СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ-ТЕХНИКИ Российский патент 2016 года по МПК C03C10/08 

Описание патента на изобретение RU2577563C1

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 и производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.д.

Известны стеклокристаллические материалы, обладающие малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне в сочетании с относительно высокой диэлектрической проницаемостью, для изготовления которых готовят шихту определенного химического и гранулометрического состава с дисперсностью входящих в нее компонентов в пределах 0,7-1,2 мм (Павлушкин Н.М. «Химическая технология стекла и ситаллов» М.: «Стройиздат», 1983, стр. 94).

Известен стеклокристаллический материал следующего состава, мас. %: SiO2 65-70; Na2O 10-24; Al2O3 1-5; MgO 5-10; F 1-5 (SU №1273347 от 27.05.1982 г., опубликовано 30.11.1986 г.).

Известен стеклокристаллический материал следующего состава, мас. %: SiO2 35-50; Al2O3 5-30; MgO 10-30; TiO2 5-20; Li2О 2,6-4,8 (заявка JP 2001287934, опубликовано 16.10.2001 г.).

Недостатком указанных известных материалов является то, что их относительная диэлектрическая проницаемость (ε) не превышает 4-4,5, а при увеличении до значений 7-7,5 потери в СВЧ-диапазоне (tgδ) возрастают и достигают величин более (20-50)×10-4, что исключает их применение для указанной выше цели. Кроме того, к недостаткам известных материалов относятся достаточно широкие колебания значений относительной диэлектрической проницаемости (+0,2-0,3) в сочетании с большими сложностями в получении заранее заданных значений.

Известен стеклокристаллический материал (Бережной А.И. «Ситаллы и фотоситаллы», издательство «Машиностроение», 1966 г., стр. 163-166), включающий следующие компоненты, мас. %: SiO2 - 56,0; Al2O3 - 20,0; TiO2 - 9,0; MgO - 15,0.

Данный материал обладает высоким значением предела прочности при центральном симметричном изгибе (21,84 кгс/мм2). Недостатком данного материала является высокое значение (56,0·10-7 K-1) коэффициента линейного теплового расширения (ТКЛР).

Известно стекло для стеклокристаллического материала, содержащее следующие компоненты, масс. %: SiO2 - 48,0-53,0; Al2O3 - 21,0-25,0; TiO2 - 9,5-11,5; MgO - 15,0-18,0; As2O3 - 0-1,0 (патент США №4304603, МПК C03C 10/04, публ. 1981 г.).

Этот материал характеризуется низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но температура варки этих стекол около T=1600°C, что увеличивает расход затрачиваемой энергии.

Известен стеклокристаллический материал, включающий 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 (патент РФ №2498953, C03C 10/00, опубл. 20.11.2013 г.).

Общая доля SiO2, и TiO2 в этом патенте полностью совпадает с диапазонами SiO2, и TiO2, указанными в патенте №2393124. Технологические режимы (температура нагрева, скорость нагрева и охлаждения) получения стеклокристаллического материала в указанных патентах также не отличаются при их сопоставлении в одинаковых единицах измерения. Таким образом, стеклокристаллические материалы патентов №2498953 и №2393124 по составу и технологии получения практически тождественны. Доля SiO2, в количестве 0,1 мас. % в виде плакированного TiO2 аэросила незначительна для получения повторяемого стабильного технического результата. Кроме того, компоненты не обладают многофункциональностью, а указанная украинская марка SiO2 в виде плакированного TiO2 аэросила достаточно редка в РФ. В настоящее время приобретение указанного материала ограничено в объемах и имеет высокую стоимость.

Известен стеклокристаллический материал с малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне следующего состава, мас. %: SiO2 35,5-38,5; Al2O3 22,8-25,5; MgO 20-22,7; TiO2 16,2-18,8 (РФ №2393124, C03C 10/04, опубл. 27.06.2010 г.).

Известный стеклокристаллический материал обеспечивает получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости (7,15-7,40), тангенса угла диэлектрических потерь менее 4×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц). Недостатком данного материала является невысокое (7-7,5) значение относительной диэлектрической проницаемости (ε), что не позволяет применять его для изготовления многих изделий электронной техники, где требуются значения ε более 9 (например, для подложек полосковых линий). При малых значениях ε силовые линии электромагнитного поля проходят в основном по воздуху, а в подложке находится их небольшая часть. Это вызывает необходимость увеличения размера подложек. В материалах с высоким значением ε (более 10) силовые линии сужаются, размеры подложек уменьшаются и растет плотность монтажа.

Известен стеклокристаллический материал, обладающий малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, следующего состава, мас. %: SiO2 43,8-52,5; Al2O3 24,6-30,2; MgO 9,3-11,9; TiO2 8,8-12,9; As2O3 0,1-1,9; ZnO 0-1,5; CeO2 0-2,5; фторопол 0,1-7,5 (патент РФ №2374190, C03C 10/08, опубл. 27.11.2009 г.).

