4.6.5. Керамика
Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.
К достоинствам керамики относятся:
высокие электрические характеристики при достаточно высокой механической прочности.
стабильность и надежность характеристик; возможность получения материалов с заранее заданными свой-
ствами (варьирование состава массы и технологии); отсутствие ограничений на форму и габариты изделия.
Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений, она определяет электрические свойства керамики.
Стекловидная фаза керамики — прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Ее состав и количество определяют технологические свойства керамики, ее плотность, степень пористости и гигроскопичность.
Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и ведет к снижению электрической и механической прочности, а также к росту диэлектрических потерь (при повышенных напряжениях происходит ионизация).
Технология изготовления керамики
Сырьем для производства керамики являются природные минералы (кварц, глинозем, тальк, а также оксиды и карбонаты различных металлов).
Выбор метода изготовления керамики зависит от свойств материала, особенностей конфигурации изделия и массовости заказа на производство.
Любая технологическая схема включает следующие операции: тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных ком-
понентов;
108
пластификация массы и образование формовочного полуфабри-
ката;
формование заготовок путем прессования пластической протяжкой или выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением, отливкой в формы и т. д.;
спекание изделий или высокотемпературный обжиг — наиболее ответственная операция. При температуре более 1300 ° С происходит выжигание пластификатора и завершающиеся химические реакции между компонентами. Эта операция может производиться в окислительной, нейтральной или восстановительной среде.
Классификация и свойства керамических материалов
По техническому назначению керамические изделия подразделяются на следующих два вида:
установочная керамика, которая используется в различного рода изоляторах (опорные, проходные, подвесные); конструкционных деталях, подложках интегральных схем, ламповых панелях, корпусах резисторов, каркасах катушек индуктивности, основаниях электропечей и т. д.;
конденсаторная керамика, из которой изготавливают до 60 % от всех производимых типов электрических конденсаторов.
По электрическим свойствам керамические изделия подразделяются на следующих два вида:
низкочастотная керамика; высокочастотная керамика.
Рассмотрим основные типы установочной керамики. Изоляторный фарфор по электрическим свойствам представ-
ляет собой низкочастотный материал. Сырьем для производства этого фарфора являются: каолин (Al2O3 · 2SiO2 · H2O), кварцевый песок (SiO2) и полевой шпат.
При обжиге, взаимодействуя, каолин и кварцевый песок образуют муллит (3Al2O3 · 2SiO2), являющийся кристаллической фазой керамики. Промежутки между кристаллическими зернами заполняются
109
полевым шпатом, который является стекловидной фазой. Следовательно, материал имеет низкую пористость, высокую плотность, водонепроницаемость, высокие механическую и электрическую прочность. Однако из-за большого содержания щелочных оксидов в стеклофазе материал характеризуется высокими диэлектрическими потерями (tgδ = 10- 2). Именно поэтому изоляционный фарфор относится к низкочастотной керамике.
Радиофарфор занимает промежуточное положение между низкочастотной и высокочастотной керамикой. При его производстве в состав шихты вводят окись бария, при этом резко снижаются tgδ и удельная электропроводность этого материала. Если в составе шихты фарфора содержится до 40 % глинозема, то у нее высокая пластичность, следовательно, из нее можно изготовить как мелкие, так и крупногабаритные изделия.
Квысокочастотным керамическим материалам относятся ультрафарфор, алюминоксид (корундовая керамика) и брокерит. К высокочастотной установочной керамике относятся цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керамика.
Ультрафарфор характеризуется низким значением tgδ, высокой механической прочностью и удовлетворительными технологическими параметрами.
Алюминоксид или корундовая керамика содержит 95 – 99 % глинозема. Глинозем бывает двух модификаций: γ-Al2O3 (низкотемпературная модификация) и α-Al2O3 (высокотемпературная модификация) — корунд, у которого высокие электротехнические характеристики. Для увеличения доли корунда в глиноземе производят его предварительную термообработку с введением специальных добавок, например, если к 80 % глинозема добавить бариевое стекло, то это способствует увеличению электрофизических характеристик материала и ускоряется спекание.
Кдостоинствам алюминоксида можно отнести: низкий tgδ при повышенных температурах и частотах электрического поля; высокую нагревостойкость (до 1600 ° С); высокую механическую прочность и
110
теплопроводность (коэффициент теплопроводности в 10 – 20 раз выше, чем у изоляционного фарфора).
Недостатки алюмоноксида: непластичен; высокая температура спекания; высокая абразивность, приводящая к сложностям при обработки изделия.
Брокерит — материал, содержащий 95 – 99 % оксида бериллия (ВеО) характеризуется высокими свойствами. В частности, его теплопроводность в 200 – 250 раз превышает теплопроводность стекол и ситаллов. Брокерит применяется в особо мощных СВЧ приборах, для изготовления подложек для микросхем, металлизированные изделия из него позволяют получать согласованные спаи с медью.
Для высокочастотных конденсаторов используется конденсаторная керамика с относительной диэлектрической проницаемостью до 230, величиной tgδ менее 6·10- 4 на частоте 1 МГц и электрической прочностью Епр = 8 – 12 кВ/мм. Конденсаторная керамика изготавливается на основе рутила (TiO3), перовскита (титанат кальция СаTiO3), титаната стронция (SrTiO3).
Эта керамика подвержена электрохимическому старению, а также у нее высокие отрицательные значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, αε = (-1500 ¸ -3000) ×10−6 К- 1, т. е. такую керамику используют для конденсаторов, в которых не предъявляется требования по температурной стабильности.
Повышение термостабильности керамических конденсаторов добиваются путем введения в керамику компонентов с положительными αε , например, титаноциркониевая керамика (TiO2 – ZrO 2) и
(СаTiO3 – СаZrO3), лантановая керамика (LaAlO3), станнатная кера-
мика (CaSnO3).
Для низкочастотных конденсаторов используют керамику на основе титаната бария (ВаTiO3) и твердых растворов с сегнетоэлектрическими свойствами (ε = 900 – 8000), у которых относительная диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, частоты и напряженности электрического поля, при относительно высокой величине tgδ в пределах 2·10-3 – 2,5·10 -2.
111
4.7. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Композиционные материалы (КМ) — материалы, состоящие из двух и более компонентов и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств их составляющих.
Особенности композиционных материалов: состоят из двух и более компонентов;
особое значение имеют свойства материала на границе раздела компонентов;
свойства композита не повторяют свойства его отдельных компонентов.
Возможны различные подходы к классификации КМ:
по природе компонентов (полимерные, керамические и т. д.); по расположению компонентов (изотропные и анизотропные); по структуре композиции (матричные, слоистые, каркасные, во-
локнистые); по геометрии армирующих элементов (порошки, гранулы, во-
локна, пленки, ткани и т. д.); по количеству компонентов: полиматричные (один наполнитель
и несколько матриц) и полиармированные (одна матрица и несколько наполнителей).
Армирующие компоненты
Выбор наполнителя диктуется требованиями, предъявляемыми к композиционному материалу и технологии его получения.
Армирующие компоненты увеличивают прочность, жесткость, износостойкость, ударную вязкость, теплопроводность и теплостойкости КМ. Одновременно они уменьшают температурный коэффициент линейного расширения, пористость и возможность модификации поверхности материала.
К недостаткам армирующих компонентов относятся ограничения на технологию получения КМ и снижение времени жизни некоторых связующих.
112