Вопросы для самопроверки. Классификация и свойства керамических материалов

Классификация и свойства керамических материалов

Керамические материалы по техничес­кому назначению можно подразделить на установочные и конденсатор­ные.

Установочную керамику применяют для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей; опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов радиоустройств, подложек интег­ральных микросхем, ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др.

Конденсаторная керамика идет на изготовление конденсаторов. Из керамики изготавливают свыше 50% всех конденсаторов.

По электрическим свойствам установочную и конденсаторную кера­мику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную.

Из низко­частотных установочных материалов наиболее распространен изоля­торный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специ­альные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную кристаллическую фазу — муллит (3Al₂O₃ ·2SiO₂). Промежутки между кристаллическими зернами запол­няются стекловидной фазой, возникающей за счет расплавления поле­вого шпата. Наличие стеклофазы обусловливает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницаемость, достаточно высокую электрическую и механическую прочность. Однако из-за большого содержания щелочных окислов в стеклофазе материал обла­дает значительными диэлектрическими потерями (tgd» 10-2), что затрудняет его использование на высоких частотах.

Промежуточное положение между высокочастотными и низкочастот­ными диэлектриками занимает радиофарфор. Улучшение его электрических свойств по сравнению с изоляторным фарфором дости­гается путем введения в состав исходной шихты окиси бария, резко снижающей диэлектрические потери и проводимость стекловидной фа­зы.

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафа­рфор, относящийся к группе материа­лов с высоким содержанием глинозема (более 80%).

Глинозем, или оксид алюминия, существует в виде низкотемпературной g– или высокотемпературной a-модификации. Лучшими электрическими свой­ствами обладает a- Al₂O₃ (корунд).

Глинозем, используемый в произ­водстве радиокерамики, содержит обе модификации, поэтому производят пред­варительную его обработку. Эта обра­ботка сводится к обжигу его при темпе­ратуре 1380—1420° С, когда g–модификация переходит в a- модификацию с объемным сжатием до 14%. Предварительный обжиг глинозема значительно снижает усадочные коэффициенты изделия. Применение при обжиге глинозема специальных добавок, например, борной кис­лоты, заметно повышает содержание a-глинозема.

Ультрафарфор является высокочастотным диэлектриком, в котором сочетаются низкие диэлектрические потери с высокой механической прочностью и удовлетворительными для промышленного производства технологическими параметрами.

Такое сочетание свойств во многом объясняется наличием в нем бариевого стекла, которое, с одной стороны, способствует улучшению электрических свойств материала, а с другой — ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига. В результате удается полу­чить плотную керамику при относительно невысоких температурах спекания (1360–1370° С).

В качестве установочного материала большое распространение получил ультрафарфор УФ-46, отличающийся простотой технологии и высокой пластичностью массы.

Материал УФ-53 при достаточно хорошей пластичности обладает более высокими по сравнению с УФ-46 электрическими свойствами и механической прочностью и предназначается для устано­вочных деталей и конденсаторов, к которым предъявляются повышен­ные требования. Последующие разработки керамики типа ультрафар­фора обладают еще более благоприятным комплексом электрических и физико-механических свойств.

Корундовая керамика с содержанием глинозема 95—99% получи­ла название алюминоксида. Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот и при повышенных температурах, обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600°С), а также большой механичес­кой прочностью и хорошей теплопро­водностью. Удельная теплопроводность алюминоксида в 10—20 раз выше, чем у изоляторного фарфора. Однако он име­ет неблагоприятные технологические характеристики, обладает большой абразивностью, непластичен, отличается высокой температурой спекания (до 1750°С). Высокая абразивность затруд­няет механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.

Керамика из алюминоксида исполь­зуется в качестве вакуумплотных изо­ляторов в корпусах полупроводнико­вых приборов и подложек интеграль­ных микросхем. Из нее изготавливают также внутриламповые изоляторы с пористой структурой. По­ристая керамика используется в качестве геттера для получения высокого вакуума и в баллонах электровакуумных ламп.

