6.11. Керамічні матеріали

*Кераміка (від грец. Keramos - глина) - вироби, які отриму­ють високотемпературним спіканням глин і їх сумішей з міне­ральними добавками, а також: оксидів та інших неорганіч­них сполук.

Перші вироби з кераміки з'явились в епоху неоліту. Будь-яка технологія виготовлення кераміки включає наступні операції:

► тонке подрібнення і старанне змішування вихідних компо­нентів. Подрібнення проводять у вібраційних і кульових млинах. В останніх мелючими тілами є керамічні (для радіокераміки) або сталеві чи чавунні кулі. У результаті подрібнення та перемішу­вання утворюється шихта;

► пластифікація шихти введенням у шихту розплавленого па­рафіну (8 - 16 %) і олеїнової кислоти (0,6 - 0,8 %). Тонкий помол керамічного порошку і змішування його з розплавленим парафіном здійснюють у нагрітому до 90 °С кульовому млині і отримують шлікер, який вакуумують для видалення розчинених у ньому газів;

формування із шлікерної маси деталей методом пресування, витисканням через мундштук. Формування великогабаритних виробів з водного шлікеру здійснюють заповненням рідким шліке-ром гіпсових форм, які розбивають в процесі витягання сформо­ваних виробів. Найчастіше малогабаритні електротехнічні ке-

рамічні вироби виготовляють методом гарячого лиття під тис­ком розплавленого парафінового шлікеру в стальні форми.

Лиття під тиском розплавленого парафінового шлікеру - най­більш ефективний метод виготовлення дрібних високоточних скла­дної форми керамічних виробів на ливарних апаратах. Ливарну масу (шлікер) зали-вають у бак ливарної машини, в якій шлікер за температури 80 - 90 °С періодично або постійно перемішуєть­ся для збереження однорідності ливарної маси. Без перемішуван­ня розплавлена маса стає неоднорідною внаслідок осідання кера­мічних частинок, які мають в кілька разів більшу питому масу порівняно з парафіном. Вироби, отримані з неоднорідної ливарної маси, після видалення парафіну і спікання мають різні розміри. З однорідної ливарної маси за дотримання точних розмірів пресформи і температурного режиму можна отримати високоточні ви­роби з відхиленням розмірів у межах кількох сотих міліметра. Такі вироби формують в багатомісних пресформах, і вони придатні для використання без кінцевої механічної обробки.

Видалення з відлитих виробів парафіну можна здійснити шля­хом дуже повільного їх нагріву у спеціальних вакуумних устано­вках, та найчастіше для видалення парафіну відлиті деталі вмі­щують у вогнетривкі керамічні коробки (капселі). Простір між деталями заповнюють дрібнодисперсним порошком глинозему, який абсорбує парафін, що виділяється з виробів за нагріву. Кап­селі з виробами плавно нагрівають до температури 1000 - 1100 °С, за якої вироби набувають достатньої механічної міцності. Після охолодження капселів вироби виймають, очищають від порошку і поміщають у високотемпературну піч для кінцевого спікання. Кінцева температура випалювання фарфорових виробів становить 1280 - 1370 °С, а виробів з корундової кераміки - 1600 у 1750 °С.

Керамічні матеріали за призначенням підрозділяють на →ус­тановчі і →конденсаторні. Установчу кераміку застосовують для виготовлення різних ізоляторів, підкладок інтегральних мікросхем, лампових панелей, каркасів індукційних котушок тощо.

Залежно від електричних властивостей установчу і конденса­торну кераміку підрозділяють на =>низько- і =>високочастотну. Найбільш поширеним з низькочастотних установчих матеріалів є ізоляторний електротехнічний фарфор, з якого виготовляють різні ізолятори високої і низької напруги.

Електротехнічний фарфор виготовляють зі спеціальних сор­тів пластичної вогнетривкої глини (40 - 50 %), кварцового піску (20 - 25 %) та калієвого польового шпату. Компоненти подріб­нюють, добавляють приблизно 20 % води і перемішуванням отри­мують тістоподібну масу, з якої вакуумуванням видаляють бу­льбашки повітря. Масу витискають через мундштук у вигляді циліндра, розрізають на необхідної довжини заготовки, з яких пре­суванням у гіпсових (стальних) пресформах формують ізолято­ри. Кінцевої форми та розмірів ізолятори набувають після оброб­ки на токарних верстатах. З ізоляторів у сушарках видаляють вологу до 0,1 - 2 % і покривають їх глаз урною суспезією. У про­цесі випалювання електрофарфорових виробів глазур плавиться і створює на поверхні виробів скляне покриття. Глазур надає фа­рфору стійкості проти вологи та атмосферних забруднень і під­вищує механічну міцність виробів.

