Технологический процесс получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсовой проект содержит 50 с., 2 рис., 7 источников.

Стекла, технологический процесс, ситалл, стеклообразное состояние, стекольная технология, диэлектрик, конденсатор, диэлектрическая проницаемость.

Цель работы: изучение технологического процесса получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью.

В процессе работы было изучены параметры, определяющие структуру стекла. Подробно изучены стеклокристаллические материалы (ситаллы) их классификация и методы получения. Изучен технологический процесс получения ситаллов. Построена технологическая схема получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью, у которой компонентами является глинозем, карбонад бария, кварцевый песок, и так же вводится катализатор рутил. Произведен контроль параметров синтезированного материала. Изучена техника безопасности при варке стекла.

Содержание

Введение

1. Исследование в области стеклокристаллических материалов (ситаллов)

1.1 Стеклообразное состояние. Стекло. Свойства стекла и его структура

1.2 Классификация стекол по составу

1.3 Стеклокристаллические материалы (ситаллы)

1.3.1 Классификация ситаллов

1.3.2 Методы получения ситаллов

1.3.3 Область применения ситаллов

1.4 Анализ обзора литературы

2. Технологический процесс получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью

2.1 Обоснование выбора состава

2.2 Расчет шихты стекла для ситалла

2.3 Подготовка шихты

2.3.1 Выбор тиглей

2.4 Варка стекла

2.4.1 Силикатообразование стекла

2.4.2 Стеклообразование

2.4.3 Осветление

2.4.4 Гомогенизация

2.4.5 Студка

2.4.6 Выработка стекла на воду

2.5 Прессование стекломассы

2.6 Кристаллизация стекла

2.6.1 Образование центров кристаллизации (зародышей)

2.6.2 Рост кристаллов

3. Контроль параметров

3.1 Контроль стекольной шихты

3.2 Диэлектрическая проницаемость стекла

3.3 Диэлектрические потери в стекле

3.4 Определение диэлектрических потерь и проницаемости

4. Техника безопасности при производстве стекла

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Ситаллы, или стеклокристаллические материалы, представляют собой новые неорганические материалы широкого технического назначения. Их получают путем тонкой кристаллизации стекол или расплавов различных составов, протекающей во всем объеме заранее отформованного изделия. Кристаллизация приводит к получению весьма мелкозернистой и равномерной структуры, обеспечивающей высокие механические и термомеханические свойства изделия.

По своей структуре ситаллы подобны керамике: они также состоят из кристаллической и стекловидной фаз, отличаются лишь большей дисперсностью структуры.

Достоинством ситаллов как конструкционных материалов является сочетание высокой механической прочности с низким удельным весом. К недостаткам ситаллов необходимо отнести наблюдаемый при испытании разброс значений прочности, снижающий надежность работы этих материалов в конструкциях и не позволяющий полностью использовать заложенную в них прочность

В настоящее время известно несколько областей практического применения ситаллов: радиотехника, электронная промышленность, химические и пищевые производства, где их употребляют в качестве электрических изоляторов, износоустойчивых и кислотоупорных плиток, жаростойких труб и т.п. В результате опытных работ появляются все новые и новые разновидности ситаллов и изделий из них.

1. Исследование в области стеклокристаллических материалов (ситаллов)

1.1 Стеклообразное состояние. Стекло. Свойства стекла и его структура

Вещества в твердом состоянии при обычных температуре и давлении могут иметь кристаллическое или аморфное строение. Кристаллическое состояние является стабильным при обычных условиях и характеризуется наиболее низкой внутренней энергией. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления.

Стеклообразное состояние вещества представляет собой аморфную разновидность твердого состояния. Стеклообразное состояние является метастабильным, т. е. характеризуется избытком внутренней энергии.

В стеклообразном состоянии могут находиться вещества, принадлежащие к разным классам химических соединений.

Стекла - неорганические квазиаморфные вещества, представляющие собой сложные системы различных оксидов. Получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть «обратимым».

Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки. Плотность колеблется от 2 до 8,1мг/м³, прочность стекол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв. Стекла обладают способностью восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Не имеют ярко выраженной температуры плавления. Стеклообразные системы, как и другие тела, обладают способностью поглощать механические, в частности, звуковые и ультразвуковые колебания. Имеют высокую химическую устойчивость по отношению к различным агрессивным средам.

1.2 Классификация стекол по составу

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др.

Элементарные стекла - это стекла, состоящие из атомов одного элемента. В стеклоподобном состоянии можно получить серу, селен, мышьяк, фосфор. Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк - методом сублимации в вакууме; фосфор - при нагревании под давлением более 100 МПа.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединений. При определении класса учитывается природа стеклообразующего оксида, входящего в состав стекла в качестве главного компонента. Классическими стеклообразователями являются оксид бора, оксид кремния, оксид германия, оксид фосфора. Таким образом, различают классы силикатных, боратных, фосфатных, германатных, теллуритных, алюминатных и других стекол. Каждый из классов, в свою очередь, разделяется на группы в зависимости от природы сопутствующих оксидов, входящих в состав стекла.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента ВеF₂. Многокомпонентные составы фторобериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария. Фторобериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой стойкости к действию жестких излучений, включая рентгеновские и г-лучи, агрессивных сред - фтор, фтористый водород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах. Они прозрачны в инфракрасной области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обладают внутренним фотоэффектом.

