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, ультрафарфор(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 SiO2. 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— заряд, 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.