Разновидностью алюминоксида является поликор, обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к рентгеновской плот­ности Al₂O₃). В отличие от обычной корундовой керамики поликор прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных источников света. Благодаря высокой плотности поликора можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. Поэтому поликор является ценным материалом для осаждения пассивных эле­ментов гибридных интегральных микросхем.

Существенным преимуществом керамических подложек, по сравне­нию со стеклянными и ситалловыми, является их высокая теплопровод­ность. Скорость отвода теплоты от тонкопленочных элементов во мно­гом определяет допустимые значения рассеиваемой в них электричес­кой мощности. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью [200—250 Вт/(м×К)] обладает оксид бериллия. Керамика на основе оксида бериллия (95—99% ВеО) получила название брокерита. Ее теплопроводность в 200—250 раз превышает теп­лопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же она имеет высокие электрические параметры: r = 1016 Ом×м, tgd £ 3×10-4 (на частоте 1 МГц). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумных спаев керамики с медью и коваром. Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую кера­мику применяют в особо мощных приборах СВЧ. Недостатком этого материала является токсичность порошкообразного оксида вериллия, что требует соблюдения строгих мер техники безопасности на всех этапах техноло­гического цикла изготовления керамических изделий.

Низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот обладает также цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керами­ки. В состав цельзиановой керамики входят предвари­тельно синтезированное соединение BaO× Al₂O₃ ×2SiO₂, называемое цельзианом, углекислый барий ВаСО₃ и каолин (Al₂O₃ ×2SiO₂×2H₂O), которые при обжиге изделий образуют дополнительно кристалличес­кую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло.

Характерными особенностями цельзиановой керамики являются очень низкий температурный коэффициент линейного расширения (2×10^-6 К^-1), незначительный температурный коэффициент диэлектри­ческой проницаемости (6×10^-5 К^-1) и повышенная по сравнению с дру­гими керамическими материалами электрическая прочность (до 45 МВ/м). В нормальных условиях преобладает электронная электро­проводность, а ионная составляющая электропроводности становится значительной лишь при температурах, свыше 600°С. Цельзиановую керамику используют для изготовления каркасов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и высокочастот­ных конденсаторов большой реактивной мощности. Технологические характеристики цельзиановой керамики доста­точно благоприятны, масса пластична, температура ее спекания не­высока. Недостатком цельзиановой керамики является сравнительно небольшая механическая прочность.

Стеатитовую керамику получают на основе природ­ного минерала—талька (3MgO×4SiO₂×H₂0), который отличается высокой пластичностью. Основной кристаллической фазой, образую­щейся при обжиге заготовок, является клиноэнстатит (MgO× SiO₂). Преимуществами стеатитовой керамики являются ее малая абразив­ность и незначительная усадка при обжиге (1,0—1,5%). Поэтому из нее можно изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатит применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной кера­мики для внутриламповых изоляторов.

Недостатком стеатита является невысокая стойкость к резким изме­нениям температуры и очень узкий температурный интервал спекания (1330—1350°С). При низкой температуре обжига изделие получается пористым с пониженной механической прочностью. При превышении температуры наблюдается резкое возрастание количества жидкой фа­зы в черепке, сопровождаемое снижением ее вязкости. В результате, изделия из тальковой керамики легко деформируются при об­жиге.

Форстеритовую керамику (2MgO× SiO₂) применяют для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых при­боров, когда требуется вакуумплотный согласованный спай с металлом, обладающим повышенным температурным коэффициентом ли­нейного расширения, например, с медью.

Диэлектрическая проницаемость конденсаторной керамики мо­жет быть с повышенным e (e= 10¸230) и высоким e (e > 900) значениями. В первом случае при частоте 1 МГц tgd не превышает 0,0006, т. е. керамика принадле­жит к высокочастотным диэлект­рикам. Во втором случае при частоте 1000 Гц tgd = 0,002 ¸0,025, и та­кую керамику относят к низкочас­тотным диэлектрикам. Конденса­торную керамику используют со­ответственно для производства низкочастотных и высокочастотных конденсаторов низкого и высокого напряжения. Желательно, чтобы все конденсаторные материалы имели возможно меньшие значения температурного коэффициента ди­электрической проницаемости.

