Виды керамики, применяемые в РЭА.

В зависимости от частотного диапазона установочная керамика (рис.3.23) делится на низкочастотную (изоляторный фарфор с tgδ=10^-2), занимающую промежуточное положение по частоте (радиофарфор) и высокочастотную (ультрафарфор, относящийся к группе материалов с высоким содержанием глинозема – оксида алюминия Al₂O₃ более 80%)), параметры которых приведены в табл.3.13.

В радиоэлектронике, особенно в технике СВЧ, большое распространение получила высокоглиноземистая керамика с содержанием Аl₂O₃ больше 94%. Выпускается много типов этой керамики, из них наибольшее применение в микроэлектронике и технике СВЧ нашли два: керамика ВК-94-1 (старое обозначение 22ХС) и поликор. Вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 содержит более 94% Аl₂0₃ и отличается высокой механической прочностью, нагревостойкостью и химической стабильностью. Керамика ВК-94-1 – основной материал корпусов ИС и полупроводниковых приборов, а также подложек толстопленочных ГИС.

Таблица 3.13. Параметры некоторых керамических материалов.

Еще более высокими диэлектрическими параметрами, необходимыми в СВЧ-технике, обладает керамика, содержащая более 99,5% Аl₂О₃ – поликор (поликристаллический корунд), который в отличие от обычной корундовой керамики обладает прозрачностью. Поликор спекают при очень высокой температуре (1900°С), поэтому он сравнительно дорог и дефицитен. Благодаря крупнокристаллическому строению поликор по своим свойствам близок к сапфиру – монокристаллическому оксиду Al₂O₃. Сапфир является одним из лучших диэлектриков современной техники (tgδ=10^-4 на частоте 1МГц), его применяют, в частности, в качестве подложек КНС (кремний на сапфире), для производства ИС СВЧ методами чип-технологии.

Стеатитовую керамику получают на основе природного материала – талька, который отличается высокой пластичностью. Ее достоинствами являются малая абразивность и небольшая усадка при обжиге, что позволяет изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатит применяют, например, в качестве изолирующих ко­лец, деталей корпусов полупроводниковых приборов.

Замечательными свойствами обладает керамика на основе оксида бериллия – брокерит. Наиболее яркая особенность брокерита – очень высокая теплопроводность, что делает его предпочтительным в ка­честве подложек мощных ВЧ и СВЧ ГИС, а также дискретных транзисторов илавинно-пролетных диодов. Брокерит – почти идеальный диэлектрик для изготовления корпусов ИС. Из него выпускают также подложки диаметром до 76мм, толщиной более 250мкм.

Конденсаторная керамика (рис.3.23) используется для производства НЧ и ВЧ конденсаторов низкого и высокого напряжения. Желательно, чтобы все конденсаторные материалы имели как можно меньшее значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТКε.

Низкочастотная конденсаторная керамика изготавливается на основе титаната бария BaTiO и твердых растворов с сегнетоэлектрическими свойствами. Благодаря присущей сегнетоэлектрикам спонтанной поляризации конденсаторная сегнетокерамика обладает высокой диэлектрической проницаемостью (e_r=900–8000), которая, однако, температурно нестабильна и зависит также от частоты и напряженности электрического поля. Причины нестабильности сегнетоэлектриков – низкая точка Кюри и сильное изменение e вблизи нее. Для сегнетокерамики значение tgδ=0,002÷0,025 на частоте 1кГц.

Специальным материалом для ВЧ конденсаторов является высокочастотная керамика – "титановые" керамические диэлектрики (тиконды) на основе рутила TiO₂, перовскита CaTiO_3, титаната стронция SrTiO₃. Для конденсаторной рутиловой керамики характерны следующие параметры: e_r=30÷240, tgδ=(5÷8)·10^-4 на частоте 50МГц, Е_ПР=8÷10МВ/м. Они имеют в отличие от других ионных диэлектриков отрицательный ТКe. И высокое значение e_r, и ее падение с ростом температуры объясняется тем, что в рутиле необычно сильно для ионных кристаллов проявляется электронная поляризация. Чем выше в керамике содержание TiO₂, тем больше значения e и ТКe (по абсолютной величине).

Сегнетоэлектрики служат основой пьезокерамики (рис.3.23), которую используют для изготовления пьезоэлементов. При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрик имеет области с различными направлениями спонтанной поляризации – домены. В постоянном электрическом поле некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. После снятия внешнего ноля большая часть доменов удерживается в новом положении из-за внутреннего поля. Благодаря этому керамика становится полярной и обладает пьезо-эффектом. Процесс ориентирования доменной структуры сегнетоэлектриков в одном преимущественном направлении называется процессом поляризации.

