Материалы радиоэлектроники. Керамика

1.

Центр дистанционного обучения
МАТЕРИАЛЫ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
ФИО преподавателя:
Покровская Марина Владимировна
Попова Татьяна Александровна
e-mail: [email protected]
Online-edu.mirea.ru
online.mirea.ru

2.

Центр дистанционного обучения
16
Керамика
online.mirea.ru

3.

Центр дистанционного обучения
Определение
Под керамикой понимают большую группу материалов с
разнообразными свойствами, объединенных общностью
технологического цикла. Слово «керамика» произошло от
греческого «керамос», что значит «горшечная глина».
Керамическими называют неорганические материалы,
полученные из неметаллических соединений методом
спекания (обжига).
online.mirea.ru

4.

Центр дистанционного обучения
Керамические материалы
• Керамический материал представляет собой многофазовую
систему,
состоящую
из
кристаллической,
аморфной
(стекловидной) и газовой фаз.
Кристаллическая
фаза,
определяет
высокие
изоляционные
и
другие
показатели изделия.
Стекловидная
фаза
выполняет
связующие
функции,
обеспечивает
механическую прочность.
Газовая фаза представляет собой поры
и микротрещины, которые образуются
в процессе обжига и снижают
механические и электрические свойства
материала.
online.mirea.ru

5.

Центр дистанционного обучения
Достоинства керамических
диэлектриков
Высокая нагревостойкость
Малая гигроскопичность
Достаточно высокая механическая прочность
Хорошие электрические свойства и богатые возможности управления ими путем
изменения состава исходной шихты.
При массовом производстве керамических изделий основные операции
технологического процесса могут быть полностью автоматизированы.
Доступность и дешевизна исходного сырья
Отсутствие ограничений на изготовление изделий необходимых размеров и форм.
online.mirea.ru

6.

Центр дистанционного обучения
Недостатки керамических
материалов
хрупкость
абразивность (наличие частиц высокой твердости),
затрудняющие ее обработку с помощью режущего
инструмента.
online.mirea.ru

7.

Центр дистанционного обучения
Состав некоторых керамических
материалов
Керамика
Тип
Состав, масс.%
Марка
Al2O3
SiO2
ВаО
МдО
B2O3
ВФ 52.42-1
0,8
41,7
6,0
51,5
-
ВФ 46.43-1
3,9
42,8
7,5
45,8
-
ВКл 32.63-1
2,6
62,8
0,85
31,6
2,15
Форстерит
Стеатит
online.mirea.ru

8.

Центр дистанционного обучения
Характеристика керамических
материалов
Тип электропроводности керамики зависит от ее состава.
Одни виды керамических материалов имеют ионную
электропроводность, другие — электронную или
смешанную (ионную и электронную).
Электрическая прочность Епр керамики зависит от ее
состава и структуры, температуры и других факторов.
Наибольшую Е„р имеют плотные мелкокристаллические
материалы с минимальной пористостью.
online.mirea.ru

9.

Центр дистанционного обучения
Основные свойства керамики
Диэлектрическая проницаемость
Диэлектрические потери
Электрическая проводимость
Механическая прочность
Теплопроводность
Свойства во многом зависят от особенностей
кристаллической фазы.
online.mirea.ru

10.

Центр дистанционного обучения
Технологические свойства
керамики
температура спекания
степень пластичности керамической массы при формовании
В значительной мере определяются количеством стекловидной фазы.
От ее содержания зависят также плотность, степень пористости и
гигроскопичность материала.
online.mirea.ru

11.

Центр дистанционного обучения
Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах)
обусловлено способом обработки массы и приводит к
снижению механической и электрической прочности
керамических изделий, а также вызывает диэлектрические
потери при повышенных напряженностях поля вследствие
ионизации газовых включений.
online.mirea.ru

12.

Центр дистанционного обучения
Основные этапы получения
керамических изделий
сортировка и очистка от
примесей;
помол и смешивание по
заданной рецептуре с
добавлением воды;
формирование деталей
прессованием, штамповкой;
сушка и обжиг в печах.
online.mirea.ru

13.

Центр дистанционного обучения
Достоинства и недостатки
изделий
Достоинства: высокая
нагревостойкость и механическая
прочность, высокая радиационная
стойкость, устойчивость против
старения, получение заданных
характеристик путём изменения
состава массы, негигроскопичны и
атмосферостойки.
Недостатки: невозможность
получения тонких гибких изделий,
трудность механической обработки
(изделия можно только
шлифовать), пористость.
online.mirea.ru

14.

Центр дистанционного обучения
Классификация керамики
По назначению
Изоляторная керамика
Конденсаторная
керамика
Сегнетоэлектрическая
керамика
online.mirea.ru

15.

