Электроизоляционные лаки. Эмали и компаунды

Лаки, эмали и компаунды – это многокомпонентные материалы, находящиеся при изготовлении изоляции в жидком виде, а в готовой изоляции – в твердом состоянии. Следовательно, они являются твердеющими материалами.

4.9.1. Лаки

Лаки – это смолы, битумы, высыхающие растительные масла или их смеси, составляющие лаковую основу, разбавленные органическими растворителями. В некоторые из них также вводят пластификаторы и сиккативы (катализаторы химических процессов отверждения). При высыхании лака растворитель улетучивается, и на поверхности образуется лаковая пленка, обеспечивающая механические и электроизоляционные свойства, стойкость к атмосферным воздействиям.

По назначению лаки подразделяются на: пропиточные, покровные и клеящие. На практике один и тот же лак может быть использован в качестве пропиточного и покровного или покровного и клеящего.

4.9.1.1. Пропиточные лаки.Их применяют для пропитки пористой и волокнистой изоляции (бумаги, ткани, изоляции обмоток аппаратов и электромашин). После пропитки увеличиваются электрическая прочность и теплопроводность изоляции, снижается гигроскопичность, у конденсаторной бумаги, кроме того, увеличивается диэлектрическая проницаемость, а, следовательно, емкость конденсаторов. При пропитке органической волокнистой изоляции возрастает также нагревостойкость, так как уменьшается окисляющее влияние кислорода воздуха. К пропиточным лакам относятся лаки кремнийорганические (КО-921, КО-810), масляно-битумные (БТ-980, БТ-987), масляно-глифталевые (ГФ-95). Буквы указывают на химическую природу основного компонента лака, первая цифра – назначение лака (9 – электроизоляционный), последующие цифры – порядковый номер лака в соответствующей группе.

4.9.1.2. Покровные лаки. Они служат для образования на поверхности лакируемых изделий гладкой, блестящей, механически прочной и влагостойкой пленки. Часто покровные лаки используют для покрытия предварительно уже пропитанной пористой (волокнистой) изоляции.

Некоторые покровные лаки, так называемые эмаль-лаки, наносят не на поверхность твердого диэлектрика, а непосредственно на поверхность металла, образуя электроизоляционный слой (и одновременно осуществляя антикоррозионную защиту). Эмаль-лаки служат, например, для производства изоляции эмалированных проводов, листов электротехнической стали. При внесении в покровный лак пигмента – мелкодисперсного неорганического наполнителя, являющегося одновременно и красителем, – получается эмаль.

В качестве покровных лаков применяют кремнийорганический лак (КО-928, КО-938 В), полиуретановый (УЛ-1), масляный (МЛ-1), полиамидный (АД-9113), полиимидный (ПАК-1). Применяют также эмаль-лаки на поливинилацеталевой основе (ВЛ-941).

4.9.1.3. Клеящие лаки. Применяют для склеивания листов твердых диэлектрических материалов, например, в производстве миканитов – листочков расщепленной слюды. Используют эти лаки также для склеивания твердых диэлектриков с металлами. Основные требования, предъявляемые к клеящим лакам, – высокая адгезия к склеиваемым материалам, хорошие механические и электрические свойства.

К клеящим лакам относятся: клей на основе фенолоформальдегидной смолы (БФ-2, БФ-4, БФ-6), полиуретановый клей (ПУ-2), эпоксидный горячего отверждения (ЭП, ЭПР), холодного отверждения (ВС), эпоксиднокремнийорганический холодного отверждения (К-400).

Качество лаковых пленок определяется в основном свойствами лаковой основы – химическим составом пленкообразующего вещества. Поэтому в зависимости от природы пленкообразующего вещества электроизоляционные лаки подразделяются на: смоляные, масляные, битумные, масляно-смоляные, масляно-битумные, эфироцеллюлозные. Все лаки содержат тот или иной летучий растворитель в количестве, необходимом для создания требуемой вязкости.

