Читайте также: |
|
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 (αε = 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 αε должен быть близок к нулю);
- малыми диэлектрическими потерями;
- минимальной зависимостью ε и tgδ от напряженности электрического поля;
- высокими значениями ρ, ρs, Епр.
Титановая керамика (тиконды) - керамика на основе рутила TiO2 (ε = 114, αε= -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 αε = -(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 Тк = 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), εmax =3 000, tgδ = 0,04 (при f = 103 Гц), Тк = 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 (Тк =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 εmax:
- ВК-2: εmax = 5.104 при Е = 0,05 МВ/м;
- ВК-3: εmax = 7.104 при Е = 0,05 МВ/м;
- ВК-5: εmax >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.
Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 63 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |