보크사이트 자기 - 고전압 절연체의 새로운 하이테크 제품 편집부(외신) 전통적인 알루미나 자기의 고전압 절연체가 강도의 손실 없이 저렴한 보크사이트 자기 절연체로 대체되어질 수 있다. 현대사회에서 중요한 전기에너지는 영구적인 유용성을 요구한다. 또한 요구되어 지는 것은 제조 및 전송을 확실하게 하여 공장에 높은 수준의 안정성이다. 이러한 면에서 고전압 절연체는 두 가지 중요한 기능을 가진다. 예를 들어 전극에서부터 그리고 어스접지로부터의 활성 소자에 대한 절연과, 그 중에 활동하고 있는 여러 힘에 대한 균형과 정착이다. 이러한 기능은 절연체의 높은 전기적 기계적 강도를 요구한다. 극단적인 조건하에서 고전압 절연체는 어떠한 장애 없이 수십 년간 지속되어야 한다. 품질뿐만 아니라 에이징과 부식 저항성은 또 다른 중요한 조건이다. 극도의 온도 변화가 나타나는 특정한 기후에서는 열 충격 저항 또한 매우 중요하다. 최근의 수십 년간 고전압 절연체의 개선에 대한 주요한 과제는 강도의 특성을 증가시키는 것이다. 이 목적은 석영 자기를 통한 강한 자기로부터 알루미나 자기까지의 개발을 가져왔고 최근에 알루미나 자기가 고전압 절연체의 재료로써 널리 사용되어 왔다. 알루미나의 비용이 알루미나 자기 제조에 필연적인 요소이고 그러므로 알루미나의 사용없이 고강도의 자기 형태의 절연체에 대한 개발이 중요하게 고려되어졌다. 알루미나의 대체물 고강도 알루미나 자기는 30~40%의 알루미나를 포함하고 있고, 그러므로 Al2O3의 함량은 50~60%에 이른다. 다상의 재료에서 높은 영율 계수를 가지는 요소들은 더 높은 영율 계수를 가지는 합성물 시스템에 굴복되어 진다. 영율 계수가 직접적으로 강도의 비율을 나타내기 때문에 높은 비강도 또한 분명히 파악된다. 이것이 알루미나 자기의 강도를 설명한다. 동적인 영율 계수와 강도사이의 상관 관계는 절연 자기에 관련된 문헌에 반복적으로 다루어져 왔다. 알루미나 자기의 미세구조 안에 삽입된 α-코륀덤 결정이 강도의 향상에 결정적인 역할을 한다. 높은 영율 계수와 영율 계수와 강도의 직접적인 상관관계 때문에, 코륀덤은 강도의 결정적인 요소로 작용한다. 삽입되어 있는 α-코륀덤 결정은 평균 입자 지름 10㎛를 가지는 소형에서 중형 범위의 입자크기를 가진다. α-코륀덤 결정은 미세 구조 안에서 가능한 균일하게 분포되어야 한다. 더구나 미세구조는 가능한 석영의 결정을 포함하지 않아야 한다. 미소 균열은 유리질 상과 석영입자의 사이에서 발생하고 석영의 α→β 변형을 일으키게 되고 부분적으로 석영입자가 최장 길이로 늘어나게 된다. 미소 균열은 오랜 기간 손상을 일으켜서 미세구조상의 강도의 감소를 일으킨다. 알루미나의 대체물은 반드시 다음의 필수 특성을 가지고 있어야 한다. ※미세구조상에 충분한 수의 코륀덤을 포함하고 있어서 최적의 크기와 배분을 가지고 있어야 한다. ※될 수 있는 한 미세구조상에 해로운 석영 포유물을 포함하지 않아야 한다. ※코륀덤 결정의 존재의 비용으로 증가한 멀라이트의 형성을 제거해야 한다. ※소결 온도는 코륀덤 결정의 높은 비율과 함께 가능한 많은 농축된 미세구조를 형성해야 한다. 보크사이트 자기의 개발 고전압 절연체로 사용되었던 알루미나 자기는 광범위하게 문헌으로 조사되었고 검토되어왔고, 알루미나의 대체물로써 경제적으로 이롭고, 낮은 철 함량을 가지며, 소결된 보크사이트가 오랫동안 논의되어왔다. 그러나 어떠한 만족할 만한 결과도 나오지 않았고, 최근에 이행된 연구에서 흥미로운 기술적 경제적 결과가 제공 되었다. 낮은 철 함량을 가지고 소결된 보크사이트가 알루미나 첨가제의 사요에 대한 대체물로 사용될 수 있다. 알루미나의 입자크기와 비슷한 입자크기를 가지는 소결된 보크사이트가 공식화 되었고, 알루미나 첨가제에 비해 사용된 보크사이트의 비율이 현저하게 높을 것이다. 