Статья: Моделирование электронных характеристик электротехнических керамик

Амурский государственный университет

Дальневосточный государственный аграрный университет

Моделирование электронных характеристик электротехнических керамик

В.В. Еремина, канд. физ.-мат. наук,

О.В. Жилиндина, канд. техн. наук,

Е.А. Подолько, канд. физ.-мат. наук

Рассматривается эффективность математического моделирования эксплуатационных частотных спектров композиционных материалов, обусловленных процессами упругой электронной поляризации. В первой части работы представлены обзор промышленных образцов и базовая математическая модель.

Ключевые слова: компонентный состав, диэлектрическая проницаемость, кибернетическая модель, электронная поляризуемость, экранирующий вклад.

Введение

На текущий момент все больше внимания уделяется созданию электронных устройств, принцип действия которых основан на непосредственном использовании диэлектрических параметров кристаллов, обусловленных их поляризационными свойствами в слабых электромагнитных полях. При этом область технического применения диэлектриков рассматриваемого класса уже не ограничивается функцией только пассивных элементов электротехнических схем. Кроме того, расширяющееся внедрение наукоемких технологий естественным образом повышает и общий уровень технических требований, предъявляемых к материалам.

С одной стороны, считается, что наиболее адекватной трактовкой микропроцессов, индуцированных воздействием на вещество внешнего электрического поля, является их описание с помощью квантовой теории. Однако ее методология подразумевает использование набора гамильтонианов, что приводит к громоздкости исходных математических моделей и весьма затрудняет возможность генерации приемлемого конечного результата [1 - 12].

С другой стороны, потенциальная результативность математического моделирования диэлектрических спектров конденсированных материалов обеспечивается простотой математических моделей рассматриваемых процессов, общепринятых в рамках классической теории поляризации диэлектриков [13 - 27].

Электрические свойства керамических материалов

Детали и сборочные единицы, изготовленные из технической электрокерамики, широко применяются в современной электронике, автоматике, телемеханике и вычислительной технике благодаря их желаемым эксплуатационным свойствам. При этом можно отметить высокую механическую прочность, малые диэлектрические потери, инертность к воздействию агрессивных сред, значительную радиационную стойкость, стабильность продолжительной работы при резком повышении температуры, а также при изменении влажности или давления.

Общепринятая физическая классификация керамических диэлектриков подразделяет их на четыре основные группы [28 - 31]: образцы с относительной диэлектрической проницаемостью ниже двенадцати единиц; образцы с высокой диэлектрической проницаемостью; образцы с явными пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами; образцы с ферромагнитными свойствами.

Керамические изделия первой группы пользуются наибольшим спросом в промышленности. В первую очередь к ним относятся различные виды фарфора. При этом почти половина всего выпускаемого в мире фарфора приходится на долю низковольтных и высоковольтных изоляторов, а другая половина охватывает столовую посуду, художественные изделия и химический фарфор.

При выборе конструкционного материала для каркасов нагревательных элементов электротехнических устройств чаще всего обращают внимание на отсутствие деформации при значительной механической нагрузке, высокое электрическое сопротивление и теплостойкость, что свойственно стеатитовой керамике. В свою очередь, если в конструкторском решении требуются более низкие диэлектрические потери, то применяют форстеритовую керамику.

В свою очередь уникальные свойства высокоглиноземистой керамики позволяют использовать данный материал для высокочастотной изоляции. Типичные примеры ее применения - это герметические вводы для трансформаторов, корпуса конденсаторов, высоковольтные переключатели, элементы двигателей.

Вторая группа материалов базируется на физических свойствах химической композиции двуокиси титана с другими окислами. Путем изменения компонентного состава образцов можно получать разнообразные керамические материалы с характеристиками, отвечающими специальным требованиям. Подобные диэлектрики полностью пригодны для изготовления резонансных контуров или других электроцепей, при функционировании которых необходимы добротность и стабильность диэлектрической проницаемости. При этом температурный коэффициент диэлектрической проницаемости может быть заранее определен для нескольких составов, регулировка которых обеспечивает возможность решения задачи температурной компенсации в электронных схемах.

С другой стороны, сегнетоэлектрические свойства, нежелательные для конденсаторов, оказываются полезными в нелинейных электрических цепях, эффективность работы которых обеспечивается материалами третьей группы. При этом зависимость диэлектрической проницаемости от частоты внешнего поля благоприятствует применению соответствующих образцов в его усилителях.

