CH280296A - Keramischer Isolierkörper und Verfahren zu dessen Herstellung. - Google Patents

Description

  Keramischer Isolierkörper und Verfahren zu dessen Herstellung.    Gegenstand der vorliegenden Erfindung  ist ein keramischer Isolierkörper und ein Ver  fahren zu dessen Herstellung. Mit vorliegen  der Erfindung können     Isolierkörper    mit klei  nem     dielektrischem        Verhistfaktor    (z. B. 6 bis       \Z0.10-4)    und hoher mechanischer Festig  keit (z. B. Biegefestigkeit von mindestens  600     kg/em")    erhalten werden.

   Die steigende  Nachfrage nach Isoliermaterialien mit kleinem  Verlustfaktor für die Hochfrequenztechnik  ist bisher hauptsächlich durch die Entwick  lung der     Steatitkörper    befriedigt worden, die im  wesentlichen aus Talken, d. h. natürlichen Ma  gnesiumsilikat.en, mit Zusätzen von     Erd-          alkalimetallverbindungen    und geringen Men  gen von formbaren Tonen hergestellt werden.  



  Wohl erfüllen diese     Steatit-Isolierkörper     überall da vollständig ihren Zweck, wo nied  rige     dielektrische    Verluste verlangt werden,  aber sie müssen in besonders sorgfältiger  Weise zusammengemischt werden, um eine form  bare Masse zu erhalten, und infolge des engen       Brennbereiches    dieser Materialien setzt auch  die Erzielung eines genau vorbestimmten     Ver-          glasungsgrades    beim Brennen besonders genau  definierte Bedingungen voraus.

   Nicht jeder  natürliche Talk ist für die Herstellung dieser       Steatitkörper    brauchbar, und der Preis für die  ses Rohmaterial ist. wesentlich höher als der  jenige anderer Rohmaterialien, die für die  Herstellung gewöhnlicher Porzellanisolatoren  verwendbar sind. Derselbe Umstand gilt für  das Rohmaterial zur Herstellung der bekann-         ten        Zirkonkörper,    die hinsichtlich ihrer klei  nen     dielektrisehen    Verluste für Hochfrequenz  bauteile gut verwendbar sind, aber anderseits  auch eine hohe     Dielektrizitätskonstante    als  Nachteil     aufweisen.     



  Es wurde nun gefunden, dass es nicht  notwendig ist, für     Hoehfrequenzbauteile,     bei denen ein niedriger Verlustfaktor wich  tig ist, ausschliesslich     Steatit    oder     Zirkon-          isolatoren    zu verwenden, indem mit Hilfe von       Kalziummineralien    in bestimmten Mischungen  ein keramischer Isolierkörper hergestellt wer  den kann, der sich erfindungsgemäss dadurch  kennzeichnet,

   dass er zum grössten Teil aus  einem feinkristallinen     Csefüge    eines     Kalzium-          Aluminhim-Silikates    besteht und eine     Dielek-          trizitätskonstante    von höchstens 7 aufweist.

    Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstel  lung eines derartigen Isolierkörpers ist da  durch gekennzeichnet, dass     -unter    Verwendung  einer     unkalzinierten        Kalziumverbindung    und  eines rohen Tones durch kahlen und Mischen  eine homogene, formbare Masse hergestellt  wird, welche nach dem Formen gebrannt und  danach abgekühlt wird, so dass der erhaltene       Isolierkörper    zum grössten Teil aus einem fein  kristallinen Gefüge eines     Kalzium-Aluminium-          Silikates    besteht und eine     Dielektrizitätskon-          st.ante    von höchstens 7 aufweist.

       Kalziumver-          bindungen    sind in der Natur sehr viel stärker  verbreitet als     Zirkon    und     Magnesiumverbin-          dungen    wie z. B. Talke. Besonders Kalk oder  Kreide,     Kalziumsulfat    oder Gips, Kalzium-           phosphat    oder     Apatit    oder     Knochenasehe    sind  in grossen Mengen verfügbar. Von diesen  Rohmaterialien ist besonders die Schlämm  kreide praktisch überall in grossen Mengen  vorhanden.  



