Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Керамика

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос» (горшечная глина). В настоящее время керамика объединяет не только глиносодержащие, но и другие материалы, сходные по своим свойствам и технологическому процессу их получения.

Технологический цикл получения керамики включает следующие основные операции:

1) Тонкий размол и тщательное смешивание исходных компонентов.

2) Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката. В качестве пластификатора чаще всего используют поливиниловый спирт и парафин.

3) Формовка изделия.

4). Спекание - высокотемпературный обжиг (1300...1400°С).

В зависимости от состава шихты усадка после обжига составляет от 2 до 20%.

По структуре керамический материал состоит из кристаллической фазы, участки которой сцементированы аморфной стеклофазой. В керамике также присутствует газовая фаза (пористость), что способствует повышенной гигроскопичности. Для обеспечения влагонепроницаемости керамические изделия подвергают глазуровке.

По применению различают керамику установочную и конденсаторную, по величине диэлектрических потерь - низкочастотную и высокочастотную.

Установочная керамика используется для изготовления опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др.

Изоляторный фарфор (электрофарфор) - это керамический материал на основе глины, кварцевого песка, полевого шпата, низкочастотный диэлектрик:

- ε = 8,5;

- tgδ = 10^-2;

- ρ = 10¹⁰ Ом·м;

- Е _пр = 20 МВ/м.

После обжига основной кристаллической фазой является муллит (3Al₂O₃·2SiO₂). Промежутки между кристаллическими зернами заполнены стекловидной фазой полевого шпата.

Ультрафарфор - высокочастотная установочная керамика, содержит более 80%Al₂O₃ + бариевое стекло (SiO₂+BaO). Ультрафарфор сочетает низкие диэлектрические потери (tgδ = 6. 10^-4) с высокой механической прочностью. Бариевое стекло улучшает электрические свойства и ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига, в результате получается плотная керамика.

Корундовая керамика (алюминоксид), состоящая из 95...99%Al₂O₃+SiO₂, - высокочастотный диэлектрик (tgδ = 2·10^-4). Используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов, подложек интегральных микросхем, внутриламповых изоляторов. Разновидностью алюминоксида является поликор, обладающий особо плотной структурой. Поликор прозрачен, поэтому он используется для изготовления колб некоторых источников света.

Брокерит - керамика на основе оксида бериллия (95...99%BeO), обладает самой высокой теплопроводностью среди неметаллических материалов (200...250 Вт/м·К^-1), высоким удельным сопротивлением (ρ = 1016 Ом·м), малыми диэлектрическими потерями (tgδ<3·10^-4). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумплотных спаев с медью и коваром. Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую керамику применяют в особо мощных приборах СВЧ.

Цельзиановая керамика содержит синтезированное соединение BaO·Al₂O₃·2SiO₂ (цельзиан), углекислый барий (BaCO₃) и каолин (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), которые при обжиге дополнительно образуют кристаллическую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло. Особенностями этого материала являются низкие температурные коэффициенты линейного расширения (α _l = 2 ^. 10^-6 К^-1) и относительной диэлектической проницаемости (α_ε = 6 ^. 10^-6 К^-1), высокая электрическая прочность (Е _пр до 45 МВ/м). Цельзиановая керамика применяется для каркасов высокостабильных катушек индуктивности, изоляторов и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности.

Стеатитовая керамика в основе содержит природный минерал тальк (3MgO·4SiO₂·H₂O). Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге, является (MgO·SiO₂). Преимуществами стеатитовой керамики являются незначительная усадка при обжиге (1...1,5%) и малая абразивность. Применяется для высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной изоляции внутри ламп. Недостатком стеатита является невысокая стойкость к резким изменениям температуры и узкий температурный интервал спекания при обжиге (1330...1350°С).

Форстеритовая керамика (2MgO·SiO₂) применяется для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов, когда требуется вакуумплотный спай с металлом, (например, с медью), имеющий повышенный температурный коэффициент линейного расширения.

Конденсаторная керамика должна обладать:

- высокой относительной диэлектрической проницаемостью для обеспечения наибольшей емкости конденсатора при минимальных размерах;

- слабой зависимостью ε от температуры (температурный коэффициент диэлектрической проницаемости α_ε должен быть близок к нулю);

- малыми диэлектрическими потерями;

- минимальной зависимостью ε и tgδ от напряженности электрического поля;

- высокими значениями ρ, ρ_s, Е_пр.

