Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы

 

Физические процессы в диэлектриках

Основные понятия

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля.

Согласно зонной теории твердого тела диэлектрики – это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные виды поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

При практическом применении диэлектриков – одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов – достаточно четко определились потребности электротехники в использовании пассивных или активных свойств этих материалов.

На использовании пассивных свойств диэлектрических материалов основано их применение в электротехнике в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые применяют для устранения утечки электрических зарядов в электротехнических устройствах. В этих случаях величина диэлектрической проницаемости должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. При использовании диэлектрических материалов в качестве диэлектрика конденсатора необходимо иметь материал с как можно большей величиной диэлектрической проницаемости.

Поляризация диэлектриков.Поляризация – это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля. Положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении (рис 2.1).

Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул

 

М =ql (2.1)

 

При этом в конденсаторе, которым образован диэлектриком с электродами, возникает электрический заряд. Этот заряд равен:

 

Q = CU (2.2)

 

С поляризацией связана одна из важнейших характеристик диэлектрика - относительная диэлектрическая проницаемость e.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q₀ конденсатора, между обкладками которого вакуум, и Q_д, который обусловлен поляризацией диэлектрика:

Q = Q_{0 +} Q_д, (2.3)

 

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q₀ вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении.

 

(2.4)

 

Из выражения (2.4) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы (равна единице только в вакууме).

Диэлектрические проницаемости различных веществ значительно отличаются одна от другой. Величина e вакуума равна единице (как уже указывалось ранее), газов близка к единице. Для большинства практически применяемых жидких и твердых диэлектриков e - величина порядка нескольких единиц, реже – несколько десятков и весьма редко более 100. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, e которых в определенных условиях может достигать десятков тысяч.

Пусть С₀ – емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров; если, не меняя формы, размеров и взаимного расположения электродов конденсатора, заполнить пространство между электродами материалом с диэлектрической проницаемостью e, емкость конденсатора увеличится в e раз и будет составлять

 

С = eС₀ (2.5)

Таким образом, емкость конденсатора данных размеров и формы пропорциональна величине e диэлектрика. Для каждого конденсатора выражение для величины емкости может быть представлено в виде

 

С = ee₀A (2.6)

 

Где A параметр, зависящий от размеров и конфигурации конденсатора, e₀ -_{_} электрическая постоянная, равная 8,854 × 10^-12 Ф/м .

Произведение ee₀ называется абсолютной диэлектрической проницаемостью материала и измеряется в Ф/м.

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, измеряемой в Кл/м². В однородном поле, когда дипольные электрические моменты всех n молекул ориентированы параллельно, поляризованность

 

(2.7)

 

Где М=å p– электрический момент, равный геометрической сумме моментов всех поляризованных молекул диэлектрика, находящихся в объеме V = Sh .

В наиболее простом случае однородного поля (плоского конденсатора) с объемом диэлектрика между электродами V= Sh поляризованность равна

 

=

Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, нескомпенсированные электрические заряды останутся только на поверхности диэлектрика. Если поверхностная плотность этих зарядов равна s, то величина этого нескомпенсированного электрического заряда поверхности равна sS. Тогда величину суммарного электрического момента всех n молекул диэлектрика вычислим по формуле

 

åp = sSh (2.8)

Подстановка этого выражения в предыдущее дает значение поляризованности

 

P = s, (2.9)

Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов. Эта формула поясняет также смысл единицы измерения поляризованности как отношение единицы заряда к единице поверхности.

Поляризуемость частиц (в дальнейшем обозначается a) определяется как величина смещения атома, молекулы или иона.

Для большинства диэлектриков, а именно так называемых линейных диэлектриков, поляризованность Р прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е в данной точке диэлектрика и равна:

 

Р = e₀k_дЕ (2.10)

 

Безразмерный параметр диэлектрика k_д называется (относительной) диэлектрической восприимчивостью, а произведение e₀k_д – абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

У нелинейных диэлектриков, к которым, в частности относятся сегнетоэлектрики, прямой пропорциональности между величинами Р и Е не наблюдается.

