Неорганические диэлектрические материалы. Керамика. Основные свойства, получение, применение.

Керамика – большая группа диэлектриков с различными свойствами, объединенная общностью технологического цикла.

Получение:

1. Измельчение и смешивание исходных компонентов в шаровых и вибрационных мельницах, с помощью керамических или стальных шаров различного диаметра. Мельницы бывают как сухого, так и мокрого измельчения. Более тонкое измельчение достигается в водной среде.

2. Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката. Полученная в мельнице смесь пластифицируется органическим пластификатором. Пластификаторы подразделяют на водорастворимые и расплавляемые. Наиболее часто используют поливиниловый спирт и парафин.

3. Формование заготовок осуществляют методом прессования, протяжкой через мундштук или горячим литьем под давлением. Крупногабаритные изделия сложной формы формуют путем литья жидкой керамической массы в гипсовые формы.

4. Спекание в туннельных электрических печах при температуре 1300 °C. При спекании происходит выжигание пластификатора. За счет слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства.

По техн. назнач. керамику подразделяют на установочную и конденсаторную.

К установочной керамике относят материалы, из которых изготовляют основания конденсаторов, разнообразные изоляторы, планки, панели, каркасы катушек, корпуса резисторов, подложки интегральных микросхем. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.

Изоляторный фарфор – НЧ уст. керам, изготавливается из специальных сортов глины, кварцевого песка. Обладает низкой пористостью и высокой плотностью, водонепроницаемостью, высокой электрической и механической прочностью. На ВЧ использование затруднено из-за высоких диэлектрических потерь.

Радиофарфор промеж. полож. между ВЧ и НЧ диэлек. Добавка в состав смеси окиси бария, снижает диэлектр. потери.

Ультрафарфор – ВЧ керам., отлич. повыш. (> 80 %) содерж. глинозема Al₂O₃. Низкие диэлектр. потери с выс. мех. проч. и удовлет. технологич. параметрами. Изготовления установочных деталей и конденсаторов.

Алюминоксид –ВЧ керам., на 90÷95% состоит из глинозема. Низкие диэлектр. потери на радиочастотах, нагревостойкость (до 1600°С), больш. мех. проч., хорошая теплопроводность. Высокая твердность алюминоксида затрудняет его мех. обработку. Используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и для изготовления подложек ИнтегрМикрСхем.

Поликор – разновидность алюминоксида. Прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных ламп ‒ источников света. Обладает высокой плотностью, поликор является ценным материалом подложек для осаждения пассивных элементов гибридных интегральных схем.

Брокерит – ВЧ керамика на основе оксида бериллия (95÷99 % BeO). Самая высокая теплопроводность среди неметаллических материалов. Имеет высокие диэлектрические параметры: ρ = 10¹⁶ Ом*м. Помимо подложек для интегральных микросхем ее применяют в особо мощных приборах СВЧ. Токсичность.

Форстеритовая керамика – керамика на основе ортосиликата магния (2MgO·SiO2). Небольшие диэлектр. потери, высокое значение удельного объемного сопротивления и хорошая механ. прочность, повышенный коэфф. линейного расширения, ее применяют в электровакуумной технике как изолятор для согласованного спая с металлами.

Цельзиановая керамика состоит из цельзиана (BaO·Al2O3·2SiO2), BaCO3 и каолина (Al2O3·2SiO2·2H2O). Низкий темпер. коэфф. линейного расширения, повышенная электрической прочность и низкие диэлектрические потери. Изготовлении каркасов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и ВЧ конденсаторов большой реактивной мощности. Небольшая механическая прочность.

Стеатитовая керамика –ВЧ кер. на основе талька (3MgO·4SiO₂·H₂O). Малая прочность и незначительная усадка при обжиге (1,5%), из нее можно изготавливать мелкие детали с высокой точностью в размерах. Применяют в качестве опорных плат, изолир. колец, деталей корпусов Полупров/Приборов.

Конденсаторную керамику используют для производства ВЧ и НЧ конденсаторов выс. и низ. напряжения. Более высокое значение диэлектр.проницаемости, позволяет снизить габариты конденсаторов и уменьшить их массу.

Тиконды – кер. матер., в состав которых входит титан. Это рутил (TiО2), перовскит (CaTiO3) и титанат стронция (SrTiO3). Изготовление ВЧ конден.

Термоскомпенсированные тиконды –титано-циркониевая керамика (твердые растворы TiO2–ZrO2), лантановая керамика (LaAlO3–CaTiO3) и станнатная керамика (CaSnO3–CaTiO3–CaZrO3). Отличается повышенной температурной стабильностью свойств, которой добиваются за счет снижения диэлектрической проницаемости. ВЧ термостабильные конденсаторы.

Сегнетокерамика – НЧ конденсаторная керамика (BaTiO3, твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами). Выс. диэлектр. проницаемость, нет температурной стабильности.

В качестве конденсаторных материалов используют также установочную керамику (ультрафарфор, стеатитовую и цельзиановую керамики).