Для производства источников света из керамики изготавливают различные изоляционные детали (мостики, держатели, вкладыши и др.). В последнее время, начиная примерно с 1960 г., особая светопрозрачная керамика, получаемая на основе чистейшей окиси алюминия, применяется для изготовления колб-оболочек в газоразрядных лампах высокого давления с парами щелочных металлов, в частности в натриевых лампах высокого давления. Перспективно применение керамических светопрозрачных материалов для колб и других типов ламп.
Керамика представляет собой неорганический материал, полученный спеканием из смеси исходных порошкообразных диэлектрических веществ.
Любая керамика по структуре представляет собой трехфазный материал, состоящий из кристаллической, стекловидной и газовой фаз. Основу керамики составляет кристаллическая фаза, определяющая в основном ее главные свойства. Стекловидная фаза керамики — это тонкая прослойка из стекла, связывающая кристаллы кристаллической фазы. Она улучшает спекаемость керамики. Газовая фаза — это поры в материале, заполненные газом. Они неизбежно возникают в процессе изготовления керамических деталей и ухудшают параметры керамики.
Положительными свойствами керамики являются:
- высокая химическая стойкость к действию влаги, кислот, органических растворителей, паров многих активных металлов;
- стабильность параметров в широком интервале температур;
- высокая механическая прочность;
- малое газопоглощение, легкая обезгаживаемость;
- очень малая газопроницаемость через плотную керамику и др.
К недостаткам керамики можно отнести относительную сложность технологии получения и обработки керамических деталей, дороговизну некоторых марок и т. п.
Для электролампового производства наибольший интерес представляет вакуумно-плотная керамика, имеющая несколько разновидностей.
По химико-минералогическому составу вакуумно-плотная керамика подразделяется на магнезиально-силикатную, алюмосиликатную, алюмооксидную и окисно-бериллиевую.
Получение деталей из керамики. Общая схема технологического процесса получения керамики включает в себя подготовку исходных материалов, составление шихты и подготовку формовочной массы, формование, обжиг, механическую обработку и очистку.
Рассмотрим эту типовую схему для алюмооксидной керамики.
Подготовка исходных материалов.
Сырьем для получения алюмооксидной керамики служит технический глинозем или электроплавленый корунд. Для массового производства целесообразнее использовать технический глинозем, переводя его дополнительной обработкой в безводную кристаллическую окись алюминия с размером зерен 40—70 мкм. При дополнительной обработке исходное сырье очищается от остатков щелочей и окислов железа, как наиболее вредных примесей, путем многократной промывки в воде, в соляной кислоте, а также магнитной сепарацией и термическим испарением в восстановительной среде.
Глинозем может быть в трех основных кристаллических формах — α, β и γ. Так как в процессе обработки керамики возможен самопроизвольный переход окиси алюминия из одной кристаллической формы в другую, сопровождаемый резким изменением объема материала, то стараются получить глинозем только в одной наиболее стабильной форме а. Такая стабилизация глинозема достигается его прокалкой при температурах порядка 1400—1700 °C. После очистки и стабилизации формы глинозем размалывают в шаровых или вибрационных мельницах до нужной зернистости.
Для регулировки процесса рекристаллизации основного вещества керамики в состав шихты вводится минерализатор (BaO, CaO, MgO, SiO2 или др.). Для светопрозрачной алюмооксидной керамики используется минерализатор MgO, вводимый в виде MgCl2 в количестве 0,3% к массе глинозема. Он так же, как и основное вещество, тщательно очищается и размалывается до размера зерен около 1 мкм.
Составление шихты.
Процесс составления шихты зависит от подготовленности исходных материалов. В одном случае он сводится к взвешиванию исходных материалов согласно рецепту и их тщательному перемешиванию сухим или мокрым способом в шаровых или других смесителях. Перемешанная мокрым способом масса обезвоживается на фильтрах-прессах или вакуум-фильтрах. Если минерализатор вводится в шихту в виде водорастворимой соли, то перемешанную массу дополнительно прокаливают и снова перемешивают, но уже в сухом состоянии.
В другом случае, по так называемой «спековой» технологии, в одном процессе синтеза шихты совмещают операции стабилизации глинозема в α-форме и изготовление минерализатора. Составленная согласно рецепту смесь исходных материалов перемешивается, гранулируется, обжигается при 1130—1430 °C и размалывается сухим способом или в водной среде с добавкой поверхностно-активных веществ.