1.3 Стеклокристаллические материалы (ситаллы)

Ситаллом называют искусственный поликристаллический материал, полученный кристаллизацией стекла соответствующего химического состава и обладающий более высокими по сравнению с этим стеклом физико-химическими свойствами. Ситаллы состоят из множества более или менее мелких кристаллов, связанных между собой межкристаллической прослойкой.

Для превращения стекла в ситалл необходимы два условия: во-первых, стекло должно иметь нужный химический состав и, во-вторых, процесс кристаллизации такого стекла должен осуществляться по особому методу. Первое условие обеспечивает образование таких кристаллических фаз, которые определяют свойства ситалла. Второе условие относится, в основном, к режиму термической обработки исходного стекла при его превращении в ситалл. Термическая обработка позволяет образовать в стекле зародыши кристаллизации и обеспечить их превращение в микрокристаллы с переходом стекла в более или менее закристаллизованное состояние [1].

Ситаллы состоят из кристаллической и остаточной стекловидной фаз. Размер кристаллов, как правило, менее 1 мкм, а их концентрация может меняться в значительных пределах (20 - 90% по объему).

Существует ряд поликристаллических материалов, получаемых методами керамической технологии, например: муллит, динас, магнезит и др. Эти материалы обычно получают из готовых кристаллических порошков, которые в процессе термической обработки спекаются и рекристаллизуются.

Ситаллы, как правило, получают из расплавов, застывающих в стекловидной форме и способных при повторном нагревании выделять определенные кристаллические фазы. В некоторых случаях ситаллы получают и с помощью порошкового метода, сходного с применяемым в керамике. Однако при получении ситаллов применяют не кристаллические, а стекловидные порошки, которые при нагревании кристаллизуются и спекаются в монолитный материал поликристаллического строения. Следовательно, отличительная особенность технологии ситаллов состоит в ее генетической связи с технологией стекла.

Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. Имеют как очень маленький, так и большой коэффициент линейного расширения, высокую теплопроводность и удовлетворительные электрические характеристики.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными коэффициентами термического расширения [2].

1.3.1 Классификация ситаллов

Все известные ситаллы можно условно подразделить на две группы: технические ситаллы и ситаллы на основе промышленных отходов и горных пород.

Технические ситаллы получают на основе смесей разных соединений элементов. Особую подгруппу технических ситаллов составляют фотоситаллы. Технические ситаллы могут быть разбиты на подгруппы либо по составу (например, литийсодержащие, свинецсодержащие и т. п.), либо по ведущему свойству (например, термостойкие, прозрачные и т. п.). Группа ситаллов на основе промышленных отходов и горных пород состоит в основном из шлакоситаллов и петроситаллов. Шлаковые ситаллы включают ситаллы на основе шлаков черной и цветной металлургии. К этой же группе относятся и ситаллы на основе различных других шлаков. Петроситаллы включают ситаллы на основе горных пород (базальтов, диабазов и др.), а также на основе отходов разных обогатительных производств.

Слюдоситаллы получают на основе твердых раствор флогопита. Сочетают высокие механические и электрические свойства с хорошей механической обрабатываемостью. Их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать.

Ситаллоцементы получают на основе стекол системы PbO-ZnO-В₂О₃-SiO₂, имеют очень низкий коэффициент теплового расширения. Отличаются повышенной термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию, высокой механической и электрической прочностью.

Фотоситаллы - это ситаллы, полученные из светочувствительных стекол. Такие стекла содержат добавки, способные в результате облучения и термообработки вызвать в стекле избирательную или сплошную кристаллизацию. Для получения фоточувствительных стекол пригодны многие силикатные составы, в которые введены небольшие добавки светочувствительных металлов и сенсибилизаторы.

Исходное стекло представляет собой аморфную силикатную матрицу, в которой равномерно распределены ионы светочувствительных металлов. В результате облучения в нем появляются свободные электроны (фотоэлектроны), испускаемые светочувствительными ионами под воздействием энергии коротковолнового излучения. Наличие фотоэлектронов в облученном стекле, временно локализованных вблизи ионов металла и в структурных дефектах, создает метастабильное состояние, которое устойчиво сохраняется при обычной температуре. При нагревании и уменьшении вязкости стекла, фотоэлектроны присоединяются к ионам металлов с образованием свободных атомов, в последующем эти атомы группируются в ядра. Термообработку с целью проявления изображения следует проводить по тщательно подобранному режиму [1].

Ситаллы со специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем ВаО-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и Nb₂O₅-CoO-Na₂O-SiO₂. Характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью и низким коэффициентом диэлектрических потерь. Используются для изготовления низкочастотных конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны полупроводниковые, ферромагнитные, ферроэлектрические, сегнетоэлектрические ситаллы, с различным сочетанием электрических свойств.

Шлакоситаллы - ситаллы изготовляют из отходов промышленности с добавкой кварцевого песка и небольшого количества других компонентов. По своей структуре шлакоситаллы представляют собой материал, на 60-70% состоящий из кристаллической фазы, отдельные зерна которой окружены и скреплены прослойкой остаточного стекла. Размер кристаллов не превышает 0,5-1 мкм. Весьма малый размер кристаллов, сравнительно небольшое различие коэффициентов расширения и плотностей кристаллической и стекловидной фаз, хорошее сцепление кристаллов со стекловидной связкой обеспечивают повышенные прочностные и антикоррозионные свойства шлакоситаллов. Минералогический состав их обусловливает высокие диэлектрические характеристики материалов [2].