Для однородного поля и изотропного диэлектрика электрическое смещение (электрическая индукция) D

D = e₀Е + P (2.11)

С другой стороны, между электрическим смещением и напряженностью электрического поля в каждой точке в среде с диэлектрической проницаемостью e существует простое соотношение

D = ee₀Е (2.12)

Приравняв правые части формул (12.11) и (2.12) получим

Р =e₀ (e - 1)Е (2.13)

Сопоставление этой формулы с (2.10) дает связь между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью материала:

e = 1 + k_д (2.14)

Формула (2.14) показывает, что диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы: k_д всякого вещества конечно и положительно, поэтому e >1, и только для вакуума, где не происходит никаких явлений поляризации, k_д = 0 и, следовательно, e = 1.

Расчет напряженности поля в многослойных диэлектриках. Величина диэлектрической проницаемости важна и для расчета напряженности поля в многослойных диэлектриках. Рассмотрим изменение напряженности поля на примере двухслойного диэлектрика.Простейший случай плоского двухслойного конденсатора представлен на рис.2.2. Обозначим: h₁ и h₂ — толщины слоев, e₁ и e₂ — диэлектрические проницаемости материалов слоев, Е₁ и Е₂— напряженности поля в слоях и U₁ и U₂— напряжения на них. Комбинируя условие последовательного соединения слоев

где (U — полное напряжение между электродами Y и Z конденсатора) и условие непрерывности вектора электрического смещения при переходе из одного слоя в другой из которого следует условие обратной пропорциональности напряженностей в слоях диэлектрическим проницаемостям слоев

(2.15)

находим напряженности поля, В/м, в обоих слоях

 

(2.16)

 

и напряжения, В, на слоях

 

(2.17)

 

График падения потенциала в функции расстояния от электрода Y пред­ставлен на рис. 2.2 ломаной PQR, а график значений Е — ломаной KLMNT; тангенсы углов b₁ и b₂ пропорциональ­ны значениям E₁ и E₂ соответственно. Если бы в пространстве между электро­дами конденсатора Y и Z находился только один диэлектрик, то получился бы простейший плоский конденсатор (рис.2.1) с однородным полем; в этом случае падение потенциала определи­лось бы на рис. 2.2 пунктирной прямой PR, а напряженность поля — пунктир­ной горизонтальной прямой ST и на­пряженность поля во всем объеме ди­электрика между электродами была бы одинаковой и равной

причем b₁<b₀<b₂ и E₁<E<E₂ .В общем случае многослойного (n слоев) плоского конденсатора

(2.18)

где U — полное напряжение на кон­денсаторе, a U_i, E_i, h_i и e_i, — соответ­ственно напряжение, напряженность поля, толщина и диэлектрическая проницаемость для каждого отдель­ного слоя. Таким образом, при конструировании и расчете слоистой изоляции надо учитывать, что слои диэлектриков с более высокой e стремятся «разгрузиться» и «переложить» большую часть электрического напряжения на слои с меньшей e. В особенно невыгодном положении оказываются воздушные прослойки внутри изоляции или между изоляцией и электродами при неплотном прилегании последних. Благодаря малой величине e и малой электрической прочности газов в таких прослойках легко возникают частичные разряды.

Аналогично можно показать, что в неравномерном поле для уменьшения электрической на­грузки электроизоляционных материалов следует в места с наибольшим электрическим смещением помещать материалы с наибольшей диэлектрической проницаемостьюe.

 

Виды поляризации диэлектриков

 

Существует большое число различных физических механизмов поляри­зации. Отметим из них лишь основные, наиболее типичные.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов (рис. 2.3). Электронная поляризация устанавливается при наложении внешнего электрического поля за чрезвычайно короткое время (порядка 10^-15 с). Она наблюдается у всех диэлектриков (независимо от возможного наличия в них и других видов поляризации) и не связана с потерями энергии до резонансных частот. Соотношение между поляризацией, электронной поляризацией и диэлектрической проницаемостью показано в уравнении Клаузиуса – Мосотти.

 

, (2.19)

 

где n₀ – количество атомов и ионов в единице объема;

a_e – электронная поляризуемость, см₃;

N – число Авогадро.

  , (2.20)  

Классификация диэлектриков по видам поляризации.