  Zur Vermeidung einer hohen     Dielektrizi-          tätskonstante    des Endproduktes ist darauf zu  achten, dass die     verwendeten    Rohmaterialien  keine Elemente, wie z. B. Titan, enthalten,  welche die     Dielektrizitätskonstante    vergrössern  würden.  



  Da beim erfindungsgemässen Verfahren  meistens ein hoher Anteil von rohen Tonen  verwendet wird, ergibt es sich von selbst, dass  die Gemischmasse sich durch eine vorzügliche  Formbarkeit auszeichnet.  



       Kalziumverbindungen,    wie z. B. Kreide, und.  Tone, welche aus feinverteilten Aluminium  silikaten bestehen, verbinden sich beim Bren  nen zu     Kalzium-Aluminium-Silikaten,    die bei  der Abkühlung feinkristalline Gefüge bilden.  Gleichzeitig können auch einige glasähnliche  Gefügebestandteile gebildet werden.  



  Es kann dabei notwendig sein, die     Fluss-          eigenschaften    der     Kalziumverbindungen    da  durch in vorbestimmter Weise zu regulieren,  dass ein Teil der     Kalziumverbindungen    durch  andere mineralische Verbindungen von Ele  menten der     II.    Gruppe des periodischen Sy  stems, wie z. B. Beryllium,     1Hagnesium,    Ba  rium,     Strontiiun,    ersetzt wird, aber immer in  derart beschränkter Menge, dass der Anteil  der     Kalziumverbindungen    mindestens doppelt  so gross ist als die Menge der genannten Er  satzmineralien. Vorzugsweise werden zu die  sem Zweck Karbonate oder Sulfate der ent  sprechenden Elemente verwendet.  



  Die verwendeten Tone sollten nach Mög  lichkeit einen geringen     Alkaligehalt    aufweisen,  weil sonst die     dielektrischen    Verluste des End  produktes leicht auf ein unerwünschtes Mass  ansteigen könnten.  



  Falls Tone von höherem     Alkaligehalt    auf  Grund ihrer oft grösseren Plastizität verwen  det werden sollte ihre Menge vorteilhaft inner  halb vernünftiger Grenzen gehalten werden,  damit der ganzen Masse nicht zu viel Alkali  zugeführt wird. Wenn grosse Mengen solcher    Tone mit grossem     Alkaligehalt    zur Verwen  dung gelangen, wird     zweckmässig    der uner  wünscht, hohe Einfluss des Alkalis auf die  Verglasung durch die Gesamtmischung des  Ausgangsmaterials neutralisiert. Ein zu hoher       Alkaligehalt    kann auch einen Stoff mit einem  zu kleinen     Brennbereich    schaffen, ganz abge  sehen davon, dass er den     dielektrischen    Ver  lust erhöht.

   Deshalb     mao,    es sich in solchen  Fällen als empfehlenswert erweisen, geringe       Mengen,        z.        B.        1:%        bis    3     %,        feuerbeständige        Ver-          bindungen    beizugeben, beispielsweise Chrom  oxyd, feingemahlenes Chromeisenerz, Alumi  niumoxyd,     Sillimanit,        Andalusit,        Cyanit,        Zir-          konoxyd,        Zirkonsilikat.    Dies kann dazu bei  tragen,

   dass sowohl der Brennbereich vergrö  ssert, als auch ein     Produkt    mit kleinerem     di-          elektrischem    Verlust geschaffen wird.  



  In andern Fällen mag es jedoch     empfeh-          lenswert        sein,        kleine        Mengen,        etwa        bis    3     %,     von     alkalihaltigen    Verbindungen, wie Feld  spate, beizugeben, damit. ein noch dichteres     Di-          elektrikum    erlangt wird, das sehr hohe Span  nungen aushalten kann, wie es für Hochspan  nungsisolatoren benötigt wird und wo auch  ein etwas höherer     dielektrischer    Verlust zu  lässig ist.  



