XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Электротехническая керамика – обширная группа используемых в промышленности керамических материалов, титановая керамика, сегнето- и пьезоэлектрическая керамика, электрофарфор, обладающих прочностью и необходимыми электротехническими свойствами.

В производстве электрокерамики используются минеральное сырье и другие исходные материалы высокого качества. Спекание производится в туннельных и конвейерных печах с автоматическим регулированием режима обжига. На электрические свойства керамики влияют фазовый состав и технология изготовления керамики. Диэлектрическая проницаемость полученного материала обусловлена в основном процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность — в аморфной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в аморфной фазе. Электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен. Кристаллическая фаза влияет на величину температурного коэффициента линейного расширения.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Преимущества электрофарфора перед другими электроизоляционными материалами состоят в том, что из него можно изготовлять изоляторы сложной конфигурации с хорошими прочностными характеристиками, сырьевые материалы доступны, технология изготовления изделий относительно проста.

К электротехнической низкочастотной установочной керамике относится также разновидность стеатитовой керамики — высоковольтная стеатитовая керамика, изготовленная на основе талька (70—85%), глинистых веществ (до10%) и оксида бария (до15%), Высоковольтная стеатитовая керамика по сравнению с электрофарфором имеет повышенные механические и электротехнические свойства. Поэтому она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность. Технология изготовления изделий из стеатитовой керамики сложнее и требует более высокой температуры обжига, чем из электрофарфора. Однако усадка этих изделий меньше.

Термо- и дугостойкой керамикой, используемой для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, дугогасительных камер, высоковольтных выключателей, пирометрических защитных трубок и пр., является кордиеритовая керамика, изготовленная на основе кордиерита.

Команда инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала технологию сварки керамики, в которой используется ультрабыстрый лазер с пикосекундными импульсами. Технология работает при температуре окружающей среды и требует мощность излучения менее 50Вт, что делает её практичнее, чем традиционные методы сварки керамики, которые требуют нагрева деталей в печи.

Керамика, упорно сопротивлялась сварке стандартными методами. Это ограничило использование керамики в некоторых важных сферах, таких как бытовая электроника и медицинские оборудование, где эти материалы, могут быть весьма полезны.

Керамические материалы представляют большой интерес, поскольку они являются биосовместимыми, чрезвычайно твёрдыми и устойчивыми к разрушению, что делает их идеальными для биомедицинских имплантатов и защитных корпусов для электроники. В деталях, работающих при высоких температурах, например, в двигателях внутреннего сгорания, применяют керамику. Керамика из окислов Аl₂О₃, MgO и ZrO₂ отличается очень высокой прочностью при сжатии: при комнатных температурах - до 3000 МПа, при Т = 110°С - до 900 МПа. Керамика успешно используется при изготовлении резцов, фильтров, для протяжки проволок, в деталях машиностроения.

Тем не менее, современные керамические процедуры сварки не способствуют изготовлению таких устройств. Сейчас нет способов, чтобы положить или напечатать электронные компоненты внутри керамики, потому что вам позднее придётся поставить всю сборку в печь, которая в конечном итоге сожжёт электронику.

По иронии судьбы, проблемы в сварке керамики проистекают из того, что делает их такими полезными для промышленного применения: их стойкость к высоким температурам. Это означает, что для эффективной сварки керамики необходимо поместить керамические компоненты в печь и в течение длительного времени нагревать ее до очень высоких температур.

Такой нагрев является не самой приятной вещью для керамических сборок, которые включают, например, электронные компоненты или полимеры. Это также дорогой и энергоемкий процесс, который ограничивает керамические сварку только дорогостоящими компонентами.

Прошлые пробы сварки лазерами для соединения керамики терпели неудачи. Мощные лазеры непрерывного действия, используемые во многих промышленных сварочных операциях, когда они начинают использоваться для соединения керамики, могут привести к тепловому удару керамики и трещинам, которые разрушают материал.

