7.11. Керамические диэлектрики

Керамикой называют неорганические материалы, полученные пу­тем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом боль­шинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала — «керамикос» (от греч. — глиня­ный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электри­ческими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низко­частотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т.п. Керамические материалы облада­ют свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферро­магнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керами­ка, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной Фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза — это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза - это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2-6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) — 15—25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок и т.п. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров и меньше. По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и не плотной упаковкой решетки ионами, чтo определяет виды поляризации виды диэлектрических потерь керамики.

Электрофизические свойства керамики формируются всеми тремя фазами При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность - в амфорной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен.

Конденсаторная керамика

Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике, в об­щем виде формулируются следующим образом:

наибольшая диэлектрическая проницаемость при заданном зна­чении ее стабильности при изменении температуры, частоты, на­пряженности электрического поля и т. д.

минимальные диэлектрические потери;

максимальные электрическая прочность и удельное объемное сопротивление;

высокая устойчивость к электрохимическому старению;

однородность материала и воспроизводимость свойств;

малая стоимость и доступность исходного сырья.

Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высо­кими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 900—9800), относительно большими диэлектрическими потеря­ми (tgδ = 2*10^-3—5*10^-2 ) и небольшими значениями электрической прочности (Епр = 4—15 кВ/мм). Она применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (ƒ < 10 кГц) и конденсаторов, ис­пользуемых в цепях постоянного тока, а также конденсаторов разде­лительных и блокировочных.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и мар­ганца. Основу СВТ (Sr-Bi—Ti) керамики марок Т-900, М-900 и Т-1000 составляют титанаты стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄ Ti ₃O ₁₂ .

Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в ра­диоэлектронике, и охватывает ряд керамических материалов с по­вышенными электрическими и механическими свойствами. Ис­пользуют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих ме­ханическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирую­щих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами и т.п. Некото­рые виды этой керамики применяют при изготовлении конденса­торов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое элек­трическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и часто­ты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойст­ва в зависимости от химического состава имеют следующие зна­чения: ε = 5-9,8, р= 10¹⁴-10¹⁷Ом*м, tgδ = (1-20)*10^-4 при 1 МГц; Eпр = 20-45 кВ/мм.

К этой группе относятся следующие материалы:

Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелкозернистого клиноэнстатита MgO-SiO2, амфорная фаза — из бесщелочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой механической прочностью (σс до 800 МПа, σр до 75 МПа, σи до 200 МПа, а σуд до 4 кДж/м2) и высоким электрическим сопротивлением (р = l0¹⁴—10¹⁷ Ом*м). Используется для изготовления проходных изоля­торов, подложек, изолирующих колец, опорных плит и т.п. Наиболее широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.

Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgO*SiO2. Характерной особенностью ее являются низкие диэлектрические потери (tgδ = (1— 2)*10^-4), высокое электро­сопротивление (р = 10¹⁴ —10¹⁵Ом*м) при нормальной и высокой тем­пературе, повышенные значения ТКЛР (ТКЛР = (8-10,6)*10^-6К^-1 ). Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных металлокерамических спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58, ЛФ-11, КВФ-4 и др.