K-1，而不锈钢的CTE在14×10-6K-1-18×10-6K-1，两者的CTE具有较大差别，绝缘子在热震过程中容易产生内应力，进一步诱发裂纹，绝缘材料破裂，导致绝缘子失效。US5284706采用高膨胀系数玻璃用于金属制品封装，较好的解决了金属和玻璃热膨胀过程中产生的内应力问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种玻璃云母复合材料，采用为高CTE玻璃为原料，与云母复合而成。
本发明的另一个目的在于提供一种玻璃云母复合材料的制造方法。
本发明的又一个目的在于提供一种绝缘复合材料，作为绝缘材料应用于电力传输、电力机车、高速铁路和城市轨道交通等领域。
本发明采用如下的技术方案实现：一种玻璃云母复合材料，由35-60wt%玻璃和40-65wt%云母组成，线膨胀系数为13.0×10-6K-1-17.0×10-6K-1，玻璃中主要含有30-44.5wt%P2O5、10-33wt%ZnO，以及由碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成的混合物。
碱金属氧化物为金属锂（Li）、金属钠（Na）、金属钾（K）、金属铷（Rb）、金属铯（Cs）和金属钫（Fr）与氧元素形成的任意形式化合物，如：氧化锂、氧化钠、过氧化钠、氧化钾、过氧化钾、氧化铷、过氧化铷。本发明碱金属氧化物选自于0-10wt%Li2O、0-10wt%Na2O和0-8wt%K2O之一种或几种。
碱土金属氧化物为金属铍（Be）、镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）和镭（Ra）与氧元素形成的任意形式化合物，如：氧化镁、氧化铍、氧化钙、氧化锶和氧化钡。碱土金属氧化物选自于0-20wt%CaO、0-20wt%SrO和0-20wt%BaO之一种或几种。
所述的玻璃还含有0-20wt%的PbO、0-2wt%的CeO和0-4.3wt%的氟元素之一种或几种。
云母包括天然云母和人工合成云母，人工合成云母指采用化工原料通过化学反应制备的云母，主要包括氟金云母、氟钙云母和氟钡云母等。
作为一种示例，本发明玻璃云母复合材料可以通过如下方法制得：本发明还提供了玻璃云母复合材料的制作方法，包括下列过程：（1）将50-200目35-60wt%玻璃粉和20-100目的40-65wt%云母粉研磨混合；（2）之后在100-350kg/cm2压力下冷压成型，煅烧（采用天然云母为原料的，温度不高于550℃；当采用人工合成云母为原料的，温度不高于700℃），然后降温，粉碎制成10-200目的玻璃云母复合材料细粉。
将本发明制得的玻璃云母复合材料，加工成各类绝缘产品，尤其是含有金属的绝缘产品，并应用于电力传输、电力机车、高速铁路和城市轨道交通等领域。
本发明玻璃云母复合材料特别适合制作绝缘子（CN101746280A），其由绝缘复合材料与金属嵌件经过热压而成，绝缘子的形状和大小可以根据需要进行设计。绝缘子外表面涂有疏水的有机树脂涂层，有机树脂可以是有机硅树脂、环氧树脂和聚氨酯树脂之一种或者几种。
一种绝缘子的制作方法包括下列过程：（1）将玻璃云母复合材料在100-350kg/cm2下冷压成型，加热（采用天然云母为原料的，温度不高于550℃；当采用人工合成云母为原料的，温度不高于700℃），使玻璃云母复合材料软化，将软化的玻璃云母复合材料注入到预置有金属嵌件的模具中，再经冷却后，退火成型。
（2）在已经冷却成型的绝缘子的外表面涂覆有机树脂涂层。
（3）加热使得有机树脂涂层固化。
本发明所述玻璃云母绝缘子具有耐高温的特点，抗冲击和耐热震性能良好，适合于电力输送、电力机车、高速铁路、城市地铁等领域户内外应用。
本发明所述的玻璃云母复合材料，其线膨胀系数为13.0×10-6K-1-17.0×10-6K-1，与金属材料比较接近，较好解决了绝缘材料和金属嵌件之间的CTE匹配问题。本发明所述的玻璃云母复合材料既能便于与金属材料的加工，还克服了由于热震过程导致绝缘子失效问题，提高了绝缘产品在各种温度环境下的工作稳定性。
具体实施方式
实施例1
将60份100目的玻璃粉（含有1.8wt%Li2O、4.5wt%Na2O、4.3wt%K2O、8.9wt%ZnO、6.1wt%CaO、16.8wt%BaO、0.4wt%Al2O3、13.7wt%PbO和43.5wt%P2O5等成分）与40份80目的氟金云母在球磨机中研磨混合均匀，在1500kg/cm2压力下，冷压成胚，在700℃加热12小时，冷却，粉碎，80目过筛，制成玻璃云母复合材料1，线膨胀系数为16.1×10-6K-1。
