Тема 3.11 Стекло и керамика.

Тема 3.11 Стекло и керамика.
Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава различного
химического состава, приобретающие механические свойства твердых тел.
Наиболее широкое применение нашли оксидные стекла, в частности силикатные, в которых
стеклообразующим веществом является кварцевый песок, содержащий 98 % SiO2 . Наилучшими
свойствами обладают стекла изготовленные только из кварцевого песка, однако расплавит его можно
только при очень высокой температуре около 2000 С. Для получения остальных видов стекол, кроме
кварцевого песка используют соду, мел, доломит и др. вещества, понижающие температуру плавления,
но и ухудшающие свойства стекла. При определенной температуре стекломасса приобретает
пластичность, что позволяет производить формовку изделий из стела путем выдувания, центробежного
литья, вытяжки, прессования, отливки и т.п. Стеклообразное состояние материала получается при
быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения происходит частичная
кристаллизация, стекло теряет прозрачность и механическую прочность.
По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия,
натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно
загустевшую жидкость вследствие переохлаждения. Обычное, щелочное стекло непригодно
для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях
эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное стекло. Его
характеристики:
диэлектрическая проницаемость
7;
удельное объемное сопротивление
1012 Омм;
удельное поверхностное сопротивление
1014 Ом;
тангенс угла диэлектрических потерь
2.410-2;
электрическая прочность
48 кВ/мм,
теплопроводность
0.92 Вт/(мК);
теплоемкость
1 кДж/(кгК);
плотность
2500 кг/м 3;
прочность на разрыв
90 МПа.
К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость
получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.
Свойства стекол:
Стекла
обладают
низкой
теплопроводностью
и
малым
коэффициентом
линейного
расширения________________, высокой термостойкостью и химостойкостью.
При спае стекла с металлом необходимо согласовывать их коэффициенты линейного расширения.
Электрические
свойства
характеризуются
высокими
значениями_________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Классификация стекол по техническому назначению:
-электровакуумные (баллоны, колбы радиоламп и осветительных приборов)
-изоляторные (в конденсаторах, транзисторах)
-цветные (цветные стекла, светофильтры, эмали, глазури)
- лазерные (рабочее тело в твердотелых лазерах)
-стекловолокно (светодиоды, нагревостойкая изоляция, стеклоткани)
- проводящие стекла (проводящие и оптически прозрачные пленки)
Керамика
Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных
общностью технологии получения. При изготовлении керамических изделий требуется
высокотемпературный обжиг.
Керамическим диэлектрикам присущи многие положительные свойства:
-высокая нагревостойкость
-негигроскопичность
-высокие диэлектрические характеристики
-достаточная механическая прочность
-стабильность характеристик и надежность
-стойкость к воздействию излучения высокой энергии
-дешевизна
Технологический процесс керамического производства обязательно включает в себя следующие
операции.
1) Измельчение и смешивание исходных компонентов
2) Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката
3) Формирование заготовок
4) Спекание изделий (высокотемпературный обжиг)
Керамические материалы (относящиеся к диэлектрическим) подразделяются на:
-установочные
-конденсаторные
Установочную керамику применяют для изготовления различного рода изоляторов и конструкционных
деталей: опорных, проходных, подвесных изоляторов, подложек интегральных микросхем, ламповых
панелей, корпусов резисторов, оснований электрических печей и др.
Наиболее распространенным керамическим материалов является электротехнический фарфор.
Фарфоровые изделия покрывают глазурью, которая отличается большим содержанием
стеклообразующих компонентов. Глазурь повышает механическую прочность изделий и делает их
стойкими к влаге и атмосферными загрязнениями.
Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из
глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по
керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость
к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию
химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна
исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства
изоляторов. Основные характеристики:
диэлектрическая проницаемость
7;
удельное объемное сопротивление
1011 Омм;
удельное поверхностное сопротивление
109-1012 Ом;
тангенс угла диэлектрических потерь
210-2;
электрическая прочность
25-30 кВ/мм,
теплопроводность
1.0-1.2 Вт/(мК);
теплоемкость
1.2-1.5 кДж/(кгК);
плотность
2300-2500 кг/м3;
прочность на разрыв
90 МПа.
Сравнивая данные по фарфору и кремнийорганическим резинам, можно выделить, что
недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность,
высокие диэлектрические потери.
Другим электрокерамическим материалом является стеатит, имеющий большую механическую
прочность, лучшие электрические характеристики. Также преимуществами стеатитовой керамики
является ее малая абразивность и незначительная усадка при обжиге. Поэтому из него можно
изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах: детали корпусов ПП, опорные платы,
внутриламповые изоляторы. Стеатит материал более дорогой, по сравнению с электрофарфором.
Для изоляции в цепях переменного тока ВЧ используются высокочастотная керамика : радиофарфор,
ультрафарфор, обладающая низкими диэлектрическими потерями.
Основные
характеристики________________________________________________________________________электр
офарфор________________________________________________________________________стеатит_____
_________________________________________________________________________
Конденсаторная керамика отличается от установочной большей величиной диэлектрической
проницаемости, которая может быть повышенной
=10-250 и высокой
> 900. Это позволяет
изготавливать керамические конденсаторы большой емкости и сравнительно малых размеров, при этом
технология их изготовления проще и не требуется защитного корпуса. Конденсаторная керамика
изготавливается из оксидов титана, титаната бария, титаната-циркония и др.
Промежуточное положение между стеклами и керамикой
занимают ситаллы,
изготовляемые кристаллизацией стекол различного состава Ситаллы непрозрачны. Основные
характеристики ситал-лов: плотность 2300— 3000 кг/м3, ГР = 900-^ 1300 °С; о„=150-Н -200
МПа; а< = 500ч- 1200 МПа; Х = 0,8Н-2,2 Вт/(м-К); — (О l^l2)-10~b 1/°С; р= 10|()-:-10|2Ом.м;
е, = 5-т-7 = 1о-3-ь8-10-2; £,ф = 204-80 МВ/м.
Эти материалы применяют для изготовления
ответственных радиоэлектронных изделий.
конструкционных,
Рис. 3. Штыревые изоляторы:
а—низкого
напряжении,
б
иысокчго
напряжении Ц1Ф10-Г
строительных
и