В общем случае под керамикой принято понимать неорганические неметаллические материалы, получаемые с помощью спекания при высоких температурах.
Керамику называют ещё «третьим промышленным материалом», так как она широко используется вместе с металлами и полимерами и окружает нас повсюду в жизни.
Мы привыкли к тому, что при слове «электроника» сразу вспоминаются токопроводящие материалы, однако существенную часть в электронике занимают и изолирующие материалы, важнейшим из которых является керамика.
▍ Керамические сегнетоэлектрики
Мы привыкли к тому, что само название «диэлектрик», которым, несомненно, является и керамика, представляет собой объект, не пропускающий электрический ток, тем не менее это не совсем верно, так как известно, что если взять те же самые биполярные керамические конденсаторы, то переменный электрический ток через них всё-таки проходит, — это связано с тем, что при изготовлении конденсаторов используют так называемые «активные диэлектрики», в качестве которых, могут применяться сегнетоэлектрические материалы, одним из которых выступает титанат бария
.Если диэлектрик такого типа разместить между электродами и подать на них постоянное напряжение, то кратковременно будет наблюдаться протекание электрического тока, который связан с образованием диполей и последующим уравновешиванием их зарядов.
Здесь имеется в виду, что в состоянии покоя, в атоме имеется положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Если возникает внешнее приложенное электрическое поле, то центры ядра и электронного облака перестанут совпадать и несколько смещаются относительно друг друга, перемещаясь на небольшое расстояние, при этом возникает структура, похожая на ноль: 0, где один конец ноля, например, нижний, заряжен положительно, а другой конец ноля, например, верхний, заряжен отрицательно; при этом, как известно, заряды с разным знаком притягиваются, поэтому ядро смещается в направлении отрицательно заряженной пластины, а электронное облако — в направлении положительно заряженной пластины.
Сегнетоэлектрические материалы используются, в частности, при производстве конденсаторов, что позволяет делать их более компактными и ёмкими, чем конденсаторы из постоянных диэлектриков.
Конденсаторы в процессе своей работы подвергаются нагрузкам высокой температурой и знакопеременным напряжением, что может приводить к возникновению и усугублению дефектов, причины которых могут быть разнообразными, однако известно, что одними из основных могут являться процессы изначального составления смеси (шихты), а также наличие макропримесей.
Известно, что для обеспечения высокого качества керамических конденсаторов, например, в Японии, раньше была принята методика по выдерживанию их при температуре порядка 85°C и подачи на них напряжения, в два раза превышающего номинальное, в течение периода от 250 до 1000 часов.
Обычная технология производства керамики на основе титаната бария заключается в спекании смеси из карбоната бария (
) и двуокиси титана (
) при высокой температуре порядка 1300-1400°С.Карбонат бария представляет собой токсичный белый порошок, получаемый в основном из минерала витерита, путём его спекания при температуре порядка 800°C вместе с антрацитом, после чего получающийся сульфид бария вымывается водой, а выпадающий в осадок углекислый барий собирают, высушивают, фильтруют, измельчают — и получают в итоге готовый продукт.
Двуокись титана представляет собой белый порошок, обладающий гораздо большей кроющей способностью, чем многие белые краски. Получается она, в основном, из минералов анатаза, брукита, рутила и для неё получения могут быть применены разные способы, основным из которых является сернокислотный.
И пара видео на эту тему:
▍ Керамические пьезоэлектрики
Кроме сегнетоэлектриков, известны также и материалы, обладающие свойством подобной поляризации под воздействием внешней приложенной деформирующий силы — такие материалы называют пьезоэлектриками, — для этих целей может быть использована керамика на основе твёрдого раствора цирконата свинца (
) и титаната свинца (
), так называемый «раствор ЦТС» который отличается превосходством параметров по сравнению с титанатом бария почти в два раза, а также стабильными показателями в широком диапазоне температур (вплоть до точки Кюри, порядка 300°С), благодаря чему изделия из такого раствора могут быть использованы во множестве применений, одним из которых является изготовление пьезоэлементов для широко известных зажигалок, где используется столбик из такой керамики, высотой приблизительно в 20 мм, который при физическом ударе по нему генерирует высокое напряжение порядка 20 кВ, использующееся для создания электрической искры.Пьезоэлектрики на основе керамики ЦТС могут содержать специальные добавки, которые служат для увеличения диэлектрической проницаемости при комнатной температуре (правда это параллельно приводит и к снижению точки Кюри, ниже обычных около 300°С).
И хорошее видео по двум рассмотренным выше вариантам керамики:
▍ Керамическая изоляция
Однако, несмотря на всё вышесказанное, керамика может использоваться и в качестве собственно диэлектрика, то есть изолирующего материала. К таким материалам, как правило, предъявляются требования по низкой диэлектрической проницаемости, большому удельному сопротивлению, высокой прочности. В числе таких материалов вполне успешно может использоваться стеатитовая, форстеритовая и глинозёмная керамика.
