Глава 9. Неорганические материалы

Керамика, стекла, ситаллы, графит и некоторые другие материалы образуют группу неорганических полимеров, для большинства которых характерны преимущественно гетероцепные пространственно-сетчатые структуры. Между частицами (атомами) их структуры действуют ионные, ионно-ковалентные, реже ковалентные химические связи.

Особенностями свойств материалов данной группы являются высокая прочность при сжатии, твердость, жесткость, низкая ползучесть, химическая и радиационная стойкость, огнеупорность и т.п., а к основным недостаткам следует отнести высокую хрупкость, т.е. низкие значения прочности при растяжении и изгибе и особенно при ударном изгибе.

9.1. Техническая керамика

Керамика представляет собой материал, полученный спеканием массы заданного состава из минералов и окислов металлов. В настоящее время термин «керамика» приобрел более широкое значение: кроме традиционных материалов, изготовляемых из глины, этим термином обозначают новые виды керамических материалов. Новая керамика, называемая технической, характеризуется специфическими физико-механическими свойствами.

Классификация технической керамики проводится обычно по признаку наличия в керамическом изделии определенного химического вещества, кристаллическая фаза которого преобладает в этом виде керамики, что позволяет объединить все существующие виды технической керамики в несколько основных классов. Область же применения керамики является дополняющим признаком, т.к. одна и та же по своему составу керамика может быть предназначена для разных условий эксплуатации (табл. 9.1).

Из таблицы видно, что техническая керамика более всего применяется в электро- и радиотехнике и радиоэлектронике.

Керамика относится к многофазным материалам и состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.

Кристаллическая фаза определяет основные характерные свойства данного керамического материала.

Аморфная (стекловидная) фаза связывает между собой частицы кристаллической фазы и образует прослойку между ними. Обычно керамика содержит от 1 до 40% стеклофазы.

Т а б л и ц а 9.1

Основные классы технической керамики, виды и области применения

Класс	Вид	Области применения
Из высокоогнеупорных оксидов (оксидная керамика)	Из оксида алюминия (корундовая керамика) Из диоксида циркония Из оксида бериллия Из оксида иттрия Из оксида магния Из оксида кальция Из оксида тория Из оксидов урана На основе диоксида кремния	Огнеупорные изделия, вакуумная техника, конструкционные детали, химически стойкие и электроизоляционные изделия. Огнеупорные изделия, конструкционные детали. Атомная энергетика, радиоэлектроника. Авиация, электроника. Огнеупорные, химически стойкие изделия То же Огнеупорные изделия, атомная энергетика Атомная энергетика Авиация, металлургия
На основе силикатов и алюмосиликатов	Муллитовая и муллитокорундовая Клиноэнстатитовая Форстеритовая Кордиеритовая Цирконовая Цельзиановая Литийсодержащая Волластонитовая	Электроника и радиотехника. Вакуумная, радио- и электротехника. Вакуумная техника. Электротехника. Электро- и радиотехника. Радиотехника. То же То же
На основе двуокиси титана, титанатов, цирконатов и соединений с подобными свойствами	На основе диоксида титана (рутиловая) На основе титанатов На основе цирконатов, ниобатов и соединений с пьезоэлектрическими свойствами	Радиотехника, электртехника. Конденсаторная и пьезоэлементы, раоиоэлектроника. То же
На основе шпинелей	Магнезиальная шпинель Феррошпинели	Огнеупорные изделия, электровакуумная и радиотехника. Электроника и радиотехника
На основе хромитов редкоземельных элементов (РЗЭ)	Хромит лактана Хромит иттрия	Высокотемпературные нагреватели, электропроводящие элементы. То же
На основе тугоплавклих бескислородных соединений	Карбиды, нитриды, бориды, силициды	Огнеупорные изделия, электронагреватели, конструкционные детали
Композиционные материалы	–	Конструкционные детали, огнеупорные изделия

Газовой фазой являются поры внутри керамического материала, которые образуются из-за наличия воздуха в массе и газовыделения при обжиге. Технические свойства керамики зависят от химического и фазового состава, макро- и микроструктуры и технологии изготовления. Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения с очень низкой или нулевой пористостью.

Широкое применение керамики в современной технике вызвано ее следующими свойствами: высокой нагревостойкостью (до 1000°С); стойкостью к длительному воздействию: влаги, химически агрессивных сред и радиации; слабым старением в электрическом поле; высокой механической прочностью и отсутствием остаточных деформаций при длительном воздействии нагрузок; доступностью и сравнительно низкой стойкостью сырья.