实施例2
将50份100目的玻璃粉（含有2.0wt%Li2O、4.7wt%Na2O、4.4wt%K2O、18.4wt%ZnO、7.9wt%CaO、0.2wt%Al2O3、15.8wt% Sb2O3和46.6wt%P2O5等成分）与50份200目的氟金云母在球磨机中研磨混合均匀，在1500kg/cm2压力下，冷压成胚，在700℃加热，冷却，粉碎，80目过筛，制成玻璃云母复合材料2，线膨胀系数为15.1×10-6K-1。
实施例3
将45份100目的玻璃粉（含有1.9wt%Li2O、5.6wt%Na2O、4.2wt%K2O、20.7wt%ZnO、19.4wt%BaO、8.3wt%Bi2O3和39.9wt%P2O5等成分）与55份200目的氟金云母在球磨机中研磨混合均匀，在1500kg/cm2压力下，冷压成胚，在700℃加热，冷却，粉碎，80目过筛，制成玻璃云母复合材料3，线膨胀系数为16.9×10-6K-1。
实施例4
将40份100目的玻璃粉（含有2.0wt%Li2O、7.0wt%Na2O、20.1wt%BaO、5.2wt%Al2O3、24.2wt%PbO、4.3wt%F元素和41.5wt%P2O5等成分）与60份200目的天然白云母在球磨机中研磨混合均匀，在1500kg/cm2压力下，冷压成胚，在540℃加热，冷却，粉碎，80目过筛，制成玻璃云母复合材料4，线膨胀系数为14.8×10-6K-1。
实施例5
将玻璃云母复合材料1粉体在2200kg/cm2下，冷压成胚，在700℃加热软化后，将其注入到预置金属嵌件的模具中，在3000kg/cm2压力下成型，降温，310℃退火，降至室温，在其外表面涂有机硅树脂，180℃加热，制得玻璃云母绝缘子1。该绝缘子具有耐高温特点，能够耐受热震冲击，具有良好的抗冲击性能，可以在电力机车、城市地铁、高速铁路长期使用。
实施例6
将玻璃云母复合材料3粉体在2200kg/cm2下，冷压成胚，在700℃加热软化后，将其注入到预置金属嵌件的模具中，在3200kg/cm2压力下成型，降温，300℃退火，降至室温，在其外表面涂有机硅树脂，180℃加热，制得玻璃云母绝缘子2。该绝缘子具有耐高温特点，能够耐受热震冲击，具有良好的抗冲击性能，可以在电力机车、城市地铁、高速铁路长期使用。
Claims (10)
1.一种玻璃云母复合材料，其特征是由35-60wt%玻璃和40-65wt%云母组成，所述的玻璃云母复合材料的线膨胀系数为13.0×10-6K-1-17.0×10-6K-1。
2.根据权利要求1所述的玻璃云母复合材料，其特征是所述的玻璃主要含有30-44.5wt%P2O5、10-33wt%ZnO，以及由碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的玻璃云母复合材料，其特征是所述的碱金属氧化物选自于0-10wt%Li2O、0-10wt%Na2O和0-8wt%K2O之一种或几种。
4.根据权利要求1所述的玻璃云母复合材料，其特征是所述的碱土金属氧化物选自于0-20wt%CaO、0-20wt%SrO和0-20wt%BaO之一种或几种。
5.根据权利要求1所述的玻璃云母复合材料，其特征是所述的玻璃还含有0-20wt%的PbO、0-2wt%的CeO和0-4.3wt%的氟元素之一种或几种。
6.根据权利要求1所述的玻璃云母复合材料，其特征是通过如下方法制得：
50-200目35-60wt%玻璃粉和20-100目的40-65wt%云母粉研磨混合；然后在100-350kg/cm2压力下冷压成型，并煅烧，然后降温，粉碎制成10-200目的玻璃云母复合材料细粉；采用天然云母为原料的，所述的煅烧温度不高于550℃；采用人工合成云母为原料的，所述的煅烧温度不高于700℃。
7.一种权利要求1所述的玻璃云母复合材料，用于制造绝缘产品。
8.一种权利要求1所述的玻璃云母复合材料，用于制造电力传输、电力机车、高速铁路和城市轨道交通等领域的绝缘产品。
9.根据权利要求7或8所述的玻璃云母复合材料，其特征是所述的绝缘产品为绝缘子。
10.根据权利要求9所述的玻璃云母复合材料的用途，其特征是所述的绝缘子制作方法如下：
1）将绝缘复合材料在100-350kg/cm2下冷压成型，加热400-700℃，使绝缘复合材料软化，将软化的绝缘复合材料注入到预置有金属嵌件的模具中，再经冷却后，退火成型；
2）在已经冷却成型的绝缘子的外表面涂覆有机树脂涂层；
3）加热使得有机树脂涂层固化；加热温度不超过300℃。
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