LITERATURA

1.M.W. Grabski, J.A. Kozubowski, Inżynieria materiałowa. Geneza, istota,
perspektywy, Wyd. Politechn. Warsz., Warszawa 2003.

2.M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT, 2003.

3.Z. Celiński, Materiałoznawstwo elektrotechniczne, Wyd. Politechn. Warsz.,
Warszawa 2005.

4.S. Stryszowski, Materiałoznawstwo elektryczne, Wyd. Politechn.
Świętokrzyskiej, 1999.

5.M.Rusek, Technologia urządzeń elektronicznych. Materiały i elementy
elektroniczne, Warszawa , WAT, 1989. Sygnatura: S-49412.

6.C.Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, Warszawa , PWN, 1974. Sygnatura
35242;II-52516;II-52515

7.M.Nadim, An Introduction to microelectromechanical systems engineering /
Boston : Artech House, 2000,. Sygnatura: 59325

1

MATERIAŁY

ELEKTRONICZNE

CERAMIKA

2

3

4

5

Rozszerzona charakterystyka

materiałów ceramicznych

6

7

8

Inne zastosowania ceramiki

9

a także:

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

Izolacyjne materiały ceramiczne wytwarzane są z surowców
nieorganicznych pochodzenia mineralnego - głównymi składnikami są
tlenki krzemu Si0

2

(krzemionka) i glinu Al

2

0

3

. Nie mogą więc zachodzić w

ceramice procesy utleniania i stąd jej duża odporność na nagrzewanie
i praktycznie nieograniczona trwałość.

Do głównych rodzajów ceramiki elektroizolacyjnej zalicza się:
-porcelanę elektrotechniczną,
-kamionkę,
- steatyt,
- ceramikę o małym tg

δ,

- ceramikę kondensatorową,
- ceramikę elektrotermiczną.

61

Porcelana elektrotechniczna zawiera ok. 50% kaolinu (A1

2

0

3

• 3Si0

2

•

2H

2

O), ok. 25% kwarcu (krzemionka SiO

2

) w postaci białego piasku

kwarcowego oraz ok. 25% szpatu polnego (skalenia K

2

0 • A1

z

0

3

• 6Si0

2

).

Zwiększenie zawartości skalenia korzystnie wpływa na własności
elektryczne porcelany, a kwarcu, na jej własności mechaniczne.

Mięknienie porcelany zaczyna się w temperaturze ok. 600°C, tak więc
porcelanowe elementy konstrukcyjne nie powinny pracować w
temperaturach wyższych niż ok. 400°C. Z uwagi na szybko pogarszające
się własności elektryczne porcelany ze wzrostem temperatury, nie zaleca
się stosowania porcelany jako izolacji elektrycznej w temperaturach
wyższych niż ok. 100°C.

62

Kamionka jest materiałem ceramicznym podobnym do porcelany, ale
znacznie od niej tańszym opartym na tańszych surowcach. Jest ona
stosowana do wyrobu elementów izolacyjnych masywnych i
grubościennych. Temperatura wypalania wynosi 1280°C, a skurcz po
wypaleniu 9...14%. Własności elektryczne kamionki są nieco gorsze od
analogicznych własności porcelany, ale własności mechaniczne są
lepsze.

Z kamionki produkowane są masywne osłony izolacyjne aparatury
najwyższych napięć (komory wyłączników małoolejowych, korpusy
napowietrznych przekładników małoolejowych itp.).

63

Głównym składnikiem steatytu jest talk, czyli krzemian magnezu (3MgO
• 4Si0

2

• HO. Jako dodatków używa się glin plastycznych (5...15%) oraz

skale-nia (do 5%). Materiały steatytowe wypalane są w temperaturze ok.
1400°C. Steatyty odzna-czają się dobrymi własnościami mechanicznymi i
bardzo dobrymi elektrycznymi.
W temperaturze 20°C

ρ

s

wynosi ok. 10

12

Ω•m, ρ

p

- 10

Ω•m/m, ε

w

- 5,5,

tg

δ - 0,003- (przy 50 Hz). Powierzchnie wyrobów steatytowych są na ogół

gładkie i najczęściej nie wymagają szkliwienia.

