close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kirshina3

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического
приборостроения
____________________________________________________________
М.А.Плотянская, И.А.Киршина, Н.В.Наймитенко, В.Г.Федченко
О.М.Филонов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Часть 3. Диэлектрические материалы
Методические указания к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2017
1
УДК 621. 315. 416
Методические указания к выполнению лабораторных работ
Киршина И.А.,
Наймитенко Н.В., Плотянская М.А., Федченко В.Г., Филонов О.М. Материаловедение.
Часть 3. Диэлектрические материалы.
Методические указания к выполнению лабораторных работ подготовлены на
кафедре конструирования и технологий электронных и лазерных средств университета
аэрокосмического приборостроения и предназначены для студентов всех технических
направлений подготовки бакалавриата и специалитета для выполнения лабораторных
работ и самостоятельной подготовки.
Рассмотрены вопросы строения и свойств электротехнических материалов;
закономерности формирования структуры кристаллических материалов с использованием
типовых диаграмм фазового состояния сплавов. Изложены современные данные о
электрических свойствах материалов. Рассмотрены материалы с особыми электрическими
свойствами – диэлектрики, современные методы их получения и области применения.
2
Содержание
1 Диэлектрические материалы
1.1 Диэлектрики. Классификация
1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков
1.3 Физико-механические, химические и радиационные свойства
диэлектриков. Старение диэлектриков
2 Химический состав, старение, свойства и область применения
пассивных и активных диэлектриков
2.1 Пассивные диэлектрики
2.2 Активные диэлектрики
3 Лабораторная работа №6. Исследование свойств пассивных диэлектриков
4 Лабораторная работа №7. Исследование свойств сегнетоэлектриков
5 Контрольные вопросы
Список использованных источников
3
4
4
5
25
30
30
58
74
78
80
81
1.
Диэлектрические материалы
1.1 Диэлектрики. Классификация
Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать
электростатические поля и основным свойством которых является способность к
поляризации.
При нормальных условиях ( температура близкая к комнатной, давление порядка
атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к
солнечному ) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического
сопротивления (ρ>108Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом
электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в
электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров
положительного и отрицательного зарядов.
Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом
поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в
диэлектрике невелико, поэтому ток мал.
Диэлектрики классифицируют по разным признакам.
1. По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и
устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они
подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или
пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые).
2. По агрегатному состоянию - на газообразные, жидкие и твердые.
В газообразных - молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг
от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют
собственного объема и подразделяются на:
- неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот;
благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического
поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают;
- полярные (СО, Н2О, HCl, HF, H2S и др.), у которых центры разноименных зарядов
не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи.
В жидких - молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют
собственный объем, а их свойства
слабо зависят от внешнего давления. К
электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла
(трансформаторное, кабельное и конденсаторное ) и синтетические фтор-, хлор- и
кремнийорганические жидкости.
3.
По химическому составу на:
органические, неорганические и
элементоорганические.
Органические - представляют собой соединения углерода с водородом, азотом,
кислородом и другими элементами; элементоорганические - те, в молекулы которых
входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не
содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические
химические соединения и твердые растворы на их основе.
Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка
(аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по
области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др.
Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их
техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация,
диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.
При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов:
смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов
4
(электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика
(диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля
диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).
1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков
1.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике
В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны
друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается
лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в
направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией.
Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический
момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.
Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием
электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности
приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными).
Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием
электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических
усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках
возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких
диэлектриков можно управлять с помощью внешних воздействий: напряженностью
электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках)
и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая
проницаемость ε = f (Е) , у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f
(E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют
нелинейными (активными).
Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля
напряженностью Е может привести:
- к смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные
смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи;
- к ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей.
Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии
l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 1).
Т
E
Θ
F
F
+
Рисунок 1 – Диполь в электрическом поле.
При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет
пропорционален напряженности электрического поля Е
m  q l    E ,
5
где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома,
иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.
1.2.2 Вектор поляризации, поляризованность
Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков
являются поляризованность (или вектор поляризации) Р и диэлектрическая
проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты
диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических
образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент
диэлектрика равен нулю.
Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий
дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор
поляризации можно определить по формуле
P
m
 E,
V
где – χ = кэ·ε0 – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; кэ- диэлектрическая
восприимчивость, а ε0= 8,85·10-12 Ф/м- электрическая постоянная.
Таким образом,
P  ký   0  Å
Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных
диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде
Ð  N   E ,
где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется
поляризованностью.
1.2.3 Диэлектрическая проницаемость
На рисунке 1.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь
электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 2 а) между
электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 2 б)- диэлектрик.
+Q0
+
-Q0
-
+
-
+
-
+
+(Q0+Qд)
+
+
- +
+
- +
+
l
+
- +
+
+
+ -
-
U
U
Рисунок 2
6
-
-(Q0+Qд)
+
+
+
-
Если электрическое напряжение на электродах U= U0· exp (jωt) с угловой частотой
ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд,
накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рисунке
1.2 а - квадраты) и определяется из выражения
Q0  C0 U ,
где С0- емкость конденсатора с вакуумом.
В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные
положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше ,
образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный
(и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами
зарядов, плечо диполя, м.
Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения
создается дополнительный связанный заряд Qд и общий заряд конденсатора возрастает.
При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком
Q  Q0  Qä   r  Q0 ,
где εr- относительная диэлектрическая проницаемость.
Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами
C0 
Q0
.
U
Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами
C
Q
.
U
Из этих формул следует, что
Q C

 r ,
Q0 C0
где εr и есть относительная диэлектрическая проницаемость.
Емкость плоского конденсатора
C  0 r 
S
,
h
где ε0= 8,85·10-12 Ф/м- электрическая постоянная, а произведение ε0·εr= ε- абсолютная
диэлектрическая проницаемость.
1.2.4 Электропроводность диэлектриков
Свойство вещества проводить под действием неизменяющегося во времени
электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток называется
электропроводностью.
7
Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество
свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется
сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в
электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и
электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках
3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут
приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В
сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из
металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и
электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов
достаточна для ионизации атомов при соударении.
Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При
нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала
ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся
таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область
электропроводности диэлектрика.
При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные
частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом
температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации
основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации
основных
частиц
больше,
эта
область
электропроводности
называется
высокотемпературной собственной.
Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью
поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу,
содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики,
их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой.
Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности
снижает поверхностное сопротивление.
Таким образом, в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле,
протекает электрический ток, состоящий из тока поляризации или смещения, и тока
сквозной электропроводности или тока утечки.
Токи поляризации обусловлены смещением связанных зарядов при установлении
поляризации. При постоянном напряжении они возникают лишь в момент включения и
выключения напряжения и затем затухает. Токи смещения при электронной и ионной
поляризации весьма кратковременны (10-13-10-15с) и называются мгновенными токами
смещения. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов
составляет доли секунды, но у некоторых может достигать несколько дестков секунд, что
происходит при замедленных видах поляризации. Токи, возникающие при установлении
замедленных видов поляризации, называются токами абсорбции (Iабс). Их надо учитывать
при измерении сопротивления диэлектриков. Считается, что процесс установления всех
видов поляризации заканчивается через 1 мин. После подачи постоянного напряжения.
При постоянном напряжении Iабс протекает лишь в моменты включения и выключения
напряжения, при переменном – в течение всего времени. При переменном напряжении
активная проводимость определяется не только током утечки (как при постоянном
напряжении), но и активными составляющими поляризационных токов.
Ток утечки может быть измерен через 1 мин. После включения напряжения, когда
процесс поляризации закончится и токи смещения исчезнут. Именно ток утечки, или
сквозной ток Iск, и определяет электропроводность диэлектрика (рисунок 3).
Количественной мерой электропроводности служит удельная проводимость γ,
являющаяся коэффициентом пропорциональности между плотностью тока j и
напряженностью E (закон Ома)
8
J  E
Плотность тока численно равна заряду, проходящему через единицу сечения в
единицу времени
J  n0  q V ,
где n0- концентрация свободных носителей заряда, q - величина заряда, V - скорость
дрейфа, т.е. направленного движения заряда в поле Е.
В случае ионной электропроводности
n0  N0  e

W
k T
,
где N0- полная концентрация ионов в веществе; w- энергия активации, определяющая
вероятность перехода иона ьв свободное состояние при температуреТ; к= 1,38·10-23 Дж/К
– постоянная Больцмана.
Из этого следует, что
  E  n0  q V
  n0  q 
V
 n0  q  b ,
E
где b - подвижность носителей заряда, т.е. средняя дрейфовая скорость при единичной
напряженности поля. В системе СИ подвижность b имеет размерность м2/В·с.
При обычных условиях главным видом носителей зарядов в диэлектриках являются
ионы, что объясняется их более низкой энергией активации в сравнении с другими
носителями заряда. Так, например, сравним велечины энергий активации (ω) заряженных
частиц каменной соли (NaCl) – ионов Na+, Сl- и электронов: ωNa = 0,85 эВ; ωСl = 3 эВ; ωэл=
6 эВ.