소결된 보크사이트로부터 추출된 대부분의 Al2O3는 코륀덤으로써 존재하게 되고 멀라이트의 형성을 일어나지 않게 한다. 그러므로 현존하는 SiO2는 고반응 용융상에 의해 분해되고 가능한 빠르고 완전하게 유리질 상으로 변하게 된다. 고반응 용융상은 바람직하지 않은 석영결정의 대부분을 분해하는데 중요하다. 보크사이트를 사용하여 얻어진 강도와 Al2O3의 함량은 알루미나 자기의 경우와 비교되었다. -56% 소결된 보크사이트 자기의 강도 수준은 -40% 알루미나 자기의 강도와 비교 되었다. 용제성분의 적용 용제의 적용은 1000도의 온도에서 가능한 균일하게 분포된 고반응 용융상의 형성을 위해 필요하다. 이 용융상에서 대부분의 SiO2는 용해되어지고 고 밀도의 소결과정에 충분한 안정성을 얻기 위해 점성을 낮게 한다. 그러므로 점토나 고령토가 용융상의 형성을 위해 소성 원 재료의 구성요소로써 사용된다. 이전의 연구에서 적당한 점토의 선택을 위해 다음의 조건을 발견하였다. ※점토 조성에서 높은 일라이트의 비율과 혼합된 층의 점토재료 ※용제의 함량 증가 (특히 산화 철 뿐만 아니라 알칼리와 알칼리 어스), 5% 이상이 바람직 하다. 대부분의 용제는 철과 같은 광물 격자가 점토안에 포함되어 있다. ※석영의 함량은 가능한 적어야 한다. 석영 입자는 60㎛이하의 크기를 가지고 석영의 함유는 용융 상의 형성에 불리하다. ※위의 조건하에 충족되고, 1200도 이하의 온도에서 용융 상의 형성이 일어난다. 용융상은 대부분의 석영의 용해가 원인이 되고 이 용해는 미소구조상의 잔영 석영의 비율을 낮게 유지시킨다. 고반응 용융상은 소결 과정에서 얻어지는데 그러므로 낮은 가열 온도의 소결이 가능하다. 소성 요소의 선택은 용해된 장석의 존재 없이 소결과정이 진행되어 질수 있게 한다. 이것이 장석의 비율을 줄이는 결과를 가져온다. 이것은 장석이 바람직하지 않은 조대한 석영의 상당한 비율을 차지하기 대문에 본질적인 이점으로 고려되어진다. 이전의 연구에서 장석 또한 하석 석장암으로써 사용되어질 수 있다. 알루미나 자기에서 보크사이트로의 변환에서 가소성 요소와 장석의 적용은 가능하다. 가소성 요소의 전체 비율은 40wt% 이하로 줄어들었다. 이러한 전체적인 비율의 감소에도 불구하고 세가지 층의 점토 재료의 증가된 비율을 가진 가소성 원재료의 사용은 연구된 물체의 가소성의 저하를 가져오는 원인이라고 할 수는 없다. 소결 조건의 적용 실험은 또한 소결과 가열의 조건의 특정한 적용이 추가적인 특성의 개선의 결과를 가져올 수 있는지에 대해 결정하기 위해 행하여졌다. 가열 온도에 의존한 보크사이트 자기의 미세구조에서 상 비율의 변화가 결정된다. 최상의 결과는 1200도의 가열 온도에서 얻어졌다. 낮은 가열온도는 최고의 코륀덤과 최저의 멀라이트 요소를 가진 미세구조를 나타내었다. 가열에 사용되는 1000도이상의 특정한 환원 가열온도와 1200에서 1000까지의 가속화된 냉각 온도범위는 미세구조의 형성을 위해 도움이 된다. 가속화된 냉각은 균일한 분포를 가진 더 작은 결정을 제공하고 코륀덤의 희생하여 멀라이트 결정의 형성하는 것을 방지한다. 보크사이트 자기의 특성 이전에 언급된 배치 특성과 특정한 소결 조건 때문에, 보크사이트 자기의 전형적인 특성은 알루미나 자기의 특성과 매우 다르다. 52%의 보크사이트 자기를 함유하는 상의 조성이 결정되었고, 얻어진 상의 조성은 소결조건에 의해 필연적으로 영향을 받는다. 1230도 이하의 소결 온도에서 상대적으로 높은 α-코륀덤 함량과 낮은 잔여 석영의 함량은 상당히 주목할 만하다. 52% 보크사이트 자기에 대하여 다음과 같은 사항이 결정되었다. ※2~20㎛의 크기범위를 가지는 코륀덤 입자가 생겨난다. 20㎛ 이상과 2㎛ 이하의 크기를 가지는 코륀덤 입자는 극히 소량 존재한다. ※륀덤 입자의 분포는 상대적으로 일정하다. ※코륀덤 결정의 특질은 알루미나 결정과는 상당히 다르다. 