Американская исследовательская группа во главе с членом OSA Хавьером Гараем из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Гильермо Агиларом из Калифорнийского университета в Риверсайде по-новому взглянула на проблему с двух сторон: характеристики самого керамического материала и использование сверхмалых, сверхбыстрых импульсных лазеров средней мощности, а не мощных непрерывных лазеров для выполнения тяжелой работы.

За прошедшее десятилетие команда взяла за основу работу, в которой для соединения определенных очков использовались сверхбыстрые импульсные лазеры. В этих сварных швах лазер фокусирует импульсную энергию в материале в точке сварки и стимулирует нелинейно-оптические процессы, такие как многофотонное поглощение, которые приводят к очень локальному нагреву и плавлению без повышения температуры окружающего материала. Чтобы заставить метод работать, исследователям пришлось оптимизировать параметры лазера, прозрачность керамического материала. При правильном сочетании, лазерная энергия хорошо поглощается керамикой. Сварка керамики осуществляется при низкой лучевой мощности 50Вт, при комнатной температуре.

Команда опробовала концепцию в двух разных сериях экспериментов. В одном наборе исследователи работали с полупрозрачным керамическим поликристаллическим диоксидом циркония, стабилизированным иттрием, прозрачность которого можно регулировать с помощью простых термических обработок. Настраивая как прозрачность керамики, так и характеристики лазерного импульса - ширину импульса, частоту повторения и время экспонирования - они смогли приварить прозрачную цилиндрическую крышку к цилиндрической трубе. Соединение выдерживает испытания в сверхвысоком вакууме (аналогично тем, которые используются для проверки уплотнений на электронных и оптоэлектронных устройствах).

Во втором эксперименте инженеры попытались выполнить простое соединение двух сегментов керамической трубки с использованием обычных диффузных образцов и другого керамического материала - поликристаллического оксида алюминия. Здесь, вместо того чтобы сделать непрозрачную керамику более прозрачной для оптимизации взаимодействия, открывался небольшой, тщательно отрегулированный зазор между соединяемыми материалами, чтобы позволить сфокусировать импульсную энергию на границе раздела.

Команда использовала лазер, чтобы соединить прозрачную керамическую крышку с керамической трубкой. Полученный компонент выдержал вакуумные испытания на том же уровне, который использовался для проверки уплотнений на электронных и оптоэлектронных устройствах.

Одним из очевидных преимуществ новой технологии является то, что она может использоваться при комнатной температуре, а не в перегретой среде керамической печи. И, хоть они и эффективно расплавляют материал в самой точке сварки, лазерные импульсы настолько четко настроены, что не повышают температуру остальной части заготовки.

Эти преимущества открывают перспективу использования керамики там, где их использование ранее не рассматривалось, таких как прозрачная, прочная керамика для упаковки чувствительных оптоэлектронных компонентов, лабораторные устройства, биомедицинские имплантаты и многое другое. И энергетические требования впечатляюще низкие; система работает с использованием импульсного лазера со средней мощностью менее 50 Вт.

В качестве доказательства концепции исследователи приварили прозрачную цилиндрическую крышку к внутренней стороне керамической трубки. Испытания показали, что сварные швы способны держать вакуум.

«Вакуумные тесты, которые мы использовали для наших сварных швов – те же, которые обычно используются в промышленности для проверки уплотнений на электронных и оптоэлектронных устройствах», - сказал Elias Penilla, который работал над проектом. Этот процесс до сих пор использовался только для сварки небольших керамических деталей размером 2см. Планы на будущее включают оптимизацию метода для больших масштабов, а также для различных типов материалов и геометрии.

Так же авторы пишут, что стратегия «должна быть применима к широкому спектру других оксидов, нитридов и карбидов», особенно когда сверхбыстрые лазеры с различными длинами волн и уровнями мощности становятся все более доступными.

Список литературы:

http://photonica.pro/2019/11/01/tehnologiya-svarki-keramiki-pikosekundnym-lazerom-obhoditsya-bez-pechej/

Laser welding technology for ceramics is furnace-free / Industrial Laser Solutions, 2019, SEPTEMBER/OCTOBER.- P.4-5 //

https://weldering.com/sposoby-soedineniya-keramiki-kompozitnyh-materialov