DE880110C

DE880110C - Poröser keramischer Isolierkörper, insbesondere für die Hochfrequenztechnik

Info

Publication number: DE880110C
Application number: DENDAT880110D
Authority: DE
Inventors: Dehme bei Bad Oeynhausen Dr.-Ing. Alfred Ungewiß
Original assignee: Steatit-Magnesia Aktiengesellschaft, Lauf/Pegnitz
Publication date: 1953-04-30

Description

In den letzten Jahren werden mehrere Gruppen verschiedenartiger Isolierstoffe in der Hochfrequenztechnik verwendet. Für Isolier- und Halterungszwecke allgemeiner Art dienen die verlustarmen keramischen Magnesiumsilicate der Steatitgruppe. Im Kondensatorenbau verwendet man verlustarme Baustoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante, welche als wesentlichen Stoffbestandteil Titandioxyd enthalten, für temperaturunabhängige Schwingungskreise keramische Sonderbaustoffe, welche niedrige Wärmeausdehnung haben. Alle diese keramischen Stoffe sind trotz weitgehender Unterschiede ihrer chemischen Zusammensetzung vollkommen dicht gesintert und daher nach dem Brand nur verhältnismäßig schwierig durch Schleifen und in einfachen Fällen bestenfalls durch Bohren zu bearbeiten.

In der letzten Zeit hat sich in der Hochfrequenztechnik ein Bedürfnis nach einem geringverlustigen keramischen Isolierstoff herausgestellt, welcher sich auch nach dem Brand mit den in der Metallbearbeitung üblichen Werkzeugen und Geschwindigkeiten bearbeiten läßt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch poröse keramische Isolierkörper gelöst, deren Wasseraufnahmevermögen etwa 10 °/₀ oder darüber, deren Verlustfaktor tg δ kleiner als 20 · io~⁴ (A = 300 m) ist,

deren Dielektrizitätskonstante zwischen 2,5 und 6 liegt und welche aus bei Segerkegel 10 bis 15 gebrannten, praktisch alkalifreien Massen des Dreistoffsystems MgO — Al₂O₃—SiO₂ oder der daraus ableitbaren Zweistoffsysteme bestehen. Die Massebestandteile müssen dabei so aufeinander abgestimmt werden, daß im nachfolgenden Brand Formkörper mit feinkörnigem Gefüge entstehen, wobei selbstverständlich die Bildung größerer Mengen der im Dreistoffsystem MgO — Al₂O₃ — SiO₂ bekannten, bei der Temperatur von Segerkegel 10 bis 15 schmelzenden eutektischen Mischungen verhindert werden muß.

Wie die nachfolgenden Masseversatzbeispiele zeigen, kann man die Massen nach der Erfindung so zusammensetzen, daß der wesentlichste Bestandteil entweder Tonerde oder Kieselsäure ist. Beide Oxyde können in technisch reiner Form oder bei hoher Temperatur vorgebrannt oder sogar vorgeschmolzen in den Versatz eingeführt werden. Wenn der Hauptbestandteil der Massen MgO ist, so wird dieses mit Vorteil als Magnesit eingeführt, wobei dieser bei dem nachfolgenden Brand die Kohlensäure abgibt und dadurch die Struktur aufgelockert und die Bearbeitbarkeit verbessert wird.
Wie die Beispiele weiter zeigen, ist die Herstellung

as von Massen für Isolierkörper gemäß der Erfindung .jedoch nicht auf die Verwendung hauptanteiliger Mengen der drei genannten Oxyde beschränkt, es können vielmehr auch Mischungen der Oxyde oder Verbindungen derselben hauptanteilig verwendet werden. Besonders geeignet sind vorgeschmolzene Mischungen und Verbindungen der Zweistoffsysteme MgO — Al₃O₃ und MgO—SiO₂. So zeigen Masseversätze mit rund 50 % oder mehr Forsterit oder eines Mischkristalls der Mischkristallreihe Magnesia-Magnesiumspinell, die ja bekanntlich in jedem Verhältnis vollkommen mischbar sind, gegenüber den vorbeschriebenen Massen eine erhöhte Festigkeit.

In weiterer Ausgestaltung der Versätze zur Herstellung von Isolierkörpern gemäß der Erfindung kann im Dreistoffsystem die Komponente MgO durch die übrigen Erdalkalioxyde, beispielsweise Calciumoxyd, ganz oder teilweise ersetzt werden; dann empfiehlt sich die Verwendung von Kalkspat oder Dolomit als Rohstoff. Die Komponente SiO₂ kann im Dreistoff system durch TiO₂ oder ZrO₂ ganz oder teilweise ersetzt werden.

