Электроизоляционный керамический материал и способ его изготовления Советский патент 1980 года по МПК C04B35/10 C04B33/26 

Изобретение относится к получению изоляторов с повышенными электро-фйзическими характеристиками, применяемых для высоковольтных малогабаритных- вводов и электронной и термической аппаратуре. Известны керамические материалы на основе алюмомагнезиальной шпинели, ис пользуемые в качестве диэлектриков l}. Известные диэлектрики на основе алюмомагнезиальной шпинели имеют недостаточно высокие электрическую и ме-ханическую прочности 120-30 кв/мм и 1200-1500 кгс/см соответственно). Известна шихта, включающая глинозем окись магния и добавку окиси кремния 2 Добавку окиси кремния вводят в количест ве от 2,8% до 28,2% с целью повышения механических и электрофизических свойств При этом наилучшими электромеханическнми свойствами обладает шпинелсвая керамика состава AA,,4 масс.%,. -71,8%. масс и &iO2 - 2,8% масс.%. Керамика этого состава имела электрическую прочность порядка 28 35 кв/мм и предел прочности при статическом изгибе от 15ОО кг/см до 27ОО кгс/см Однако для ряда установочных деталей радиотехнической промышленности желательно иметь изделия, обладающие более высоким значением электрической прочности. Наиболее близким техническим реше- . кием к заявляемому является керамический материал, содержащий окись алюминия и магния в стехиометрическом соотноше1ши шпинели и добавки окислов кальция, кремния з,. Материал готовят смешиванием окисных компоневдов шихты с добавками, формованием и спеканием. Материал предназначен для использования в качестве электрических изоляторов. Однако его электрическая прочность для ряда установочных деталей радиотехнической промышленности недостаточна. Целью изобретения является увеличение электрической прочности керамики с сохранением высоки механических и диэлектрических свойств за счет получения мелкозернистой структуры и стекло фазы с повышенной плотностью. Поставленная цель достигается за счет того, что электроизоляционный керамический материал, содержащий окислы алюминия, магния, кремния и кальция, дополнительно содержит окись бора при следующем соотношении компонентов, масс.%:. Окись алюминия65,6-68 Окись магния25,4-26, Двуокись кремния1,5-2,7 Окись кальция2,0-3,6 Окись бора1,5-2,7 При этом материал готовят смешиванием компонентов шихты, формованием и спеканием, причем окислы алюминия и магния вводят в шихту в виде предварительно синтезированной шпинели, а окислы кремния, кальция и бора - в виде спека эвтектического состава: Двуокись кремния30,2 Окись кальция38,3 Окись бора31,5 в количестве 5-9 масс.%. Теза1ология изготовления диэлектрика состоит в следующем : из окислов магния и алюминия в количествах 30-28 масс.% и 7О-72 масс.% соответственно приготав ливают шпинель обжигом при температуре 14ОО-1500 С. Из окислов бора, кальция и кремния приготавливают спек при температуре 90О-95О С, который затем раз малывается в вибромельнице до размера частиц 3-5 мкм. Измельченный спек добавляют к синте зированной алюмомагнезиаяьной шпинели в количестве 5,0-9,0 масс.%, после чег производят, их совместный помол до раз мера частиц 1-3 мкм. Оформление изделий можно производить любым из применяемых в керамичес кой технологии методов. При горячем литье под давлением термопластичный шликер содержит от 11 до 15% парафина, 1% воска и 1% олеиновой кислоты. Отливка изделий про изводится при температуре 70-8О С и давлении 3-5 атм. Органическую связку удаляют в процессе предварительного 130О°С обжига изделий при температуре в засыпке глинозема. Окончательный обжиг производят в окислительной атмосфере при температуре 16ОО-1560 С, с ьщержкой при конечной температуре в ечение 1-3 часов. Электрическая прочость изделий 40-50 кВ/мм. Предел прочности при статическом изгибе 2400ЗООО кгс/см . Диэлектрическая проницаемость 7,6-7,8, тангенс угла диэлектрических потерь при f 1 МГЦ и -Ь 20°С - 2аО, при -Ь 125°С .10-, Объемное электросопротивление ру при 125С - 2,4 I0t Плотность полученных образцов составляет 3,5OiO,O3 г/см. Овойства обеспечиваются чрезвычайно мелкокристаллической беспористой структурой, стеклофазой с повышенной плотностью, отсутствием примесей как в 1фисталлах, так и в стеклофазе. npniiHToe содержание в шихте окислов СаО, SiO обеспечивает по- лучение низкотемпературного эвтектического состава, чем достигается уменьшение растворимости в ней основной кристаллической фазы /AgO- при обжиге и процессе ее перекристаллизации, связанной с ростом кристаллов. Следовательно данный состав шихты обеспечивает получение материала мелкокристаллического строения с высокой механической прочностью. Электрическая прочность находится