Стеатитовая керамика с регулируемыми диэлектрическими свойствами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТЕАТИТОВАЯ КЕРАМИКА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

П.Г.Усов, В.Н.Гурина, Ю.И.Алексеев

Разработка диэлектрических материалов с регулируемыми электрофизическими свойствами является одним из актуальных научных и технических вопросов / I /. Усилия исследователей, занимающихся получением новых материалов, направлены на получение либо максимальных значений электрофизических параметров либ° минимальных /2 /. Вместе с тем ряд

технических задач может быть решен на основе диэлектрических материалов, занимающих по своим свойствам промежуточное положение.

Например, роторные электростатические генераторы (ЭСГ), известные как источники высокого постоянного напряжения, имеют два основных элемента: ротор и статор» Для обеспечения нормальной работы машины они должны различаться по удельному объемному сопротивлению на два-три порядка, причем удельное объемное статора должно находиться в

В настоящее время для изготовления ротора и статора используется органическая полимерная изоляция (эпоксидные смолы) и неорганическая (стекла). Данные диэлектрические материалы обладают достаточно высокими электрофизическими свойствами при температуре 20°С. При повышении температуры, которое иногда может иметь место в рабочем объеме машины, свойства их могут значительно отличаться от первоначальных. К тому же конструирование ЭСГ повышенной мощности (I - 10 квт) сопряжено как с совершенствованием используемых, так и с поисками новых материалов, устойчиво сохраняющих первоначальные свойства при эксплуатации в среде, например, коронного разряда.

В связи с этим в работе рассматривается вопрос получения керамических материалов с повышенными значениями электропроводности для использования их при конструировании ЭСГ. Объектом исследования выбрана стеатитовая керамика, получившая широкое распространение в качестве изоляционного материала в высокочастотной технике и в высоковольтной аппаратуре. В производстве стеатитовой керамики используется относительно неде-

пределах

фицитное сырье (тальк, глина), в них содержится небольшое количество окислов щелочной группы и окислов металлов переменной валентности (/ге20з> Т102) (табл. I), что обеспечивает изделиям высокое значение удельного объемного сопротивления и малые диэлектрические потери.

Таблица I

Химический состав исходных материалов, % вес«

Компонент

ла

мдо

ле2о3

по.

Рег03

СаО

5а О

К* О

зо3

ПЛП

Тальк оно-тский сор-!* та "Экстра11^

Тальк бнотский сырой

Тальк онотский обожженный

Глина ч асов-ярская

Бентонит оглан-линский

СаО

^а2С03 ВаСО*

62,02 31,64 0,45 - 0,45 0,42 -

59,64 27,51 5,25 - 1,05 0,91 -

63,21 29,16 5,56 - 1,11 0,98 -

50,72 0,63 32,38 1,161,11 0,86 -

- 4,78

- 6,10

3,86 - 9,26

71,28 3,50 16,30 0,281,56 2,03 - 2,33 0,50 0,565,25

100

58,50 41,50

77,66 22,34

* взято для сравнения

В исследованных стеатитовых композициях сырьевой состав подбирался из условия увеличения количества стеклофазы в керамике и изменения ее состава по сравнению с промышленным* При этом окись бария в составе стеклофазы заменена на СаО и введено дополнительное количество Д^а20 (табл. 2).

Согласно литературным данным /4,5/, электропроводность стеатитовой керамики носит, в основном, ионный характер и зависит от состава стекловидной фазы. Теоретический анализ химического состава исследуемых масс (табл. 3) показывает, что содержание окислов переменной валентности ТЮ2 и ^е20^ остается практически неизменным и, следовательно, ионный характер электропроводности

может быть обусловлен увеличением количества окислов/\/а20 и К20 в исходной шихте«

Таблица 2

Состав шихты исследованных материалов, % вес«

Компонент Шифр состава

г 1

промышленный С-1У С-У 1 С-У1 С-УП

Тальк онотский сырой 38

Тальк о вотский обожженный 42 86 86 76,18 80

Глина часов-я рская 5 10,75 10

ВаС03 15 10

СаО 3,25 3,25 2,96

Бентонит огланлинский 10,75 9,76

Уа2С03 9,1

Таблица 3

Химический состав стеклофазы исследуемых масс

(расчетный)

Состав Окислы, % вес

ЯСОг 710г СаО Рг£0А ле2о3 т2о КгО ВаО

Промышленный 48,50 тт 1,14 0,86 7,35 - 0,64 42,50

С-1У 60,96 0,35 11,58 2,98 23,00 1,15 -

С-У 65,60 0,08 12,15 3,32 18,08 0,63 0,13 -

С-У1 51,76 0,08 11,64 2,98 16,84 16,56 0,13 -

С-УП 53,56 0,28 2,21 2,61 20,03 1,02 20,29

Анализ свойств стеклофазы на основе диаграмм состояния систем ВаО -А1203 СаО - А1203 02 и /Уа20 - А1203 -Ло2 показал, что наиболее широким интервалом плавления обладает сте-клофаза состава С-У1 (около 300°С) / б

Изделия и образцы оформлялись по спековой. технологии методом прессования из пластифицированных парафином порошков.

Микроскопические исследования обожженных материалов, выполненные совместно с рентгенофазовым анализом, позволили сделать вывод о том, что при спекании образцов из массы С-У1 активные физико-химические процессы имеют место уже при темпе -ратуре 600°С. Интервал же спекшегося состояния находится в диапазоне П50-1165°С.

