Influence of alumina and silica addition on the physico-mechanical and dielectric behavior of ceramic porcelain insulator at high sintering temperature

Abstract

The high-strength electrical porcelain insulator plays a vital role in the power industry. The present study investigates the effect of alumina and silica addition on the physico-mechanical and electrical properties of porcelain bodies over high sintering temperatures. The pallets were prepared in different shapes and dimensions with the help of hydraulic press machine by pressing at 160 MPa for a period of 10-min. Different characterizations techniques such as; dilatometer, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM) used to evaluate the thermal, structural, and microstructural changes, respectively by increasing the concentration of silica (0–20 wt.%) and decreasing alumina (45–25 wt.%) concentration for the base composition of porcelain insulator. The measurement of mechanical strength and physical behavior were analyzed for all the samples prepared with different compositions of alumina and silica with varying sintering temperature (1250 and 1350 °C). The sample with a composition having silica 10 wt.% of alumina 35 wt.% and sintered at 1350 °C, shows the maximum density of 2.55 g/cc with water absorption of 0.94%. This sample also shows the highest value of bending and compressive strength of 129 ± 5 and 202 ± 5 MPa respectively. The highest dielectric value of 5.75 and minimum dielectric loss of 0.05 at a frequency (2–20 GHz) is achieved for the same composition with silica 10 wt.% of alumina 35 wt.% sintered at 1350 °C. The composition having silica 10 wt.% with alumina 35 wt.% sintered at 1350 °C, has enormous potential to serve as a high strength refractory and a dielectric ceramic material for microwave applications. Resumen: Los aisladores de porcelana de alta resistencia eléctrica juegan un papel vital en la industria de la energía. El presente estudio investiga el efecto de la adición de la concentración de alúmina y sílice sobre las propiedades físicomecánicas y eléctricas de los cuerpos de porcelana a alta temperatura de sinterización. Se prepararon muestras con diferentes formas y dimensiones mediante una prensa hidráulica a una presión de a 160 MPa con un tiempo de retención de 10 minutos. Se utilizaron diferentes técnicas de caracterización como dilatometría, difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para evaluar los cambios térmicos, estructurales y microestructurales debidos al aumento de la concentración de sílice en la alúmina en la composición base de la porcelana. Se midió la resistencia mecánica y el comportamiento físico para todas las muestras de diferentes composiciones. A 1350° C, para la composición que tiene sílice 10% con alúmina 35% en peso. %, la densidad máxima de 2,55 g/cc con absorción de agua de 0,94%. El valor más alto de flexión y resistencia a la compresión se encontró para la misma composición siendo 129 y 202 MPa respectivamente a 1350° C. Para esta misma composición se encontró el valor más alto de constante dieléctrica 5,75 y la pérdida dieléctrica mínima de 0,05 a una frecuencia (2-20 GHz) y temperatura ambiente. La adición de 10% de SiO2 con 35% de Al2O3 sobre la composición base de porcelana cerámica tiene un enorme potencial para servir como material refractario de alta resistencia y como cerámica dieléctrica para aplicación en microondas. Keywords: Density, Dielectric constant and loss, Mechanical strength, Porosity, Thermal expansion, Palabras clave: Densidad, Constante y pérdida dieléctrica, Resistencia mecánica, Porosidad, Expansión térmica