사정방계의 코륀덤 결정에도 불구하고, 원형 코륀덤 결정과 외부 함유율을 포함하는 코륀덤 결정이 생겨난다. 잔여 석영의 함량 C-130 고강도 52% 보크사이트 자기는 극도로 낮은 비율의 잔여 석영을 함유하고 있다. 더구나, 석영의 입자 크기는 제한되어 진다. 반면에 알루미나 자기에서 발견되는 석영 입자의 크기는, 일부는 90㎛까지 크기도 하지만 대부분 20㎛ 이상의 크기를 가지고 제곱밀리미터당 45석영입자가 존재한다. 새로운 C-130 고강도 보크사이트 자기에서의 고 반응성이고 균일하게 분포되어진 공융 용융상이 잔여 석영의 충분한 용해를 일으킨다. 같은 방식으로 보크사이트에 의해 해리된 SiO2의 용해가 일어난다. 그러므로 SiO2는 코륀덤을 대신하여 바람직하지 않은 멀라이트가 형성되는 결과라고 할 수 없다. 그러므로, 새로운 미세구조에 강도 증가와 에이징 작용에 대한 필연적인 긍정적인 효과가 제공되어 진다. 강도 특성과 장해 작용 적절한 배치 설계의 조건하에서, 보크사이트 자기는 고 품질의 알루미나 자기의 강도에 상응하는 강도를 얻을 수 있다. 보크사이트 자기와 알루미나 자기 사이의 중요한 차이는 장해를 일으키는 결점의 형태가 존재한다는 것이다. 주요 석영 입자 함유물 (평균 입자 지름 50~100㎛)은 거의 대부분의 경우에 알루미나 자기의 장해의 원인이고, 장해 표면의 주사 전자현미경 검사(SEM)에 의해 알 수 있다. 보크사이트 자기에서 장해를 일으키는 결점은 알루미나 자기에서 발견되는 결점과는 다르다; 석영 입자는 52% 보크사이트 물체의 분석된 시료에서는 발견되지 않았다. 단지 주요 기공만이 결점을 발생 시켰다. 관찰된 강도 값의 분포를 더 잘 이해하기 위해, 보크사이트 자기의 휨강도에 대한 Weibull 분포가 측정되었다. 52% 자기의 시료가 연구되었고, Weibull 계수가 35이하인 알루미나 자기의 경우보다 상대적으로 높은 Weibull 계수(m=45.1)가 얻어졌다. 낮은 분포는 더 균일하고 안정된 미세구조를 의미한다. 이러한 개선의 본질적인 이유는 미세구조상에 해로운 잔여 석영 함유물이 존재하지 않기 때문이다. 그러므로 더 오랜기간 특성이 유지되어진다. 이것은 고전압 자기 절연체의 신뢰도에 매우 중요하다. 전기적 절연체의 평가에 방위의 연구에 대한 결과가 존재한다. 상온에서의 이러한 실험에서 알루미나 자기의 시료에서 얻어지는 값에 비슷한 값이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 절연체에 대한 대표적인 실험이 행해져야 한다. 보크사이트 자기의 특성 ※고 강도 공업용 자기는 알루미나가 85% 이상 저 비율의 철분 및 Al2O3로 대체되어 질 때 생산되어 질 수 있다. 만일 200Mpa 이상의 굽힘강도를 가지는 재료가 요구되어진다면 50wt% 이상의 보크사이트가 첨가되어야 한다. ※전체 Al2O3의 함량에 따라서 알루미나 자기에 비교하여 2~6% 높은 Al2O3의 함량을 가진 보크사이트 자기가 요구되어진다. ※선택된 가소성 원재료 구성요소와 용제의 종류와 첨가된 양의 본질적이 변화가 보크사이트의 사용 시에 요구되어진다. 알칼리 알카리 어스, Fe2+-이온 등의 용제 이온을 격자에 포함하고 있는, 높은 비율의 일라이트 삼층 점토 광물과 혼합층 광물을 포함한 점토와 고령토가 반드시 가소성 원재료의 구성요소로써 사용되어야 한다. 이러한 용제이온의 비율은 5% 이상이어야 하고 반면에 그 배치의 장석의 비율은 10wt% 이하로 감소되어야 하며, 장석은 하석섬장암에 의해 대치되어 진다. ※가소성과 용제 구성성분의 개량화된 선택은 공융의 형성을 가져오고, 이미 1000도에 이른 온도에서 고 반응성이고 상대적으로 낮은 점성의 용융 상을 형성한다. 이러한 경우에, 형성된 용융상은 미세구조의 전체의 체적으로 균일하게 분포되어지고 용융 상의 클러스터는 거의 관찰되지 않는다. 