ФГБОУВПО «Воронежский государственный
технический университет»
С.А. Гриднев Л.Н. Коротков
Технология керамических
материалов
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2011
УДК 539.294
Гриднев С.А. Технология керамических материалов: учеб. пособие / С.А. Гриднев, Л.Н. Коротков/ Воронеж: ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 113 с.
В учебном пособии описана технология изготовления технической керамики, применяемой в электронике, радиотехнике и других областях техники. Основное внимание уделено технологии изготовления пьезоэлектрической керамике, ферритам и конструкционным стеклокерамическим материалам.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 223200.62 «Техническая физика», профилю «Физическая электроника», дисциплине «Технология материалов электронной техники». Предназначено для студентов 4 курса очной формы обучения.
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержится в файле Технология керамических материалов.doc.
Табл. 14. Ил. 37. Библиогр.: 7 назв.
Рецензенты: кафедра экспериментальной физики Воронежского государственного университета (д-р физ.-мат. наук, проф. А.С. Сидоркин);
д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов
Гриднев С.А., Коротков Л.Н., 2011
Оформление. ФГБОУВПО «Воронежский
государственный технический
университет», 2011
Введение
В последние 40-50 лет происходило стремительное развитие исследований, разработок и применений самых разных керамических материалов. Здесь можно упомянуть электротехнический фарфор, стеатитовую, окисную керамики, закристаллизованное стекло, а также сегнетоэлектрическую и пьезоэлектрическую керамики различного состава и назначения. Это вызвано в основном растущими потребностями ряда важнейших областей науки и техники: электротехники, радиоэлектроники, автоматики, телемеханики, ультразвуковой техники, квантовой электроники др.
Керамическая технология широко используется для изготовления изделий электронной техники из различных материалов: диэлектриков, полупроводников, магнитных, проводящих и сверхпроводящих материалов. В электронной технике керамические материалы служат для изготовления различных изоляторов, конденсаторов, ферритов, пьезоэлементов, подложек при получении пленок и т.п.
Производство многих видов технической керамики, как правило, отличается своеобразными технологическими приемами на разных его стадиях. Но, несмотря на большое разнообразие видов технической керамики и методов ее изготовления, имеются и некоторые особенности, объединяющие эти материалы в один класс. Такими объединяющими признаками являются:
1) применение в качестве исходного сырья главным образом искусственно полученных материалов в виде окислов, солей и других химических соединений;
2) повышенные требования к чистоте исходных материалов;
3) тонкое диспергирование исходных материалов,достигаемое механическими и химическими методами;
4) точная дозировка состава шихты;
5) применение пластифицирующих добавок при формовании изделий;
6) обжиг в строго регламентированной и регулируемой газовой среде;
7) малый объем производства.
Вместе с тем при производстве некоторых видов технической керамики широко используют общепринятые в керамической технологии методы переработки материалов и распространенное природное сырье.
В любом случае основной технологической операцией при производстве керамики является процесс спекания исходной шихты при высокой температуре, которая несколько ниже, чем температура плавления вещества.
В настоящее время техническая керамика является незаменимым материалом во многих отраслях техники, как например, электронике, радиотехнике, машиностроении, ядерной энергетике и др.
§1. Классификация технической керамики
Керамика представляет собой конгломерат беспорядочно расположенных и ориентированных кристаллитов или зерен. Каждое зерно представляет собой кристалл размерами от десятков микрометров до нескольких нанометров. Кристаллическая фаза является основной фазой керамики, так как именно она определяет основные свойства всего керамического материала (диэлектрическую и магнитную проницаемости, механическую прочность, ТКС и ТКЛ). Кроме кристаллической фазы, в керамике присутствуют также стекловидная фаза и газовая фаза (рисунок).
Стекловидная фаза – это прослойки, соединяющие между собой кристаллические зерна. Количество и свойства стекловидной фазы определяют такие технологические параметры, как температура спекания, степень пластичности, ударная прочность и др. С увеличением объема стекловидной фазы вклад от зерен в свойства всей керамики постепенно подавляется, при этом, как правило, ухудшаются и механические свойства керамики.
