Технология диэлектрических материалов (стр. 7 )

Указанные материалы применяются для различных целей на разных технологических стадиях производства фарфора. В начальной стадии – получении полуфабриката – роль глинистых компонентов сводится к обеспечению необходимой пластичности и формуемости массы. Полевые шпаты и кварц обеспечивают снижение усадки и деформации при сушке и обжиге. По достижении температуры образования расплава роли глинистых материалов, полевого шпата и кварца изменяются, что связано с распадом, химическими превращениями и структурными изменениями этих материалов при нагревании.

Технологический процесс изготовления фарфоровых изделий включает следующие основные стадии: приготовление массы мокрым помолом, оформление изделий методом пластического прессования, их сушку, глазурование, обжиг и охлаждение.

Стеатит. Производство стеатитовой керамики базируется на применении природного магнезиально-силикатного сырья, преимущественно талька, глинистых материалов и различного рода плавнеобразующих компонентов. Вместо природного талька может быть применен искусственно синтезированный метасиликат магния. В зависимости от требуемых свойств содержание в стеатите глинистых компонентов варьируется в пределах от 2–3% до 15–18%.

Физико-химические процессы, протекающие при обжиге стеатитовых масс, определяются их химико-минералогическим составом. Поскольку обычно основными составными компонентами стеатитовых материалов являются тальк и глинистые материалы, преимущественно состоящие из окислов MgO, Al2O3 и SiO2, физико-химические процессы при спекании этих материалов могут быть описаны с помощью диаграммы состояния MgO–Аl2O3–SiO2. На основании диаграммы состояния этой системы представляется возможным установить необходимые соотношения компонентов, обеспечивающих получение материалов, в которых кристаллической фазой является метасиликат магния MgO∙SiO2, оценить изменение количества стекловидной фазы в массе с изменением температуры обжига.

Исследованиями установлено, что для полного спекания стеатита требуется примерно 30–40% расплава. При обжиге чистого талька жидкой фазы не образуется вплоть до температуры его плавления (1547ºС). С добавлением к тальку 10% глины при температуре равной 1345ºС количество стекловидной фазы достигает 30% и при дальнейшем нагревании се количество резко возрастает. Получение плотного стеатита с составом 90% талька и 10% глины возможно в узком интервале температур 1350–1370ºС.

Спекание стеатитовых материалов, как и большинства керамических смесей, носит смешанный твердожидкостной характер. Процесс спекания происходит в две стадии: в твердофазном состоянии, при температуре ниже температуры образования расплава, и в присутствии последнего, при более высоких температурах. На первой стадии обжига линейные размеры изделий претерпевают незначительную усадку. Характер изменения усадки стеатита во второй стадии обжига, начинающейся с момента плавления стекловидной фазы, определяется скоростью роста стекловидной фазы, величиной ее вязкости и изменением вязкости с повышением температуры.

В интервале спекания фазовый состав стеатита практически не изменяется. Состав стекловидной фазы также остается без изменений. Наряду с этим наблюдается непрерывный рост кристаллов MgSiO3, что свидетельствует об одновременном протекании двух процессов с одинаковыми скоростями — растворения MgSiO3 и его рекристаллизация. Для снижения температуры спекания, расширения интервала спекания и придания стеатиту тех или иных свойств в стеатитовые массы вводят добавки – оксиды щелочных, щелочноземельных, трех - и четырехвалентных металлов или их соединения. Влияние добавок на свойства стеатита сводится к изменению свойств стекловидной фазы – ее плотности, механической прочности, диэлектрических свойств и т. п.

К добавкам, снижающим температуру спекания талько-глинистых масс с 1345ºС до 1250ºС и повышающим количество стекловидной фазы, следует отнести оксиды бария, кальция, магния, стронция и цинка. Введение их способствует получению более плотной структуры стеатитов, в которой затрудняются смещения ионов и поэтому тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов имеет меньшую величину. Вместе с тем введение оксидов щелочных металлов и избытка кремнезема, расширяющих интервал спекания стеатитов с 10–20ºС до 30–40ºС, способствует разрыхлению структуры стекловидной фазы и, следовательно, росту диэлектрических потерь. Одновременно снижается удельное электрическое сопротивление стеатитов по сравнению со стеатитами, не содержащими окислов щелочных металлов.

Стеатитовые материалы, в отличие от некоторых других керамических материалов, характеризуются достаточно мелкозернистой структурой. Кристаллическая фаза метасиликата магния представлена двумя модификациями—протоэнстатитом (чаще всего) и смесью кристаллов прото - и клиноэнстатита (реже). В незначительных количествах могут присутствовать кварц, кристобалит, муллит, форстерит и пр. Количество пор в стеатитовых керамиках составляет 8–10% (об.). Количество кристаллической фазы в стеатите составляет 60–70% (об.), стекловидной – 30–40% (об.). Различия в исходном состоянии стеатитовых масс приводят в конечном счете к получению материалов, в основном различающихся химическим составом стекловидной фазы.