I
Iабс
2
Iск
1
η1=10-15-10-13с η2= 60 с
lg η
Рисунок 3 – Изменение тока текущего через диэлектрик, во времени после
включения его под постоянное напряжение
Носителями тока в каменной соли служат ионы натрия, так как для их перевода в
свободное состояние затрачивается наименьшая энергия (для перевода электронов в
9
свободное состояние требуется энергия в 7 раз больше). Помимо собственных ионов,
электропроводность диэлектрика обуславливают и слабо связанные ионы примесей. В
неполярных диэлектриках с ковалентной связью при низких температурах это
единственные носители тока. Судить о виде носителей (собственные или примесные
ионы) можно на основании рис. 1.3. Снижение Icк (кривая 1) свидетельствует о том, что
электропроводность диэлектрика была обусловлена ионами примесей, количество
которых из-за электрической очистки уменьшилось. Рост Iск (кривая 2) указывает, что
носителями тока являются собственные ионы самого диэлектрика, количество которых
возрастает из-за необратимого процесса старения. Таким образом, ионная (или
электролитическая) проводимость есть результат образования ионов либо за счет
диссоциации молекул самого диэлектрика, либо за счет диссоциации молекул примесей
под действием теплового движения, электрического поля и др. Этот вид проводимости
наиболее часто проявляется в диэлектриках. В этом случае прохождение тока через
диэлектрик сопровождается явлением электролиза.
В диэлектриках возможны также электронная и молионная виды проводимости. При
электронной основными носителями являются свободные электроны. Этот вид
проводимости наблюдается в газообразных диэлектриках, в твердых диэлектриках при
высоких температурах и значительных напряженностях поля, а также в тонких слоях.
Молионная или электрофоретическая проводимость появляется в диэлектриках, в
которых носителями зарядов служат заряженные группы молекул – молионы. Такой вид
проводимости часто имеет место в жидких диэлектриках. При этом наблюдается явление
электрофореза – переноса массы вещества к электроду.
1.2.5 Поляризация диэлектриков
Состояние электрической поляризации в диэлектриках возникает за счет различных
процессов или механизмов, определяемых структурой вещества.
Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую
(медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно
за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс
быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток, при этом процесс
поляризации обратим и протекает без рассеивания энергии, т.е. без нагрева диэлектрика.
К таким быстрым поляризациям относятся электронная, завершающаяся за
время 10-16…10-13с, и ионная упругая, завершающаяся за время 10-14…10-13с, поляризации.
1.2.5.1 Упругие поляризации
Электронная поляризация. Электронная поляризация представляет собой упругое
смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов, в результате чего
центры тяжести зарядов электронного облака и ядра атома (иона) не совпадают в
пространстве (рисунок 1.4) и возникает дипольный момент. Смещение электронов
происходит на малые расстояния (10-13 м) в пределах своих атомов и молекул.
Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков, в любом агрегатном
состоянии, в переменном поле она происходит во всем диапазоне частот вплоть до 10 15
Гц, а при более высоких частотах исчезает.
Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются
неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры
положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы
неполярны. Неполярными диэлектриками являются газы (гелий, водород, азот, метан),
жидкости (бензол, четыреххлористый углерод) и твердые материалы (алмаз, полиэтилен,
фторопласт-4, парафин ).
Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры из-за теплового
расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 7, кривая
1). Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры подобна кривой
изменения плотности.
10
Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало
отличается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5.
Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не изменяется с ростом
частоты приложенного напряжения до 1012 ... 1013 Гц.
Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным
коэффициентом диэлектрической проницаемости
1 d
.
  
 dt
Ионная упругая поляризация. Ионная поляризация происходит в кристаллических
диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидощелочных кристаллах, слюде, керамике и др. В электрическом поле в таких диэлектриках
происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация.
Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных
ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рисунок 5). Это смещение приводит
к
появлению
дополнительного
электрического
момента,
увеличивающего
поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость.
Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10 12 – 1013
Гц, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом
изменения этого поля. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом
температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил
связи между ионами, и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле
(рисунок 7, кривая 2).
1.2.5.2 Неупругие поляризации (релаксационные)
Дипольно-релаксационная поляризация. Дипольная поляризация наблюдается в
полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из
полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательного зарядов не
совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный
момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH3, пары воды и спиртов.
Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C6H5Cl, нитробензол C6H5NO2. В
электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов –
происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация
(дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных
диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев,
сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул (рисунок 6).
Дипольно-релаксационная поляризация сводится к повороту (ориентации) в
направлении электрического поля частиц полярного диэлектрика, имеющих постоянный
дипольный момент. Такими частицами являются полярные молекулы (в полярных газах и
жидкостях) и полярные радикалы (группы атомов и ионов в твѐрдых полярных
диэлектриках). Схематически этот процесс поляризации изображѐн на рисунке 8, на
примере полярной молекулы.
В электрическом поле на заряды диполя будут действовать силы, равные по
величине, но противоположно направленные (рисунок 8, а). Разложим каждую силу на 2
составляющие: вдоль и перпендикулярно оси диполя. Силы, действующие в направлении
оси диполя, компенсируют друг друга, а силы, действующие перпендикулярно оси,
вызывают вращающий момент М, который разворачивает полярную молекулу в
электрическом поле
M  Fl  Fl sin   Fq sin   F  sin  .
11
-
+
Е=0
-
-
+
-
-
-
+
-
--- - - - +
Е≠0
+
-
Евн
+
+
+
+
Рисунок 4
-
Рисунок 5
ε
1
2
Рисунок 6
ε
2
1
Т
ωк
ω
Рисунок 7
.
а)
f′+
+
h
Θ
б)
F+= q·Ē
Е
f+
-
+
μ
f_
F-= q·Ē f′+
Рисунок 8
Так как мы рассматриваем изолированную полярную молекулу, то никаких
препятствий для разворота еѐ вдоль поля нет, и направление электрического момента еѐ
совпадает с направлением поля (рисунок 8, б). В реальном же диэлектрике полярные
молекулы связаны друг с другом внутренними силами и в то же время находятся в
непрерывном хаотическом движении, которое препятствует ориентации их вдоль поля.
Поэтому полярные молекулы разворачиваются в диэлектрике на углы 0 < Θ < π. Поворот
12
полярных частиц в направлении поля происходит замедленно 10-12-10-2, связан с затратами
энергии и сопровождается еѐ рассеиванием.
Если на полярный диэлектрик поле не воздействует, то в любой момент времени
проекция электрического момента всех молекул на любое направление равна нулю. При
воздействии электрического поля проекция электрического момента всех молекул на
направление поля становится отличной от нуля, и диэлектрик приобретает
поляризованность. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно
ослабевает, система из неравновесного состояния, вызванного воздействием поля,
переходит к более равновесному состоянию (рисунок 9). При этом поляризованность во
времени изменяется в соответствии с формулой
P  P0  e


0
,
где Р0 - начальная поляризованность ориентированных частиц; η- время, прошедшее после
снятия поля; η0- постоянная времени (время релаксации).
Р
Р0
Р0/е
η0
η
Рисунок 9 – Изменение поляризованности во времени
Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризованность
(упорядоченность) ориентированных полем диполей, после снятия поля, из-за теплового
хаотического движения уменьшается в 2,7 раза от первоначального значения. При этом
37% диполей ещѐ сохраняет поляризованность. Время релаксации поляризации
экспоненциально убывает с температурой
0  e
*
0
w
k T
,
где η0*- время релаксации при абсолютной температуре Т→∞.
При повышении температуры поляризованность частиц при дипольнорелаксационной поляризации, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость,
обусловленная ею, вследствие ослабления молекулярных сил (вязкость диэлектрика
экспоненциально уменьшается), вначале растѐт, достигает максимума, а затем, при
достаточно высоких температурах, падает в связи с возрастающим дезориентирующим
влиянием теплового движения (рисунок 10).
При воздействии на полярный диэлектрик переменного поля до тех пор, пока
полярные частицы успевают следовать за изменением поля, частота не влияет на величину
диэлектрической проницаемости. Начиная с некоторой критической частоты fр (частоты
релаксации), полярные частицы, являющиеся инерционными, не успевают следовать за
изменением
поля,
дипольно-релаксационная
поляризация
прекращается,
и
диэлектрическая проницаемость резко падает до величины, обусловленной электронной
поляризацией (рисунок 11). Частота релаксации зависит от природы и структуры
13
диэлектрика. При повышении температуры частота релаксации растѐт из-за уменьшения
молекулярных сил и вязкости.
ε
ε
εдр
εэл
Т, °С
fкр
Рисунок 10.
f
Рисунок 11.
Ионно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации наблюдается в ионных
диэлектриках неорганического происхождения с неплотной упаковкой ,например, в
неорганических стѐклах с рыхлой структурой и низким показателем преломления, и
состоит в дополнительных (наряду с хаотическим тепловым движением) перебросах слабо
связанных ионов под воздействием внешнего электрического поля на расстояния,
превышающие постоянную решѐтки. Эти перебросы ионов, совершаемые из одного
равновесного состояния в другое, необратимы и сопровождаются заметным рассеиванием
энергии.
Время установления ионно-релаксационной поляризации велико, колеблется в
широких пределах у разных диэлектриков – от 10-6 с до 1 минуты.
В таких диэлектриках возможно несколько релаксаторов-ионов с различной массой,
имеющих из-за этого разные периоды релаксации. Поэтому с ростом частоты
электрического поля диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионнорелаксационной поляризацией, постепенно уменьшается. При повышении температуры
диэлектрическая проницаемость растѐт из-за увеличения числа ионов, участвующих в
этом виде поляризации.
