книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

при исследовании термостойкости кварцевой керамики, полученной на основе 'Синтетического кремнезема, мето­ дом термоциклирования на воздухе [19].

В работе [67] также отмечается, что кварцевая ке­ рамика с пористостью 15% выдерживает 50 теплосмен с охлаждением в воде, а с пористостью 3 % — 30 тепло­ смен.

Термостойкость кварцевой пенокерамики изучали на кубиках ео стороной 40 мм методом охлаждения в воде от температуры 850°С [164]. У кварцевой керамики раз­ рушения не наблюдалось после 20 термоциклов. Пенокерамика на основе двуокиси циркония разрушалась после двух термоциклов, описи алюминия после трехчетырех, окиси бериллия после шести-восьми, карбида кремния после десяти термоциклов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Электропроводность, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь определяются прежде всего структурными характеристиками материа­ лов на молекулярном и атомарном уровнях. Поэтому эти свойства кварцевой керамики должны соответство­ вать по основным закономерностям 'Свойствам кварцево­ го стекла. Влияние пористости и технологических фак­ торов получения керамики сказывается только на абсо­ лютном значении свойств.

Электрическое сопротивление

Кварцевое стекло является хорошим изоляционным материалом, и поэтому естественно ожидать аналогич­ ные свойства у кварцевой керамики.

температурах выше 300°С эта разница резко уменьша­ ется. Такое расхождение объясняется большей влажно­ стью образцов исходной керамики в начальный момент измерений. По мере нагрева до 200°С влага удаляется,

221

и электросопротивление возрастает почти до величины сопротивления стекла. Роль влаги косвенно подтверж­ дается отмеченным авторами работы [16] повышением сопротивления при комнатной температуре сразу после высокотемпературного напрева керамики. Следует иметь в виду, что снижение сопротивления обусловлива­ ется не только обычной влажностью керамического ма­ териала, но и структурно связанной с керамикой водой.

ливает рост электросопротивления, абсолютное значение которого будет зависеть от времени нагрева и выдержки при конечной температуре.

На рис. 120 представлены результаты исследования электросопротивления кварцевой керамики с пористо­ стью 1 и 10% на воздухе и в вакууме, по данным [69].

пористостью 10%. С ростом температуры расхождение значений сопротивления в вакууме и на воздухе умень­ шается и для обоих материалов приближается к величи­

сопротивление кварцевой ленокерамики с пористостью 82—83 и 86% соответственно равно при комнатной температуре (2,4—4,7)-ІО12 и 5 -1012 Ом-см.

Данных по электрической прочности кварцевой кера­ мики не опубликовано, ее значения для кварцевого

222

стекла 'при частоте 50 Гц в зависимости от толщины приведены ниже [206]:

Рис. 120. Зависи­ мость электро­ сопротивления от температуры в вакууме (I) и па воздухе (2)

Диэлектрическая проницаемость

•Кварцевая .керамика имеет благоприятное сочетание диэлектрических характеристик и является одним из лучших радиопрозрачных йатериалов. Ее диэлектриче­ ская проницаемость в первую очередь определяется ве­ личиной диэлектрической проницаемости кварцевого стекла, из которого она состоит, а также пористостью. Диэлектрическая проницаемость кварцевой керамики с теоретической плотностью соответствует таковой для кварцевого стекла и равна 3,78. Зависимость диэлектри­ ческой проницаемости керамики, в частности кварце­ вой, от пористости описывается уравнением (36):

Для кварцевой .керамики графически такая зависи­ мость выражается пологой кривой, приближающейся к прямой линии.

223

В работе [30] получено линейное уменьшение ди­ электрической проницаемости по мере увеличения по­ ристости от 0 до 86%.

В более узком интервале пористостей линейное сни­ жение диэлектрической проницаемости установлено также в работах [49] и [64].

Влияние влатопоглощения на диэлектрическую про­ ницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь кварцевой керамики разной пористости исследовано с

224

разцов характерно увеличение е и tg б с ростом влагосодержания. Такой характер зависимости г и tg б кварцевой керамики был 'проверен и подтвержден многократными измерениями на разных образцах, поскольку в работе [54] приводились данные о более резком и нелинейном возрастании tg б, хотя и была установлена линейная за­ висимость е от влагосодержания в диапазоне от 0 до 0,35% по массе. Линейное увеличение tg б кварцевой ке­ рамики по мере накопления влаги хорошо согласуется

Рис. 122. Влияние влагосодержания на диэлектрическую проницаемость (/) и тангенс угла потерь (И) кварцевой керамики:

1,4 — чистая керамика с пористостью 13,0 и 8%; 2, 3 — легн-рооан.чля кера­ мика с пористостью 12,7 и 9,6

223

обусловленные каждым материалом, должны суммиро­ ваться, а общие потери линейно возрастать с увеличе­ нием влагосодержания.