Masy steatytowe używane są do wyrobu elementów izolacyjnych
poddawanych dużym naprężeniom mechanicznym, o wymaganiach dużej
odporności na nagrzewanie oraz dużych wymaganiach odnośnie
zachowania wymiarów. Będą to m.in. izolatory wysokiego napięcia do
urządzeń radiowych, izolatory liniowe długopniowe, drobne kształtki dla
grzejnictwa elektrycznego.

64

Zastępując skaleń w masie porcelanowej węglanem baru BaCo

3

uzyskuje

się ceramikę o bardzo małej stratności dielektrycznej (tg

δ = 0,003,

przy 20°C i f= 1 MHz), zwaną nieraz ceramiką radiotechniczną. Przez
częściowe zastąpienie kaolinu trudno topliwym korundem A1

2

0

3

uzyskuje

się ceramikę (tzw. ultraporcelanę) o jeszcze niższej stratności
dielektrycznej (tg

δ= 0,0006, przy 20°C i f=1 MHz) i znacznej

wytrzymałości mechanicznej. Podobne wartości tg

δ uzyskuje się w

odmianach steatytów zawierających dodatek tlenku baru BaO. Są to
steatyty specjalne, znane pod nazwami: kalan, kalit, frekwenta itp.

Do ceramiki kondensatorowej należą materiały o szczególnie dużej
wartości przenikalności elektrycznej. Uzyskuje się je przede wszystkim
przez dodatek związków tytanu.

65

66

Z punktu widzenia wartości przenikalności elektrycznej oraz jej
zależności od temperatury można wyróżnić co najmniej cztery grupy tych
materiałów o nieco odmiennych własnościach:

1. Ceramiki o dużej wartości

ε

w

(55...160) silnie zależnej od temperatury,

przy czym ze wzrostem temperatury maleje wartość

ε

w

(ujemny

temperaturowy współczynnik przenikalności elektrycznej). Głównymi
składnikami tych materiałów są kryształy rutylu Ti0

2

lub tytanianu wapnia

Ca0 • TiO

2

.

2. Materiały ceramiczne o niższej wartości

ε

w

(12..20), zna-cznie słabiej

zależnej od temperatury, z dodatnim współczynnikiem temperaturowym.
Do głównych składników tych materiałów należy tytanian magnezu 2MgO
• Ti0

2

.

67

3. Ceramiki o pośrednich wartościach

ε

w

(30...40), słabo zależnych od

temperatury, z ujemnym współczynnikiem temperaturowym.

4. Ferroelektryki. Najczęściej używanym materiałem ferroelektrycznym

jest tytanian baru (Ba0 • Ti0

2

).

68

Ceramika elektrotermiczna musi być przede wszystkim odporna na
działanie wysokich temperatur i nagłe zmiany temperatury oraz odznaczać
się przy tym dostateczną wytrzymałością mechaniczną i elektryczną.
Niekiedy dodatkowym wymaganiem jest znaczna przewodność cieplna.

Najbardziej znaną odmianą ceramiki elektrotermicznej jest szamota,
wytwarzana ze zmielonej wypalonej już uprzednio gliny ogniotrwałej z
dodatkiem kaolinu. Głównymi więc jej składnikami są SiO, i Al

2

0

3

(do

40%). Wytwarza się z niej m.in. wykładziny elektrycznych pieców
przemysłowych, płytki kuchenek elektrycznych mieszczących w swoich
rowkach spirale grzejne. Jej temperatura pracy ograniczona jest do ok.
1350°C.

W wyższych temperaturach (do 1700°C) może pracować silimanit (20%
SiO

2

, 72% A1

2

0

3

) o znacznie większej rezystywności niż szamoty.

69

Dla pracy przy bardzo wysokich temperaturach stosowana jest w
elektrotechnice ceramika cyrkonowa, zawierająca tlenki cyrkonu (ZrO

2

) i

krzemu (Si0

2

). Jest to materiał trudno topliwy, trudno obrabialny i

stosunkowo kosztowny.

Kordieryt (2MgO • 2A1

2

0

3

• 5SiO

2

) jest materiałem niewrażliwym na nagłe

zmiany temperatury, o bardzo małym temperaturowym współczynniku
rozszerzalności liniowej.

Dobrym materiałem izolacyjnym jest tlenek magnezu wypełniający w
postaci proszku grzejniki rurkowe - cienkościenne rurki stalowe z
umieszczonymi w nich spiralami grzejnymi.

70

71

72

73