В зависимости от химического состава керамика подразделяется на окисную на основе Al₂O₃ (корунд), ZnO₂, MgO, CaO, BeO и др.; керамику на основе силикатов и алюмосиликатов (стеатитовая, муллитовая и др.); керамику на основе диоксида титана, титанатов, цирконатов и других соединений с подобными свойствами; керамику на основе шпинелей (Me²⁺Me³⁺O₄); керамику на основе хромитов редкоземельных элементов и иттрия; тугоплавкую бескислородную керамику (карбиды – МеС, бориды – MeB_n, нитриды – MeN и силициды – MeSi_n).

Керамические технологии широко применяются для изготовления диэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий.

Технология изготовления изделий из керамики состоит из следующих основных операций: а) приготовление керамической массы; б) оформление полуфабриката изделий; в) обжиг полуфабрикатов, механическая обработка.

Керамика после обжига может подвергаться дополнительной обработке:

- Глазурованию – созданию с помощью глазури на поверхности керамики прочного слоя, закрывающего поры. Глазурь по своему составу напоминает легкоплавкие стекла.

- Шлифованию для достижения требуемой точности изготовления деталей.

- Металлизации для создания на поверхности керамики проводящего слоя. Металлизацию осуществляют следующими методами: вжиганием серебряной пасты, химическим осаждением и др. Слой серебра позволяет осуществить пайку металлических частей к керамике, наносить электроды конденсаторов, изготавливать печатные схемы.

Электроизоляционные керамические материалы по назначению делятся на несколько классов: 1) изоляторы для устройств высокого и низкого напряжения, низкой частоты; 2) низкочастотные и высокочастотные изоляторы и конденсаторы малой емкости; 3) конденсаторы высокого и низкого напряжения, высокой и низкой частоты; 4) термодугостойкие узлы (основания нагревательных элементов и проволочных резисторов); 5) высоконагревостойкие изоляторы; 6) ресисторы.

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, является электрофарфор.

Достоинства электрокерамики перед другими электроизоляционными материалами состоят в том, что материалы для ее изготовления малодефицитны, а технология изготовления деталей из нее относительно проста.

Из электрофарфора можно изготовливать крупногабаритные высоковольтными изоляторы с весьма сложной конфигурацией. Кроме того, он имеет широкий интервал спекания, обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими и термическими свойствами в области рабочих температур. Керамическая масса электрофарфора готовится из следующих компонентов: белая глина (каолин) – 25%, пластичная глина – 15%, полевой шпат – 40%, кварцевый песок – 17%, череп фарфоровый молотый – 3%.

Высокочастотная керамика

с небольшой диэлектрической проницаемостью

Керамические материалы, применяемые для изготовления высокочастотных изделий различного назначения, называются высокочастотными.

Основными компонентами высокочастотной керамики служат, главным образом, оксиды элементов II-IV групп.

Классификация, свойства и основные области применения высокочастотной керамики регламентированы ГОСТ "Материалы керамические радиотехнические", в соответствии с которым изготовляются материалы следующих типов: А – высокочастотные для конденсаторов; Б – низкочастотные для конденсаторов и В – высокочастотные для установочных изделий и других радиотехнических деталей.

В зависимости от области применения керамические материалы делятся на классы, классы – на группы. Последние подразделяются:

а) по значению ТК_ (классы материалов А);

б) по изменению  (классы материалов Б);

в) по Тк_L и прочности при статическом изгибе (классы материалов В).

По рабочему температурному интервалу эти материалы подразделяются на следующие категории:

1) от –60 до + 85°С;

2) от –60 до +100°С;

3) от –60 до +125°С;

4) от –60 до +155°С;

5) от –60 до +200°С;

6) от –60 до +300°С.

По основной кристаллической фазе электроизоляционная керамика подразделяется на стеатитовую, форстеритовую, глиноземистую, цельзиановую, циркономуллитовую и др.

Высокочастотная керамика с повышенной

и высокой диэлектрической проницаемостью

Основными компонентами этой группы керамики являются соединения оксидов титана, циркония и олова с оксидами металлов II и III групп, а также твердых растворов этих соединений. Например, кристаллическую фазу высокочастотной керамики образуют соединения типа TiO₂, CaTiO₃, BaZnO₃, CaSnO₃, BaO^.4TiO₂ и др.)

