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Keramisches Kondensatordielektrikum.
Keramische Baustoffe werden in der Elektrotechnik bereits vielfach angewendet. So wurde bereits vorgeschlagen, elektrisch leitendes Widerstandsmaterial aus Titan-und Zirkonverbindungen herzustellen. Durch die für diesen keramischen Stoff vorgeschriebene Wärmebehandlung wurden diese Verbindungen (Titancarbid) nicht verändert, so dass nach Fertigstellung dieses keramische Widerstandsmaterial bestimmte gewünschte Leitfähigkeitseigensehaften aufwies. Ebenso sind feuerfeste Stoffe aus Titanverbindungen und Zirkonverbindungen bekannt. Diese schliessen aber infolge ihrer Zusammensetzung die Verwendung als keramische Kondensatordielektrika aus, an welche ganz besondere Anforderungen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften gestellt werden.
Es sind bereits Kondensatordielektrika in die Technik eingeführt worden, die auf Grund eines beträchtlichen Anteiles an Titandioxyd eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Innerhalb des Gesamtgebietes der titandioxydhaltigen Isolierstoffe sind heute mehrere Entwicklungsrichtungen feststellbar. Isolierstoffe mit Titandioxyd in Mengen von 70 bis 90% und mehr zeigen eine Dielektrizitätskonstante von 40 bis 90. Während diese Stoffe bei Hochfrequenz einen geringen dielektrischen Verlust aufweisen (bei 300 m Wellenlänge wird tg 0 10. 10-4 bis 15. 10-4 gemessen), liegen die entsprechenden Zahlen für Niederfrequenz (900 Hz) bei 100. 10-4 bis 300. 10-4.
Isolierstoffe, die wesentlich aus Magnesiumtitanat bestehen, sind sowohl bei Hochfrequenz wie auch bei Niederfrequenz geringverlustig, doch liegt die Dielektrizitätskonstante verhältnismässig niedrig, etwa im Bereich von 10 bis 25.
Eine wichtige Stoffeigenschaft ist ferner die mehr oder weniger grosse Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von der Temperatur. Die hochkapazitiven, fast ausschliesslich aus Titandioxyd bestehenden Dielektriken haben einen merklich negativen Temperaturkoeffizienten, während bestimmte Magnesiumtitanatstoffe weitgehende Unabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von der Temperatur zeigen. Hieraus sind die besonderen Schwierigkeiten zu ersehen, die der Schaffung eines Werkstoffes entgegenstanden, der mehrere günstige Eigenschaften in sich vereinigt. Für den Kondensatorbau ist jedoch gerade ein Dielektrikum erwünscht, das eine möglichst grosse Dielektrizitätskonstante aufweist, sich mit der Temperatur wenig oder gar nicht ändert und sowohl bei Hochfrequenz wie bei Niederfrequenz geringe dielektrische Verluste zeigt.
Die Erfindung weist den Weg zu einem Dielektrikum, das die verlangten Eigenschaften in überaus günstiger Weise in sich vereinigt. Versuche haben gezeigt, dass bei Verwendung eines dicht gesinterten Gemisches von Titandioxyd und Zirkondioxyd Dielektrika mit überraschend günstigen dielektrischen Eigenschaften entstehen. Ob und in welchem Masse beim Dichtbrande derartiger Stoffgemisehe eine chemische Verbindung zwischen Titandioxyd und Zirkondioxyd herbeigeführt wird, ist noch nicht zweifelsfrei festgestellt. Das günstige Verhalten des aus einer solchen Mischung erbrannten Isolierstoffes ist jedoch durch dielektrische Messungen erwiesen. Diese Ergebnisse sind um so überraschender, als nach den Anschauungen über die Ausbildung dielektrischer Verluste diese besonders dann gering werden, wenn die betreffenden Stoffe möglichst homogen aufgebaut sind.
Durch Beimischung eines weiteren Stoffes, nämlich des Zirkondioxyds zu dem Gemisch von Titandioxyd mit Zuschlagstoffen erscheint dieses durch ein weniger einheitliches Stoffgemisch ersetzt. Es zeigte sich jedoch schliesslich bei näherer Untersuchung, dass hier eine homogenere Ausbildung des Gesamtstoffes erzielt wurde, da das Zirkondioxyd nicht neben dem Titandioxyd als selbständiger Bestandteil im Gemisch wirksam wird. Vielmehr ergab sich, dass das Zirkondioxyd sich in das Rutilgitter einlagert, welches hiedurch eine Aufweitung erfährt. Mit der Einfügung des Zirkondioxydes wird somit ein neuer Weg bei der Herstellung keramischer Kondensatordielektrika eingeschlagen, u. zw. vom physikalischen Gemisch zu einer homogeneren Phase durch Mischkristallbildung.
Es ist zweckmässig, das Verhältnis von Zirkondioxyd zu Titandioxyd etwa 1 : 2 bis 1 : 4 zu wählen.
Der Gesamtanteil der beiden Dioxyde macht etwa 50 bis 90% der Mischung aus, so dass 10 his 50 Gewichtshundertteile für das Zusetzen von Zuschlagsstoffen, Plastifizierungs- und Flussmitteln übrigbleiben. Erdalkalische Flussmittel sind zu bevorzugen ; besonders günstig wirkt ein Zuschlag von Magnesia oder äquivalenten Magnesiaverbindungen. Eine beliebige Vermehrung des Zirkondioxydanteiles kann nicht ohne weiteres vorgenommen werden, da hiebei die Feuerfestigkeit und damit die Dichtbrandtemperatur des Stoffes ausserordentlich ansteigt.