Петроситаллы - изготовлены на основе различных горных пород - изверженных (базальт, диабаз, гранит, нефелиновый сиенит и др.), осадочных (пески, глины, мергели, каолины и др.) и метаморфических (гнейсы, сланцы, мраморы, серпентиниты и др.). Петроситаллы обладают меньшей пористостью, более мелкозернистой структурой и повышенной механической прочностью, а также более устойчивы к кислотам и щелочам.

1.3.2 Методы получения ситаллов

Для производства ситаллов используют технологию стекольного производства. Полученное из соответствующего стекла изделие затем должно быть превращено в ситалл путем кристаллизации.

Технологический процесс производства изделий из стекла (получение шихты, варка стекла, формование изделий, отжиг изделий), дополняется еще одним технологическим этапом - кристаллизацией изделий, который может следовать за формованием, минуя отжиг, или осуществляться после отжига.

В некоторых случаях для получения ситаллов применяют керамическую технологию («порошковый метод») по схеме: получение шихты, варка стекла, гранулирование, измельчение стекла в порошок, получение пластичной композиции - шликера (стекло со связкой), формование изделий, спекание и кристаллизация. Этот технологический прием является менее совершенным, так как получаемые изделия всегда имеют некоторую, хотя и небольшую пористость. Однако в особых случаях и при получении деталей очень, сложной конфигурации порошковый метод может оказаться незаменимым.

Спеченный ситалл получают двумя методами: спеканием порошков стекла (размер зерен около 10 мк) с добавкой порошка катализатора; спеканием порошка стекла, в который катализатор введен на стадии его варки.

1. Стекольная технология получения ситаллов

Приготовление шихты. При составлении шихты используют обычные для стеклотехники приемы подготовки компонентов сырья, их смешивания и подачи шихты к загрузочным устройствам стекловаренных печей. Отличие ситалловой шихты от стекольной заключается в том, что первая содержит катализатор кристаллизации. Химически неоднородное стекло с многочисленными газовыми включениями не может обеспечить высоких физических и химических свойств ситалла. Требования к чистоте применяемых компонентов сырья в зависимости от вида и назначения ситалла могут быть различными. При получении прозрачных ситаллов чистота этих компонентов должна находиться на уровне оптического стекла, так как малейшие примеси оксидов железа отрицательно сказываются на цвете и прозрачности ситалла. Подобным же образом при получении ситаллов с высокими диэлектрическими свойствами вредными оказываются примеси переходных металлов, которые могут приводить к электронной проводимости, резко ухудшая электрические свойства ситалла. В то же время при производстве целого ряда технических ситаллов, а также шлакоситаллов требования к чистоте сырьевых компонентов значительно ниже обычно принятых в технологии стекла. В составах таких ситаллов, например, может быть допущено содержание повышенных количеств красящих оксидов.

Компоненты - оксиды алюминия, кальция, магния, лития и т. п. - могут вводиться в шихту ситаллов через разные природные смеси и минералы также с пониженными требованиями к содержанию примесей. Это в особенности относится к различным дешевым композициям для получения закристаллизованных стекол типа шлакоситаллов, петроситаллов и т. п. Допустимое отклонение состава ситалла от заданного определяют на основании сравнения ведущих свойств ситалла для состава без примесей и состава с примесями. К этому необходимо добавить, что некоторые оксиды и в малых количествах могут оказывать значительное влияние на процесс кристаллизации и на свойства получаемых при этом ситаллов.

Варка стекломассы при производстве ситаллов осуществляется в различных стекловаренных печах; температура ее и длительность зависят от состава стекла. Наряду с легкоплавкими стеклами, температура варки которых около 1300°С, для получения ситаллов применяют и более тугоплавкие составы с температурой варки около 1700°С. Для обеспечения высокой степени гомогенности стекла при необходимости применяют различные приемы перемешивания. При использовании летучих катализаторов (фториды, сульфиды, некоторые окислы и т. д.) приходится прибегать к специальным мерам по предупреждению или, по крайней мере, по уменьшению потерь этих компонентов в процессе варки стекла. Известно, что количество катализатора должно быть определенным, и его уменьшение в результате улетучивания может сделать стекло непригодным для кристаллизации по принятому режиму. Такое положение способно вызвать серьезное затруднение в производстве, и чтобы избежать его, принимают ряд мер, стабилизирующих количество летучего катализатора.

При варке стекол, содержащих сульфидную серу, во избежание ее выгорания недопустимо присутствие кислорода в газовом пространстве печи. Варку ситалловых стекол следует проводить в строго контролируемых восстановительных или нейтральных условиях; температуру, и время выдержки сохранять постоянными. Содержание сульфидной серы в стекле не влияет на фазовый состав материала, но от нее зависят количество выделившейся кристаллической фазы и свойства закристаллизованных стекол.

Для получения шлакоситалла с максимальным количеством кристаллической фазы и наилучшими свойствами в стекле необходимо сохранять 0,3 - 0,5% S^2-; при меньшем количестве S^2- стекло не кристаллизуется, а при большем - процесс кристаллизации становится самопроизвольным. Процесс улетучивания сульфидной серы находится в определенной взаимосвязи с улетучиванием и ряда других компонентов, в первую очередь фтора и оксида цинка (при их совместном содержании в стекле). Фтор, как и сера, принадлежит к числу летучих компонентов, и концентрация его в стекле при изменении условий варки может значительно меняться. Вследствие улетучивания фторидов особенно большие потери наблюдаются в поверхностном слое стекломассы, при этом теряется до 75 - 90% количества фтора, введенного в шихту. На глубине 100 - 300 мм потери фтора уменьшаются до 35 - 40% исходного содержания его в шихте. Стабилизация содержания указанных добавок в стекле представляет собой сложный физико-химический процесс, который при прочих равных условиях зависит прежде всего от постоянства содержания сульфидной серы.

В процессе кристаллизации при синтезе ситаллов с использованием диоксида титана большую роль играют температурные и окислительно-восстановительные условия варки. Титан может присутствовать в стекле в различном валентном состоянии. Преобладает обычно наивысшая степень окисления, однако при высоких температурах содержание трехвалентного титана в расплаве и его устойчивость значительно возрастают. По своему положению в структуре стекла ТiO₂ относится к группе «промежуточных оксидов» и в зависимости от состава стекла и условий его получения может быть как сеткообразователем, так и модификатором. Координация титана при этом может меняться от тетраэдрической к октаэдрической. Последнее может происходить при изменении температуры и условий варки. Влияние условий варки стекла на процесс его кристаллизации связано прежде всего с частичным восстановлением Ti⁴⁺ до трехвалентного состояния. При этом по механизму своего влияния на процесс кристаллизации область концентрации Тi₂Оз может быть разделена на две:

а) область малых концентраций Тi₂Оз, которая изменяет фазовый состав ситаллов только количественно;

б) область более высоких концентраций (около 2% Ti₂О₃), вызывающих изменение всего процесса кристаллизации. При таких концентрациях Тi₂Оз принимает непосредственное участие в образовании кристаллических фаз.

Формование стекла перед его кристаллизацией может осуществляться всеми методами, известными в стеклотехнике. Однако на практике формование ситалловых стекол сопряжено с большими трудностями: многие из них являются весьма короткими и имеют узкий температурный интервал формования, который к тому же сдвинут в область повышенных температур. Температурная область формования соответствует изменению вязкости. Разным способам формования соответствуют разные значения вязкости: от наименьших для литья до наибольших, для вытягивания. В связи с этим чаще всего при формовании ситаллов применяют литье, в частности центробежное, и прессование. Для использования других методов, принятых в стеклотехнике (непрерывное прокатывание и вытягивание), необходимо корректировать состав стекла в таком направлении, чтобы изменение его вязкости с температурой было аналогично изменению вязкости у обычных стекол. Однако это трудно осуществить, так как корректировка химического состава меняет фазовый состав ситалла, а, следовательно, и его свойства. Кроме того, для корректировки состава могут потребоваться такие добавки, которые значительно повысят стоимость ситалла.

Имеется еще одно осложнение, которое затрудняет формование любого стекла, а в особенности с повышенной склонностью к кристаллизации, к которым принадлежат и стекла для получения ситаллов: температурный интервал формования часто является областью наиболее интенсивной кристаллизации стекла. Это обстоятельство определяет необходимость вести формование таким способом, который позволяет миновать или быстро пройти опасную с точки зрения кристаллизации температурную зону. Именно поэтому наиболее распространенным приёмом формования стекла при получении ситаллов является литье, простое и центробежное. Этот прием дает возможность относительно легко избежать частичной кристаллизации в процессе формования, поскольку оно осуществляется при минимальной вязкости, а, следовательно, при заведомо высокой температуре.

В стекле после формования всегда образуются внутренние напряжения, которые могут превысить предел прочности и разрушить изделие. Поэтому отформованное изделие для удаления этих напряжений должно быть отожжено. Отжиг стекла проводится при температурах, соответствующих вязкости. Если стеклянные изделия направляются на кристаллизацию сразу после формования, т.е. без охлаждения, то отжиг можно и не проводить, изделия приходится лишь нагревать до температуры выделения максимального числа центров кристаллизации.

Кристаллизация стекла. Для получения ситаллов необходимо:

а) выбрать соответствующий состав стекла;

б) ввести в этот состав катализатор кристаллизации и сварить стекло;

в) провести специальную термическую обработку так или иначе, отформованного изделия из стекла, содержащего катализатор кристаллизации.

Оптимальная термическая обработка является самым важным элементом технологии ситаллов. Проблема выбора наиболее эффективного режима термической обработки является самой сложной. Назначение термической обработки состоит в том, чтобы она обеспечила, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; во-вторых, необходимую степень закристаллизованности, и, в-третьих, заданный фазовый состав ситалла. Первое условие определяет мелкозернистость структуры, второе - возможно полное превращение стекла в поликристаллический материал, третье - выделение кристаллических фаз, с определенными свойствами. Весьма важным технологическим требованием к режиму термической обработки является его непродолжительность, т. е. время обработки должно быть минимальным (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема режима термической обработки стекла при его превращения в ситалл

В схеме фиксируются две характерные температуры режима, одна из которых отвечает максимуму образования центров кристаллизации, вторая - максимуму линейной скорости роста кристаллов. Для наглядности схема составлена из двух условно совмещенных графиков. Это позволяет установить связь известного графика максимумов образования центров кристаллизации и линейной скорости кристаллизации с графиком режима термообработки. Процесс кристаллизации может быть осуществлен как при охлаждении расплава, так и при нагревании застывшего стекла. В принципе не имеет значения, ведется ли процесс при охлаждении или при нагревании. Может измениться только очередность выделения фаз. Решающее значение имеют нахождение оптимальной температуры первой и второй остановки на кривой термической обработки и длительность этих остановок.

Как видно из рисунка 1.1, принципиально должна существовать одна температура для каждой ступени термообработки. Именно эта, задача и должна быть решена экспериментально. Кроме этого, необходимо решить, какой длительности должны быть остановки на этих двух ступенях термической обработки.