Битумные лаки дешевле по сравнению с масляными, пленки на их основе менее гигроскопичны, они менее эластичны, при нагреве размягчаются, подвержены действию растворителей. Поэтому в качестве электроизоляционных лаков используют не битумные, а масляно-битумные лаки, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между лаками чисто масляными и битумными. Присутствие высыхающих масел придает образующимся пленкам большую гибкость и нагревостойкость. Они становятся менее подверженными действию растворителей.

Наиболее распространенным масляно-смоляным лаком является масляно-глифталевый лак, широко применяемый для пропитки обмоток масляных трансформаторов и защиты печатного монтажа радиоблоков. Он отличается повышенной нагревостойкостью (130°С), пониженной гигроскопичностью. Это маслостойкий полимер.

Электроизоляционные лаки по режиму сушки подразделяются на лаки горячей (выше 70°С) и холодной (20°С) сушки. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими электрическими и механическими свойствами.

4.9.2. Компаунды

Это электроизоляционные пропиточные и заливочные составы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и не содержащие растворителя. В момент применения при нормальной или повышенной температуре компаунды находятся в жидком состоянии. Затем компаунды затвердевают в результате охлаждения или происходящих химических процессов. По механизму отверждения компаунды делятся на термопластичные (на основе битумов, церезина), работающие при низких температурах, и термореактивные (на основе метакриловой кислоты, полиуретанов, эпоксидных смол), используемые для работы при повышенных температурах.

Компаунды в зависимости от назначения подразделяются на пропиточные и заливочные. Особую группу составляют порошкообразные компаунды, применяемые для напыления изоляции. Компаунды производят на основе синтетических смол, битумов, воскообразных диэлектриков. Для улучшения механических свойств в них вводят пластификаторы, отвердители и наполнители (кварцевую муку, тальк).

В электро- и радиотехнике компаунды применяют для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов и дросселей, заливки радиосхем и приборов, герметизации различных узлов, изготовления литой изоляции.

4.10. Неорганические стекла

Стеклами, независимо от их химического состава, называют амфорные тела, полученные путем переохлаждения расплава.

При охлаждении вязкость расплава постепенно увеличивается, и стекло приобретает механические свойства твердого тела. Процесс перехода переохлажденного расплава в стеклообразное состояние называется стеклованием, температурная область перехода – интервалом стеклования, а его среднее значение – температурой стеклования Т_с. Ниже Т_с стекла становятся хрупкими.

Для стекол, как и для жидкостей, характерно отсутствие в структуре дальнего порядка. Стекла построены из тех же структурных единиц, что и кристаллы, только они образуют не упорядоченную кристаллическую структуру, а нерегулярную, апериодическую сетку.

Стекла по своему строению неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться такие неоднородности, как поры, ликвации, капли другой фазы. Поры составляют до 60% объема стекла. Поэтому электрическое поле в стеклах неоднородно, что приводит к существенному снижению электрической прочности.

По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов.

Реже стекла состоят лишь из одного окисла, например кварцевое стекло – из SiO₂. Окислы, которые сами способны образовывать стекла, называют стеклообразующими, например SiO₂, В₂О₃ и др. По их названию часто именуют и сами стекла; например, SiO₂ – силикатные стекла, В₂О₃ – боратные, Р₂О₅ – фосфатные, GeO₂ – германатные.

Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные, которые, в свою очередь, подразделяются на:

1) щелочные;

2) щелочные, но с большим содержанием окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО) – стекла с большим содержанием РbО называют флинтами, а с большим содержанием ВаО – кронами;

3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую окись кремния SiO₂.

Вторую и третью группы используют в качестве электроизоляционных и оптических стекол. У них высокие значения ε и ρ и малые tgδ.

Кроме стеклообразующих окислов, в состав стекол для улучшения тех или иных технологических или эксплуатационных свойств вводят также окислы-модификаторы. Введение окислов щелочных металлов Na₂O и К₂О сильно снижает вязкость и температуру размягчения Т_р стекла (например, у кварцевого стекла Т_р ≈1740°С, а у щелочного свинцово-алюмосиликатного Т_р ≈580°С). Снижение Т_р и вязкости расплава существенно улучшает условия труда, уменьшает энергетические затраты и в целом снижает стоимость изделий. Однако при этом резко ухудшаются электрические свойства – на несколько десятичных порядков снижается удельное сопротивление, существенно возрастают диэлектрические потери, снижается электрическая прочность. Т_р стекол также снижается при введении окислов щелочноземельных металлов (MgO, CaO, ВаО) и окиси свинца РbО.

