5.10 Скло та ситали. Керамічні електроізоляційні матеріали.

5.10.1 Скло та ситали.

1. Основне поняття і класифікація скла.

2. Технологія виготовлення скла.

3. Основні характеристики стекол, які використовують як діелектрики.

4. Ситали.

1. Стеклами називають аморфні тіла, одержувані шляхом переохолодження розплаву незалежно від їхнього хімічного складу і температурної області затвердіння, набуваючі в результаті поступового збільшення в'язкості механічні властивості твердих тіл, причому процес переходу з рідкого стану в твердий є оборотним.

За хімічним складом стекла, що мають практичне значення, діляться на три основні типи:

• оксидні – на основі оксидів (SiО₂, GеО₂, В₂О₃, Р₂О₅, А_l2О₃);

• галогенідні – на основі галогенидів (ВеF₂ - фторберилатні стекла);

• халькогенідні – на основі сульфітів, селенідів і телурідів.

Найширше застосовуються оксидні стекла, які залежно від складу діляться на ряд класів і груп:

- за видом оксиду склоутворювача – силікатні, боратні, фосфатні, германатні, алюмосилікатні і т.д.;

- за вмістом лужних оксидів – безлужні (можуть містити лужноземельні оксиди МgО, СаО, ВаО), малолужні, багатолужні.

2. Технологія виробництва стекол включає такі основні стадії:

-приготування шихти;

-варка 13000С/ 16000С/ 21000С;

-формування скловиробів;

-відпал і повільне охолоджування;

-додаткова обробка.

Отримання стекол проводиться шляхом «варива» початкових компонентів скла в скловарних печах і при швидкому охолоджуванні розплавленого матеріалу. При розплавленні шихти в результаті реакції складових оксидів і видаленні летючих складових частин (Н₂О, СO₂, SО₃) виходить однорідна скломаса, яка і йде на вироблення скляних виробів. Виготовлені скляні вироби піддаються відпалу при достатньо високій температурі з подальшим повільним охолоджуванням для усунення механічних напруг.

Сировиною для шихти є кварцовий пісок, глинозем, каолін, сода, вапняк, сульфат натрію, бур, борна кислота, доломіт, сурик.

Найвищі показники механічних властивостей мають кварцеві і безлужні стекла, а найнижчі – стекла з підвищеним вмістом оксидів РbО, Nа₂О, К₂О.

Густина стекол звичайно знаходиться в межах 220-6500 кг/м³. Теплопровідність скла в порівнянні з іншими тілами виключно низька (найбільшу теплопровідність мають кварцеве і боросилікатні стекла). Термічна стійкість скла прямо пропорційна його міцності при розриві і обернено пропорційна його пружності і коефіцієнту лінійного розширення.

3. Електричні властивості стекол сильно залежать від складу скла. Більшість стекол характеризується іонною провідністю. Деякі спеціальні види стекол – халькогенідні, ванадієві (напівпровідникові) – мають електронну або змішану провідність. Найбільш сильно знижують електропровідність стекол SiO₂ і B₂O₃. Якнайменшу електропровідність має кварцеве скло, а найбільшу – високолужні. Електропровідність стекол дуже швидко зростає при збільшенні температури через збільшення рухливості іонів. Питомий об'ємний опір промислових стекол при невисоких температурах коливається в межах 10⁸-10¹⁵ Ом м.

Діелектричні втрати у стеклах складаються з втрат провідності і втрат релаксацій і структурних; tg  стекол збільшується із зростанням вмісту лужних оксидів при малому вмісті оксидів важких металів.

Найнижчу діелектричну проникність має кварцеве скло ( = 3,7-3,8) і склоподібний борний ангідрид ( = 3,1-3,2), у яких спостерігається переважно електронна поляризація. За наявності у складі стекол оксидів металів свинцю і барію, що має високу поляризованість,  стекол збільшується і стає близько 20.

Пробій стекол викликається електричними і тепловими процесами. При постійній напрузі електрична міцність скла досить велика і досягає 500 МВ/м, а при збільшенні температури різко знижується. У змінному електричному полі електрична міцність стекол складає 17-80 МВ/м.

