Стеклокристаллический материал для свч-техники



Стеклокристаллический материал для свч-техники
Стеклокристаллический материал для свч-техники
Стеклокристаллический материал для свч-техники

 


Владельцы патента RU 2577563:

Ашурбейли Руслан Игоревич (RU)

Изобретение относится к области стеклокерамики, в частности к высокотемпературным радиопрозрачным стеклокристаллическим материалам для СВЧ-техники, предназначенным для изготовления средств радиосопровождения в авиационно-космической и ракетной технике и производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.д. Технический результат изобретения: упрощение и улучшение качества механической обработки поверхности материала за счет более мелкокристаллической структуры и увеличения количества остаточной стеклофазы. В стеклокристаллическом материале для СВЧ-техники, включающем SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас.%: SiO2 32,5-35,5; Al2O3 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; полирит 14,5-17,5. Содержание CeO2 в полирите от 40 до 60%, а размеры частиц - 0,8-1,2 мкм. Стеклокристаллические материалы получены с заранее заданными и поддерживаемыми в определенных пределах значениями диэлектрической проницаемости при малых потерях (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц). 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области стеклокерамики, в частности к высокотемпературным радиопрозрачным стеклокристаллическим материалам (ситаллам) для СВЧ-техники, предназначенным для изготовления средств радиосопровождения в авиационно-космической и ракетной технике и производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.д.

Известны стеклокристаллические материалы, обладающие малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне в сочетании с относительно высокой диэлектрической проницаемостью, для изготовления которых готовят шихту определенного химического и гранулометрического состава с дисперсностью входящих в нее компонентов в пределах 0,7-1,2 мм (Павлушкин Н.М. «Химическая технология стекла и ситаллов» М.: «Стройиздат», 1983, стр. 94).

Известен стеклокристаллический материал следующего состава, мас. %: SiO2 65-70; Na2O 10-24; Al2O3 1-5; MgO 5-10; F 1-5 (SU №1273347 от 27.05.1982 г., опубликовано 30.11.1986 г.).

Известен стеклокристаллический материал следующего состава, мас. %: SiO2 35-50; Al2O3 5-30; MgO 10-30; TiO2 5-20; Li2О 2,6-4,8 (заявка JP 2001287934, опубликовано 16.10.2001 г.).

Недостатком указанных известных материалов является то, что их относительная диэлектрическая проницаемость (ε) не превышает 4-4,5, а при увеличении до значений 7-7,5 потери в СВЧ-диапазоне (tgδ) возрастают и достигают величин более (20-50)×10-4, что исключает их применение для указанной выше цели. Кроме того, к недостаткам известных материалов относятся достаточно широкие колебания значений относительной диэлектрической проницаемости (+0,2-0,3) в сочетании с большими сложностями в получении заранее заданных значений.

Известен стеклокристаллический материал (Бережной А.И. «Ситаллы и фотоситаллы», издательство «Машиностроение», 1966 г., стр. 163-166), включающий следующие компоненты, мас. %: SiO2 - 56,0; Al2O3 - 20,0; TiO2 - 9,0; MgO - 15,0.

Данный материал обладает высоким значением предела прочности при центральном симметричном изгибе (21,84 кгс/мм2). Недостатком данного материала является высокое значение (56,0·10-7 K-1) коэффициента линейного теплового расширения (ТКЛР).

Известно стекло для стеклокристаллического материала, содержащее следующие компоненты, масс. %: SiO2 - 48,0-53,0; Al2O3 - 21,0-25,0; TiO2 - 9,5-11,5; MgO - 15,0-18,0; As2O3 - 0-1,0 (патент США №4304603, МПК C03C 10/04, публ. 1981 г.).

Этот материал характеризуется низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но температура варки этих стекол около T=1600°C, что увеличивает расход затрачиваемой энергии.