Naturgemäß sind die beschriebenen Mischungen verhältnismäßig wenig plastisch, so daß eine zusätzliche Plastifizierung häufig nötig ist. Mit Rücksicht auf den geringen dielektrischen Verlust der Massen müssen alkalihaltige Bestandteile auf jeden Fall vermieden werden. Als Plastifizierungsmittel sind tonsubstanzhaltige alkalifreie Stoffe, wie Kaolin und Ton, insbesondere auch Calcium-Bentonit gut geeignet.

Auch natürlich vorkommende Magnesiumsilicate, wie Speckstein, können verwendet werden und sind besonders deshalb günstig, weil auf diese Weise eine gewisse zusätzliche Plastifizierung der Masse erfolgt. Als Plastifizierungsmittel in jedem Fall anwendbar sind die reinen Hydroxyde der verwendeten Oxydkomponenten oder Gemische derselben. Schließlich bieten die bekannten organischen Plastifizierungsmittel eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Bildsamkeit der Massen, so daß diese nach dem keramisch üblichen Strangpreßverfahren und Drehverfahren als auch durch Feucht- und Trockenpressung verarbeitet werden können.

Wenn man die beschriebenen Mischungen einer Brenntemperatur von Segerkegel 10 bis 15 aussetzt, so lassen sich die auf diese Weise hergestellten Isolierkörper mit einer gegenüber dichten keramischen Körpern zwanzig- bis fünfzigmal größeren Geschwindigkeit mit in der Metallbearbeitung üblichen Werkzeugen bearbeiten. Man kann sie als Gebilde aus einer sehr großen Anzahl äußerst feiner Körner auffassen, die nur an einzelnen Stellen ihrer Oberfläche durch Kristallverwachsung fest verbunden sind. Das Bearbeitungswerkzeug zerreißt diese Verbindungsstellen, so daß der Stoff in Staubform abgearbeitet werden kann, wobei es bei geeigneter Wahl der Bearbeitungsgeschwindigkeit möglich ist, scharfkantige und splitterfreie Bearbeitungsflächen zu erhalten. Als Bearbeitungswerkzeug können Werkzeuge aus gutem Werkzeugstahl benutzt werden. Besonders geeignet sind Hartmetalle, wie z. B. Widia, die eine weitere Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit ermöglichen.

Naturgemäß kann man bearbeitbare Stoffe nicht mit der gleichen mechanischen Festigkeit ausbilden, wie dies bei dichtgesinterten der Fall ist. Man kann jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Zumischung basischer Bestandteile zu Massen, die freie Säure enthalten, und saurer Bestandteile zu Massen, die freie Basen enthalten, die mechanische Festigkeit sehr steigern und die Gefügestruktur nur gerade so weit durch Poren auflockern, wie es die Bearbeitungsfähigkeit erfordert. Auf diese Weise gelingt es sogar, Stoffe auszubilden, deren Biegefestigkeit immerhin der eines durchschnittlichen Porzellans gleichkommt.

Isolierkörper nach der Erfindung zeichnen sich durch sehr kleine dielektrische Verluste aus; ihre Dielektrizitätskonstante läßt sich zwischen den Werten 2,5 und 6 beliebig variieren, indem durch geeignete Massezusammensetzung oder Zugabe organischer alkalifreier und rückstandslos verbrennender Stoffe die Porosität der Masse entsprechend beeinflußt wird.

Die beschriebenen Stoffe können unter anderem bei der Herstellung von Isolierkörpern für Modellzwecke vorteilhaft Verwendung finden. Zur Vereinfachung der Herstellung besonders schwieriger Formkörper können diese in mehrere bequemer herzustellende Teile zerlegt und nachträglich zusammenglasiert werden. Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit bietet der erfindungsgemäße Isolierstoff bei Isolierkörpern aus dichten keramischen Stoffen, welche an bestimmten Stellen besonders genau nach dem Brande bearbeitet werden müssen. In solchen Fällen bringt man an die betreffgnden Stellen Teile aus dem bearbeitbaren Stoff durch Zusammenglasieren an. Das Zusammenglasieren erfolgt bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als der Brenntemperatur und beeinflußt Form und Abmessungen der Stücke in keiner Weise. Auch im Anschluß daran ist eine weitere Bearbeitung möglich.

Im folgenden werden einige erfindungsgemäße Massenzusammensetzungen und deren dielektrische Daten angegeben:

1. 60 Gewichtsteile Tonerde,

10 - geschmolzene Kieselsäure,

10 - Magnesium-Hydroxyd, teig

förmig,

10 - Aluminium-Hydroxyd, teigförmig,
5 Tonsubstanz,

5 - Calcium-Bentonit.