Как показано ранее, в зависимости от влияния напряженности электрического поля на величину диэлектрической проницаемости, все диэлектрики подразделяются на линейные и нелинейные. Для линейных диэлектриков с мгновенными видами поляризации (электронной и ионной) зависимость вектора электрической индукции D от напряженности электрического поля Е показана на рис. 2.8а,а дляматериалов с замедленными (релаксационными) видами поляризации на рис.2.8б Площадь эллипса пропорциональна количеству энергии, рассеиваемой диэлектриком за один период изменения напряжения вследствие наличия у него релаксационных механизмов поляризации. Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) кривая зависимости D от Н приобретает вид петли гистерезиса (рис. 2.8 в).

На рис.2.8 приведены также зависимости e от Н , показывающие различия линейных и нелинейных диэлектриков. Если емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, и не меняется в случае приложенной разности потенциалов, то при нелинейном диэлектрике она становится управляемой электрическим полем. Поэтому нелинейные диэлектрики иногда называют активными (управляемыми) диэлектриками.

Если в основу классификации положить различия в механизмах поляризации, то все диэлектрики можно подразделить на несколько групп.

Неполярные диэлектрики. К этой группе относят диэлектрики, не содержащие электрических диполей, способных к переориентации во внешнем электрическом поле. Неполярным диэлектрикам свойственна в основном электронная поляризация. Они применяются как высокочастотные электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относятся полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен (фторопласт -4), бензол, воздух, парафин и др.

Полярные диэлектрики. В эту группу входят диэлектрики, содержащие электрические диполи, которые способны к ориентации во внешнем электрическом поле. В полярных диэлектриках кроме электронной наблюдают и дипольно-релаксационную поляризацию, Они имеют несколько пониженные диэлектрические свойства по сравнению с неполярными диэлектриками и применяются в качестве электроизоляционных материалов на низких частотах. К ним можно отнести целлюлозу, поливинилхлорид, политрифторхлорэтилен ( фтропласт-3), полиметилметакрилат (органическое стекло ) и др.

Диэлектрики с ионной структурой. В эту группу входят твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной, ионно-релаксационной и электронно- релаксационной поляризацией. Здесь выделяют две подгруппы материалов в зависимости от величины потерь, расходуемых на поляризацию:

· Диэлектрики с электронными и ионными видами поляризации, при которых потерь электрической энергии нет. К ним относят слюду, кварц, корунд (Al₂O₃), рутил (TiO₂) и др.

· Диэлектрики с ионно-релаксационной и электронно- релаксационной поляризацией, при которой имеются существенные потери электрической энергии. Например, неорганические стекла, керамика, микалекс и др.

Сегнетоэлектрики. В эту группу входят материалы, обладающие, прежде всего спонтанной поляризацией. К ним можно отнести сегнетову соль, титанат бария(BaTiO₃), титанат стронция (SrTiO₃), и др.

Зависимости диэлектрической проницаемости от различных факторов могут быть разными в случае различных физических механизмов явления поляризации.

 

Оценка зависимости диэлектрической проницаемости от температуры

(2.24)  

Поляризация сегнетоэлектриков

Они характеризуются следующими особенностями: 1. При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики обладают… 2. Внешнее электрическое поле изменяет доменную структуру, что создает эффект сильной поляризации. Это связано с…

Пьезоэлектрический эффект

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации под влиянием механических напряжений. Электрический заряд, который возникает на… Q = d·F (2.39)

Электретное состояние в диэлектриках

В зависимости от способа формирования заряда различают термоэлектреты, фотоэлектреты, радиоэлектреты, электроэлектреты, трибоэлектреты.Способы… Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из воздушного зазора на… Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий за­ряд поверхности электрета. Преобладанием того или иного…

Электропроводность твердых диэлектриков.

(2.46) В твердых изоляционных материалах различают объемную электропроводность и поверхностную электропроводность . Для…

Физическая сущность поверхностной электропроводности твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и разными дефектами поверхности диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало влияет на удельную поверхностную проводимость гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков.

Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости наблюдается у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, которые также приводят к росту поверхностной проводимости. Высокую поверхностную проводимость имеют и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубине материала стимулирует также и образование её пленки на поверхности диэлектрика.

 

Электропроводность газов.

