способ металлизации диэлектрических изделий

Формула изобретения

СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ путем нанесения серебряной пасты на их поверхность с последующим вжиганием покрытия электрическим полем высокой частоты в промежутке между пластинами конденсатора с образованием зазоров между изделием и пластинами, заполненных диэлектрическими подложками, отличающийся тем, что в зазоры между изделием и пластинами конденсатора помещают по крайней мере по паре диэлектрических подложек с каждой стороны с отличающимися значениями отношения тангенса угла диэлектрических потерь к диэлектрической проницаемости материала каждой из них, при этом для одной из подложек этот показатель больше соответствующего показателя изделия, а для другой - меньший или равный с ним.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии металлизации поверхностей диэлектрических изделий, в частности изделий из сегнетокерамики.

Известен способ металлизации изделий из сегнетоэлектрической керамики [1] включающий вжигание в керамическое изделие серебряной пасты в высокочастотном электрическом поле между двумя подложками из материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь.

Учитывая малую величину тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической керамики, являющегося основным показателем, определяющим степень преобразования энергии электрического поля в тепло, нагреть керамику до необходимых для вжигания серебра температур (500-800^оС) не удается без электрического пробоя, разрушающего создаваемую структуру. Поэтому введение дополнительных промежуточных подложек, обладающих способностью в значительно большей степени, чем изделие, преобразовывать электрическое поле в тепло именно в зоне поверхностного вжигания пасты по сопрягаемым поверхностям, позволяет достигать в оперативной зоне необходимых температур без перегрева основного объема изделия и следующего за ним электрического пробоя.

Однако локализация теплового поля в узком промежутке вжигаемого слоя серебряной пасты, отягощенная краевыми эффектами, а также следствиями технологической неравномерности такого слоя, приводит к появлению поверхностных тепловых ударов и, как следствие, к электрическим пробоям обрабатываемой поверхности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ вжигания серебряной пасты [2] включающий нанесение серебряной пасты на поверхность с последующим вжиганием покрытий электрическим полем высокой частоты в промежутке между пластинами конденсатора с образованием зазоров между изделием и пластинами, заполненными диэлектрическими подложками. Подложки в прототипе изготовлены из смеси асбеста с алюминооксидом на глинистом связующем.

Учитывая отсутствие непосредственной связи по поверхностям сопряжения волокон асбеста и зерен алюминооксидной керамики, а также различие их форм, такая конструкция композиции обеспечивает повышенную пористость получаемого материала. Заполнение пор асбестовой матрицы (до 75 мас.) с высокой величиной тангенса угла диэлектрических потерь зернами алюминооксидной керамики с низким значением соответствующего показателя обеспечивает повышенную электрическую прочность материала, с одной стороны, и большую инерционность нагрева с другой за счет объемного перераспределения выделяющегося на асбестовых волокнах тепла. Однако вертикальные диэлектрические связи волокон асбеста и зерен алюминооксидной керамики делают такую структуру равноценной размещению диэлектрических материалов вдоль силовых линий электрического поля, т. е. приводят к концентрации выделения тепла в материале с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь. При этом малая удельная величина поперечного сечения такого материала, расположенного вдоль силовых линий электрического поля, при условии концентрации в нем выделяемой мощности, создает устойчивые предпосылки для локального перегрева таких вертикальных "тепловых каналов", их прогара и электрического пробоя всей системы в целом. Вместе с тем, суммарная диэлектрическая проницаемость такой композиции снижается, уменьшая тем самым фактор потерь, что свидетельствует о понижении энергетической эффективности установки с использованием подложки-прототипа. Кроме того, подобная система требует введения довольно значительного (до 10 мас.) связующего (в данном случае глины огнеупорной), обладающего повышенной плотностью и значительно более низкими диэлектрическими свойствами по сравнению с основным составом композиции подложки, что определяет дополнительные причины повышенной склонности к локальному перегреву и пробою.

Строго говоря, такой показатель, как тангенс угла диэлектрических потерь, определяет лишь долю энергии, сконцентрированной в слое одного состава, переходящей в тепло за счет релаксационных процессов, проходящих под действием циклично изменяющегося по направлению прикладываемого электрического поля. При этом величина воздействия самой энергии, сконцентрированной в слое, расположенном поперек силовых линий электрического поля, составляет величину, обратно пропорциональную диэлектрической проницаемости вещества, из которого сформирован такой слой. Таким образом, конечный показатель, определяющий долю суммарной энергии, преобразуемой веществом конкретного слоя в тепло, составляет отношение тангенса угла диэлектрических потерь к диэлектрической проницаемости вещества слоя.

