ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1-4

по дисциплине «Технология специальных материалов

электронной техники» для студентов направления 223200.62 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук А.В. Калгин

УДК 537.226.33

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-4 по дисциплине «Технология специальных материалов электронной техники» для студентов направления 223200.62 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.В. Калгин. Воронеж, 2015. 27 с.

В методических указаниях приведены описания лабораторных работ, составленных в соответствии с рабочей программой курса. Каждая лабораторная работа включает: теоретическую часть, экспериментальную часть, порядок выполнения работы, контрольные вопросы для самостоятельной подготовки и список литературы.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Л.р. по ТСМЭТ № 1-4.doc.

Табл. 1. Ил. 4. Библиогр.: 9 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Ожерельев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Ó ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Лабораторная работа № 1

Расчет шихты и изготовление керамических материалов на ее основе

Цель работы: ознакомление с основными этапами лабораторной технологии получения керамических материалов.

1. Краткие теоретические сведения

Керамическая технология широко используется для изготовления изделий электронной техники из различных материалов – диэлектриков, полупроводников, магнитных, проводящих и сверхпроводящих материалов.

Керамические материалы представляют собой конгломераты беспорядочно ориентированных кристаллитов. Эти кристаллиты называют зернами. Кристаллическая фаза как по содержанию, так и по свойствам, которыми она наделяет весь керамический материал (диэлектрическая и магнитная проницаемости, механическая прочность, температурный коэффициент линейного расширения), является основной фазой керамики. Помимо кристаллической фазы в керамике присутствуют также стекловидная фаза (прослойки стекла, связывающие кристаллические зерна) и газовая фаза (в виде закрытых пор).

Основными технологическими процессами производства керамических изделий являются подготовка массы, формование и спекание. Подготовка массы включает в себя изготовление шихты из исходных компонент соответствующих химических соединений (оксидов, карбонатов или солей), взятых в стехиометрическом соотношении. Исходные компоненты тщательно перемешиваются механическим или химическим способом, обезвоживаются и высушиваются. Формование заготовки необходимой формы осуществляется на гидравлическом прессе с помощью пресс-форм. На стадии спекания посредством реакций твердофазного синтеза, идущего при высоких температурах, из исходных компонент происходит как образование необходимого химического соединения (стадия синтеза), так и формирование механически прочного керамического материала (стадия спекания). Часто стадию синтеза и стадию спекания проводят раздельно; в этом случае температура спекания должна быть несколько выше температуры синтеза.

Пример схемы технологического процесса изготовления керамики ВаТiO₃ представлен на рисунке.

Схема технологического процесса изготовления

керамики на основе BaTiO₃

Составление шихты заключается в расчете по химической формуле необходимого соотношения исходных компонентов и их взвешивания для получения керамики заданного состава. Эта технологическая операция определяет точность и воспроизводимость состава, а, следовательно, и свойства изготовляемого керамического изделия.

Массовое соотношение исходных компонент рассчитывают, исходя из заданного химической формулой молярного соотношения с учетом содержания основного вещества в каждом компоненте. В некоторые шихты, кроме количеств, приходящихся по стехиометрическому составу, вводится избыток отдельных компонентов сверх стехиометрии.

Получение керамических материалов, содержащих в своем составе свинец, связано с большими трудностями, обусловленными термической диссоциацией этих соединений и, как следствие, потерями окиси свинца в процессе термической обработки.

Окись свинца заметно возгоняется, начиная примерно с 750 ⁰С. Поэтому синтез свинецсодержащих керамических материалов производится с применением специальных способов, снижающих или полностью устраняющих улетучивание окиси свинца из материала в процессе высокотемпературной обработки.

В качестве примера рассмотрим расчет шихты для получения промышленной пьезокерамики ЦТС-19. Химическая формула керамики ЦТС-19 стехиометрического состава имеет следующий вид: Pb_0,95Sr_0,05(Zr_0,53Ti_0,47)O₃ + 1% Nb₂O₅.

Исходное сырье берем в виде оксидов и карбоната с содержанием основного вещества в процентах: PbO (99%); SrCO₃ (99%); ZrO₂ (96%); TiO₂ (99%); Nb₂O₅ (100%).

Сначала определяем молекулярные массы M для всех исходных компонентов:

PbO 207,21 + 16 = 223,21; SrCO₃ 87,67 +12 + 316 = 147,63; ZrO₂ 91,22 + 216 = 123,22; TiO₂ 47,90 + 216 = 79,9.

Затем определяем молекулярные количества хМ, исходя из 100% чистоты исходных компонентов и сумму xM = 322,2906. После чего учитываем в расчете чистоту исходных реагентов, поделив хМ для PbO на 0,99, для ZrO₂ на 0,96 и т.д.

PbO 212,0495 : 0,99 = 214,191;

SrCO₃ 7,3815 : 0,99 = 7,456;

ZrO₂ 65,3066 : 0,96 = 68,027;

TiO₂ 37,5530 : 0,99 = 37,932;

Nb₂O₅ 1% от 322,2906 = 3,22.

Теперь xM = 330,826

Далее рассчитываются массовые проценты по формуле

w = xM / (xM), % :

PbO 214,191 : 330,826 = 64,74%;

SrCO₃ 7,456 : 330,826 = 2,26%;

ZrO₂ 68,027 : 330,826 = 20,56%;

TiO₂ 37,932 : 330,826 = 11,47%;

Nb₂O₅ 3,22 : 330,826 = 0,97%.

______________

100,00 %

Рассчитанные значения молекулярных масс М, молярных количеств хМ и массовых процентов w приведены в табл.

Исходные компоненты	Молярные части, х	Моле-кулярная масса, М	Молярные количества, хМ	Молярные количества с учетом основного вещества, хМ	Массовые проценты, w = xM/(xM),%
PbO	0,95	223,21	212,0495	214,191	64,74
SrCO3	0,05	147,63	7,3815	7,456	2,26
ZrO2	0,53	123,22	65,3066	68,027	20,56
TiO2	0,47	79,9	37,5530	37,932	11,47
Nb2O5				3,22	0,97
			xM = = 322,2906	xM= =330,826	100,00%

После расчета состава шихты осуществляют навески компонентов, используя лабораторные аналитические весы, а затем смешивание компонент.

При смешивании исходных компонент, взвешенных в соответствии с расчетом шихты, можно использовать как сухое, так и мокрое смешивание. Сухое смешивание удобнее мокрого, так как не требует дополнительных операций обезвоживания и сушки, но значительно менее эффективно.

При производстве больших партий керамических материалов, механическое смешивание производят в лопастных, пропеллерных и бегунковых смесителях. Для смешивания небольших лабораторных партий шихты используют малогабаритные шаровые мельницы. Для составления малых количеств шихты (до 20 г) следует пользоваться ступкой с пестиком; в этом случае время смешивания должно быть не менее 30 минут.

После смешивания в течение заданного времени шихту обезвоживают и сушат (в случае мокрого смешивания). Для обезвоживания малых количеств шихты применяют фильтровальную бумагу. Затем частично обезвоженную шихту ставят в сушилку.

После сушки из шихты с помощью пресса формуют заготовки, которые впоследствии синтезируют при высокой температуре, перемалывают, снова прессуют в заготовки и спекают при температуре выше температуры, при которой проводился синтез заготовок из исходных порошков.