 

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля имеют очень малую проводимость. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул возникает или под действием внешних факторов, или вследствие столкновений ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа (ударная ионизация). Внешними факторами, которые вызывают ионизацию газа, являются рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое влияние (сильный нагрев газа).

 

Электропроводность жидких диэлектриков.

 

Электропроводность жидких диэлектриковтесно связанная со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность обуславливается наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей, иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости.

Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением достаточно больших заряженных коллоидных частиц. Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малой удельной проводимостью. Полярные жидкости в сравнении с неполярными всегда имеют повышенную удельную проводимость, причем увеличение диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой удельной проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Удельная проводимость любой жидкости в значительной мере зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации, которая вызывает увеличение удельной проводимости.

 

Диэлектрические потери

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном напряжении, так и при переменном. При постоянном напряжении они вызваны сквозным током…   , (2.51)

Ia = Iptgd

 

Реактивную составляющую тока определим из формулы

 

I_p = UwC

 

где w - угловая частота, с^-1; С – емкость конденсатора, Ф.

Откуда

 

I_a = UwC tgd , (2.53)

 

Следовательно, активная мощность

 

P_a = U²wC tgd (2.54)

 

Помимо полной величины диэлектрических потерь Р во всем участке изоляции часто рассматривают также удельные диэлектрические потери р, В частном случае однородного электрического поля с однородным же диэлектриком удель­ные диэлектрические потери равны частному от деления полных диэлектри­ческих потерь на объем диэлектрика между электродами.

(2.55)

В случае же неод­нородного электрического поля удельные потери в разных точках диэлектрика различны, так как различна величина напряженности электрического поля в разных точках; кроме того, если диэлектрик неоднороден, при расчете удельных потерь необходимо учитывать и различие в параметрах диэлектрика в разных частях объема изоляции. В этом случае используется формула для удельных диэлектрических потерь, Вт/м³, получаемая из формулы (2.55) вве­дением Е вместо U и ee₀ вместо С.

 

(2.56)

 

Величина Е в формуле (2.56) выражена в В/м. Формула пригодна для любой картины неоднородного поля.

Угол диэлектрических потерь (обычно указывается не сам угол, а его тангенс) — важнейшая характеристика как материала (диэлектрика), так и электроизоляционной конструкции (участка изоляции). Чем меньше этот угол, тем выше качество изоляции. Иногда вводится понятие добротности изоляции Q, т. е. величины, обратной тангенсу угла потерь:

 

(2.58)

 

Значение tgd для лучших электроизоляционных материалов, приме­няемых в технике высоких частот и высоких напряжений, составляет тысяч­ные и даже десятитысячные доли единицы; для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях, tgd может быть много больше указанных выше значений.

Произведение e tgd = e” называется коэффициентом диэлектрических потерь материала и является параметром, определяющим (при прочих равных усло­виях) величину потерь.

Если учесть, что величина

 

g_а = wee₀tgd (2.59)

 

представляет собой удельную объемную активную проводимость (при пере­менном напряжении), См/м, материала, то формула (2.59) может быть переписана в виде

 

(2.60)

 

Обычно (при одном и том же значении Е) потери при переменном напряжении больше, чем потери при постоянном напряжении.

Схемы замещения диэлектриков с потерями. При изучении поведения диэлектрика с потерями при переменном напряжении часто оказывается целесообразным заменить рассматриваемый диэлектрик емкостью без потерь и активным сопротивлением, соединенными между собой параллельно или последовательно. Иногда такая за­мена является чисто формальной, но в ряде случаев она отражает реальные физические процессы, протекающие в диэлектрике.

Параллельная и последова­тельная эквивалентные схемы представлены на рис.2.21а,б. Там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений Z₁ = Z₂ =Z равны соответственно их активные и ре­активные составляющие. Это ус­ловие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напря­жения равны и значения активной мощности одинаковы.

Для параллельной схемы из векторной диаграммы

(2.61)

 

 

(2.62)

 

Для последовательной схемы

 

(2.63)

 

(2.64)

 

Связи между С_р и C_S и между R_p и R_S при переходе от параллельной модели диэлектрика к последовательной и обратно:

; (2.65)

 

; (2.66)

 

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь зна­чением tgd по сравнению с единицей в формуле (2.65) и считать C_р @ C_s. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектри­ке, в этом случае будут также одинаковы у обеих схем:

 

P_a = U²wСtgd

 

Следует отметить, что при переменном напряжении в отличие от постоянного емкость диэлектрика с большими потерями стано­вится условной величиной и зависит от выбора той или иной экви­валентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость мате­риала с большими потерями при переменном напряжении также условна.