Электронно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации возникает в
некоторых диэлектриках с плотной структурой и высоким показателем преломления
(например, в двуокиси титана, загрязнѐнной примесями). Возникает она из-за наличия в
них слабо связанных электронов. В отсутствие электрического поля под влиянием
теплового движения эти электроны совершают равновероятные перемещения вблизи
дефекта, с которым они связаны, и не создают электрического момента. При наложении
же электрического поля большинство таких электронов перемещается против поля на
расстояние порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Это приводит к
возникновению электрического момента в объѐме диэлектрика и его поляризации. Так как
эта поляризация устанавливается в течение некоторого времени, она называется
электронно-релаксационной.
Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики. Эта поляризация, возникающая
самопроизвольно в определѐнном интервале температур, лежащих ниже температуры Θк ,
называемой точкой Кюри. Выше точки Кюри наблюдается лишь электронная, ионная и
ионно-релаксационная поляризация. Характерные для сегнетоэлектриков свойства
впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали
называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.
В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается
самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных
радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного
зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется
спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом
14
домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном
направлении. В этом же направлении ориентирован и вектор спонтанной
поляризованности (Ps) домена. В соседних доменах направление Ps может быть
противоположным или перпендикулярным (рисунок 12, а), (механизм поляризации на
примере титаната бария будет рассмотрен ниже в разделе 2 свойства активных
диэлектриков).
В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная
поляризация и ионная поляризация, а также неупругая доменная. В процессе доменной
поляризации векторы Рs доменов ориентируются по направлению электрического поля
(рисунок 12, б). Переориентацией направлений Рs доменов объясняются характерные для
сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их
диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рисунок 12, в,г).
Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается
благодаря ориентации Рs доменов и достигает поляризованности насыщения. С
уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так
как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно
приложив к образцу электрическое поле напряженностью Ес, которое называется
коэрцитивной силой.
Для сегнетоэлектриков характерны: большая диэлектрическая проницаемость (до
нескольких тысяч) и ее сильная зависимость от температуры (рисунок 12, д).
Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации
доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией,
увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при
температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает,
сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в
параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость
диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.
Рисунок 12.
Миграционная поляризация. При миграционной поляризации происходит смещение
свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов и электронов) и их
15
закрепление на дефектах и поверхностях раздела различных
диэлектрическом материале. Величина миграционной поляризации Рм
диэлектриков
в
Pm  q  l  N ,
где N – количество положительных зарядов q, сместившихся на расстояние l
относительно отрицательных зарядов в единице объема диэлектрика.
Миграционная поляризация чаще всего наблюдается в неоднородных диэлектриках,
состоящих из частиц с различными диэлектрическими проницаемостями и
проводимостями. В таких неоднородных диэлектриках свободные заряды могут
собираться на поверхности раздела различных диэлектриков, приводя к частному виду
миграционной поляризации, называемой межслойной.
Миграционная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках, в
которых свободные электрические заряды могут захватываться чужеродными ионами
примесей, дислокациями и трещинами в различных частях объема диэлектрика.
Миграционная поляризация связана с появлением объемных зарядов в
приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с
электропроводимостью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается
значительное время, измеряемое иногда десятками минут. Такая поляризация, как и
другие замедленные виды поляризации, сопровождается потерями в диэлектрике.
1.2.6 Диэлектрические потери
При помещении любого вещества в электрическое поле с напряженностью Е в этом
веществе наблюдается поглощение части энергии электрического поля. Поглощенная
часть энергии превращается в тепловую, которая и является диэлектрическими потерями.
Диэлектрические потери обычно пропорциональны Е2.
Диэлектрическими потерями называется мощность, поглощаемая диэлектриком при
воздействии на него электрического поля и вызывающая нагревание диэлектрика.
Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями.
Диэлектрические потери могут привести к увеличению удельной электропроводности
вследствие миграции примесных и собственных ионов,а в полях высокой напряженности
– к пробою. Возможны также потери, связанные с ионизацией газовых включений,
которые могут вызвать ионизационный пробой.
Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом
поле используют угол диэлектрических потерь δ, тангегс угла диэлектрических потерь tg δ
и мощность потерь или активную мощность Ра.
Диэлектрические потери наблюдаются как в постоянном, так и в переменном поле.
В постоянном поле диэлектрические потери невелики. Они оцениваются
сопротивлением изоляции ,то есть током сквозной проводимости Iск, возникающим
вследствие миграции свободных носителей заряда, и определяются выражением
U2
R2
2
Pa 
 U  I ñê  I ñê  Rèç 
 E2  ,
Rèç
v
где U – напряжение, а Iск - ток сквозной проводимости.
В общем случае, при включении на постоянное напряжение возникает ток,
спадающий во времени
I  I ñê  I àáñ
16
Ток смещения (емкостной ток) Iс вызван смещением электронных оболочек в
атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций, и
спадает в течение 10-15-10-16с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.
Спадающий со временем ток абсорбции Iабс обусловлен смещением связанных
зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и
диэлектрические потери (рисунок 13, а).
а)
б)
I
Iабса
Iск
Iс
Iабср
I
Iабс
Iабс
Ic
Т
δ
θ
U
Рисунок 13.
Сквозной ток утечки Iск, вызванный перемещением свободных зарядов в
диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не
происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери
аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном
напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда
происходит процесс медленных поляризаций, т.е. в период включения.
Диэлектрические потери в переменном поле значительно выше, чем в постоянном
поле.
Рассмотрим потери в переменном поле с частотой f = 2π·ω, напряжение которого
изменяется синусоидально U(t) = Umax·Sinωt.
Общий ток, протекающий через диэлектрик, является суммой токов различной
природы
I  I ñì  I ñê  I àáñ ,
где Iсм и Iабс – соответственно токи смещения и абсорбции.
При переменном напряжении Iабс имеет место, если время релаксации процесса
медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного
напряжения (η = Т/2). В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под
воздействием на него электрического поля, т.е. диэлектрические потери, обусловливаемые
токами Iск и Iабс, наблюдаются в течение всего времени воздействия приложенного
напряжения.
Таким образом, полный ток I, протекающий через диэлектрик, можно представить в
виде суммы активной и реактивной состовляющих
I  Ià  I ð ,
где Ia= Iск + Iабс.а, а Iр= Iсм + Iабс.р.
Для определения тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и активной мощности Ра
можно воспользоваться эквивалентной схемой, в которой реальный диэлектрик с
потерями заменен конденсатором с идеальным диэлектриком и параллельно включенным
активным сопротивлением. При этом активная мощность, расходуемая в схеме, должна
17
быть равна мощности, рассеиваемой в реальном диэлектрике, а ток должен быть сдвинут
относительно напряжения на тот же угол, что и в этом диэлектрике.
При этом заряд на обкладках конденсатора равен
Q  C U ,
а ток текущий через конденсатор
Ip 
dQ
 C U max  Cos   t  .
dt
Таким образом, ток Iр опережает напряжение на угол π/2 (рисунок 1.13, б).
Из схемы следует, что реактивный ток, текущий через емкость, будет равен
I p  U   C ,
а активный ток, текущий через сопротивление R
Ia 
U
R
На векторной диаграмме токов, протекающих через конденсатор с диэлектриком при
переменном напряжении (рисунок 13, б), емкостной ток Ic опережает напряжение U по
фазе на угол 90° и поэтому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбции Iабс
определяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии.
Поэтому он имеет реактивную Iабср и активную Iабса составляющие. Сквозной ток Iск
совпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный ток I (как сказано выше)
имеет реактивную (Ip = Ic + Iaбср) и активную (Ia = Iабса + Iск) составляющие и опережает
напряжение на угол θ < 90°. Угол δ, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между
током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлектрических потерь. В
соответствии с векторной диаграммой токов:
tg 
Ia
1

,
I p R   C
где tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром,
характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.
Активная мощность (мощность потерь) равна
Pa  I a U  U 2    C  tg
Таким образом, мощность диэлектрических потерь пропорциональна тангенсу угла
диэлектрических потерь. Чем больше активный ток и чем, следовательно, больше tg δ, тем
больше диэлектрические потери. Произведение ε·tg δ называется коэффициентом, или
фактором, диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют
удельными потерями (p)
18
p
Pa U 2    C  tg
,

V
S h
где V- объем; S- площадь электродов; h- расстояние между электродами плоского
конденсатора.
Подставив в эту формулу выражение для емкости плоского конденсатора,
C   0 
S
h,
h
Получим
U 2       0  S  tg
P
 E 2       0  tg  E 2   a ,
2
S h
где γа - удельная активная проводимость, характеризующая электропроводность
диэлектрика в переменном поле, учитывающая как омические, так и релаксационные
потери.
Таким образом,
tg 
Ia
a
1


I p R   C   0
Из этой формулы , очевидно, что материалы, используемые на высоких частотах,
должны иметь наименьшие
значения tg δ. Лучшие диэлектрические материалы,
используемые на высоких частотах, имеют значения tg δ < 10-4.
Так как диэлектрические потери ведут к нагреванию материала, возрастает
вероятность электротеплового пробоя, особенно, при работе на высоких частотах.
Поэтому необходимо стремиться к уменьшению tg δ. Этого можно достичь, зная природу
диэлектрических потерь и их зависимость от различных внешних воздействий, наиболее
значимые из которых – температура и частота.
Для твердых диэлектриков характерны два основных вида потерь:
- потери на электропроводность (омические потери или потери сквозной
проводимости), которые обусловлены протеканием через диэлектрик тока сквозной
проводимости (сквозного тока утечки) Iск ;
- релаксационные потери, обусловленные активной составляющей тока абсорбции
Iабс.
