3.11. Стекло и керамика

Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные— на основе оксидов (Si0₂, Ge0₂, Вi0₅, As₂0₅); галогенидные — на основе галогенидов, главным образом BeF₂(фторберилатные стекла) и халькогенидные — на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп: 1) по виду окисла стеклообразователя—силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.; 2) по содержанию щелочных окислов — бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды—MgO, CaO, ВаО и др.) малощелочные; многощелочные.

Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие — стекла с повышенным содержанием оксидов РbО, Na₂0, K₂0. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Некоторые специальные виды стекол — халькогенидные, ванадиевые (полупроводниковые) имеют электронную или смешанную проводимость. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол Si0₂и Вi₂0₃. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность, ρv стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 10 до 10 Ом·м. Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости, потерь релаксационных и структурных, tgδ стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов РbО и ВаО имеют низкий tgδ. Самую низкую ε имеет кварцевое стекло (3,7-2,8) и стеклообразный борный ангидрид (3,1-3,2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, ε стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20). Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми процессами. При постоянном напряжении электрическая прочность стекла резко снижается при увеличении температуры. В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17-80 МВ/м.

Наиболее высоким комплексом свойств обладает кварцевое стекло, выплавляемое из горного хрусталя и чистых кварцевых песков. При нормальной температуре tgδ=0,0002, ε=3,8, ρ_vпри 200°С около 10¹⁵Ом·м. Кварцевое стекло находит применение для изготовления различных изделий в электрорадиовакуумной промышленности; трубчатых, опорных и проходных изоляторов для электрических газоочистительных установок, высоковольтных изоляторов для высоковольтных линий; различных деталей переменных конденсаторов; катушек самоиндукции; ламп, приборов, аппаратов и др.

Разнообразие и особенности полупроводниковых стекол открывают широкие возможности для их применения в полупроводниковых приборах и устройствах, например в термосопротивлениях, в светофильтрах и фотосопротивлениях, сочетающих избирательное поглощение света с повышенной электропроводностью.

Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. При соответствующем выборе состава керамики из нее можно получить материалы, обладающие разнообразными свойствами. В электротехнической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и др. изделий. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую, чем органические материалы устойчивость к электрическому и тепловому старению. Керамику можно подвергать металлизации обычно методом вжигания серебра и осуществлять герметичные спаи с металлом.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных, высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро- и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения: глинистые вещества — каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава от 1300 до 1410°С. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах ε=6-7, tgδ около 0,02. tgδ электротехнического фарфора, однако, быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgO·Si0₂.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество новых керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице 3.11.1.

Таблица 3.11.1

Конденсаторная керамика имеет повышенные (ε=10-230) и высокие значения ε (900). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам и tgδ на частоте 1 МГц не должен превышать 0,0006, во втором случае керамика низкочастотная—на частоте 1000 Гц tgδ=0,002- 0,025. К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана—рутил (ТiO₂). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция — СаТiOз иSrTiOз. При высоких частотах у этих материалов температурная зависимость tgb выражена слабо. Основу низкочастотной керамики с высокой ε составляет титанат бария ВаТiOз и твердые растворы на его основе. Эти материалы характеризуются нелинейной зависимостью ε от температуры и напряженности электрического поля.