Báo cáo kỹ thuật sứ điện

Báo cáo kỹ thuật sứ điện

SỨ ĐIỆN

I TỔNG QUAN VỀ SỨ ĐIỆN:

1 Định nghĩa:

Gốm: là vật liệu vô cơ không kim loại, có cấu trúc đa tinh thể, ngoài ra có thể gồm cả pha thủy

tinh Nguyên liệu để sản xuất gốm gồm một phần hay tất cả là đất sét hay cao lanh Phối liệu sản xuất gốm được tạo hình và thiêu kết ở nhiệt độ cao làm cho vật liệu có được những tính chất lý hóa đặc trưng Từ gốm còn được dùng để chỉ những sản phẩm làm từ vật liệu gốm

Gốm sứ: sứ là vật liệu gốm mịn không thấm nước và khí (< 0,5%) thường có màu trắng Sứ có

độ bền cơ học cao, tính ổn định nhiệt và hóa học tốt Sứ được dùng để sản xuất đồ gia dụng, đồ

mỹ nghệ hay trong xây dựng Như vậy sứ là một loại gốm đặc trưng mà ai cũng biết Ở đây dùng để nhấn mạnh

Sứ điện: là các vật liệu sứ cách điện dùng trong kỹ thuật điện, chủ yếu là các loại thiết bị cho

đường dây truyền tải điện

Giản đồ 3 cấu tử (leucite, mulite và SiO2)và vị trí các vùng sứ kĩ thuật trên giản đồ

Sứ tụ điện:

Yêu cầu quan trọng nhất là bền điện và bền kéo

Sứ điện thường phải là các loại sứ cứng

Độ bền điện môi phụ thuộc vào

+ thành phần

+ cấu trúc vật liệu

+ hình dạng sản phẩm

Sứ điện thường phải có hình dạng rất đặc biệt nhằm kéo dài đường có thể dẫn điện giữa 2 điện cực

Các loại sứ điện thường có tráng men để nâng cao độ bền cơ và bền điện Màu men thường

có màu tối để tăng khả nâng hấp thụ nhiệt, giảm nhanh lượng ẩm bám trên bề mặt

Hình dạng sứ : thường không có dạng góc nhọn để tránh hiện tượng điện tích tập trung

Gốm áp điện: Gốm áp điện là những loại vật liệu gốm có tính chất áp điện như BaTiO3, PbTiO3, …

• Vật liệu gốm áp điện mới hơn PZT (PbO-ZrO2-TiO3) là gốm trên cơ sở dung dịch rắn trong hệ PbZrO3 – PbTiO3 Tinh thể PbZrO3 – PbTiO3 có tính chất áp điện với ít nhất 3% PbTiO3 trong thành phần

• Được phát hiện bởi Yutaka Takagi Gen Shirane và Etsuro Sawaguchi tại viện công nghệ Tokyo vào năm 1952

Phân loại:

Theo cấu trúc và tính chất sản phẩm: gốm thô, gốm mịn, gốm đặc biệt

Theo mặt hàng: thực chất là phân loại theo nguyên liệu chủ yếu sản xuất ra sản phẩm đó như

gạch ngói, sành tràng thạch, sành đá vôi, sứ frit, sứ corundon

Theo lĩnh vực sử dụng: theo 1 nhóm sản phẩm có đặc tính kĩ thuật giống nhau Nó cho ta một

khái niệm chung về vai trò của ngành kĩ thuật gốm trong nền kinh tế quốc dân

Phân loại theo lĩnh vực sử dụng:

Ta thấy rằng trong lĩnh vực điện, gốm sứ có nhiều ứng dụng như sứ cách điện, sứ tụ điện, sứ

áp điện, gốm từ tính, gốm bán dẫn…

Gố dân dụng

Gốm mỹ nghệ

Gốm xây dưng

Gốm làm răng

già

Đồ gốm (Ceramic)

mài, đá mài Gốm làm dao tiện Gốm phủ kim loại Gốm chịu lửa Gốm dùng

trong kỹ thuật điện, vô tuyến

Sứ cách điện

Sứ tụ điện

Gốm từ tính

Gốm bán dẫn

Sứ áp điện

Thường phân loại sứ cao áp với điện áp làm việc: từ 1000V trở lên và sứ hạ áp khi điện áp

làm việc nhỏ hơn 1000V ( tần số dòng 50Hz ) Quan điểm phân loại này có thể khác, ví dụ phân biệt sứ cao áp hay hạ áp ở điện thế chỉ 500V