  Der zu verwendende Ton     bzw.    die zu ver  wendenden Tone können einen recht hohen  Kieselsäuregehalt     aufweisen,    oder es mag  ihnen Kieselsäure als solche beigemengt wer  den, damit deren Menge angesichts der     Tat-          saehe,    dass der Kieselsäuregehalt in natür  lichen Tonen variieren kann, einen bestimm  ten Wert erreicht.  



  Die Gegenwart von Kieselsäure in der Ver  bindung wirkt der Schrumpfung entgegen, die  auf höhere     Kalziumkarbonat-    oder     Sehlämm-          kreidegehalten    zurückzuführen ist. Gleichzeitig  wirkt sie als     Kalziumsilikat    bildendes Fluss  mittel.

   Solche Stoffe weisen eine bedeutende  mechanische Festigkeit. auf, wenn sie richtig  gebrannt sind, und wo immer ein Bedarf nach  einem sehr starken Material. besteht, wird es  sieh empfehlen, der Verbindung Kieselsäure  in Form von Quarz am     besten    in Mengen     zwi-          schen    3     bis        10%        beizugeben.        Die        Beimengung     von entsprechenden Mengen an Kieselsäure      zur Masse kann auch dadurch geschehen, dass  man     Wollastonit    oder ein anderes natürliches       Kalziulnsilikat    verwendet, wenn dieser Roh  stoff vorhanden ist.  



       CTleiehzeitig    kann dieses Mineral entweder  allein oder zusammen mit Schlämmkreide oder  einer andern     Kalziumverbindung    verwendet  werden, um eine entsprechende Menge von  Kalzium in die Masse einzuführen.  



  Es können natürlich auch quarzfreie Tone  verwendet werden, falls grössere Schrumpfung  des gebrannten Produktes nicht so schädlich  oder wenn ein guter     Widerstand    gegen     plötz-          liehe    Temperaturwechsel von Bedeutung ist.  



  Der Quarzgehalt der     Misehungsmasse    wird       zweekmässigerweise    nicht höher als der Gehalt  an reiner Tonmasse sein, damit eine gute     Be-          arbeitbarkeit    der Mischung sichergestellt  bleibt, ferner auch damit keine übermässige  Menge eines Reaktionsproduktes des Kalzium  silikates als     Flussmittel    gebildet wird.  



  In gewissen Fällen kann die Plastizität des  Tones oder der Tone zu gross sein. Dann  mag es sieh als empfehlenswert erweisen, eine  entsprechende Menge des Tones     vorzubrennen     und sie     vorgebrannt    und fein gemahlen in die  Mischung einzugeben. Der     vorgebrannte    Teil  sollte jedoch     vorteilhafterweise    kleiner als die  rohe Menge sein, damit die gute Plastizität  und     Bearbeitbarkeit    der Mischung nicht     be-          einträehtigt    wird.  



  Beim Mischen und Brennen von     Misehun-          gen    der     besellriebenen    Art, die hauptsächlich  aus     Kalziumverbindungen,    vorzugsweise aus       Sehlämmkreide,    und Tonen oder quarzhaltigen  Tonen, mit oder ohne zusätzliche Verbindun  gen von Elementen der Gruppe     II    des peri  odischen Systems in     unkalziniertem    rohem Zu  stand bestehen, ergibt sich oft eine farbige,       fleekige    Oberfläche, welche wahrscheinlich auf  kleine Unreinheiten in gewissen Teilen zu  rüek7uführen ist, welche sieh in den Kalzium  stoffen zeigen.  



  Diese Flecken können völlig vermieden  werden, wenn die Masse     gleiehmässig    durch       Beimengung        von        bis        2%        färbender        Metall-          oxyde,    z. B. Eisenoxyd, gefärbt. wird. Bei  mengung einer gleichen oder sogar kleineren    Menge von     Kobaltoxyd    kann in manchen Fäl  len eine noch ansprechendere Farbe ergeben,  obwohl dieses Oxyd teurer ist. Auch andere  Metalloxyde können     beigegeben    werden, vor  ausgesetzt, dass sie die     Gxestehungskosten    des  Stoffes nicht zu sehr vergrössern.