Сопротивление R_p в параллельной схеме, как следует из выра­жения (2.66), во много раз больше сопротивления R_s. Угол потерь от выбора схемы не зависит.

 

Виды диэлектрических потерь.

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектри­ках, имеющих заметную объемную электропроводность или по­верхностную электропроводность.… Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по…  

Пробой диэлектриков

Любой диэлектрик может быть использован только при напряженностях поля, не превышающих некоторого предельного значения. Если напряженность поля… В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может… Наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, называется пробивным напряжением…

Пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой однородных ди­электриков по своей природе является чисто электронным процессом, заключающимся в образовании в диэлектрике… Из числа неоднородных диэлектриков электрический пробой ча­ще всего наблюдают… У многих технических диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от температуры до некоторого ее…

Пробой газообразных диэлектриков

Особенности пробоя газов рассмотрим на примере воздуха, как важнейшего газообразного диэлектрика. Механизм пробоя газа.Пробой газа является следствием развития процессов… Дополнительная энергия заряженных частиц подается атомам или молекулам газа, с которыми эти частички сталкиваются.…

Пробой жидких диэлектриков

В очень чистых жидкостях при больших значениях напряженности электрического поля может существовать вырывание электронов из металлических электродов… В технически чистых жидкостях пробой связан с локальным перегревом жидкости и… На радиочастотах пробой жидкости обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к…

ПАСИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

 

ТВЕРДЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Полимеризационные синтетические полимеры.

Полистирол – твердый прозрачный материал. Он является неполярным диэлектриком, с чем и связаны его высокие электроизоляционные свойства. Основные… Недостатками полистирола являются хрупкость при понижен­ных температурах,… В промышленности полистирол применяют главным образом в качестве высокочастотной изоляции, благодаря малому значе­нию…

Поликонденсационные синтетические полимеры

Из этой группы высокомолекулярных соединений в качестве электроизоляционных материалов наиболее широкое применение получили полиэфирные,… Полиэфирные смолы — продукт поликонденсации различных многоатомных спиртов… Полиэтнлентерефталат (лавсан) — прозрачный высокополимерный диэлектрик кристаллического или аморфного строения. Лавсан…

Компаунды

Эпоксидные компаунды представляют собой продукты модификации эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Эпоксидные компаунды… Эпоксидные компаунды применяют также в качестве заливочных со­ставов для… Ассортимент эпоксидных компаундов в настоящее время очень широк. Так, в производстве полупроводниковых приборов и…

Слоистые пластики и фольгированные материалы

Слоистые пластики являются одной из разновидностей пласт­масс, где связующим веществом служит полимер, а наполнителем — листовые волокнистые… Фольгированные материалы — это слоистые пластики или синтетические пленки,…  

Пленочные электроизоляционные материалы

Эти материалы представляют собой тонкие пленки, изготовлен­ные различными способами в зависимости от исходного полимера. Для повышения механической… Благодаря высоким электрическим свойствам, малой толщине, достаточной… Свойства пленок обусловлены свойствами исходных полимеров, поэтому пленки можно разделить на два больших класса:…

Волокнистые электроизоляционные материалы

К природным волокнам относят материалы растительного про­исхождения (хлопок, бумагу), животного происхождения (шелк, шерсть) и минерального… Группу синтетических волокон составляют полистирольные,… Электроизоляционные бумаги. Из древесины, путем ее химиче­ской переработки, получают техническую целлюлозу, или…

ТВЕРДЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Стекла

 

Стекла—неорганические аморфные вещества, представля­ющие собой сложные системы различных оксидов

Параметры стекол определяются их химическим составом и ре­жимом тепловой обработки и поэтому колеблются в весьма широ­ких пределах. Так, при нормальной температуре, удельное сопро­тивление стекол r = 10⁶—10¹⁵ Ом×м, но у некоторых стекол может составлять 10³ Ом×м, e = 4—25; tg d = 0,0002—0,01; Е_пр = 23—500 МВ/м.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (100—300 МПа) и увеличивается с повышением содержания в нем окси­дов кремния SiO₂ и кальция CaO. Щелочные оксиды снижают проч­ность стекла. Стекло противостоит сжатию гораздо лучше, чем рас­тяжению, предел прочности при сжатии составляет 6000— 21000 МПа.

