К неполярным относятся такие полимеры, у которых мономерные звенья макромолекул не обладают дипольным моментом. Из материалов этой группы наиболее важное техническое значение имеют полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен. Их основные свойства приведены в табл. 7.1.
П о л и э т и л е н , рассмотренный в §7.2, полимеризации этилена в присутствии катализаторов. При полимери зации получают полиэтилены высокого, среднего и низкого давления, отличающиеся друг от друга степенью кристалличности и механичес кой прочностью. Так, если предел прочности при растяжении первого равен в среднем 14МПа, то второго и третьего приблизительно 30МПа, относительные удлинения при разрыве соответственно 6 0 0и 400%.Последнее показывает, что полиэтилен обладает сравнительно большой эластичностью. Его отличает высокая стойкость к действию кислот и щелочей.
Полистирол получают из мономера стирола
который представляет собой легкую бесцветную синтетическую жид кость с характерным запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную и бесцветную, как стекло, массу. Полистирол имеет строение.
Для полистирола среднее значение п может доходить до 6000. С целью предотвращения нежелательной самопроизвольной полимери зации стирола во время хранения к нему добавляют специальные ве щества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества полу
чили название ингибиторов. Неравномерная полимеризация вызывает появление внутренних механических напряжений в материале. По этому в ряде случаев у изделий из полистирола намечается тенденция к постепенному образованию тончайших трещин. Чтобы предотвратить это явление и уменьшить хрупкость полистирола, к нему иногда до бавляют некоторые виды синтетических каучуков.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ),выпускаемый в СССР, называют фторопластом-4 (фторлоном-4). Его получают путем полиме ризации тетрафторэтилена F2C=CF2(этилен, в молекуле которого все четыре атома водорода замещены атомами фтора). Макро молекула ПТФЭ имеет регулярное симметричное строение
Среди всех органических полимеров ПТФЭ выделяется высокой на- гревостойкостью (около 300°С) и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Так, на него совершенно не действуют серная, соляная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи и т. п. Некоторое действие на него оказывают лишь расплавленные щелочные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. По стойкости к хими чески активным веществам ПТФЭ превосходит золото и платину. Он негорюч, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жид костями.
Высокие нагревостойкость и химическую стойкость политетра фторэтилена по сравнению с углеводородами можно объяснить тем, что атомы фтора более крупные, чем атомы водорода. Поэтому они соз дают сильное поле, экранирующее углеродный скелет молекулы от внешнего воздействия (рис. 7.4). Сама оболочка из атомов фтора так же проявляет инертность по отношению к внешним воздействиям из-за большой энергии связи С—F.
При. нагревании до температуры 415°С ПТФЭ разлагается с выделением ядовитого газа — фтора. Но даже при этой температуре полимер не переходит в вязкотекучее состоя ние. Поэтому обычные методы формовки тер* мопластичных масс для ПТФЭ непригодны. Он перерабатывается в изделия методом спекания. Предварительно из порошка фор муют изделие определенной формы путем прессования, а затем проводят спекание при температуре 360—380°С.
Как видно из табл. 7.1, все неполярные полимеры характеризуются небольшой ди электрической проницаемостью, малыми ди электрическими потерями в диапазоне ра диочастот, высокой электрической проч ностью и весьма высоким удельным сопро
тивлением. Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией. Поэтому зна чение е не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением температуры (рис. 7.5), что находится в соответствии с уменьшени ем плотности полимера при нагревании. Температурный коэффи циент диэлектрической проницаемости неполярных полимеров при мерно равен удвоенному коэффициенту линейного расширения.
Благодаря высокому удельному сопротивлению потери на электро проводность в рассматриваемых материалах при нормальных услови ях играют далеко не главную роль. Расчет потерь на электропровод ность по формуле (6.27) с использованием значений е и р из табл. 7.1 дает для частоты 106 Гц tgS « 10“10 ч- 10~12, что ничтожно мало по сравнению с экспериментальными значениями этого параметра. Отсю
да можно сделать вывод, что даже в неполярных полимерах главными являются релаксационные потери, хотя они и малы.
Во всех линейных полимерах различают два типа релаксационных потерь: дипольно-сегментальные и дипольно-групповые. Первый тип тражает существование специфической формы тепловых колебаний, присущих высокомолекулярным ве ществам. Как отмечалось в предыду щем параграфе, из-за цепного строе ния макромолекул, в условиях их ослабленного взаимодействия стано вится возможным взаимообусловлен ное движение крупномасштабных сегментов, которое можно предста вить как изгибные колебания основ ной молекулярной цепи. Второй тип релаксационных потерь обусловлен вращением малых полярных групп, содержащихся в боковых ветвях ма кромолекулы.
Диэлектрические потери в неполярных полимерах очень чувстви тельны к полярным примесям, таким, как гидроксильные или карбо нильные (СО) группы, которые всегда присутствуют в технических материалах вследствие частичного окисления, захвата катализатора полимеризации и других причин. Тщательной очисткой материала удается снизить релаксационные потери и достигнуть значений tg6 «
Благодаря малым потерям неполярные полимеры широко применя ют в технике высоких и сверхвысоких частот. Полиэтилен используют в качестве изоляции телевизионных и радиочастотных кабелей.
Тонкие пленки из полистирола и политетрафторэтилена применяют для изготовления термостабильных высокочастотных конденсаторов с достаточно большой емкостью и весьма высоким сопротивлением изо ляции. Ценным свойством таких пленок является высокая электри
ческая прочность, достигающая 200—250 МВ/м. Полиэтилен, благодаря химической инертности, используется как
вспомогательный материал в технологии полупроводников. В част ности, из него изготавливают соединительные шланги в установках для очистки различных газов, трубопроводы для подачи и разлива особо чистой воды. Широко распространена полиэтиленовая посуда для хранения чистых химических реактивов.
