СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ-ТЕХНИКИ Российский патент 2013 года по МПК C03C10/00 

Изобретение относится к области стеклокерамики, в частности к высокотемпературным радиопрозрачным стеклокристаллическим материалам (ситаллам) для СВЧ-техники, предназначенным для изготовления средств радиосопровождения в авиационно-космической и ракетной технике.

Из литературных данных известно, что для изготовления стеклокристаллического материала готовят шихту определенного химического и гранулометрического состава. Дисперсность входящих в шихту компонентов лежит в пределах 0,7-1,2 мм (Павлушкин Н.М. «Химическая технология стекла и ситаллов» М. «Стройиздат», 1983, стр.94).

Известно стекло для стеклокристаллического материала (Бережной А.И. «Ситаллы и фотоситаллы» издательство «Машиностроение», 1966 г., стр.163-166), включающие следующие компоненты, масс.%: SiO₂ - 56,0; Al₂O₃ - 20,0; ТiO₂ - 9,0; MgO -15,0. Данный материал обладает высоким значением предела прочности при центральном симметричном изгибе (21,84 кгс/мм²).

Недостатком данного материала является низкое значение диэлектрической проницаемости (≈5) и высокое значение коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР)=56,0·10^-7 К^-1.

Известно стекло для стеклокристаллического материала (патент США №4304603, МПК С03С 10/04, публикация 1981 г.), содержащий следующие компоненты, масс.%: SiO₂ - 48,0-53,0; Аl₂O₃ - 21,0-25,0; TiO₂ -9,5-11,5; MgO - 15,0-18,0; As₂O₃ - 0-1,0.

Этот материал характеризуется низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но температура варки этих стекол около Т=1600°C, что затрудняет получение качественного стекла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по химическому составу является стеклокристаллический материал (патент РФ №2393124, МПК С03С 10/04, публикация.2010 г.) следующего состава: SiO₂ - 35,5-38,5; Аl₂O₃ - 22,8-25,5; ТiO₂ - 16,2-18,8; MgO - 20-22,7.

Недостатком данного материала является высокий КЛТР, равный (45-60)·10^-7 К^-1 и низкое значение предела прочности при центральном симметричном изгибе (4-7 кгс/мм²).

Целью предлагаемого изобретения является снижение термического коэффициента линейного расширения стеклокристаллического материала, стабилизация диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, повышение предела прочности материала при центрально-симметричном изгибе.

Это достигается тем, что стеклокристаллический материал, включающий SiO₂, Аl₂O₃, ТiO₂, MgO, дополнительно содержит SiO₂ в виде плакированного ТiO₂ аэросила, при следующем соотношении компонентов, масс.%: SiO₂ - 35,5-38,3; SiO₂, в виде плакированного ТiO₂ аэросила - 0,1; Аl₂O₃ - 22,8-25,5; ТiO₂ - 16,1-18,8; MgO - 20,0-22,8.

Авторами экспериментально установлено, что сочетание предложенных компонентов в заявленном количественном соотношении дает возможность получать стеклокристаллический материал с низким значением КЛТР, высоким пределом прочности на изгиб, а также позволяет поддерживать диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в необходимом диапазоне значений.

Установлено, что именно введение SiO₂ в количестве 0,1 масс.% в виде плакированного ТiO₂ аэросила, позволяет получить стеклокристаллический материал с тонкодисперсной структурой. Это происходит за счет максимально равномерного распределения ТiO₂ по объему расплава, при этом температура варки стекла составляет: 1540±10°C, температура выработки заготовок: 1485±25°C, температура термообработки заготовок: 1205±35°C. Скорость нагрева заготовок до температуры термообработки составляет: 1,2-5°C/мин, выдержка при температуре термообработки 3-8 часов, скорость охлаждение заготовок до комнатной температуры: 1,3-3,3°C/мин.

Сырьевые материалы, применяемые для варки стекла должны соответствовать следующим условиям: содержание СaО≤0,2 масс.%, (Na₂O+K₂O+Li₂O)≤0,20 масс.%, Fe₂O₃≤0,2 масс.%. Аэросил, марки «А-175», с размером частиц SiO₂=15-30 нм., имеющий удельную поверхность 175±25 м²/г, с содержанием Fe₂O₃≤0,003 масс.%., производства Калушского ОЭН НАН Украины, ТУ У24.6-05540209-003-2003, плакированный вакуумно-дуговым способом пленкой ТiO₂, толщиной 5-20 нм.

В таблице 1 приведены примеры конкретного выполнения составов стеклокристаллического материала масс.%:

Таблица 1 Наименование компонента Номер стекла 1 2 3 SiO₂, масс.% 35,5 36,9 38,3 Al₂O₃, масс.% 22,8 24,3 25,5 MgO, масс.% 22,8 21,2 20,0 TiO₂, масс.% 18,8 17,5 16,1 SiO₂, аэросил, плакированный TiO₂, масс.% 0,1 0,1 0,1

Сочетание приведенного состава и выбранного режима термообработки заготовок при Т=1205±35°C позволило снизить КЛТР и повысить предел прочности на изгиб. При этом удалось добиться стабильных значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь за счет равномерной тонкодисперсной структуры получаемого стеклокристаллического материала.

В таблице 2 приведены свойства синтезированных стеклокристаллических материалов.

Таблица 2 Наименование показателя Обозначение и единицы измерения 1 2 3 Прототип (материал по патенту РФ №2393124) 1 2 3 4 5 6 Диэлектрическая проницаемость при 10¹⁰ Гц ε 7,4 7,25 7,15 7-7,5 Тангенс угла диэлектрических потерь при 10¹⁰ Гц tgα·10⁴ 3 2 1,9 ≤3 Коэффициент теплового линейного расширения (КЛТР) при 20-300°С α·10⁷, K^-1 38 36 40 55-70 Предел прочности при изгибе σ_и, кгс/мм 11,5 11,0 10,0 4-7

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что предлагаемый состав стеклокристаллического материала позволяет значительно снизить температурный коэффициент линейного расширения, повысить предел прочности на изгиб, а также добиться стабилизации диэлектрической проницаемости получаемого стеклокристаллического материала при невысоких значениях тангенса угла диэлектрических потерь.

Изобретение относится к области стеклокерамики, в частности к высокотемпературным радиопрозрачным стеклокристаллическим материалам (ситаллам) для СВЧ-техники, предназначенным для изготовления средств радиосопровождения в авиационно-космической и ракетной технике. Техническим результатом изобретения является снижение термического коэффициента линейного расширения, стабилизация диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, повышение предела прочности при центрально-симметричном изгибе. Стеклокристаллический материал для СВЧ-техники включает SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO и SiO₂ в виде плакированного TiO₂ аэросила, при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 35,5-38,3; SiO₂ в виде плакированного TiO₂ аэросила - 0,1; Al₂O₃ - 22,8-25,5; TiO₂ - 16,1-18,8; MgO - 20,0-22,8. 2 табл.

Стеклокристаллический материал для СВЧ-техники, включающий SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, MgO, отличающийся тем, что в состав дополнительно вводят SiO₂ в виде плакированного TiO₂ аэросила, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO₂ 35,5-38,3 SiO₂ в виде плакированного TiO₂ аэросила 0,1 Al₂O₃ 22,8-25,5 TiO₂ 16,1-18,8 MgO 20,0-22,8