Кераміка як один із елементів електроніки

У випадку під керамікою прийнято розуміти неорганічні неметалеві матеріали, одержувані з допомогою спікання при високих температурах.

Кераміку називають ще «третім промисловим матеріалом», оскільки вона широко використовується разом з металами та полімерами та оточує нас усюди в житті.

Ми звикли до того, що при слові «електроніка» відразу згадуються струмопровідні матеріали, проте значну частину в електроніці займають і ізолюючі матеріали, найважливішим із яких є кераміка.

▍ Керамічні сегнетоелектрики

Ми звикли до того, що сама назва «діелектрик», яким, безсумнівно, є і кераміка, є об'єктом, що не пропускає електричний струм, проте це не зовсім вірно, оскільки відомо, що якщо взяти ті ж біполярні керамічні конденсатори , то змінний електричний струм через них таки проходить, - це пов'язано з тим, що при виготовленні конденсаторів використовують так звані «активні діелектрики», в якості яких можуть застосовуватися сегнетоелектричні матеріали, одним з яких виступає титанат барію.

Якщо діелектрик такого типу розмістити між електродами та подати на них постійну напругу, то короткочасно спостерігатиметься протікання електричного струму, який пов'язаний з утворенням диполів та подальшим врівноваженням їх зарядів.

Тут мають на увазі, що може спокою, в атомі є позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони.Якщо виникає зовнішнє прикладене електричне поле, то центри ядра та електронної хмари перестануть збігатися і дещо зміщуються відносно один одного, переміщаючись на невелику відстань, при цьому виникає структура, схожа на нуль: 0 де один кінець нуля, наприклад, нижній, заряджений позитивно, а інший кінець нуля, наприклад, верхній, заряджений негативно; при цьому, як відомо, заряди з різним знаком притягуються, тому ядро ​​зміщується у напрямку негативно зарядженої пластини, а електронна хмара - у напрямку позитивно зарядженої пластини.

Сегнетоелектричні матеріали використовуються, зокрема, при виробництві конденсаторів, що дозволяє робити їх компактнішими і ємнішими, ніж конденсатори з постійних діелектриків.

Конденсатори в процесі своєї роботи піддаються навантаженням високою температурою та знакозмінною напругою, що може призводити до виникнення та посилення дефектів, причини яких можуть бути різноманітними, проте відомо, що одними з основних можуть бути процеси початкового складання суміші (шихти), а також наявність макродомішок.

Відомо, що для забезпечення високої якості керамічних конденсаторів, наприклад, в Японії, раніше була прийнята методика витримування їх при температурі порядку 85°C і подачі на них напруги, що вдвічі перевищує номінальну, протягом періоду від 250 до 1000 годин.

Звичайна технологія виробництва кераміки на основі титанату барію полягає в спіканні суміші з карбонату барію ( ) та двоокису титану ( ) при високій температурі близько 1300-1400°С.

Карбонат барію являє собою токсичний білий порошок, одержуваний в основному з мінералу вітриту, шляхом його спікання при температурі порядку 800°C разом з антрацитом, після чого сульфід барію, що виходить, вимивається водою, а вуглекислий барій, що випадає в осад, збирають, висушують, фільтрують, і отримують у результаті готовий товар.

Двоокис титану являє собою білий порошок, що володіє набагато більшою здатністю, що криє, ніж багато білі фарби. Виходить вона, в основному, з мінералів анатазу, брукіту, рутила і для її отримання можуть бути застосовані різні способи, основним з яких є сірчанокислотний.

І пара відео на цю тему:

▍ Керамічні п'єзоелектрики

Крім сегнетоелектриків, відомі також і матеріали, що володіють властивістю подібної поляризації під впливом зовнішньої прикладеної деформуючої сили - такі матеріали називають п'єзоелектриками, - для цих цілей може бути використана кераміка на основі твердого розчину цирконату свинцю ( ) і титанату свинцю ( ) ЦТС» який відрізняється перевагою параметрів порівняно з титанатом барію майже вдвічі, а також стабільними показниками в широкому діапазоні температур (аж до точки Кюрі, близько 300°С), завдяки чому вироби з такого розчину можуть бути використані в багатьох застосуваннях, одним з яких є виготовлення п'єзоелементів для широко відомих запальничок, де використовується стовпчик з такої кераміки, висотою приблизно 20 мм, який при фізичному ударі по ньому генерує високу напругу близько 20 кВ, що використовується для створення електричної іскри.

П'єзоелектрики на основі кераміки ЦТС можуть містити спеціальні добавки, які служать для збільшення діелектричної проникності при кімнатній температурі (правда це паралельно призводить до зниження точки Кюрі, нижче звичайних близько 300°С).

