Соединение слюды с металлами и стеклом

Слюдой называются алюмосиликатные минералы, кристаллы которых способны легко расщепляться на тонкие пластины по параллельным плоскостям спайности, расположенным на близком расстоянии друг от друга.

Применение слюды в электровакуумном производстве обусловлено ее свойствами: высокой упругостью и твердостью, незначительными диэлектрическими потерями большим объемным электрическим сопротивлением, высокой электрической прочностью и отличной вакуумной плотностью. Водопоглощение слюды равно нулю в направлении, перпендикулярном плоскостям спайности, и незначительно вдоль слоев.

Недостатками слюды являются трудность обезгаживания значительное газовыделение в вакууме, нестабильность свойств от партии к партии, наличие посторонних минеральных и воздушных включений. Вдоль плоскостей спайности электроизоляционные свойства слюды значительно хуже. Даже незначительное содержание примесей (Fe, Na, Са) резко ухудшает изоляционные свойства. Практически чем более прозрачна слюда и меньше на ней пятен, включений и пузырьков воздуха, тем выше ее электрическое сопротивление, меньше газовыделение в вакууме и ниже диэлектрические потери.

В электровакуумном производстве применяют два вида слюды, различающиеся по химическому составу и физико-химическим свойствам: мусковит и флогопит.

Мусковит — прозрачная и бесцветная в тонких пластинах слюда, представляющая собой водный алюмосиликат калия КгОх хЗАЬОз • 6SiC2 • 2НгО. В более толстых пластинах мусковит имеет зеленоватый или коричневатый оттенок.

Флогопит — окрашенная в различные тона¹ слюда, представляющая собой водный алюмосиликат магния КгО • MgOx XAI2O3 • 6SiO2 • 2НгО.

Мусковит по сравнению с флогопитом обладает лучшими изоляционными и механическими свойствами, большей твердостью, гибкостью, упругостью, более высокой химической стойкостью, однако имеет малую нагревостойкость. Максимальная рабочая температура деталей из мусковита не может превышать 600°С, в то время как рабочая температура деталей из флогопита может достигать 900°С. Однако ввиду наличия в флогопите серы, хлора, марганца, фосфора и других (более 40) элементов, способных выделяться в объем приборов, применение этой слюды в ЭВП ограничено.

При температурах, превышающих предельно допустимую, из природной слюды начинает выделяться входящая в ее состав кристаллизационная вода. При этом слюда теряет прозрачность, толщина ее увеличивается (слюда «вспучивается»), нарушается кристаллическое строение, она становится хрупкой, соответственно резко ухудшаются ее механические и электрические свойства.

Слюда имеет очень низкую проницаемость для теплового излучения (инфракрасных лучей), что позволяет применять ее в качестве защитных тепловых экранов (например, для защиты спаев стекла с металлом от излучения тел накала).

Синтетическая слюда является бесцветной и представляет собой кристаллы фторфлогопита (KMgaAlSiaOioF), которые отличаются от кристаллов природного флогопита тем, что в них гидроксильные группы в кристаллической решетке заменены ионами фтора. Ввиду отсутствия кристаллизационной воды «синтетическая слюда обладает большей нагревостойкостью (до 1100°С), чем природная, и превосходит мусковит по электрическим характеристикам.

Пары воды в составе остаточных газов являются «ядом» для синтетической слюды и снижают ее рабочую температуру, так как они взаимодействуют при повышенных температурах с фтором и образуют летучий фтористый водород. Синтетическая слюда имеет почти в 100 раз меньшее газовыделение в вакууме, чем природная. Это связано с тем, что фтор, заменяющий в синтетической слюде кристаллизационную воду, имеет более прочные связи с кристаллической решеткой и не выделяется при нагреве.

В процессе обработки слюду раскалывают, нарезают, штампуют, сверлят и фрезеруют. Слюдяные детали изготовляют методом штамповки откалиброванного подбора слюды. Калиброванным подбором называются пластины слюды произвольного контура, имеющие строго заданную толщину (с допуском ± 5 мкм) и полезную площадь. С увеличением толщины слюды и разброса по толщине значительно повышается отвод теплоты от деталей, посаженных в слюду (например, от катода), и снижается их рабочая температура.

При изготовлении и эксплуатации прибора на слюдяные изоляторы могут напыляться электропроводящие материалы, испаряющиеся с катода и раскаленных электродов прибора — это приводит к появлению на изоляторе сплошных электропроводящих мостиков и пленок, вызывающих утечки между электродами. Для повышения сопротивления слюдяных изоляторов их магнезируют — наносят на поверхность слюды шероховатый пористый слой изоляционного покрытия на основе оксида магния.

В последнее время для нанесения изоляционного покрытия на слюду применяется также суспензия на основе оксида церия. Оптимальная толщина покрытия 10 —15 мкм, увеличение толщины приводит к осыпанию покрытия и повышенному газовыделению в вакууме (в основном выделяются пары воды, хлор и углеводороды). Практически магнезированная слюда, нагретая излучением от катода, выделяет в объем ламп в 5 раз

больше газов и паров, чем внутренняя арматура, и в 100 раз больше, чем стеклянная оболочка прибора. На слюдяные диски, служащие подложками под люминесцентные экраны или катоды в электронно-оптических преобразователях, часто наносят полупроводящие покрытия на основе оксидов олова, что позволяет отводить с подложек электростатические заряды и стабилизировать потенциал слюдяных подложек.

Непосредственное спаивание слюды ей стеклом и металлом невозможно, так как даже при сравнительно низкой температуре структура слюды разрушается, из нее выделяется кристаллизационная вода и резко ухудшаются физико-химические свойства. Поэтому вакуумно-плотное соединение слюды со стеклом или металлом достигается путем склеивания их эпоксидными смолами или стеклокристаллическими цементами и эмалями. Эти спаи слюды являются несогласованными. ТКР а слюды имеет разные значения в различных направлениях (100 • 10~⁷ 1/°С в направлении, параллельном плоскости спайности, и 300 • 10~⁷ 1/°С в других направлениях) и зависит от состава, структуры слюды и ее предшествующей термической обработки. ТКР стеклоэмали должен быть меньше ТКР слюды и стеклянной детали, в этом случае в слое эмали возникают напряжения сжатия, что предотвращает возникновение в ней трещин и ухудшение герметичности, а в слюде — напряжения растяжения (как известно, слюда в отличие от стекла и металла более прочна на растяжение, чем на сжатие). Качество несогласованного спая во многом зависит от величины и формы зазора между слюдой и стеклом (или металлом) и дозировки стеклоэмали. Обычно применяют эмали на основе легкоплавких свинцово-боратных стекол, имеющие ТКР а «= 75 • 10~⁷ 1/°С, что значительно меньше ТКР а слюды и стекла. Для получения качественного спая края слюдяных окошек не должны иметь трещин, обычно образующихся при вырезании и вырубании слюдяного окошка методами штамповки (мелкие трещины обнаруживаются по беловатой окраске краев вырезанной слюды). Поэтому края слюды не режут, а получают окаливанием кислородно-водородным пламенем. Иногда пайка слюды с металлом производится в вакууме порядка 1 • 10~ Па при температуре « 800°С.