莫来石颗粒与晶须界面层协同增强高铝瓷绝缘子的力学性能

《Powder Technology》：Enhanced mechanical properties of high-alumina porcelain insulators by mullite particle and whisker interface layer

本文系统研究了莫来石球形粉末（MSP）作为增强相对高铝瓷绝缘子力学性能的调控机制。结果表明，添加5 wt% MSP的样品（A5）综合性能最优，其抗压强度（438±28.5 MPa）、抗弯强度（118±9.69 MPa）和断裂韧性（3.68±0.25 MPa·m1/2）较基准样（A0）分别提升4.1%、13.2%和39.4%。MSP通过颗粒弥散强化与原位生成莫来石晶须构建晶须键合界面（whisker-bonded interface），协同抑制裂纹扩展，为高性能电力绝缘材料设计提供新策略。

　　

Highlight

莫来石球形粉末（MSP）增强的高铝瓷绝缘子展现出卓越的力学性能提升！当MSP添加量为5 wt%时，材料综合性能达到巅峰——抗压强度飙升至438±28.5 MPa，抗弯强度跃升至118±9.69 MPa，断裂韧性更是从2.64±0.24 MPa·m^1/2提升至3.68±0.25 MPa·m^1/2，增幅高达39.4%！MSP在基体中巧妙发挥颗粒弥散强化效应，同时其表面棒状莫来石与烧结过程中原位生成的晶须携手构建"晶须键合界面"，形成三维互锁网络，像一张智能防护网般有效分散裂纹尖端应力，实现强度与韧性的协同飞跃。

Section snippets

原材料与样品制备

实验采用电瓷造粒料（EPGM）、莫来石球形粉末（MSP）和钾长石为主要原料，通过冷等静压成型工艺在1300°C下烧结制备增强型绝缘子。MSP的独特微观结构（见图1）为其增强作用奠定基础——由相互连接的棒状莫来石晶须构成网络骨架，间隙填充玻璃相，宛如天然的多孔强化单元。

物理性能

随着MSP含量从0 wt%增至5 wt%，样品体积密度从2.69 g/cm³提升至2.71 g/cm³，显气孔率则从0.14%降至0.06%。这一变化得益于MSP在Al₂O₃-SiO₂体系中催化固相反应，诱导原位生成莫来石晶须。这些晶须与MSP自身网络结构交织，形成致密的三维强化框架，显著优化材料微观结构。

结论

MSP的引入通过"颗粒-晶须"协同机制实现高铝瓷绝缘子的力学性能突破。其中5 wt%添加量的样品（A5）表现最优，其强化核心在于：MSP的颗粒弥散强化作用有效抑制裂纹扩展，同时原位生成的莫来石晶须与MSP原有棒状结构形成界面键合，共同缓解裂纹尖端应力集中，为开发高可靠性电力绝缘材料提供创新解决方案。