Оптимальный режим предполагает установление рационального темпа нагревания (или охлаждения) на других отрезках кривой термообработки. Темп нагревания может решающим образом повлиять на структуру закристаллизованного материала.

Темп нагревания. Скорость, с которой увеличивается температура, может зависеть от ряда причин: склонности изделий к деформации, появления предельных напряжений; возникновения опасного температурного градиента, возможностей нагревательного устройства. Возможности многих нагревательных устройств в большинстве случаев позволяют вести подъем температуры с весьма большой скоростью. Следовательно, нагревательные устройства не представляют значительных препятствий для осуществления очень высоких скоростей нагревания.

Темп нагревания ограничивается другими причинами. Первая, при очень быстром нагревании (выше 20 - 30°С/мин) толстостенных изделий возможно их разрушение вследствие возникновения такого температурного градиента по толщине изделия, который вызывает образование напряжений, превышающих предел прочности. Скорость нагревания не ограничивается для изделий с очень тонкими стенками. Для стекол с малым тепловым расширением указанные напряжения менее опасны, чем для стекол с большим расширением. Вторая причина состоит в том, что при высокой скорости нагревания в области температур, превышающих температуру размягчения стекла, возможна деформация изделий, если при заданном темпе нагрева не успевает пройти процесс образования кристаллического каркаса, армирующего изделие. Третья причина, ограничивающая скорость нагревания, состоит в том, что и при отсутствии градиента температур по толщине изделия в нем могут образоваться предельные напряжения, способные вызвать разрушение изделия или появление на нем трещин. Это происходит в том случае, если объемные изменения, сопровождающие кристаллизацию, проходят столь быстро, что возникающие при этом напряжения между кристаллическими зернами разных фаз, а также между этими зернами и стеклофазой не успевают релаксировать ввиду быстрого темпа нагревания. Таким образом, при установлении темпа нагревания необходимо считаться с тем, что он не должен вызывать явлений, представляющих опасность для целостности и формы изделий. Вместе с тем для технологии ситаллов весьма важно предельно ускорить темп нагревания, чтобы сделать цикл термообработки возможно более коротким. Практически скорость нагревания обычно составляет 2 - 5°С/мин, а для тонкостенных изделий до 10°С/мин и более.

Первая стадия термообработки. Температурно-временная ступень вблизи температуры стеклования отвечает режиму, при котором образуются центры кристаллизации. При правильном определении температуры эта ступень может быть короткой, и, наоборот, если температура установлена неправильно, длительность выдержки возрастает, ступень удлиняется.

Вторая ступень термообработки отвечает температуре максимального роста кристаллов, а длина этой ступени соответствует времени, которое требуется для кристаллизации стекла по всему объему. Температуру второй ступени можно определить значительно точнее, так как просто устанавливается экзотермический пик, соответствующий температуре максимального выделения той или иной кристаллической фазы.

Отжиг изделий. Охлаждать изделия из ситалла, если они тонкостенны или имеют малые размеры, можно без особых предосторожностей, так как опасность разрушения таких изделий вследствие закалки весьма мала. В особенности это относится к ситаллам с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Для крупногабаритных изделий требуется соблюдать соответствующий медленный режим охлаждения (отжиг), исключающий возникновение опасных напряжений.

2. Керамическая технология получения ситаллов

По керамической (порошковой) технологии получения ситаллов из расплава стекла вначале получают гранулят, который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластическую связку и из образовавшейся массы прессованием или шликерным литьем формуют изделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией. По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные ситаллы характеризуются более низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания. Порошковая технология позволяет получать из ситаллов термически стойкие изделия сложной конфигурации и малых размеров [3].

1.3.3 Область применения ситаллов

Ситаллы широко используются в промышленности в качестве облицовочного материала, элементов слоистых панелей в конструкциях промышленных зданий. Очень большое распространение в химическом машиностроении получили стеклокристаллические покрытия, наносимые на поверхность различных металлов для защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. На предприятиях химической, коксохимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности используют ситалловые трубы.

Все шире области применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют в качестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схем на керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита и доломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревых электроизоляторов. Стеклокерамические корпуса нашли применение для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем. Литиево-алюмосиликатная стеклокерамика в сочетании с барийалюмосиликатным стеклом в наши дни служит наполнителем в материалах для пломбирования зубов. Применяются также ситаллы в строительстве. В отличие от многих традиционных материалов, применяемых при отделке зданий и сооружений, эти материалы характеризуются комплексом весьма ценных эксплуатационных свойств: повышенной прочностью и долговечностью, морозоустойчивостью, низким водопоглощением, высокой абразивоустойчивостью, способностью длительное время работать в неблагоприятных условиях и агрессивных средах. Стеклокристаллические материалы биостойки, гигиеничны, имеют абсолютную устойчивость к выцветанию под воздействием солнечного излучения и моющих средств. Они относятся к категории негорючих отделочных материалов, под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют, не обугливаются и не выделяют токсичных веществ.

Если в структуре материала преобладает стеклообразная фаза, отдельные кристаллики и кристаллические образования оказываются диспергированными в объеме стекловидной матрицы. К таким материалам относятся авантюриновые стекла, стекломрамор, стеклокристаллит, стеклокремнезит. Если количество кристаллической фазы в структуре материала составляет более 50 - 60%, то стеклофаза выполняет роль цементирующей прослойки, скрепляющей отдельные кристаллы силикатов [2].