Потери на электропроводность. Данный вид потерь преобладает в диэлектриках,
имеющих заметную поверхностную или объемную электропроводность. Тангенс угла
диэлектрических потерь у них уменьшается с возрастанием частоты по гиперболическому
закону (рисунок 14, а)
I
a
tg  a 
I p   0
Потери на электропроводность существенны лишь на низких частотах (до единиц
кГц).
С увеличением температуры потери сквозной проводимости возрастают по
экспоненциальному закону (рисунок 14, б)
 b 
Pa  A  exp   ,
T 
19
где А и b – постоянные материала.
а) tg δ
б)
tg δ
ω
T
Рисунок 14 – Частотная и температурная зависимости потерь сквозной
проводимости.
Тангенс угла диэлектрических потерь в зависимости от температуры изменяется
аналогично, поскольку:
 Wa 
,
 k T 
 a  A  exp 
где Wа – энергия активации процесса электропроводности.
Потери на электропроводность весьма незначительны у материалов с высоким
удельным объемным сопротивлением ρv (полиэтилен, фторопласт-4 и другие неполярные
диэлектрики).
Релаксационные потери. Данный вид потерь преобладает в диэлектриках, в
основном, с релаксационными поляризациями.
С увеличением температуры тангенс угла диэлектрических потерь изменяется по
кривой с максимумом (рисунок 15, а).
Дипольные частицы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в
вязкой среде, что вызывает потери энергии на процесс, аналогичный преодолению силы
трения. Если вязкость среды достаточно высока (область низких температур), диполи не
успевают ориентироваться по направлению поля, время релаксации η0 существенно
больше периода изменения напряженности внешнего поля (η0>>1/ω), работа по
преодолению сил «трения» мала вследствие малой траектории перемещения диполей,
поэтому tg δ мал. При увеличении температуры вязкость среды уменьшается, ориентация
диполей облегчается (η0→1/ω), происходит полная поляризация, но частицы при этом
преодолевают значительные силы трения в вязкой среде, tg δ возрастает и достигает
максимума при температуре Тк.
tgδ
tgδ
ω1
ω2
Т1
Т2
ω2 > ω1
Тк
Т2>Т1
Т
ωк
а)
20
ω
б)
Рисунок 15 – Температурная и частотная зависимости релаксационных потерь.
Дальнейший рост температуры еще больше снижает вязкость (область высоких
температур). Ориентация диполей происходит практически без «трения» (ω0<<1/ω), но
установлению поляризации противодействует разориентирующее влияние тепловых
колебаний, поэтому tg δ мал.
С возрастанием частоты максимум tg δ смещается в область высоких температур.
Это объясняется тем, что для большей частоты вязкость при Тк еще слишком высока и
диполи не успевают ориентироваться по полю. Для их ориентации необходимо
уменьшить вязкость, то есть повысить температуру.
Аналогичный вид имеет частотная зависимость релаксационных потерь (рисунок 15,
б). При низких частотах диполи легко ориентируются по полю и тангенс угла
диэлектрических потерь мал. При повышении частоты диполи не успевают следовать за
изменением поля, tg δ растет и достигает максимума при частоте ωк. Когда частота
становится велика (η0>>1/ω), дипольно-релаксационная поляризация выражена очень
слабо, значение tg δ мало. С возрастанием температуры максимум кривой смещается в
высокочастотную область.
С учетом вклада релаксационной поляризации и электропроводности диэлектрика
температурные и частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь имеют
вид кривых, представленных на рисунке 16.
Реальные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла
диэлектрических потерь для разных видов диэлектриков приведены ниже в разделе 2.
tg δ
ω1
ω2
tg δ
ω2 > ω1
Т1
Т2
Т2>Т1
Т
ω
Рисунок 16 – Температурная и частотная зависимости полных диэлектрических
потерь
1.2.7 Электрическая прочность твердых диэлектриков
Диэлектрический материал, помещенный в электрическое поле, может утратить
электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое
критическое значение. Это явление называется пробоем, или нарушением электрической
прочности изоляции.
Наименьшее напряжение, приложенное к диэлектрику в момент пробоя, называется
пробивным напряжением (Uпр).
Твердые диэлектрики в отличие от жидких и газообразных претерпевают
необратимые изменения (разрушение) в результате пробоя. В материале образуется
разрядный канал, где из-за резкого повышения температуры создается высокое давление,
приводящее к появлению трещин и разрушению изолятора.
Пробивное напряжение характеризует способность противостоять электрическому
полю лишь конкретного образца. Для сравнения свойств различных материалов
используется
электрическая прочность (Епр, кВ/мм2), представляющая собой
минимальную напряженность электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика
21
Eï ð 
Uï ð
h
,
где h – толщина диэлектрика.
Величина электрической прочности зависит от температуры, влажности, частоты
приложенного напряжения, времени его приложения, толщины и числа слоев диэлектрика
и других факторов. Электрическая прочность диэлектрика может быть нарушена в
результате поверхностного пробоя (разряда), который развивается в прилегающем к
твердой изоляции жидком или газообразном слое. Вероятность возникновения
поверхностного пробоя зависит от состояния поверхности (например, увлажнение или
загрязнение).
Виды пробоя в твердом диэлектрике. В диэлектриках, находящихся в электрическом
поле, возникновение электрического пробоя может быть вызвано несколькими факторами:
- повышением напряженности электрического поля (электрический пробой);
- увеличением температуры материала (тепловой пробой);
- старением диэлектрика под действием внешних факторов, вызывающих протекание
химических реакций в материале (электрохимический пробой). Он развивается в
результате образования в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, веществ с
низкими значениями электрической прочности: продуктов электролиза, окислительновосстановительных реакций и других процессов. Электрохимический пробой усиливается
при повышении температуры и влажности, чему способствует его гигроскопичность.
Возможно возникновение ионизационного пробоя, обусловленного процессами
ионизации газовых включений в твердом материале, а также электромеханического
пробоя, характерного для пьезоэлектриков, и связанного с возникновением
электрического поля в материале под воздействием механических усилий.
Электрический пробой диэлектрика происходит при значениях напряженности
электрического поля, превышающих электрическую прочность материала. В этом случае
отсутствует влияние других факторов, повышающих электропроводность диэлектрика,
его диэлектрические потери, вызывающие ионизацию газовых включений, и прочие.
По своей природе электрический пробой является электронным процессом, когда из
небольшого количества свободных электронов в твердом теле образуется электронная
лавина. Свободные носители заряда (электроны) при приложении к диэлектрику
электрического поля ускоряются этим полем. Ускоренные электроны рассеиваются на
атомах и передают последним часть своей энергии. В том случае, если энергия электронов
превосходит энергию ионизации атомов, наблюдается ударная ионизация (выбивание
вторичных электронов из атомов), то есть генерация дополнительного числа свободных
носителей заряда. В свою очередь, они ускоряются полем и также участвуют в процессе
ионизации атомов диэлектрика.
Механизмы ударной ионизации и возбуждения могут быть описаны следующими
схемами:
A + e → A+ + 2e- ;
A + e → A* + ħ·v + e,
где А – атом; A+- ион; A*- возбужденный атом
При возбуждении электрон, сталкиваясь с атомом (или молекулой), не выбивает из
него вторичный электрон, а переводит последний на более высокий разрешенный
энергетический уровень. Возвращаясь в невозбужденное состояние (при переходе
электрона на стационарную орбиту), атом испускает фотон. Некоторые фотоны могут
иметь энергию, превышающую энергию ионизации. Они образуются в результате
возбуждения электронов, находящихся на внутренних оболочках атомов. При поглощении
таких фотонов атомами возможна их ионизация:
22
А + ħ·v → A+ + eСкорость фотонов значительно превышает скорость электронов (vф= 3·108 м/с;
vэ= 105 м/с), поэтому фотоны обгоняют электронную лавину и ускоряют образование
проводящего канала.
Электрический пробой протекает за время 10 -7-10-8с и наблюдается у большинства
твердых диэлектриков при импульсном воздействии напряжения.
Тепловой пробой происходит в случае, если развитие процесса ударной ионизации в
диэлектрике, находящемся в электрическом поле, спровоцировано повышением
температуры материала. Он происходит вследствие возрастания числа свободных
носителей заряда с повышением температуры, и следовательно, увеличения вероятности
того, что какой-то из зарядов под действием электрического поля инициирует развитие
лавинообразного процесса увеличения электропроводности. Повышение температуры
может быть вызвано как внешними источниками, так и процессами, происходящими в
самом материале, например, вследствие диэлектрических потерь. Если теплоотвод в
окружающую среду затруднен (в силу низкой теплопроводности изоляции или
значительной ее толщины), в материале нарушается тепловой баланс, температура быстро
повышается. Это снижает электрическую прочность материала и в результате происходит
пробой.
Если диэлектрик помещен в постоянное поле напряженностью Е, то мощность
потерь в нем определяется по формуле
Pa 
E2
V
 E2 V ,
При данной величине напряженности поля диэлектрические потери тем выше, чем
выше удельная объемная проводимость γv (или ниже удельное объемное сопротивление).
В случае приложения к диэлектрику переменного поля удельная мощность потерь
определяется по формуле
P  E2  a ,
где γа = f·ε·tg δ/(1,8·1012) – удельная объемная активная проводимость; f – частота,
приложенного напряжения; ε·tg δ – коэффициент диэлектрических потерь.
Очевидно, что диэлектрические потери тем выше, чем выше частота электрического
поля и коэффициент диэлектрических потерь материала.
Развитие теплового пробоя затруднено, и диэлектрик может работать длительное
время без повреждений при высоком напряжении, если:
- значения объемной удельной проводимости (для постоянного напряжения) или
коэффициента диэлектрических потерь (для переменного напряжения) низки;
- скорости их возрастания при повышении температуры незначительны;
- теплопроводность диэлектрика велика.
Электрический пробой развивается за очень короткий промежуток времени.
Поэтому если пробой не произошел в ближайшее время после приложения напряжения,
то, вероятно, следует ожидать, что он не произойдет и в дальнейшем. Для развития
теплового пробоя требуется накопление в диэлектрике тепла, на что нужно определенное
время, тем меньшее, чем выше приложенное напряжение. Зависимость пробивного
напряжения от времени его приложения представлена на рисунке 17. Из рисунка видно,
что диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряжение, величина
23
которого меньше напряжения U, к которому асимптотически стремится Uпр при
увеличении времени приложения поля.
При повышении температуры происходит переход от электрического пробоя (Т<Т к)
к тепловому пробою (Т>Тк), как показано на рисунке 18. При повышении частоты
приложенного напряжения наблюдается аналогичная зависимость.
Епр
Uпр
η
Тк
Рисунок 17 .
Т
Рисунок 18.
Электрическая прочность диэлектрика, при прочих равных условиях, ниже в
однородном поле (при использовании электродов большой площади), чем в неоднородном
поле (при использовании заостренных электродов с малым радиусом кривизны). Это
связано с тем, что в первом случае вероятность попадания дефектных мест диэлектрика
(участков с пониженной электрической прочностью) в межэлектродное пространство
выше, чем во втором.
Зависимость электрической прочности от толщины диэлектрика обусловлена
механизмом пробоя (рисунок 19). С увеличением толщины облегчается образование
электронной лавины (из-за большего числа свободных носителей заряда, каждый из
которых может стать инициатором начала лавинного процесса) в случае электрического
пробоя и ухудшается отвод тепла – в случае теплового пробоя. Практический интерес
представляет изучение электрической прочности многослойного диэлектрика в
зависимости от числа слоев (рисунок 20).
Повышение электрической прочности происходит ло некоторого критического
значения количества слоев nк , которое зависит от природы диэлектрика, его толщины и
формы электродов. Увеличение электрической прочности до nк можно объяснить тем, что
образование электронной лавины затруднено, так как на границах слоев происходит
интенсивное рассеяние электронов и их рекомбинация на ловушках. С ростом числа слоев
ухудшаются условия теплообмена между внутренними слоями и окружающей средой, и
электрическая прочность уменьшается.
Епр
Епр
h
nк
Рисунок 19.
Рисунок 20.
24
n
Кроме перечисленных воздействий на электрическую прочность значительное
влияние оказывает структура материала. В общем случае, электрическая прочность у
кристаллических материалов выше, чем у аморфных материалов. Для кристаллических
материалов она снижается с увеличением числа дефектов, особенно, включений других
фаз и различных неоднородностей, искажающих электрическое поле. Электрическая
прочность плотных материалов выше, чем пористых, так как в последних могут
происходить электрохимический и ионизационный пробои. Неполярные диэлектрики
имеют более высокую электрическую прочность по сравнению с полярными. Влажность
окружающей
среды
приводит
к
снижению
электрической
прочности
электроизоляционных материалов, особенно гидрофильных и пористых.
Значения электрической прочности для различных диэлектриков приведены ниже в
разделе 2.
1.3 Физико-механические, химические и радиационные свойства диэлектриков.
Старение диэлектриков
Выбирая
диэлектрик
для
изготовления
деталей
радиоэлектронной,
электротехнической и другой аппаратуры, необходимо очень часто учитывать не только
его электрические свойства в нормальных условиях экспулатации, но и их зависимость от
изменения условий работы диэлектрика (воздействия влажности воздуха, низких
температур, радиоактивных излучений, повышенных температур и т.д.) и времени работы
диэлектрика.
В ряде случаев возможность использования того или иного диэлектрика в различных
конструкциях зависит не только от его электрических свойств, но и от его механических
свойств, а также других характеристик, например, вязкости, температурного
коэффициента линейного расширения, растворимости, окисляемости и т.д. Ниже будут
рассмотрены некоторые из этих свойств.
1.3.1 Тепловые свойства диэлектриков принято оценивать нагревостойкостью и
холодостойкостью диэлектриков, сюда же относят теплопроводность и тепловое
расширение.
Нагревостойкость – способность диэлектрических материалов надежно выдерживать
воздействие повышенной температуры (кратковременное, длительное, а также смену
температур) без недопустимого повреждения или ухудшения свойств.
Величину нагревостойкости оценивают по соответствующим значениям
температуры (°С), при которой появились недопустимые ухудшения свойств. Для
неорганических диэлектриков – это заметное изменение электрических свойств (Епр, tg δ и
γ), для органических диэлектриков – по началу, изменения механических свойств, хотя и
для органических диэлектриков в некоторых случаях нагревостойкость определяется по
электрическим свойствам.
Ввсе диэлектрики по нагревостойкости разбиваются на 7 классов, которые
представлены в таблице 1.
25
Таблица 1
Класс
нагревостойкости
Y
A
E
B
F
H
C
Наибольшая
допустимая рабочая Т ºС
90
105
120
130
155
180
Более 180
В качестве критерия деления на эти классы выбрана электрическая прочность.
Предельная рабочая температура для каждого класса выбрана из условия, что при
непрерывной работе диэлектрика при этой температуре срок службы изоляции 20 лет
(допускается уменьшение электрической прочности в 2 раза).
К классам Y, А, Е относят органические диэлектрики волокнистого строения,
пропитанные или нет жидким диэлектриком. К следующим трем классам – В, F, H относят
сложные композиционные материалы на основе неорганических материалов с
органическими пропитками или прослойками. К классу С принадлежaт неорганические
диэлектрические материалы: слюда, стекло, керамика, асбест; из органических – только
фторопласт-4.
Для ряда диэлектрических материалов важной характеристикой является стойкость к
резким сменам температуры, тепловым импульсам. Эта характеристика сособенно важна
для хрупких диэлектриков (с заметной ионной связью): стекло, керамика, т.е.для всех тех
материалов, у которых значительно различаются пределы прочности на сжатие и на
расширение.
Холодостойкость - способность материала без повреждения и без недопустимого
ухудшения других практически важный свойств надежно выдерживать воздействие
низких температур, например, от
до
С.
В качестве критерия холодостойкости не выбирают электрические свойства
материала, так как при понижении температуры электрические свойства улучшаются. За
критерий принимают механические свойства диэлектриков такие, как гибкость и
эластичность. Особенно существенна эта характеристика для пленочных диэлектриков
органического происхождения (часто еѐ определяют по числу перегибов при
отрицательной температуре), где потеря гибкости и эластичности приводит к резкому
снижению надежности работы изоляционного материала.
Теплопроводность - свойство диэлектрических материалов проводить тепло.
Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на
стойкость материала к тепловым импульсам.
Тепловое расширение диэлектриков характеризуют температурным коэффициентом
линейного расширения (для твердых материалов) или температурным коэффициентом
объемного расширения (в основном, для жидких материалов). Материалы, обладающие
малыми значениями температурного коэффициента линейного расширения, имеют, как
правило, высокую нагревостойкость и наоборот.
1.3.2 Гигроскопичность диэлектриков. Это способность материала диэлектрика
поглощать влагу из окружающей среды (воздуха). Абсолютная влажность воздуха
характеризуется массой водяных паров, содержащихся в 1м3 воздуха. Известно, что для
каждой температуры воздуха существует максимально возможная абсолютная влажность
mmax, например, при 50 °С в 1 м3 воздуха содержится до 80 г водяных паров. Весь избыток
влаги (m-mmax) выпадает в виде росы.
26
Более удобной характеристикой содержания водяных паров в воздухе является
относительная влажность, которая может быть оценена следующим образом:
 m
Относительная влажность  
 mmax

 100%

Все диэлектрические материалы в той или иной мере гигроскопичны. Это
необходимо учитывать, потому что вода, являясь сильно полярным диэлектриком с
удельным сопротивлением порядка 103-104 Ом·м , может значительно снижать
электроизоляционные свойства диэлектрика. Особенно сильно сказывается влажность на
поверхностном сопротивлении диэлектриков. Гигроскопичность метариала существенно
зависит от его структуры, особенно от пор, в которые способны проникать влага, пары
воды (эффективный диаметр молекулы воды весьма мал - 0,27 нм или 2,7 ), а также от
способности поверхности диэлектрика смачиваться водой. Чем сильнее смачивание, тем
больше вероятность проникновения влаги в объем диэлектрика, при наличии в нем
открытой пористости. Это приводит к заметному ухудшению его объемного
сопротивления и tg δ. Воздействие влажности становится заметным при температурах 3040 °С и относительной влажности близкой к 100%. Особенно плохими условиями для
работы диэлектрика являются такие условия, когда при высокой относительной
влажности температура диэлектрика меньше температуры окружающей среды, и влага
может конденсироваться на поверхности. Покрытие поверхности диэлектриков
несмачивающимися в воде лаками, компаундами и пропитка жидкими диэлектриками
частично улучшает свойства диэлектрика, однако полностью не снимает вопроса об
отрицательном влиянии влажности на его электроизоляционные свойства. В особо
ответственных случаях применяют герметизацию узлов, содержащих гигроскопический
материал.