Недостатки известного материала связаны с многокомпонентностью состава, включающего ядовитое вещество - мышьяковистый ангидрид (As2O3). В производстве материалов нередко идут на усложнение процесса, чтобы удалить весь мышьяк.

Наиболее близким к предложенному стеклокристаллическому материалу по химическому составу и свойствам является стеклокристаллический материал, обладающий малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, следующего состава, мас. %: SiO2 18-27; Al2O3 18-25; MgO 5-10; TiO2 18-27; CeO2 13-19 (патент CN №1202469, C03C 10/00, опубл. 23.12.1998 г. - прототип).

Компоненты не являются многофункциональными для обеспечения простоты, эффективности и качества последующей обработки материала шлифовкой или полировкой для изделий различного назначения.

Задачами предлагаемого изобретения являются: разработка высококачественного, экономичного и эффективного материала для широкого применения в различных областях СВЧ-техники.

Технический результат изобретения состоит в упрощении и улучшении качества механической обработки поверхности материала за счет более мелкокристаллической структуры (размеры кристаллов до 0,5 мкм) и увеличения количества остаточной стеклофазы. Кроме того, достигнуто снижение материальных и энергетических затрат, упрощение производства материала.

Сущность изобретения состоит в том, что применение полирита позволяет повысить величину относительной диэлектрической проницаемости ε до 10 и более, снизить затраты на сырье.

Полирит доступен в больших объемах при сравнительно невысоких финансовых затратах.

Технический результат достигается тем, что в стеклокристаллическом материале для СВЧ-техники, включающем SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, указанный CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас. %: SiO2 32,5-35,5; А12Оз 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; Полирит 14,5-17,5.

Предпочтительно содержание CeO2 в полирите иметь в диапазоне от 40 до 60%.

Целесообразно в полирите иметь размеры частиц 0,8-1,2 мкм.

Стеклокристаллический материал, полученный на основе SiO2, А12Оз, MgO, TiO2, полирита, характеризуется плотностью 3,15-3,2 г/см3, относительной диэлектрической проницаемостью 9,7-10,3 и тангенсом угла диэлектрических потерь равным (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Для варки стекла применяют сырьевые материалы с возможно более низким содержанием примесей MeO, Me2O (не входящих в состав стекла), в особенности Fe2O3 и других красящих оксидов.

Стеклокристаллический материал получен с помощью введения полирита с содержанием в нем CeO2 в диапазоне от 40 до 60%, что соответствует 6-10,5% по чистому оксиду церия. При более высоком содержании CeO2 (больше 60%) стекло будет сильно окрашено в черные тона, что затрудняет контроль качества стеклозаготовок. При более меньшем содержании CeO2 (меньше 40%) в стекле не обеспечиваются необходимые диэлектрические свойства.

Применен полирит, произведенный, например, по ТУ 48-4-244-87 с содержанием CeO2 40-60%, содержанием редкоземельных оксидов 99% и размерами частиц 0,8-1,2 мкм. Полирит представляет собой тонкодисперсный кристаллический порошок кирпичного цвета, на основе смеси оксидов редкоземельных элементов (Се, La, Nd). Применяется для полировки оптического, зеркального стекла, а также изделий из камня. Массовая доля диоксида церия в полирите должна быть в пределах 40-60%. Царапающих примесей и посторонних механических примесей не имеет.

Двуокись церия основной компонент полирита, самого эффективного порошка для полировки оптического и зеркального стекла. полирит (церий оксид, двуокись церия) используется для полирования широкого класса оптических стекол, очковых линз, зеркал и других изделий из стекла, элементов электронной техники.

Варка стекла осуществляется в печах периодического или непрерывного действия с ручной или механизированной выработкой заготовок. Получение материала осуществляли согласно режимам, приведенным в патенте №2393124. Температурный режим варки стекол в печи периодического действия следующий: температура варки и осветления стекла 1530-1550°C, температура выработки заготовок 1460-1510°C.

Для получения стеклокристаллического материала с заданными диэлектрическими свойствами полученные стеклянные заготовки подвергают термообработке (кристаллизации), режим которой является очень важным в технологии получения заявленного материала. Термообработка (кристаллизация) должна вызывать образование в материале кристаллических фаз, обеспечивающих получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости при малых потерях (менее 4×10-4) в СВЧ-диапазоне (1010 Гц).

Режим термообработки (кристаллизации) следующий: нагрев до температуры (1170-1240°C) со скоростью 80-300°C/ч; выдержка в течение 4-7 ч; охлаждение до комнатной температуры со скоростью 80-200°C/ч.

Режимы термообработки (кристаллизации) подбирались экспериментально. При меньшей или большей температуре и времени выдержки, при скорости нагрева заготовок, превышающей 300°C и менее 80°C/ч, образовываются кристаллические фазы, не обеспечивающие получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости при малых потерях.

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

В таблице 2 приведены свойства полученных по указанному режиму образцов стеклокристаллических материалов, представленных в таблице 1.

По сравнению с аналогами и прототипом предлагаемый стеклокристаллический материал обладает меньшим разбросом значений диэлектрической проницаемости, более стабильным ТКЛР и оптимальным сочетанием параметров, приведенных в таблице 3.

