книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

У стан ов оч н ая к ер ам и к а

К установочной керамике принадлежат материалы, применяе­ мые для установочных деталей повышенной и высокой частоты — оснований конденсаторов, плат, втулок, радиоизоляторов, осей переменных конденсаторов и т. п. Ряд видов установочной кера­ мики используется для высоковольтных конденсаторов повышен­ ной частоты. В соответствии с различными назначениями приме­ няют стеатит, ультрафарфор, цельзиановую, шоинелевую кера­ мику и др.

Ультрафарфор изготовляется из глинозема (а-модификации) глинистых веществ и небольших добавок окислов бария, кальция и магния. Высокими механическими и электрическими свойства­ ми обладает ультрафарфор с большим содержанием глинозема (до 95%), однако он относительно малопластичен и требует по­ вышенной температуры обжига в восстановительной среде. Глав­ ной кристаллической фазой служит корунд; механическая проч­ ность ультрафарфора достигает ои = 2500 кг/см2. Электрические свойства при нормальных условиях характеризуются следующими данными: е= 8, ТКе = + 1 2 0 ■10-4 проц/град, tg 8= 5-lCH, у= = 10- ,5 ол1- 1 см~\ Епр =250 кв/см. Однако.с повышением темпера­

туры растут проводимость и потери, снижается электрическая прочность. Малое значение и слабое влияние температуры на tgo обусловлены тем, что из состава исключены окислы щелочных ма­ териалов, а кристаллическая фаза имеет незначительные искаже­ ния структуры.

в зависимости от условий синтеза моноклинную или гексагональ­ ную структуру; при наличии последней керамика приобретает по­ вышенную механическую и электрическую прочность. Поэтому для керамики используют моноклинный цельзиан. Керамика от­

ства мало зависят от температуры и керамика не обнаруживает старения при нагреве до 500° С. Из керамики изготовляют кар­ касы катушек индуктивности, высоковольтные конденсаторы и установочные детали.

Бериллиевая керамика состоит из ВеО (до 99,5%) и отли­ чается высокой теплопроводностью, достигающей 36% от тепло­ проводности меди (для корундовой керамики эта величина лишь 11%). Керамика имеет прочность на изгиб ои=1800 кГ/см2,

70

требуется хороший теплоотвод от нагретых элементов электротех­ нического устройства.

Безоксидная керамика (нитрид бора BN и др.) отличается от­ сутствием окислов в ее составе и обладает большой стойкостью к коррозии при высоких температурах. Технический нитрид бора получают путем высокотемпературной прессовки. Его свойства

ков в конденсаторах, обладают высокой диэлектрической прони­

ния состава керамики; благодаря высокому значению е и низким потерям; вследствие теплостойкости, влагостойкости, механиче­ ской прочности и отсутствия старения.

Можно выделить следующие основные группы:

71

-т- 1300-10-4 проц/град). При этом потери также сохраняются не? значительными.

Из керамики данной группы изготовляются для высокочастот­ ных установок конденсаторы, не определяющие стабильность ча­ стоты.

Термоком'пенеирующая керамика предназначается для конден­ саторов, используемых с целью термокомпенсации в цепях, где

в диапазоне рабочих температур. До недавнего времени эта ке­ рамика изготовлялась из титаната циркония ZrTi04, обладаю­ щего £=40 и ТКе = —10 0 - 10~4 проц/град.

Для получения керамики с ТКе = — (100 = 750) • 10-4 проц/град в состав вводили рутил ТЮ2. Однако эта керамика стареет при температуре свыше 85° С и влажности свыше 70%. Более высо­ кой рабочей температурой и стойкостью к старению обладают циркоиатная керамика, не содержащая рутила ТЮ2. Кристалли­ ческая фаза этой керамики состоит из цирконата кальция CaZr03 и титаната кальция СаТЮ3. Путем изменения соотношения между этими компонентами получают материалы с различными значе­ ниями ТКе в пределах от - 5 0 - 10~4 до —750- 1 0 -4 проц/град, одно^- временно с изменением ТКе меняется и s (рис. 6-6 ). Так, например,

при ТКе = —700-10-4 проц/градв=70.