Под стеатитовой керамикой понимается керамика, у которой основой для производства служит тальк. Кристаллы стеатита обладают слоистой структурой и это приводит к тому, что даже при размалывании этих кристаллов в порошок, он выглядит под микроскопом как чешуйчатый и чешуйки скользят относительно друг друга, поэтому при создании такой керамики уделяют повышенное внимание подбору связующего.
Такая керамика будет отличаться:
- низким коэффициентом потерь при высоких частотах (испытывалась на частоте в 1 МГц);
- высоким удельным сопротивлением, незначительно падающим с повышением температуры (
при 20°C и 
Ом*м при 300°C); - механически устойчива к воздействию высоких температур и кислот. Кроме того, благодаря своей механической прочности (140-160 МПа на изгиб) допускает изготовление миниатюрных изделий с точными размерами.
Выше также упоминалась форстеритовая керамика, в качестве основы для которой выступает ортосиликат магния. Материал также отличается низкими диэлектрическими потерями, хорошими высокочастотными характеристиками, а также высоким сопротивлением даже при высоких температурах (
при 20°C Ом*м при 300°C); получающаяся гладкая поверхность такой керамики даёт возможность использовать её для тонкоплёночных микросхем, а также благодаря меньшему количеству включений щелочных элементов, такая керамика служит отличной подложкой для тонкоплёночных резисторов, что позволяет получать с её помощью резисторы с отличными характеристиками.Механическая прочность такой керамики тоже достаточно большая (150-160 МПа на изгиб). Такая керамика может идти для изготовления не только резисторов, но и микросхем, транзисторов, диодов, клемм.
Кроме перечисленных, существует ещё и названная выше глинозёмная керамика, которая изготавливается спеканием порошка глинозёма и известна также под другим названием как «корундовая керамика». Если в такую керамику не вводить специальные присадки, позволяющие снизить температуру спекания, составляющую обычно 1800°C, то при этой температуре она переходит в корунд (от чего и получила своё название); добавление же присадок в смесь (глина, кремнезём) позволяет снизить температуру спекания до примерно 1600°C.
Она отличается несколько меньшей диэлектрической проницаемостью при высоких частотах, чем у стеатитовой керамики. Удельное сопротивление этой керамики также высокое при высоких и низких температурах и находится приблизительно на тех же уровнях, как и у предыдущих двух. Чем она действительно отличается, так это тем, что обладает самой высокой среди аналогов механической прочностью (280-350 МПа на изгиб), высокой твёрдостью (9 по шкале Мооса), высокой устойчивостью к истиранию.
Такая керамика может идти для изготовления микросхем, корпусов микросхем, плат для плёночных резисторов и диодов, клемм стойких к воздействию высоких температур, а также использоваться для массы других применений — например, благодаря её высокой устойчивости к истиранию, известно её применение в качестве фильер (форм с отверстиями) для протягивания пряжи.
В качестве изоляторов бытового назначения и высоковольтных линий может использоваться керамика из глины, ортоклаза и кремнезёма. Однако следует отметить, что такая керамика не применима для работы на высоких частотах и годится лишь для использования в рамках промышленно генерируемых частот.
Также в качестве изолирующего материала может использоваться и такой интересный класс материалов, как ситаллы (закристаллизованное стекло, где в составе стекла сочетаются стекольная и кристаллические фазы; в результате термической обработки в толще стекла возникают и начинают расти кристаллы, а технология производства ситаллов не сильно отличается от технологии производства собственно стекла): так же как и при производстве обычного стекла, происходит расплавление изначальной смеси, после чего из этой смеси изготавливается изделие, а стекло снова проходит медленный нагрев, в результате чего и возникает скопление кристаллитов по всей толще.
При этом получившийся продукт существенно отличается от обычного стекла, несмотря на такой же внешний вид: если обычное стекло имеет прочность на изгиб до 100 МПа, то тот же показатель у ситаллов может достигать 350 МПа.
Отличается такой продукт и от термостойкого стекла, которое обычно теряет прочность при температуре порядка 500°С, в то время как ситалловое стекло выдерживает температуру в 800°C, а также её резкие смены (в качестве оффтопа: автор этой статьи в своё время закупился таким стеклом для нагревательного столика 3D принтера — оно даже визуально имеет другой блеск и немного кофейный оттенок на всю толщу; правда в сообществе 3D печатников ходят различные мнения, действительно это ситалловое стекло или нет и вопрос остаётся открытым).
Подытоживая этот рассказ, следует сказать, что использование керамики в технических применениях не только не уменьшается, но и увеличивается, двигаясь в сторону упрощения промышленных процессов с одновременным увеличением технологичности.
В частности, известно об исследованиях в области уменьшения температуры спекания керамики, чтобы можно было проводить металлизацию с использованием более дешёвых металлов (как замену серебру и палладию), кроме того, ведутся работы и в направлении увеличения диэлектрической проницаемости керамики, для ускорения быстродействия интегральных схем.
▍ Список использованных источников
- Г.Н.Масленникова – «Технология электрокерамики»
- В.Я.Шевченко – «Введение в техническую керамику»
- К.Окадзаки– «Технология керамических диэлектриков»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