В зависимости от назначения и параметров таких материалов они используются для производства высоко- и низкочастотных конденсаторов различного применения, подложек для печатных схем, полупроводниковых материалов и др.

Конденсаторные материалы согласно ГОСТ 20419-83 подразделяются на 8 подгрупп, в основном по значению .

Согласно ГОСТ 5458-75 "Материалы керамические радиотехнические" конденсаторные материалы подразделяются на 5 классов и 30 групп. Например, материалы класса I предназначены для производства контурных, термокомпенсирующих и разделительных конденсаторов низкого и высокого напряжений высокой частоты, материалы классов II и III – для производства конденсаторов высокой стабильности, применяемых в цепях высокой и сверхвысокой частот, а материалы классов IV и V – для производства в основном низкочастотных конденсаторов.

Термостойкая керамика

Керамика с очень низкими значениями ТК_L, способная многократно выдерживать большие термоудары, называется термостойкой. К термостойким керамическим материалам относятся плотные материалы на основе алюмосиликата магния (кордиерит 2MgO^.2Al₂O₃^.5SiO₂) или бария (цельзиан BaO^.Al₂O₃^.2SiO₂) и пористые термостойкие на основе алюмосиликата магния и др. соединений.

Термостойкая керамика применяется для изготовления специальных изоляторов в электронагревательных устройствах, стойких к термоударам, дугогасительных решетках высоковольтных выключателей и т.п.

Максимальная температура использования кордиеритовых изделий составляет 1300–1400°С при длительном режиме работы. Кратковременно, в течение 0,02 – 0,04 с кордиеритовая керамика выдерживает температуру до 1700°С.

В качестве термостойкой керамики кроме кордиерита используются также литийсодержащая, цирконовая и корундовая.

Литийсодержащая керамика характеризуется низким положительным или отрицательным ТК_l и более высокими механическими свойствами, чем кордиеритовая.

Цирконовая керамика (ZnO₂^.SiO₂) применяется в электротехнике для изготовления дугогасительных камер электромагнитных высоковольтных выключателей. Она характеризуется высокой огнеупорностью, малым ТК_l, стойкостью к термоударам, коррозийной стойкостью и высокими электроизоляционными свойствами.

Высоконагревостойкая оксидная и нитридная керамика

Окисная высоконагревостойкая керамика изготавливается из чистых оксидов без применения глинистых компонентов. К высоконагревостойким оксидам относятся Al₂O₃, MgO, BeO, CaO, ZnO₂ и др. Керамика на основе оксидов отличается высокими электроизоляционными или полупроводниковыми, механическими и теплофизическими свойствами при высоких температурах и применяется для изготовления высокотемпературных огнеупорных изделий (электроизоляционных и токосъемных системах, корпусов высоковольтных полупроводниковых приборов, изоляторов свечей зажигания, плат в интегральных схемах и т.п.)

Высокими электроизоляционными и термохимическими свойствами характеризуется беспористая прозрачная оксидная керамика при повышенных температурах. Основу прозрачной керамики составляют оксид иттрия (Y₂O₃), оксид магния (MgO) и др.

Нитридная высоконагревостойкая керамика, наряду с тугоплавкостью, обладает хорошими электроизоляционными и полупроводниковыми свойствами при высоких температурах, высокой термостойкостью, химической стойкостью, малым ТК_l.

Из числа высокотемпературных соединений наиболее важны Si₃N₄, BN, AlN и композиционные материалы на их основе.

Тугоплавкость, высокая термостойкость, жаростойкость до 1200–1300°С и высокие электроизоляционные свойства позволяют применять нитрид кремния и композиции на их основе в высокочастотных устройствах различного назначения.

Среди нитридов наилучшими электроизоляционными и теплофизическими свойствами обладает нитрид бора, применяемый в качестве термоизоляции в вакуумных индукционных печах, подложенных для транзисторов и т.п. Малые значения  и tg при сверхвысоких частотах и высокой температуре позволяют использовать нитрид бора в радиоэлектронной технике.

Нитрид алюминия (AlN) характеризуется тугоплавкостью, высокими электроизоляционными свойствами при повышенных температурах, твердостью, химической стойкостью, что позволяет использовать его в технике высоких температур (подложки транзисторов, изоляционные трубки для защиты высокотемпературных термопар и др.)