ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов

• Название: Роль электротехнических материалов
• Дата: 17.06.2021
• Размер: 1.55 Mb.
• Имя файла: ответы ЭТМ.docx
• Тип: Документы; #218593
• страница: 10 из 13

40. Керамика.

Керамика

Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Достоинства керамики:

1. 
   Высокие электрические характеристики при достаточно высокой механической прочности.
   
2. 
   Стабильность и надежность характеристик.
   
3. 
   Возможность получения материалов с заранее заданными свойствами (варьирование состава массы и технологии).
   
4. 
   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 зависит от свойств материала, особенностей конфигурации изделия и массовости заказа на производство.

Любая технологическая схема включает следующие операции:

1. 
   Тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных компонентов.
   
2. 
   Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката.
   
3. 
   Формование заготовок путем прессования пластической протяжкой или выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением, отливкой в формы и т.д.
   
4. 
   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:

1. 
   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.
   
2. 
   Конденсаторная, из которой изготавливают 60 % всех производимых конденсаторов.
   

По электрическим свойствам керамические изделия подразделяются на следующих два вида:

1. 
   Низкочастотная керамика.
   
2. 
   Высокочастотная керамика.
   

Установочная керамика

1. 
   Низкочастотный материал – изоляторный фарфор.
   

Сырье для производства этого фарфора: каолин (Al₂O₃ • 2SiO₂ • H₂O); кварцевый песок (SiO₂); полевой шпат.

При обжиге, взаимодействуя, каолин и кварцевый песок образуют муллит (3Al₂O₃ • 2SiO₂) – кристаллическая фаза. Промежутки между кристаллическими зернами заполняются полевым шпатом, который является стекловидной фазой, следовательно, материал имеет низкую пористость, высокую плотность, водонепроницаемость, высокие механические и электрические прочности, но из-за большого содержания щелочных оксидов в стеклофазе высокие диэлектрические потери (tgδ = 10^-2). Именно поэтому изоляционный фарфор относится к низкочастотной керамике.

2. 
   Промежуточным видом керамики между низкочастотной и высокочастотной является радиофарфор. При производстве этой керамики в состав шихты вводят окись бария, при этом резко снижаются tgδ и удельная электропроводность (γ) этого материала. Если в составе шихты фарфора 40 % глинозема, то у нее высокая пластичность, следовательно, можно изготовить как мелкие, так и крупногабаритные изделия.
   

3. 
   Высокочастотные материалы:
   

Ультрафарфор, у которого низкий tgδ, высокая механическая прочность и удовлетворительные технологические параметры.

Глинозем бывает двух модификаций: γ-Al₂O₃ (низкотемпературная модификация) и α-Al₂O₃ (высокотемпературная модификация) – корунд, у которого высокие электротехнические характеристики, следовательно, в технике используется α-Al₂O₃. 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.

Материал, содержащий 95 – 99 % глинозема называется алюминоксид или корундовая керамика.

Достоинства алюминоксида:

1. 
   Низкий tgδ при повышенных температурах и частотах электрического поля.
   
2. 
   Высокая нагревостойкость (до 1600 °С).
   
3. 
   Высокая механическая прочность и теплопроводность (удельная теплопроводность в 10 – 20 раз выше, чем у изоляционного фарфора).
   

Недостатки алюмоноксида:

1. 
   Непластичен.
   
2. 
   Высокая температура спекания.
   
3. 
   Большая абразивность, следовательно, трудная обрабатываемость изделия.
   

Брокерит – материал, содержащий 95 – 99 % оксида бериллия (ВеО).

1. 
   Теплопроводность в 200 – 250 раз превышает теплопроводность стекол и ситаллов.
   
2. 
   Высокие электрические параметры.
   

Брокерит применяется в особо мощных СВЧ приборах, подложки для микросхем и металлизированных изделий из него позволяют получать согласованные спаи с медью.

Также как к высокочастотной установочной керамике относятся: цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керамика.

Конденсаторная керамика

Для высокочастотных конденсаторов используется конденсаторная керамика с относительной диэлектрической проницаемостью
10 – 230, tgδ < 6·10^-4 на частоте 1 МГц и электрической прочностью
Е_пр = 8 – 12 кВ/мм.

Конденсаторная керамика изготавливается на основе рутила (TiO₃), перовскита (титанат кальция СаTiO₃), титанат стронция (SrTiO₃).

Эта керамика подвержена электрохимическому старению, а также у нее высокие отрицательные значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, К^-1, т.е. такую керамику используют для конденсаторов, в которых не предъявляется требования по температурной стабильности.

Повышение термостабильности конденсатора добиваются путем введения в керамику компонентов с положительными , например, титаноциркониевая керамика (TiO₂ – ZrO₂), либо (СаTiO₃ – СаZrO₃), лантановая керамика (LaAlO₃), станнатная керамика (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. tgδ = 2·10^-3 – 2,5·10^-2.