Было исследовано также изменение влагосодержа­ ния от температуры и времени сушки. Зависимость влагосодержания керамики от времени выдержки в су­

10 минут — при 200°С. Однако для получения исходных значений диэлектрических свойств образцов с пори­ стостью выше 13% требуется сушка в течение несколь­ ких часов.

В тех случаях, когда необходимо исключить или уменьшить влияние влаги на диэлектрические свойства кварцевой керамики, может быть использована более плотная керамика или керамика с закрытой пори­ стостью, что достигается за счет высокой степени спе­ кания материала.

Если же это невозможно, то влагозащита кварце­ вой керамики обеспечивается путем оплавления ее по­ верхности или нанесением влагозащитных покрытий (тефлон, влагозащитные эмали т. д.).

Температурная зависимость диэлектрической прони­ цаемости кварцевой керамики изучена многими иссле­

керамики с 3,37 при 20° С до 3,39 при 750°С. Более пол­ ные сравнительные данные1по температурной зависимо­ сти е кварцевой керамики с пористостью 14—17% при­ ведены в работе [208], Измерения проведены на образ­ цах в форме дисков диаметром 40 см и толщиной 1,9 см на установке с открытой мостовой схемой СВЧ-системы

226

Рис. ]J23. Изменение влагосодержання керамики при тем­

пературе сушки 200°С (/) н 230°С (//): 1, 2, 3 и 4 — номера образцов

227

с фокусировкой мощности. Результаты по температур­ ной зависимости и абсолютным значениям е, получен­ ным по разным методикам измерения, представлены на рис. 124. Видно, что диэлектрическая проницаемость кварцевой керамики монотонно возрастает до 1500°С. В диапазоне 1500—1700°С е резко увеличивается на

ЗА

3,2

лнта

О200 т 600 800 W00 1200

t,°c

плотностью. Осмотр образцов показал, что по толщине образца вещество в период плавления находится в трех

ким, причем диэлектрическая постоянная почти линей­ но возрастает до 4,3 с ростом температуры до 2500° С. Это уникальное свойство кварцевой керамики значи­ тельно расширяет ее возможности как радиопрозрачного материала.

Как отмечается в этой же работе, сравнительные из­ мерения е по разным методикам показывают хорошее соответствие как абсолютных значений, так и их темпе­ ратурной зависимости.

Нами была изучена зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температурына тех же образцах, на которых иссле­ довалось влияние на эти характеристики влагопоглощения. Измерения проведены на установке «Кварц». Ре*

228

зулматы представлены на рис. 125. Диэлектрическая проницаемость всех образцов почти линейно возрастает в диапазоне 20—1200° С примерно на 0,1, что состав­ ляет около 3% от ее значения при 20°С. Температурный коэффициент е в интервале 20—1200°С равен 8,3-ІО-5 град-1. Как показывают приведенные на рис. 126 дан­ ные, содержание кристобалита до 5% не оказывает заметного влияния на диэлектрическую проницаемость кварцевой керамики.

Для подтверждения общей зависимости диэлектри­ ческой проницаемости кварцевой керамики от темпера-

Рнс. 126. Температурная зависимость диэлектрической проницае­ мости на частоте 9,4• ІО9 Гц различных мерок оптического кварце­ вого стекла:

/ — КВ; 2 — КИУ и КОП-1; 3 — КУ

туры на рис. 126 представлены результаты измерения е кварцевых стекол КВ, КИ, КОП и КУ [209]. Суммар­ ное содержание примесей в этих стеклах не превышало 0,06%.

Диэлектрическая проницаемость рассмотренных кварцевых стекол увеличивается всего на 4% в интер­ вале температур от 20 до 1450°С. Температурный коэф­ фициент е в интервале 20—1450°С равен 9 -ІО-5 град-1.

Если принять, что по условиям работы изделия из­ менения диэлектрической проницаемости его материала с ростом температуры не должно превышать 5%, то кварцевая керамика пригодна для работы до 1400°С,

229

тогда как окись алюминия до температуры 5О0°С и сигалл до 7О0°С.

По зависимости е кварцевой керамики от частоты пода нет публикаций. Однако судить об этом можно по

Логарифмический характер зависимости обусловли­ вает слабое увеличение диэлектрической проницаемо­ сти кварцевой керамики по мере увеличения содержа­ ния легирующей добавки до 10%, хотя ее диэлектриче­ ская проницаемость в десятки раз больше таковой ос­ новного .материала.

230