Классификация керамических материалов

По частотному диапазону керамические материалы делятся на высокочастотные и низкочастотные.

По техническому назначению их можно разделить на установочные и конденсаторные.

Установочную керамику применяют для изготовления изоляторов и конструкционных деталей: опорных, проходных, подвесных антенных изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, каркасов индуктивных катушек и многих других деталей. Из некоторых материалов изготовляют и конденсаторы.

Конденсаторная керамика применяется для производства НЧ и ВЧ конденсаторов.

Установочные керамические материалы.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит фарфор.

Из низкочастотных установочных материалов наиболее распространен изоляторный фарфор, радиофарфор занимает промежуточное положение между низкочастотными и высокочастотными установочными керамическими материалами, у льтрафарфор (высокое содержание А1₂О₃)является высокочастотным диэлектриком.

Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин, глина, кремнезем, т.е. кристаллические фазы фарфора содержат системы окислов А1₂О₃ и SiO_2. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: ε=6 - 7, tgδ около 0.02.

Фарфор применяют для производства широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Ультрафарфор применяют для изготовления конденсоторов.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов. Основной кристаллической фазой этой керамики является клиноэнстатит (MgO-SiO₂). Большим преимуществом стеатитовой керамики является ее малая абразивность. Поэтому стеатитовую керамику используют для изготовления мелких прессованных и штампованных радиодеталей

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице.

Алюминоксид - керамика с высоким содержанием глинозема (95-99%).

Из него изготовляют изоляторы в корпусах полупроводниковых приборов и внутриламповые изоляторы, подложки гибридных интегральных микросхем.

Цельзиановая керамика. В состав этой керамики входят предварительно синтезированное соединение, называемое цельзианом (ВаО-А1₂Оз-2SiO₂). Используют ее для изготовления индуктивных катушек высокой стабильности, изоляторов и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности.

Форстеритовую керамику (2MgO-SiO₂), применяют для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов, когда требуется вакуумплотное соединение с металлом, обладающим повышенным температурным коэффициентом линейного расширения, например с медью.

Конденсаторные керамические материалы.

Конденсаторная керамика имеет повышенные (ε=10 - 230) и высокие значения (ε=900). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tgδ на частоте 1МГц не должен превышать 0.0006, во втором случае керамика низкочастотная - на частоте 1кГц tgδ = 0.002 - 0.025. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.

Для высокочастотных конденсаторов являются «титанатовые» керамические диэлектрики. Среди них можно выделить керамику на основе рутила (ТiO₂), перовcкита (CaTiО₃), титаната стронция (SrTiO₃). Следует отметить, что в ряде случаев в качестве конденсаторных материалов применяют и некоторые виды установочной керамики (ультрафарфор, стеатит, цельзиановая керамика).

Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария ВаТiO₃ и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами.

Активные диэлектрики

Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков.

К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рисунке, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса и резко выраженная температурная зависимость ε, в которой максимум достигается при температуре Кюри.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:

· ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), барий-натриевый ниобат (BaNaNb₅O₁₅) или сокращенно БАНАН и др.;

· дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆^.4H₂O), триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH₃^.H₂SO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄) и др.

Важнейшими из направлений в техническом применении сегнетоэлектриков являются

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью (в том числе и для нелинейных конденсаторов — варикондов).

2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4) использование кристаллов сегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

Пьезоэлектрики - это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880г. Величина возникающих на поверхностях диэлектрика электрических зарядов меняется по линейному закону в зависимости от величины механических усилий (рис. ):

Q=dF; q=dσ

где Q—заряд; d— пьезомодуль; F— сила; S—площадь; q— за ряд, который приходится на единицу площади; σ—механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль d численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления. Величина пьезомодуля используемых в практике пьезоэлектриков порядка 10^-10 Кл/Н.

 

Рис. Закономерности при пьезоэлектрическом эффекте в диэлектриках

 

Пьезоэлектрический эффект обратим.

При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика Δl/l в зависимости от величины напряженности электрического поля Е по линейному закону (рис. 5, б):

Δl/l=dE.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического ноля и меняет знак при изменении направления последнего. На рис. показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля у него возникают При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля.

В различных пьезопреобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном на основе твердых растворов цирконата-титоната свинца (сокращенно ЦТС).

Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов (эмульсификаторы, полимеризаторы, стерилизаторы и т. п.) и в полупроводниковой технологии для эффективной отмывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений и вибраций. Двойное преобразование энергии (электрической в механическую и наоборот) положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей используются керамические материалы на основе твердых растворов BaNb₂O₆ - PbNb₂O₆ и NaNbO₃ - KNbO₃, разработанные специально для высокочастотных преобразователей.

Пироэлектрики, то-есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария стронция, триглицинсульфат - ТГС, ниобат и танталат лития.

Жидкие кристаллы. Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой — для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Однако широкое практическое применение эти вещества нашли сравнительно недавно.

Специфика жидких кристаллов заключается в том, что температурный интервал существования жидкокристаллического состояния ограничен. Последовательность фазовых превращений при нагревании вещества можно представить следующей схемой:

_{T1 T2}

твердое тело → жидкий кристалл → изотропная жидкость

Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Примером такого вещества служит метоксибензилиден-буттанилин (МББА):

В настоящее время известно более 3000 органических соединений способных существовать в мезоморфном (жидкокристаллическом) состоянии. Среди них есть такие вещества, у которых температурный интервал существования мезофазы включает комнатную температуру (в их числе МББА).

Жидкие кристаллы весьма чувствительны (десятые доли градуса) к температуре и при этом меняют свою окраску. На этом принципе возможно создание очень чувствительных датчиков температуры. Подбирая различные по составу вещества, можно осуществить измерения температуры в пределах от —40 до + 50⁰С. Используя многокомпонентные смеси жидких кристаллов можно изготовить индикаторы, которые позволят зарегистрировать изменения температуры в тысячные доли градуса. Цветовые термоиндикаторы с успехом применяются для целей технической и медицинской диагностики. Они позволяют очень просто получить картину теплового поля в виде цветовой диаграммы. Этот же принцип используется для визуализации инфракрасного излучения и полей СВЧ.

Жидкие кристаллы также сильно реагируют на изменения напряженности электрического и магнитного полей, изменяя при этом свою прозрачность и другие оптические характеристики, что создает возможность использовать их в качестве управляемых материалов и для этого вида внешних воздействий. Для визуального отображения информации наибольший практический интерес представляют электро-оптические эффекты в нематических, жидких кристаллах Для практического использования требуются тонкие однородно ориентированные слои относительно подложек, которые изготавливают из стекла. Требуемая ориентация достигается специальной обработкой.

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят, молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообразную форму, и ориентируются параллельно молекулам жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы, используемые в индикаторных устройствах, обычно представляют собой смесь двух или нескольких соединений. В смешанных системах удается получить более широкий температурный интервал существования жидкокристаллической фазы. (-20 - +80).

Область применения нематических жидких кристаллов пока в основном ограничивается индикаторными устройствами. К таким устройствам относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основными преимуществами таких индикаторов являются: а) хороший контраст при ярком освещении; б) низкая потребляемая мощность; в) совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению; г) сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.

Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах и составляет 10^-4—10^-6 Вт/см². Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.