Вакуумная плотность при максимальном объемном весе образцов из масс других рассматриваемых составов достигалась при температурах обжига 12Ю-1310°С.

Кристаллическая форма полученных материалов представлена протоэнстатитом с величиной кристаллов 2-5 мкм. Распределение стекла равномерное, в виде тонких прослоек между кристаллами.

Свойства исследованных материалов определялись на образцах по методикам,соответствующим требованиям ГОСТ 5458-64.

Вакууыноплотная стеатитовая керамика на основе онотского талька с повышенным содержанием примесей без дополнительного введения окислов (состав С-УП) обладает достаточно хорошими электрофизическими свойствами, высокой механической прочностью и может быть использована в качестве материала для изготовления ротора ЭСГ, а так же в ряде других высоковольтных устройств» Прочие составы (табл. 4) характеризуются заметным увеличением электропроводности при небольшом изменении других свойств.

Керамика состава С-1У была опробована при конструировании ЭСГ; получены положительные результаты.

Выводы

1. Опытным путем показана возможность регулирования величины удельного объемного сопротивления керамики путем вариации сырьевого состава шихты и введения дополнительного количества окислов щелочной группы.

2. Методами экспериментального анализа установлено, что основной кристаллической фазой окончательно спеченных изделий из рассматриваемых составов является протоэнстатит с величиной кристаллов 2-5 мкм; следовательно, наиболее чувствительной к изменению удельного объемного сопротивления является

Таблица 4-

Электрофизические и физико-механические свойства полученных керамических материалов *

Наименование свойства Шифр состава

С-1У С-У С-У1 С-УП

Температура спекания,0 С 1300 1210 1160 1290

Объемный вес,г/см5 2,68 2,74 2,58 2,8

Водопоглощение, % 0,01 0 0,01 0,02

Предел прочноста ? при сжатии, кг/С1г 4-,700 4,780 3,600 4,400

Коэффициент термического расширения КТР Ю,1/°С в интервале температур 20-800°С 7,0 6,75 8,7 7,3

Удельное объемное электросопротивление j>v , ом .см при температуре (ОС): 20 100 200 300 6,15*Ю13 6,15«га13 1,94*Ю12 7,7 -ГО11 5,9'Ю13 5,8.1013 1,5-Ю12 3,9'ЮП 2,3.10П 4,8^1010 7,4*10® 6,2;10б 2,4.Ю14 1,7.10^ 1,2'ГО14 1,1«1014

Тангенс угла диэлектрических потерь (toá »Ю4, ' на частоте I МГц при температуре (°С): 20 17,9 26 86 12

100 42,8 71 243 14

200 252 123 1310 23

Относительная диэлектрическая проницаемость (ЕМ при температуре 20°С и частоте / = I МГц 6,3 6,1 6,4 6,3

стекловидная фаза керамики. ,

3. Произведен выбор составов, теоретическая и экспериментальная оценка технологических параметров и свойств получаемых изделий.

Результаты работы могут быт^использованы при выборе материалов для конструирования высоковольтных устройств.

Литература

I. И.А«Макаров. Синтез корундовой керамики с заданными электрическими свойствами. Автореферат диссертации, М., 1969. 2« А.Ю.Борисова и др. Электрокерамические стеатитовые материалы. Отделение БНШЭМ по научно-технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике. М., 1968.

3. В.И.Левитов. ЭСГ с хестким ротором, ч.Х, II* М.» 1963, 1966.

4. Х.С«Валеев. Электрические свойства стеатитовых материалов при повышенных температурах. •Электричество1', 4, 1955.

5. Б.М.Тареев. Физика диэлектрических материалов. Изд. "Энергия", М., 1973.

6» В.Эйтель. Физическая химия силикатов. Изд-во иностранной литературы, М., 1962.

АМ АЛ ЬГАШО-ДОЖРОТРАФИЧЕСКОЕ ОШ^ШШШ ПРШЕСШ 7я*Сс1%М>№ъ 61 В ШЮБАТАХ, ТАИГА ЛАТ АХ ПЕЛОЧЮХ МЕТАЛЛОВ И ПЯТИОМСЯХ НИОБИЯ. И. ТАНТАЛА

З.С.Михайлова, Л.Ф*Заичко, А.А.Каплин

Ниобий,, тантал и их соединения относятся к одним из наиболее сложных аналитических объектов, в особенности при определении в них малых количеств примесей* Чувствительность известных в литературе спектральных и химико-спектральных методик определения тяжелых металлов в ниобии, тантале и их соединениях составляет ЫХГ4 - б^КГ5^. В работе / I / впервые для определения свинца, сурьмы и висмута в 0 ЧУВСТВЙ"

тельностью - 5*10/2 применен метод амальгамной поляро-

графии с накоплением САШ). Целью данной работы явилось расширение числа элементов С 9 СЛ определяемых в ниобии, тантале и их соединениях методом АПН и повышение чувствительности определения этих элементов.

В работе использован полярограф 0Н-102, ячейка со вставными кварцевыми стаканчиками, индикаторный электрод - ртутный пленочный, электрод сравнения - нас. к.э» В качестве растворителей, на основе литературных /1,2/ и наших данных, использованы смеси кислот: (НР + ^ЗО^) или + ШТО^). Увеличить чувствительность определения элементов без отделения основного компонента / I / не представляется возможным из-за исключительной