Материалы с повышенными диэлектрическими потерями (поляр ные). Уполярных линейных полимеров из-за асимметрии строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. По этому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами, особенно на высоких часто тах. Наиболее распространенными материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (ор ганическое стекло) и полиамидные смолы. Их свойства можно охарак теризовать следующими усредненными параметрами:
Поливинилхлорид (ПВХ)—твердый продукт полиме ризации газообразного винилхлорида Н2С=СН—С1, представляюще го собой этилен, в молекуле которого один атом Н замещен атомом С1. Название винилхлорйд происходит от слова «винил» для группы ато мов Н2С=СН—- (стирол может быть назван винилбензолом).
Поливинилхлорид имеет состав (С2Н3С1)Пи следующее строение:
Благодаря сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является мате
риалом жестким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ до бавляют пластификаторы, в качестве которых используют органичес кие полярные жидкости с высокой точкой кипения. Пластификатор раздвигает молекулярные цепи, ослабляет взаимодействие между ни ми, благодаря чему макромолекулы приобретают возможность пере мещаться друг относительно друга; иными словами, пластификатор играет роль своеобразной «молекулярной смазки». Введение полярного Пластификатора ухудшает электрические свойства полимера.
Полиэтилентерефталат (лавсан)—это термоплас тичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кис лоты СвН4(СООН)2, имеющей строение
при молекулярной массе порядка 30000. Он обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размяг чения. Это — дипольный диэлектрик. Свойства лавсана характеризу ет рис. 7.6.
Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок и для дру гих целей. При повышенных температурах он быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала произ водят в атмосфере нейтрального газа (азота).
Полиамидные смолы также имеют линейное строение молекул и являются термопластичными веществами. Они отличаются высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы лишь в незначительном числе растворителей (в частности, в крезоле и рас плавленном феноле). Применяют их для изготовления искусственных волокон и пластических масс. Из этих смол в СССР особенно распрост ранен капрон, строение которого
Полиамиды стареют под действием света, влаги, температурных изменений. Это проявляется в ухудшении пластичности, снижении ме ханической прочности. Полиамидам присуща относительно высокая гигроскопичность, легкая деформируемость при повышенных темпе ратурах.
У всех полярных полимеров диэлектрическая проницаемость умень шается с ростом частоты и сложным образом зависит от температуры. Диэлектрические потери определяются процессами дипольно-сег- ментальной и дипольно-групповой релаксации, следствием чего явля ется наличие максимумов в температурной зависимости tg6 (рис. 7.6). При повышенных температурах, когда полимер находится в пластичном состоянии, существенную роль начинают играть потери, обусловленные электропроводностью.
Полярные полимеры, по сравнению с неполярными, характеризу ются примерно на два порядка большим значением tg6 и заметно мень шим удельным объемным сопротивлением. Поэтому они используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапа зоне низких частот. Следствием полярности является сильная зависи мость удельного поверхностного сопротивления от влажности окружаю щей среды.
Поливинилхлоридный пластикат получил широкое применение в производстве монтажных проводов благодаря гибкости, достаточной прочности и высокой производительности наложения изоляции. Из непластифицированного ПВХ изготавливают изделия, способные работать в химически агрессивных средах. Пленки из полиэтилентере- фталата (лавсана) используют в качестве несущей основы при изго товлении ленты магнитной записи. Из этого материала можно полу чать тонкие пленки для межслойной изоляции в обмотках трансформа торов, дросселей и подобных изделий, рассчитанных на рабочую тем пературу— 60-т-+150°С. Пленки из лавсана с наиболее высокой механической прочностью имеют толщину около 6,5 мкм. Конденсато ры из таких пленок обладают большей рабочей температурой (до 150°С) по сравнению с бумажными и меньше последних по размерам.
Органическое стекло в основном применяется как декоративный материал в электро- и радиоаппаратуре. Капрон, благодаря хорошим термопластичным свойствам и высокой механической прочности, ис пользуют в производстве различных конструкционных деталей радио аппаратуры (корпусы приборов, ручки и кнопки управления, клави ши переключения диапазонов, каркасы индуктивных катушек и т. п.). На основе полиамидов изготавливают эмальлаки, образующие проч ные эластичные диэлектрические покрытия на металлических проводах.
Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластики
Композиционные порошковые пластмассы, предназначенные для изго товления изделий методом горячего прессования или литья под давле нием, состоят из связующего вещества (искусственные смолы — пространственные или линейные полимеры) и наполнителей (древесная му ка, очесы хлопчатника, каолин, кварцевый песок, асбестовое или стек лянное волокно и т. д.). Кроме того, в массу добавляют красители и для получения наилучших технологических свойств — пластифика торы.
Наполнитель удешевляет пластмассу и в то же время улучшает механические характеристики изделия. В ряде случаев при введении наполнителя (например, кварцевой муки, талька и др.) наблюдается улучшение электрических свойств диэлектриков. При массовом производстве изделий одинаковой формы и размеров применение плас тических масс обеспечивает высокую производительность труда.
В качестве связующего вещества используют феноло-фнормальде- гидные, крезоло-формальдегидные, анилино-формальдегидные, кар- бамидо-формальдегидные, меламино-формальдегидные, фурфуроль- ные, кремнийорганические и другие смолы. На основе этих смол с разными наполнителями отечественная промышленность выпускает более 60 марок порошков, обладающих различными свойствами, для производства деталей радиоэлектронной аппаратуры.
Феноло-формальдегидные смолы получают по средством нагревания в закрытом котле водяного раствора фенола
В результате реакции поликонденсации выделяется и осаждается на дне котла коричневая масса, которая и является синтетической смолой.