Центр дистанционного обучения
Фарфор
• Фарфор − старейший вид керамики, используемый как
изоляционный материал. Фарфор применяется на низких
частотах, на низких напряжениях как изолирующий и
конструкционный материал.
Высококачественная
глина – каолин
(≈50 %)
Исходное
сырье
Полевой шпат
(≈25 %)
Кварцевый песок
(≈25 %)
online.mirea.ru

16.

Центр дистанционного обучения
Применение фарфора
Корпуса резисторов
Корпуса разъемов
Ламповые панели
Выводы высоковольтной аппаратуры
Изоляторы воздушных линий
online.mirea.ru

17.

Центр дистанционного обучения
Стеатит
Стеатит – отличается от фарфора повышенной механической
прочностью и лучшими электрическими характеристиками.
Стеатит – керамика, изготовленная на основе талька.
Достоинства стеатита
Малая усадка при обжиге
Не нуждается в глазуровке
Может обрабатываться шлифовкой
Могут работать при температурах до 250ºС не изменяя своих электрических online.mirea.ru
характеристик

18.

Центр дистанционного обучения
Применение стеатита
Стеатитовые изоляторы и электроизоляционные
изделия методом прессования в гипсовых формах.
высокочастотная изоляция
опорные пластины
детали корпусов полупроводниковых
приборов
online.mirea.ru

19.

Центр дистанционного обучения
Керамические конденсаторные
материалы
отличаются от керамических изоляторных материалов большей диэлектрической
проницаемостью, что позволяет изготавливать из них керамические конденсаторы
большой ёмкости и сравнительно малых габаритов.
Керамические конденсаторы не обладают гигроскопичность и не нуждаются в
защитных корпусах и оболочках, которые необходимы для бумажных и слюдяных
конденсаторов.
Керамические конденсаторы изготавливают методами керамической технологии –
литьём в гипсовые или стальные формы, а затем обжигают в печах при
температуре 1450-1700º.
online.mirea.ru

20.

Центр дистанционного обучения
Сегнетокерамика
аномально большие значения диэлектрической проницаемости, что позволяет
применять их в качестве датчиков температуры при изменении её
электрическими методами.
Большая диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков позволяет
изготавливать из них миниатюрные электрические конденсаторы большой
ёмкости.
Диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков значительно возрастает
с ростом приложенного к ним напряжения, чего не наблюдается у обычных
диэлектриков. Это характерное свойство используют в диэлектрических
усилителях. Все сегнетодиэлектрики обладают характерными свойствами
только до определённой температуры. При превышении этих температур
теряют свои свойства и становятся обычными диэлектриками.
online.mirea.ru

21.

Центр дистанционного обучения
Виды керамических материалов
электронной промышленности
Твердофазные материалы практически можно считать
основой современной электронной техники: СВЧ,
лазерной, радиотехники, оптики, вычислительной техники
и прочих её видов.
online.mirea.ru

22.

Центр дистанционного обучения
Конденсаторная керамика
1. Материалы со слабо выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от
температуры. Типичным примером является сегнетокерамика Т-900. Данный материал
является твердым раствором титанатов стронция и висмута. Максимум диэлектрической
проницаемости соответствует точке Кюри, равной - 140°С. В области рабочих температур (50 +150°) температурная зависимость диэлектрической проницаемости — слегка падающая.
Среднее значение составляет 900.
2. Материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от
температуры. Типичный представитель этого класса материалов сегнетокерамика СМ-1.
Эту сегнетокерамику получают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и
висмута. Материал используется для изготовления малогабаритных конденсаторов на низкие
напряжения.
3. Материалы с максимальным значением диэлектрической проницаемости в заданном
диапазоне температур. Типичным представителем является материал Т-8000. Данный
материал является твердым раствором BaTiO3 – BaZrO3. Максимум диэлектрической
проницаемости находится в области комнатной температуры и составляет 8000.
Используется для изготовления конденсаторов при комнатной температуре, работающих в
нешироком диапазоне температур.
online.mirea.ru

23.

Центр дистанционного обучения
Сегнетоэлектрики с прямоугольной
формой петли гистерезиса
Благодаря диэлектрическому гистерезису сегнетоэлектрики можно
использовать для записи информации.
Поляризация в одном направлении означает хранение в памяти
единицы, а поляризация в другом направлении означает хранение нуля.
Для этих целей наиболее подходят материалы с петлей гистерезиса,
близкой к прямоугольной.
Прямоугольная петля гистерезиса наблюдается в монокристаллических
сегнетоэлектриках.
online.mirea.ru

24.