1.4 Анализ обзора литературы

В данном разделе был проведен обзор литературы по теме исследование в области стеклокристаллических материалов (ситаллов). Рассмотрены свойства и структура стекол, их классификация по составу. Изучено понятие ситалл, рассмотрены его основные свойства, классификация, методы получения и область применения.

Целью данной работы является изучение технологического процесса получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью. Во втором разделе представлен расчет шихты, описание технологического процесса и технологическая схема.

2. Технологический процесс получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью

2.1 Обоснование выбора состава

Исходное стекло для получения на его основе ситалла должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Оно не должно кристаллизоваться в процессе формования из него изделий и при охлаждении.

2. В то же время оно не должно отличаться особой устойчивостью аморфного состояния. В определенном температурном интервале стекло должно обладать достаточной склонностью к кристаллизации с образованием мелкокристаллической структуры.

3. Исходное стекло должно быть технологичным, т.е. обладать приемлемой температурой варки, изготовления изделий и т.д.

4. Исходные составы стекол для получения ситаллов следует выбирать по соответствующим диаграммам состояния в области ликвидации или примыкать к ней. Выбор таких составов и применение катализаторов создает благоприятные условия для получения микроликвационных систем, обеспечивающих равномерную высокодисперсную кристаллическую структуру ситаллов.

На основе системы BaO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂ получаются ситаллы с высокой диэлектрической постоянной и низкими диэлектрическими потерями ().

Это объясняется синтезом соединения с сегнетоэлектронными свойствами (а именно BaTiO₃). Поэтому ситаллы могут быть использованы для изготовления низкочастотных конденсаторов большей емкости и т.д.

SiO₂ и Al₂O₃ вводятся для улучшения стеклообразования (т.к. это оксиды - стеклообразователи).

F₂ и CaO (понижают Тпл. шихты). Чтобы исключить образование других соединений ВаО вводится в стекло с избытком.

Высокая концентрация SiO₂ и недостаток Al₂O₃ приведет к уменьшению количества BaTiO₃ и значительному снижению диэлектрической проницаемости.

TiO₂ - (оксидный катализатор) применяется при синтезе ситаллов разных составов. Отличается высокой степенью упорядоченной структуры, обуславливающей быструю ее кристаллизацию. Увеличение содержания катализатора приводит к усилению ликвидации стекла. Количество вводимого оксида титана составляет от 5 до 15% и зависит от состава исходных стекол[4].

2.2 Расчет шихты стекла для ситалла

Исходный материал - стекло. Состав мол. %: 64,9 - BaO, 7,9 - Al₂O₃, 9,0- SiO₂, 17,2 - ТiO₂, 0,7 - CaO, 0,3 - F₂.

Для синтеза ситалла выбираем следующие сырьевые материалы:

1) ВаО вводится карбонадом бария (BaCO₃)

BaCO₃ > BaO + CO₂

M(BaCO₃) = 197,341 г/моль

M(BaO) = 153,33 г/моль

2) Al₂O₃ глиноземом

М(Al₂O₃) = 101,96 г/моль

3) SiO₂ кварцевым песком

М (SiO₂) = 60,086 г/моль

4) ТiO₂ рутилом

М(ТiO₂) = 79,9 г/моль

5) CаO мелом (СaCO₃)

СaCO₃ > СaO + CO₂

M(СaCO₃) = 129,731 г/моль

M(СaO) = 85,72 г/моль

6) F₂ фторидом алюминия (AlF₃)

М (F₂) = 37,98 г/моль

1) Для расчета шихты необходимо пересчитать составы из молярных процентов в массовые:

ВаO:

Al₂O₃:

SiO₂:

ТiO₂:

СаO:

F₂:

2) Сумма массовых частей:

? = 99,5+8,055+5,41+13,74+0,6+0,11 = 127,415 м.ч.

3) Переводим массовые части в масс. %

ВаО:

Al₂O₃:

SiO₂:

ТiO₂:

СаO:

F₂:

Находим сумму:

? = 78,12+6,31+4,24+10,78+0,47+0,08 = 100 масс. %

Расчет шихты:

1) карбонад бария (BaCO₃): K=1,28

г

2) глинозем (Al₂O₃): К=1,02

г

3) кварцевый песок (SiO₂₎: К=1,02

г

4) рутил (ТiO₂): К=1

г

5) мел (СaCO₃): К=1,51

г

6) фторид алюминия (AlF₃): К=2

г

Сумма шихты:

? = 99,98+6,44+4,325+10,78+0,71+0,16= 122,395 г

2.3 Подготовка шихты

Для варки стекла сырьевые материалы должны быть предварительно подготовлены. При составлении шихты используют обычные для стеклотехники приемы подготовки компонентов сырья. Сыпучие материалы просеивают, а кусковые вначале измельчают, а затем также просеивают. В случае необходимости сырьевые материалы сушат перед просеиванием или измельчением. Подготовленные сырьевые компоненты, взятые согласно составу шихты, тщательно перемешивают с добавлением катализатора кристаллизации. При получении прозрачных ситаллов чистота этих компонентов должна находиться на уровне оптического стекла, так как малейшие примеси оксидов железа отрицательно сказываются на цвете и прозрачности ситалла. А также при получении ситаллов с высокими диэлектрическими свойствами вредными оказываются примеси переходных металлов, которые могут приводить к электронной проводимости, резко ухудшая электрические свойства ситалла. Хорошее смешивание шихты облегчает в дальнейшем варку стекла, дает более однородное стекло. При плохом перемешивании шихты стекло будет иметь свили, пузыри и другие пороки. Химически неоднородное стекло с многочисленными газовыми включениями не может обеспечить высоких физических и химических свойств ситалла.