Известен стеклокристаллический материал, включающий SiO2, Al2O3, TiO2, MgO и SiO2 в виде плакированного TiO2 аэросила при следующем соотношении компонентов, мас. %: SiO2 - 35,5-38,3; SiO2, в виде плакированного TiO2 аэросила - 0,1; Al2O3 - 22,8-25,5; TiO2 - 16,1-18,8; MgO - 20,0-22,8 (патент РФ №2498953, C03C 10/00, опубл. 20.11.2013 г.).

Общая доля SiO2, и TiO2 в этом патенте полностью совпадает с диапазонами SiO2, и TiO2, указанными в патенте №2393124. Технологические режимы (температура нагрева, скорость нагрева и охлаждения) получения стеклокристаллического материала в указанных патентах также не отличаются при их сопоставлении в одинаковых единицах измерения. Таким образом, стеклокристаллические материалы патентов №2498953 и №2393124 по составу и технологии получения практически тождественны. Доля SiO2, в количестве 0,1 мас. % в виде плакированного TiO2 аэросила незначительна для получения повторяемого стабильного технического результата. Кроме того, компоненты не обладают многофункциональностью, а указанная украинская марка SiO2 в виде плакированного TiO2 аэросила достаточно редка в РФ. В настоящее время приобретение указанного материала ограничено в объемах и имеет высокую стоимость.

Известен стеклокристаллический материал с малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне следующего состава, мас. %: SiO2 35,5-38,5; Al2O3 22,8-25,5; MgO 20-22,7; TiO2 16,2-18,8 (РФ №2393124, C03C 10/04, опубл. 27.06.2010 г.).

Известный стеклокристаллический материал обеспечивает получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости (7,15-7,40), тангенса угла диэлектрических потерь менее 4×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц). Недостатком данного материала является невысокое (7-7,5) значение относительной диэлектрической проницаемости (ε), что не позволяет применять его для изготовления многих изделий электронной техники, где требуются значения ε более 9 (например, для подложек полосковых линий). При малых значениях ε силовые линии электромагнитного поля проходят в основном по воздуху, а в подложке находится их небольшая часть. Это вызывает необходимость увеличения размера подложек. В материалах с высоким значением ε (более 10) силовые линии сужаются, размеры подложек уменьшаются и растет плотность монтажа.

Известен стеклокристаллический материал, обладающий малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, следующего состава, мас. %: SiO2 43,8-52,5; Al2O3 24,6-30,2; MgO 9,3-11,9; TiO2 8,8-12,9; As2O3 0,1-1,9; ZnO 0-1,5; CeO2 0-2,5; фторопол 0,1-7,5 (патент РФ №2374190, C03C 10/08, опубл. 27.11.2009 г.).

Недостатки известного материала связаны с многокомпонентностью состава, включающего ядовитое вещество - мышьяковистый ангидрид (As2O3). В производстве материалов нередко идут на усложнение процесса, чтобы удалить весь мышьяк.

Наиболее близким к предложенному стеклокристаллическому материалу по химическому составу и свойствам является стеклокристаллический материал, обладающий малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, следующего состава, мас. %: SiO2 18-27; Al2O3 18-25; MgO 5-10; TiO2 18-27; CeO2 13-19 (патент CN №1202469, C03C 10/00, опубл. 23.12.1998 г. - прототип).

Компоненты не являются многофункциональными для обеспечения простоты, эффективности и качества последующей обработки материала шлифовкой или полировкой для изделий различного назначения.

Задачами предлагаемого изобретения являются: разработка высококачественного, экономичного и эффективного материала для широкого применения в различных областях СВЧ-техники.

Технический результат изобретения состоит в упрощении и улучшении качества механической обработки поверхности материала за счет более мелкокристаллической структуры (размеры кристаллов до 0,5 мкм) и увеличения количества остаточной стеклофазы. Кроме того, достигнуто снижение материальных и энергетических затрат, упрощение производства материала.

Сущность изобретения состоит в том, что применение полирита позволяет повысить величину относительной диэлектрической проницаемости ε до 10 и более, снизить затраты на сырье.

Полирит доступен в больших объемах при сравнительно невысоких финансовых затратах.