Центр дистанционного обучения
Материалы на основе твердых
растворов титаната – цирконата свинца
Разработана серия пьезоэлектрических материалов, носящих
условное название ЦТС (за рубежом PZT).
Состав этих материалов базируется на твердом растворе, содержащем 53–
54% цирконата свинца и 46–47% титаната свинца. Для улучшения
характеристик в основной раствор вводятся добавки титаната стронция, а
также ряд оксидов – оксиды ниобия, тантала, лантана, неодима и др.
Технология получения изделий из ЦТС усложнена тем, что в состав ЦТС входит
летучий оксид свинца, который улетучивается при обжиге.
обжиг заготовок пьезоэлементов производят в атмосфере паров оксида
свинца.
online.mirea.ru

25.

Центр дистанционного обучения
Материалы на
основе метаниобата свинца.
Твердые растворы метаниобатов свинца и бария ((Pb,Ba)Nb2O3),
содержащие 40–50% метаниобата бария, имеют высокую
температуру точки Кюри (свыше 250 °С);
у них также отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы.
Технология изготовления изделий проще, поэтому материалы
марок НБС получили широкое распространение.
online.mirea.ru

26.

Центр дистанционного обучения
Электроизоляционная керамика
Электротехнический фарфор, который является основным
керамическим материалом, используемым в производстве широкого
ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других
изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ
переменного и до 1500 кВ постоянного тока.
Электротехнический фарфор находит применение для изготовления
высоковольтных и низковольтных изоляторов различного типа.
online.mirea.ru

27.

Центр дистанционного обучения
Высоковольтные изоляторы
1) стационарные для оборудования распределительных
устройств и аппаратуры — опорные, проходные, вводы,
маслонаполненные, покрышки разного назначения,
2) линейные для линий электропередачи — подвесные и
штыревые.
online.mirea.ru

28.

Центр дистанционного обучения
Высокочастотные
высоковольтные изоляторы
Применяют стеатитовую керамику, так как фарфор имеет
сильную зависимость электрических характеристик от
температуры из-за наличия большого количества
полевошпатового стекла с повышенной электропроводностью.
Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых
минералов, основной кристаллической фазой которых является
метасиликат магния MgО•SiО2.
online.mirea.ru

29.

Центр дистанционного обучения
Стеатитовая керамика
• Характеризуется высокими механическими свойствами,
• Характеризуется стабильностью параметров при воздействии
различных внешних факторов (влаги, температуры, высокого
напряжения и др.).
• Благодаря высоким электромеханическим свойствам стеатит
нашел применение для изготовления высокочастотных
установочных деталей, высоковольтных и низковольтных
конденсаторов, высоковольтных
антенных внутриламповых пористых и других изоляторов.
• Пластичный высокочастотный высоковольтный стеатитовый
материал СПК-2 применяется для изготовления
крупногабаритных изоляторов, а непластичные СНЦ, СК-1, Б-17,
С-55 и С-4 - для изготовления электроизоляционных деталей и
высокочастотных конденсаторов.
online.mirea.ru

30.

Центр дистанционного обучения
Стеатиновая керамика в
радиоэлектронике
Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого
облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.
Ультрафарфор различных марок характеризуется большим содержанием Al2О3 и
является дальнейшим усовершенствованием радиофарфора. Ультрафарфор имеет
по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и
теплопроводность.
Цельзиановая керамика имеет низкий температурный коэффициент линейного
расширения (2* 10—6 К-1), низкий температурный коэффициент диэлектрической
проницаемости (6-10-5 К-1) и высокую электрическую прочность — до 45 МВ/м.
Такую керамику используют для изготовления высокостабильных катушек
индуктивности, изоляторов, конденсаторов большой реактивной мощности. Ее
недостатком является сравнительно небольшая механическая прочность.
online.mirea.ru

31.

Центр дистанционного обучения
Достоинством стеатитовой керамики является ее малая
усадка при спекании, что позволяет использовать ее для
изготовления мелких деталей — проходных изоляторов,
внутриламповых изоляторов.
Форстеритовая керамика по коэффициенту теплового
расширения хорошо согласована с некоторыми
металлами, в частности с медью, поэтому ее используют
для изготовления металлокерамических узлов.
online.mirea.ru

32.

Центр дистанционного обучения
Сверхвысокочастотная
керамика
На основе оксида алюминия, содержащую до 5—6% дополнительных
компонентов, образующих при спекании керамики стеклофазу.
Наличие стеклофазы в керамическом материале упрощает технологию
изготовления керамики и технологию соединения керамики с металлом, но
ухудшает ее электроизоляционные свойства и увеличивает тангенс угла
диэлектрических потерь.
В электронике в области сверхвысоких частот применяют также керамику на
основе оксида бериллия, нитрида алюминия или нитрида бора.
online.mirea.ru

33.