І гарне відео за двома розглянутими вище варіантами кераміки:

▍ Керамічна ізоляція

Однак, незважаючи на все вищесказане, кераміка може використовуватися і як власне діелектрик, тобто ізолюючий матеріал. До таких матеріалів, як правило, висуваються вимоги щодо низької діелектричної проникності, великого питомого опору, високої міцності. Серед таких матеріалів цілком успішно може використовуватися стеатитова, форстеритова та глиноземна кераміка.

Під стеатитовою керамікою розуміється кераміка, у якої основою виробництва служить тальк. Кристали стеатиту володіють шаруватою структурою і це призводить до того, що навіть при розмелюванні цих кристалів в порошок, він виглядає під мікроскопом як лускатий і лусочки ковзають відносно один одного, тому при створенні такої кераміки приділяють підвищену увагу добору сполучного.

• низьким коефіцієнтом втрат при високих частотах (випробовувалася на частоті 1 МГц);
• високим питомим опором, що незначно падає з підвищенням температури (при 20°C і Ом*м при 300°C);
• механічно стійка до дії високих температур та кислот. Крім того, завдяки своїй механічній міцності (140-160 МПа на вигин) допускає виготовлення мініатюрних виробів із точними розмірами.

Вище також згадувалося форстеритова кераміка , В якості основи для якої виступає ортосилікат магнію.Матеріал також відрізняється низькими діелектричними втратами, хорошими високочастотними характеристиками, а також високим опором навіть за високих температур (при 20°C Ом*м при 300°C); гладка поверхня такої кераміки, що виходить, дає можливість використовувати її для тонкоплівкових мікросхем, а також завдяки меншій кількості включень лужних елементів, така кераміка служить відмінною підкладкою для тонкоплівкових резисторів, що дозволяє отримувати з її допомогою резистори з відмінними характеристиками.

Механічна міцність такої кераміки також досить велика (150-160 МПа на вигин). Така кераміка може бути виготовлення не тільки резисторів, а й мікросхем, транзисторів, діодів, клем.

Крім перерахованих, існує ще й названа вище глиноземна кераміка яка виготовляється спіканням порошку глинозему і відома також під іншою назвою як «корундова кераміка». Якщо в таку кераміку не вводити спеціальні присадки, що дозволяють знизити температуру спікання, що становить зазвичай 1800 ° C, то при цій температурі вона переходить у корунд (від чого і отримала свою назву); додавання ж присадок суміш (глина, кремнезем) дозволяє знизити температуру спікання до приблизно 1600°C.

Вона відрізняється дещо меншою діелектричною проникністю при високих частотах, ніж у стеатитової кераміки. Питомий опір цієї кераміки також високий за високих і низьких температур і знаходиться приблизно на тих же рівнях, як і попередніх двох.Чим вона дійсно відрізняється, так це тим, що має найвищу серед аналогів механічну міцність (280-350 МПа на вигин), високу твердість (9 за шкалою Моосу), високу стійкість до стирання.

Така кераміка може йти для виготовлення мікросхем, корпусів мікросхем, плат для плівкових резисторів і діодів, клем стійких до впливу високих температур, а також використовуватися для маси інших застосувань - наприклад, завдяки її високій стійкості до стирання, відомо її застосування як фільєр (форм з отворами) для протягування пряжі.

В якості ізоляторів побутового призначення та високовольтних ліній може використовуватися кераміка з глини, ортоклазу та кремнезему. Однак слід зазначити, що така кераміка не застосовна для роботи на високих частотах і годиться лише для використання в рамках частот, що промислово генеруються.

Також як ізолюючий матеріал може використовуватися і такий цікавий клас матеріалів, як ситалі (закристалізоване скло, де у складі скла поєднуються скляна та кристалічні фази; в результаті термічної обробки в товщі скла виникають і починають рости кристали, а технологія виробництва ситалів не сильно відрізняється від технології виробництва власне скла): так само як і при виробництві звичайного скла відбувається розплавлення початкової суміші, після чого з цієї суміші виготовляється виріб, а скло знову проходить повільний нагрівання, в результаті чого і виникає скупчення кристаллітів по всій товщі.

При цьому продукт, що вийшов, істотно відрізняється від звичайного скла, незважаючи на такий же зовнішній вигляд: якщо звичайне скло має міцність на вигин до 100 МПа, то той же показник у ситал може досягати 350 МПа.

Відрізняється такий продукт і від термостійкого скла, яке зазвичай втрачає міцність при температурі порядку 500°С, у той час як ситалове скло витримує температуру в 800°C, а також її різкі зміни (в якості оффтопа: автор цієї статті свого часу закупився таким склом для нагрівального столика 3D принтера - воно навіть візуально має інший блиск і трохи кавовий відтінок на усю товщу;

Підсумовуючи це, слід сказати, що використання кераміки в технічних застосуваннях не тільки не зменшується, а й збільшується, рухаючись у бік спрощення промислових процесів з одночасним збільшенням технологічності.