Феноло-формальдегидные смолы могут быть изготовлены как термореактивными, так и термопластичными. Если в реакции участвует не менее одного моля формальдегида на моль фенола, получается тер мореактивная смола — б а к е л и т. При изготовлении бакелита ис пользуют щелочной катализатор, обычно аммиак. В результате в смо ловарочном котле из фенола и формальдегида получается бакелит в стадии А (р е з о л); он обладает плавкостью (температура размягче ния 55—80°С) и легко растворяется в спирте.
При нагреве резол подвергается дополнительной полимеризации и через обладающую промежуточными свойствами стадию В (р е з и- т о л) переходит в окончательную стадию С (р е з и т). Для перехода из стадии А в стадию С необходима температура не ниже 110—140°С. В отличие от бакелита в стадии А бакелит в стадии С неплавок (при нагревании до высокой температуры он может лишь обуглиться и сго реть) и не растворяется ни в спирте, ни в других растворителях. Следо вательно, бакелит является типичным термореактивным веществом.
Бакелит (имеется в виду бакелит в стадии С, в которой он находит ся в готовой продукции) обладает повышенной механической прочно стью. Однако он мало эластичен и не отличается высокой стойкостью к воздействию воды. Отрицательным свойством его является склон ность к обугливанию — образованию на поверхности проводящих электрический ок следов при воздействии поверхностных электричес ких разрядов. Бакелит широко используют при изготовлении компо зиционных пластмасс.
Феноло-формальдегидные смолы, благодаря наличию в их молеку лах гидроксильных групп — ОН, полярны. Электрические свойства бакелита в стадии А невысоки (р порядка 106Омм). При запекании смолы они улучшаются — для бакелита в стадии С значение р состав ляет около 1011 Ом-м; е =4,5; tgS =0,01.
Крезоло-формальдегидные смолы (СН3—СвН4—ОН) имеют менее выраженные полярные свойства по сравнению с фенольными.
При замене фенола (в реакции с формальдегидом) анилином CeH6NH2 получают анилино-формальдегидные смолы. Их полярные свойства выражены еще слабее, так как группа NH2менее полярна, чем группа —ОН; это способствует уменьшению гигроскопичности.
Кроме перечисленных смол для изготовления композиционных пластмасс применяют много других, в том числе и кремнийорганичес- ких смол. Использование последних позволяет получить пластмассы с нагревостойкостью 300°С и более.
Исходное сырье тащтельно измельчается и перемешивается. Изго товленный таким образом пресс-порошок идет на формовку изделий. Прессование изделий из.пластмасс обычно производят на гидравлических прессах, обеспечивающих создание достаточно большого давления. Если требуется одновременно нагрев и давление, то пласти ны пресса или сама пресс-форма снабжаются электронагревательным устройством.
Формовка путем прессования используется обычно при изготовле нии изделий из термореактивных пластмасс.
Литье под давлением применяют для получения изделий из термо пластичных пластмасс. Материал подогревают и размягчают вне пресс-формы и затем вдавливают в нее. Этот способ допусти^ и для термореактивных материалов при малых количествах засыпаемого в бункер пресс-порошка.
Наилучшими электрическими свойствами среди композиционных пластмасс обладают материалы на основе анилино-формальдегидной смолы. Аминопласты ценны тем, что позволяют придавать им любую яркую окраску, тогда как феноло-формальдегидные пластмассы из-за темно-коричневого цвета самой смолы окрашивают только в коричне вый или черный цвет. Коричневцй краситель вводят, как правило, в пресс-порошки с повышенными электрическими характеристиками.
Применение композиционных пластмасс в радиоэлектронике в качестве электроизоляционных и чисто конструкционных материалов очень широко: из них изготавливают корпусы радиоприемников, телевизоров, измерительных приборов, наушники, ламповые панельки, клеммные щитки, головки кнопок, рукоятки, штепсельные разъемы и др. Изготовление таких изделий обычной механической обработкой было бы весьма трудоемко, прессование же из пластмассы позволяет получить их за одну технологическую операцию.
Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.
Г е т и н а к с получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспен зии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10—12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между лис тами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный моно
литный материал. Слоистое строение гетинакса приводит к анизотропии свойств. Так,
удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50—100 раз ниже, чем поперек; электрическая прочность вдоль слоев в 5—8 раз ниже, чем поперек.
Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают поляр ными свойствами. Его электрическая прочность (перпендикулярно слоям) составляет около 30 МВ/м, е = 6 7, a tg6 ==0,04 0,08 (на частоте 106 Гц).
Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей радио аппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной или с двух сторон электри ческой красно-медной фольгой толщиной 0,035—0,05 мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путем избирательного травления.
Т е к с т о л и т — пластик, аналогичный гетинаксу, но его изго тавливают из пропитанной хлопчатобумажной ткани.
Электрозоляционные компауды
Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ (смол, битумов, эфиров, целлюлозы и т. д.), которые переводят в жидкое сос тояние чаще всего путем разогрева до достаточно высокой температуры; затвердевание происходит при охлаждении расплавленного компаунда. Такие компаунды часто называют термокомпаундами.
Для электронной аппаратуры, состоящей из элементов, чувстви тельных к воздействию повышенной температуры, большое значение получили компаунды, отверждающиеся при комнатной или несколько более высокой температуре вследствие полимеризации, протекающей благодаря вводимым в их состав специальным отвердителям.
По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточные и заливочные. Последние используют для заполнения сравнительно больших полостей, промежутков между различными деталями, для защиты изоляции от увлажнения, для увеличения про бивного напряжения, для улучшения теплоотвода, повышения меха нической прочности и т. д.
По свойствам компаунды подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные компаунды размягчаются при нагревании (для пропитки или заливки) и отвердевают при охлаждении. К их числу относятся битумные компаунды. Битумами называют группу нефтяных аморфных термопластичных материалов, которые представляют собой сложные смеси углеводородов.
