Aluminijeva keramika koja služi kao izolacijski materijal

Što su izolacijski materijali?

U električnom ili elektroničkom krugu, izolacijski materijali se koriste za fizičku izolaciju vodiča na temelju zahtjeva dizajna kako bi se spriječio protok struje između njih i oštećenje rada kruga. Osim toga, izolacijski materijali mogu poslužiti kao mehanička podrška vodiču, koristiti se za odvođenje topline kao i za zaštitu okoliša strujnog kruga.

Prvi i najvažniji preduvjet je da izolacijski materijali ne provode struju, što znači da je potreban što veći električni otpor.

Kako ih razjasniti?

Da bi bili izvrsna izolacijska keramika, izolacijski materijali moraju imati sljedeća svojstva:

--Volumni otpor （ρ） Veći ili jednak 1012 Ω·cm

--relativna dielektrična konstanta （ε） manja ili jednaka 30

--dobra toplinska vodljivost i koeficijent toplinske ekspanzije trebali bi biti slični materijalima vodiča s dobrim performansama u otpornosti na toplinu, visokoj čvrstoći i kemijskoj stabilnosti.

Znanja o izolacijskim materijalima koja biste trebali pogledati

Teorija energetskog pojasa čvrstog tijela može se koristiti za objašnjenje izolacije, poluvodljivosti i električne vodljivosti čvrstog tijela.

valentni pojas: najsnažniji energetski pojas koji nije ispunjen elektronikom

Zabranjeni energetski pojas: Nalazi se između valentnog pojasa i vodljivog pojasa.

Ako je zabranjena širina energetskog pojasa dovoljno velika (više od nekoliko eV), elektroni u punom pojasu teško se mogu pobuditi izvan procijepa i ući u vodljivi pojas, odnosno smatra se da elektroni teško mogu migrirati, tada krutina je tipičan izolator.

Idealni izolator može se dobiti samo na apsolutnoj nuli stupnjeva Celzija. Kada se vanjski uvjeti promijene, poput porasta temperature ili izlaganja sunčevoj svjetlosti, dio elektrona u valentnom pojasu može se aktivirati i prijeći u vodljivi pojas zbog toplinskog podražaja, a zatim time postati vodljivi, slično poluvodiču na visokim temperatura, različita samo po tome što je širina zabranjene energetske trake veća od širine poluvodičkih izolatora. Aktiviranje elektrona je energetski intenzivno jer elektroni neće migrirati na sobnoj temperaturi.

Mnoge izolacijske keramike tipični su ionski ili kovalentni kristali i potrebno je razmotriti ponašanje vodljivosti difuzije iona. Postojanje iona alkalnih metala (osobito natrijevih iona) treba izbjegavati koliko god je to moguće u izolacijskoj keramici, što može dovesti do jake vodljivosti i sniziti izolacijska svojstva keramike.

Širina trake zabranjene energije keramike (npr.)

MATERIJALI	VEZIVA VEZA	EG/EV	MATERIJALI	VEZIVA VEZA	EG/EV
SI	KOVALENTNA VEZA	1.1	TIO2	IONSKA VEZA	3.05-3.8
GAAS	KOVALENTNA VEZA	1.53	ZNO	IONSKA VEZA	3.2
DIJAMANT	KOVALENTNA VEZA	6	AL2O3	IONSKA VEZA	10
BATIO3	IONSKA VEZA	2.5	MAO	IONSKA VEZA	〉7.8

Uobičajeni izolacijski materijali

1. Izolacijska keramika:

A. Oksidi: SiO2, Al2O3

B. Neoksidi: Si3N4,BN,AIN

C. Monokristalna izolacijska keramika, kao što je silicij, sintetski tinjac (opći naziv za laminiranu strukturu aluminij silikata), spinel, umjetni safir, itd.

(1) Obična električna keramika

Uobičajena visokotlačna keramika i feldspat keramika i mulitna keramika koja se koristi u matrici otpornika zajednički se nazivaju uobičajenom električnom keramikom.

Naziv Kemijski sastav Fazni sastav

Uobičajena elektronička keramika SiO2 68~72% Feldspat staklena faza: 45~60%

Al2O3 20~24% Mulitna faza: 20~40%

(K2O+NA2O)3.5~5% Preostali kvarc

Feldspathic keramika Slično kao gore isto kao gore

celzijanska keramika SiO2 55%;Al2O3 32%; Mulit, varijacija kvarca; Barijevo staklo, barijev feldspat

BaO 10,3%; CaO 2,3%; (K2O+NA2O)3,5~5%

(2)Aluminij keramika

Korund keramika: keramika s preko 99% Al2O3 s glavnom fazom korunda;

Korund-mulitna keramika: glavna faza je korund i mulit s preko 75% glinice

Mulitna keramika: glavna faza je mulit s oko 50% Al2O3

Električna i mehanička svojstva aluminijeve keramike poboljšavaju se s povećanjem sadržaja Al2O3.

-Al2O3: Tripartitni kristalni sustav, s najkompaktnijom strukturom, niskom aktivnošću i stabilnošću na visokim temperaturama, najstabilniji je kristal od svih. Ima najbolju električnu izvedbu s izvrsnim mehaničkim i električnim svojstvima. To je jedina prirodna faza.

-Al2O3: Ovo je polialuminatni mineral s visokim sadržajem Al2O3.

-Al2O3: spinelne je strukture niske gustoće, visoke temperaturne nestabilnosti, loših mehaničkih i električnih svojstava. Od njegovih labavih struktura mogu se izraditi porozni materijali.

(3) Magnezitna keramika

Naziv Glavna faza Učinak sirovina

Steatit Keramika MgO·SiO2 Steatit/glina/Barijev karbonat Mali dielektrični gubici, jednostavna obrada, niska cijena;

ali lako stari, uzak raspon temperature sinteriranja

Forsterite Keramika 2MgO·SiO2 Magnezit/Magnezijev karbonat Niski dielektrični gubici i visoka otpornost

Cordierite Keramika 2MgO·Al2O3·SiO2 Steatit/glina/aluminij/spinel Niski koeficijent toplinske ekspanzije,

ali s lošim električnim performansama

Aluminijski špinel MgO·Al2O3 Aluminij/Magnezit/ glina u tragovima/B2O3/CaF2 Dielektrični gubitak nadmašuje steatitnu keramiku,

ali s većom dielektričnom konstantom

Primjena obične izolacijske keramike

1. Godine 1855. keramički izolatori koriste se kao električni izolacijski materijali u željezničkim komunikacijskim linijama.

2. Godine 1880. Sjedinjene Države počele su koristiti keramičke izolatore u dalekovodima za prijenos električne energije.

3. Trenutno se uspješno izrađuju keramički izolatori visokih performansi za prijenos ultra visokog napona s naponom većim od 500 keV.

4.Automobilske keramičke svjećice, igle za paljenje za plinska kuhala

5. Keramički materijal za pakiranje

6. Keramički cijevni osigurač

7.Aluminij keramička podloga

8. Keramičko kućište za ispravljačku cijev

9.Sjedalo keramičke cijevi

Integrirani krug, ultra malen krug visoke gustoće, sastavlja veliki broj komponenti mikro tranzistora na supstratu, obično upakiran u ljusku integriranog kruga.

U elektroničkoj industriji Al2O3, BeO, SiC, AIN, monokristalna silikonska izolacijska keramika koriste se kao supstrati i materijali za pakiranje integriranih krugova.