Промышленностью выпускаются многие нормализованные марки пьезокерамики, причем наибольшее распространение получили материалы на основе титаната бария (ТВ) и цирконаты-титанаты свинца (ЦТС), более устойчивые к старению. Используются и их смеси, а также керамика из оксидов ниобия – ниобат бария и свинца (НБС), отличающиеся высокой стабильностью в большом диапазоне температур.

КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО

Кварцевое стекло (плавленый кварц), практически чистая двуокись кремния SiO₂, имеет наименьшую величину ТКЛР из всех известных материалов. Температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла α_l=5·10^-71/град при температуре 100⁰С. Для сравнения: у конструкционных сталей α_l=110·10^-71/град при температуре 20…100⁰С. Важнейшим свойством кварцевого стекла является высокая термостойкость, т.е. способность стекла выдерживать резкие многократные изменения температуры, разность значений которых может доходить до 800…1000⁰С. Высокая термостойкость связана с малым ТКЛР кварцевого стекла.

Кварцевое стекло обладает значительной твердостью, она в 2–3 раза меньше, чем у алмаза, небольшой плотностью, которая составляет (2,2...2,21)·10⁴Н/м³. Чистый и сухой плавленый кварц является одним из лучших изоляционных материалов. Удельное сопротивление его равно 1·10¹⁶Ом·м при температуре 20⁰С.

По упругим характеристикам ни один материал не может конкурировать с кварцевым стеклом. Так, коэффициент термического гистерезиса плавленого кварца меньше, чем любого другого известного материала. Если кварцевый стержень длиной l нагреть с температуры Т₁ до температуры Т₂ и дать ему охладиться до первоначальной температуры, то где Δl – остаточная разница длины, которая является мерой термического гистерезиса и может составлять (-1…–5)·10^-91/град, т.е. стержень сжимается при охлаждении больше, чем расширяется при нагревании. Для сравнения: тот же коэффициент у прецизионного сплава инвара - 1·10^-71/град. Это свойство делает кварцевое стекло особенно ценным, когда необходимо сохранить размеры деталей приборов при изменении температуры окружающей среды.

Модули упругости первого и второго рода заметно возрастают с уменьшением сечения кварцевых нитей. Так, уменьшение диаметра кварцевой нити с 2·10^-5 до 1·10^-5м приводит к изменению модуля упругости второго рода с 7,6·10¹⁰ до 8,5·10¹⁰Н/м². Относительное удлинение кварцевых нитей в 2–5 раз больше, чем для лучших никель-ванадиевых сталей [6].

Следует отметить еще одно важное свойство плавленого кварца, повышающее его ценность, – это малое значение внутреннего трения. Для сравнения: коэффициент внутреннего трения вольфрама приблизительно в 1·10⁴ раза больше, чем кварца. Если изготовить крутильный маятник с использованием кварцевой нити с периодом в 2с, то за 24ч в вакууме он потеряет всего около 10% своей амплитуды.

Как показал анализ струнных преобразователей, эффективность их тем выше, чем меньше отношение плотности материала ρ к модулю упругости Е материала струны. В сравнении с наилучшими материалами (МР50ВП) для кварцевого стекла это соотношение меньше почти на 20%.