Циркоиатная керамика позволяет удовлетворить рекоменда­ циям Международной электротехнической комиссии (МЭК) по

72

расширению номенклатуры конденсаторной керамики и получить ряд классов: Ц/—47; Ц/—150; Ц/—220; Ц/—330; Ц/—470;

Ц/—750, где цифра означает ТК s- 10-4 проц/град. Они имеют по­ вышенную электрическую прочность Епр= \50 кв/см и малый tgS (при ^ = 300°С tg 8= 15- 10-4). Цирконатная керамика допускает повышенную рабочую температуру и применяется в термокомпен­ сирующих, контурных, блокировочных и разделительных конден­ саторах электронных схем.

Термостабильная керамика характеризуется незначительным изменением величины s при изменении температуры. Ранее ее из­

и ее сложной зависимостью от температуры и напряженности электрического поля; поэтому TKs не нормируется. Наличие сегнетоэлектрической поляризации выделяет эти материалы (стр. 2 2 ). Все они в той или иной мере обнаруживают максимумы в зависи­ мостях е от температуры и от напряженности поля (рис. 6-7); с течением времени после изготовления керамики несколько па­ дает ее диэлектрическая проницаемость и растет tgS. Величина s может достигать нескольких десятков тысяч. Однако для конден­ саторов синтезируют твердые растворы по преимуществу на ос­ нове титаната бария, у которых указанные зависимости выражены

73

Рис. 6-7. Зависимости е сегнетокерамики от температуры (а, б) и на­ пряженности постоянного поля (в); цифры у кривых — наибольшие значения е сегнетокерамики (/=1000 гц)

74

гих —.падают (титанат бария и аналогичные ему сегнетоэлектрики).

СВТ-керамика содержит кристаллическую фазу, образован­ ную из титаната стронция БгПОз и титаната висмута ЕПаОз-ЗТЮз.

В зависимостях s и tgS от температуры обнаруживаются мак­ симумы, расположение которых зависит от частоты. Это объяс­ няется наличием не только сегнетоэлектрической, но и релакса­ ционной поляризаций. Максимум в температурной зависимости s (t) для СВТ-керамики выражен слабо; это объясняется структур­ ными особенностями данного твердого раствора и, в частности,

и слабо выражено влияние температуры на е й tgS. При повыше­ нии частоты максимум tgo СВТ-керамики .приближается к обла­ сти рабочих температур и при / = 106 гц потери оказываются на­ столько большими, что применять эту керамику становится за­ труднительно. СВТ-керамика используется для конденсаторов по­ стоянного тока и низкой частоты.

Титанобариевая керамика охватывает титанат бария ВаТЮз, материалы на его основе, а также аналогичные ему виды сегне-

.токерамики. Все они характеризуются высокими значениями s и tgS, причем tgS падает с ростом частоты (примерно до 108 г ц ) . Основной кристаллической фазой являются взаимные твердые растворы титаната бария ВаТЮз с другими соединениями. Тита­ нат бария Имеет в точке Кюри при 0=120°С s = 7500 и характери­ зуется резкой зависимостью s от температуры.

Выпускаются радиокерамические материалы как с более низ­ кой, так и с более высокой точкой Кюри, чем у титаната бария. Так использование, например, титаната стронция БгТЮз или станната бария BaSn03 позволяет сдвинуть максимум s в область низ­ ких температур и получить высокое значение s (до 12000). В про­ тивоположность этому введение в состав, например, титаната

щие ВаТЮ3. Для конденсаторостроения применяют, как правило, сегнетокерамику с возможно малой зависимостью s от темпера­ туры. Примером сегнетокерамики со сглаженной температурной зависимостью е является материал СМ-1 на основе ВаТЮз и BaZrC>3 с добавкой окиси висмута, обладающий точкой Кюри при 40° С и s= 3000; в интервале 15—80° С изменения е не превос­ ходят 30%. Керамика имеет большие потери и проводимость tg 8=

= 0,04 (103 г ц ) , -f = 10—12 о м ~ 1 с л Н ; £ пр = 40 к в / с м .

75

пряженности поля (рис. 6-7). Чем больше сглажена зависи­ мость е (^), тем меньше влияние электрического поля, но одновре­ менно тем ниже и значение е. Сегнетокерамика используется в малогабаритных блокировочных, фильтровых и разделительных конденсаторах низкой частоты.

Из сегнетокерамики может быть получена тонкая пленка для конденсаторов большой емкости. Так, например, из керамики на основе титаната бария ВаТЮз и станата висмута Е ^Э пО зЬ с до­

Нелинейная керамика

Разновидностью сегнетокерамики являются материалы с резко­ выраженной зависимостью е от напряженности поля Е, позволяю­ щей их применить для нелинейных элементов электрических це­ пей. Для сравнительной оценки нелинейных свойств зачастую ис­ пользуют коэффициент нелинейности, показывающий во сколько раз наибольшее значение £нааб при воздействии поля превосходит начальное значение диэлектрической проницаемости еяоч

fa__ Енаибв

sнач

Важную роль играет также значение напряженности ЕсН, при ко­ тором получается наибольшее е, а также величина ънапБ.

Для титаната бария коэффициент нелинейности составляет около 4,5; диэлектрическая проницаемость достигает наибольшего значения (e«Ou<5= 9000) только в сильных полях ( £ ^ = 4 кв/см),

при которых возможен перегрев керамики. Более благоприятные характеристики получаются у некоторых твердых растворов на основе титаната бария. Так, например, для керамики, содержа­ щей ВаТЮз, БгТЮз и несколько процентов окиси олова Sn02, при соответствующем режиме обжига коэффициент нелинейности мо­ жет составлять &= 7=14, а енацб=6000. В нелинейных сегнетоконденсаторах — варикондах емкость достигает наибольшего значе­ ния при относительно небольших напряженностях поля. Так для ВК-1 величина ЕеН= 1 кв/см, енаиб =18000, a k = 5. Разработаны

вариконды с &= 50 при ЕсН=0,4 кв/см.

Нелинейная керамика имеет значительные потери (tg 8«0,1 при /= 103 гц), отличается наличием старения — снижением е и k с течением времени, а также уменьшением коэффициента k при переходе к высоким частотам.

Зависимость емкости варикондов от напряжения позволяет применять их в умножителях частоты, генераторах импульсов, в цепях модуляции частоты и в других устройствах.

76

6-3. СЛЮДА

Слюда представляет собой минерал, который состоит из пла­ стинчатых кристаллов. По химическому составу она относится к алюмосиликатам щелочноземельных металлов. До недавнего времени применялась только слюда, добываемая в природе. В по­ следние годы получила развитие синтетическая слюда.

Природная слюда

В технике применяют в основном натуральную слюду двух видов: мусковит

К20 • ЗА1,03 • 6Si02 ■2Н20

и флогопит

К20 • 6MgO • А120 3 ■6Si02 • 2Н20.

Чистая слюда бесцветна. Добываемая в природе слюда обыч­ но содержит примеси, содержащие окислы железа и других эле­ ментов, и поэтому приобретает различную окраску. Наличие кристаллизационной воды, вызывает при повышении температуры до известной величины вспучивание слюды; однако разложение флогопита с выделением кристаллизационной воды начинается при более высокой температуре (около 900°С), чем у мусковита (t—600°С); при этой температуре слюда также теряет прозрач­ ность, резко снижаются электрические и механические свойства. Температура плавления слюды — порядка 1300° С.

Слюда обладает свойством спайности, т. е. способностью рас­ щепляться на тонкие листочки. Это объясняется ее своеобразной слоистой структурой. Тетраэдры Si04, в которых атом Si нахо­ дится в центре, а атомы О —в вершинах, образуют два элемен­ тарных слоя; в каждом из них вершины тетраэдров обращены внутрь. В средней части такого двойного слоя мусковита разме­ щаются ионы А1 и гидроксильные группы ОН. Каждый двойной слой соединяется с соседним двойным слоем ионами К. Непрочная связь между двойными слоями вдоль плоскостей размещения ионов К объясняет свойства спайности.

При добыче слюды после ее очистки от пустой породы полу­ чают так называемую щипаную слюду. По площади поверхности пластинки слюда мусковит делится на восемь номеров. Наиболее распространен № 4, соответствующий прямоугольнику пло­ щадью 50 см2, вписываемому в контур пластинки слюды. Пла­ стинки большей площади (слюда № 3 и т. д.) встречаются редко. По характеру дефектов слюда мусковит делится на четыре сорта; первому соответствует слюда без пятен, воздушных включений и морщин.