Отрицательное действие Na₂O и К₂О на электрические свойства (ρ и tgδ) стекол, в известной мере, нейтрализуется введением окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО). Эти окислы повышают также значения ε стекла (при содержании РbО до 80% ε доходит до 16) и понижают tgδ до 10^–4. Введение TiO₂ также нейтрализует вредное влияние Na₂O и К₂О и приводит к значительному повышению ρ.

Для улучшения тех или иных свойств стекол в них вводят и многие другие окислы. Например, MgO повышает химическую стойкость, ZnO – прочность на разрыв, А1₂О₃ – химическую стойкость и стойкость к резким колебаниям температуры (термоударам).

Силикатные стекла неустойчивы к парам щелочных металлов. Более высокой стойкостью к этим парам обладают фосфатные и особенно боратные стекла с содержанием SiO₂ менее 30% и повышенным содержанием А1₂О₃ и окислов щелочноземельных металлов (СаО, ВаО). Стекла силикатно-боратные, содержащие окислы щелочноземельных металлов, а также А1₂О₃, являются стойкими к действию паров ртути.

Некоторые окислы окрашивают стекла в тот или иной цвет. Например, окись кобальта СоО окрашивает стекла в синий цвет, окись меди СuО – в голубой, окись хрома Сr₂О₃ – в зеленый, окись марганца МnО₂ – в фиолетовый или коричневый. Стеклами, прозрачными для УФ-лучей, являются кварцевое стекло и стекла на основе В₂О₃ и Р₂О₅ с содержанием Fe₂O₃ менее 0,02%.

4.10.1. Электрические свойства

Свойства электротехнических стекол в значительной мере определяются количественным содержанием в них окислов щелочных металлов (Na₂O, K₂O), тяжелых металлов (РbО, ВаО) и ряда других окислов, а также наличием пор, капель другой фазы. В зависимости от химического состава электрические характеристики стекол колеблются в широких пределах: ε=3,8–16,2; ρ=10⁶–10¹⁵ Ом·м; tgδ=(2–100)·10^–4 (при 20°С). У кварцевого стекла e=3,8; ρ=10¹⁵ Ом·м; tgδ=2·10^–4. Электропроводность стекол обусловлена главным образом ионами щелочных металлов (Li⁺, Na⁺, К⁺), а в некоторых случаях – ионами щелочноземельных металлов (Mg⁺⁺), а также анионами (F^–, ОН^–). Поверхностная электропроводность стекол обусловлена сконденсировавшейся на их поверхности водяной пленкой и переходом в нее (выщелачиванием) прежде всего катионов щелочных металлов. С увеличением влажности воздуха и температуры возрастает количество сконденсировавшейся из воздуха влаги, ее степень диссоциации, усиливается процесс выщелачивания ионов. В результате всего удельное поверхностное сопротивление ρ_s и пробойное напряжение U_p снижаются.

Электрическая и механическая прочность стекол зависят от дефектности структуры и, в первую очередь, от числа и размеров пор. В неоднородном поле пробой носит преимущественно тепловой характер и Е_пр имеет величину, примерно равную 40 кВ/мм. В однородном поле у образцов, переплавленных в вакууме, меньше пор, поэтому Е_пр может достигать 500 кВ/мм.

