9.2.1. Керамические материалы для конденсаторов первого типа – высокочастотная конденсаторная керамика
Требования к высокочастотной конденсаторной керамике:
1. Заданная величина температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Как правило, определяют не ТK материала, а ТKЕ тестовых образцов у конденсаторов. В необходимых случаях можно определять и ТK, измерив предварительно коэффициент линейного расширения l.
2. Заданная величина диэлектрической проницаемости; в большинстве случаев стремятся к как можно большей величине при заданном ТКЕ.
3. Наименьшая величина tg.
4. Наибольшее значение удельного объемного сопротивления.
5. Наибольшие значения электрической и механической прочности, наименьшая склонность к электрохимическому старению.
6. Дешевизна исходных материалов.
9.2.2. Основные физико-химические принципы получения высокочастотной конденсаторной керамики
В большинстве случаев температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости индивидуальных соединений, являющихся основой конденсаторной керамики, не соответствуют номинальным значениям ТKЕ конденсаторов. Поэтому приходится сочетать две или более кристаллические фазы с различными по знаку значениями ТKЕ или использовать твердые растворы, в которых при изменении соотношения между компонентами меняются и ТKЕ, в то время как tg остается малым в широкой области концентраций.
Как правило, высокочастотная керамика неоднофазна: имеется, помимо кристаллических, некоторое количество стекловидной фазы. Параметры таких керамических материалов в случае, когда свойства фаз не очень сильно различаются, лучше всего описываются логарифмическим законом смешения (формула Лихтенекера):
|
|
(101) |
где Vi – объемная концентрация i–й фазы; i – ее диэлектрическая проницаемость.
При этом концентрационная зависимость ТKЕ определяется линейным законом
|
|
(102) |
Примеры характеристик механических смесей оксидов приведены на рис. 110, где продемонстрированы степенная зависимость эфф(V) и линейная зависимость ТКЕ(V) в широком интервале концентраций смешиваемых веществ.
|
|
|
Рис. 110. Концентрационная зависимость (сплошная линия) и ТКЕ (пунктирная линия) механической смеси BeO–TiO2 |
В настоящее время метод образования механических смесей различных кристаллических фаз с целью получения конденсаторной высокочастотной керамики с заданными свойствами применяется редко. Однако соотношения (101) и (102) широко используются при оценке электрических свойств керамических материалов, содержащих помимо основной кристаллической фазы малые количества примесных фаз.
При образовании твердых растворов наблюдается монотонное изменение их электрических свойств – и ТKЕ, хотя концентрационную зависимость этих параметров трудно описать какой-либо определенной математической формулой. Пример такой зависимости для системы LаАlO3–СаТiO3 приведен на рис. 111, из которого видно, как необходимо выбирать концентрации компонентов для получения требуемых значений и ТKЕ. С целью достижения заданных сочетаний этих параметров необходимо рассматривать несколько систем твердых растворов, хотя производству выгоднее, чтобы весь набор групп по ТKЕ высокочастотной керамики или их наибольшее число были реализованы с применением материалов одной системы.
В процессе разработки материала должны быть достигнуты не только его оптимальные электрофизические характеристики, но и высокие технологические свойства: низкая температура и широкий интервал температур спекания, возможность оформления конденсаторных заготовок различными технологическими приемами и т. п. Важной задачей является также обеспечение стабильности свойств материалов в широком интервале режимов обжига, т. е. обеспечение как можно более широкого «интервала свойств».
|
TKE106, K–1
|
|
Рис. 111. Концентрационная зависимость и ТKЕ в системе LаАlO3–СаТiO3 |
Снижение температуры спекания, расширение интервалов температур спекания и интервалов свойств достигается как введением в состав керамики малых добавок – минерализаторов, приводящих к интенсификации диффузионных процессов при твердофазном спекании или к инициированию жидкофазного спекания с минимальным количеством жидкой фазы, так и разработкой рациональной технологии синтеза исходных веществ и приготовления керамических масс.
Технология синтеза исходных соединений определяет однородность состава порошков этих соединений, их дисперсность и активность при спекании. В этой связи заслуживают внимания химические методы синтеза исходных соединений и твердых растворов для получения высокочастотной керамики. Химические методы получения керамических порошков основаны на том, что исходную шихту для термообработки приготавливают путем выделения соединений из растворов за счет различных химических реакций. Как правило, химические методы получения исходных соединений имеют преимущество перед их термическим синтезом из оксидов и карбонатов металлов, обусловливая большую однородность порошков, уменьшение размеров частиц порошков до 1 мкм и менее, снижение температуры спекания керамических материалов. Более упорядоченная структура керамики из порошков, полученных химическими методами, приводит к улучшению ее электрофизических свойств и к повышению технологической стабильности характеристик. Особенно заметно уменьшается tg при повышенных температурах, что свидетельствует о более высокой степени упорядоченности и меньшей степени дефектности кристаллической фазы керамики.