в прямой зависимости от механической прочности что вытекает из формулы: lit (-It Ml Е-Р -V где Е - электрическая прочность, Е модуль упругости, м - коэффициеигг Пуассона, - предел прочности при растяжегши, Е - диэлектрическая проницаемость. В известием решении материал, имеющий нулевую открытую пористость,получен лишь при температуре Известно, что при такой высокой температуре обжига не может быть получен материал мелкокристаллического строения (средние размеры кристаллов в этом случае составляют 15-30 мкм по сравнению с 2-3 мкм в нашем случае) и, следовательно, обладать высокими механической и электрической прочностью. Вид и соотношение указанных выше окислов принято с учетом получения стекловидной фазы с повышенной плотностью. В частности, именно введение окиси бора позволяет повысить плотность стеклофазы, в чем можно убедиться по значению усредненных молярных числовых. характеристик парциальных свойств этих окислов в силикатных стеклах, прав мерность применения которых была доказана для стекловидных малощелочных фаз керамических материалов. Известно, что при температуре спекания в определенном времени вьздержки размер кристаллов достигает какой- о определенной величины, и в дальнейшем внутри кристаллов происходит очистка, сопровождающаяся выделением примесей в направлении граничных слоев зерен, и при этом возрастает концентрация примесей в межкристаллитной прослойке. С ростом концентрации примесей электрическая прочность межкристаллитной прослойки понижается, и, следовательно, сн жается и электрическая прочность материала в целом. Введение: же в состав стеклофазы В,,О способствует очищени материала в целом от имеющихся в нем щелочных примесей, поскольку В 0- с последними образует летучие соединения Примеры изготовления изделий . Пример, Массу состава, масс 20з 68,1; 26,2; 1.8; СаО 2,3 и SiOjl.e готовят из предва рительно синтезированной щпинели и 5% спека эвтектического состава. Метод оформления массы - горячее литье под давлением. Температура окончательного обжига 1600 С, среда окислительная.. Материал обладает следующими свойс вами: Электрическая прочность 52,0 кв/м Предел прочности при изгибе230О jcrc/ Диэлектрическая проницаемость7,5 10 при tgrc 1Мгц; при 20° 2, 125°С - 2 Р.при 125 С - при 2,4 г/см Прим Массу состава, масс AEgO 67; Mg-O 26; BgOo, 2,1; СаО2.,8; SiO 2,1 готовят из предварительно синтезированной шпинели и 7% спека эвтектического состава. Метод оформления массы - горячее литье под давлением. Температура окончательного обжига - 16ОО С, среда - окислительна Материал обладает следующими свойс вами: Электрическая прочность 36 кв/м Предел прочности при изгибе2900 кгс/ Диэлектрическая проницаемость7,4 g-cy. f 1 МГц, при 0С , при ,при 25°С - 2,4-10 Плотность образца3,50 г/см П р и м е р 3. Массу состава, масс.%: е20з65,6; Mg-o 25. 4;В20з2,7; оО 3,6;SiO22,7 готовят из 91% шпинели и 9% спека. Метод оформления массыгорячее литье под давлением. Температура окончательного обжига 1650 С. Среда - окислительная. Электрическая прочность 50,2 кв/мм Предел прочности при 2500 кгс/см Диэлектрическая проницаемость 3,52 г/смЗ. Плотность образцов ig-(f. 10%и 1 МГц, при , -f, при а25°С - 2 ,при 125С - 7 2,4-10 Заявленный материал возможно и целесообразно использовать для изготовления малогабаритных вводов для электронной и термической аппаратуры, к которой предъявляются повышенные требования к электрической и механической прочности, а также керамических деталей при создании вакуумплотных керамических конструкций. Формула изоб-ретения 1.Электроизоляционный керамический материал, содержащий окислы алюминия, магния, кремния и кальция, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью увел1иения электрической прочности он дополнительно содержит окись бора при следующем соотношении компонентов в масс.%. Окись алюминия65,5-68,1 Окись магния25,4-26,2 Двуокись кремния1,5-2,7 CkHCb кальция2,0-3,6 Окись бора1,5-2,7 2.Способ изготовления электроизоляционного керамического материала по п. 1, включающий смешивание компонентов шихты, формование и обжиг, отличающийся тем, что окислы алюминия и магния вводят в шихту в виде предварительно синтезированной шпинели, а окислы кремния, кальция и бора в виде спека эвтектического состава: Двуокись кремния30,2 OicHCb кальция38,3 Окись бора31,5

77538318

Источники информации,2, Будников П. П., Злочевская 1К. М,

принятые во внимание при эксяертиае Прикладная химия , XXXVli;№ 8, 1964 ,

1. Выдрик Г. А. и др. Физико-хими-3. Патент США № 3. 615763,

ческие основы производства и экс- 5 кл. 1О6-46, 1971. плуатащш электрокерамики М.,4.E.Kos-tnc Cer-amurgfici Oht1977,3,

1971.№ 2, p. 57-60 (прототип).

с. 1649-1657.