32. Електроізоляційне скло і матеріали на його основі.

Скло – неорганічна квазіаморфна речовина, що являє собою складну систему різноманітних оксидів. Властивості скла змінюються в широких межах в залежності від їх складу і режиму теплової обробки. Так, при нормальній температурі, питомий опір скла складає ρ = 10⁶-10¹⁵ Ом·м, ε = 4-25, tgδ = 0,0002-0,01.

Скло отримується при швидкому охолодженні розплавленого матеріалу. Сировинні матеріали: кварцевий пісок SiO₂, сода Na₂CO₃, вапно CaCO₃, доломіт CaCO₃xMgCO₃, сульфат натрію Na₂SO₄, борна кислота H₃BO₃, подрібнюють, зважують в потрібних пропорціях, перемішують і завантажують в склоплавильну піч.

Межа міцності скла при розтягу невелика (100-300 МПа) і збільшується з підвищенням вмісту в ньому оксидів кремнію SiO₂ і кальцію CaO. Лужні оксиди понижують міцність скла.

З теплових властивостей скла найбільше значення мають темпе­­­ратура пом’якшення і температурний коефіцієнт лінійного розширення. Температира пом’якшення для скла різного складу коливається від 350 до 1700⁰С. Найбільш тугоплавким є кварцове скло. Температурний коефіцієнт лінійного розширення скла змінюється від 5,5·10^-7 до 150·10^-7 К^-1. Він грає важливу роль при спайці і зварці одне з одним різних видів скла, при спайці скла з металом, при нанесенні склоемалі на ту чи іншу поверхню. Необхідно, щоб TKl скла і з’єднуваних з ним матеріалів бути приблизно рівними, інакше при зміні температури може виникнути розтріскування скла.

В залежності від призначення розрізняють слідуючі види скла: конде-нсаторні, ізоляторні та склоемалі.

Конденсаторне скло використовується в якості діелектрика конде-нсаторів, що застосовуються в високочастотних фільтрах, імпульсних генера-торах, коливальних контурів високочастотних пристроїв. По можливості вони повинні мати підвищену ε і якнайменший tgδ. Використовується для ізоляції вводів в деякі типи конденсаторів, терморезисторів, в напівпровідниковому виробництві для виготовлення ізоляторів в металічних корпусах “таблет-кового” типу, ізоляторів в потужних пристроях, в корпусах кремнієвих та германієвих транзисторів.

Склоемалями називають покриття, що наносять на поверхню виробів з метою захисту від корозії. Їх застосовують для утворення електричної ізоляції трубчастих резисторів, в яких на зовнішню поверхню керамічної трубки нанесена проволочна обмотка з ніхрому чи константану, поверх якої наплавляється шар емалі, що ізолює окремі витки і захищає обмотку від вологи.

33. Найважливіші типи керамічних електроізоляційних матеріалів та області їхнього застосування.

Керамічними матеріалами називають неорганічні матеріали, 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. Основною 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 властивостями, механічно міцні, стабільні і надійні в експлуатації. Перевагою кераміки перед іншими матеріалами є можливість отримання раніше заданих електро-фізичних параметрів матеріалу зміною вихідного складу маси і технології виробництва виробів.

Керамічні матеріали можуть бути досить різноманітними за власти-востями і області застосування. В електротехніці використовують керамічні матеріали в якості напівпровідникових і магнітних матеріалів. Надзвичайно велике значення мають керамічні діелектричні матеріали, інколи електроізоляційні, а також сегнетоелектричні керамічні матеріали. Багато керамічних матеріалів володіють низькими значеннями кута діелектричних втрат, високою нагрівостійкістю. В порівнянні з органічними електроізоляцій-ними матеріалами вона є більш стійкою до електричного і теплового старіння.

Керамічні матеріали в залежності від призначення виготовляються слідуючих типів: А – високочастотні для конденсаторів; Б – низькочастотні для конденсаторів; В – високочастотні для виробів та інших радіотехнічних деталей. Для кожного типу виготовляють матеріали різних класів та груп з визначеними технічними показниками.

Кераміка типу А характеризується високим вмістом кристалічної фази і невеликим вмістом безлужної аморфної фази. Кристалічну фазу формують у відповідності з температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТКε, щоб отримати найбільше значення діелектричної проникності і низьке значення кута діелектричних 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, розділю-ючих і термокомпенсуючих конденсаторів. У термокомпенсуючих конденсаторів ємність знижується при підвищенні температури. Свою назву такий конденсатор отримав тому, що його використовують для термокомпенсації 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 установоч-них 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 виготовлення фарфору застосовують спеціальні сорти глини і кварц SiO2. Суть технологічного процесу виготов-лення фарфору зводиться до очистки від домішок всіх складових, ретельному їх подрібнюванню і перемішуванню в однорідну масу з водою. Відформовані ізолятори 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 дозволяє працювати ізоляторам у відкритих установках, на повітряних лініях електропередач. І, насамкінець, глазур, загладжуючи тріщини та інші дефекти наповерхні фар-фору, які є місцями початку руйнування при механічних навантаженнях, суттєво підвищує механічну міцність фарфорових виробів. Тем-пература пом’якшення глазуру дещо нижча температури обпалювання, щоб в момент обпалювання вона вже плавилась і добре покривала поверхню фарфору. Глазур повинна мати температурний коефіцієнт лінійного розширення αl близький до αl фарфору, інакше вона при змінах температури буде розтріскуватись. Основними електричними характеристиками ізоляторів є розрядна напруга. Пробивна напруга може бути визначена в маслі або при імпульсній напрузі – в повітрі внаслідок збільшення пробивної напруги повітря.

Стеатитову кераміку широко використовують для виготовлення елементів корпусів напівпровідникових пристроїв та схем, а також в якості високочастотного матеріалу для виготовлення прохідних ізоляторів, опорних плит, підкладок, ізоляційних кілець. Виготовляється на основі мінералу тальку 3MgOx4SiO2·H2O, тобто це є силікат магнію. Перевагою стеатитової кераміки є мала усадка при обпалюванні, що дозволяє отримувати вироби точних розмірів. Основні параметри керамічних матеріалів зведено в 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 володіють сегнетоелектричними властивостями: різкою залежністю ε від температури і напруженості електричного поля, наявністю діелектричного гістерезису. Представником сегнетокераміки є титанат 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 воло-діють сегнетокерамічні конденсатори, що отримали назву варикондів.