Твердые неорганические электроизоляционные и конденсаторные материалы

Урок №51

Твердые неорганические электроизоляционные и конденсаторные материалы

Твердые неорганические электроизоляционные и конденсаторные материалы подразделяют на следующие основные классы: электровакуумные стекла, ситаллы (стеклокерамика), электротехническая керамика.

Электроизоляционные стекла

Стекла— это аморфные тела, получаемые в результате переохлаждения расплавов некоторых оксидов. При этом стекла приобретают механические свойства твердых тел. Процесс постепенного перехода переохлажденной жидкости в стеклообразное состояние называется стеклованием.

Стеклообразное состояние является промежуточным между кристаллическим и жидким. По твердости и хрупкости стекло сходно с типичными твердыми телами, но отличается от них характерным для жидкостей отсутствием дальнего порядка в структуре и связанной с этим изотропией свойств. Структурные единицы стекла образуют не упорядоченную кристаллическую структуру, а нерегулярную сетку (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Структуры силикатных веществ: а — кристаллических; б — аморфных; в — стекол

(• — Si; о — О; О ^— Na)

Стекла классифицируют по назначению и составу. По назначению промышленные стекла подразделяют: на строительные; технические (электротехнические, оптические, светотехнические, электроизоляционные и т. д.); стекловолокна; специальные (лазерные, фотохромные, оптически- и магнитоактивные, для ультразвуковых линий задержки и т. д.); жидкие стекла; стеклянные эмали и покрытия и др.

По составу выделяют одно- или многокомпонентные стекла, состоящие из различных элементов (металлы, неметаллы), галогенидов, халькогенидов, оксидов и др. К образованию однокомпонентных элементных стекол способны некоторые неметаллы (S, Se, As, Р, С) и металлы (Bi, Са, Zn, НГ, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Re, Fe, Ni, А1 и др). Из однокомпонентных стекол наибольшее значение имеет кварцевое стекло, из бинарных — щелочносиликатные стекла состава М₂0—Si0₂ (М — Na, К), из многокомпонентных — щелочносиликатные стекла, содержащие оксиды Са, Mg, А1.

Значительная часть стекол относится к оксидным, в зависимости от химического состава они подразделяются на ряд классов и групп:

• по виду оксида-стеклообразователя — силикатные, фосфатные, алю- минатные, алюмосиликатные, боросиликатные, алюмоборосиликат- ные;
• по содержанию щелочных оксидов — бесщелочные, мало- и многощелочные.

Оксиды, входящие в состав стекла, относятся к одной из трех основных групп:

• кислотные (стеклообразователи): Si0₂, В₂0₃, Р₂0₅, Ge0₂ и др.;
• основные (модификаторы): CaO, BaO, Na₂0, К₂0 и др.;
• амфотерные: А1₂0₃, Ti0₂, Zr0₂, MgO, ZnO и др.

Наиболее распространенными электроизоляционными стеклами являются силикатные (>75% Si0₂) благодаря высоким электрофизическим свойствам, прозрачности, твердости, технологичности и низкой стоимости. Увеличение содержания в стекле Si0₂ приводит к уменьшению температурного коэффициента линейного расширения (ТКР), тангенса угла диэлектрических потерь tg б и увеличению удельного электросопротивления р, а также вязкости и температуры размягчения. Возрастание содержания в стекле щелочных оксидов приводит к обратному.

Химическая стойкость стекол очень высока: они не реагируют ни с какими веществами, кроме щелочей и плавиковой кислоты HF.

Механическая прочность стекла в значительной степени определяется состоянием его поверхности. Прочность стекла при растяжении очень низка — 0,2—0,5 МПа, что обусловлено большим количеством поверхностных дефектов, являющихся концентраторами напряжений (прочность при сжатии составляет 5—20 МПа). После удаления поверхностного слоя, например, при травлении плавиковой кислотой, прочность стекла может увеличиваться до 5 МПа. Упрочнения можно достигнуть также закалкой, в результате которой в поверхностном слое стекла создаются напряжения сжатия, а в его объеме — напряжения растяжения. Сочетание этих методов позволяет увеличить прочность стекла до 8—9 МПа. Значительное увеличение прочности достигается также при получении ориентированных структур (пленок, нитей).

В отличие от металлов стекла не пластичны и поэтому подвержены хрупкому разрушению. Твердость стекол соизмерима с твердостью сталей.

Стекла прозрачны в видимой части спектра, в ультрафиолетовой области прозрачны кварцевое и так называемые увиолевые стекла (на основе

В₂0₃, Р₂0₅). Стекла, содержащие оксиды легких элементов (В₂0₃, ВеО, LBO), прозрачны для рентгеновских лучей. Стекла с высоким содержанием оксидов тяжелых элементов (РЬО, ВаО) поглощают рентгеновские лучи и применяются в качестве защитных экранов. Для изготовления, например, светофильтров и эмалей используют стекла, окраску которым придают некоторые оксиды: синюю — Со₃0₄, зеленую — Сг₂0₃, фиолетовую — Мп0₂ и т. д.

Электропроводность стекол осуществляется главным образом ионами щелочных (Li⁺, Na⁺, К⁺) или щелочно-земельных (Mg²⁺) металлов. Увеличение в составе стекла содержания оксидов щелочных металлов приводит к уменьшению удельного электросопротивления р и электрической прочности ?_пр; увеличить эти параметры можно повышением содержания СаО, ВаО, РЬО, В₂0₃, А1₂0₃. Наличие в составе стекла щелочных оксидов увеличивает также диэлектрическую проницаемость е.