Для материалов, применяющихся для защитных покровов (шланги кабелей,
опрессовка герметичных узлов, компаундные заливки, лаковые покрытия), важной
характеристикой является влагопроницаемость. Под влагопроницаемостью понимают
обычно способность материала пропускать через себя пары воды. Для многих материалов
влагопроницаемость поддается измерению. Она оценивается как количество влаги m,
проходящее через площадь поверхности материала S толщиной t за время η, если с двух
сторон испытуемого образца существует разное давление водяных паров P1 и Р2.
Влагопроницаемость оценивают выражением
mE  Ï   Ð1  Ð2   
S
,
h
где mв - влагопроницаемость, т.е. количество прошедшей через пленку диэлектрика
влаги; П - удельная влагопроницаемость.
Различные диэлектрические материалы меняют влагопроницаемость в широких
пределах. И только для стекол, хорошо обожженой беспористой керамики и металлов
влагопроницаемость практически равна нулю.
1.3.3 Механические свойства диэлектриков. Диэлектрические материалы
характеризуются, в основном, теми же механическими свойствами, что и металлические
материалы. Механическая прочность диэлектрических материалов оценивается пределом
прочности на растяжение ζр, сжатие ζс и изгиб ζи и твердостью Н. В системе СИ эти
величины измеряются в паскалях (Па) (1Па ≈ 10-5Кг/см2). Методы определения этих
характеристик те же, что и у металлов. Однако для металлов эти пределы прочности
имеют примерно один и тот же порядок, т.е. металлы одинаково работают в условиях
растягивающих, сжимающих или изгибающих нагрузок, а для ряда диэлектриков
27
механическая прочность заметно выше при сжатии, чем при растяжении или изгибе.
Например, для кварцевого стекла ζс ≈ 40ζр. Механическая прочность диэлектрических
материалов часто зависит от температуры, уменьшаясь с еѐ увеличением; для
гигроскопичных материалов механическая прочность сильно зависит еще и от влажности.
Существуют ешѐ и особые механические характеристики неметаллических
материалов, нехарактерные для металлов: хладотекучесть и эластичность.
Под хладотекучестью понимают способность неметаллического материала к
значительным, заметным деформациям под действием длительных, но сравнительно
небольших нагрузок. При этом наблюдается пластическое или холодное течение
материала. Например, фторопласт-4 уже при статической нагрузке около 3 МПа и
нормальных условиях подвергается заметному пластическому течению.
Эластичность - способность материала некоторых диэлектриков давать заметные
упругие обратимые деформации без разрушения при небольших расстягивающих
усилиях. Например, некоторые мягкие резины упруго деформируются на 300...500%, т.е. в
3-5 раз удлиняются без пластической деформации. Эластичность особенно важна для
материалов, используемых в качестве изоляции гибких узлов и деталей (кабелей, шлангов,
проводов).
Важной характеристикой для жидких и полужидких диэлектриков является их
вязкость. Различают динамическую и кинематическую вязкости, которые связаны между
собой отношением
 êèí 
 äèí
d
,
где d - плотность материала.
Соотношения между единицами измерения кинематической вязкости в системах
СГС (стокс) и СИ (
) следующие: 1 стокс = 10-4м2/с.
Вязкость жидкостей, не меняющих химический состав и структуру с изменением
температуры, экспоненциально падает с ростом температуры по уравнению
 äèí  A  e
  


 k T 
,
где А - константа для данной жидкости; ω- энергия активации; k- постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура.
Изменение вязкости жидких диэлектриков сильно сказывается на электрических
свойствах (ε и tg δ), особенно у полярных жидких диэлектриков.
1.3.4 Химические свойства диэлектриков. При выборе диэлектрических материалов
для узлов и деталей аппаратуры важно знать, какие из них могут надѐжно работать в
течение длительного времени, какие материалы заметно разрушаются с выделением
побочных продуктов, способных вызвать коррозию соприкасающихся с диэлектриком
металлов. Кроме того, химические свойства диэлектриков необходимо учитывать при
разработке технологических процессов изготовления из них узлов и деталей.
Химические свойства диэлектрических материалов оценивают растворимостью,
окисляемостью, склеиваемостью и т.д.
Под растворимостью диэлектриков понимают количество материала, переходящего
в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающегося с
растворителем. Из опыта известно, что наибольшей растворимостью обладают вещества,
28
сходные по химической природе: дипольные, полярные вещества заметно растворяются в
полярных растворителях, неполярные вещества – в неполярных растворителях.
С ростом температуры растворимость обычно увеличивается и уменьшается с
повышением степени полимеризации органических диэлектриков.
Для работы изделий в условиях повышенной температуры и высокой влажности
важна устойчивость материала к образованию плесени, возможность его химической
защиты без заметного ухудшения основных свойств от гнилостных бактерий, насекомых.
Наиболее склонны к образованию плесени в таких условиях целлюлозные
материалы, в том числе и пропитанные (гетинакс, текстолит); наиболее стойки –
неорганические диэлектрики (керамика, стекло, слюда), кремний-органические материалы
и некоторые органические (фторопласт-4, полиэтилен, полистирол, эпоксидные смолы).
1.3.5 Радиационная стойкость диэлектриков. Остановимся ещѐ на одной
характеристике диэлектрических материалов, имеющей большое значение в последнее
десятилетие – радиационной стойкости диэлектриков. Радиационная стойкость
характеризует степень устойчивости материалов к воздействию излучений высокой
энергии, способность сохранять материалом свои электрические, механические,
химические и другие свойства. Степень устойчивости различных материалов к
воздействию различных излучений (жѐсткое и мягкое рентгеновское излучение,
космическое излучение, потоки нейтронов и электронов с высокой энергией)
определяется характером химической связи данного вещества. По возрастанию степени
устойчивости материалов к воздействию излучения их можно расположить следующим
образом: материалы с Ван-дер-ваальсовой (молекулярной) связью, ковалентной, ионной и,
наконец, металлической связью.
Из всех диэлектрических материалов диэлектрики с преобладанием доли ионности
являются наиболее стойкими к излучениям, т.е. все неорганические материалы.
По степени воздействия излучения на материал можно выделить 2 группы
изменения. Первая группа изменений – это изменения свойств материала, зависящие от
интенсивности излучения и исчезающие при прекращении действия излучения на
материал. Вторая группа изменений – изменения, не исчезающие после прекращения
воздействия излучения на материал, обычно примерно пропорциональные дозе излучения.
Под действием облучения в материале растѐт число свободных носителей, происходит
процесс ионизации, повышается электропроводность, падает сопротивление, растѐт tg δ,
разрушаются старые связи и образуются новые, появляются различного типа дефекты
структуры, т.е. весьма заметно меняются его электрические, механические и другие
свойства.
1.3.6 Старение диэлектриков. Важным фактором, определяющим срок службы
диэлектрического материала и надѐжность работы всего устройства, использующего этот
материал, является процесс старения диэлектрика.
Под старением понимают процесс изменения строения или электронной структуры
как органических, так и неорганических диэлектриков во времени под действием внешних
условий. В результате старения ухудшаются основные свойства материала вплоть до
выхода изоляции или диэлектрической детали из строя [6].
Наиболее заметные изменения структуры диэлектрика вызывает электрическое
старение – как результат длительного воздействия на материал электрического поля
(часто при повышенной температуре), завершающегося пробоем диэлектрика.
Электрическое старение характеризует временем жизни ηж, то есть временем от момента
подачи напряжения на электроды образца до пробоя.
Причиной электрического старения органических диэлектриков считают частичные
разряды, возникающие в воздушных прослойках изоляции: либо между металлическими
электродами и диэлектриком, либо между слоями диэлектрика, либо во внутренних
сквозных или закрытых порах. Выделяют два механизма изменения структуры и
разрушения органических материалов:
29
- термоокислительная деструкция – окисление материала и даже его частичное
термическое испарение, вызванное электронной или ионной бомбардировкой;
- радиационная деструкция – необратимое локальное изменение структуры
полимеров в результате взаимодействия с нестабильными продуктами газового разряда
вблизи зоны разряда.
Электрическое старение неорганических диэлектриков является результатом
процессов, изменений, происходящих в самом веществе. Под действием электрического
поля в течение длительного периода времени в кристаллической решѐтке неорганических
диэлектриков появляются и накапливаются дефекты, способные влиять на характер
проводимости. В основном, это дефекты типа анионной вакансии с локализованным
вблизи неѐ электроном. Под действием электрического поля дефекты ионизируются, что
объясняет рост тока, протекающего через кристалл, при электрическом старении.
Старение диэлектриков, происходящее без приложения электрического поля,
называется естественным старением. Скорость разрушения материала диэлектрика в этом
случае ниже, чем при электрическом старении.
Процесс естественного старения диэлектриков ускоряется при воздействии на них
светового и особенно ультрафиолетового потоков излучений. При этом в некоторых
диэлектриках возникают изменения в характере проводимости (фотопроводимость),
различные химические изменения структуры диэлектриков, потеря механической
прочности, эластичности и т.д. Старение диэлектриков в таких условиях характеризуют
светостойкостью – способностью диэлектрических материалов сохранять свои
эксплуатационные характеристики под действием светового облучения.
2. Химический состав, строение, свойства и область применения пассивных и
активных диэлектриков
2.1 Пассивные диэлектрики
2.1.1 Полимеры
Полимерами называются высокомолекулярные соединения, молекулы которых
состоят из большого числа повторяющихся мономерных (элементарных) звеньев.
Вещество принято считать полимером, если его молекулярная масса (М) превышает 5000.
Молекулы полимеров называют макромолекулами. Молекулярная масса в значительной
степени определяет свойства полимера. Значение молекулярной массы полимера зависит
от условий его получения и эксплуатации (температуры, давления, излучений и т.д.).