Термореактивные компаунды необратимо отверждаются в резуль тате происходящих в жидком состоянии химических реакций. Они, как правило, обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичными компаундами, так как при нагрева нии уже не размягчаются. Однако заливка термореактивным компаун дом практически исключает возможность ремонта детали или прибора в случае их повреждения. К числу термореактивных относятся компа унды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение в электронной технике получили эпоксидные компаунды, отличающиеся высокой механичес кой прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой ком позиции на основе эпоксидных смол и отвердителей (различных хи мических соединений, вступающих в реакцию с функциональными группами эпоксидных смол или являющихся катализаторами отверж дения). Кроме смолы и отвердителя в компаундах могут быть пластифи каторы, наполнители, разбавители и т. д. В зависимости от состава имеются компаунды, отверждающиеся при комнатной температуре или
при подогреве. Эпоксидные смолы являются продуктами поликонденсации хлори
рованных глицеринов с двухатомными фенолами в щелочной среде. Наиболее распространена смола, получаемая при взаимодействии эпи- хлоргидрина глицерина с дефенилолпропаном (дианом), называемая обычно диановой.
Структурная формула диановой смолы следующая:
называемые эпокси-группами, характерны для любой разновид ности эпоксидной смолы. В зависимости от количественного соотноше ния реагирующих компонентов и условий проведения реакции обра зующиеся смолы представляют собой окрашенные жидкие или густо вязкие продукты различной молекулярной массы.
Эпоксидная смола как таковая не обладает технически необходи мыми свойствами и поэтому не интересна для практического использования.
Под влиянием отвердителей на холоде или при нагревании эпоксидные смолы претерпевают такое химическое изменение, которое делает их ценными для практического применения.
В качестве отвердителей обычно применяют амины или ангидриды кислот. Наиболее распространенными отвердителями из аминов явля ются гексаметилендиамин, полиамины., метафенилендиамин и др.; из ангидридов,— малеиновый и фталевый. В случае применения аминов затвердевание эпоксидной смолы протекает при более низких темпера турах, тогда как использование ангидридов кислот требует нагрева ния до температуры выше 100°С.
В качестве примера рассмотрим процесс отверждения при добавле нии к эпоксидной смоле диаминов, молекулы которых содержат по две аминогруппы NH2. Упростим структурную формулу смолы, обозна чив через М всю цепочку атомов между концевыми эпоксигруппами:
Отверждение идет с отщеплением водорода от диаминов, «раскры тием» кольца в эпокси-группах и появлением у отвержденного компа унда гидроксильных групп — ОН, обеспечивающих значительный захват (адгезию его к полярным диэлектрикам и металлам):
Эпоксидные компаунды обладают малой усадкой при затвердева нии, исключительной прочностью и весьма высокими влагозащитными свойствами.
Компаунды широко применяют для пропитки и заливки отдельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Их используют также для герметизации и опрессовки дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Некоторые разновидности эпоксидных компаундов обладают высокой оптической однородностью и прозрачностью к излучению в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Благодаря этим свойствам они находят применение в качестве оптических согласующих (иммер сионных) сред при выводе излучения из светодиодов.
Неорганические стекла
Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества, в кото рых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла сос тавляет стеклообразующий окисел. К числу стеклообразующих окис лов относятся Si02, В20 3, Ge02, Р20 5. Наибольшее распростране ние получили силикатные стекла (т. е. на основе Si02) благодаря вы сокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Д л я придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикат ных стекол вводят окислы различных металлов (наиболее ' часто — щелочных и щелочно-земельных).
Сырьем для изготовления стекол служат следующие материалы: кварцевый песок Si02, сода Na2C03, поташ К2С03, известняк СаС03, доломит CaC03-MgC03, сульфат натрия Na2S04, бура Na2B40 7, бор ная кислота Н 3В 0 3, сурик РЬ30 4, полевой шпат Al20 3-6Si02eK20 и др.
Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотноше ниях и тщательно перемешивают; полученную при этом шихту загру жают в стекловарочную печь. В крупном производстве применяют ван ные печи, а для получения небольшого количества стекла gточно вы держанным составом — горшковые печи. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (Н20, С02, S03) из нее удаляются, а остав шиеся окислы химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая и идет на выработку лис тового стекла или стеклянных изделий.
Формовку изделий из стекла осуществляют путем выдувания, цен тробежного литья, вытяжки, прессования, отливки и т. п. Необходимо отметить, что стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлажде ния начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия обладают при этом невысокой механической прочностью.
В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стек ломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие темпера турам текучести Тт и стеклования 7^. При температурах выше ТТу стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состоя ния. Вязкость различных стекол при температуре Тт примерно одина
кова и равна 108 Па-с. Температуре стеклования Гс, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 101а Па-с.
Интервал температур между Тти Тс называют интервалом размяг чения, в котором стекло обладает пластичными свойствами.
Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Т с = 400 — 600°С, а Тч — 700 — 900°С , т. е. интервал размягчения составляет несколько сотен градусов. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, поскольку легче отформовать изделия требуемой формы.
Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу , чтобы устранить опасные местные механические напряжения в стекле, воз- никшие при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге изде лие нагревают до некоторой достаточно высокой температуры («темпе ратура отжига»), а затем медленно охлаждают.
Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводи мости) можно подразделить на три группы.
1. Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит число кварцевое стекло (плавленый кварц). Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высоки ми электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изде лия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по разме рам.
2. Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа стекол состоит из двух подгрупп: а) натрие вые; б) калиевые и калиево-натриевые. В эту группу входит большинст во обычных стекол. Они отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве («технологичны»), но имеют пони женные электрические свойства.
3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (на пример, силикатно-свинцовые и бариевые). Эти стекла, обладая удов летворительной обрабатываемостью, имеют повышенные электричес кие свойства, приближающиеся при нормальной температуре к элект рическим свойствам стекол первой группы.
Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты HF, которая их растворяет; стойкость этих стекол к щелочам значительно меньше.