Достоинства кварцевого стекла, далеко не полный перечень которых приведен выше, вызывают большой интерес конструкторов, делая его незаменимым конструкционным материалом в различных областях науки и техники. Этот материал широко используется в химической промышленности для изготовления трубопроводов, различных емкостей, химико-лабораторной посуды. Кварцевое стекло используется для изготовления оптических деталей в виде линз, призм и зеркал, применяемых в схемах, работающих при высоких температурах, когда незначительное изменение размеров за счет теплового расширения материала может привести к искажению оптической оси. Кварцевое стекло находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, в производстве волоконно-оптических устройств [5]. Огромный опыт использования кварцевого стекла накоплен в гравиметрии. Известны работы по изготовлению упругих ЧЭ из кварцевого стекла в приборостроении. Такие ЧЭ обладают высокой временной стабильностью и вибропрочностью [2, 4]. Кварцевое стекло все шире используется для изготовления ЧЭ приборов систем навигации и ориентации летательных аппаратов. Оно находит применение при изготовлении ЧЭ акселерометров. Исследования, выполненные рядом авторов, в том числе и наши исследования [2, 4], подтверждают возможность создания ЧЭ датчиков струнных преобразователей на основе кварцевого стекла с высокими метрологическими характеристиками. Определенный опыт работы с кварцевым стеклом накоплен в радиоэлектронной и микроэлектронной промышленности. Это, как правило, газопламенная размерная обработка для изготовления деталей различного назначения. Исходным материалом для получения изделий чаще всего являются стержни, трубы, штабики, изготавливаемые в соответствии с техническими условиями и стандартами. Газопламенной обработкой удается получать простые и сложные детали, которые затем свариваются в сложные изделия. Так, газопламенной обработкой удается вытягивать струны диаметром до 0,005мм. Для обеспечения их электропроводности используется технология напыления металла в вакууме. При этом толщина металлической пленки может составлять менее 1мкм. Наши исследования показали, что струны диаметром менее 0,01мм обладают большей температурной зависимостью из-за возрастающего влияния металлизирующего слоя, который призван обеспечить их электропроводность для возбуждения в них поперечных колебаний магнитоэлектрическим способом.

В подавляющем большинстве разрабатываемых струнных преобразователей используются традиционные материалы, а для струн применяются углеродистая сталь, вольфрам, элинвар, оловянно-цинковая и бериллиевая бронзы. Для традиционных материалов характерны существенные погрешности упругого последействия, гистерезиса, температурной нестабильности. Для струнных преобразователей, изготавливаемых из традиционных материалов, до сих пор не решена проблема крепления струн. Для обеспечения требований точности и стабильности струнных датчиков необходимо выполнить до 18 пунктов требований к узлам крепления струн в них. Использование плавленого кварца для изготовления струнных преобразователей снимает эти проблемы.

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ

К прецизионным сплавам обычно относят материалы с особыми свойствами теплового расширения и упругости, немагнитные, коррозионностойкие и теплостойкие, термобиметаллы и другие.

В приборостроении часто требуются сплавы с минимальным коэффициентом теплового расширения в интервалах температур –60…+100ºС. Их используют для изготовления высокоточных приборов, устройств, требующих как можно меньшей зависимости от температуры окружающей среды. К таким материалам относятся: сплав 36Н (инвар), который состоит из 35…37% никеля, остальное – железо; сплав 32НКД – 31,5…33% никеля, 3,2…4,2% углерода, 0,6…0,8% меди, остальное – железо; сплав 29НК (Н29К18) (ковар) – 28,5…29,5% никеля, 17…18% углерода, остальное – железо. Существует и ряд других сплавов с заданными коэффициентами теплового расширения [12]. Физико-механические свойства перечисленных сплавов приведены в табл. 4.1 [13].

Таблица 4.1

Описанные сплавы применяются для деталей высокоточных измерительных и контрольных приборов, для деталей приборов, работающих при повышенных механических нагрузках и требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур. Сплавы 39Н и 36НХ используются для изготовления деталей приборов, работающих при низких температурах. Сплав 29НК рекомендуется для получения вакуумноплотных спаев элементов приборов со стеклами С49-1, С49-2, С48-1 (ЗС-8), С47-1. Этот сплав широко применяется для получения вакуумноплотных спаев в авиационных приборах, например, в датчиках угловых скоростей для получения гермовыводов в крышках. Сплав 42Н рекомендуется для спаев с керамикой, для деталей, подвергаемых серебрению, для изготовления термобиметалла.

Ряд сплавов: 42НХТЮ (Н41ХТ), 44НХТЮ (Н43ХТ), 97НЛ (ЭИ996), 36НХТЮМ8, 10КНХМВ, 36НХТЮ (Н36НХТЮ, ЭИ702, ЭИ702С), 36НХТЮМ – рекомендуются для изготовления упругих ЧЭ приборов и пружин, работающих при повышенных температурах и в агрессивных средах. Сплавы 42НХТЮ, 44НХТЮ отличаются малым температурным коэффициентом модуля упругости, а 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 относятся к немагнитным коррозионностойким сплавам с высокими упругими свойствами. Сплавы 10КНХМВ, 97НЛ (ЭИ996) рекомендуются для изготовления токоведущих и силовых упругих элементов, растяжек и подвесов электроизмерительных приборов. Растяжки можно выполнять также из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3, бериллиевой бронзы БрБ2, платиново-серебряного сплава ПлСр-20 и кобальт-никель-хромового сплава К40НХМВ [12].

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: