Диэлектрики

В начало

Общая классификация диэлектриков

Рис.1. Общая классификация диэлектриков

Фрагмент макромолекулы полиэтилена

Рис.2. Фрагмент макромолекулы полиэтилена

Зависимость деформации от температуры у линейных полимеров

Рис.3. Зависимость деформации от температуры у линейных полимеров:

СС- стеклообразное состояние, ЭС – высокоэластичное состояние, ТС – вязкотекучие состояние 

 

Таблица 1. Основные свойства неполярных полимеров

Свойства

Полиэтилен

Полистирол

Фгоро-пласт-4

Удельное объемное сопротивление, Ом.м 

1014-1015

1014-1016

1014-1016

Относительная диэлектрическая проницаемость

2.3-2.4

2.5-2.6

1.9-2.2

Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц

(2-5)10-4

(2-4)10-4

(2-3)10-4

Электрическая прочность, МВ/м 

40-150*

20-110*

40-250*

Нагревостойкость, 0С

105-130

75-80

~300

* Верхние пределы для материалов в виде пленки.

 

Схематическое изображение молекул

Рис.4. Схематическое изображение молекул углеводорода (а) и фторуглерода (б) при n=2.

 

Таблица 2. Усредненные параметры полярных полимерных материалов

Свойство

значение

относительная диэлектрическая проницаемость

3—6

удельное объемное сопротивление

1011—1011 Ом×м

тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц

0.01—0.06

электрическая прочность

15—50 МВ/м

 

Поливинилхлорид имеет состав 2Н3Сl)n и следующее строение:

химическая формула

 

Полиэтилентерефталат (лавсан) — это термопластичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты С6Н4(СООН)2, имеющей строение:

химическая формула

при молекулярной массе порядка 30000. Он обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размягчения. Это—дипольный диэлектрик.

 

Полиамидные смолы. капрон, строение которого:

химическая формула

 

Фенолоформальдегидные смолы получают посредством нагревания в закрытом котле водяного раствора фенола и формальдегида присутствии катализатора.

химическая формула

химическая формула

фенол

формальдегид

 

Эпоксидные смолы являются продуктами поликонденсации хлорированных глицеринов с двухатомными фенолами в щелочной среде. Наиболее распространена смола, получаемая при взаимодействии эпихлоргидрина глицерина с дефенилолпропаном (дианом), называемая обычно диановой.

Структурная формула диановой смолы следующая:

химическая формула

Концевые группы:

химическая формула,

называемые эпоксигруппами, характерны для любой разновидности эпоксидной смолы.

 

Процесс отверждения при добавлении к эпоксидной смоле диаминов, молекулы которых содержат по две аминогруппы NH2. Для наглядности через М обозначена вся цепочка атомов между концевыми эпоксигруппами:

Процесс отверждения

Отвердение идет с отщеплением водорода от диаминов, «раскрытием» кольца в эпокси-группах и появлением у отвержденного компаунда гидроксильных групп —ОН, обеспечивающих значительный захват (адгезию его к полярным диэлектрикам и металлам):

химическая формула

 

Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел. К числу стеклообразующих окислов относятся SiO2, В2О3, GeO2, Р2О5 Наибольшее распространение получили силикатные стекла (т.е. на основе SiO2) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикатных стекол вводят окислы различных металлов (наиболее часто — щелочных и щелочно-земельных).

Сырьем для изготовления стекол служат следующие материалы: кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, поташ К2СО3, известняк СаСО3, доломит CaCO3×MgCO3, сульфат натрия Na2S04, бура Na2B4O7, борная кислота Н3ВО3, сурик Рb3О4, полевой шпат Аl2О3×6SiO2×К2О и др.

 

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы.

1. Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чисто кварцевое стекло (плавленый кварц). Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по размерам.

2. Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа стекол состоит из двух подгрупп:

а) натриевые;

б) калиевые и калиево-натриевые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Они отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве («технологичны»), но имеют пониженные электрические свойства.

