20. Керамика: состав, свойства и применение.

Слово керамика произошло от греческого слова «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамикой. В настоящее время под керамикой понимают изделия и материалы, полученные спеканием глин с минеральными добавками, а так же окислов и других неорганических соединений. В общем случае керамический материал состоит из нескольких фаз (кристаллической, стекловидной газообразной фаз). Основной фазой является, кристаллическая фаза; от нее зависят такие свойства керамики как диэлектрические потери, ТКЛР, механическая прочность. Это обычно различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.

Стекловидная фаза – это прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Она определяет такие свойства керамики как температура спекания, степень пластичности, плотность, гигроскопичность. Газовая фаза – это газы в закрытых порах, приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, так как при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации этих газовых включений наблюдаются диэлектрические потери, и электроизоляционная прочность керамики уменьшается.

Для современной радиоэлектроники керамика имеет важное значение, благодаря своим положительным свойствам:

- высокая нагревостойкость;

- отсутствие гигроскопичности;

- хорошие электроизоляционные характеристики при достаточной механической прочности;

- стабильность характеристик и надежность;

- стойкость к развитию плесени и поражению насекомыми;

- стойкость к воздействию радиации;

- сырье доступное и дешевое;

- процесс получения керамических изделий технологичен, может быть полностью автоматизированным;

- путем изменения состава массы и технологии можно получать керамику с заранее заданными характеристиками.

В РЭА используется наиболее высококачественная керамика – радиокерамика. Она делится в зависимости от назначения:

- А – ВЧ - для конденсаторов

- В – НЧ - для конденсаторов

- Б – ВЧ - для установочных изделий

- Г – НЧ - установочная керамика

Конденсаторная керамика используется для изготовления НЧ и ВЧ конденсаторов низковольтных и высоковольтных. Желательно чтобы конденсаторная керамика имела, возможно, меньшее значение ТКr.

Установочная керамика применяется для изготовления разного рода изоляторов (опорных, подвесных, антенных проходных изоляторов РЭА, подложек ИМС, ламповых панелей, внутри лампового изолятора, корпус резистора, каркас катушек индуктивности, основание электрических печей).

21. Сегнетоэлектрики: материалы, их особенности и свойства.

Сегнетоэлектриками называют материалы, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определенном интервале температур.

Спонтанная поляризация – это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетоэлектриков.

Объем сегнетоэлектрика разделен на домены, которые представляют собой макроскопические области с различным направлением векторов спонтанной поляризованности Р_с. В отсутствие внешнего электрического поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. При воздействии внешнего электрического поля векторы спонтанной поляризации диполей ориентируются в основном в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, следствием чего является сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости ε.

Сегнетова соль обладает следующими свойствами и недостатками:

Зависимость от влажности окружающее среды; при нормальной температуре и влажности воздуха более 85% начинает поглощать пары воды и медленно растворяется; при влажности менее 35% происходит обратный процесс – дегидратация (обезвоживание), т.е. выделение входящей в структуру кристаллизационной воды;

низкая нагревостойкость; при повышенной температуре сегнетова соль распадается на тартрат натрия, тартрат калия и их насыщенные растворы с выделением воды;

анизотропия, позволяющая вырезать образцы только в определенной плоскости.

Эти недостатки ограничивают применение сегнетовой соли в технике.

Сегнетокерамические материалы обладают различными свойствами, на которые оказывают влияние химический состав и концентрация примесей. Из сегнетокерамических материалов широко применяется конденсаторная сегнетокерамика, нелинейная керамика, терморезистивная сегнетокерамика и сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса.

К конденсаторной сегнетокерамике относят материалы на основе титаната бария BaTiO₃.

Титанат бария обладает следующими свойствами:

высокие значения диэлектрической проницаемости ε и резко выраженная ее зависимость от температуры Т и напряженности электрического поля Е;

нелинейный характер зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, вследствие чего имеет место нелинейная зависимость емкости конденсаторов от напряженности электрического поля;

возможность подбирать составы с очень высокими значениями диэлектрической проницаемости и с различной ее зависимостью от температуры и напряженности электрического поля; такими составами являются твердые растворы титаната бария в других соединениях, например в титанате стронция SrTiO₃, титанате кальция CaTiO₃, станнате бария BaSnO₃ и др.

Конденсаторная сегнетокерамика применяется для изготовления нелинейных конденсаторов, которые используются для диэлектрических умножителей частоты, в усилителях напряжения и мощности, стабилизаторах.

Нелинейная сегнетокерамика обладает более резко выраженной нелинейной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, чем у титаната бария.

Нелинейные диэлектрические конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения, называют варикондами (слово «вариконд» произошло от слов «вариация» и «конденсатор»).

Конструктивно вариконды выполняют в виде дисковых или пленочных плоских керамических конденсаторов.

Уменьшение толщины слоя керамики до нескольких десятков микрон позволяет получить пленочные вариконды, которые работают при весьма низких напряжениях.

Терморезистивную сегнетокерамику по характеру электропроводности (удельное электрическое сопротивление ρ<10⁹ Ом ∙ м) можно отнести к полупроводникам, однако благодаря спонтанной поляризации и фазовому переходу в точке Кюри терморезистивная сегнетокерамика обладает рядом свойств, которые не присущи полупроводникам.