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

Диэлектрические потери

На рис. 128 показана температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь кварцевой кера­ мики с пористостью 14—17%, полученная разными ме­ тодами в сантиметровом диапазоне длин волн [208]. Даже при расплавлении диэлектрические потери в кварцевой керамике остаются на уровне 0,01.

В работах [176, 177] отмечается линейное повыше­ ние тангенса угла диэлектрических потерь кварцевой

Рлс. 123. Зависимость тангенса угла потерь кварцевой керами­ ки от температуры:

/ — измерения в открытой системе (Х-диалазон), плотность ке­ рамики 1,91 г/см3; 2 — измерения методом закороченной схемы (K-диапазон). плотность керамики .1,94 г/см3; 3 —измерения резонаторным методом (С — диапазон), керамика 7941 с плот­ ностью 1,96 г/см3; 4 — измерения методом закороченной схемы

(/(-диапазон), керамика без особой очистки, плотность 1,91 г/с,іі3

влаги, которую впитывают образцы при комнатных ус­ ловиях, а также удалением органических и других за­ грязнений, попадающих на образец в процессе его из­ готовления и дальнейшего обращения с ним.

231

Результаты американских сравнительных исследова­ ний е и tgß кварцевой керамики, пнрокерама 9606, оки­ си бериллия и окиси алюминия АД-99 на частоте 9375 мГц приведены в табл. 17 [39].

Температурная зависимость тангенса угла диэлектри­ ческих потерь на частоте 9,4-ІО9 Гц различных марок оптического кварцевого стекла, которые можно рассмат­ ривать как очень чистый материал, приведена на рис. 129 [209]. Установлено, что содержание примесей в кварце­ вых стеклах от 0,003-до 0,057% слабо влияет на тангенс угла диэлектрических потерь. Это изменение находилось

впределах ошибки измерения (8—47) • Г0~5.

■Для сравнения диэлектрических характеристик квар­ цевой керамики в целом по сравнению с другими ди-

232

электрическими материалами интересно привести дан­ ные работы [175]. В ней были исследованы предельные возможности материалов по сочетанию диэлектриче­ ских свойств применительно к антенным обтекателям с полуволновой толщиной стенки. Для кварцевой керамики полуволновая стенка составляла 8,4 мм, окиси алюми-

ния 5 мм и для пирокерама 9606 6,3 мм. Оценка преде­ лов произведена с учетом изменения в процессе аэро­ динамического нагрева в и tgö; а градиент угловых

ошибок не должен был превышать 0,01 градуса на гра­ дус.

На рис. 130 по оси ординат даны предельно возмож­ ные для данного материала скорости из условий выпол­ нения радиотехнических требований, а но оси ординат время, за которое эта скорость может быть достигнута при постоянном ускорении. Видно, что по совокупности электрических свойств кварцевая керамика с пористо­ стью 11 % значительно превосходит такие радиопрозрачные материалы, как окись алюминия и ситалл.

Влияние длительного воздействия высокой темпера­ туры на диэлектрические свойства чистой и легирован­ ной кварцевой керамики исследовано с участием авто­ ра1на образцах с пористостью от 8 до 13%.

Измерения проводились при комнатной температуре после разного времени выдержки образцов в муфельной печи при 1000°С. Результаты исследований приведены в табл. 18.

Образцы 1 и 2 были изготовлены из чистой кварце­ вой керамики и имели пористость 9,5 и 12,7%; образцы 3 и 4 — из .керамики, содержащей 1,5% Сг20з, и имели пористость 8,0 и 12,3% соответственно.

Из данных табл. 18 следует, что диэлектрическая.про­ ницаемость как чистой, так и легированной керамики не изменилась за 30 ч нагрева при 1000°С.

Своеобразно поведение tgö. У всех образцов потери уменьшаются с увеличением времени нагрева и через 30 ч равны (1,3—1,4) -10~4. Это объясняется выгоранием и разложением посторонних примесей, попавших в мате­ риал в процессе изготовления образцов.

1 Совместно с А. В. Литовченко.

234

Образцы 2 и 4 до и после 30 ч нагрева прошли рент­ генофазовый анализ. На поверхности образца 2 было обнаружено появление а-кристобалита (до 6%)- Такое содержание кристобалита не оказало заметного влия­ ния на диэлектрические свойства. В образце 4 кристобалит не обнаружен.

Таким образом, длительное воздействие температур до 1000°>С не оказывает ощутимого влияния на диэлект­ рические свойства кварцевой керамики. Данных по влия­ нию более высоких температур пока не имеется.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В общепринятом понимании кварцевая керамика не является прозрачным материалом, как например квар­ цевое стекло, из которого она состоит. Это обусловлено многократным преломлением попадающего внутрь ма­ териала луча на границах зерен и в порах, в результате чего кварцевая керамика непрозрачна для визуального наблюдения, но имеет значительное рассеянное пропус­ кание.

В пределах отдельных зерен показатель преломле­ ния керамики соответствует значениям для кварцевого стекла, если отсутствует кристаллическая фаза. Показа­ тель преломления кварцевого стекла постепенно умень­ шается с 1,46239 до 1, 40601 по мере увеличения длины волны от 0,5 до 3,5 мкм [202].

Зависимость интегрального рассеянного светопропускания в видимой части спектра от температуры спека­ ния кварцевой керамики со средним и тонким зерновым составом для пластин толщиной 2 мм, по [51], показана на рис. 131. Измерения проводились на спектрофотомет­ ре СФ-ІО. Существенное светопропускание наблюдается

Т а б л и ц а 19. Зависимость интегрального светопропускания кварцевой керамики от толщины образца_________________________________________

только при температурах спекания, превышающих 1320°С (при пористости 0—0,8%).