Задачей изобретения является повышение электрической прочности подложки, регулируемое равномерное распределение электрической напряженности воздействующего поля и, соответственно, повышение качества вжигаемого серебряного электрода.

Это достигается путем нанесения серебряной пасты на поверхность диэлектрических изделий с последующим вжиганием покрытий электрическим полем высокой частоты в промежутке между пластинами конденсатора с образованием зазоров между изделием и пластинами, заполненными диэлектрическими подложками. На место последних помещают по крайней мере по паре диэлектрических подложек с каждой стороны с отличающимися значениями отношения тангенса угла диэлектрических потерь к диэлектрической проницаемости вещества каждой из них, при этом для одной из подложек этот показатель больше соответствующего показателя изделия, а для другой меньше либо равен ему.

Разнесение противоположных диэлектрических свойств материала в пространстве создает условия выравнивания воздействующего электрического поля и получения серебряных электродов со значительно более стабильными эксплуатационными свойствами. Каждая из подложек выполняет свою собственную функцию: одна равномерный нагрев, другая стабилизацию теплового воздействия электрического поля, сглаживание краевых эффектов и предотвращение перегрева и электрических пробоев. При этом такие подложки находятся в системном взаимодействии друг с другом, так как, располагаясь поперек силовых линий электрического поля, они перераспределяют напряженность поля обратно пропорционально значениям своей диэлектрической проницаемости, обеспечивая тем самым возможность получения заданных температур в широком диапазоне значений. При этом превышение значения тангенса угла диэлектрических потерь в отношении к диэлектрической проницаемости одной из подложек над соответствующим значением изделия позволяет достигать значительно более высоких температур прогрева поверхности изделия, чем способно создавать само изделие, находясь в зоне воздействия высокочастотного электрического поля, и обеспечивать этим оптимальные условия для вжигания серебряной пасты и именно только на поверхности, так как время воздействия высокочастотного нагрева мало, что позволяет также избежать перегрева всего объема изделия и его электрического пробоя. Другая подложка имеет значение того же показателя ниже соответствующего показателя изделия, что позволяет перераспределять воздействие электрического поля равномерно по всей обрабатываемой поверхности, учитывая ее технологические неоднородности, т.е. обеспечивая режим саморегуляции за счет меньшего сопротивления и соответственно большей скорости распространения электрического поля, при котором происходит выравнивание силовых линий электрического поля независимо от краевых эффектов и других макро- и микро-неоднородностей диэлектрической среды, включая и само изделие с вжигаемым электродом, которое первоначально, до восстановления серебра, также имеет вид диэлектрика.

Способ металлизации диэлектрических изделий осуществляют следующим образом.

Наносят серебряную пасту на металлизируемую поверхность диэлектрических образцов, преимущественно сегнетоэлектриков. Высушивают образцы с нанесенной пастой на воздухе, затем помещают их между двумя парами подложек (из асбоцемента и алюминооксида). Подложки с образцами устанавливают между электродами рабочего конденсатора высокочастотного генератора и включают генератор. Образцы выдерживают под воздействием высокочастотного электрического поля в течение 5-15 мин. По достижении заданной температуры вжигания генератор выключают. Металлизированные образцы после их охлаждения в течение 15-20 мин снимают с подложек.

Процесс металлизации иногда повторяют 2 и более раз.

Параметры оптимального режима высокочастотного нагрева определяли в процессе экспериментов на высокочастотной установке ВЧД2-1,6/40, рабочая частота которой составляет 40,68 МГц.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа металлизации проводилась на стандартных образцах диаметром 25,4 мм и высотой 3 мм. Подложками служили образцы из асбоцемента толщиной 5 мм и алюминооксида толщиной 1 мм.

Адгезионная прочность соединения серебряного электрода с образцом, материалом которого служили цирконаты-титанаты свинца марок ЦТБС-3 и ЦТС-19, составила 16,0-20,0 МПа. Установлено также, что электрофизические параметры пьезокерамических элементов, изготовленных из указанных материалов пьезокерамических элементов, изготовленных из указанных материалов с применением предложенного способа металлизации, существенно превышают значения параметров пьезокерамических элементов, металлизированных по другим технологиям, при одновременном повышении в 2-2,5 раза стабильности параметров.