Центр дистанционного обучения
Электрические характеристики
некоторых высокочастотных
керамических материалов
tg d•104
Материал
при 1МГц
Электрическая
и Т, 200С
200С и 50 Гц, МВ/м
20
100
Радиофарфор
35-45
50-60
15-20
Ультрафарфор
6-9
16-15
15-20
Стеатит
12-20
15-24
20-30
Ультрастеатит
3-6
6-10
20-30
прочность
при
online.mirea.ru

34.

Центр дистанционного обучения
При изготовлении радиокерамики в качестве основных
кристаллообразующих компонентов наряду с природными
минералами, такими как кварц, глинозем, тальк, широко
используют специально получаемые оксиды и карбонаты
различных металлов.
Для получения керамики с особыми свойствами в качестве
основы
используют
тугоплавкие
бескислородные
соединения.
К их числу относятся нитриды, бориды, силициды и
карбиды различных металлов.
online.mirea.ru

35.

Центр дистанционного обучения
Классификация керамики
По техническому
назначению
установочные
конденсаторные
По электрическим
свойствам
низкочастотная
высокочастотная
Промежуточное положение между высокочастотными и низкочастотными
диэлектриками занимает радиофарфор.
online.mirea.ru

36.

Центр дистанционного обучения
Радиофарфор
Улучшение электрических свойств по сравнению с изоляторным
фарфором достигается путем введения в состав исходной шихты
оксида бария, резко снижающего диэлектрические потери и
проводимость стекловидной фазы.
В связи с высоким содержанием глины (до 40 %) радиофарфор
отличается большой пластичностью массы, что позволяет
изготавливать из него как мелкие, так и крупногабаритные
изделия.
online.mirea.ru

37.

Центр дистанционного обучения
Ультрафарфор
• Относится к группе материалов с высоким содержанием глинозема
(более 80 %). Глинозем, или оксид алюминия, существует в виде
низкотемпературной γ- или высокотемпературной α -модификации. Лучшими
свойствами обладает α -А12О3 (корунд).
• Является высокочастотным диэлектриком, в котором сочетаются низкие
диэлектрические
потери
с
высокой
механической
прочностью
и
удовлетворительными для промышленного производства технологическими
параметрами. Объясняется наличием в нем бариевого стекла
• Получают плотную керамику при сравнительно 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 и
механической прочностью и предназначается для установочных деталей и
конденсаторов, к которым предъявляются повышенные требования по
online.mirea.ru
надежности.

38.

Центр дистанционного обучения
Высокоглиноземистая керамика
• Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из
оксида алюминия (глинозема) Al2О3.
• Это материал требует весьма высокой температуры
обжига (до 1750оС), затрудняющей его изготовление.
online.mirea.ru

39.

Центр дистанционного обучения
Алюминоксид
• Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в
диапазоне радиочастот и при повышенных температурах обладает весьма
высокой нагревостойкостью (до 1600 °С)
• большой механической прочностью
• хорошей теплопроводностью.
• Удельная теплопроводность алюминоксида в 10 —раз выше, чем у
изоляторного фарфора.
• Однако он имеет неблагоприятные технологические
характеристики, обладает большойабразивностью, непластичен, отличается
высокой температурой спекания (до 1750 °С). Высокая абразивность
затрудняет механическую обработку сырых заготовок и шлифование
обожженных деталей.
online.mirea.ru

40.

Центр дистанционного обучения
Алюминоксид
• Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых
приборов, подложек гибридных интегральных схем, из нее
изготовляют корпуса интегральных микросхем и СВЧприборов, а также внутриламповые изоляторы с пористой
структурой.
• Разновидностью алюминоксида является поликор
online.mirea.ru

41.

Центр дистанционного обучения
Поликор
Обладает особо плотной мелкозернистой структурой (его плотность близка к
рентгеновской плотности α-А12О3). Кроме корунда в состав поликора входят небольшие
модифицирующие добавки MgO (0,3 % по массе). Такой состав предопределяет высокую
температуру спекания (1800... 1900 °С).
Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоретической для Al2О3).
При его обработке может быть обеспечена очень низкая шероховатость поверхности.
Прозрачен в видимой области света. Поэтому данный материал используют для
изготовления колб специальных источников света и высокотемпературных оптических
окон , подложек гибридных интегральных микросхем.
Благодаря высокой плотности поликора можно обеспечить высокую чистоту обработки
online.mirea.ru
поверхности.

42.

