Печать
Опубликовано: 18 ноября 2014 18 ноября 2014
Просмотров: 5450 5450

Керамика – это материал, получаемый спеканием отформованных минеральных масс в режиме высокотемпературного обжига.

Керамика на основе глины является самым древним искусственным материалом и до сих пор широко применяется в строительстве (кирпичи, плитка, черепица  т.д.).

 Керамика может изготавливаться из минералов и оксидов металлов. Химическая структура керамики является многофазной и состоит из кристаллической, стекловидной фаз, а также газовых включений. Объемная доля стекловидной фазы в керамике может достигать 40%. Состав стекловидной и кристаллической фаз обычно отличается. Газовые включения образуют поры, наличие которых снижает прочность керамики.

Соответствующим выбором состава керамики можно получить различные виды изделий: диэлектрические, полупроводниковые, пьезоэлектрические, композиционные. Многие виды керамики обладают высокой механической прочностью, нагревостойкостью, устойчивостью к тепловому и электрическому старению.

Технология изготовления современных видов керамики включает следующие этапы:

- измельчение исходных компонентов;

- их перемешивание и увлажнение с добавлением временных связующих и пластификаторов;

- формование изделий прессованием, литьем, экструзией и др.

- низкотемпературный отжиг для удаления связующих;

- высокотемпературный обжиг для формования керамики с необходимыми свойствами.

Наибольшей прочностью обладает керамика на основе чистых оксидов алюминия, циркония, магния, бериллия ряда других металлов. Наибольшая термостойкость у керамики на основе оксидов алюминия и бериллия. Обтекатели радиолокационных антенн и летательных аппаратов изготавливают из керамики из оксида алюминия.

Керамика на основе ВеО обладает высокой теплопроводностью λ=160 Вт/(мК), в то время как для прочих видов керамики она лежит в пределах λ=2-30 Вт/(мК). Температура плавления кристаллической фазы керамики составляет 2000-33000С, рабочая температура равна 0,8-0,9 от этого значения.

Пористая керамика применяется для изготовления огнеупоров, фильтров и изоляторов, а плотная керамика с размером зерна 1-5 мкм – в качестве конструкционного материала для изготовления различных деталей. В атомной промышленности используют керамику на основе оксидов бериллия, тория и урана.

Высокоглиноземистая керамика (алюминооксид) состоит в основном из оксида алюминия. Для его обжига требуется довольно высокая температура до 17500С. Его нагревостойкость достигает 16000С, он обладает высоким электрическим сопротивлением, малым tgδ при повышенной температуре, высокой теплопроводностью и механической прочностью.

Поликор имеет особо плотную структуру, близкую к теоретической для оксида алюминия, и обладает оптической прозрачностью. Он применяется для изготовления колб некоторых специальных источников тока.

В качестве электроизоляционного материала для изготовления низковольтных и высоковольтных изоляторов широко распространен электротехнический фарфор. Рабочее напряжение таких изоляторов достигает 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного. Фарфор изготавливают на основе глинистых веществ – каолин, глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Для повышения напряжения перекрытия и механических свойств, уменьшения токов утечки фарфоровые изоляторы глазуруют. В процессе обжига глазурь плавится и покрывает поверхность изолятора тонким стеклоподобным слоем. создавая при этом легко очищаемую поверхность.

Наличие стекловидной фазы определяет довольно высокую механическую прочность фарфора. Его предел прочности на сжатие составляет 400-700 МПа, значительно меньший предел прочности при растяжении 45-70 МПа и изгибе 80-150 МПа. При нормальной температуре и низкой частоте: ε=6-7, tgδ=0,02. При увеличении температуры tgδ быстро возрастает, что затрудняет его использование при высоких температурах и частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов используют стеатитовую керамику, изготавливаемую на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой при этом является метасиликат магния MgO×SiO2. Такая керамика обладает высокими электрическим сопротивлением, механическими свойствами, стабильностью свойств при воздействии эксплуатационных факторов.

Радиофарфор представляет собой фарфор, с добавлением в стекловидную фазу оксида ВаО.

Ультрафарфор является улучшенным вариантом радиофарфора и имеет повышенную механическую прочность и теплопроводность в сравнении с обычным фарфором. Это достигается за счет высокого содержания в нем оксида алюминия.

Электрические свойства некоторой высокочастотной керамики приведены в табл.1.

Таблица 1. Свойства высокочастотной керамики.

Свойство

Радиофарфор

Ультрафарфор

Стеатит

Ультрастеатит

tgδ×104 при f=1 МГц и температуре:

200С

1000С

 

 

35-45

50-60

 

 

6-9

15-16

 

 

12-20

15-24

 

 

3-6

6-10

Электрическая прочность при 200С и f=50 Гц, МВ/м

15-20

15-20

20-30

20-30

 

Конденсаторная керамика также делится на низкочастотную с ε=900 и tgδ=0,002-0,025 (f=1000 Гц) и высокочастотную, у которой ε=10-230 и tgδ ( f=1 МГц) не превышает 0,0006. Конденсаторная керамика должна иметь как можно меньшее значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.

Многие из видов конденсаторной керамики содержат в составе диоксид титана – рутил TiO2. Они называются титановой керамикой или тикондами. Особенно выделяется керамика на основе титаната кальция CaTiO3 и титаната стронция SrTiO3. На высоких частотах наблюдается слабая температурная зависимость tgδ, но электрическая прочность у них невысока 8-12 МВ/м. Тиконды также сильно подвержены электрическому старению. Из-за высокого отрицательного значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости они применяются исключительно для конденсаторов, к которым не предъявляется требование температурной стабильности емкости. Для повышения температурной стабильности в керамику вводят компоненты с положительным температурным коэффициентом ε. Например, титано-циркониевая керамика, лантановая керамика, станнатная. Беститановая керамика обладает более высокой устойчивостью к воздействию напряжения.

Основным компонентом низкочастотной керамики является титанат бария ВaTiO3 и растворы на его основе. Такие материалы отличаются высокими значениями ε и ее нелинейной зависимостью от напряженности электрического поля.