Стекло и керамика

Стеклами называют аморфные тела, получаемые в результате переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, приобретающие в резуль­тате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в твер­дое является обратимым.

По химическому составу име­ющие практическое значение стекла делятся на три основных типа:

оксидные - на основе оксидов (SiO₂, GeO₂, В₂О₃, Р₂О₅, Аl₂О₃), галогенидные - на основе галогенидов (BeF₂, фторбериллатные стек­ла), халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов. Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в за­висимости от состава делятся на ряд классов и групп:

- по виду оксида-стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и т.д;

- по содержанию щелочных оксидов - бесщелочные (могут содер­жать щелочно-земельные оксиды MgO, CaO, ВаО), малощелочные, многощелочные.

Электрические свойства стекла сильно зависят от состава стекла. Большинство стекол характеризуется ионной про­водимостью. Некоторые специальные виды стекол - халькогенидные, ванадиевые (полупроводниковые) - имеют электронную или смешанную проводимость. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую - высокощелочное. Электропроводность стекол очень быстро возрастает при увеличе­нии температуры из-за увеличения подвижности ионов. Удельное объемное сопротивление промышленных стекол при невысоких тем­пературах колеблется в пределах 10⁸...10¹⁵ Ом·м. Существенное вли­яние на электропроводность стекол имеет поверхностная проводи­мость, сильно зависящая от адсорбированной водяной пленки.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь про­водимости и потерь релаксационных и структурных; tgδ стекол уве­личивается с ростом содержания щелочных оксидов. Самую низкую диэлектрическую проницаемость имеет кварце­вое стекло [ε _r = (3, 7... 3, 8)]. При наличии в составе стекол оксидов ме­таллов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, ε _r стекол увеличивается примерно до 20.

Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми про­цессами. При постоянном напряжении электрическая прочность стекла весьма велика и достигает 500МВ/м, а при увеличении температуры резко снижается. В переменном электрическом поле элек­трическая прочность стекол 17... 80 МВ/м.

Полупроводниковые сте­кла применяются в элект­ронных приборах и устройствах, например, в термосопротивлени­ях, светофильтрах и фотосопротивлениях, сочетающих в себе из­бирательное поглощение света с повышенной электропровод­ностью.

Электротехническая керамика.

Это материал, получаемый в ре­зультате обжига формовочной массы заданного химического со­става из минералов и оксидов металлов. Многие керамические материалы имеют высокую меха­ническую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длитель­ном приложении нагрузки, большую, чем у органических материа­лов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.

В качестве электроизоляционного мате­риала находит электротехнический фарфор, используемый в производстве изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электро­технический фарфор, как и любая керамика, состоит из кристалли­ческой, аморфной и газовой фаз. Основными компонентами фарфора являются сырьевые мате­риалы минерального происхождения - глинистые вещества (као­лин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит). Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной темпе­ратуре позволяют использовать его при низких частотах: е_r = 6...7, tgδ = 0, 02; tgδ электротехнического фарфора, однако быстро рас­тет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgO·SiO₂,. Стеатитовые материалы характе­ризуются высокими значениями ρ, в том числе при высокой темпе­ратуре, малым tgδ.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок характеризуется большим со­держанием Аl₂0₃ и является усовершенствованным радиофарфором. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повы­шенную механическую прочность и теплопроводность.

Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоре­тической для Аl₂0₃), обладает оптической прозрачностью и при­меняется для изготовления колб некоторых специальных источни­ков тока.

Конденсаторная керамика имеет диэлектрическую проницае­мость ε _r = 10...230 или ε _r = 900. В первом случае керамика относит­ся к высокочастотным диэлектрикам; tgδ на частоте 1 МГц не дол­жен превышать 0, 0006. Во втором случае имеет место керамика низ­кочастотная; на частоте 1000 Гц tgδ = (0, 002... 0, 025). К конденса­торной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектричес­кой проницаемости. Многие из конденсаторных материалов имеют в своем составе диоксид титана - рутил (TiO₂) и называются тикондами. Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция – СаТiO₃ и SrTiO₃. При высоких частотах у этих материалов температурная за­висимость tgδ выражена слабо, однако эти виды материалов харак­теризуются пониженной электрической прочностью (8... 12 МВ/м).

Для повышения температурной стабильности в керамику вво­дят компоненты с положительным значением температурного ко­эффициента ε _r. Такие материалы часто называют термокомпенсированными. К этой группе относятся титано-циркониевая керамика TiO₂-ZrO₂; CaTiO₃-CaZrO₃; лантановая керамика LaAlO₃-CaTiO₃.

Основу низкочастотной керамики составляют титанат бария BaTiO₃ и твердые растворы на его основе. Эти материалы отлича­ются высокими значениями диэлектрической проницаемости и ее нелинейной зависимостью от напряженности электрического поля.