Электроматериаловедение - Конденсаторные керамические материалы

§ 84. Конденсаторные керамические материалы
Конденсаторные керамические материалы отличаются от обычных керамических материалов значительно большей величиной диэлектрической проницаемости (е). Кроме того, большинство конденсаторных керамических материалов обладает малым температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (ТКе). Вследствие этого в электрических установках с керамическими конденсаторами повышение температуры не вызывает заметного изменения емкости в установке.
Основным компонентом большинства исходных керамических масс для конденсаторной керамики является двуокись титана (TiOг) или двуокись олова (БпО2), представляющие собой порошки белого цвета. После обжига при температуре 1300—1350° С двуокись титана или двуокись олова приобретает плотную кристаллическую структуру.
Конденсаторные керамические материалы па основе двуокиси титана с небольшими добавками глинистых веществ и некоторых других компонентов известны под марками М-70; Т-80. Цифры при буквах показывают величину диэлектрической проницаемости этих материалов. Из них изготовляют керамические конденсаторы на высокие напряжения, так как эти материалы обладают относительно малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь
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 смеси этих окислов, взятых в определенном соотношении, образуются титанаты соответствующих металлов: титанат кальция (СаТiО3), титанат магния (MgTiО3), титанат цинка (ZnTiО3) и др. Все титанаты отличаются большими значениями диэлектрической проницаемости (е = 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.
Замечено, что у титанатов, имеющих большую величину диэлектрической проницаемости, наблюдается и большая величина температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКк).
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 большое применение материалы, получаемые на основе соединений двуокиси олова (SnC2) с другими металлами (СаО; MgO и др.). Такого рода диэлектрики называются станнатами, например станнат кальция (CaSn03), станнат магния (MgSn03) и др.
Эти керамические материалы обладают весьма малыми положительными значениями температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТКе=(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 электроизоляционные свойства титанатовой керамики ухудшаются и при высоких напряжениях это приводит к пробою конденсаторов.
Керамические конденсаторы (см. рис. 131) 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 (см. рис. 131, г). Конденсаторы, полученные одним из трех описанных способов, подвергают термической обработке — обжигу в печах. В результате обжига получают неувлажняемые изделия из плотных керамических материалов. Керамические конденсаторы не нуждаются в герметизации (металлических или пластмассовых кожухах), которая необходима для защиты от влаги бумажных и слюдяных конденсаторов.
Металлические электроды наносят па поверхность керамических конденсаторов методом вжигания серебра. Для этого на поверхность уже готовых керамических конденсаторов наносят слой 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 неглазурованной керамики, образуя слой толщиной 8—12 мкм. 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. 47.