Электровакуумные стекла практически непроницаемы для всех газов, кроме гелия. Основные свойства стекол приведены в табл. 11.9.

Таблица 11.9

Свойства электроизоляционных стекол

Группа	Марка	ТКЛР, Ю-⁷°_с-1	р, г/см³	ГПа	СГрч ГПа	Термостойкость, °С	р,/, Ом • м		tg6 10-⁴	?„_р, МВ/м
Кварцевая	С5		2,2		0,5	>1000	10¹⁶	—
Вольфрамовая	С35-С42	35-42	2,1	6-8	1-1,5	170-220	I0¹⁵	—	5-10
Молибденовая	С46-С51	46-51	2,3		0,4—0,5	120-160	10¹⁴	4,8		—
Титановая	С55-С80	55-80	2,3	5-8	0,3-0,7	90-120	10¹²		—
Платиновая	С86-С98	86-98	2,5-3	7-10	0,4-0,5	60-90	Ю¹⁰		50-150
Железная	С100—С120	100-120	—	6-12	0,3-0,8		10’	—	200-250	—

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР или просто ТКР) — важная характеристика, лежащая в основе маркировки большинства электровакуумных стекол, поскольку основным способом соединения стекол с другими материалами является пайка или сварка, а прочность таких соединений обеспечивается согласованием ТКР паяемых или свариваемых материалов. Величина ТКР характеризует также термостойкость стекла.

Электровакуумные стекла делятся на группы по признаку паяемости с определенным металлом или сплавом. Так, например, стекла молибденовой группы имеют ТКР, близкий к ТКР молибдена, и образуют с ним прочный вакуумно-плотный спай.

Согласно принятой системе маркировки электровакуумных стекол цифры после буквы С, обозначающей стекло, показывают значение среднего

ТКР в интервале температур 20—300 °С; через дефис ставится порядковый номер разработки стекла. Например, стекло марки С87-3 имеет ТКР, равный 87 • ю-⁷ к-¹.

Кварцевое стекло.Однокомпонентный материал, состоящий из Si0₂;отличается малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, высоким удельным электросопротивлением, химической стойкостью, прозрачностью в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, термостойкостью. Недостаток этого стекла заключается в высокой газопроницаемости (водорода и гелия), низкой технологичности, обусловленной его тугоплавкостью, и высокой стоимости.

Применяется кварцевое стекло при производстве ответственных электронных приборов, ламп бегущей волны, приборов, эксплуатирующихся при высокой температуре, а также в приборах, условием работы которых является прозрачность для УФ-излучения.

Стекла вольфрамовой группы.Тугоплавки и термостойки, имеют высокие диэлектрические свойства благодаря низкому содержанию щелочных оксидов. Используются для производства СВЧ-приборов, генераторных ламп, вакуумных конденсаторов.

Стекла молибденовой группы.Тугоплавкие, термо- и радиационностойкие щелочные боросиликатные и бесщелочные алюмосиликатные стекла, содержащие BaO, CaO, MgO. Используются при изготовлении СВЧ-приборов, счетчиков элементарных частиц, оболочек рентгеновских и генераторных ламп, окон фотоэлектронных умножителей, теплостойких резисторов и т. д.

Стекла титановой группы.Имеют ТКР, близкий к ТКР некоторых сталей и железо-никелевых сплавов; это малощелочные магниево-бариевые или кальциево-бариевые стекла, часто окрашенные. Используются для изготовления высокотемпературных изоляторов, изоляторов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Стекла платиновой группы.Имеют ТКР, близкий к ТКР высокохромистых сталей и платинита. Легкоплавкие щелочные стекла, содержащие СаО, РЬО, Со₂Оз, NbCT. Некоторые стекла этой группы могут ослаблять рентгеновское излучение. Стекла применяются для изготовления кинескопов, электронно-лучевых трубок, электронно-оптических, сверхвысокочастотных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, фотоэлектронных умножителей и т. д.

Стекла железной группы.Щелочные (содержащие Li₂0), бариево-свинцовые стекла; сочетают высокие диэлектрические свойства, легкоплавкость и высокий ТКР (близкий к ТКР низкоуглеродистых и хромоникелевых сталей). Недостатком этих стекол является низкая термостойкость. Применяются для изготовления электроразрядной аппаратуры и конденсаторов.

Производство стекла и стеклянных изделий состоит из основных стадий: приготовление шихты, варка стекла, формование изделий, отжиг и дополнительная обработка (если необходимо).

Сырьем для получения стекла служат кварцевой песок, глинозем, каолин, сода, поташ, борная кислота, сурик и т. д. Из измельченной и перемешанной шихты в печи варят стекломассу, из которой формуют изделия.

Наиболее распространены следующие методы формования: выдувание, вытягивание, прокатка, литье, прессование, пресс-выдувание.

Готовые изделия отжигают для снятия механических напряжений, образовавшихся вследствие быстрого и неравномерного остывания. После отжига изделие может подвергаться дополнительной обработке: механической (шлифовка и полировка), термической (закалка, стеклодувные работы). В ряде случаев производят металлизацию стекла.

Особое место в технологии стекла занимает производство из бесщелоч- ных и малощелочных алюмоборосиликатных сортов стеклянных волокон диаметром 4—15 мкм. Волокно получают вытяжкой через фильеру и быстрой намоткой на вращающийся барабан. Такое волокно имеет высокую прочность, обусловленную ориентацией частиц поверхностного слоя стекла, и гибкость, позволяющую получать из него нити и ткани. Волокна используют для изготовления световодов в волоконной оптике и в качестве наполнителей для стеклопластиков. Как наполнители применяются также стеклянные нити и ткани.