Кварцевое стекло получают из чистой двуокиси кремния при тем пературах выше 1700°С. Такая стекломасса обладает очень узким ин тервалом размягчения и даже при температурах выше 1700°С характе ризуется высокой вязкостью. Поэтому из нее удается получить изде лия только простейшей конфигурации.
Основу микроструктуры кварцевого стекла составляют кремний- кислородные тетраэдры [SiOJ4-. Эти тетраэдры, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. Дальний порядок (т. е. строгая периодичность) в расположении тетраэдров отсутствует, что является признаком аморфного тела. В принципе кварцевое стекло можно рассматривать как неорганичес кий пространственный полимер (полимерное тело).
Кварцевый стекло обладает рядом замечательных свойств. Оно имеет наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения a z из всех известных веществ вообще; у остальных стекол по сравнению с кварцевым стеклом значение а г в 10—20 раз больше. Кварцевое стекло обладает очень высоким пределом прочности на сжа тие (до 2100 МПа), которая в 4—5 раз превышает предел прочности на сжатие других стекол. Предел прочности при растяжении кварцевого стекла хотя и выше, чем у других стекол, но существненно ниже по сравнению с пределом прочности на сжатие. Он составляет около 60 МПа.
Высокая механическая прочность в сочетании с малым температур ным коэффициентом линейного расширения обусловливают высокую стойкость кварцевого стекла к тепловым импульсам. Нагретое докрас на кварцевое стекло можно моментально погружать в холодную воду, не вызывая его разрушения. Благодаря высокой нагревостойкости и химической инертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое применение в технологии производства чис тых веществ в качестве конструкционного материала (реакторы, ам пулы, лодочки, тигли и т. п.).
Кварцевое стекло отличается высокой прозрачностью для излуче ния в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра вплоть до длины волны порядка 4 мкм. Поэтому оно является ценным оптическим материалом; из него изготавливают линзы, призмы, опти ческие окна, баллоны ламп ультрафиолетового излучения и др.
По электрическим свойствам кварцевое стекло относится к хорошим высокочастотным диэлектрикам (е =3,8; р > 101в Ом-м; tg6 =
= 2- Ю"4 — на частоте 106 Гц). Для улучшения технологических характеристик (понижения тем
пературы варки, расширения интервала размягчения) в состав стекол вводят окислы щелочных металлов. При этом существенно ухудша ются электрические свойства стекол: снижается удельное сопротивле ние, возрастают диэлектрические потери. Отрицательное влияние ще лочных окислов на электрические свойства силикатных стекол обу словлено изменениями в структуре материала, сводящимися к разрых лению пространственной сетки и образованию тупиковых ветвей (рис. 7.7,а). Разрыхление кислородного каркаса (обрыв связей) вызывает понижение температуры размягчения стекла. С другой стороны, слабо связанные щелочные ионы под действием теплового движения могут срываться с мест закрепления и перемещаться из одной ячейки прост ранственной сетки в другую. При этом усиливается ионно-релаксаци онная поляризация, что сопровождается увеличением диэлектрической проницаемости (рис. 7.7,6) и тангенса угла диэлектрических потерь. Одновременно наблюдается уменьшение удельного сопротивления ма териала (рис. 7.7, в)у так как возрастает количество ионов, участвую щих в процессе электропроводности.
Изменение электрических свойств стекла при введении в него ще- щелочной добавки зависит от радиуса щелочного иона. Чем меньше радиус ионов, тем больше их подвижность, тем больший вклад вносят они в удельную проводимость материала. Поскольку ион натрия имеет
меньший размер, чем ион калия, отрицательное влияние Na20 на электрические свойства стекла сказывается сильнее, чем влияние К20.
Экспериментально установлено, что при одновременном присутст вии двух различных щелочных окислов в составе стекла его электри ческие свойства могут быть значительно лучше, чем при наличии толь ко одного щелочного окисла в количестве, равном суммарному содер жанию двух окислов (рис. 7.8). Это явление называют нейтрализации онным или полищелочным эффектом.
В неоднородном поле пробой стекла в связи с краевым эффектом происходит при значительно более низких напряженностях. При высоких частотах (а при высоких температурах также и при низких частотах и даже при постоянном напряжении) пробой стекла носит тепловой характер.
Электровакуумные стекла. Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Он имеет очень важное значение при пайке и сварке различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло. Значения стекла и соединяемых с ним материалов должны быть приблизительно одинаковыми, так как иначе при измене нии температуры может произойти растрескивание стекла, а также нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Кроме того, для высокочастотных приборов используют стекла с низкими диэлектрическими потерями. Электровакуумные стекла под разделяют и маркируют по численным значениям температурного ко эффициента линейного расширения. Так как стекла — это материалы с маленьким значением температурного коэффициента линейного рас ширения, а у металлов (см. Приложение) наблюдается закономерная связь температуры плавления со значением температурного коэф фициента линейного расширения, то в стекла удается впаивать толь
ко тугоплавкие металлы или металлические сплавы, у которых аг такой же, как у тугоплавких металлов.
И з о л я т о р н ы е стекла. Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металличе ские корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисто ров и др.). На рис. 7.9 изображены стеклянные изоляторы / со слоем вожженного серебра 2Уприпаянные к металлической крышке 3 герме тизированного конденсатора. Другим элементом изоляции, часто встре
чающимся в дискретных полупроводниковых приборах, является стек-
лянная буса, изолирующая метал лические выводы прибора от флан ца корпуса, на котором распола гается полупроводниковый крис талл с /?-л-переходами. Стеклян ные бусы изготавливают из ка пилляров, нарезанных в виде тру бок и колец определенных разме ров. Обычно в качестве материала таких проходных изоляторов ис-пользуют щелочное силикатное стекло.