2.3.1 Выбор тиглей

Для варки стекла используют платиновые и платинородиевые тигли.

Платиновые и платинородиевые сплавы являются высокоогнеупорными материалами.

В платиновых тиглях разлагаются горные породы. Их используют при особо точных и ответственных аналитических операциях. В платиновых тиглях нельзя сплавлять едкие щелочи, перекись натрия, окиси и гидроокиси бария и лития, соли синильной кислоты. Нельзя прокаливать вещества, содержащие окислы железа, соли тяжелых металлов, таких, как сернокислый свинец, перекись свинца, окись олова, висмута, сурьмы

Тигли из платинородиевых сплавов используются в лабораторных исследованиях и для выращивания некоторых драгоценных камней и электрооптических кристаллов [5].

2.4 Варка стекла

Шихту плавят в тиглях, емкость которых зависит от количества стекла, подлежащего варке. Тигли с шихтой помещают в печь. После размещения тиглей печь закрывают и замазывают глиной ее загрузочное отверстие для устранения подсоса холодного воздуха. Используют для варки стекла окислительную или нейтральную газовую среду.

Перед варкой стекла устанавливают режим нагрева, охлаждение печи и длительность выдержки при максимальной температуре. На основе этих данных вычерчивают график варки в система координат: температура - время. При варке стекла следует строго придерживаться этого режима, отмечая все отклонения. Температурный максимум варки стекла составляет 1450^оС. Продолжительность варки зависит от состава стекла. Кроме того, следует учитывать интенсивность облучения тигля в печи.

Температуру при разогреве печи можно поднимать со скоростью 200^оС/час. При этом нужно учитывать термостойкость футеровки печи и тиглей, а также склонность стекла к пенообразованию, в результате которого возможно разбрызгивание стекломассы из тиглей. Продолжительность выдержки при максимальной температуре зависит от тугоплавкости стекла, вязкости стекломассы и других факторов, она составляет не более 5 часов.

При использовании летучих катализаторов (фториды, сульфиды, некоторые окислы и т. д.) приходится прибегать к специальным мерам по уменьшению потерь этих компонентов в процессе варки стекла.

Варка стекла для получения ситаллов делиться на 2 стадии: силикатообразование и кристаллизация стекла.

2.4.1 Силикатообразование стекла

Начальная стадия варки силикатных стекол. Это процесс протекания химических реакций между входящими в состав стекольной шихты материалами. Силикатообразование осуществляется при относительно невысоких температурах, идет без особых затруднений и не требует весьма длительных выдержек. Однако он может быть ускорен путем повышения температуры, увеличения реагирующей поверхности, добавок ускорителей, оптимального увлажнения, уплотнения шихты (гранулы, брикеты).

На первом этапе нагревания шихты, еще до вступления в химическое взаимодействие между собой, компоненты шихты претерпевают ряд физических изменений: из шихты испаряется влага, идут процессы обезвоживания гидратов и термического разложения некоторых солей, происходят переходы в другие кристаллические модификации. Далее, по мере повышения температуры, в химическое взаимодействие вступают кварцевый песок и глиноземсодержащие материалы, образующие с солями различные силикаты, в результате чего появляется так называемый первичный расплав. При наличии расплава химическое взаимодействие компонентов шихты значительно ускоряется.

На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спек, включающий вступившие и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100-1200 °С.

2.4.2 Стеклообразование

На этапе силикатообразования не весь диоксид кремния входит в состав силикатов, поскольку он вводится в большом количестве, чем требуется для связывания других компонентов в силикаты. Избыточное количество диоксида кремния составляет 30% массы песка в шихте. На этапе стеклообразования происходит растворение избыточного диоксида кремния в расплаве силикатов. Процесс более медленный по сравнению с силикатообразованием и занимает около 60 - 70% времени, которое затрачивается на весь процесс.

На этапе стеклообразования остатки кварцевых зерен медленно растворяются в вязком расплаве силикатов. Вокруг каждого зерна в результате образуется пограничная зона с повышенным содержанием диоксида кремния. По мере насыщения зоны растворение кварцевого зерна затормаживается. Для продолжения растворения необходимо, чтобы избыточный диоксид кремния был удален в окружающий раствор силикатов. Этот процесс совершается диффузионным путем под влиянием градиента концентрации. Таким образом, растворение остатка кварцевого зерна является прерывистым.

Скорость стеклообразования зависит от:

1. Свойств кварцевых зерен - размеров, формы и наличия включений в зернах. Включения в зерно разрыхляют его и способствуют растворению.

2. Условий растворения - в которых главную роль играет температура процесса. С повышением температуры значительно возрастает скорость стеклообразования.

3. Свойств расплава - состав стекла, в особенности повышение концентрации щелочных оксидов и свободного сульфата натрия, изменяет вязкость расплава и его поверхностного натяжения, и, следовательно, увеличивают скорость растворения кварцевых зерен.

Образовавшийся на первом этапе спек с повышением температуры плавится, завершаются реакции силикатообразования, происходит взаимное растворение силикатов. В расплаве силикатов идет весьма медленное, постепенное растворение избыточного кварца, составляющее главное содержание этого этапа. К концу этапа появляется прозрачный не однородный по составу расплав, включающий много пузырей. Для обычных стекол этот этап завершается при 1200 - 1250 °С.

