Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить на установочные и конденсаторные.
Установочную керамику применяют для изготовления разного рода материалов и конструкционных деталей: изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов катушек индуктивности и др.
По электрическим свойствам установочную и конденсаторную керамику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную. Из низкочастотных установочных материалов наиболее распространен изоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шлак. Наличие большого содержания щелочных окислов в стеклофазе определяет сравнительно высокие диэлектрические потери (tgd» 10-2), которые быстро увеличиваются с повышением температуры. Это затрудняет применение фарфора на высоких частотах.
Меньшими диэлектрическими потерями обладает радиофарфор (tgd» 10-3 ). Это достигается введением в состав шихты окиси бария. Радиофарфор занимает промежуточное положение между низкочастотными и высокочастотными диэлектриками.
Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группе материалов с большим содержанием (до 80%) Al2O Значение tgd ультрафарфора меньше (tgd» (2-3)×10-4) а r больше, чем обычного электротехнического фарфора, что позволяет применять его как высокочастотную электроизоляционную керамику, кроме того, ультрафафор имеет повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность и теплопроводность. Исключительно высокими диэлектрическими и механическими свойствами обладает керамика на основе чистого глинозема Al2O3, получившая название алюминоксида. Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот (tgd» (3-5)×10-4) и при повышенных температурах обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600°С), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью, значение e близко к 10. Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем (поликор32ХС). Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными и ситалловыми является их высокая теплопроводность. Это позволяет увеличить допустимую мощность рассеиваемую пленочными элементами. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью обладает керамика на основе окиси бериллия (BeO) - брокерит. Теплопроводность ее в 200-250 раз превышает теплопроводность стекол и в 200 раз ситаллов при высоких значениях электрических параметров (r = 1016 Ом×м, tg d£ 3× 10-4). Берилливая керамика используется для подложек интегральных микросхем, в особо мощных приборах СВЧ и т.д. Недостатком этого материала является токсичность образующейся пыли, трудность механической обработки и высокая стоимость (в 15 раз дороже ситалла).
Для высокостабильных катушек индуктивности и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности используется цельзиановая керамика, обладающая очень низким температурным коэффициентом линейного расширения (2 ×10-6 К-1), незначительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (6×10-5 К-1) и повышенной диэлектрической прочностью.
К о н д е н с а т о р н а я к е р а м и к а с повышенным (e = 10 - 230) значением диэлектрической проницаемости и значением tgd< 10-4 применяется для изготовления высокочастотных конденсаторов. Основными компонентами для изготовления высокочастотной конденсаторной керамики являются оксиды титана TiO2 (рутил), титанат кальция CaTiO3, титанат стронция. В области низких частот и повышенных температур рутиловая керамика в основном имеет ионно-релаксационную поляризацию, для которой характерны сильные температурные зависимости и высокие значения e и tgd, а знак ТКЕ - положительный. При высоких частотах главную роль играют электронная и ионная поляризация, при этом знак ТКЕ отрицателен и температурная зависимость tgd слабо выражена.
Керамика на основе титанатов характеризуется пониженной электрической прочностью, подвержена электрохимическому старению под воздействием постоянного напряжения, имеет высокое отрицательное значение ТКЕ (от -1500 ×10-6 до -3000× 10-6 К-1). Применяется для изготовления конденсаторов, к которым не предьявляются требования температурной стабильности емкости.
Для улучшения температурной стабильности в состав керамики добавляют цирконат кальция CaZrO2, лантанат алюминия LaAlO3, станнат кальция CaSnO2, которые образуют кристаллическую фазу с положительным значением ТКЕ. Изменяя соотношения между этими компонентами получают термостабильную керамику с ТКЕ от +33×10-6 до -75×10-6К-1. Диэлектрические потери этих материалов (tgd=10-4- 10-3) во всем диапазоне частот от низких до сверхвысоких и поэтому они применяются для изготовления термокомпенсирующих, высокостабильных контурных, блокировочных и разделительных конденсаторов.
Конденсаторная керамика с высоким значением диэлектрической проницаемости (800) и tgd = 0.002-0.025 применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов. Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария BaTiO3 и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами. Этот вид керамики характеризуется очень высоким значением диэлектрической проницаемости (до 10000) и ее зависимостью от напряжения, частоты, температуры, высоким значением tgd, который на частотах выше 108 Гц уменьшается. Для конденсаторов используется сегнетоэлектрики со сглаженной температурной зависимостью распространенной на возможно более широкий температурный интервал со снижением максимума. Сегнетокерамические малогабаритные конденсаторы применяются как блокировочные, фильтровые, разделительные. Сегнетокерамика с резко выраженной зависимостью от напряженности поля применяется для изготовления нелинейных конденсаторов - варикондов.
Литература
1. Суриков В.С. – Основы электродинамики – М. «Протон» - 2000 г.
2. Карков И.С. – Физика элементарных частиц. – М. – 1999 г.
3. Синджанов И.К. Электродинамика – М. 1998 г.
4. Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.
5. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.
6. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1997. - 352с.
7. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1993. - 576с.
8. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. - М.: Радио и связь, 1994. - 88с.