Особенностью макромолекулы полимера является цепное строение, при котором ее длина
на несколько порядков превышает поперечные размеры.
Исходными веществами для синтеза полимеров служат низкомолекулярные
вещества – мономеры. Схема получения полимера из мономера имеет вид
nA    A   n ,
где А - молекула мономера; А – элементарное звено макромолекулы полимера; n –
степень полимеризации, то есть число звеньев в макромолекуле.
Если макромолекула образована из молекул мономеров разных видов, например, А и
В, то образующийся полимер называют сополимером, а его получение описывается
реакцией
nA  mB    An Bm 
Формулы мономеров будут приведены ниже для конкретных материалов.
30
По строению макромолекулы делятся на линейные
…-А-А-А-А-А-А-А-…
Разветвленные
А-А-А-А-А-…
А-А-А-…
…А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-…
…А-А-А-А-…
Сетчатые (сшитые)
…-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-…
…-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-…
…-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-…
Макромолекулы линейного и разветвленного строения связаны в материале слабыми
межмолекулярными силами, поэтому такие полимеры эластичны, имеют низкую
твердость и нагревостойкость, при нагревании размягчаются и плавятся, растворяются во
многих растворителях.
В полимерах с пространственной структурой макромолекулы соединены не только
межмолекулярными, но и поперечными ковалентными связями. Наличие сильных
поперечных связей приводит к уменьшению пластичности, повышению прочности,
твердости и нагревостойкости полимеров. Они не растворяются в обычных растворителях,
при нагревании не размягчаются, а разлагаются (обугливаются или сгорают).
По способу синтеза полимеры разделяют на две группы: полимеризационные и
поликонденсационные.
Полимеризационные полимеры получаются в результате реакции последовательного
присоединения мономерных звеньев друг к другу (реакция полимеризации),
протекающего без образования побочных продуктов:
nA    A n
К полимеризационным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен,
полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и другие. Макромолекулы этих
материалов имеют линейную или разветвленную структуру.
Поликонденсационные полимеры получают в результате реакции поликонденсации,
особенностью которой является образование побочных низкомолекулярных соединений:
nA    B n  nC ,
где С - низкомолекулярное соединение (вода, аммиак, углекислый газ и т.д.).
К
поликонденсационным
полимерам
относятся
фенолформальдегидные,
эпоксидные, карбамидные и другие смолы, имеющие пространственную структуру.
Полимеры могут быть кристаллическими и аморфными. В отличии от
кристаллизации низкомолекулярных веществ, когда весь объем оказывается полностью
31
кристаллическим, в полимере после кристаллизации всегда остаются области с аморфной
структурой. Таким образом, кристаллизующиеся полимеры всегда аморфнокристаллические. Название «кристаллический» применительно к полимеру означает, что
содержание кристаллической фазы в нем превышает содержание аморфной фазы.
При кристаллизации полимеров появляется большое количество регулярных
участков цепи, что определяет регулярность взаимного расположения, как отдельных
фрагментов макромолекулы, так и соседних макромолекул.
Макромолекулы в кристаллической области имеют относительно плотную упаковку,
при этом уменьшается их гибкость и усиливается межмолекулярное взаимодействие,
приводящее к повышению плотности, твердости, прочности, химической стойкости и
нагревостойкости материала. Аморфные области имеют лишь ближний порядок, то есть
наличие отдельных фрагментов макромолекул с упорядоченным расположением
элементарных звеньев, а сами молекулы расположены хаотично. В аморфной фазе могут
концентрироваться химические реагенты и протекать химические реакции, в том числе и
приводящие к разрушению материала.
По отношению к нагреванию и действию растворителей полимеры подразделяются
на термопластичные и термореактивные.
К термопластичным полимерам относятся полимеризационные полимеры
аморфного и аморфно-кристаллического строения, имеющие линейные или
разветвленные макромолекулы; они эластичны и растворимы в характерных для них
растворителях. При нагревании такие полимеры переходят из твердого в вязкотекучее
состояние. Этот переход является обратимым и может проходить неоднократно.
Структура и свойства при этом могут меняться также обратимо. В вязкотекучем
состоянии из термопластичных полимеров изготавливают изделия, например, методами
экструкции, литья, штамповки.
Термореактивные полимеры имеют сетчатое (пространственное) строение. К ним
относятся поликонденсационные полимеры, которые, перейдя один раз в твердое
состояние, в дальнейшем, при повышении температуры не переходят в вязкотекучее
состояние, а горят или обугливаются, то есть их структура и свойства меняются
необратимо. Изделия из неотвержденных термореактивных полимеров можно получить
только один раз методом горячего прессования.
Макромолекулы полимера в целом, отдельные их фрагменты и элементарные звенья
находятся в тепловом движении: чем меньше температура, тем меньше их подвижность. В
зависимости от температуры аморфные полимеры могут находится в трех физических
состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Стеклообразное и
высокоэластичное относятся к твердому агрегатному состоянию, а вязкотекучее – к
жидкому. Температурные области существования этих состояний определяют
термомеханическим способом: строят зависимость деформации полимера от температуры
– термомеханическую кривую.
В определенном интервале температур аморфный полимер находится в
стеклообразном состоянии. Средняя температура этого интервала называется
температурой стеклования (Тс). Ниже температуры стеклования перемещение
макромолекулы практически не происходит, при приложении нагрузки незначительно
меняются лишь расстояния между атомами в ней. В стеклообразном состоянии полимер
имеет высокую твердость и хрупкость, деформации незначительны даже при больших
нагрузках.
При температуре выше Тс полимер находится в высокоэластичном состоянии:
отдельные участки макромолекулы приобретают подвижность, а сама цепь – способность
распрямляться под действием внешней нагрузки. Полимер характеризуется высокой
эластичностью, то есть при небольших механических нагрузках возникают значительные
обратимые деформации.
32
При повышении температуры выше температуры текучести (Тт) полимер переходит
в вязкотекучее состояние. При этом происходит разрыв межмолекулярных связей и
движение макромолекул относительно друг друга, приводящее к необратимым
деформациям. Под влиянием различных внешних факторов (температура, электрическое
поле, излучение, механические воздействия и т.д.) может происходить изменение
эксплуатационных свойств полимера – старение. Его причинами являются деструкция и
структурирование
макромолекул
(сшивание).
Различают
термическое,
термоокислительное, фото- и радиационное старение.
При деструкции происходит разрыв главной цепи макромолекулы с образованием
нескольких новых макромолекул с меньшей молекулярной массой, в результате чего
уменьшается прочность, твердость, снижается температура текучести, увеличивается
тангенс угла диэлектрических потерь.
Процесс структурирования представляет собой образование пространственной сетки
из линейных или разветвленных макромолекул. Структурирование приводит к
повышению хрупкости и твердости полимера: он крошится, отслаивается, разрушается.
Исходным материалом для получения синтетических органических полимеров
служат мономеры – продукты переработки нефти, газа, кокса, целлюлозы и другие
вещества, подвергаемые в дальнейшем полимеризации или поликонденсации.
Методами изготовления изделий из полимеров служат экструзия, компрессионное и
литьевое прессование, литье под давлением, пневматическое и вакуумное формование.
Отделку и доводку деталей, нарезание резьбы, сверление отверстий и т.д. выполняют
механической обработкой резанием. Для получения неразъемных соединений используют
сварку и склеивание.
К группе линейных полимеров относятся полярные и неполярные полимеры,
имеющие высокие диэлектрические свойства, мало зависящие от температуры, влажности
и частоты. Последнее позволяет применять их в качестве высокочастотных материалов.
Их молекулы имеют линейное строение, термопластичны, устойчивы к действию
химических реагентов. В таких пластмассах существует лишь электронная поляризация.
Поэтому ε = 2…2,6, а потери только джоулевы, обусловленные электропроводностью tg δ
= 0,0002-0,0006 (при Т= 20°С, f= 1МГц), а сопротивление R = 1014- 1016 Ом·м. [3], [4].
Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена в присутствии
катализаторов. Термопластичный, неполярный аморфно-кристаллический, химически
инертный полимер. В зависимости от величины давления при полимеризации производят
полиэтилены высокого, среднего и низкого давления.
Основные качества полиэтилена: влагостойкость, влагонепроницаемость, стойкость
к воздействию концентрированных кислот (HCl, H2SO4) и щелочей, повышенная
прочность на разрыв, но низкая нагревостойкость (110…125°С).
Для замедления старения полиэтилена его выпускают в стабилизированном виде.
светостабилизатором служит газовая сажа, а термостабилизаторами – амины.
Поливинилхлорид – продукт полимеризации винилхлорида. Преимущественно
амрфный термопластичный полярный полимер с линейным строением макромолекул,
химически стоек, прочен, но малопластичен.
Полистирол продукт полимеризации стирола. Термопластичный аморфный,
неполярный, прозрачный полимер. Он отличается стойкостью к действию кислот (кроме
азотной кислоты) и щелочей, имеет высокие диэлектрические характеристики,
повышенную радиационную и влагостойкость. Его основные недостатки – низкая
нагревостойкость (~80°C) и значительная хрупкость.
Политетрафторэтилен
(фторлон-4,
фторопласт-4)
является
продуктом
полимеризации тетрафторэтилена. Кристаллический неполярный полимер с линейной
структурой макромолекул. Наиболее химически стойкий из всех известных полимеров, не
горит, разлагается с выделением газообразных продуктов при температуре выше 400 °С,
имеет низкий коэффициент трения и очень высокие диэлектрические свойства.