Технический результат достигается тем, что в стеклокристаллическом материале для СВЧ-техники, включающем SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, указанный CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас. %: SiO2 32,5-35,5; А12Оз 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; Полирит 14,5-17,5.

Предпочтительно содержание CeO2 в полирите иметь в диапазоне от 40 до 60%.

Целесообразно в полирите иметь размеры частиц 0,8-1,2 мкм.

Стеклокристаллический материал, полученный на основе SiO2, А12Оз, MgO, TiO2, полирита, характеризуется плотностью 3,15-3,2 г/см3, относительной диэлектрической проницаемостью 9,7-10,3 и тангенсом угла диэлектрических потерь равным (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Для варки стекла применяют сырьевые материалы с возможно более низким содержанием примесей MeO, Me2O (не входящих в состав стекла), в особенности Fe2O3 и других красящих оксидов.

Стеклокристаллический материал получен с помощью введения полирита с содержанием в нем CeO2 в диапазоне от 40 до 60%, что соответствует 6-10,5% по чистому оксиду церия. При более высоком содержании CeO2 (больше 60%) стекло будет сильно окрашено в черные тона, что затрудняет контроль качества стеклозаготовок. При более меньшем содержании CeO2 (меньше 40%) в стекле не обеспечиваются необходимые диэлектрические свойства.

Применен полирит, произведенный, например, по ТУ 48-4-244-87 с содержанием CeO2 40-60%, содержанием редкоземельных оксидов 99% и размерами частиц 0,8-1,2 мкм. Полирит представляет собой тонкодисперсный кристаллический порошок кирпичного цвета, на основе смеси оксидов редкоземельных элементов (Се, La, Nd). Применяется для полировки оптического, зеркального стекла, а также изделий из камня. Массовая доля диоксида церия в полирите должна быть в пределах 40-60%. Царапающих примесей и посторонних механических примесей не имеет.

Двуокись церия основной компонент полирита, самого эффективного порошка для полировки оптического и зеркального стекла. полирит (церий оксид, двуокись церия) используется для полирования широкого класса оптических стекол, очковых линз, зеркал и других изделий из стекла, элементов электронной техники.

Варка стекла осуществляется в печах периодического или непрерывного действия с ручной или механизированной выработкой заготовок. Получение материала осуществляли согласно режимам, приведенным в патенте №2393124. Температурный режим варки стекол в печи периодического действия следующий: температура варки и осветления стекла 1530-1550°C, температура выработки заготовок 1460-1510°C.

Для получения стеклокристаллического материала с заданными диэлектрическими свойствами полученные стеклянные заготовки подвергают термообработке (кристаллизации), режим которой является очень важным в технологии получения заявленного материала. Термообработка (кристаллизация) должна вызывать образование в материале кристаллических фаз, обеспечивающих получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости при малых потерях (менее 4×10-4) в СВЧ-диапазоне (1010 Гц).

Режим термообработки (кристаллизации) следующий: нагрев до температуры (1170-1240°C) со скоростью 80-300°C/ч; выдержка в течение 4-7 ч; охлаждение до комнатной температуры со скоростью 80-200°C/ч.

Режимы термообработки (кристаллизации) подбирались экспериментально. При меньшей или большей температуре и времени выдержки, при скорости нагрева заготовок, превышающей 300°C и менее 80°C/ч, образовываются кристаллические фазы, не обеспечивающие получение заранее заданных и поддерживаемых в определенных пределах значений диэлектрической проницаемости при малых потерях.

В таблице 1 приведены примеры конкретного выполнения составов стеклокристаллического материала, мас. %:

В таблице 2 приведены свойства полученных по указанному режиму образцов стеклокристаллических материалов, представленных в таблице 1.

По сравнению с аналогами и прототипом предлагаемый стеклокристаллический материал обладает меньшим разбросом значений диэлектрической проницаемости, более стабильным ТКЛР и оптимальным сочетанием параметров, приведенных в таблице 3.

В таблицах 2 и 3 приняты следующие обозначения:

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

tgα 104 - тангенс угла диэлектрических потерь при 1010 Гц;

α·107 K-1 - температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) при 20-300°C;

σизг, кгс/мм2 - предел прочности при изгибе;

T, °C - температура варки;

ρ, г/см3 - плотность материала.