Электрические свойства слюды высоки в том случае, когда поле направлено перпендикулярно плоскостям спайности. При

77

этом условии мусковит без дефектов обладает следующими свой­

направлено вдоль плоскостей спайности, электрические свойства

Материалы на основе природной слюды

Из отходов производства и мелких пластинок слюды изготов­ ляется ряд электроизоляционных материалов: миканит, стекломиканит, стекломикалента, слюдинит, стеклослюдинит и микалекс.

Миканит—-листовой или ленточный материал, получаемый пу­ тем склеивания пластинок слюды при помощи электроизоляцион­ ного лака. В соответствии с назначением выпускают коллектор­ ный, прокладочный, формовочный и гибкий миканиты. При

Стекломиканит представляет собой листовой материал, состоя­ щий из пластинок слюды, оклеенных при помощи кремиийорганического лака с обеих сторон бесщелочной стеклотканью; имеются также стекломиканиты, у которых стеклоткань оклеена с одной или двух сторон пластинками слюды. Разновидностью этого ма­ териала является стекломикалента, выпускаемая в рулонах; ее электрическая прочность до 150 кв/см.

Слюдинит представляет собой бумагу, изготовленную из тон­ чайших лепестков слюды. Эти лепестки получают путем термиче­ ского или химического процесса, в ходе которого пластинки слюды расщепляются на весьма тонкие лепестки. Обычно для упрочне­

78

ния полученную ленту оклеивают бумагой; нагревостойкость слю­ динита не превышает 130° С.

Стеклослюдинит отличается применением для оклейки слюдш битовой ленты бесщелочной стеклоткани с помощью кремнийоргаиического лака с последующей горячей прессовкой. Нагрево­ стойкость такого материала — до 200° С; при этой температуре и толщине 0,1—0,2 мм Епр = 1 0 0 кв/см.

Микалекс — твердый материал, получаемый путем нагревания смеси из порошкообразных слюды и стекла при температуре около 600° С и последующего прессования при давлении око­ ло 700 кГ/см2. Применяемое при этом преимущественно борноще­ лочное стекло плавится и отчасти вступает в химическую реакцию с поверхностными слоями слюды. Кристаллы слюды в механиче­ ском отношении играют роль своеобразного каркаса, а стекло — роль связывающего вещества, цементирующего частицы слюды. Получаемые после прессования заготовки в виде брусков и пла­ стин светло-серого цвета могут хорошо обрабатываться. Времен­ ное сопротивление изгибу составляет около 1000 кГ/см2. Гигроско­ пичность микалекса не превосходит 0,5%. По электрическим свой­ ствам микалекс уступает слюде. Микалекс применяется для изго­ товления установочных электроизоляционных деталей, а также в качестве изоляции в электротермических установках.

Синтетическая слюда

Синтетическая слюда в отличие от природной не содержит кристаллизационной воды и загрязняющих примесей и поэтому значительно превосходит ее по нагревостойкости и электрическим свойствам. Вместе с тем до сих пор не удалось осуществить полу­ чение искусственно крупных кристаллов; для конденсаторов при­ меняются пластинки в форме квадрата не более 2 0 x 20 мм, хотя встречаются кристаллы размером 60x60 мм. Синтетическая слюда уступает природной также и по гибкости; она, кроме того, более хрупка. Синтетическую слюду получают бестигельным или тигельным процессом кристаллизации в специальных кристалли­ зационных печах. Из полученного слитка извлекают деловые кри­ сталлы слюды, которые затем расщепляют на пластинки необхо­ димой толщины. Синтетическая слюда может быть различной по составу. К наиболее распространенным видам относится фторфло-

щая в природном флогопите, здесь замещена фтором. Вспучива­ ние при нагревании у синтетической слюды не наблюдается, по­ этому критериями для определения нагревостойкости может слу­ жить изменение цвета или снижение электрических свойств. До 1000° никаких изменений цвета не обнаруживается, при 1050° начинается помутнение. Нагрев до 600° С в течение 1000 часов не

79