для излучения в видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам соответствующую окраску: СаО — синюю, Сг20 3— зеленую, Мп02— фиолетовую и коричневую, 1Ю3— желтую и т.д., что ис пользуется при изготовлении цветных стекол, светофильтров, эмалей и глазурей.
Лазерные стекла. Стекломожетбытьиспользовановка честве рабочего тела в твердотельных лазерах. Генерирующими цент рами являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлект рической прозрачной матрице. Как правило, в стеклах отсутствуют ограничения в растворимости активирующих добавок. В практике наиболее часто применяют баритовый крон (ВаО—К20—Si02), активированный ионами неодима Nd3+.
Основные преимущества стекол, используемых в лазерах, перед монокристаллами заключаются в их высокой технологичности, опти ческой однородности, изотропности свойств. Из стекла сравнительно легко изготовить однородные стержни большого размера, что необхо димо для достижения высокой выходной мощности лазерного излуче ния. Однако отсутствие дальнего порядка вызывает уширение линий люминесценции активированного стекла. Следствием этого является снижение степени монохроматичности выходного излучения и увели чение пороговой мощности оптической накачки. К тому же стекла по сравнению с монокристаллами обладают невысокой теплопровод ностью, что создает дополнительные трудности для осуществления непрерывного режима генерации. Поэтому лазеры на стекле лучше
подходят для генерации импульсов с высокой энергией излучения. Стекловолокно. Из расплавленной стекломассы методом вытяжки через фильеру с последующей быстрой намоткой на вращаю щийся барабан можно получать тонкие волокна, обладающие хоро
шей гибкостью и повышенной механической прочностью. Большая гибкость и прочность стекловолокна объясняются ориентацией частиц поверхностного слоя стекла, имеющей место при вытягивании стекло волокна из расплавленной стекломассы и его быстром охлаждении.
Весьма тонкие стеклянные волокна (диаметром 4—7 мкм) имеют настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться способами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из от дельных волокон, ткут стеклянные ткани, ленты и шланги.
Световоды. Тонкие стеклянные волокна используют для передачи света между источником и приемником излу чения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными свето изолирующими покрытиями. Совокуп ность методов и средств передачи све товой информации с помощью тончай ших волокон получила название волоконной оптики, которая явля- ется важной составной частью оптоэлектроники.
Волоконные устройства имеют ряд преимуществ перед линзовыми. Они отличаются компактностью и надежностью. С их помощью можно осуществить поэлементную передачу изображения с достаточно высо кой разрешающей способностью, причем передача изображения воз можна по искривленному пути. Существенным моментом является скрытность передачи информации и высокая помехозащищенность опти ческого канала связи, в котором сами волокна играют роль световодов, т. е. служат направляющими системами — канализируют свет от ис точника к приемнику информации. Направляющее действие волокон достигается за счет эффекта многократного полного внутреннего отражения (рис. 7.10).
Для передачи изображения используют волокна диаметром 5—15 мкм. Чтобы предотвратить просачивание света из одного волокна в другое, их снабжают светоизолирующей оболочкой, которую изготав ливают из стекла с меньшим показателем преломления, нежели у сердцевины. Тогда световой луч L, падая из среды, оптически более плотной (п1— больший), на поверхность раздела со средой, оптиче ски менее плотной (п2— меньший), под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отра жаясь, пойдет вдоль волокна, как это показано на отрезке отдельного волокна (рис. 7.10). Изображение целого объекта, например буквы К на странице книги, может быть передано по пучку согнутых волокон, если передающий конец световода 1 поставить на освещаемый по свето воду объект; на приемном конце световода 2 изображение будет моза ичным, как это показано в верхней части рис. 7.10. Световой кабель диаметром 5—6 мм содержит несколько сотен тысяч светоизолирован ных волокон. Для правильной передачи изображения требуется регу лярная укладкаЧволокон в жгуте, т. е. относительное расположение волокон на его входном и выходном торцах должно быть одинаковым.
Ситаллы
Ситаллы — это стеклокристаллические материалы, получаемые пу тем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специаль но подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считает ся процесс местной кристаллизации — расстекловывание, приводящий к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изде лий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристалли
ческой структурой. Технология получения ситалла состоит из нескольких операций.
Сначала получают изделие из стекломассы теми же способами, что и из обычного стекла. Затем его подвергают чаще всего двухступенчатой термической обработке при температурах 500 — 700°С и 900 — 1100°С. На первой ступени происходит образование зародышей крис таллизации, на второй — развитие кристаллических фаз. Содержание кристаллических фаз к окончанию технологического процесса дости гает порядка 95%, размеры оптимально развитых кристаллов состав ляют 0,05— 1 мкм. Изменение размеров изделий при кристаллизации не превышает 1—2%.
Таким образом, ситаллы отличаются от стекол тем, что в основном имеют кристаллическое строение, а от керамики — значительно мень шим размером кристаллических зерен.
Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристалли зации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.),выделяющиеся из соответствующих окислов, входя щих в состав стекла, под влиянием облучения с последующей термооб работкой для проявления изображения. Для инициирования фото химической реакции обычно используют ультрафиолетовое излучение. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материал приобретает определенную окраску. Стеклокристаллические материа лы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами. Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определенные участки, то можно вызвать локальную кристаллизацию в заданном объеме.
Закристаллизованные участки значи тельно легче растворяются в плави ковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в изделиях отверстия, выемки и т. п.
Технология изготовления ситал- лов упрощается, ^если в качестве катализаторов кристаллизации ис пользовать соединения, ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава. К числу таких соединений относятся Ti02, FeS, В203, Сг203,V206,фто риды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. При каталитической кристаллизации необходимость в предварительном облучении отпадает. Получаемые при этом стеклокристаллические материалы называют термоситаллами.
