background image

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

background image

MATERIAŁY 

ELEKTRONICZNE

CERAMIKA

2

background image

3

background image

4

background image

5

background image

Rozszerzona charakterystyka

materiałów ceramicznych

6

background image

7

background image

8

background image

Inne zastosowania ceramiki

9

background image

a także:

10

background image

11

background image

12

background image

13

background image

14

background image

15

background image

16

background image

17

background image

18

background image

19

background image

20

background image

21

background image

22

background image

23

background image

24

background image

25

background image

26

background image

27

background image

28

background image

29

background image

30

background image

31

background image

32

background image

33

background image

34

background image

35

background image

36

background image

37

background image

38

background image

39

background image

40

background image

41

background image

42

background image

43

background image

44

background image

45

background image

46

background image

47

background image

48

background image

49

background image

50

background image

51

background image

52

background image

53

background image

54

background image

55

background image

56

background image

57

background image

58

background image

59

background image

60

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

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

background image

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

background image

66

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

71

background image

72

background image

73