   Die billig  ste Art der Beimengung von Eisenoxyd zu der  Verbindung ist die Verwendung von Tonen,  welche einen entsprechenden     Eisenoxydgehalt     aufweisen.  



  Die folgenden     Misehverhältnisse    ergaben  bei Versuchen die besten Massen für die  Herstellung der neuen Isolierkörper von hoher  mechanischer Festigkeit und niedrigen     dielek-          trischen    Verlusten:

    
EMI0003.0043     
  
    1. <SEP> 15-40% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  85-60% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Tone.
<tb>  7.5-40% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  15-40% <SEP> vorgebrannte <SEP> Tone,
<tb>  70-20% <SEP> rohe <SEP> Tone.
<tb>  . <SEP> 15-401/o <SEP> rohe, <SEP> ung <SEP> rannte <SEP> Kalziumver  3 <SEP> <B>3</B> <SEP> eb
<tb>  bindungen,
<tb>  3-30% <SEP> Quarz,
<tb>  82-30% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Tone.
<tb>  4. <SEP> 10-27% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  5-13% <SEP> rohe <SEP> Verbindungen, <SEP> einzeln <SEP> oder
<tb>  in <SEP> Mischungen, <SEP> von <SEP> Beryllium,
<tb>  Magnesium, <SEP> Barium, <SEP> Strontium,
<tb>  85-60% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Tone.
<tb>  5.

   <SEP> 10-27% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  5-131/o <SEP> rohe <SEP> Verbindungen, <SEP> einzeln <SEP> oder
<tb>  in <SEP> Mischungen, <SEP> von <SEP> Beryllium.
<tb>  Magnesium, <SEP> Barium, <SEP> Strontium,
<tb>  15-40% <SEP> vorgebrannte <SEP> Tone,
<tb>  70-20% <SEP> rohe <SEP> Tone.
<tb>  6. <SEP> 15-40% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindnngen,
<tb>  3-30% <SEP> Quarz,
<tb>  30-10% <SEP> vorgebrannte <SEP> Tone,
<tb>  52-20% <SEP> rolle <SEP> Tone.

         
EMI0004.0001     
  
    7. <SEP> 10-27% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  5-13% <SEP> rohe <SEP> Verbindungen, <SEP> einzeln <SEP> oder
<tb>  in <SEP> Mischungen <SEP> von <SEP> Beryllium,
<tb>  Magnesium, <SEP> Barium, <SEP> Strontium,
<tb>  3-30% <SEP> Quarz,
<tb>  82-30% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Tone.
<tb>  B. <SEP> 10-27% <SEP> rohe, <SEP> ungebrannte <SEP> Kalziumver  bindungen,
<tb>  5-13% <SEP> rohe <SEP> Verbindungen, <SEP> einzeln <SEP> oder
<tb>  in <SEP> Mischungen, <SEP> von <SEP> Beryllium,
<tb>  Magnesium, <SEP> Barium, <SEP> Strontium,
<tb>  3-30% <SEP> Quarz,
<tb>  52-20% <SEP> rohe <SEP> Tone,
<tb>  30-10% <SEP> vorgebrannte <SEP> Tone.

         Die oben beschriebenen Stoffe können  nass in Kugelmühlen gemahlen, so dass gleich  mässig fein verteilte homogene Mischungen  entstehen, und dann in den üblichen Prozessen  zu     keramischen        Isolierkörpern    :der gewünschten  Form gepresst werden. Die Körper können  dann je nach ihrer Zusammensetzung bei Tem  peraturen zwischen 1150 bis 1400  C gebrannt  werden, bis sich beim Brennen eine vollstän  dige Verglasung und eine genügende Dichte  ergibt.

   Wenn sie genügend gebrannt sind,  weisen sie ganz geringe     dielektrische    Verluste  bei niedriger     Dielektrizitätskonstante    auf.     Me-          ehanisch    sind sie sehr fest und erweisen sich  den     Steatit-    oder     Zirkonverbindungen    in keiner  Weise unterlegen.  