Формование.
Известны следующие способы формования керамических, деталей: горячее литье под давлением, прессование и экструзия (выдавливание, протяжка).
Для горячего литья под давлением готовится шликер — жидкая смесь керамической массы с органической связкой, в качестве которой часто применяется парафин с добавкой воска и олеиновой кислоты. Количество вводимой связки 5—10% общей массы. Шликер выдерживают в вакууме с целью удаления газовых включений, а затем заливают в металлическую или гипсовую форму. За счет теплоотвода на массивную форму, если она выполнена из металла, или интенсивного отбора влаги гипсом жидкий шликер затвердевает, образуя изделие заданной конфигурации. Изделие извлекают, раскрывая металлическую форму или разбивая гипсовую. Способ горячего литья керамики позволяет получать однородные изделия высокой плотности, с хорошими механическими свойствами, сложной формы.
Способ прессования имеет несколько разновидностей по его осуществлению. По одному из них готовится полусухая керамическая формовочная масса с добавлением к ней связки, например: смеси парафина, олеиновой кислоты, водного раствора поливинилового спирта и глицерина. Затем из этой массы на высокопроизводительных автоматических прессах с использованием твердосплавных пресс-форм формуются детали. В другом случае (изостатическое прессование) формование деталей происходит путем их обжатия через эластичную резину в жидкости за счет гидравлических сил.
Способ экструзии состоит в том, что сырьевая масса продавливается под большим давлением через специальное приспособление — мундштук. Форма отверстия в мундштуке, через которое продавливается масса, определяет форму получаемого изделия. Для облегчения процесса экструзии в состав массы вводят различные добавки, например; поливиниловый спирт, аммиак, глицерин, бутилацетат, воду. После выхода из мундштука экструдера керамическое изделие обычно подсушивается на воздухе, а затем поступает на операцию обжига.
Обжиг керамики.
Отформованные керамические изделия обжигаются, как правило, в два этапа: первый — низкотемпературный обжиг ведется с целью удаления органической связки и придания определенной твердости изделию, второй — высокотемпературный проводится для придания изделиям из керамики окончательной твердости, прочности, плотности и т. п. Обжиг сопровождается усадкой керамики. Первый этап обжига проводится на воздухе в колпаковых или конвейерных электропечах. Температура и время этого обжига для алюмооксидной керамики составляют соответственно 1250—1350° С и несколько часов. Для сохранения формы изделий обжиг ведут при засыпке изделий адсорбентом (порошком глинозема) или на специальных подставках. Скорость подъема температуры также должна быть ограничена, иначе изделия коробятся, а внутри материала оказываются микроскопические газовые полости.
Второй этап обжига ведут при повышенных температурах (на несколько сот кельвин выше, чем первый) в вакууме или инертном газе. Для этого могут использоваться печи типов ПВТ-6, СШВЛ, СЭВ и др. Режимы отжига должны выдерживаться очень точно, особенно при получении светопрозрачной керамики. При этом необходимо точно соизмерять скорость усадки материала, роста кристаллов и удаления воздушных пор, чтобы растущие кристаллы вытесняли, а не захватывали образующиеся поры.
Механическая обработка.
После обжига керамические изделия в результате трудно контролируемой усадки имеют недостаточную точность. Поэтому для получения большей точности по форме, размерам и чистоте обработки поверхности их часто подвергают шлифованию, а иногда — обработке с помощью ультразвука. Шлифование керамики ведется с помощью алмазного инструмента, например синтетического алмаза высокой прочности на металлической связке. С помощью ультразвука в керамике возможна «прошивка» отверстий разного диаметра.
В производстве светопрозрачной керамики не допускается высыхания на изделиях до их последующей промывки и окончательной очистки применяемой для шлифования охлаждающей жидкости.
Очистка.
Керамику очищают промывкой в азотной, соляной и других кислотах, в трихлорэтилене, в дистиллированной воде с добавлением поверхностно-активных веществ. Эффективна очистка керамики с использованием ультразвука в подогретом растворе тринатрийфосфата, затем в дистиллированной воде и споласкивание в ацетоне. Сушат керамику на воздухе или в сухом азоте при температуре около 100 °C. Часто керамические детали перед их монтажом в прибор отжигают в вакууме.