Центр дистанционного обучения
Брокерит
Керамика на основе оксида бериллия (95...99 % ВеО)
Брокерит, кроме высокой теплопроводности, имеет высокое удельное электрическое
сопротивление и низкий тангенс угла диэлектрических потерь
Применяют для изготовления подложек мощных интегральных микросхем и выводов
энергии в сверхмощных электровакуумных приборах СВЧ-диапазона.
Имеет высокие электрические параметры: ρ = 1016 Ом·м; tgδ ≤ 3·10ˉ4 (на
частоте 1 МГц). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумных
спаев керамики с медью и коваром. Помимо подложек для интегральных микросхем
брокеритовую керамику применяют в особо мощных СВЧ-приборах.
Недостатком этого материала является токсичность порошкообразного ВеО,
online.mirea.ru

43.

Центр дистанционного обучения
Цельзиановая керамика
Характерными особенностями цельзиановой керамики являются очень
низкий температурный коэффициент линейного расширения
(2·10ˉ6 Кˉ1), незначительный температурный коэффициент диэлектрической
проницаемости (6 · 10ˉ5 Кˉ1) и повышенная по сравнению с другими
материалами электрическая прочность (до 45 МВ/м). В нормальных
условиях преобладает электронная электропроводность, ионная
составляющая электропроводности становится заметной лишь при
температурах свыше 600°С.
Цельзиановую керамику используют для изготовления каркасов
высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и высокочастотных
конденсаторов большой реактивной мощности. Недостатком цельзиановой
керамики является сравнительно небольшая механическая прочность.
online.mirea.ru

44.

Центр дистанционного обучения
Стеатитовая керамика
получают на основе природного минерала —талька 3MgO ·4SiO2 ·Н2О, который отличается
высокой пластичностью.
Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге заготовок, является
клиноэнстатит MgO ·SiO2.
Преимуществами стеатитовой керамики являются ее малая абразивность и
незначительная усадка при обжиге (1,0... 1,5 %).
Стеатит применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, опорных
плат, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в
виде пористой вакуумной керамики для внутриламповых изоляторов.
Недостатками стеатита являются невысокая стойкость к резким перепадам температуры и
очень узкий температурный интервал спекания (1330... 1350°С).
online.mirea.ru

45.

Центр дистанционного обучения
Форстеритовая керамика
Форстеритовая керамика 2MgO · SiO2
применяют для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых
приборов, когда требуется вакуумплотный согласованный спай с
металлом, обладающим повышенным температурным коэффициентом
линейного расширения, например, с медью.
Вместе с тем из-за повышенного значения α1форстеритовая керамика
характеризуется недостаточной стойкостью к термоударам. Поэтому
иногда ее изготовляют пористой для использования в электровакуумных
приборах.
online.mirea.ru

46.

Центр дистанционного обучения
Установочные керамические
диэлектрики
Такая керамика предназначена для использования в экстремальных
условиях, получают по обычной порошковой технологии из тугоплавких оксидов
без добавления глинистых компонентов и минерализующих добавок.
К числу наиболее тугоплавких оксидов (с температурой
плавления 2500...3000°С) причисляют соединения
ТhO2, BeO, UO2, CeO2, MgO, CaO, А12О3. Как правило, тугоплавкая керамика
обладает высокими электроизоляционными, механическими и
теплофизическими свойствами. Она применяется, например, для футеровок
камер сгорания, элементов ядерного реактора, магнитогидродинамических
генераторов, изоляторов свечей зажигания авиационных двигателей и т. п.
В сухом воздухе и в кислых средах керамика из чистых оксидов сохраняет
стойкость почти до температуры плавления.
online.mirea.ru

47.

Центр дистанционного обучения
Тугоплавкие керамические диэлектрики
могут быть синтезированы и на бескислородной основе.
В качестве базовых соединений в этом случае используют карбид кремния SiC, а
также нитриды алюминия A1N и бора BN.
Соединения имеют температуру плавления выше 3000°С, а керамика на их
основе характеризуется не только высокой нагревостойкостью, но обладает также
высокой устойчивостью к химически агрессивным средам, высокой твердостью и
износоустойчивостью, стойкостью к термоударам.
Керамика из карбида кремния по удельной теплопроводности превосходит
алюминоксид и даже брокерит и лишь немного уступает меди.
Нитридная керамика благодаря химической устойчивости широко применяется в
технологии чистых веществ в качестве тигельного материала.
online.mirea.ru

48.