  Die neuen Isolierkörper bestehen nach dem  Brennen zum grössten Teil aus     Kalzium-Alu-          minium-Silikaten    und sind fein kristallin, da  aus der beim Brennen verglasten Masse beim  Abkühlen ein dichtes, feinkristallines Gefüge  entsteht. Sind sehr geringe Mengen     Alkali_          verbindungen    darin vorhanden, so besitzen sie  bei erhöhten Temperaturen einen ausgezeich  neten     Isolationswiderstand    und erweisen sich  deshalb dem Porzellan gegenüber, welches bei  höheren Temperaturen infolge seines Alkali  gehaltes zum Leiter wird, als überlegen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Keramischer Isolierkörper, dadurch ge kennzeichnet, dass er zum grössten Teil aus einem feinkristallinen Gefüge eines Kalzium Aluminium-Silikates besteht und eine Dielek- trizitätskonstante von höchstens 7 aufweist.

   1I. Verfahren zur Herstellung eines kera mischen Isolierkörpers naeh Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwen dung einer unkalzinierten Kalziumverbindung und eines rohen Tones dureh Mahlen und Mi schen eine homogene, formbare Masse herge stellt wird, welche naeh dem Formen gebrannt und danach abgekühlt wird, so dass der er haltene Isolierkörper zum grössten Teil aus einem feinkristallinen Gefüge eines Kalzium- Aluminium-Silikates besteht.

   und eine Dielek- trizitätskonstante von höchstens 7 aufweist. UNTERANSPRACHE 1. Verfahren nach Patentanspruch II, da- durch gekennzeichnet, dass mit 15 bis 40% unkalzinierten Kalziumverbindungen 85 bis 60% rohe Tone vermischt werden. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch 1I, da- durch gekennzeichnet, dass mit 15 bis 40% unkalzinierten Kalziumverbindungen 70 bis 201/o rohe Tone und 15 bis 40% vorgebrannte Tone vermischt werden. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass neben den Kal- ziumverbindungen andere mineralische Ver bindungen von Elementen der zweiten Gruppe des periodischen Systems mitverwendet wer den, doch in derart besehränkter Menge, dass die Menge der Kalziumv erbindungen minde stens doppelt so gross ist als die Gesamtmenge der genannten andern Verbindungen von Ele menten der zweiten Gruppe des periodischen Systems. 4.

   Verfahren naeh Patentansprueh 1I, da durch gekennzeichnet, dass als natürliche Kal- ziumverbindung Schlämmkreide verwendet. wird. 5. Verfahren naeh Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass z@vecks Erzielung einer hohen mechanischen Festigkeit für einen Kieselsäuregehalt in der Mischung gesorgt wird, der die Kieselsäuremenge der verwen deten Tone übersteigt. . 6. Verfahren nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass noch Quarz zuge setzt wird. 7.

   Verfahren nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass als Kalziumver- bindung mindestens zum Teil Wollastonit ver wendet wird. B. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass der Mischungs masse zwecks Erzielung eines weiten Brenn- bereiches 1% bis 3% feuerbeständige Zusatz- stoffe beigefügt werden. 9.

   Verfahren nach Patentansprueh II, da durch gekennzeichnet, dass der Mischung zwecks Erzielung eifies dichten Dielektrikums, das auch elektrischer Hochspannung ausge- setzt werden kann, 1,4 bis 3 % alkalihaltige Mi- neralien zugesetzt werden. 10.

   Verfahren nach Unteranspruch 9, da durch gekennzeichnet, dass als alkalihaltige Mineralien Feldspate verwendet werden. 11. Verfahren nach Patentanspruch .I1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung zwecks Erzielung eines gleichmässig gefärbten Endproduktes färbende Metalloxyde in Men gen von 1.@ bis 21/o zugesetzt werden. 12. Verfahren nach Unteransprueh 11, da durch gekennzeichnet, dass eisenoxydhaltigo Tone verwendet werden.