Таким образом, стеклокристаллические материалы по данному изобретению получены с высокой воспроизводимостью с применением доступной компонентной базы без токсичных веществ с заранее заданными и поддерживаемыми в определенных пределах значениями диэлектрической проницаемости при малых потерях (3,5-4,5)×10-4 в СВЧ-диапазоне (1010 Гц) и удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к композициям стеклокристаллических материалов, предназначенных для производства изделий электронной техники, преимущественно фазовращателей, модулей управляемых решеток и т.п. Серийное производство предлагаемого стеклокристаллического материала планируется под маркой СТ-32.

1. Стеклокристаллический материал для СВЧ-техники, включающий SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, CeO2, отличающийся тем, что CeO2 применен в составе полирита в следующем соотношении, мас.%: SiO2 32,5-35,5; Al2O3 21,5-24,5; MgO 8,0-10,0; TiO2 16,5-19,5; полирит 14,5-17,5.

2. Стеклокристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что содержание CeO2 в полирите в диапазоне от 40 до 60%.

3. Стеклокристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что полирит имеет размеры частиц 0,8-1,2 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к батарее твердооксидных электролитических элементов (SOEC), изготовляемой способом, который включает следующие стадии: (a) формирование первого блока батареи элементов путем чередования по меньшей мере одной соединительной пластины и по меньшей мере одного узла элемента, причем каждый узел элемента содержит первый электрод, второй электрод и электролит, расположенный между этими электродами, а также обеспечение стеклянного уплотнителя между соединительной пластиной и каждым узлом элемента, причем стеклянный уплотнитель имеет следующий состав: от 50 до 70 мас.% SiO2, от 0 до 20 мас.% Аl2О3, от 10 до 50 мас.% СаО, от 0 до 10 мас.% МgО, от 0 до 2 мас.% (Na2O+K2O), от 0 до 10 мас.% В2O3 и от 0 до 5 мас.% функциональных элементов, выбранных из TiO2, ZrO2, F2, P2O5, МоО3, Fе2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O перовскита (LSM) и их комбинаций; (b) превращение указанного первого блока батареи элементов во второй блок со стеклянным уплотнителем толщиной от 5 до 100 мкм путем нагревания указанного первого блока до температуры 500°C или выше и воздействия на батарею элементов давлением нагрузки от 2 до 20 кг/см2; (c) превращение указанного второго блока в конечный блок батареи твердооксидных электролитических элементов путем охлаждения второго блока батареи, полученного на стадии (b), до температуры ниже, чем на стадии (b), при этом стеклянный уплотнитель на стадии (a) представляет собой лист стекловолокон.
Изобретение относится к производству высокотермостойких керамических материалов, используемых в изделиях радиотехнического назначения. Технический результат изобретения заключается в снижении диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.
Изобретение относится к производству радиопрозрачных стеклокристаллических материалов. .

Изобретение относится к составу стеклокристаллического материала и может быть использовано в химической, строительной промышленности, для изготовления ювелирно-поделочных изделий и пробирного камня.

Изобретение относится к производству стеклокристаллического материала радиотехнического назначения и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности. Способ изготовления стеклокерамического материала кордиеритового состава включает измельчение аморфного стекла магнийалюмосиликатного состава мокрым способом до получения водного шликера с плотностью 2,00-2,02 г/см3, pH=2-4, тониной с остатком на сите 0,063 мм 7-9%, с содержанием частиц до 5 мкм - 30-38%, формование заготовок в пористые формы и их термообработку. Первую стадию термообработки проводят при 850°C с выдержкой в течение 3 часов, а вторую - при 1350-1360°C с выдержкой в течение 2-3 часов. Скорость подъема и снижения температуры не выше 500°C/ч. Технический результат изобретения - увеличение плотности спеченного материала до 96% от теоретической и снижение энергозатрат при его получении. 3 пр., 1 табл.
Наверх