3.22.13. Керамические материалы
Керамика — неорганический материал, получаемый из минерального сырья спеканием при высокотемпературном обжиге в твёрдую камнеподобную массу. Керамика негигроскопична, весьма стойка к атмосферным воздействиям, отличается высокими твёрдостью и нагревостойкостью, обладает хорошими электроизоляционными качествами.
Керамики по назначению делят на изоляторные, конденсаторные и сегнетоэлектрические.
Изоляторные керамики — электрофарфор и стеатит (табл. 3.9), из которых изготовляют изоляторы низкого и высокого напряжения, электроустановочные изделия и их детали.
Электрофарфор готовят из смеси белой глины — каолина (40…50 %), кварцевого песка (20…25 %), калиевого полевого шпата (20…30 %), битых бракованных фарфоровых изделий (5…8 %) с водой. Из полученного теста или полужидкой массы в формах прессуют или отливают изоляционные детали, которые после сушки покрывают слоем глазури и обжигают при температуре 1200…1300 ОС. Глазурь, расплавляясь, образует плотный стекловидный слой на поверхности изделий, повышающий их механическую прочность и защищающий от загрязнения в процессе эксплуатации.
Стеатит изготовляют из природного минерала — талька с добавлением бентонитовых глин для повышения пластичности формовочной массы.
Стеатит отличается от фарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Его электроизоляционные свойства мало зависят от температуры, диэлектрические потери у стеатита в 10 раз меньше чем у фарфора.
Таблица 3.9
Основные характеристики электротехнического фарфора
и высоковольтной стеатитовой керамики
-
Параметры
Фарфор
Стеатит
Прочность, МПа : при растяжении
при сжатии
25…35
400…500
30…45
500…700
V , Ом·м
1012…1013
> 1013
6…7
6…6,5
tg
0,035
0,002…0,0023
Епр , МВ/м
30…35
35…40
Конденсаторные керамики отличаются высокой диэлектрической проницаемостью ( = 15…200) , малыми диэлектрическими потерями (tg 10–3) и минимальной зависимостью этих характеристик от температуры. Они обладают высокими электроизоляционными качествами: V 1012…1013 Ом·м; Епр 20…25 МВ/м. Интенсивные процессы поляризации в конденсаторных керамиках, их высокая диэлектрическая проницаемость позволяют изготавливать малогабаритные конденсаторы со значительной электрической ёмкостью.
Таковы материалы, называемые титанатами, получаемые обжигом смеси диоксида титана с оксидами кальция, магния, цинка. Диэлектрическая проницаемость титанатов высока ( = 20…250), но меняется под действием температуры, что не позволяет изготавливать из них конденсаторы с высокой термостабильностью. Температуры более +200 ОС вызывают старение титанатовых керамик, приводящее к пробою.
Термостабильные конденсаторы изготовляют на основе станнатов и цирконатов — соединений диоксида олова или диоксида циркония с оксидами других металлов. Их диэлектрическая проницаемость почти не зависит от температуры, они лучше титанатов противостоят действию электрического поля.
Конденсаторы изготовляют прессованием или литьём керамической массы в формы с обжигом при +1500…+1700 ОС и последующим нанесением на поверхность керамических заготовок электродов толщиной 15…20 мкм из серебра, палладия или платины, к которым припаивают медные выводы. Для защиты от воздействия влаги и агрессивных сред конденсаторы покрывают слоем влагостойкой эмали.
Сегнетоэлектрические керамики — обладают особо высокой диэлектрической проницаемостью, позволяющей изготавливать конденсаторы весьма малых размеров со значительной электрической ёмкостью.
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от температуры, и датчики температуры, изготовленные из них, позволяют измерять температуру электрическими методами дистанционно.
При деформации пластины из сегнетоэлектрика на её гранях образуются разнополярные электрические заряды. При изменении направления деформации изменяются и знаки зарядов (рис. 3.46). Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом, а материалы, в которых оно наблюдается, — пьезоэлектриками.
Пьезоэлектрический эффект обратим: если в теле пластины пьезоэлектрика создать переменное электрическое поле какой-либо частоты, то она начнёт, деформируясь, колебаться с такой же частотой. Таков обратный пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрики на основе титанатов бария и кадмия, цирконата свинца не растворяются в воде и могут работать при высоких температурах: титанат бария — до +120 ОС, цирконат свинца — до +460 ОС. При больших температурах пьезокерамики утрачивают характерные для сегнетоэлектриков свойства и становятся обычными диэлектриками.
П
Рис.
3.46. Пьезоэлектрический эффект: а —
пьезодатчик : 1 — электроды; 2 — крепление
датчика;3 — пластина пьзо-электрика ;
б — пьезоЭДС (Епэ)
датчика при механическом воздействии
(Р)
на него во времени 
ьезоэлектрический
эффект широко используется для
преобразования механических деформаций
и колебаний в электрический сигнал,
обратный пьезоэлектрический эффект —
для стабилизации частоты генераторов
радиоприёмных и радиопередающих
устройств, получения ультразвуковых
колебаний в аппаратуре гидроакустической
связи и эхолокации.