 Sứ hạ áp khác với những loại sứ dân dụng khác chủ yếu ở quá trình tạo hình Hầu hết

các sản phẩm sứ hạ áp được tạo hình dẻo, phối liệu được luyện và hút chân không rất

kỹ để loại bỏ bớt bọt khí trong mộc

• Không dùng các nguyên liệu chứa nhiều sắt và mica

• Công nghệ nung 1 lần khoảng 1320 – 1350 0C

 Sứ cao áp có yêu cầu rất cao về chất lượng sản phẩm, độ xốp xương phải rất nhỏ

3-6 %, nên:

• Tràng thạch trong phối liệu 20 – 25 %

• Tỷ lệ K2O : Na2O > 2 : 1

• Nến thay Na2O bằng K2O thì tgd (tổn thất điện môi) giảm từ 30.10-4 - 4.10-4 điện trở tăng pv từ 109 tới 1011 , sản phẩm ít bị biến dạng và khoảng kết khối tăng

• Hàm lượng pha thủy tinh tăng lên khi tăng nhiệt độ nung hoặc tăng thời gian lưu ở nhiệt độ cao

• Tùy thuộc vào hàm lượng nguyên liệu người ta phân biệt sứ tràng thạch ( nhiệt độ nung

1320 0C), sứ quắc, sứ cao nhôm (nhiệt độ nung 1380- 1450 0C)

• Sứ tráng men, men không được tạo ứng suất quá lớn, không được làm tăng độ dẫn điện

bề mặt

• Thành phần hóa và tính chất một số loại sứ cứng:

 72.8- 73.14 % SiO2

 21.96- 22,2 % Al2O3

 3.72- 4.22 %K2O

 0.43-0.53% Na2O

 tỷ lệ K2O : Na2O = 8-8.6

 bền uốn 40-70 Mpa, bền kéo 25-35 Mpa,

 bền điện môi 30-35kV/mm

Các loại sứ điện thường phải tráng men để nâng cao độ bền cơ, bền điện Hơn nữa, men cho các loại sứ này thường có màu tối, tăng khả năng hấp thụ nhiệt, giảm nhanh lượng

ẩm bám trên bề mặt khi sử dụng ngoài trời Sứ không có dạng nhọn góc, dễ gây tích điện tập trung

Môt vài hình ảnh cho ứng dụng của sứ cách điện

Theo vị trí trên mạng lưới điện, có thể phân biệt các dạng sứ:

Sứ đường dây gồm sứ treo dùng cho điện áp cao hơn 35kV, với điện áp thấp hơn dùng sứ đỡ

Sứ dùng cho các trạm biến thế là các loại sứ đỡ và sứ xuyên ( dùng luồn dây dẫn điện áp cao xuyên qua kết cấu xây dựng như tường, sàn nhà, đầu ra của các máy biến áp…)

Sứ dùng cho các máy điện như máy biến áp, cầu dao cách điện, chống sét…

Sứ định vị như puly, cầu dao, phích cắm, sứ thông tin…

Một số hình ảnh các loại sứ:

Sứ đỡ và sứ treo:

Sứ xuyên:

Sứ dùng cho các máy biến áp:

Đế sứ hạ áp

Sứ cầu dao:

Sứ cầu chì:

Sứ định vị:

Fine ceramic

Đây là sản phẩm mà thời gian gần đây được ứng dụng rất rộng rãi

Một vài ví dụ cho các sản phẩm mà sử dụng tính chất cách điện của fine ceramic bao gồm các packages cho các linh kiện điện tử lắp bề mặt (surface-mounted electronic component), bộ dao động tinh thể quarzt và bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW)

Các sản phẩm này được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, hệ thống định vị tự động

và máy nghe nhạc cầm tay Ceramic package tạo sự bít kín và cách điện tuyệt vời giữa các đường mạch điện cùng với bảo đảm độ bền cao cho các linh kiện điện tử này

Ceramic được ứng dụng trong chip máy tính, máy nghe nhac

II TÍNH CHẤT CỦA SỨ ĐIỆN:

1) Định nghĩa chất cách điện:

Một chất cách điện, còn được gọi là chất điện môi, là một vật liệu chống lại sự chuyển động của dòng điện