4.10.2. Тепловые свойства

Из тепловых свойств электротехнических стекол большое значение имеют: Т_р(особенно при переработке стекла в изделия), которая от химического состава колеблется в пределах от 1740°С (кварц) до 300°С (щелочное боратное стекло), и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), значение которого находится в пределах (5,5–150)·10^–7, К^–1. ТКЛР является важной характеристикой, так как определяет стойкость стекол к резким изменениям температуры. Чем меньше ТКЛР, тем более стойко стекло к термоударам. Эта характеристика очень важна при спайке стекол с металлами и другими материалами. При спайке стекла с металлом для хорошей герметизации и высокой надежности спая, особенно к термоударам, необходимо, чтобы ТКЛР стекла и металла были примерно одинаковыми. Названия стекол: вольфрамовое, молибденовое, титановое, платинитовое и т.д. – указывают, что ТКЛР данного стекла близок к значению ТКЛР соответствующего металла.

4.10.3. Классификация стекол

Производится следующим образом: например, С38-1, где С – стекло; 38 – среднее значение ТКЛР в интервале температуры от 20 до 300°С, умноженное на 10^–7; 1,2 и т.д. – порядковый номер разработки. Рассмотрим некоторые марки стекол:

С5-1 – кварцевое стекло, образует вакуумно-плотный спай с молибденом;

С37...С40 – вольфрамовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с вольфрамом и сплавом Н30К13Д (Ni–30%, Со–13%, Сu–1%, остальное Fe);

С47...С52 – молибденовые стекла. Ониобразуют вакуумно-плотные спаи с молибденом и сплавом ковар Н29К18 (Ni–29%, Со–18%, остальное Fe);

С66-2 и С72-4 – титановые стекла.Они образуют вакуумно-плотные спаи с титаном;

С87...С90 – платинитовые стекла.Они образуют вакуумно-плотные спаи с платинитом (сплав Н43: Ni–43%, Fe–57%) в виде стержней, покрытых медной оболочкой, и феррохромникелевыми сплавами;

С93...С95 – платинитовые стекла. Ониобразуют вакуумно-плотные спаи со сплавом Н47ХР (Ni–47%, Сr–1%, В–1%, остальное Fe);

Стекло №1 Львовского завода образует вакуумно-плотный спай со сплавом Н47ХР.

4.10.4. Типы стекол

В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических стекол.

Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов. При этом необходимо выполнить одно из важных требований – значения ТКЛР у спаиваемых друг с другом стекла и металла должны быть примерно равными.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станционных – опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко используют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и германиевых транзисторах и др. Некоторые марки этого вида стекла, например боросиликатные (С37-1, С37-2, С38-1, С39-1) и алюмосиликатные (С39-2, С41-1, С48-3) используют для изготовления сплошных изоляционных подложек интегральных микросхем. Стекла марок С89-1, С88-3, С48-2, С38-1 и другие применяют для изготовления стеклянной изоляции литых микропроводов диаметром 5–200 мкм и толщиной изоляции 1–35 мкм.

Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения E_пр и ε, а у стекол для высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tgδ.

Стеклоэмали – это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых резисторов представляет собой борно-свинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РbО – 27%, Н₃ВО₃ – 70%, МnО₂ – 3%; T_р ≈ 600°С. Для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок.

Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, нагретого до определенной температуры, посыпают порошком стеклоэмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1–0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно наносить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химической стойкостью и большей (на 20–25%) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4–7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах. Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики – световодов, которые в настоящее время широко используются в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложенных в пучки световедущих волокон диаметром 20–30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5–6 мм Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким образом, чтобы коэффициент преломления света n₁ сердцевины был больше коэффициента преломления света n₂оболочки (n₁>n₂).Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов (ТФ), баритовых флинтов (БФ) и сверхтяжелых кронов (СТК), а для изготовления оболочек – стекла типа крона (К) или легкого крона (ЛК). Стекла указанных типов изготавливают на основе чистого кварца.

Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина–оболочка и выходит из противоположного торца. Качество световода (потери световой энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на всех этапах его производства.

4.10.5 Ситаллы

Ситаллы – это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30–95%, а размер кристаллитов 0,01–2 мкм. Усадка при кристаллизации достигает 2%. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».

При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500–700°С) происходит образование центров кристаллизации, на второй (при 900–1100°С) – кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют TiO₂, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.