Мелкокристаллическая структура стеатитовой керамики обеспечивает ей высокую механическую прочность. Механическая прочность изделий из стеатитовой керамики в 1,5–2 раза выше фарфоровых. Технологический процесс получения стеатитовых изделий методом пластичного формования принципиально не отличается от процесса изготовления изделий из фарфора. Различие заключается в том, что один из основных компонентов стеатитовой массы – тальк подвергается предварительному обжигу при 1300–1350ºС.

Высокоглиноземистая керамика. К высокоглиноземистой керамике относят керамику, содержащую более 45% А12O3. Увеличение содержания окиси алюминия в материале сопровождается повышением почти всех рабочих характеристик, достигающих предельного значения у корундовой керамики, практически полностью состоящей из α-А12O3.

Фазовый состав высокоглиноземистой керамики определяется соотношением количества А12O3 и SiO2. В действительности он зависит также от природы применяемого сырья (наличия примесей), технологии подготовки сырьевых материалов (однородности массы и ее дисперсности) и температуры обжига. В качестве основных составных компонентов высокоглиноземистых масс применяют высокоогнеупорные глины и каолины, технический оксид алюминия (глинозем). Реже применяют электроплавленный корунд. Для повышения пластичности исходной массы керамики используют в небольших количествах бентонит. В целях снижения температуры спекания в состав высокоглиноземистых масс вводят добавки, которые способствуют образованию расплава при более низких температурах.

Особенности технологии производства высокоглиноземистых керамических материалов определяются в значительной мере стремлением получить плотно спекшуюся керамику при минимальной температуре обжига. Снижению температуры спекания способствуют высокая степень дисперсности технического глинозема (или электроплавленного корунда), однородность массы, наличие соответствующих добавок (1–2% MgO, CaO, МnО, ВеО и Fe2O3). Приготовление высокоглиноземистых масс в принципе не отличается от приготовления фарфоровых масс, однако дисперсность непластичного компонента – обожженного технического глинозема или электроплавленного корунда должна быть высокой. Такая дисперсность достигается более длительным помолом и последующим просеиванием. Помол сырьевых компонентов обычно осуществляется мокрым способом. Формовка изделий производится либо методом пластического формования, либо методом горячего литья.

В отличие от других керамических материалов, высокоглиноземистые керамики характеризуются, как правило, высокой механической и электрической прочностью, устойчивостью к термоудару, низкими диэлектрическими потерями в широком интервале температур и частот, устойчивостью против воздействия различного рода агрессивных сред.

Области применения высокоглиноземистых керамик определяются их свойствами, последние же зависят от их химического и фазового состава. В зависимости от химического состава, определяющего фазовый состав высокоглиноземных материалов, они подразделяются на следующие группы:

– муллито-кремнеземистые, или домуллитового состава (45–70% А12O3);

– муллито-корундовый (70–95% Al2O3);

– корундовые (95–100% А12O3).

Особое практическое значение имеют материалы муллитово-корундового и корундового составов из-за их высокими электрофизических и механических свойств. В зависимости от содержания корунда и способа получения оксида алюминия высокоглиноземистым материалам присвоены различные наименования – ультрафарфор, уралит, алюмоксид и ряд других (22Х, ГБ-7 и др.).

Ультрафарфоровые массы и уралит относятся к муллитово-корундовой группе, содержат в своем составе достаточное количество глинистых компонентов и относятся поэтому к пластичным массам. Изделия из них изготавливаются обычными методами формования. Ряд других материалов, относящихся к муллитово-корундовой группе, а также материалы корундовой группы (например, М2-2, № 000 и др.) непластичны и изделия из них изготовляют горячим литьем под давлением или полусухим прессованием.

Оксидная керамика. К оксидной керамике относятся керамические материалы на основе чистых оксидов алюминия, циркония, бериллия, магния, цинка и ряда других элементов. Материалы из указанных оксидов отличаются высокой термостабильностью, прочностью, исключительно высокими диэлектрическими характеристиками при нормальной и повышенных температурах, большим удельным сопротивлением, малым значением тангенса угла диэлектрических потерь, высокой электрической прочностью. Обладая одновременно большой химической устойчивостью против воздействия различного рода агрессивных сред, они, в ряде случаев, могут успешно применяться для изготовления керамических изделий, к которым предъявляются самые жесткие требования и в первую очередь – работа при высоких температурах и в реакционных средах. Наиболее широко применяется керамика на основе оксида алюминия, благодаря хорошему сочетанию диэлектрических и физико-химических свойств и доступности исходного сырья – технического глинозема. Получение плотно спекшейся корундовой керамики связано с трудностью достижения высоких температур обжига (1750ºС) в промышленных печах. Поэтому возникла необходимость снизить температуру обжига, что было достигнуто за счет повышения дисперсности исходного материала и введения различного рода добавок, либо образующих твердые растворы (или новые кристаллические соединения), либо вызывающих образование жидкой фазы. В отдельных случаях корундовую керамику получают из чистого α-А12O3. Таким образом, по способу получения керамику на основе оксида алюминия можно подразделить на чисто корундовую керамику, керамику с добавками, не образующими в процессе обжига жидкой фазы, и керамику с плавнеобразующими добавками.