По внешнему виду ситаллы представляют собой плотные материа лы белого и от светло-бежевого до коричневого цвета. Они отличают ся повышенной механической прочностью, могут иметь как очень ма ленький, так и большой коэффициент линейного расширения, высокую теплопроводность и удовлетворительные электрические характеристи ки. Ситаллы с маленькими аг весьма нагревостойки. Механическая
прочность их мало меняется при нагревании до температуры 700 — 800°С. Типичные зависимости 8 и tg6 от частоты для ситаллов показа ны на рис. 7.11. Диэлектрические потери в ситаллах во многом опре деляются свойствами остаточной стекловидной фазы.
Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме HF) и щелочей. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий.
По техническому назначению ситаллы можно подразделить на уста новочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко исполь зуют в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов (например, тонкопленочные резисторы. деталей СВЧ-приборов и некоторых типов электронных ламп. Достоинством ситалловых конденсаторов являются повышенная элект рическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
Керамика
Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнооб разными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.
Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что зна чит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.
Для современной радиоэлектроники важное значение имеют керамические диэлектрики, которым присущи многие положи тельные свойства: высокая нагревостойкость, отсутствие у большин ства материалов гигроскопичности, хорошие электрические характе ристики при достаточной механической прочности, стабильность ха рактеристик и надежность, стойкость к воздействию излучения высо кой энергии, развитию плесени и поражению насекомыми. Сырье для производства основных радиокерамических. изделий доступно и де шево.
Преимуществом керамики является возможность получения зара нее заданных характеристик путем изменения состава массы и техно логии производства. Некоторые керамические диэлектрики благодаря определенным свойствам позволяют наиболее просто решать ряд задач новой техники. Это относится к сегнетокерамике, пьезокерамике и керамическим электретам.
При массовом производстве керамических изделий основные опе рации технологического процесса могут быть полностью автоматизиро ваны. Существенным достоинством керамического производства явля ется отсутствие ограничений на изготовление изделий необходимой формы и габаритов.
В общем случае керамический материал может состоять из несколь ких фаз. Основными фазами являются кристаллическая (одна или не сколько) и стекловидная. Кристаллическую фазу образуют различные химические.соединения или твердые растворы этих соединений. Основ ные свойства керамики — диэлектрическая проницаемость, диэлектри ческие потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей крис таллической фазы.
Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связываю щие^кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики — температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании — определяются в основном количеством стекловидной фазы. От ее содержания зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Некоторые виды радиокерамики вообще не содержат стекловидной фазы.
Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электричес кой прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектричес кие потери при повышенных напряженностях поля вследствие иониза ции газовых включений.
При изготовлении радиокерамики в качестве основных кристалло образующих компонентов наряду с природными минералами, такими, как кварц, глинозем, тальк, широко используют окислы и карбонаты различных металлов.
Выбор метода изготовления керамического изделия зависит от свойств применяемого материала, особенностей конфигурации изделия и мас совости заказа. Однако любая технологическая схема керамического производства в качестве обязательных включает в себя следующие опе рации: 1) тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных ком понентов; 2) пластификация массы и образование формовочного полу фабриката; 3) формование заготовок из пластифицированной массы; 4) спекание изделий (высокотемпературный обжиг).
Измельчение и смешивание сырьевых компонентов производится в шаровых и вибрационных мельницах. Мельница тонкого помола пред ставляет собой стальной барабан, футерованный изнутри износостой кой резиной. В качестве мелющих тел используют керамические или стальные шары различного диаметра. Измельчение массы происходит за счет ударного воздействия шаров или истирания частиц между шк- рами. Помол может быть «сухим» и «мокрым». Более тонкое измельче ние достигается в водной среде.
Полученная таким способом шихта пластифицируется органичес ким пластификатором. Пластификаторы подразделяют на водораство римые и расплавляемые. Наиболее часто используют поливиниловый спирт и парафин.
Формование изделий осуществляют методом прессования, пласти ческой протяжкой (выдавливанием) через мундштук или горячим лить ем под давлением. Крупногабаритные изделия сложной конфигурации формуют путем литья жидкой керамической массы (водного шликера) в гипсовые формы, которые разбирают при извлечении заготовок.
Наиболее ответственной технологической операцией является спе кание изделий, которое проводят в муфельных или туннельных элект рических печах при температурах 1300° С и выше. При спекании про исходит выжигание пластификатора, завершаются химические реак ции между компонентами. За счет слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства. В зависимости от состава материала спекание (обжиг) может производиться не только в окислительной но и в нейтральной и даже в восстановительной атмос фере.
В процессе обжига вследствие испарения влаги, выгорания пласти фикатора и уплотнения материала происходит усадка изделий, т. е. уменьшение их размеров. В зависимости от состава шихты, количества пластификатора и режимов обжига усадка изменяется в широких пре делах и может превышать 20%. Принимая во внимание это обстоятель ство, необходимо при формовке заготовок давать им завышенные раз меры. Заранее оценить усадку довольно трудно, поэтому допуски на размеры керамических изделий, особенно крупногабаритных, сравни тельно велики (до 5% от линейного размера).
Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техничес кому назначению можно подразделить на установочные и конденсатор ные.
Установочную керамикуприменяют для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей; опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов радиоустройств, подложек интег ральных микросхем, ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др. Кроме того, из керамики изготавливают свыше 50% всех конденсаторов.
По электрическим свойствам установочную и конденсаторную кера мику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную. Из низко частотных установочных материалов наиболее распространен и з о л я торный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специ альные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную кристаллическую фазу — муллит (3Al20 3-2Si02). Промежутки между кристаллическими зернами запол няются стекловидной фазой, возникающей за счет расплавления поле вого шпата. Наличие стеклофазы обусловливает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницаемость, достаточно высокую электрическую и механическую прочность. Однако из-за большого содержания щелочных окислов в стеклофазе материал обла дает значительными диэлектрическими потерями (tg6 л; 10~2), что затрудняет его использование на высоких частотах.