Особую область применения имеют фотоситалл. Если подвергнуть заготовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через трафарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облученная часть поверхности. Эта закристаллизованная часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и протравить кислотой и т.д., до тех пор, пока изделие не примет нужную форму

Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у стекол того же состава, а по сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая E_пр. ТКЛР=(1–120)·10^–7 К^–1, T_р =900–1300°С, ε=5–7, ρ=10¹⁰–10¹² Ом·м; tgδ=(1–80)·10^–3; Е_пр= 20–80 кВ/мм; интервал рабочей температуры от минус 50 до плюс 700°С.

Ситаллы классифицируют следующим образом: СТ-50-2, где СТ–ситалл, 50–ТКЛР=50·10^–7, 2 – номер разработки.

Ситаллы марки СТ-38-1 используют в СВЧ-приборах в качестве подложек аттенюаторов, опор для крепления разрядников; марки СТ-50-2 – для изготовления стержней электровакуумных ламп; марки СТ-50-1 – для изготовления подложек тонкопленочных и гибридных интегральных схем.

4.11. Керамические диэлектрики

Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала – «керамикос» (от греч. – глиняный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости.

Керамические материалы обладают свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферромагнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керамика, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза – это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза – это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2–6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) – 15–25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров.

По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и неплотной упаковкой решетки ионами, что определяет виды поляризации и диэлектрических потерь керамики.

Электрические свойства керамики формируются всеми тремя фазами. При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном с процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность – в амфорной фазе, диэлектрические потери – как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен. Кристаллическая фаза влияет также на значение ТКЛР, амфорная фаза – на температуру спекания керамической массы.

Процесс производства керамических изделий проходит в три основных этапа:

1) приготовление керамической массы путем очистки от примесей ее составных компонентов, тщательного их измельчения и перемешивания с водой в однородную массу;

2) формирование изделия заданной конфигурации и размеров методом формования, прессования, выдавливания, пластического штампования или литья (если масса в виде сухого порошка – его прессованием);

3) сушка, глазурирование и обжиг.

Глазурь представляет собой стекловидную массу, состоящую из 66–72,2% SiO₂, 11,7–17,2% А1₂О₃, остальное – окислы щелочных и щелочноземельных металлов. Температура ее размягчения должна быть ниже температуры обжига. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает изделие тонким (0,1–0,3 мм) плотным блестящим стекловидным слоем. Глазурь не только улучшает внешний вид изделия и придает ему желаемую окраску, но также защищает его от загрязнения, проникновения внутрь влаги. Заполняя трещины и другие поверхностные дефекты, глазурь повышает механическую прочность изделия на 15–20%. В радиотехнической и электронной промышленности для глазурирования применяют различные эмали с Т_р =560–570°С.

Обжиг – ответственная и самая дорогая операция. При высокой температуре (примерно 1300–1400°С) в результате сложных химических и физико-химических процессов, протекающих между составными частями керамической массы, и получается керамика. При обжиге происходит усадка – значительное (до 20%) уменьшение размеров изготавливаемого изделия.

4.11.1. Низкочастотная установочная керамика

Применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных (с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока) изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также для изготовления различных установочных деталей, используемых в цепях низкой частоты: плавкие предохранители, ламповые патроны, детали штепсельных розеток, вилок. В отличие от других видов керамики обладает более низкими электрическими имеханическими свойствами, но имеет преимущество: из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Основным представителем низкочастотной установочной керамики является электротехнический фарфор. В состав обычного электрофарфора входят: глины ~50% (каолин – очень чистая высококачественная светлая глина и огнеупорная глина), кварц SiO₂ (~25%) и полевой шпат (~25%), представляющий собой безводные алюмосиликаты, содержащие катионы щелочных (Na⁺,K⁺) и щелочноземельных (Са²⁺) металлов. Полевой шпат является главным поставщиком окислов Na,К,Fe,Mg,Ca. Na₂O снижает температуру обжига и вязкость стеклофазы фарфора, но существенно ухудшает его электрические свойства.

