Ситаллы и их применение

План лекции

СИТАЛЛЫ, КЕРАМИКА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 2.6

1. Ситаллы и их применение..

2. Общие сведения о керамических материалах.

3. Особенности технологического цикла при получении керамик.

4. Классификация и свойства керамических материалов.

Литература [1-3, 9, 15, 20, 21, 29]

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специального состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Само название ситалл происходит от слов силикат и кристалл; в названии подчеркивается тот факт, что одни из первых стеклокристаллических материалов были получены на основе закристаллизованных силикатных стекол. За рубежом ситаллы называют пирокерамами от греческих слов «пирос» - огонь и «керамикос» - глиняный. Первая часть названия связана с тем, что стеклокристаллические материалы за рубежом были получены вначале на основе cтекол, содержавших окислы лития, светившиеся при высоких температурах огненным светом, а вторая – с тем, что стеклокристаллические материалы иногда не совсем правильно называли стеклокерамикой. Недостатком стекол считает­ся процесс местной кристаллизации — расстекловывание, приводящее к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изде­лий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристалли­ческой структурой.

Содержание кристаллической фазы в ситалле к окончанию процесса кристаллизации достигает 95%, размеры оптимально развитых кристаллов составляют от 0,05 до 1 мк.Стеклофаза распределена между кристаллами в виде тонких прослоек, скрепляющих сами кристаллы. Изменение размеров изделий при кристаллизации не превышает 1-2%.

Технология получения ситалла состоит из нескольких опера­ций. Сначала изготовляют изделие из стекломассы и подвергают его двухступенчатой термической обработке при температурах 500—700 и 900—1100°С. На первой ступени происходит образо­вание зародышей кристаллизации, а на второй — развитие кри­сталлических фаз. Содержание кристаллических фаз к оконча­нию процесса достигает 95%, а размеры кристаллов лежат в пре­делах от 0,01 до 1 мкм.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристалли­зации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входя­щих в состав стекла, под влиянием облучения с последующей термооб­работкой для проявления изображения. Для инициирования фото­химической реакции обычно используют ультрафиолетовое излучение. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материал приобретает определенную окраску. Стеклокристаллические материа­лы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами. Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определенные участки, то можно вызвать локальную кристаллизацию в заданном объеме.

Закристаллизованные участки значи­тельно легче растворяются в плави­ковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в изделиях отверстия, выемки и т. п.

Технология изготовления ситаллoв упрощается, если в качестве катализаторов кристаллизации ис­пользовать соединения, ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава. К числу таких соединений относятся ТiO₂, FeS, В₂О₃, Сг₂О₂, V₂O₅,, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. При каталитической кристаллизации необходимость в предварительном облучении отпадает. Получаемые при этом стеклокристаллические материалы называют термоситаллами.

Ситаллы — плотные материалы от белого до коричневого цве­та, отличающиеся повышенной механической прочностью и хими­ческой стойкостью, а также сочетающие высокие диэлектрические и температурные свойства, что позволяет применять их для мно­гих приборов электронной техники, работающих в широком диапа­зоне частот.

В отличии от обычных стекол, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойство ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.
Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/м3, прочность при изгибе – 70-350 МПа, временное сопротивление – 112-161 МПа, сопротивление сжатию – 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84 – 141Гпа. Прочность ситаллов зависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали (V - 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (fтр = 0,07-0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7– 300) 10-7 с-1. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость высокая D t = 50 -9000С. Применение ситаллов определяется их свойствами.

В обозначении марки ситалла после буквы СТ указывается значение a и серия разработки. Например, ситалл СТ-50-1 имеет температурный коэффициент линейного расширения a, равный 50·10^-7 1/°К. Плотность 2,3-2,8 г/см³.

Ниже приводятся типичные характеристики наиболее широко распространенных ситаллов.

Водопоглощение 0,01%

Температурный коэффициент линейного расширения (12-120)×10^-7 К^-1

Удельная теплопроводность 0,8-2,5 Вт/(м×К)

Удельное объемное сопротивление 10⁸-10¹² Ом×м.

tgd (f=10⁶ Гц) (10-800)×10^-4.

Многие ситаллы химически стойки к плавиковой (HF) кислоте и щелочам. Стоимость ситаллов не высока.

По техническому назначению ситаллы делят на установочные и конденсаторные.

Установочные ситаллы используются в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и пассивных дискретных элементов (например, в тонкопленочных резисторах).

Достоинство ситалловых конденсаторов является повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.

Дата добавления: 2014-01-20