Найвищі властивості має кварцеве скло, що виплавляється з гірського кришталю або чистих кварцевих пісків. Кварцеві стекла відрізняються високою оптичною прозорістю, механічною міцністю при високих температурах (понад 1000⁰С), інертністю до дії багатьох хімічних реагентів, високими електричними характеристиками: при нормальній температурі tg  = 0,0002  = 3,8 _v при 200⁰С близько 10¹⁵ Ом м. Кварцеве скло знаходить застосування для виготовлення різних виробів в електровакуумній промисловості: трубчасті, опорні, прохідні ізолятори для електричних газоочисних установок, високовольтні ізолятори для високовольтних ліній, різні деталі змінних конденсаторів, котушок самоіндукції, ламп, приладів, апаратів і ін.

4 Ситали («ситал» - скорочення від слів «силікат»* і «кристал») - продукт часткової кристалізації скломаси, в яку, окрім звичайних оксидів, вводять тонкодисперсні домішки, що служать для утворення центрів кристалізації. Силікати (від лат. - кремінь) - широко поширені мінерали (складають 85% маси твердої земної кори); складні і різноманітні за складом і кристалохімічною конструкцією солі метакремнієвої і ортокремнієвої кислот, в яких іноді кремній заміщається алюмінієм, бором, титаном і деякими іншими елементами.

У різні марки ситалів входять оксиди: кремнію - від 30 до 90%, титану - від 10 до 20%, бору - від 15 до 30%, алюмінію - від 12 до 28%, магнію - від 5 до 20%, калію - від 2 до 4%, літію - від 5 до 10%.

Як стимулятори кристалізації застосовують оксид титану ТіО2, сірчане залізо FeS, фториди і фосфати деяких металів і інші речовини. Від стекол ситали відрізняються дещо іншим хімічним складом і будовою і займають проміжне місце між звичайними стеклами і керамікою. Вони складаються з рівномірно розподілених по всьому об'єму дрібних кристалів, зрощених один з одним або сполучених тонкими прошарками залишкового скла. Вміст кристалічної фази в ситалах досягає 95%, а розміри оптимально розвинутих кристалів 0,01 ...2 мкм. На відміну від стекол ситали непрозорі, але деякі з них частково пропускають світло.

Технологія виготовлення ситалів складається із отримання виробів з скломаси спеціально підібраного складу традиційними способами і їх подальшої двохступінчатої термообробки. При температурі 5ОО...7ОО°С відбувається утворення центрів кристалізації, а при температурі 9ОО...11ОО°С - розвиток кристалічної фази.

У процесі термообробки відбувається усадка матеріалу, що досягає 2%. Отримані у такий спосіб ситали називають термоситалами.

Формування кристалічної будови в ситалах може проводитися фотохімічним способом. Під впливом опромінювання і подальшої низькотемпературної обробки (процесу прояву) з оксидів, що входять до складу скла, виділяються найдрібніші (колоїдні) частинки металів (мідь, золото, срібло, алюміній і ін.), які є стимуляторами кристалізації. У процесі прояву раніше безбарвний матеріал набуває певне забарвлення (від білого до коричневого кольору). Такі ситали отримали назву фотоситалів.

Розроблені сегнето- і пєзоситали, які використовують як активні діелектрики.

Залежно від хімічного складу початкового скла і режиму термообробки одержують ситали, які мають такі властивості: висока механічна міцність, твердість, термічна і хімічна стійкість, інтервал робочих температур -50 до +700°С, більш високі електроізоляційні властивості у порівнянні із стеклами того ж хімічного складу, невисока вартість виробів завдяки доступності сировини і простоти технології виготовлення, малі діелектричні втрати.

Ці властивості ситалів дозволяють застосовувати їх для різних приладів електронної техніки, що працюють у широкому діапазоні частот і температур.

Основні характеристики ситалів наведені нижче.

Густина Д кг/м3 2300...3000

Температура розм'якшення Траз°С 900...1300*

Межа міцності, МПа:

- при вигині _изг 120...200

- при стисненні _сж 500...1200

Температурний коефіцієнт лінійного розширення ТК/, К-1 (0,1 - 12)10^-6

Питомий електричний опір , Ом-М 1010...1012

Діелектрична проникність  5...7

Тангенс кута діелектричних втрат tg

при частоті 1 Мгц (10...800) 10-4**

Електрична міцність Епр, МВ/м 20...80

• *У скла інтервал температур розм'якшення ширше.

• ** У скла того ж складу це значення нижче.