용융 상의 형성은 최적의 미세구조의 형성에 매우 중요하고 1200도의 낮은 가열 온도에서 가능하게 한다. 1000도 이상으로 가열된 상의 환원 가열 환경 뿐만 아니라 소결 과정이 완료된 후에 1200도에서 1000도 사이의 가속화된 냉각 온도에서의 상은 최적의 미세구조의 형성에 긍정적인 영향을 끼친다. ※사조성 원재료 비율의 전체적 감소에도 불구하고, 삼층 점토 광물의 높은 비율을 가진 가소성 원재료의 사용으로 인한 추출과정의 가공 물체의 성형성의 저하는 나타나지 않는다. ※용융 상의 형성은 각각의 알루미나 자기와 비교할 때 결정 미세구조의 현저한 변화를 나타낸다. 바람직하지 않은 거의 모든 석영이 용해되어지고, 보크사이트 자기는 잔여 석영을 거의 가지지 않는다. 그러므로 개선된 장기간 유지되어 지는 특성이 나타난다. 미세구조상에 존재하는 코륀덤 결정은 더 균일하게 분포되어 지고 2~20㎛정도의 크기 범위의 좁은 결정이 나타나고 결구 균일하고 높은 수준의 강도를 가지게 된다. ※상대적으로 높은 Weibull 계수(m=45)와 낮은 강도의 분산이 고 품질의 보크사이트 자기의 미세구조상의 균일성을 개선시킨다. 소결과 고장 허용범위에 의해 특성화 되어진 새로운 보크사이트 재료의 강한 미세구조는 알루미나 자기에 비해 공업적으로 개선된 분류로 인정되어 진다. ※알루미나 자기 물체와 비교할 때, 보트사이트 자기 물체는 경제적인 이점을 가진다. 이것은 알루미나와 비교할 때 낮은 보크사이트의 소결비용과 낮은 소결온도에서 기인한다. (ACB) 고전압 절연체에 사용할 자기 재료의 개발 역동적 영율 계수와 휨 강도의 상관관계, ((▲)고 알루미나 자기, (■)고석영 자기, (○) 환원가열 고 석영 자기) 광택이 있는 보크사이트와 알루미나 시료의 휨강도 ((■)보크사이트 수요, (□)알루미나의 수요)52% 보크사이트 자기에서의 코륀덤 입자크기의 빈도분포 52% 보크사이트 자기의 미세구조에 대한 SEM 현미경 사진 (A1)멀라이트와 일치하는 (A)기질과 (A2)유리질 상, (B) α-코륀덤 입자, (C)기공) Al2O3 함량과 보크사이트, 알루미나 자기의 휨강도의 상관관계 ((■)보크사이트의 수요와 (□)알루미나의 수요) Quantitative phase content of 52% bauxite porcelain C-130, independent of firing temperature phase content(mass%) firing glass quartz α-corundum mullite temperature(℃) 1190 44±2 0.8±0.5 43±1 12±1 1225 46±2 0.5±0.5 39±1 14.5±1 1340 46.5±2 좰0.4 32±1 21.5±1 알루미나 자기에서 보크사이트 자기로의 전환에 가소성 구성요소와 장성의 적용 Quantitative evaluation quartz particles Number of particles longest quartz material per mm2≥20㎛ particle(㎛) 52% bauxite porcelain 7 35 similar 40% alumina poreclain 45 90 석영 입자에 기인한 파열을 보여주는 알루미나 자기 시료의 장애 표면의 SEM 현미경 사진 52% 보크사이트 자기의 굽힘강도의 Weibull 분포 시료 표면으로부터 500㎛의 거리에 위치한 장해를 일으키는 기공을 보여주는 보크사이트 자기 시료의 장에 표면의 SEM현미경 사진 chemical analysis of sintered bauxite Component Composition(%) sio2 8.85 alo3 84.32 fe2o3 0.94 tio2 4.11 cao 0.02 mgo 0.22 k2o 1.00 na2o 0.47 gv 0.24