Специальными материалами для высокочастотных конденсаторов являются «титанатовые» керамические диэлектрики (тиконды). Среди них можно выделить керамику на основе рутила (ТiО₂), перовскита (СаТiО₃), титаната стронция (SrTiO₃). В области низких частот и повышенных температур преобладаю­щее влияние в этом материале имеет ионно-релаксационная поляризация с несколькими видами релаксаторов; значение e оказывается высоким, а знак темпе­ратурного коэффициента диэлектрической проницаемости — положи­тельным. На высоких частотах главную роль играют электронная и ионная поляризации. В этом случае знак температурного коэффициента ди­электрической проницаемости отрицателен. То же можно отметить и для области низких частот при невысоких температурах.

Керамика с большим содержанием рутила или титанатов кальция и стронция характеризуется пониженной электрической прочностью (8—12 МВ/м). Кроме того, титанатовая керамика подвержена электро­химическому старению при длительной выдержке под постоянным на­пряжением. Вследствие высокого отрицательного значения ae (от—1500×10-6 до —3000×10-6 К^-1) эти материалы используются для изготовления лишь таких конден­саторов, к которым не предъявля­ются требования температурной стабильности емкости

Повышения температурной стабильности свойств материалов добиваются за счет снижения диэлектрической проницаемости путем введения в состав керамики кристаллообразующего компонента с положительным ae. Такие тиконды иногда называют термокомпенсированными. К этой группе мате­риалов относятся титано-циркониевая керамика (твердые раство­ры ТiO₂ — ZrO₂; СаТiO₃ — СаZrO₃), лантановая керамика системы LaAl₂O₃— СаТiO₃, станнатная керамика, в которой кристаллической фазой служат твердые растворы станната кальция СаSnО₃, титаната кальция СаТiO₃ и цирконата кальция CaZrО₃. Изменяя состав твердых растворов, можно получить очень незначительный температурный коэффициент диэлект­рической проницаемости, как с положительным, так и с отрицательным знаком. Керамика на основе указанных твердых растворов используется для изготовления высокочастотных термостабильных конденсаторов. Преимуществом станнатной керамики перед титанатовой является более высокая устойчивость к длительному воздействию постоянного напряжения.

Следует отметить, что в ряде случаев в качестве конденсаторных материалов применяют и некоторые виды установочной керамики (ульт­рафарфор, стеатит, цельзиановая керамика).

Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария BaТiO₃ и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами. Благодаря присущей сегнетоэлектрикам доменной поляризации конденсаторная сегнетокерамика обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью (e = 900¸8000), которая однако не отличается температурной стабильностью и зависит также от частоты и напряженности электрического поля.

1. Что такое керамика и ситалл.

2. Чем фотоситаллы отличаются от термоситаллов.

3. Какие фазы присутствуют в керамических материалах.

4. Прочитать и пояснить запись СТ 50-1.

5. Что такое оксидная керамика. Приведите примеры.

6. Что такое бескислородная керамика. Приведите примеры.

7. Что понимают под материалом «поликор»

8. В чем различие и сходство между ситаллами и стеклом.

9. Какова технология изготовления ситаллов и для каких целей они предназначены.

10. В чем преимущества керамического производства. Назовите основные технологические этапы этого производства.

11. Приведите примеры установочных высокочастотных керамических диэлектриков. Назовите наиболее характерные области их применения.

12. На каких принципах основано создание термостабильной конденсаторной керамики.

13. В чем преимущества керамических подложек для микросхем перед стеклянными и ситалловыми.

14. Что такое тиконды и основные области их применения.

ТЕМА 2.3. Основные характеристики и типы конденсаторов

Дата добавления: 2014-01-20