Из тепловых свойств стекол наибольшее значение имеют тем­пература размягчения и температурный коэффициент линейного расширения (ТКl). Необходимо, чтобы значения ТКl стекла и соединяемых с ним материалов были приблизительно одинаковыми, иначе при смене температуры может произойти растрескивание стекла, на­ рушение герметичности в месте ввода металлических ножек в ра­диолампах.

Типы стекол. В зависимости от назначения различают следу­ющие основные виды электротехнических стекол: электровакуум­ные, изоляторные, стеклоэмали и др.

Электровакуумные стекла применяют для изготовле­ния баллонов электронных и газоразрядных ламп, оболочек рент­геновских ламп, горловин кинеско­пов и т. п. Кроме того, их широко применяют в полупроводниковой промышленности для получения ме-таллостеклянных спаев в корпусах маломощных приборов .

Электровакуумные стекла делят на группы по признаку спаиваемости с определенным металлом или сплавом. Так, стекла молибденовой группы (С47-1—С49-2) имеют ТKl, близкий к ТКl молибдена, и при пайке с ним образуют вакуумно-плотные спаи. Стекла вольфрамовой группы (С37-1—С40-1) имеют ТKl. близкий к ТКl вольфрама, а стекла платиновой группы (С87-1—С90-1) имеют ТКl, близкий к ТКl платины.

Названия стекол «молибдено­вые», «вольфрамовые», «платино­вые» определяются не составом стекла, а только тем, что значения ТКl этих стекол близки к ТКl мо­либдена, вольфрама, платины.

В обозначении марки стекла после буквы С указывают величину ТКl и серию разработки. Например, обозначение С89-5 относится к стеклу с ТKl = 89×10^-7 К^-1, серия 5.

Изоляторные стекла используют в качестве герметизи­рованных вводов в некоторые типы конденсаторов, терморезисто­ров, в полупроводниковом производстве для изготовления изолято­ров в металлических корпусах таблеточного типа и изоляторов в мощных приборах. Эти стекла используют также для изоляции штырьковых вводов в корпусах кремние­вых и германиевых транзисторов. Стеклянные изоляторы для полу­проводниковых приборов изготавливают из стекол С48-1, С49-2, С87-1, С88-1 и др.

Боросиликатные (С37-1, С37-2, С38-1, С39-1 и др.) и алюмосиликатные (С39-2, С41-1, С48-3 и др.) стекла применяют для изго­товления изоляционных подложек, которые служат основой для расположения активных и пассивных элементов интегральных микросхем.

Стекла марок С89-1, С88-3, С48-2, С40-1, С38-1, С37-2 и др. ис­пользуют при изготовлении литого микропровода в стеклянной изоляции. Сверхмалый диаметр микропровода (до 1 мкм) позво­ляет решить в приборостроении ряд вопросов, связанных с миниа­тюризацией, повышением точности и стабильности, расширением диапазона допустимых климатических и механических воздействий.

Стеклоэмалями называют стекловидные покрытия, нано­симые на поверхность изделий с целью защиты от коррозии, элек­трической изоляции, а также для получения красивого внешнего вида. При эмалировке порошок стекла измельчают, наносят на поверхность изделия и обжигают. В результате плавления эмаль растекается по поверхности изделия, и после охлаждения, остается на ней в виде тонкого (0,1—1,0 мм) сплошного стекловидного по­крытия.

Стеклоэмали применяют в качестве электроизоляционного ма­териала для трубчатых резисторов, в которых на наружную по­верхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка. Наносимый поверх нее слой эмали создает изоляцию между отдель­ными витками, между обмоткой и окружающей средой, а также за­щищает ее от воздействия влаги, от окисления и т. п.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Расплавленная стекломасса под действием собственного веса медленно вытекает из платиновых «лодочек» через фильеры диаметром около 1 мм. Выходящая из фильеры нить наматывается с большой скоростью (около 30 м/с) на барабан и, не успевая охладиться, вытягивается в тонкое волок­но диаметром в несколько микрон. При вытягивании происходит ориентация молекул, способствующая повышению гибкости и механической прочности стекла.