Газовая фаза в керамическом материале сосредоточивается в закрытых порах, которые заполнены разными по составу газами. Наличие газовой фазы приводит к ухудшению электрической и механической прочности керамики, а также к возрастанию диэлектрических потерь.
Микроструктура керамики BaTiO3
Для систематического изучения химической технологии технической керамики целесообразно принять классификацию, в основу которой положен признак наличия в изготовленном материале определенного химического вещества, кристаллическая фаза которого преобладает в этом виде керамики. Такая классификация позволяет разделить все существующие типы технической керамики на несколько основных классов. В качестве дополняющего признака можно рассматривать область применения керамики, так как одна и та же керамика может быть предназначена для разных условий эксплуатации, т.е. по признаку применения относиться одновременно к разным типам.
Техническая керамика может быть подразделена на следующие классы и типы (таблица).
Основные типы и области применения технической керамики
Класс керамики |
Тип керамики |
Области применения |
I. Керамика из окислов (окисная керамика) |
1. Из окиси алюминия (корундовая)
2. Из двуокиси циркония
3. Из окиси бериллия 4. Из окиси магния
5. Из окиси кальция
6. Из окиси тория
7. Из окислов урана |
Огнеупорные изделия, конструкционные детали, химически стойкие изделия, вакуумная техника Огнеупорные изделия, конструкционная керамика Ядерная энергетика, радиоэлектроника Огнеупорные, химически стойкие изделия Огнеупорные, химически стойкие изделия Огнеупорные изделия, ядерная энергетика Ядерная энергетика |
Продолжение таблицы
II. Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов |
1. Муллитовая и муллитокорундовая керамика 2. Форстеритовая керамика 3. Кордиеритовая керамика 4. Цирконовая керамика
5. Цельзиановая керамика 6. Литийсодержащая керамика |
Электроника и радиотехника
Вакуумная техника
Электротехника
Электротехника и радиотехника
Радиотехника
Радиотехника |
III. Керамика на основе двуокиси титана, титанатов, цирконатов, ниобатов |
1. На основе двуокиси титана 2. На основе титанатов
3. На основе цирконатов, ниобатов и др. соединений с пьезоэлектрическими свойствами |
Конденсаторная керамика, радиотехника Конденсаторная и пьезоэлектрическая керамика, радиотехника То же |
IV. Керамика на основе шпинелей |
1. Магнезиальная шпинель
2. Феррошпинели |
Огнеупорные изделия, электровакуумная и радиотехника Электроника и радиотехника |
V. Керамика на основе тугоплавких бескислородных соединений |
1. Карбиды 2. Нитриды 3. Бориды 4. Силициды |
Огнеупорные изделия, электронагреватели, конструкционные детали |
VI. Керамикометаллические материалы (керметы) |
|
Конструкционные детали, огнеупорные изделия |
Из приведенной классификации видно, что среди многообразных областей применения технической керамики особое место занимают электроника и радиотехника, для нужд которых вырабатывают обширный ассортимент и большое количество керамических материалов и изделий различного состава.
Установившиеся в электронике и радиотехнике области применения керамики позволяют рассматривать три основных типа материалов:
1) высокочастотные материалы с диэлектрической проницаемостью выше 10-12;
2) высокочастотные материалы с диэлектрической проницаемостью ниже 10;
3) низкочастотные материалы с диэлектрической проницаемостью выше 1000.
К материалам первого типа относится главным образом керамика для изготовления высокочастотных конденсаторов низкого и высокого напряжения, изготавливаемая на основе двуокиси титана, некоторых титанатов, например CaTiO3, MgTiO3 и др. Керамические материалы этого класса могут иметь как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
К материалам второго типа с диэлектрической проницаемостью ниже 10 относится очень большое количество керамических материалов муллито-корундового и корундового состава, форстеритовая, цельзиановая и некоторые другие виды керамики. Это главным образом установочная керамика, а также некоторые виды вакуумно-плотной керамики.
Третий тип материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью объединяет почти всю пьезоэлектрическую керамику, производимую на основе титаната бария, цирконата-титаната свинца, ниобатов натрия и некоторых других соединений.