Конденсаторные керамические материалы.

 

Конденсаторные керамические материалы отличаются от обычных керамических материалов большей величиной диэлек­трической проницаемости (e). Кроме того, большинство конден­саторных керамических материалов обладает отрицательным температурным коэффициентом (ТКe<0), вследствие чего в элек­трических установках с керамическими конденсаторами повы­шение температуры не вызывает изменения емкости в установке.

Основным компонентом большинства исходных керамических масс для конденсаторной керамики является двуокись титана (TiO2), представляющая собой порошок белого цвета. После обжига при температуре 1300-1350°С двуокись титана приобретает плотную металлическую структуру.

Конденсаторные керамические материалы на основе двуокиси титана (рутила) с небольшими добавками глинистых веществ и некоторых других компонентов известны под марками М-70 и Т-80 (тиконд 80. Тиконд – сокращен от слов « титан» и « конд»). Цифры при этих буквах показывают величину диэлектрической проницаемости этих материалов. Из них изготовляют высокочастотные керамические конденсаторы на высокие напряжения, так как эти материалы обладают относительно малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь: tg δ = (4—6) · 10^-4 и большой электрической прочностью (Е_пр= 15÷20 кВ/мм).

Чтобы получить материалы с еще большими значениями ди­электрической проницаемости и с малыми величинами температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, прибе­гают к соединениям двуокиси титана с окислами других метал­лов: кальция (СаО), магния (MgO), цинка (ZnO) и др.

В процессе обжига смесей этих окислов, взятых в определен­ном соотношении, образуются титанаты соответствующих ме­таллов; титанат кальция (СаТiO3), титанат магния (MgTiO₃), титанат цинка (ZnTiO₃) и др. Все титанаты отличаются боль­шими значениями диэлектрической проницаемости (e=20÷250), что объясняется интенсивно развивающимися в них процессами ионной и электронной поляризации при наличии в этих мате­риалах внутреннего электрического поля, усиливающего эти про­цессы. Внутреннее электрическое поле в титанатах различных металлов вызвано особенностью их кристаллической структуры.

Таблица 43

Замечено, что у титанатов, имеющих большую величину диэлектрической проницаемости, наблюдается и большая вели­чина температурного коэффициента и электрической проницае­мости (табл. 43).

К материалам, идущим для изготовления термостабильных керамических конденсаторов, относятся термоконды (Т-20 и Т-40). Из этих материалов изготовляют термостабильные кон­денсаторы низкого напряжения, емкость которых в очень малой степени зависит от температуры.

В производстве термостабильных керамических конденсато­ров высокого и низкого напряжения находят большее примене­ние материалы, получаемые на основе соединений двуокиси оло­ва (SnO₂) с окислами других металлов (СаО, MgO и др.). Та­кого рода соединения называются станнатами. Например, станнат кальция (CaSnO₃), станнат магния (MgSnO₃) и др.

Эти керамические материалы обладают весьма малыми положительными значениями температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКe = + (20—30)-10^-6 1/°С).

Из станнатной керамики изготовляют высокостабильные керамические конденсаторы высокого и низкого напряжения. Станнатная керамика более устойчива к длительному воздействию постоянного электрического поля высокого напряжения по срав­нению с материалами на основе титанатов.

У керамических материалов на основе титанатов постоянное электрическое поле вызывает процесс электрохимического старе­ния материала при повышенных температурах (200—300°С). В результате этого необратимого процесса электроизолирующие свойства титанатовой керамики ухудшаются и при высоких на­пряжениях, это приводит к пробою конденсаторов.

Керамические конденсаторы изготовляют раз­личными методами: прессованием в стальных пресс-формах из исходных порошкообразных масс (дисковые конденсаторы), про­тяжкой с помощью вакуум-пресса из пластичных керамических масс, методом литья жидкой керамической массы в гипсовые формы. Последний способ применяют для изготовления керами­ческих конденсаторов на высокие напряжения, например горшковых конденсаторов.

Конденсаторы, полученные одним из трех описанных спосо­бов, представляют собой полуфабрикат. Их подвергают зачистке и сушке до влажности 0,5—1.0%, после чего конденсаторы посту­пают в печи для термической обработки — обжигу. Конечная температура обжига керамических конденсаторов 1320—1400°С. В результате обжига получаются неувлажняемые изделия из плотных камнеподобных материалов. Керамические конденсато­ры не нуждаются в герметизации (металлических или пластмас­совых кожухах), которая необходима для защиты их влаги бу­мажных и слюдяных конденсаторов.

Металлические электроды наносят на поверхность керамиче­ских конденсаторов методом вжигания серебра. Для этого на поверхность уже готовых керамических конденсаторов наносят слои краски, в которой имеются окислы серебра. Затем конден­саторы ставят в печь, где при температуре 750—800°С происхо­дит термическая обработка нанесенного слоя краски. При этом окислы серебра восстанавливаются до металлического серебра, которое прочно сцепляется с поверхностью керамики, образуя слой толщиной 8—10 мк. К этому слою серебра припаивают мед­ные проводники, а затем весь конденсатор покрывают слоем ор­ганической электроизоляционной эмали. Последняя необходима для защиты электродных слоев серебра от коррозии и для пре­дотвращения замыкания электродов частицами влаги в случае применения конденсаторов во влажной атмосфере.

Основные характеристики наиболее широко применяемых ке­рамических конденсаторных материалов приведены в табл.43.