钠钙硅透明微晶玻璃的力学和电气性能调控研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1219

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (6): 2141-2150.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1219

钠钙硅透明微晶玻璃的力学和电气性能调控研究

孙思嘉¹(), 甄宇¹(), 王道静², 沈毅², 赵骞¹, 韦婷婷¹, 马涛², 单万宁², 陆平³, 许银生³

^1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230601
^2.国网安徽省电力有限公司淮北供电公司，淮北 235099
^3.武汉理工大学硅酸盐科学与先进建材全国重点实验室，武汉 430070

收稿日期:2025-12-05 修订日期:2026-01-29 出版日期:2026-06-15 发布日期:2026-07-14
通信作者: 甄宇，工程师。E-mail：yuzhen@ustc.edu.cn
许银生，研究员。E-mail：xuyinshengwhut.edu.cn
作者简介:孙思嘉（1995—），女，工程师。主要从事电气绝缘子方面的研究。E-mail：sunsj2343@163.com
基金资助:
国网安徽省电力有限公司科技项目(SGAHHB00YWJS2500539)

Mechanical and Electrical Properties Regulation of Soda-Lime-Silica Transparent Glass-Ceramics

SUN Sijia¹(), ZHEN Yu¹(), WANG Daojing², SHEN Yi², ZHAO Qian¹, WEI Tingting¹, MA Tao², SHAN Wanning², LU Ping³, XU Yinsheng³

^1.Electric Power Research Institute，State Grid Anhui Electric Power Co.，Ltd.，Hefei 230601，China
^2.Huaibei Power Supply Company，State Grid Anhui Electric Power Co.，Ltd.，Huaibei 235099，China
^3.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China

Received:2025-12-05 Revised:2026-01-29 Published:2026-06-15 Online:2026-07-14

摘要/Abstract

摘要：

绝缘子是一种能够耐受高压和机械应力作用的特殊绝缘控件，在架空输电线路中起重要作用。然而，传统的钢化玻璃绝缘子容易自爆，陶瓷绝缘子质量大、不透明，难以发现细小裂缝及内部缺陷和损伤，因此迫切需要开发具有高电气强度和高机械强度的透明绝缘材料。本工作选取钠钙硅体系（Na₂O-2CaO-3SiO₂）作为基质材料，通过引入成核剂和设计合理的热处理制度制备了一系列微晶玻璃，利用Al₂O₃与K₂O调控样品的机械与电气性能，系统地探究了K₂O的引入与热处理工艺对微晶玻璃的析晶行为、微观结构、抗弯强度、击穿强度及电气性能的影响。结果表明：随着K₂O引入量的增大，Na⁺和K⁺共存产生混合碱效应，样品的体积电阻率上升。微晶化后样品透过率在500 nm处大于50%，体积电阻率大于1×10¹¹ Ω·m，抗弯强度大于120 MPa，维氏硬度大于6 GPa，相对介电常数为7~9（1 MHz），电击穿强度大于20 kV/mm，有望应用于高压电网体系输变电设备中的绝缘子材料领域。

关键词: K₂O, 微晶玻璃, 绝缘子, 析晶行为, 电气性能, 击穿强度

Abstract:

Insulators are specialized insulating components capable of withstanding high voltage and mechanical stress， playing a significant role in overhead transmission lines. However， traditional tempered glass insulators are prone to self-explosion， while ceramic insulators are heavy and opaque， making it difficult to detect fine cracks as well as internal defects and damage. Therefore， there is an urgent need to develop transparent insulating materials with high electrical strength and high mechanical strength. In this work， the soda-lime-silica glass （Na₂O-2CaO-3SiO₂） was selected as the matrix material. A series of glass-ceramics were prepared by introducing nucleating agents and designing appropriate heat treatment schedules. The mechanical and electrical properties of the glass samples were regulated by Al₂O₃ and K₂O. The influence of K₂O and heat treatment process on the crystallization behavior， microstructure， bending strength， breakdown strength and electrical properties of glass-ceramics was systematically explored. The results show that with the increase of K₂O content， the mixed alkali effect arising from the coexistence of Na⁺ and K⁺ leads to an increase in the volume resistivity of the sample. After crystallization， the samples exhibit a transmittance greater than 50% at 500 nm， a volume resistivity greater than 1×10¹¹ Ω·m， a bending strength greater than 120 MPa， a Vickers hardness greater than 6 GPa， a relative dielectric constant of 7~9 （at 1 MHz）， and an electrical breakdown strength greater than 20 kV/mm. These materials show promise for application in the field of insulator materials for power transmission and transformation equipment in high-voltage power grid systems.