В таблицах 2 и 3 приняты следующие обозначения:

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

tgα 104 - тангенс угла диэлектрических потерь при 1010 Гц;

α·107 K-1 - температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) при 20-300°C;

σизг, кгс/мм2 - предел прочности при изгибе;

T, °C - температура варки;

ρ, г/см3 - плотность материала.

Таким образом, стеклокристаллические материалы по данному изобретению получены с высокой воспроизводимостью с применением доступной компонентной базы без токсичных веществ с заранее заданными и поддерживаемыми в определенных пределах значениями диэлектрической проницаемости при малых потерях (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц) и удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к композициям стеклокристаллических материалов, предназначенных для производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.п. Серийное производство предлагаемого стеклокристаллического материала планируется под маркой СТ-32.

Похожие патенты RU2577563C1

название год авторы номер документа
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ-ТЕХНИКИ 2009
  • Ашурбейли Игорь Рауфович
  • Быховцева Надежда Семёновна
  • Мороз Александр Иванович
  • Никулин Виктор Христофорович
  • Орешин Вячеслав Николаевич
  • Рыжик Яков Лазаревич
RU2393124C1
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ-ТЕХНИКИ 2012
  • Гавриленко Игорь Борисович
  • Ерузин Александр Анатольевич
  • Газов Борис Константинович
  • Ларионова Василина Николаевна
RU2498953C1
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2015
  • Воропаева Марина Владимировна
  • Алексеева Людмила Александровна
  • Орлова Людмила Алексеевна
  • Строганова Елена Евгеньевна
  • Северенков Иван Александрович
RU2597905C1
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2008
  • Алексеева Людмила Александровна
  • Келина Роза Петровна
  • Самсонов Вячеслав Иванович
RU2374190C1
ПРОЗРАЧНАЯ СТЕКЛОКЕРАМИКА ДЛЯ СВЕТОФИЛЬТРА 2012
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
  • Запалова Светлана Сергеевна
RU2501746C2
РАДИОПРОЗРАЧНЫЙ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ 2010
  • Саркисов Павел Джибраелович
  • Орлова Людмила Алексеевна
  • Попович Наталья Васильевна
  • Михайленко Наталья Юрьевна
  • Уварова Наталья Евгеньевна
RU2440936C1
СТЕКЛО ДЛЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИЭЛЕКТРИКА ДЛЯ СТРУКТУР КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ 1995
  • Кошелев Н.И.
  • Ермолаева А.И.
  • Петрова В.З.
RU2083515C1
ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Ашурбейли Руслан Игоревич
  • Новиков Александр Валерьевич
RU2540971C1
ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Ашурбейли Руслан Игоревич
  • Новиков Александр Валерьевич
RU2543973C1
ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Ашурбейли Руслан Игоревич
  • Новиков Александр Валерьевич
RU2543523C1

Реферат патента 2016 года СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ-ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области стеклокерамики, в частности к высокотемпературным радиопрозрачным стеклокристаллическим материалам для СВЧ-техники, предназначенным для изготовления средств радиосопровождения в авиационно-космической и ракетной технике и производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.д. Технический результат изобретения: упрощение и улучшение качества механической обработки поверхности материала за счет более мелкокристаллической структуры и увеличения количества остаточной стеклофазы. В стеклокристаллическом материале для СВЧ-техники, включающем SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас.%: SiO2 32,5-35,5; Al2O3 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; полирит 14,5-17,5. Содержание CeO2 в полирите от 40 до 60%, а размеры частиц - 0,8-1,2 мкм. Стеклокристаллические материалы получены с заранее заданными и поддерживаемыми в определенных пределах значениями диэлектрической проницаемости при малых потерях (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц). 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула изобретения RU 2 577 563 C1

1. Стеклокристаллический материал для СВЧ-техники, включающий SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, отличающийся тем, что CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас.%: SiO2 32,5-35,5; Al2O3 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; полирит 14,5-17,5.

2. Стеклокристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что содержание CeO2 в полирите в диапазоне от 40 до 60%.

3. Стеклокристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что полирит имеет размеры частиц 0,8-1,2 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2577563C1

CN 1202469 A, 23.12.1998
СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО 1998
  • Ситников А.М.
  • Райков А.Ю.
  • Пичков А.В.
RU2145582C1
ДОБАВКА К СТЕКЛУ 1997
  • Ситников А.М.
  • Райков А.Ю.
  • Пичков А.В.
  • Павлушкина Т.К.
RU2131402C1
US 7687015 B2, 30.03.2010
СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ С ДИОДАМИ ШОТТКИ, ИМЕЮЩИМИ РАЗЛИЧНУЮ ВЫСОТУ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО БАРЬЕРА 1988
  • Боднарь Д.М.
  • Кастрюлев А.Н.
  • Корольков С.Н.
SU1589932A1

RU 2 577 563 C1

Авторы

Ашурбейли Руслан Игоревич

Быховцева Надежда Семеновна

Даты

2016-03-20Публикация

2015-02-24Подача