Из стеклянных нитей изготавливают световоды, изоляцию мон­тажных, обмоточных и микропроводов, стеклянные ткани, исполь­зуемые в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют как наполнитель в пресс-порошках, идущих на изготовление пластмасс. Стеклово­локно по сравнению с органическими волокнами отличается более высокой нагревостойкостью (провода со стекловолокнистой изо­ляцией могут длительное время работать при температурах до 600°С), повышенной механической прочностью 1,6—25ГПа, относительно малой гигроскопичностью (0,2—4%), хорошими электроизоляционными свойствами. К недостаткам стекловолок­нистой изоляции относят повышенную хрупкость, низкую, стойкость к истиранию и изгибанию и малое значение относительного удли­нения при разрыве (2—3%).

Световоды представляют собой световедущее волокно, со­стоящее из двух слоев: световедущей жилы с высоким показателем преломления П_с и изоляционной оболочки с меньшим показателем преломления П_ц (рис. 2.33). Излучение, падающее на входной торец прозрачного световода, распространяется по нему благодаря не­однократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела жилы и оболочки и выходит из противоположного торца. В таких световодах потери световой энергии на поверхности раз­дела жилы и оболочки малы даже для лучей, претерпевающих ты­сячи отражений, ослабление света обусловлено лишь поглощением в материале и отражением от торцов. Поэтому основной путь сни­жения потерь в световодах — чистота исходных материалов и сте­рильность производства.

В видимой и ближней инфракрасной об­ласти спектра наибольшее распространение получили световодные волокна, изготовлен­ные из оптического стекла. Для световедущих жил используют стекла типа тяжелых флинтов ТФ, баритовых флинтов БФ и сверхтяжелых кронов СТК, а для изоляционной оболочки применяют стекла типа кро­на К или типа легкого крона ЛК. (В менее ответственных случаях, например для целей освещения, вместо стеклянных световодных волокон применяют более дешевые пластмассовые волокна из полиметилметакрилата, полистирола и других пластмасс.

Волокна со светоизолирующими оболочками диаметром 2—15 мкм параллельно укладывают в пучки и спекают, получая многожильные световоды диаметром 0,3—3 мм. Общее число световедущих жил доходит до 100000. Эти световоды не только передают световой сигнал, но и изображение с одного торца на противоположный. Во избежание просачивания света из одной световедущей жилы в соседние толщина светоизолирующей прослойки между ними должна составлять не менее 1 мкм. Световоды выпус­кают как прямые, так и изогнутые или закрученные (при подогреве). Жгуты из тонких волокон, соединенных только по концам, об­ладают гибкостью. Их изгиб не нарушает передачи по ним изобра­жения. Световоды широко применяют для пере­дачи различной информации в вычислительной технике, телевиде­нии, фототелеграфии и т. д.

Ситаллы

Возможность изменения химического состава исходного стекла с редким сочетанием физико-химических свойств: высокой механической прочностью,… Указанные свойства ситаллов позволяют применять их при производстве многих…

Оксидные электроизоляционные пленки

Тонкая неорганическая пленка может быть образована двумя основными способами: 1) в результате химической или электрохи­мической реакции поверхностного слоя… Наиболее широко применяют оксидную изоляцию в электро­литических конденсаторах. В качестве диэлектрика в этих…

Керамические электроизоляционные материалы

Керамические материалы представляют собой многофазную систему и включают в себя кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Основной фазой… Радиотехнические керамические материалы в зависимости от назначения… Высокочастотная конденсаторная керамика типа А отличается высоким содержанием кристаллической фазы и небольшим…

Слюда и материалы на ее основе

Слюда представляет собой природный минерал с кристалличе­ской структурой, который легко расщепляется по плоскостям спай­ности на пластинки толщиной… Температура начала обезвоживания и резкого ухудшения свойств у мусковитов 500… Слюды являются широко распространенными минералами. Первоначальная обработка слюды состоит в ее очистке от посторонних…

АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

  Активными диэлектриками называют такие диэлектрики, свойствами которых можно…  

Сегнетоэлектрики

Основные особенности сегнетоэлектриков и механизм спонтанной поляризации были рассмотрены ранее.