Светопропускание в значительной степени определя­ ется толщиной образца, что показано в табл. 19 [48], где приведены результаты для образцов различной тол­ щины, обожженных в течение часа при 13Ѳ0°С (матери­ ал тот же, что и для рис. 131).

Отсутствует гвзаимодействие При Ф 700—800°С быстрое взаимодействие

236

Аналогичные данные по взаимодействию кварцевого стёкла с .кислотами, щелочами и солями приведены в ра­ ботах [210, 211]. При этом отмечается, что грубообра­ ботанная поверхность кварцевого стекла дает меньшую химическую устойчивость по сравнению с оплавленной

иполированной.

Втемпературном интервале 1200—1600°С наблюда­

ется взаимодействие двуокиси кремния и углерода с об­ разованием моноокиси кремния с парциальным давле­ нием паров [6]: 1300°С — 2,1 мм рт. ст.; 1440иС — 9,1 мм рт. ст.; 1580°С — 36,4 мм рт. ст.

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

Освоение ядерной энергии и космического простран­ ства предъявляет к конструкционным материалам до­ полнительные требования по радиационной устойчиво­ сти, т. е. по сохранению работоспособности конструкции из данного материала при воздействии проникающих излучений и потока нейтронов, протонов и электронов.

Кварцевая керамика, как и кварцевое стекло, облада­ ет низким сечением захвата тепловых нейтронов. Ее макроскопическое сечение захвата тепловых нейтроноз (при 2200 м/с) равно 0,00353 см-1. Микроскопические се­ чения захвата и рассеяния для двуокиси кремния соот­ ветственно равны 0,16 и 9,7. Для кварцевой керамики эти показатели будут уменьшаться прямо пропорцио­ нально снижению плотности. Хорошие свойства как за-

238

медлителя позволяют использовать кварцевую керамику в ядерных реакторах, в частности, как матрицу для теп­ ловыделяющих элементов.

Вработе [16] приведены результаты по изучению влияния облучения на прочность кварцевой керамики. После облучения интегральным нейтронным потоком 2-і1020 нейтрон/см2 изменения прочности кварцевой кера­ мики на изгиб не обнаружено (точность определения прочности 10%). Эффект влияния кристобалита и дру­ гих кристаллических фаз в условиях облучения снижа­ ется, так как под облучением кристаллические фазы в кварцевой керамике разрушаются и переходят в аморф­ ное состояние.

Вработе [214] были проведены измерения диэлект­ рической проницаемости и потерь некоторых видов ке­ рамики, в том числе кварцевой, до, во время и после

воздействия ядерного импульса продолжительностью 13 мс. Источником излучения служил пульсирующий ре­ актор бассейнового типа, создающий максимальную до­ зу 2 -10й нейтрон/см2 и дозу у-излучения 6 -ІО5 рад.

Измерения проводились на трех частотах— 1-^-2; 2— 4 и 8—12 Г,ц, продолжительность одного измерения 10 мс. До, во время и после облучения не было обнару­ жено существенного влияния радиации на диэлектри­ ческие свойства кварцевой керамики, в то время как для окисей алюминия, магния и бериллия наблюдалось многократное увеличение диэлектрических . потерь во время и сразу после воздействия облучения. О влиянии нейтронного потока на диэлектрические свойства и плот­

239

-Наиболее систематизированное и всестороннее изу* чение влияния различных видов излучения и потоков частиц на кварцевое стекло дано в монографии [216J.

Применительно к кварцевому стеклу не обнаружено существенного влияния «нейтронного излучения инте­ гральным потоком до 2 -ІО20 нейтрон/см2 на микротвер­ дость, модуль упругости и модуль сдвига.

Облучение кварцевого стекла потоком быстрых нейт­ ронов 4,3-ІО19 нейтрон/см2 при температурах 3—14иК по­ вышает его теплопроводность с 14,3 до 25,2 ,ккал/(ч-мХ Х°С) [222]; а облучение дозой 2 -ІО20 нейтрон/см2 при 35—41°С не вызывает заметного изменения ее теплопро­ водности [223].

ПРОЧИЕ СВОЙСТВА

Абляция

Как уже отмечалось выше, кварцевая керамика пос­ ле расплавления даже вертикально расположенной пла­ стины не стекает каплями подобно другим материалам в расплавленном состоянии, а испаряется. Это обуслов­ лено большой вязкостью кварцевого стекла в расплав­ ленном состоянии.

Испаряемость кварцевой керамики изучалась в ра­ боте [69] при непрерывном взвешивании на кварцевых весах в вакууме. Для определения температуры, при ко­ торой начинается испарение спекшейся кварцевой кера­ мики, измерялась потеря массы образцов при непрерыв­ ности подъема температуры. Было установлено, что практически испарение начинается при температурах выше 1200°іС. Для определения испаряемости в изотер­ мических условиях была выбрана температура 1400°С. Однако даже при этой температуре у образцов в 1,5—

керамики (р=2,12—2,26 г/см3) при температуре 1400иС в вакууме (1-10-4 мм рт. ст.) составила (1—3) -10-8 г/ /(см2-с).

На рис. 132 представлено давление насыщенного па­ ра двуокиси кремния и для сравнения некоторых других окислов в зависимости от температуры [199].

Кварцевая керамика является относительно эффек­ тивным неорганическим аблятором. Ее кажущаяся теп­

240