Báo cáo kỹ thuật sứ điện

1 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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 SiO
2
)và vị trí các vùng sứ kĩ thuật trên giản đồ
2 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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 BaTiO

3
,
PbTiO
3
, …
• Vật liệu gốm áp điện mới hơn PZT (PbO-ZrO
2
-TiO
3
) là gốm trên cơ sở dung dịch rắn
trong hệ PbZrO
3
– PbTiO
3
. Tinh thể PbZrO
3
– PbTiO
3
có tính chất áp điện với ít nhất
3% PbTiO
3
trong thành phần.
• Được phát hiện bởi Yutaka Takagi Gen Shirane và Etsuro Sawaguchi tại viện công
nghệ Tokyo vào năm 1952.
3 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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)
Gốm hóa học Gốm vật liệu
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
4 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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
0
C.
 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 K
2
O : Na
2
O > 2 : 1.
• Nến thay Na
2
O bằng K
2
O thì tgδ (tổn thất điện môi) giảm từ 30.10
-4
- 4.10
-4
điện trở
tăng p
v
từ 10
9
tới 10
11
, 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.
5 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
• Tùy thuộc vào hàm lượng nguyên liệu người ta phân biệt sứ tràng thạch ( nhiệt độ nung
1320
0
C), sứ quắc, sứ cao nhôm (nhiệt độ nung 1380- 1450
0
C) .
• 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 % SiO
2

 21.96- 22,2 % Al
2
O
3

 3.72- 4.22 %K
2
O
 0.43-0.53% Na
2
O
 tỷ lệ K
2
O : Na
2
O = 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.
6 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ


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 đỡ Sứ treo
7 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
Sứ xuyên:
Sứ dùng cho các máy biến áp:
Đế sứ hạ áp
Sứ cầu dao:
Sứ cầu chì:

8 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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
9 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ

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
10
12
-10
20
Ώm. 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.
10 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
 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 E
đt
là tỷ số giữa điện thế đánh thủng U
đt
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 U
đt
ta xác định được độ bền điện của điện môi E
bđ
, E
bđ
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
E
bđ
= E

đt
= U
đt
/ 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-SiO
2
Gốm có hệ số điện môi lớn: thành phần chủ yếu là TiO
2
, 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
11 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ

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 1320-1350
0
C
( đôi khi chỉ 1250
0
C).
Một số hình ảnh sứ hạ thế:
12 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ

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 K
2
O:Na
2
O
>2:1.
Khi thay Na
2
O bằng K
2
O thì tổn thất điện môi giảm (từ 30.10
-4
– 4.10
-4
), điện trở tăng (ρ
v
từ
10
9
tới 10
11
Ωm), 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 1320
0
C), sứ quắc và sứ cao nhôm ( 1380-1450
0

C).
Thành phần hóa và tính chất một số loại sứ cứng như sau:
o 72,8-73,14%SiO
2
, 22,2-21,96% Al
2
O
3
, 4,22-3,72%K
2
O, 0,53-0,43%Na
2
O, tỷ lệ
K
2
O:Na
2
O=8-8,6.
o Bền uốn: 40-70MPa
o Bền kéo: 25-35MPa
o Bền điện môi: 30-35kV/mm
Đối với môi trường:
o Chống ăn mòn
o Có khả năng tự làm sạch trong điều kiện không có mưa.
o Không thấm nước
o Các tính chất vật lý không thay đổi ở nhiệt độ cao
o Dùng được trong môi trườngbị ô nhiễm như mưa axit, sương muối, khói bụi công
nghiệp,…
13 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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

14 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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.
15 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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
16 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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 Al
2
O
3
, 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
17 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ

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 1600
0

C
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
18 Báo cáo kĩ thuật gốm sứ
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