Hält man sich jedoch im Rahmen der genannten Verhältniszahlen, so ist ein Dichtrand zwischen 1350 und 16000 möglich. Beispiel :
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<tb>
<tb> 70 <SEP> Gewichtshundertteile <SEP> Ti02
<tb> 20 <SEP> Gewiehtshundertteile <SEP> Zur02
<tb> 8 <SEP> Gewichtshundertteile <SEP> Tonsubstanz
<tb> 2 <SEP> Gewichtshundertteile <SEP> Erdalkalicarbonat.
<tb>
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Der Stoff gemäss dem Beispiel zeigt bei 300 m Wellenlänge den dielektrischen Verlustfaktor 5. 10-4 ; bei 800 Hz beträgt der Verlustfaktor 10. 10-4, die Dielektrizitätskonstante ist 60.
Die Form, in der das Zirkondioxyd in die Masse eingeführt wird, unterliegt keiner strengen Vorschrift. Es kommt darauf an, wieweit im übrigen plastische Stoffe im Versatz vorhanden sind.
Je nachdem kann das Zirkondioxyd als mehr oder weniger wasserhaltiges Hydroxyd oder als geglühtes Oxyd eingeführt werden. Von der Möglichkeit, das Zirkondioxyd als wasserhaltiges und plastisches Hydroxyd einzuführen, wird man im allgemeinen immer dann Gebrauch machen, wenn eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante von dem Dielektrikum verlangt wird. In diesem Falle verbietet sich die Verwendung einer zur Plastifizierung ausreichenden Menge von Tonsubstanz, welche zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante nicht beiträgt. Die Verwendung chemisch gereinigter Zirkonerde erbringt gegenüber der des Naturstoffes eine höhere Dielektrizitätskonstante und geringere dielektrische Verluste des Dielektrikums.
Die Massebestandteile werden in einer Trommelmühle längere Zeit nass miteinander vermahlen, der entstandene Masseschlicker auf der Filterpresse entwässert und die plastische Masse nach dem in der Keramik sonst üblichen Strangpressverfahren beispielsweise zu dünnwandigen Röhrchen verarbeitet. Selbstverständlich können auch die andern Formgebungsverfahren der Keramik, wie Trockenpressen, und die Herstellung von Formkörpern nach dem Drehverfahren zur Anwendung kommen. Die rohen Formkörper werden intensiv getrocknet und danach im normalen keramischen Brennofen bei einer Brenntemperatur von S. K. 15 bis zur Sinterung gebrannt. Um den technischen Fortschritt augenfällig zu machen, sind in der folgenden Tabelle die entsprechenden physikalischen Eigenschaften einiger Stoffe zusammengestellt.
Die ersten zwei stellen im Handel befindliche, hochprozentig aus Titandioxyd bestehende Stoffe dar, die unter dem Handelsnamen"Kerafar"in der Elektrotechnik bekannt sind. Der dritte ist ein Stoff aus der Gruppe des Magnesiumtitanats ; in der
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EMI2.2
<tb>
<tb> Massenbezeichnung <SEP> Dielektrizitäts- <SEP> #C <SEP> pro <SEP> C <SEP> tg <SEP> # <SEP> . <SEP> 10-4 <SEP> tg <SEP> # <SEP> .
<SEP> 10-4
<tb> konstante <SEP> (#) <SEP> C <SEP> bei <SEP> #=300 <SEP> m <SEP> f=800 <SEP> Hz
<tb> Kerafar <SEP> R <SEP> 80 <SEP> minus <SEP> 6.10-4 <SEP> 10 <SEP> bis <SEP> 15 <SEP> 300
<tb> Kerafar <SEP> T <SEP> 40 <SEP> minus <SEP> 3.10-4 <SEP> 15 <SEP> bis <SEP> 20 <SEP> 100
<tb> Magnesiumtitanatmasse <SEP> 15 <SEP> plus <SEP> 0#4.10-4 <SEP> < 2 <SEP> 10
<tb> Massen <SEP> gemäss <SEP> minus <SEP> 0#5.10-4 <SEP> bis
<tb> der <SEP> Erfindung <SEP> 30 <SEP> bis <SEP> 60 <SEP> minus <SEP> 5#0.10-4 <SEP> 5 <SEP> bis <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> bis <SEP> 30
<tb>
Die Anteile an Titandioxyd und Zirkondioxyd regeln sich danach, welche Eigenschaften des Isolierstoffe im einzelnen erzielt werden sollen. Eine Erhöhung des Zirkondioxydanteiles auf Kosten des Titandioxyd erniedrigt die Dielektrizitätskonstante, verbessert jedoch die Unabhängigkeit derselben von der Temperatur.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Keramisches Kondensatordielektrikum mit grosser Dielektrizitätskonstante und geringen dielektrischen Verlusten bei Hoch-und Niederfrequenz, bestehend aus einem dicht gesinterten Gemisch von Titandioxyd und Zirkondioxyd.
2. Keramisches Kondensatordielektrikum, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Zirkondioxyd zu Titandioxyd etwa 1 : 2 bis 1 : 4 beträgt.