Центр дистанционного обучения
Конденсаторная керамика
• Конденсаторная керамика позволяет создавать емкостные
элементы, выделяющиеся простотой конструкции, низкой
стоимостью, высокой надежностью и работоспособностью в самых
жестких условиях эксплуатации.
• Керамические конденсаторы позволяют перекрыть диапазон емкостей
от долей пикофарада до сотен микрофарадов. На их долю в мировом
производстве всех конденсаторов приходится свыше 60 %.
• Конденсаторные керамические диэлектрики подразделяются на
высокочастотные и низкочастотные материалы. К первой группе
относят диэлектрики, у которых ε = 10...260, а значение tgδ на
частоте 1 МГц не превышает 0,0006.
• Для обеспечения температурной стабильности емкости
желательно, чтобы конденсаторный материал обладал небольшим
температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости.
online.mirea.ru

49.

Центр дистанционного обучения
Титановые керамические диэлектрики
(тиконды)
• Для применения в высокочастотных конденсаторах
• Кристаллическая
фаза
таких
диэлектриков
формируется
на
основе
титаносодержащих оксидных химических соединений —рутила TiO2, перовскита
СаТiO3, титаната стронция SrTiO3, тетратитаната бария ВаО · 4ТiO2, титаната
циркония ZrTiO4 и др. С
• реди материалов этой группы наиболее широкое применение нашли керамические
диэлектрики промышленных марок Т-80 и Т-150 (цифра указывает значение ε в
нормальных условиях).
• Керамика Т-80 представляет собой практически чистый рутил с небольшими
минерализующими добавками диоксида циркония, образующего твердый раствор с
ТiO2. Минерализующие добавки вводятся для понижения температуры спекания и
повышения пластичности формовочной массы.
online.mirea.ru

50.

Центр дистанционного обучения
Титановые керамические
диэлектрики (тиконды)
• Важными достоинствами рутиловой керамики являются ее низкая
стоимость и высокая технологичность. Спекание такой керамики
осуществляется практически без образования стеклофазы, что
предопределяет низкие диэлектрические потери.
• Один из существенных недостатков диэлектриков на основе
ТiO2 связан с относительно низкой устойчивостью материала к
электрохимическому старению при длительной выдержке под
постоянным напряжением. Снижение области рабочих температур и
долговременной электрической прочности. Длительность процесса
старения, а соответственно, и срок службы материала при заданной
температуре зависят от напряженности поля, а при фиксированной
напряженности поля сокращаются с повышением температуры.
online.mirea.ru

51.

Центр дистанционного обучения
Термокомпенсированная керамика
Станнаты и алюминаты имеют положительный αε. Синтезируя твердые
растворы на основе соединений, характеризуемых различными по знаку
значениями αε, можно получить керамику с термостабильными
поляризационными свойствами. Такие керамические диэлектрики с малым
значением αε получили название термокомпенсированных тикондов.
Их применяют для изготовления высокочастотных термостабильных
конденсаторов. Температурная стабильность достигается ценой
уменьшения диэлектрической проницаемости тикондов, являющихся
компонентами формируемых твердых растворов. Незначительное
содержание титанатов в термокомпенсированной керамике обеспечивает
ей более высокую устойчивость к электрохимическому старению, что
позволяет расширить верхний предел рабочих температур керамических
конденсаторов до 300°С и более.
online.mirea.ru

52.

Центр дистанционного обучения
Термостабильная керамика
• Термостабильная керамика с пониженными температурами спекания
(1100... 1150°С) может быть изготовлена на основе полититанатов бария, среди
которых наиболее перспективны для применения в высокочастотных
конденсаторах соединения BaTi4O9 и Ba2Ti9O20.
• Уникальным сочетанием свойств обладают керамические диэлектрики, у
которых кристаллическую фазу формируют барийлантаноидные тетратитанаты,
на
основе
редкоземельных
металлов
цериевой
подгруппы
(La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu). Оптимизируя состав исходной шихты, удается
добиться
не
только
пониженной
температуры
спекания
(порядка 1000...1100°С), но и получить конденсаторный материал, сочетающий
малое (близкое к нулю) значение αε с повышенной диэлектрической
проницаемостью (на уровне 70...90).
• В ряде случаев для изготовления высокочастотных конденсаторов малой
емкости, в особенности высоковольтных и подстроечных, применяются
некоторые
виды
установочной
керамики
—
online.mirea.ru
цельзиановую, ультрафарфор, стеатит.

53.

Центр дистанционного обучения
Низкочастотная конденсаторная
керамика
Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат
бария и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами.
Сегнетокерамика обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью
(ε = 900...20000), которая, однако, не отличается температурной стабильностью и
зависит к тому же от частоты и напряженности электрического поля.
Сегнетокерамику применяют для получения конденсаторов с большой
удельной емкостью. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков
достигает своего максимального значения при характеристической
температуре, называемой точкой Кюри. Изменяя состав исходной
шихты, добиваются такого соотношения между концентрациями компонентов в
твердом растворе, чтобы точка Кюри примерно соответствовала температуре
эксплуатации конденсатора.
online.mirea.ru

54.