1. Ионные сегнетоэлектрики. Эти материалы имеют кристаллическую решетку, основой которой является кислородный октаэдр. К ним относят метатитанат… 2. Дипольные сегнетоэлектрики. Эти материалы имеют готовые полярные группы… Использование сегнетоэлектриков.В технике наиболее часто используют ионные сегнетоэлектрики, что связано с их…

Пьезоэлектрические материалы и их использование

Прежде всего, это кварц (SiО2). Пьезоэлектрические свойства присущи только β -кварцу до температуры 573 0С. Кварц имеет форму шестигранной… Пластины кварца, вырезанные перпендикулярно оси Z, не имеют прямого и… Если взять плоскопараллельную пластину кварца, нанести на ее боковые поверхности металлические электроды и поместить в…

Активные элементы оптических квантовых генераторов

Рубин — это так называемый драгоценный камень красного или розового цвета, очень твердый, тугоплавкий, химически инертный, с высокими оптиче­скими… В радиоэлектронике в качестве активного тела в оптических квантовых… Искусственные кристаллы рубина обычно выращивают в пе­чах по методу Вернейля. По этому методу тщательно размельченный…

Электреты

Электреты из органических материалов можно условно разбить на две группы. К первой группе относят электреты, полученные из природных смол (канифоль,… Ко второй группе относят электреты из тонких органических полимерных пленок. Для их получения используют слабополярные…

Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в мезоморфном (промежуточном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым… Жидкие кристаллы были открыты в 1888г., но широкое использование приобрели… По общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три типа: нематические, холестерические, смектические.

Использование пассивных диэлектриков в конденсаторах

В зависимости от назначения конденсаторы условно разделяют на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения… Емкость постоянных конденсаторов фиксирована в процессе эксплуатации и никак…  

Параметры конденсаторов

1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. А ряд Е24 имеет 24 значения: 1,0; 1,1; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3;

Система условных обозначений конденсаторов

Первый элемент (одна или две буквы) обозначает подкласс конденсатора: К - постоянная емкость; КТ - подстроечный; КП - переменная емкость; КН - нелинейный;

Маркировка конденсаторов

Кодированное значение емкости включает в себя 3-4 знака. Буква кода обозначает десятичную точку. Номинальную емкость от 0 до 999 пФ выражают в… После номинальной емкости конденсатора следует кодовая буква отклонения…  

Конструкции конденсаторов постоянной емкости

1. Рулонная. В этом случае тонкая пленка диэлектрика размещается между двумя металлическими обкладками, после чего система сворачивается в рулон… 2. Пакетная. В этом случае тонкие пластинки диэлектрика поочередно… 3. Цилиндрические. Диэлектрик изготовляют в виде пустотелой трубки, внешнюю и внутреннюю поверхности которой…

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - М.: Высш.шк., 1986. - 367 с.

2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. - М.: Высш.шк., 1980. - 406 с.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.Н. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с

Дополнительная литература

1. Материалы микроэлектронной техники./ Андреев В.М., Бронгулеева А.Н., Дацко С.Н., Яманова Л.В. – М. :Радио и связь, 1989. – 352 с.
2. Резисторы, конденсаторы, трасформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренко. - Мн.: Беларусь, 1994. - 591 с.
3. Справочник по электротехническим материалам. В 3 –х томах.

Т.1/ Под ред.Ю.Б. Корицкого и др.- М.:Энергоатомиздат,1986. – 368 с.

Т.2/ Под ред.Ю.Б. Корицкого и др.-М.:Энергоатомиздат,1987. – 464 с.

Т.3/ Под ред.Ю.Б.Корицкого и др.-Л.:Энергоатомиздат,1988. – 728 с.

1. Беляков В.А. Жидкие кристаллы. – М.:Знание,1986. – 160 с.
2. Конструкционные и электротехнические материалы./ В.Н.Бородулин, А.С.Воробьёв, С.Я.Попов и др.; Под ред. В.А.Филикова.-М.: Высш.школа, 1990. – 296 с.