Diese Masse zeigt nach Trockenpressung bei einer Brenntemperatur bei S. K. 13 ein Wasseraufnahmevermögen von etwa 20 %, der dielektrische Verlust beträgt tg δ = I5 ■ io"⁴ (A = 300), Dielektrizitätskonstante ε = 3,3.

2. 40 Gewichtsteile geschmolzene Kieselsäure,

30 - Kieselsäurehydrat in Gelform,

20 - Magnesit,

ία 10 - Calcium-Bentonit.

Diese Masse weist nach Trockenpressung bei einer Brenntemperatur bei S. K. 13 ein Wasseraufnahmevermögen von rd. 35 °/₀ auf, ihre Dielektrizitätskonstante ist ε = 2,6, der dielektrische Verlust beträgt tg «5 = 16 ■ ίο"⁴ (A = 3oo).

3. 40 Gewichtsteile geschmolzener Quarz,

20 - Forsterit, elektrisch geschmol

zen,

5 - Magnesit,

25 - Kieselsäurehydrat in Gelform,

10 - Calcium-Bentonit.

Diese Masse hat nach Trockenpressung und einem Brand bei S. K. 13 ein Wasseraufnahmevermögen von etwa3O%, ihre Dielektrizitätskonstante beträgts = 2,8, der dielektrische Verlust tg ό = 15 ■ io~⁴ (A = 300). Die Biegefestigkeit beträgt rund ¹I₃ des üblichen Porzellanwertes.

4. 50 Gewichtsteile Magnesiumspinell, elektrisch

geschmolzen, von der Zusammensetzung

2MgO-IAl₂O₃,

10 - Forsterit, elektrisch geschmol

zen,

27 - Magnesit,

7 - plastischer Ton,

6 - Calcium-Bentonit,

3 - organisches Plastifizierungs

mittel.

Diese Masse weist nach Trockenpressung bei S. K. 13 ein Wasseraufnahmevermögen von etwa 25 % auf. Ihr dielektrischer Verlust ist tg δ = ι ■ io"⁴ (A = 300), Dielektrizitätskonstante ε = 3,5.

5. 50 Gewichtsteile Forsterit, elektrisch geschmolzen,
15 - Kieselsäure, elektrisch ge-

schmolzen,

22 - Magnesit,

11 - plastischer Ton,

2 - Calcium-Bentonit.

Diese Masse weist nach dem Brand bei S. K. 13 ein Wasseraufnahmevermögen von ungefähr 10 °/₀ auf, ihr dielektrischer Verlust beträgt tg δ = 3... 4 · io~⁴ (A = 300). Die Dielektrizitätskonstante ist ε = 5. Die Biegefestigkeit dieses Stoffes ist gleich der eines Preßporzellans.

Claims

Patentansprüche:

1. Poröser keramischer Isolierkörper mit einem Wasseraufnahmevermögen von etwa 10% oder darüber, einem Verlustfaktor tg δ kleiner als 20 · io~⁴ (A = 300 m) und einer Dielektrizitätskonstante zwischen 2,5 und 6 für die Hochfrequenztechnik, welcher nach dem Fertigbrande mit den in der Metallbearbeitung durch Drehen, Hobeln und Fräsen üblichen diamantfreien Werkzeugen und dabei üblichen Geschwindigkeiten bearbeitbar ist und aus bei Segerkegel 10 bis 15 gebrannten, praktisch alkalifreien "Massen des Dreistoff systems MgO — Al₂O₃ — SiO₂ oder der daraus ableitbaren Zweistoffsysteme besteht, wobei jeder Stoff mit mindestens 10 °/₀ Verwendung findet und vorgeschmolzene Ausgangsstoffe (wie Periklas, Korund, Kieselglasmehl, Spinell, Mullit) und künstliche Magnesiumsilicate (Enstatit, Forsterit) enthält.

2. Isolierkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß MgO durch die übrigen Erdalkalioxyde ganz oder teilweise ersetzt ist.

3. Poröser keramischer Isolierkörper besonders verwickelter Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren leicht herzustellenden bearbeiteten Einzelteilen durch an sich bekanntes Zusammenglasieren hergestellt ist, wobei gegebenenfalls eine abschließende Bearbeitung nach dem Zusammenglasieren vorgenommen wird.

4. Elektrischer Isolierkörper, hergestellt unter Benutzung von Isolierkörperteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierkörper aus dichtem keramischem Werkstoff an den Stellen, an denen eine nachträgliche, besonders genaue Bearbeitung erfolgen soll, mit Teilen aus dem bearbeitbaren Stoff durch Zusammenglasieren versehen ist.

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