Một vật liệu cách điện có các nguyên tử với các electron hóa trị bị liên kết chặt chẽ Các vật liệu này được sử dụng trong các phần của thiết bị điện, dùng để chống hoặc tách riêng các phần dẫn điện mà không cho dòng đi qua chúng

2) Định nghĩa về điện môi:

Điện môi là các chất có vùng hóa trị nằm cách vùng dẫn bằng một vùng cấm rộng

Các chất điện môi rắn quan trọng nhất là gốm, polymer và thủy tinh

Trong chúng liên kết ion hoặc cộng hóa trị là chủ yếu, không có điện tử tự do Điện trở suất

1012-1020 ‚m Điện tính của điện môi xác định lĩnh vực ứng dụng chúng, đồng thời cơ tính, độ bền hóa học và các thông số khác cũng được chú ý

 Đặc điểm nổi bật của điện môi là khả năng phân cực của chúng trong điện trường Thước đo sự phân cực là độ thẩm điện môi ε thông thường có ε khoảng 10-12

 Độ dẫn điện của điện môi liên quan đến việc xuất hiện trong chúng các ion, e tự do

 Tổn hao điện môi (tgδ) là một phần điện năng biến thành nhiệt và nung nóng nó.) là một phần điện năng biến thành nhiệt và nung nóng nó

 Độ bền điện được đặc trưng bằng khả năng chống đánh thủng Đánh thủng là sự phá hủy không phục hồi được của điện môi do tác động của điện trường và sự mất tính cách điện Độ bền điện hay cường độ đánh thủng Eđt là tỷ số giữa điện thế đánh thủng Uđt với chiều dày điện môi tại nơi đánh thủng

 Theo thành phần hóa học điện môi được phân thành loại hữu cơ (polymer, cao su, lụa…) và vô cơ (mica, gốm, thủy tinh, xytan…)

 Theo điện tính chia thành loại tần số thấp (điện kỹ thuật) và loại tần số cao (kỹ thuật vô tuyến)

 Trong các điện môi thì gốm có các tính chất điện phong phú nhất, hầu như không bị già hóa và bền vững với nhiệt độ Gốm được sử dụng để chế tạo các vật cách điện, các bảng đấu dây, các tấm, vỏ, lõi… tổn hao thấp, tính cách điện và độ bền tốt

3) Độ bền điện môi:

Dựa vào Uđt ta xác định được độ bền điện của điện môi Ebđ, Ebđ là khả năng chịu đựng của vật liệu khi điện áp đặp vào mà không bị phá hủy, nó đặc trưng bằng cường độ điện trường tại điểm đánh thủng

Ebđ = Eđt = Uđt / h

H: bề dày điện môi tại điểm đang thủng

U đt : điện áp đánh thủng

Chất điện môi sẽ bị đánh thủng ở những đường dẫn điện tốt nhất Độ bền điện môi không chỉ ảnh hưởng thành phần và cấu trúc vật liệu mà còn chịu ảnh hưởng hình dạng ngoài của sản phẩm

Gốm có hệ số điện môi nhỏ: thành pần chủ yếu là thạch anh β-SiO2

Gốm có hệ số điện môi lớn: thành phần chủ yếu là TiO2, loại này dùng để sản xuất tụ, kích thước nhỏ, khối lượng thấp

4) Độ xốp:

Do còn chịu ảnh hưởng của hình dạng ngoài sản phẩm sứ điện nên độ xốp của sứ điện phải rất thấp, hàm lượng các oxit kiềm cũng phải ở mức thấp nhất có thể

5) Độ bền cơ:

 Độ bền cơ của sứ điện được lựa chọn theo đặc tính làm việc của chúng Đối với sứ điệ treo của đường dây phải xác định độ bền kéo, nếu sử dụng để đỡ và xuyên phải xác định độ bền chịu uốn Đặc tính độ bền cơ phải đảm bảo, tức là tải trọng kéo hoặc uốn nhỏ nhất có thể gây ra hư hỏng hoàn toàn hoặc hư hỏng bộ phận trong điều kiện tải trọng tăng dần

 Đối với sứ điện treo của đường dây: khi tăng tải trọng cơ có thể xảy ra những rạn nứt

ở dưới mũ sứ mà mắt không nhìn thấy được Vì vậy, đối với sứ loại này thì đồng thời với việc tăng dần điều tải trọng cơ, cho điện áp tác dụng 75-80% điện áp phóng điện khô Khi xuất hiện rạn nứt thì cách điện sẽ bị phóng điện xuyên thủng Tải tọng cơ

trong thí nghiệm này gọi là độ bền cơ điện của cách điện Trị số này ghi rõ trên mã hiệu của sứ điện treo Tải trọng cho phép của sứ điện treo lấy bằng một nữa tải trọng cơ điện trong một giờ