Зокрема, відомо про дослідження в області зменшення температури спікання кераміки, щоб можна було проводити металізацію з використанням більш дешевих металів (як заміну срібла та паладію), крім того, ведуться роботи та у напрямку збільшення діелектричної проникності кераміки, для прискорення швидкодії інтегральних схем.

▍ Список використаних джерел

1. Г.Н.Масленнікова – «Технологія електрокераміки»
2. В.Я.Шевченка – «Вступ до технічної кераміки»
3. К.Окадзакі - «Технологія керамічних діелектриків»

Самовідновлювальні матеріали

Матеріали, що самовідновлюються, — далеке майбутнє чи реальність? Що це таке і як можна застосувати їх у будівництві? Розповідаємо про види самовідновлюваних матеріалів та способи їх регенерації.

Самостійне відновлення будівельних матеріалів

Матеріали, що самовідновлюються, — це матеріали, здатні «регенерувати» завдані їм пошкодження за рахунок речовин, що знаходяться в їх складі.

Речовини ці можуть бути різними. На даний момент найпопулярнішими є бактерії та суперечки грибів.

Самовідновлювальні матеріали, що містять у своєму складі довгі і тонкі трубки зі спеціальною речовиною, називаються трубчасті. Принцип їх дії схожий на капсульні: при травмуванні судини з відновлювальною рідиною/спорами/бактеріями вони вступають у хімічну реакцію і починають закривати собою тріщини та сколи.

У варіанті з хімічним видом відновлення діюча речовина замішується прямо до складу матеріалу.

• сонце;
• вода;
• висока чи низька температура;
• повітря;
• та ін.

Щоб теж почати працювати з матеріалами, що самовідновлюються, вам необхідно пройти дистанційне навчання фахівців будівництва.

Де можна використовувати матеріали, що самовідновлюються

Прикладів застосування матеріалів, що самовідновлюються, може бути безліч. Основна сфера — звісно, ​​будівництво.

На сьогоднішній день, різні університети світу створили безліч версій матеріалів, що самовідновлюються. Давайте розглянемо найпопулярніші з них:
1. В університеті штату Північна Кароліна було розроблено самовідновлюваний гнучкий провід . Його серцевина складається з рідкого металу, а полімерна оболонка вміє зростатися навіть після розриву.

Використання таких проводів буде максимально ефективним для, наприклад, внутрішньої проводки в будівлі. При її використанні не доведеться здирати шпалери та ламати стіну для демонтажу чи ремонту систем електропостачання.

2. У Російському Інституті фізики міцності та матеріалознавства Сибірського відділення Російської академії наук (ЗІ РАН) фахівцями також було проведено досліди, на підставі яких вони змогли створити кераміку, що самовідновлюється .

Основною відмінністю даної кераміки від звичайної є формування скляного покриття дома травмування. Відбувається цей процес регенерації під впливом високих температур і має порівнянну щільність з алмазом. Використовувати цей винахід планують на високошвидкісних літальних апаратах.

3. Найгучнішим відкриттям також став бетон, що самовідновлюється . Його розробки проводили у всьому світі. Кожна країна розробила свою технологію з використанням різних видів капсул, бактерій, спор грибів тощо.

Так, наприклад, фахівці нашого Політехнічного інституту Далекосхідного федерального університету (ДВФУ) спільно з вченими з Індії та Саудівської Аравії створили бетон, до складу якого додали водний концентрат. Ця речовина містить у собі бактерії Bacillus cohnii, які заповнюють пошкодження, що утворюються карбонатом кальцію (CaCO3).

Бетон і цегла — найпопулярніші будівельні матеріали, які використовують для зведення будинків, торгових центрів, офісів та ін.

Створення технології самовідновлення дає змогу продовжити термін експлуатації матеріалів, а також спростити життя людині.На даний момент ці розробки тільки починають застосовуватися на практиці. Сподіватимемося на їх подальший розвиток та повсюдне використання.

А ми нагадуємо, щоб бути в курсі всіх інновацій та змін у законодавстві, спеціалістам необхідно регулярно проходити дистанційні курси підвищення кваліфікації у галузі будівництва. Це дозволить не стояти на місці і рухатися вгору кар'єрними сходами.

Якщо ж ви плануєте розпочати роботу в даній сфері, то наш центр додаткової професійної освіти «Проф-Ресурс» допоможе вам підібрати курси дистанційної професійної перепідготовки в будівництві, які в найкоротші терміни дозволять вам освоїти нову професію.

З усіх питань звертайтесь до нас за телефоном, в онлайн-чаті або залишайте дані у формі зворотного зв'язку.