Випалювання ізоляторів проводять в тунельних печах безпере­рвної дії. Ізолятори вміщують у вогнетривкі коробки (капселі), які захищають поверхню виробів від безпосередньої дії полум'я та газів. Капселі з ізоляторами кладуть на спеціальні вагонетки, які послідовно проходять через зони підігрівання, випалювання й охолодження із заданими температурами.

У структуру фарфору входять голкоподібні кристали муліту 2Si0₂·3A₂0₃, проміжки між якими заповнені склом. Таке поєднан­ня кристалічної і аморфної фаз надає фарфору високу механічну та електричну міцність і запобігає водопоглинанню. Недолік фар­фору - великі діелектричні втрати (tgδ≈10^-2), які обмежують його застосування при високих частотах. Спостерігається та­кож різке погіршення його електричних властивостей при темпе­ратурах вище 100 °С.

Радіофарфор займає проміжне положення між низько-частот­ними і високочастотними діелектриками. Покращання його елек­тричних властивостей порівняно з ізоляційним фарфором досяга­ється введенням у шихту оксиду барію.

Ультрафарфор вміщає до 80 % глинозему, є високочастотним діелектриком з високою механічною міцністю та низькими діеле­ктричними втратами. Таке поєднання цінних властивостей пояс-

нюється наявністю в ньому барієвого скла, яке одночасно при­швидшує спікання, утворюючи при випіканні рідку фазу. У ре­зультаті отримують при досить низьких температурах спікання (-1360 °С) компактну кераміку.

Стеатитова кераміка вигідно відрізняється від електрофарфору кращими електричними властивостями, які істотно не погі­ршуються до температури 250 °С і підвищеною механічною міц­ністю. її отримують із суміші тальку 3MgО·4Si0₂·2H₂0 і вугле­кислого барію ВаС0₃ або вуглекислого кальцію СаС0₃. Для по­ліпшення пластичності в стеатитову масу вводять 15-20 % бен­тонітових та інших глин.

Стеатитові вироби великих розмірів виготовляють методом пресування в гіпсових формах, а дрібних розмірів - литтям під тиском парафінового шлікеру. Основу структури стеатиту ста­новлять кристали MgO·Si0₂ (~70 %), решта скло.

Керамічні конденсаторні матеріали з підвищеним (=10 - 250) значенням діелектричної проникності (при 1 МГц tgδ менше 0,006) застосовуються для виготовлення високочастотних конденсато­рів, а кераміка з високим ( >900) - для низькочастотних конден­саторів. Конденсаторні матеріали повинні мати якомога менші значення температурного коефіцієнта діелектричної проникності і високий рівень інших електричних характеристик: ρ_v= 10¹² -10¹³Ом·м; tgδ менше 0,0005; Е_міц =20-25 МВ/м.

Ці вимоги задовольняють матеріали на основі діоксиду тита­ну (титанати), діоксиду олова (станати) і діоксиду цирконію (цирканати). Основні характеристики деяких конденсаторних мате­ріалів приведені в табл. 6.З.

Підвищене значення діелектричної проникності конденсатор­ної кераміки дає змогу виготовляти керамічні конденсатори ве­ликої ємності при порівняно малих габаритних розмірах. Вони не гігроскопічні, а технологія їх виготовлення простіша порівняно з технологією виготовлення паперових і слюдяних конденсаторів, на які необхідно наносити водонепроникні оболонки. На поверхні керамічних конденсаторів впікають суцільні срібні електроди, до яких припаюють мідні провідники. Всю поверхню конденсаторів покривають суцільним шаром вологостійкої емалі для захисту електродів від корозії і для запобігання замиканню.

Таблиця 6.3

Основні характеристики конденсаторних керамічних матеріалів

У ряді випадків як конденсаторні матеріали використовують деякі види установчої кераміки (ультрафарфор, стеатит та ін.)

Корундова кераміка з вмістом А1₂0₃ 95 - 99 % характеризується низькими діелектричними втратами в діапазоні радіочастот і при під­вищених температурах. Відрізняється від розглянутих вище керамі­чних матеріалів високою нагрівостійкістю (до 1600 °С), механічною міцністю і питомою теплопровідністю (у 10-20 разів вищою, ніж в ізоляторного фарфору). Використовується корундова кераміка для виготовлення вакуумнощільних ізоляторів в корпусах напівпровід­никових приладів і підкладок інтегральних мікросхем.

Найбільш високою теплопровідністю серед неметалевих мате­ріалів вирізняється окис берилію. Кераміка на його основі (95 -99 % ВеО) має в 200 - 250 разів вищу теплопровідність порівняно зі скляними матеріалами.