Промежуточное положение между высокочастотными и низкочастот ными диэлектриками занимает р а д и о ф а р ф о р . Улучшение его электрических свойств по сравнению с изоляторным фарфором дости гается путем введения в состав исходной шихты окиси бария, резко снижающей диэлектрические потери и проводимость стекловидной фа зы. На рис. 7.12 показаны зависимости удельного объемного сопротив ления от температуры , из которых видно, что удельное сопротивление радиофарфора 2 выше на два порядка удельного сопротивления изоля торного фарфора 1. В связи с высоким содержанием глины (до 40%) радиофарфор отлича ется большой пластичностью массы, что позволяет изготавливать из него как мелкие, так и крупногабаритные изделия.
Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафа р ф о р , относящийся к группе материа лов с высоким содержанием глинозема (более 80%).
Глинозем, или окись алюминия, существует в виде низкотемпературной Y- или высокотемпературной а-модифи- кации. Лучшими электрическими свой ствами обладает а-А120 3 (корунд).
Глинозем, используемый в произ водстве радиокерамики, содержит обе модификации, поэтому производят пред варительную его обработку. Эта обра ботка сводится к обжигу его при темпе ратуре 1380—1420°С, когда v-модификация переходитвa-модифика цию с объемным сжатием до 14%. Предварительный обжиг глинозема значительно снижает усадочные коэффициенты изделия. Применение при обжиге глинозема специальных добавок, например, борной кис лоты, заметно повышает содержание а-глинозема.
Ультрафарфор является высокочастотным диэлектриком, в котором сочетаются низкие диэлектрические потери с высокой механической прочностью и удовлетворительными для промышленного производства технологическими параметрами.
Такое сочетание свойств во многом объясняется наличием в нем бариевого стекла, которое, с одной стороны, способствует улучшению электрических свойств материала, а с другой — ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига. В результате удается полу чить плотную керамику при относительно невысоких температурах спекания (1360—1370° С).
В качестве установочного материала большое распространение получил ультрафарфор УФ-46, отличающийся простотой технологии и высокой пластичностью массы.
Материал УФ-53 при достаточно хорошей пластичности обладает более высокими по сравнению с УФ-46 электрическими свойствами (рис. 7.13) и механической прочностью и предназначается для устано вочных деталей и конденсаторов, к которым предъявляются повышен ные требования. Последующие разработки керамики типа ультрафар фора обладают еще более благоприятным комплексом электрических
и физико-механических свойств. Корундовая керамика с содержанием глинозема 95—99% получи
ланазваниеалюминоксида. Этотматериалотличаетсянизкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот и при повышен
ных температурах (рис. 7.13), обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600°С), а также большой механичес кой прочностью и хорошей теплопро водностью. У дельная теплопроводность алюминоксида в 10—20 раз выше, чем у изоляторного фарфора. Однако он име ет неблагоприятные технологические характеристики, обладает большой аб разивностью, непластичен, отличается высокой температурой спекания (до 1750°С). Высокая абразивность затруд няет механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.
Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изовых приборов и подложек интегральных микросхем. Из нее изготавливают также внутриламповыеизоляторы с пористой структурой. Пористая керамикавыгодна тем, что при концентрации металличе ского геттера, используемого для получения высокого вакуума, а также при осаждении паров бария и тория, возникающих при работе катодаэлектронных ламп, на поверхности керамических внутриламповых изоляторов не образуется сплошной токопроводя щей пленки. Крометого, пористая керамика легко выдерживает значительные перепадытемператур, которые неизбежны при изго товлении электровакуумного прибора.
Разновидностью алюминоксида является п о л и к о р, обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к рентгеновской плот ности Abj03). В отличие от обычной корундовой керамики поликор прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных источников света. Благодаря высокой плотности поликора можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. Поэтому поликор является ценным материалом для осаждения пассивных эле ментов гибридных интегральных микросхем.
Существенным преимуществом керамических подложек по сравне нию со стеклянными и ситалловыми является их высокая теплопровод ность. Скорость отвода теплоты от тонкопленочных элементов во мно гом определяет допустимые значения рассеиваемой в них электричес кой мощности. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью [200—250 Bt/(m-K)J обладает окись бериллия.
Керамика на основе окиси бериллия (95—99% ВеО) получила название б р о к е р и т а . Ее теплопроводность в 200—250 раз превышает теп лопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же она имеет высокие электрические параметры: р = 1016 Ом-м, tgfi < < 3 - 10“4 (на частоте 1 М£ц). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумных спаев керамики с медью и коваром.
Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую кера мику применяют в особо мощных приборах СВЧ. Недостатком этого материала является токсичность порошкообразной ВеО, что требует соблюдения строгих мер техники безопасности на всех этапах техноло гического цикла изготовления керамических изделий.
Низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот обладает также цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керами ка. В состав цельзиановой керамики входят предвари тельно синтезированное соединение ВаО-Al20 3*2Si02, называемое цельзианом, углекислый барий ВаСОэ и каолин (Al20 3*2Si02*2H20)f которые при обжиге изделий образуют дополнительно кристалличес кую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло.
Характерными особенностями цельзиановой керамики являются очень низкий температурный коэффициент линейного расширения (2-10-6 К-1), незначительный температурный коэффициент диэлектри ческой проницаемости (6 - 1(Г5 К"1) и повышенная по сравнению с дру гими керамическими материалами электрическая прочность (до 45 МВ/м). В нормальных условиях преобладает электронная электро проводность; ионная составляющая электропроводности становится значительной лишь при температурах свыше 600°С.
Цельзиановую керамику используют для изготовления каркасов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и высокочастот ных конденсаторов большой реактивной мощности.
Технологические характеристики цельзиановой керамики доста точно благоприятны, масса пластична, температура ее спекания не высока. Недостатком цельзиановой керам