Центр дистанционного обучения
Ферриты
Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида
железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe2O4.
Это химическое соединение обладает кубической
кристаллической решеткой и активно используется в
радиоэлектронике, благодаря большому удельному
сопротивлению и наличию магнитных свойств.
Ферриты еще называют магнитной керамикой.
online.mirea.ru

55.

Центр дистанционного обучения
Магнитная керамика
Магнитная керамика представляет собой обычно изделия на
основе никель-цинковых (система NiO–ZnO–Fe2O3) и никельмарганцевых (система NiO–MnO– Fe2O3) ферритов.
Важнейшими группами ферритов являются: магнитомягкие,
для СВЧ-диапазона, с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ)
и магнитотвердые.
online.mirea.ru

56.

Центр дистанционного обучения
Основные свойства ферритов
Плотность: 4000 до 5000 кг/м3 (параметр определяется маркой железного
сплава).Теплоемкость вещества: до 890 Дж/кг×К.
Средний модуль упругости: 5500 МПа.
Предел прочности на сжатие равняется 850 МПа, на растяжение – 110 МПа.
Коэффициент Пуансона: до 0,4.
Модуль Юнга: до 21 000 000 кПа.
Высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что
обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах.
online.mirea.ru

57.

Центр дистанционного обучения
Механические свойства
ферритов
Металлы склеиваются при помощи клея марки БФ-4 и нарезаются
инструментами, изготовленными из алмаза.
Материал поддается полировке и шлифовке.
При больших механических нагрузках (соударениях, вибрациях)
появляются дополнительные напряжения в сердечниках, что
приводит к возникновению трещин и иных внешних дефектов.
online.mirea.ru

58.

Центр дистанционного обучения
Свойства некоторых промышленных
ферритов с округлой петлей гистерезиса
online.mirea.ru

59.

Центр дистанционного обучения
Факторы, влияющие на
магнитные свойства
Влияния высоких или низких температур: при термообработке железного сплава также
могут произойти изменения магнитной проницаемости.
Увлажнение металла: на средних и высоких частотах увеличиваются магнитные потери
металла, что связано с изменением электропроводности материала. По этой причине
рекомендуется герметизировать металл во время работы с влажными поверхностями.
Радиационное облучение: воздействие интегральных потоков нейтронов с высокой
интенсивностью приводит к изменению электромагнитных характеристик железного
сплава.
Слияние двух магнитных полей: происходит наложение частот, что повышает
вероятность возникновения явления резонанса.
online.mirea.ru

60.

Центр дистанционного обучения
Способы производства
ферритов
При помощи ферритовых порошков: железный сплав изготавливается из специальных
химических соединений. Растворы железа осаждают из специальных солей. Полученное
вещество смешивают с гидратами щелочей. Смесь сушится и ферритизируется. Этот
метод изготовления чаще всего используется в металлургии, что связано с большим
эксплуатационным сроком ферритовых порошков.
Окисная технология: представляет собой смешение и помол окислов металлов.
Главными преимуществами этого способа являются безотходность и экономичность. В
этом случае для изготовления феррита необходимо минимальное количество сырья. Во
время смешивания окисей металлов в атмосферу не выделяются вредные химические
соединения. Недостатком этой технологии является трудность измельчения окислов при
получении однородных смесей.
online.mirea.ru

61.

Центр дистанционного обучения
Способы производства
ферритов
Химические методы: предоставляют возможность изготавливать высокочастотные
ферриты без применения этанола и иных соединений с высокой воспроизводимостью
структурных параметров.
Термическое разложение: требуется сернокислые соли, где содержится
кристаллизационная вода. В них добавляется небольшое количество H2O. Полученная
смесь разлагается на окислы (их температура составляет не менее 900°С.
Преимуществом этого способа является однородность распределения всех компонентов
при термообработке.
Бездиффузионный(шенитный) способ: для изготовления железных модификаций
необходимы ферритные порошки, состоящие из растворов шенита. Для предельной
гомогенизации вещества проходят процесс кристаллизации и ферритизации.
Стабильность протекания этих процессов обуславливается состоянием поверхностных
частиц шенита и доли полиморфных модификаций.
online.mirea.ru

62.

