Стекло и керамика

Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃); галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF₂ (фторберилатные стекла) и халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

1. по виду окисла стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.;
2. по содержанию щелочных окислов - бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды MgO, CaO, BaO и др.) малощелочные; многощелочные.

Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na₂O₃, K₂O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO₂ и B₂O₃. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность. стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 10⁸ до 10¹⁵ Ом^.м.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных. tg стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов PbO и BaO имеют низкий tg .

Самую низкую имеет кварцевое стекло (3.7 - 2.8) и стеклообразный борный ангидрид (3.1 - 3.2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20).

В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17 - 80 МВ/м.

Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.

Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава 1300 до 1400^оС. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: =6 - 7, tg около 0.02. tg электротехнического фарфора, однако быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице.

Конденсаторная керамика имеет повышенные ( =10 - 230) и высокие значения ( =900). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tg на частоте 1МГц не должен превышать 0.0006, во втором случае керамика низкочастотная - на частоте 1кГц tg = 0.002 - 0.025. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил (TiO₂). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция - CaTiO₃ и SrTiO₃.