Как известно, любые диэлектрики в той или иной мере обладают элек- трострикционными свойствами, т.е. в них имеет место механическая деформация, пропорциональная величине приложенного электрического поля. Данная физическая особенность слабо проявляется у обычных диэлектриков и не является обратимой, так как механическая деформация не вызывает их поляризации. Однако титановая керамика обладает наличием как прямого, так и обратного пьезоэлектрического эффекта, что обусловлено ее кристаллической структурой.

И, наконец, мягкие ферромагнитные материалы, образующие четвертую классификационную группу, представляют собой различные окислы металлов, спекаемые в твердые плотные образцы. В промышленности ферриты начали использоваться более полувека назад; они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам, для снижения потерь энергии на пере- магничивание. Такая замена стала возможной благодаря высокому электрическому сопротивлению керамики и, следовательно, значительному снижению вихревых токов, а также связанных с ними электромагнитных потерь.

Наиболее перспективной разновидностью изоляционной керамики являются керамические электролиты, т.е. материалы с высокой ионной подвижностью и соответственно ионной проводимостью. В отличие от классических жидких электролитов проводимость многих керамических электролитов униполярна и обусловлена чаще всего разупорядочением одной из подрешеток кристаллов.

Керамика широко используется и в качестве полупроводникового материала специального назначения. Например, на ее основе производятся терморезисторы и варисторы, изменяющие электрическое сопротивление под действием температуры и напряжения приложенного поля. Терморезисторы имеют широкое применение в электронных приборах, системах противопожарного оповещения, дистанционного измерения и регулирования температуры. Варисторы используют как элементы устройств, предназначенных для защиты систем переменного тока от импульсных перенапряжений, они незаменимы в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Важнейшим для электронной техники является оксид алюминия (корунд), доминирующий на мировом рынке. Основная область применения корундовой керамики -подложки интегральных схем. В отличие от пластмасс и фарфора, используемых для тех же целей, эта керамика обладает уникальным сочетанием высокого электрического сопротивления и теплопроводности.

Весьма перспективной является керамика, спекаемая на основе оксида иттрия, так как она практически прозрачна в видимой и инфракрасной областях спектра. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов, по интенсивности поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, то появилась возможность использовать иттриевую керамику для создания оптического квантового генератора.

В ядерных энергетических установках специальная электротехническая керамика широко применяется в качестве теплоизоляции (Al₂O₃, SiO₂), замедляющих и отражающих материалов (BeO, ZrO₂), материалов нейтронной защиты (HfO₃, Sm₂O₃) и даже ядерного топлива (UO₂, PuO₂).

Компонентный состав промышленных образцов

Керамические диэлектрики представляют собой неорганическую многокомпонентную систему, состоящую из стекловидной, кристаллической и газовой фаз, представленных в тех или иных пропорциях. Поскольку разнообразие физических свойств электрокерамических материалов не позволяет выделить минимальное количество общих признаков, то компактно классифицировать электрокерамические материалы по явно выделенному признаку типа «физическое свойство» очень сложно. Именно потому в основу классификации промышленных образцов положен химический анализ их компонентного состава [32 - 39].

В связи с ростом требований к электротехнической керамике широкое применение имеют ее высокоглиноземистые образцы, содержащие более 45% кристалла оксида алюминия А1₂О₃. В зависимости от химического состава названные материалы делятся на муллитокремнеземистые (45-70% А1₂О₃), муллитокорундовые (70-90% А1₂О₃) и корундовые (90-100% А1₂О₃). Химический состав наиболее востребованных промышленных образцов высокоглиноземистых керамик представлен в табл. 1.

Таблица 1

Клиноэнстатитовая (стеатитовая) керамика получила название благодаря своей базовой составляющей - метасиликату магния MgO-SiO₂ (клино- энстатит). Кроме того, в системе MgO-SiO₂ имеет место еще один минерал - это метасиликат ортосиликат магния 2MgO-SiO₂ (форстерит). Основной кристаллической фазой всех стеатитовых материалов является клиноэнстатит, составляющий 60-70% от общей массы промышленных образцов. Химический состав некоторых стеатитовых керамик приведен в табл. 2.

моделирование электронный электротехническая керамика

Таблица 2

В свою очередь, в системе Al₂O₃-SiO₂-MgO имеется тройственное соединение 2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂ - кордиерит, кристаллизирующийся по типу муллита. Как и все другие керамические материалы, кордиеритовая керамика обладает различным химическим составом (табл. 3).

Таблица 3