2.4.3 Осветление

В готовом стекле всегда содержится некоторое количество газов. Эти газы находятся в стекле в двух видах: в растворенном (невидимом) и в свободном (видимом) состоянии.

В видимом состоянии газы образуют в стекле крупные и мелкие пузыри. Задача процесса стекловарении на этапе осветления свести к минимуму число пузырей в готовом стекле.

Существует три источника газа в стекле: химически связанные газы шихты, адсорбированные газы шихты, газы пламенного пространства стекловаренной печи. В процессе силикатообразования большая часть газов поступает в печное пространство и удаляется с дымовыми газами в атмосферу. Меньшая часть газов остается в расплаве.

Газы пламенного пространства стекловаренной печи при определенных условиях могут частично растворяться в расплаве стекла.

Процесс освобождения стекломассы от пузырьков зависит от температуры, вязкости стекломассы, поверхностного натяжения, давления газа. В процессе осветления пузырьки поднимаются к поверхности стекломассы и исчезают.

В течение этого весьма сложного этапа из расплава удаляются видимые газовые включения - крупные и мелкие пузыри. Для обычных стекол этот этап завершается при 1500-1600 °С.

2.4.4 Гомогенизация

На этом этапе происходит усреднение расплава по составу, он становится химически однородным. Гомогенизация и осветление протекают одновременно при одних и тех же температурах.

Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, повышение температуры и связанные с этим понижение вязкости, повышение скорости диффузии и массообмена, а также механическое перемешивание и бурление стекломассы с помощью сжатых газов (воздух, азот, кислород и др.).

Все эти приемы в конечном счете приводят к тому, что неоднородная, сотоподобной структуры стекломасса превращается в более или менее однородную. При подъеме пузырей к поверхности расплава они при своем движении разрывают и растягивают пограничные пленки ячеек, перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию химических компонентов.

Наиболее интенсивно процесс гомогенизации осуществляется при использовании механического перемешивания с помощью огнеупорных мешалок пропеллерного типа. Широкое распространение механическое перемешивание стекломассы получило на заводах оптического стекла. Оптическое стекло является наиболее однородным по сравнению с другими типами стекол, и это достигается с помощью механических мешалок. Сравнительно недавно механическое перемешивание стекломассы стали применять в производстве сортового стекла, а также на некоторых ванных печах при изготовлении массовых типов листовых стекол.

2.4.5 Студка

Завершающим этапом стекловарения является студка. При этом температура стекломассы снижается (на 300-400°С) до температуры, необходимой для формования.

Главное условие во время охлаждения - непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления газовой среды. Нарушение этого условия может вызвать сдвиг установившегося равновесия газов и образование так называемой вторичной мошки.

Для усиления охлаждения стекломассы применяют разные преграды по стекломассе и по газовому пространству ванной печи. Назначение преград - ослабить конвекционные потоки и ограничить передачу тепла из варочной в студочную часть печи. Эти приемы не должны вызывать термическую неоднородность стекломассы, которая может явиться причиной расстройства работы формующих машин и нарушения производства.

2.4.6 Выработка стекла на воду

В этой технологии сваренное ситалловое стекло подвергают гранулированию путем обработки струи жидкой стекломассы проточной водой с последующей сушкой, образующей гранулят.

После высушивания гранулят может быть размолот до удельной поверхности, соответствующей тому или иному методу оформления заготовок.

Эта технология используется при изготовлении изделий сложной конфигурации, которые невозможно отформовать методом стекольной технологии.

2.5 Прессование стекломассы

Прессование стекломассы относится к циклическим способам формования штучных изделий и производится за один прием в металлической (обычно чугунной) форме под действием односторонне направленных сжимающих усилий, создаваемых пуансоном при его движении от привода пресса.

Порция стекломассы, помещенная в окончательную форму, воспринимая давление опускающегося в нее пуансона (охлаждаемого изнутри водой), формуется в изделие заданной конфигурации, внешний контур которой определяется формой, а внутренний - пуансоном (рисунок 2.1).

Для формования верхнего края изделия и предотвращения выхода стекломассы из формы на нее сверху накладывают (и прижимают механизмом пресса) формовое кольцо. После короткой выдержки, необходимой для снижения деформируемости изделия, пуансон вместе с формовым кольцом поднимают в исходное положение, а изделие после охлаждения и затвердевания удаляют из формы посредством поддона - выталкивателя. Прессование ведут в неразъемных или раскрывных (створчатых) формах, когда прессуют сложные асимметричные изделия.

Рисунок 2.1 - Схема процесса прессования стекломассы

а - подача стекломассы в чистовую форму; б - прессование изделия пуансоном и формовым кольцом; в - удаление изделия из формы; 1 - форма; 2-пуансон; 3 - формовое кольцо; 4 - поддон-выталкиватель; 5 -капля стекломассы; 6 - изделие

Прессование весьма распространено, механизировано, поскольку это простой, надежный и высокопроизводительный способ формования разнообразного ассортимента сплошных (массивных) или полых изделий с точно регулируемыми размерами: диаметром 10-650 мм, высотой 10- 350 мм, толщиной 3-50 мм и массой 0,02-15 кг.

2.6 Кристаллизация стекла

Катализированная кристаллизация стекла является сложным физико-химическим процессом получения закристаллизованного материала определенной микроструктуры, с максимальным количеством кристаллической фазы и с заданными физико-химическими и механическими свойствами определяется многими факторами. Основные из них: химический состав стекла, вид и количество каталитических добавок, режим термообработки.