Кристаллическая структура электрофарфора состоит из муллита 3Al₂O₃·2SiO₂ с неплотной упаковкой решетки ионами и кварца SiO₂ – с плотной упаковкой решетки ионами. В промежутке между кристаллитами находится стекловидная масса, образованная главным образом в результате плавления полевого шпата. Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO₂, 25% А1₂О₃ и 5% других окислов (К₂О, Na₂O, CaO, Fe₂O₃).

Электрофарфор имеет плотность 2300–2500 кг/м³,
ТКЛР=(3–6)·10^–6 К^-1, σ _с =400–500 МПа, σ _р =35–55 МПа, σ _н =80–100 МПа, σ _уд =1,8–2,2 кДж/м². Электрические свойства при нормальной температуре и низких частотах удовлетворительны: ε=5–7; ρ≈10¹¹–10¹² Ом·м (при 20°С) и ρ≈10⁷–10⁸ Ом·м (при 100°C); tgδ≈(25–35)·10^–3 (при 20°С) и tgδ≈0,12–0,15 (при 100^°C); E_пр =25–30 кВ/мм. Изменяя состав фарфора, можно улучшать его основные параметры. В настоящее время широко распространен электрофарфор с повышенным содержанием кварца и глинозема (А1₂О₃).

С повышением температуры электрические свойства электрофарфора существенно ухудшаются, главным образом за счет стеклофазы. Электрические и механические свойства также значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения при температуре 100°С и выше. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших 20–30 лет, наблюдаются потускнение глазури и краев шапки, т.е. в местах, наиболее подверженных действию короны, и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамике относится также высоковольтная стеатитовая керамика (марки ТК-21, СПК-2), изготовленная на основе минерала талька 3MgO·4SiO₂H₂O (70–85%), глинистых веществ (до 10%) и окиси бария ВаО (до 15%). Основными кристаллическими структурами этой керамики являются клиноэн-статит MgOSiO₂ и муллит 3Al₂O₃·2SiO₂. Тальк практически не содержит вредных примесей в виде окислов щелочных металлов и железа. Однако глины обычно содержат большое количество Na₂O, K₂O и Fe₂O₃, которые ухудшают электрические свойства стеатитовой керамики. Поэтому содержание глин ограничивается несколькими процентами.

Высоковольтная стеатитовая керамика в сравнении с электротехническим фарфором имеет повышенные механические и электрические свойства: σ_с=500–700 МПа, σ_р=45–60–МПа, σ_и=100–160 МПа, σ_ст=2,2–2,6 кДж/м², ε=5–7,5; ρ=10¹² Ом·м (20°С) и ρ¹⁰ Ом·м (100°С); tgδ=0,002–0,003, Е_пр=25–30 кВ/мм, ТКЛР=(3–8)·10^–6 К^–1. Поэтому она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов. Технология изготовления изделий из стеатитовой керамики сложнее и требует более высокой температуры обжига, чем из электрофарфора. Однако усадка этих изделий меньше.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов относится термо- и дугостойкая керамика, имеющая очень низкие значения ТКЛР и способная многократно выдерживать большие термоудары. Эта керамика используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, дугогасительных камер, высоковольтных выключателей, пирометрических защитных трубок. Термо- и дугостойкой керамикой являются плотные и пористые материалы на основе алюмосиликата магния (кордиерита 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) – кордиеритовая керамика. В кордиеритовой керамике, кроме кордиерита (до 60%), содержатся кристаллы муллита 3Al₂O₃·2SiO₂, клиноэн-статита MgOSiO₂, корунда А1₂О₃ и небольшое количество стекла. Его ТКЛР=(0,5–2)·10^–6 К^–1, r=10¹² Ом·м (при 20°С), Е_пр =10–20 кВ/мм.

4.11.2. Низкочастотная конденсаторная керамика

Она характеризуется высокими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (ε=900–9800), относительно большими диэлектрическими потерями (tgδ=2·10^–3–5·10^–2) и небольшими значениями электрической прочности (Е_пр=4–15 кВ/мм). Применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (f≤10 кГц) и конденсаторов, используемых в цепях постоянного тока, а также разделительных и блокировочных конденсаторов.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и марганца. Основу керамики марок Т-900, М-900 и Т-1000 составляют титанаты стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄Ti₃O₂.