Титановая керамика (тиконды) - керамика на основе рутила TiO₂ (ε = 114, α_ε= -850. 10^-6 К^-1), титаната стронция SrTiO₃ и перовскита CaTiO₃. Для этих материалов главную роль играют электронная и ионная поляризация: ε = 10…230, tgδ = 6^.10^-4. Тиконды используются для высокочастотных конденсаторов, от которых не требуется стабильности емкости при изменении температуры. Их недостатками являются пониженная электрическая прочность Е _пр = 8…12 МВ/м, подверженность электрохимическому старению при длительной выдержке под постоянным напряжением, высокое отрицательное значение α_ε = -(1500…3000). 10^-6 К^-1.

Используется также титано-циркониевая керамика (TiO₂-ZrO₂), (CaTiO₃-CaZrO₃), лантановая керамика (LaAlO3-CaTiO3), станнатная керамика (CaSnO3-CaTiO3-CaZrO3).

Все перечисленные виды конденсаторной керамики по структуре являются твердыми растворами. Изменяя состав твердых растворов, можно получить незначительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости как с положительным, так и с отрицательным знаком - такая керамика используется для изготовления высокочастотных термостабильных конденсаторов.

Конденсаторная сегнетокерамика. Для сегнетоэлектриков характерна спонтанная поляризованность, нелинейная зависимость ε и tgδ от температуры, частоты и напряженности электрического поля.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются в определенном диапазоне температур. При нагреве выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура фазового перехода называется сегнетоэлектрической точкой Кюри (Тк). В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость ε достигает максимального значения. Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопровождается резким уменьшением tgδ, так как исчезают потери на гистерезис. Основа низкочастотной конденсаторной сегнетокерамики - титанат бария (BaTiO₃). Он имеет точку Кюри Т_к = 120°С, его относительная диэлектрическая проницаемость составляет ε=900 при напряженности поля Е = 0,1 МВ/м и ε = 8000 при Е = 0,4 МВ/м.

В промышленности используют несколько сегнетокерамических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов, поскольку ни один материал не отвечает всей совокупности требований.

Материал СМ-1 на основе BaTiO₃ с добавкой оксидов циркония и висмута имеет сглаженную зависимость ε(Т), ε_max =3 000, tgδ = 0,04 (при f = 103 Гц), Т_к = 40°С. Применяется для алогабаритных конденсаторов с низким напряжением.

Материал Т-8000 на основе твердых растворов BaTiO₃+BaZrO₃ имеет ε = 8000 и точку Кюри - в области комнатных температур (Т_к =25...30°С). Температурная зависимость ε(T) для барий-циркониевых твердых растворов обладает сильной нелинейностью.

Максимальная ε > 12000 при f = 103 Гц соответствует составу твердого раствора 80%BaTiO₃+20%BaZrO₃,

Нелинейные конденсаторы - вариконды имеют резко выраженные нелинейные свойства. Основной кристаллической фазой в варикондах являются твердые растворы Ba(Ti, Sn)O₃ или Pb(Ti, Zr, Sn)O₃. Для них характерны высокие значения ε_max:

- ВК-2: ε_max = 5^.10⁴ при Е = 0,05 МВ/м;

- ВК-3: ε_max = 7^.10⁴ при Е = 0,05 МВ/м;

- ВК-5: ε_max >10⁵ при Е = 0,1 МВ/м.

Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей путем изменения их емкости при воздействии постоянного или переменного напряжения порознь или одновременно, различающихся по значению напряжения и частоте.

Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой различных радиоэлектронных устройств - параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения, управляемых фильтров и др.

Основные области применения сегнетоэлектриков:

- малогабаритные низкочастотные конденсаторы с большой удельной емкостью;

- диэлектрические усилители, модуляторы и другие управляемые устройства;

- счетно-вычислительная техника (ячейки памяти);

- модуляция и преобразование лазерного излучения;

- пьезоэлектрические и пироэлектрические преобразователи;

- нелинейные диэлектрические элементы разнообразных радиотехнических устройств.