Кераміка

У даний час кераміка об'єднує не тільки матеріали, що у своєму складі мають глину, а й інші матеріали, подібні за своїми властивостями і технологічним процесом їх отримання.

Технологічний цикл отримання кераміки включає наступні основні операції:

1. Тонкий помел і ретельне змішування вихідних компонентів.

2. Пластифікація маси та утворення формувального напівфабрикату. В якості пластифікатора найчастіше використовують полівініловий спирт і парафін.

3. Формування виробу.

4. Спікання — високотемпературний випал (1300÷ 1400 °С). Залежно від складу шихти усадка після випалу становить від 2 до 20 %.

За структурою керамічний матеріал складається з кристалічної фази, ділянки якої зцементувані аморфною склофазою. У кераміці також присутня газова фаза (пористість), що сприяє підвищеній гігроскопічності. Для забезпечення вологонепроникності керамічні вироби піддають глазуруванню.

За застосуванням розрізняють кераміку настановну і конденсаторну, за величиною діелектричних втрат — низькочастотну і високочастотну.

Настановна кераміка використовується для виготовлення опорних, прохідних, підвісних, антенних ізоляторів, підкладок інтегральних мікросхем, лампових панелей, корпусів резисторів, каркасів індуктивних котушок, підстав електричних печей та ін.

Ізоляторний фарфор (електрофарфор) — це керамічний матеріал на основі глини, кварцового піску, польового шпату, низькочастотний діелектрик. Після випалу основною кристалічною фазою є муліт (3A l ₂O₃•2SiO₂).

Ультрафарфор — високочастотна установча кераміка, містить більше 80 % A l ₂O₃ + барієве скло (SiO₂ + BaO). Ультрафарфор поєднує низькі діелектричні втрати (tgδ =6·10^-4) з високою механічною міцністю.

Корундова кераміка (алюміноксід), складається з 95÷ 99 % A l ₂O₃ + SiO₂, -високочастотний діелектрик (tgδ =2·10^-4). Використовується в якості вакуумщільних ізоляторів у корпусах напівпровідникових приладів, підкладок інтегральних мікросхем, внутрілампових ізоляторів. Різновидом алюміноксіда є полікор, що володіє особливо щільною структурою [2, 3].

Брокерит — кераміка на основі оксиду берилію (95÷ 99 % BeO), володіє найвищою теплопровідністю серед неметалічних матеріалів
(200÷ 250 Вт/м·К^-1), високим питомим опором (ρ =10¹⁶ Ом·м), малими діелектричними втратами (tgδ < 3·10^-4). Крім підкладок для інтегральних мікросхем брокеритову кераміку застосовують в особливо потужних приладах НВЧ.

Цельзіанова кераміка містить синтезоване з'єднання цельзіану, вуглекислого барію та каоліну, які при випалюванні додатково утворюють кристалічну фазу цельзіана і високобарієве алюмосилікатне скло. Особливостями цього матеріалу є низькі температурні коефіцієнти лінійного розширення (α _l =2·10^-6 К^-1) і відносної діелектричної проникливості
(α _ε =6·10^-6 К^-1), висока електрична міцність (Е_пр до 45 МВ/м). Цельзіанова кераміка застосовується для каркасів високостабільних котушок індуктивності, ізоляторів і високочастотних конденсаторів великої реактивної потужності.

Стеатитова кераміка в основі містить природний мінерал тальк. Перевагами стеатитової кераміки є незначна усадка при випалюванні
(1÷ 1, 5 %) і мала абразивність. Вона застосовується для високочастотних прохідних ізоляторів, опорних плат, деталей корпусів напівпровідникових приладів, а також у вигляді пористої вакуумної ізоляції всередині ламп. Недоліком стеатита є невисока стійкість до різких змін температури і вузький температурний інтервал спікання при випалюванні (1330÷ 1350 °С).

Форстеритова кераміка застосовується для виготовлення ізоляторів вакуумних і напівпровідникових приладів, коли потрібен вакуумщільний спай з металом, що має підвищений температурний коефіцієнт лінійного розширення.

Конденсаторна кераміка володіє:

• високою відносною діелектричною проникністю для забезпечення найбільшої ємності конденсатора при мінімальних розмірах;

• слабкою залежністю ε від температури (температурний коефіцієнт діелектричної проникності α _ε повинен бути близький до нуля);

• малими діелектричними втратами;

• мінімальною залежністю ε і tgδ від напруженості електричного поля;

• високими значеннями ρ _v, ρ _s, Е_пр.

Титанова кераміка (тиконди) — кераміка на основі рутилу, титанату стронцію і перовськіта. Тиконди використовуються для високочастотних конденсаторів, від яких не потрібна стабільність ємності при зміні температури. Їх недоліками є знижена електрична міцність, схильність електрохімічного старіння при тривалій витримці під постійною напругою, високе від’ємне значення α _ε =-(1500÷ 3000·10^-6 К^-1).

Конденсаторна сегнетокераміка. У промисловості використовують кілька матеріалів на основі сегнетокераміки (СМ-1, Т-8000), кожен з яких застосовують для певних типів конденсаторів, оскільки жоден матеріал не відповідає всій сукупності вимог [4].

Нелінійні конденсатори — варіконди мають різко виражені нелінійні властивості. Для них характерні високі значення ε _max. Варіконди призначені для управління параметрами електричних кіл шляхом зміни їх ємності при впливі постійної або змінної напруги порізно або одночасно, різняться за значенням напруги і частоти.

Нелінійні діелектричні елементи, зазвичай в тонкоплівковому виконанні, є основою різних радіоелектронних пристроїв — параметричних підсилювачів, низькочастотних підсилювачів потужності, фазообертачів, збільшувачів частоти, модуляторів, стабілізаторів напруги, керованих фільтрів та ін.

Основні області застосування сегнетоелектриків:

• малогабаритні низькочастотні конденсатори з великою питомою ємністю;

• діелектричні підсилювачі, модулятори та інші керовані пристрої;

• лічильно-обчислювальна техніка (комірки пам'яті);

• модуляція і перетворення лазерного випромінювання;

• п'єзоелектричні і піроелектричні перетворювачі;

• нелінійні діелектричні елементи різноманітних радіотехнічних пристроїв.