4.11.3. Высокочастотная установочная керамика

Представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в радиоэлектронике, и охватывает ряд керамических материалов с повышенными электрическими и механическими свойствами. Используют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих механическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирующих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами. Некоторые виды этой керамики применяют при изготовлении конденсаторов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое электрическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и частоты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойства в зависимости от химического состава имеют следующие значения: ε=5–9,8, ρ=10¹⁴–10¹⁷ Ом·м, tgδ=(1–20)·10^–4 при 1 МГц; Е_пр =20–45 кВ/мм.

К этой группе относятся следующие материалы:

Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелкозернистого клиноэнстатита MgOSiO₂, амфорная фаза – из бесщелочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой механической прочностью (σ_с до 800 МПа, σ_р до 75 МПа, σ_и до 200 МПа, σ_уд до 4 кДж/м²) и высоким электрическим сопротивлением (ρ=10¹⁴–10¹⁷ Ом·м). Используется для изготовления проходных изоляторов, подложек, изолирующих колец, опорных плит. Наиболее широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.

Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgOSiO₂. Характерной ее особенностью являются: низкие диэлектрические потери (tgδ=(1–2)·10^–4), высокое электрическое сопротивление (ρ=10¹⁴–10¹⁵ Ом·м) при нормальной и высокой температуре, повышенные значения ТКЛР ((8–10,6)·10^–6 К^–1).

Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных металлокерамических спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58, ЛФ-11, КВФ-4.

Шпинельно-форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза содержит кристаллы шпинеля MgOAl₂O₃ и форстерита 2MgOSiO₂. Характеризуется высокими электроизоляционными и механическими свойствами и малыми значениями tgδ. Применяют для получения согласованных металлокерамических вакуумно плотных спаев. В радиотехнике применяют марку Ш-15.

Цельзиановая керамика. Кристаллическую фазу образует цельзиан BaOAl₂O₃·2SiO₂. Керамика характеризуется малыми значениями tgd (при нормальной и повышенной температуре), ТКЕ и ТКЛР и высокими значениями ρ и Е_{п р} . Электропроводность преимущественно электронная; ионная составляющая появляется лишь при температурах выше 600°С. Используют ее (из-за малых значений ТКЛР) для изготовления каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью.

Виллемитовая керамика. Кристаллическую фазу образует виллемит 2ZnOSiO₂. Этот вид керамики используют для изготовления высокочастотных установочных деталей.

Глиноземистая керамика (глинозем – безводный оксид алюминия А1₂О₃). В зависимости от содержания оксида алюминия А1₂О₃ в глиноземистой керамике ее называют: глиноземистым фарфором, ультрафарфором, корундовой керамикой и т.д. Отличается от других видов керамики наибольшей механической прочностью, твердостью, химической стойкостью, повышенной стойкостью к термоударам, а также хорошими электроизоляционными свойствами.

Широкое применение в электро- и радиотехнике нашли ультрафарфор марки УФ-46, корундовая керамика марки КМ-1, из которых изготавливают крупногабаритные и механически прочные изоляторы, корпуса мощных предохранителей. Ультрафарфор марок УФ-53, УФ-61 используют для вакуумно-плотных спаев с металлами, для изготовления плат и подложек.

4.11.4. Корундовая высокоглиноземистая керамика

Представляет особый интерес. Корунд (α-А1₂О₃) – одна из кристаллических модификаций оксида алюминия (алюминоксида) А1₂О₃, обладающая высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами. Готовые изделия из этого материала содержат до 95–99,7% кристаллического корунда α-А1₂О₃, остальное – стеклофаза, располагающаяся в виде тонких прослоек, соединяющих кристаллиты α-А1₂О₃. Содержание пор в этой керамике минимальное (~1%), их присутствие отрицательно влияет на свойства материала.

Разработана беспористая оптически проз