 Độ bền kéo là yêu cầu cần thiết cho sứ điện treo vì kho làm việc dây điện tác dụng lên

sứ chủ yếu là lực kéo Vì vậy sứ điện thường là các loại sứ cứng

6) Độ bền điện:

7) Một số hình ảnh sứ điện:

III CÁCH CHẾ TẠO SỨ ĐIỆN

 Sứ hạ thế:

Định nghĩa:

Sứ hạ thế là những loại sứ dùng để làm các thiết bị điện làm việc ở điện áp dưới 1000V Lựa chọn nguyên liệu:

Chú ý không được dùng các loại đất sét, cao lanh chứa nhiều sắt và mica vì dễ tạo sự đồng nhất trong phối liệu

Cách chế tạo:

Công nghệ sản xuất sứ điện khác với các sản phẩm sứ dân dụng ở quá trình tạo hình Hầu hết các sứ hạ áp được tạo hình dẻo, phối liệu được luyện và hút chân không rất kỹ để loại bỏ bọt khí trong mộc Tuy nhiên trong một số trường hợp riêng, có thể tạo hình sản phẩm bằng phương pháp đổ rót hoặc ép (khô hoặc bán khô) Nung một lần trong khoảng 1320-13500C ( đôi khi chỉ 12500C)

Một số hình ảnh sứ hạ thế:

Hình ảnh sứ hạ thế

 Sứ cao áp

Định nghĩa:

Sứ cao áp là sứ làm dụng cụ điện làm việc ở điện áp cao hơn 1000V

Tính chất:

Yêu cầu rất cao về chất lượng Độ xốp xương phải rất nhỏ(3-6%)

Hàm lượng pha thủy tinh cao Lượng tràng thạch trong phối liệu 20-25% Tỷ lệ K2O:Na2O

>2:1

Khi thay Na2O bằng K2O thì tổn thất điện môi giảm (từ 30.10-4 – 4.10-4), điện trở tăng (ρv từ

109 tới 1011Ωm), sản phẩm ít bị biến dạng và khoảng kết khối tăng.m), sản phẩm ít bị biến dạng và khoảng kết khối tăng

Hàm lượng pha thủy tinh tăng khi tăng nhiệt độ nung hoặc tăng thời gian lưu nhiệt ở nhiệt độ cao Tùy thuộc vào hàm lượng nguyên liệu, người ta phân biệt sứ tràng thạch ( nhiệt độ nung tương đối thấp khoảng 13200C), sứ quắc và sứ cao nhôm ( 1380-14500C)

Thành phần hóa và tính chất một số loại sứ cứng như sau:

o 72,8-73,14%SiO2, 22,2-21,96% Al2O3, 4,22-3,72%K2O, 0,53-0,43%Na2O, tỷ lệ K2O:Na2O=8-8,6

o Bền uốn: 40-70MPa

o Bền kéo: 25-35MPa

o Bền điện môi: 30-35kV/mm

Đối với môi trường:

oChống ăn mòn

oCó khả năng tự làm sạch trong điều kiện không có mưa

oKhông thấm nước

oCác tính chất vật lý không thay đổi ở nhiệt độ cao

oDùng được trong môi trườngbị ô nhiễm như mưa axit, sương muối, khói bụi công nghiệp,…

Cách chế tạo:

Sứ cao áp cũng được tạo hình theo phương pháp dẻo, ít dùng phương pháp đổ rót hay ép Với những sảnphẩm có tráng men, men không được tạo ứng suất cơ quá lớn, không được làm tăng độ dẫn điện bề mặt

Một số hình ảnh sứ cao áp:

Các giai đoạn từ tạo hình đến kiểm tra sản phẩm

Sứ cách điện ứng với hệ thống truyền tải điện

 Ceramic package được phân loại là thin film, thick film, or multilayer

Yêu cầu độ tổn thất điện môi thấp, bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp lên tổn thất truyền dẫn của mạch thin hay thick film Độ dẫn nhiệt cao để dẫn nhiệt ra khỏi các chips Kiểm soát nhiệt độ

là yếu tố quan trọng trong thiết kế cơ khí của các thiết bị điện tử tiên tiến

Đồng thời yêu cầu độ bền cơ cao để làm việc ổn định và tin cậy Hằng số điện môi tùy thuộc yêu cầu của sản phẩm Hằng số điện môi thấp cho phép khoảng cách các đường dẫn tín hiệu gần hơn và tốc độ truyền dẫn cao hơn

