2.9. Керамічні діелектричні матеріали

Керамічними матеріалами називають неорганічні мате-ріали, з яких можуть бути виготовлені вироби тої чи іншої форми шляхом спікання неорганічних солей з мінералами та оксидами металів. Кераміні матеріали являють собою багатофазну систему і включають в себе кристалічну, склоподібну і газову фази. Основ-ною фазою є кристалічна. Скловидна фаза являє собою прошарки скла, що зв’язують кристалічну фазу. Газова фаза в кераміці (пори, мікротріщини) небажана і її наявність призводить до зниження механічних та електричних властивостей матерівалу. Керамічні матеріали нагрівостійкі, володіють високими електричними власти-востями, механічно міцні, стабільні і надійні в експлуатації. Пере-вагою кераміки перед іншими матеріалами є можливість отримання раніше заданих електрофізичних параметрів матеріалу зміною вихідного складу маси і технології виробництва виробів.

Керамічні матеріали можуть бути досить різноманітними за властивостями і області застосування. В електротехніці використо-вують керамічні матеріали в якості напівпровідникових і магнітних матеріалів. Надзвичайно велике значення мають керамічні діелект-ричні матеріали, інколи електроізоляційні, а також сегнетоелект-ричні керамічні матеріали. Багато керамічних матеріалів володіють низькими значеннями кута діелектричних втрат, високою нагріво-стійкістю. В порівнянні з органічними електроізоляціними матеріа-лами вона є більш стійкою до електричного і теплового старіння.

Керамічні матеріали в залежності від призначення виготов-ляються слідуючих типів: А – високочастотні для конденсаторів; Б – низькочастотні для конденсаторів; В – високочастотні для виробів та інших радіотехнічних деталей. Для кожного типу виго-товляють матеріали різних класів та груп з визначеними техніч-ними показниками.

Кераміка типу А характеризується високим вмістом криста-лічної фази і невеликим вмістом безлужної аморфної фази. Криста-лічну фазу формують у відповідності з температурним коефіціє-нтом діелектричної проникності ТК_ε, щоб отримати найбільше значення діелектричної проникності і низьке значення кута діелект-ричних втрат. Сюди відносять стронцієву кераміку на основі титанату стронцію SrTiO₃, що використовується для виготовлення високочастотних конденсаторів, до яких не ставлять вимог стабільності ємності. Кераміка даного типу використовується для виготовлення контурних, розділюючих і термокомпенсуючих конденсаторів. У термокомпенсуючих конденсаторів ємність зни-жується при підвищенні температури. Свою назву такий конден-сатор отримав тому, що його використовують для термокомпен-сації частоти контуру, що визначається виразом: , в якому індуктивність L підвищується з ростом температури. Так як кераміка даного типу ділиться на декілька класів, то електрофізичні параметри змінюються в широких межах.

Кераміка типу Б відрізняється високими діелектричною проникністю та діелектричними втратами. Сюди належить СВТ-кераміка (стронцій-вісмут-титан). Її кристалічна фаза утворена твердими розчинами титанатів стронцію SrTiO₃ і вісмуту Ві₄Ті₃О₁₂.

Кераміка типу В використовується для виготовлення різних установочних деталей радіоелектронної апаратури, що працюють в полі високої частоти і разом з тим несуть механічне навантаження.

Середні характеристики типів кераміки наведені в таблиці 2.8.

Табл.2.8.

Тип кераміки Параметр	А	Б	В
ε	14-250	900-9800	6-10
	1012	1011	1014-1017
Епр, МВ/м	6-35	5-25	20-45
tgδ	6·10-4	2·10-4	10-4 - 2·10-3

Фарфор з початку розвитку електротехніки широко використовувався як електроізоляційний матеріал. Для виготов-лення фарфору застосовують спеціальні сорти глини і кварц SiO₂. Суть технологічного процесу виготовлення фарфору зводиться до очистки від домішок всіх складових, ретельному їх подрібнюванню і перемішуванню в однорідну масу з водою. Відформовані ізоля-тори сушать для видалення вологи. Глазур – маса, що наноситься у вигляді водної суспензії тонким шаром на поверхню фарфорового виробу. Вона захищає фарфор від проникнення вологи, що дає змогу працювати ізоляторам у відкритих установках, на повітряних лініях електропередач. І, насамкінець, глазур, загладжуючи тріщи-ни та інші дефекти наповерхні фарфору, які є місцями початку руйнування при механічних навантаженнях, суттєво підвищує механічну міцність фарфорових виробів. Температура пом’якшен-ня глазуру дещо нижча температури обпалювання, щоб в момент обпалювання вона вже плавилась і добре покривала поверхню фарфору. Глазур повинна мати температурний коефіцієнт ліній-ного розширення α_l близький до α_l фарфору, інакше вона при змінах температури буде розтріскуватись. Основними електрич-ними характеристиками ізоляторів є розрядна напруга.

Стеатитову кераміку широко використовують для виго-товлення елементів корпусів напівпровідникових пристроїв та схем, а також в якості високочастотного матеріалу для виготов-лення прохідних ізоляторів, опорних плит, підкладок, ізоляційних кілець. Виготовляється на основі мінералу 3MgOx4SiO₂·H₂O, тобто силікату магнію. Перевагою стеатитової кераміки є мала усадка при обпалюванні, що дозволяє отримувати вироби точних розмірів. Основні параметри керамічних матеріалів зведено в табл.2.8.

Табл.2.8.

Параметр	Фарфор	Стеатитова кераміка
Густина, Мгр/м3	2,5-3,3	2,7
ТКl, К-1	4·10-6	7·10-6
ρ, Ом·м при: 20 0С 100 0С 300 0С	1012-1013 108-109 104-105	1013 5·1011 5·107
Діелектрична проникність ε	6-7	6-6,5
Електрична міцність Епр, МВ/м	20-28	20-25
tgδ при: 200С / 1000С	0,035 / 0,12	0,002 / 0,003

Сегнетокераміка – це особлива група матеріалів, що воло-діють сегнетоелектричними властивостями: різкою залежністю ε від температури і напруженості електричного поля, наявністю діелектричного гістерезису. Представником сегнетокераміки є ти-танат барію ВаТіО₃. Добавленням до титанату барію деяких інших матеріалів (як сегнетоелектричних так і несегнетоелектричних) вдається суттєво змінювати його властивості, зокрема зміщати точку Кюрі в область більш високих температур. Матеріал складу 7ВаО·2SrTiO₃·СаTiO₃ маркується Т-7500, так як значення ε для нього в точці Кюрі (біля 35⁰С) близьке до 7500. Досить значною нелінійністю ємності володіють сегнетокерамічні конденсатори, що отримали назву варикондів.