Центр дистанционного обучения
Химический состав ферритов
Никель-цинковые:
отличаются высоким
электрическим
сопротивлением и чаще
всего используются при
высоких диапазонах частот:
500 КГц до 200 МГц.
Магний-марганцевые:
характеризуются низкой
магнитной проницаемостью
и чаще всего применяются
для работы с частотами
звука.
Иттриевые: обладают
небольшими
диэлектрическими
потерями. Они устойчивы к
ферромагнитному
резонансу.
Марганцево-цинковые:
имеют низкие потери на
вихревых токах и
располагают высокими
показателями
диэлектрической
проницаемости.
Литиевые: располагают
высокими показателями
намагниченности
насыщения и термической
стабильности.
online.mirea.ru

63.

Центр дистанционного обучения
Классификация ферритов
Железные сплавы с гарантированными
потерями и высокой магнитной
проницаемостью.
Материалы с гистерезисом (зависимости
намагниченности от напряжений внешнего
поля) в виде прямоугольной петли.
Модификации железа с уникальными
свойствами.
online.mirea.ru

64.

Центр дистанционного обучения
Марки ферритов
2000 H:
никель-цинковый феррит с
магнитной проницаемостью
2000 Гн/м;
6000 HM1:
материал из магния и цинка,
магнитная проницаемость
составляет 6000 Гн/м;
100 ВНП:
железный сплав с
магнитной проницаемостью
100 Гн/м, состоящий из
никеля, цинка и меди;
300 П:
железная модификация с
магнитной проницаемостью
300 Гн/м, состоящий из
магния, марганца и калия.
online.mirea.ru

65.

Центр дистанционного обучения
Классификация ферритов
По применению
Общепромышленные:
отличаются высокой
магнитной проницаемостью
и применяются при частоте
до 25 МГц. При его
изготовлении применяют
чистый феррит,
представляющий собой
частицы ферритовой пыли.
Используются в большинстве
отраслей радиоэлектроники.
Термостойкие:
металлы с устойчивой
магнитной проницаемостью,
не изменяющейся при
резком перепаде температур.
Они используются при
производстве антенных и
сердечников.
Высокопроницаемые:
благодаря повышенной
магнитной проницаемости,
они применяются при низких
частотах. Используются при
изготовлении
комплектующих для
статических
преобразователей.
online.mirea.ru

66.

Центр дистанционного обучения
Применение ферритов
Отдельные марки ферритов могут применяться для производства определенной
аппаратуры. В ионных аккумуляторах может использоваться только феррит цинка,
являющийся магнитомягким металлом.
Для магнитных головок изготавливают железные сплавы на основе никель-цинковых
материалов. При сборке датчиков и специальных детекторов используют ферриты с
высокой термочувствительностью. Ферриты, способные работать при импульсном
намагничивании, используются во время производства трансформаторов. Модификации
железа, имеющие низкие потери при частоте, могут применяться в телевизионных
приборах.
Разработаны магнитные керамические пленки, применение которых позволяет
уменьшить габаритные размеры высокопроизводительных электронных схем, а также
значительно упростить технологию их изготовления. Такие схемы используются для
стабилизации частоты, тока и амплитуды напряжения, подаваемого в нагрузку.
online.mirea.ru

67.

Центр дистанционного обучения
Использование в радиоэлектронике
В современных высокотехнологических процессах многие компоненты электрических
схем наносятся на подложку (печатную плату) с помощью пленочной технологии.
Использование магнитной керамической пленки в качестве сердечника
трансформатора может помочь решить эту проблему, значительно упростив
технологический процесс, а также увеличив компактность микросхем.
Дополнительные трудности возникают еще и из-за различия в коэффициентах
теплового расширения у магнитных материалов и керамики, что делает необходимым
включение в технологический процесс дополнительной операции отжига.
Ферритовая пленка толщиной в несколько десятых долей миллиметра подвергается
процессу отжига вместе с платой (подложкой) в едином технологическом цикле при
температуре ниже 900 °С. Трансформатор, сформированный таким способом, имеет
форму квадрата с размером 1,5 - 2 см и высотой 1,5 мм, и может обеспечить
стабильную работу нагрузки с потребляемой мощностью 120 Вт на частоте 2,5 МГц.
online.mirea.ru

68.

Центр дистанционного обучения
Турманиевая керамика
В состав турманиевой керамики также входят редкоземельные
элементы, которые действуют на организм, нейтрализуя свободные
радикалы. Свободные радикалы - это очень агрессивные химические
молекулы (ацетон и др.). Остановить их практически невозможно.
Керамическое покрытие, которое при нагревании выделяет
короткий, но очень энергичный импульс, разбивает свободный
радикал.
Керамика используется в медицинской сфере.
online.mirea.ru

69.

Центр дистанционного обучения
Спасибо за внимание!
online.mirea.ru