3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (например, силикатно-свинцовые и бариевые). Эти стекла, обладая удовлетворительной обрабатываемостью, имеют повышенные электрические свойства, приближающиеся при нормальной температуре к электрическим свойствам стекол первой группы.

Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты HF, которая их растворяет; стойкость этих стекол к щелочам значительно меньше.

 

Влияние щелочных окислов на структуру и свойства  силикатных стекол

Рис.5. Влияние щелочных окислов на структуру (а) и свойства (б, в) силикатных стекол (по оси абсцисс отложено содержание Na2O или К2О в процентах по массе)

Экспериментально установлено, что при одновременном присутствии двух различных щелочных окислов в составе стекла его электрические свойства могут быть значительно лучше, чем при наличии только одного щелочного окисла в количестве, равном суммарному содержанию двух окислов (рис.6). Это явление называют нейтрализационным или полищелочным эффектом.

Зависимость tgd стекол B2O3—Na2O —К2О от состава

Рис.6. Зависимость tgd стекол B2O3—Na2O —К2О от состава (по оси абсцисс отложено число атомов Na и К, приходящихся на 100 молекул B2O3; сумма атомных концентраций Na и К во всех случаях равна 60%)

 

Таблица.3. Классификация электровакуумных стекол.

Электровакуумное стекло

ТКЛР, al´107 К-1

платиновые (платинитовые)

85-92

Молибденовые

46-52

Вольфрамовые

35-42

По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (В2О3+SiO2) или алюмосиликатных (Аl203+SiO2) материалов с добавками щелочных окислов. Названия «платиновое», «молибденовое», «вольфрамовое» определяются не составом стекла, а только тем, что значения al этих стекол близки к al платины, молибдена, вольфрама. Температурный коэффициент линейного расширения возрастает при увеличении содержания щелочных окислов. В обозначении марки электровакуумного стекла после буквы С указывают значение al и серия разработки. Например, марка С89-5 характеризует стекло с al=89×10-7К-1 серии 5.

 

Изоляторные стекла. Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металлические корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов и др.). На рис.7 изображены стеклянные изоляторы 1 со слоем вожженного серебра 2, припаянные к металлической крышке 3 герметизированного конденсатора. Другим элементом изоляции, часто встречающимся в дискретных полупроводниковых приборах, является стеклянная буса, изолирующая металлические выводы прибора от фланца корпуса, на котором располагается полупроводниковый кристалл с p-n-переходами. Стеклянные бусы изготавливают из капилляров, нарезанных в виде трубок и колец определенных размеров. Обычно в качестве материала таких проходных изоляторов используют щелочное силикатное стекло.

Стеклянные изоляторы

Рис.7. Стеклянные изоляторы (1) со слоем вожженного серебра (2), припаянные к металлической крышке (3)

 

Пояснение к принципу действия световода

Рис.8. Пояснение к принципу действия световода

 

Ситаллы — это стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считается процесс местной кристаллизации — расстекловывание, приводящий к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изделий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой.

 

Зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ситалла от частоты

Рис.9. Зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ситалла от частоты

 

Таблица.4. Свойства ситаллов

Свойство

Значение

Плотность

2.3-2.8 Мг/м3

Водопоглощение

0.01%

Температурный коэффициент линейного расширения

(12-120)10-7×K-1

Удельная теплопроводность

0.8-2.5 Вт/×К)

Температура текучести

750-13000C

Предел прочности при изгибе

50-260 МПа

Удельное объемное сопротивление

108-1012 Ом×м

Электрическая прочность

25-75 МВ/м

Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц

(10-800)×10-4

 

Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.

 

Зависимости e и tgd рутиловой керамики от частоты при различных температурах

Рис.10. Зависимости e и tgd рутиловой керамики от частоты при различных температурах

 

Зависимость диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента от состава твердого раствора системы LaАlO3—СаТiO3

Рис.11. Зависимость диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента от состава твердого раствора системы LaАlO3—СаТiO3

 

 

Материалы, представленные в данном разделе, предназначены для учебных целей. Любое их использование в коммерческих целях не приветствуется.

администратор раздела