Key words: K₂O, glass-ceramics, insulator, crystallization behavior, electrical performance, breakdown strength

中图分类号:

TQ171

孙思嘉, 甄宇, 王道静, 沈毅, 赵骞, 韦婷婷, 马涛, 单万宁, 陆平, 许银生. 钠钙硅透明微晶玻璃的力学和电气性能调控研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(6): 2141-2150.

SUN Sijia, ZHEN Yu, WANG Daojing, SHEN Yi, ZHAO Qian, WEI Tingting, MA Tao, SHAN Wanning, LU Ping, XU Yinsheng. Mechanical and Electrical Properties Regulation of Soda-Lime-Silica Transparent Glass-Ceramics[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(6): 2141-2150.

图/表 11

表1 NCS玻璃样品组成

Table 1 Compositions of NCS glass samples

Sample	Mole fraction/%
Sample	Na₂O	CaO	SiO₂	TiO₂	ZrO₂	Al₂O₃	K₂O
NCS	16.50	33.50	50.00	0	0	0	0
K0	16.24	32.96	45.26	1.97	1.97	1.60	0
K1	16.14	32.77	44.99	1.96	1.96	1.59	0.59
K2	16.05	32.58	44.73	1.95	1.95	1.58	1.16
K3	15.96	32.39	44.48	1.93	1.93	1.57	1.74
K4	15.87	31.21	44.22	1.92	1.92	1.56	2.30

图1 不同样品的DSC曲线

Fig.1 DSC curves of different samples

图2 不同样品在不同条件下的XRD谱

Fig.2 XRD patterns of different samples under different conditions

图3 不同样品在不同条件下的透过光谱

Fig.3 Transmission spectra of different samples under different conditions

图4 不同样品在不同条件下的Raman光谱

Fig.4 Raman spectra of different samples under different conditions

图5 K2-680样品SEM照片与EDS元素映射

Fig.5 SEM images and EDS mapping of sample K2-680

图6 K0-720样品的TEM，HRTEM和FFT图

Fig.6 TEM， HRTEM， and FFT images of sample K0-720

图7 K2-680样品的TEM、HRTEM照片

Fig.7 TEM and HRTEM images of sample K2-680

图8 K1~K4玻璃与微晶玻璃样品的抗弯强度

Fig.8 Bending strength of K1~K4 PG and GC samples

表2 K1~K4玻璃与微晶玻璃（600 ℃/20 h、680 ℃/2 h）样品的硬度、电阻率与介电性能

Table 2 Hardness， electrical resistivity and dielectric properties of K1~K4 PG and GC （600 ℃/20 h， 680 ℃/2 h） samples

Sample	HV/GPa		ε		ρ/（Ω·m）		tan δ/10^-3
Sample	PG	GC	PG	GC	PG	GC	PG	GC
K1	5.8	6.8	8.4	8.1	2.16×10¹⁰	3.40×10¹¹	1.09	0.55
K2	5.6	6.7	8.1	7.6	2.55×10¹⁰	1.96×10¹¹	1.68	0.16
K3	5.5	5.7	7.9	7.5	2.75×10¹⁰	1.39×10¹¹	2.15	0.09
K4	5.2	5.3	7.8	7.9	1.12×10¹⁰	3.14×10¹¹	1.39	0.07

图9 K1~K4玻璃与微晶玻璃样品的电击穿强度

Fig.9 Electrical breakdown strength of K1~K4 PG and GC samples

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Mechanical and Electrical Properties Regulation of Soda-Lime-Silica Transparent Glass-Ceramics

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