Hình ảnh minh họa ceramic package

Cách chế tạo:

Chuẩn bị nguyên liệu:

Bột oxyt sau khi làm giàu (sử dụng kỹ thuật làm giàu khoáng và xử lý hóa học) sẽ được bổ sung các thành phần khác nhằm tăng cường tính chất hoặc để đạt được nguyên liệu có tính chất theo ý muốn

Với sản phẩm thin film: phủ lớp màng kim loại lên nền ceramic

Các kim loại dùng chủ yếu: Au, Cu, Ag, Al

VL làm nền ceramic thông thường là oxyt nhôm (99,5-99,6%) cỡ hạt 2-2,5µm

Có nhiều phương pháp phủ kim loại lên nền: bốc bay hơi, phun, ngưng tụ hóa học CVD

Kim loại được phủ trên toàn bề mặt VL nền, sau đó được photoimage và khắc để tạo ra bản mạch mong muốn

Sản phẩm sau khi khắc

Phương pháp bốc bay hơi

Với phương pháp này kim loại cần đưa lên bề mặt được nung nóng đến nhiệt độ bay hơi trong chân không

Phương pháp phun

Kim loại cần đưa lên bề mặt đóng vai trò anod, nền ceramic đóng vai trò anod

Trước khi mạ kim loại, cần phủ một lớp kết dính (Cr, Ti, NiCr, TaN) để thuận lợi cho quá trình tiếp xúc

Với thick film

Dùng kỹ thuật in màng để phủ lớp kim loại lên nền ceramic( thick film)

Kỹ thuật in màng

Vật liệu nền hầu hết là ceramic, thường là Al2O3, với cỡ hạt 3-5µm, và có độ tinh khiết 94-98%, phần còn lại là các chất kết dính thủy tinh hay chất chảy

Paste thường bao gồm:

 Chất kết dính, glass frit

 Chất mang, hệ dung dịch hữu cơ và chất dẻo hóa

 Các vật liệu để phủ, thường là kim loại tinh khiết, hợp kim, oxit kim loại

Công nghệ packaging đa lớp thường sử dụng vật liệu nền là Al2O3 với chất chảy silica và alkaline, như là MgO và CaO được thêm vào như là tác nhân kết khối Một lượng nhỏ pha thủy tinh được tạo thành là cần thiết để nâng cao tính nén chặt của điện môi và kết dính tốt hơn với lớp phủ kim loại

Nhiệt độ nung của lớp nền Al2O3 khá cao khoảng 16000C

IV ỨNG DỤNG CỦA SỨ ĐIỆN:

 Tên gọi của các sản phẩm sứ này cho thấy nó có ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện, tùy theo những đòi hỏi khi ứng dụng và vai trò của sứ cách điện trong ưng dụng

mà nó được ứng dụng làm:

o Sứ đường dây

o Sứ đỡ

o Sứ định vị

o Sứ cầu dao

o Sứ định vị

o Sứ xuyên

 Ta cũng có thể thấy sứ cách điện trong một số loại tụ điện yêu cầu điện áp đánh thủng lớn

 Trong bugi của động cơ, vì ngoài vai trò cách điện những sản phẩm này còn có đặc tính chịu nhiệt cao cũng như trơ với môi trường

 Ngoài ra, các sản phẩm này được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, hệ thống định vị tự động và máy nghe nhạc cầm tay Ceramic package tạo sự bít kín và cách điện tuyệt vời giữa các đường mạch điện cùng với bảo đảm độ bền cao cho các linh kiện điện tử này

 Công nghệ LTCC (low-tempareture cofired ceramic) dựa trên các vật liệu vô cơ và được sử dụng như là “housing material” chứa các lớp đường dẫn mạch điện và các linh kiện điện tử được tích hợp LTCC được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, hàng không, viễn thông không dây, truyền thông tin quang học, và thiết bị tự động và y tế

 LTCC bao gồm một ceramic nhiệt độ nung thấp với đa lớp tạo bởi HTCC (High-temperature cofired ceramic) và các kim loại dẫn điện cao như Au, Ag, Cu được dùng trong quá trình thick film