33
Недостатками
фторопласта
являются
его
высокая
стоимость
низкая
теплопроводность, хладотекучесть при незначительных нагрузках.
Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) из-за не симметричного расположения
атомов (хлора) он полярен, поэтому уступает фторопласту-4 в электрических и
химических характеристиках, низкочастотный материал, но дешев, из-за простой
технологии изготовления.
Полиметилметакрилат (органическое стекло) – продукт полимеризации
метилметакрилата легок, прозрачен, химически и дугостоек, легко механически
обрабатывается, склеивается дихлорэтаном.
Полиэтилентерефталат (лавсан) – полярный термопластичный линейный полимер,
продукт поликонденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты. Его строение
. Он механически прочен, нагревостоек (~150°C),
применяется для изготовления волокон, пленок, лаков, используемых при производстве
эмалевых электроизоляционных покрытий. Лавсановые пленки служат диэлектриком в
конденсаторах.
Полиамидные смолы (капрон, найлон и др.) – продукты поликондесации диаминов с
дикарбоновыми кислотами или поликондесации аминокислот. Строение молекул капрона
, а найлона
. Капрон и найлон имеют
высокую химическую стойкость и стойкость к истиранию, достаточную прочность на
разрыв и применяются как конструкционный материал часто в виде синтетических
волокон.
В таблице 2 приведены основные характеристики некоторых высоко- и
низкочастотных полимеров без наполнителей, а в таблице 3 – их применение.
Таблица 2 - Основные характеристики высоко- и низкочастотных полимеров (без
наполнителей)
Полиэтилен
высокого
давления
ПЭВД
Полиэтилен
низкого
давления
ПЭВН
Полистирол
ПСМД,
ПСМ
Фторопласт 4
0,90,939
Рабочая
температура,
°С
от -70
до +100
0,950,96
от -70
до +100
17-20
1014
1015
2,3-2,4
0,00020,0004
45-50
1,051,08
от -40
до +80
6-8
1016
1015
2,4-2,6
0,00030,0004
20-23
2,2
от -270
до +300
8-20
1017
1015- 1018
1,9-2,1
0,0002
Фторопласт 3
2,12,16
1,181,2
1,4-1,7
от -190
до +130
от -80
до +70
от -60
до +70
6-10
1016
1014
2,3-2,8
0,01
25
При
h=4мм
15-25
9
1014
1013
3,5-4,5
5-8
1013
1012
3-5
0,020,03
0,030,08
Название,
марка
Полиметилметакрилат
ПолихлорВинил ПВХ-С
Плотность,
г/см3
ТКЛР×
×105,
1/град.
ρ s,
Ом
ρ v,
Ом·м
22 -55
1015
34
tgδ при
f=1МГц
Епр,
кВ/мм
1015
ε при
f=1МГ
ц
2,3
0,00020,0003
45-50
при
h=1мм
27
15-20
Винипласт
листовой
Капрон
1,38
1,13
от -60
до +70
от -60
до +70
5-15
1014
14
1014
10121016
1013
3,5-5
3,5-5
0,0150,025
0,0220,025
30-45
24-28
Таблица 3 - Применение высоко- и низкочастотных полимеров
Наименование
Полиэтилен высокого
и низкого давления
ПЭВД и ПЭНД
Полистирол
Область применения
В качестве электроизоляционного материала (трубы, пленки),
конструкционного
материала
(бесшумные
шестерни,
трубопроводы для агрессивных жидкостей и газов).
В качестве электроизоляционного материала для изготовления
электротехнических и приборных деталей
Фторопласт 4
Для изготовления деталей высокочастотной аппаратуры, антикоррозионного и антифрикционного назначения
Фторопласт 3
Для изготовления оснований, панелей, каркасов катушек,
деталей аппаратуры (диафрагмы, прокладки…)
Полиметилметакрилат Для изготовления оптических деталей, футляров, в качестве
листового материала для герметизации приборов и аппаратов
Поливинилхлорид
В качестве изоляции монтажных проводов и сетевых кабелей
невысокого напряжения
Винипласт листовой
Как конструкционный материал для деталей при Траб.= 0-60° С
Капрон
Как
конструкционный
и
антифрикционный
материал
(подшипники, шестерни, каркасы…)
2.1.2 Эластомеры
К эластомерам относятся материалы полимерного происхождения, обладающие
эластичностью, т.е. способные к большим (до 1000 % и более) обратимым деформациям.
Высокая эластичность объясняется свернутым строением макромолекул, которые при
растяжении распрямляются, а при снятии нагрузки вновь сворачиваются.
Это материал на основе каучуков. Чистые каучуки обладают хорошими
диэлектрическими свойствами, но из-за низкой нагревостойкости (ниже 50°C),
самостоятельно в качестве изоляционных материалов не применяются. Недостатки
каучуков устраняются в резинах, представляющих собой смесь многих компонентов, один
из которых (вулканизатор) обычно представляет собой чистую серу. Смесь, содержащая
кроме каучука и серы еще наполнитель, красители, ускорители, стабилизаторы и т.д.,
нагреваются до температуры вулканизации. В результате нагревания разрываются
двойные связи в молекуле каучука, и молекулы образуют пространственную структуру
при помощи атомов серы.
Изменение в строении приводит к резкому изменению всех электрических и физикомеханических свойств.
Различают мягкие резины, содержание 1…3% серы, и твердые (эбонит), содержащие
30…35% серы. При содержании серы более 15% материал становится настолько жестким,
что поворот полярных радикалов молекул затруднен, поэтому ε и tg δ уменьшаются
(рисунок 21) [1].
Резиновую изоляцию нельзя накладывать непосредственно на медную жилу
провода, так как остающаяся после вулканизации в резине свободная сера
взаимодействует с медным проводом с образованием CuS. Необходим разделительный
слой (олово, бумага). Непосредственно на медную жилу провода модно накладывать
тиурамовую резину, в которой нет свободной серы.
35
Резины с наполнителем в виде сажи имеют плохие диэлектрические свойства и
применяются для защиты электрических проводов и кабелей от влаги (шланговые
резины). Для изготовления резин используются натуральные (НК) и синтетические (СК)
каучуки.
НК
получают
из
млечного
сока
тропических
растений
. СК являются продуктами полимеризации различных веществ.
Наиболее распространен бутадиеновый СК, полученный полимеризацией бутадиена
Резины на основе СК обладают лучшими свойствами по сравнению с резинами на
основе НК.
При нагреве до 200…300°C в присутствии катализатора на основе СК можно
получить материал с пространственным расположением молекул и без добавления серы.
Такой материал (эскапон) обладает высокими диэлектрическими свойствами и
применяется при повышенных частотах, что обусловлено неполярностью его молекул.
Кривые ε и tg δ в зависимости от содержания серы показаны на рисунке 2.1
tg δ
0,08
ε
0,04
0
10
20
30
S, %
Рисунок 21 – Зависимость ε и tg δ вулканизированного каучука от содержания серы
.
Свойства некоторых эластомеров приведены в таблице 4 [1], [5].
Все резины, предназначенные для изготовления резиновых технических изделий,
подразделяются по электрическим характеристикам (ρv, tg δ, ε, Eпр) на классы. Градация
показателей электрических свойств и условные обозначения приведены в таблице 5.
Таблица 4 – Свойства некоторых эластомеров
Название
материала
Плотность
г/см3
ζр ,
МН/
м2
Теплостой
-кость по
ε
Мартенсу,
°С
50
3,5
Бутадиеновый
каучук СКБ
Бутадиенстирольный
каучук СКС
Эбонит
марок А, Б
-
15-16
-
20-30
50
3,0
1,25
30-50
50-60
3,5
36
tgδ
при
50 Гц
Епр,
кВ/мм
0,007
-
-
0,001
-
1010-1012
0,01
15-20
ρv,
Ом·
м
-
Применение
В виде резино-технических
изделий
В виде резино-технических
изделий
А- для высоковольтной элек-
Эскапон
1,0
45-60
130-150
2,8
1011-1013
0,0005
30-50
троизоляции;
Б- для электроизоляции
ВЧ электроизоляции
Таблица 5
Условное
ρv,
обозначение Ом·см
Б1
Б2
Б3
<103
Проводящие
резины
103-107
Антистатические
резины
107
Изоляционные
резины
Условное
обозначение
tg δ
Условное
обозначение
ε
Условное
обозначение
Eпр,
кВ/мм
Г1
>0,1
Р1
20
Э1
<5
Г2
0,09-0,1
Р2
16-20
Э2
6-15
Г3
0,05-0,09
Р3
10-15
Э3
16-30
Г4
0,01-0,04
Р4
5-9
Э4
31-45
Р5
1-4
Э5
>45
Пример условного обозначения резины 253.Т10.К2.Ф4.622 М1Е2, где 253 – код
подкласса Общесоюзного классификатора промышленной и сельскохозяйственной
продукции; Т10 – тип резины (по тепловому старению), резина работоспособна при
100°C; К2 – класс резины (изменение объема при воздействии жидкости марки СКР-3 до
20%).
Основные свойства. Ф4 – морозостойкость по эластичному восстановлению после
сжатия на 20% не менее 0,20 при температуре от -31 до -40°C; 6 – твердость по
твердомеру ИСО (60…70 международных единиц твердости); 22 – минимальный предел
прочности при разрыве 220 кгс/см2.
Дополнительные свойства. М1 – при испытании в жидкости СКР-3 уменьшение
предела прочности и относительного удлинения при разрыве не более, чем на 60% и
изменение твердости в пределах ±15 международных единиц; Е2 – величина
динамического модуля при знакопеременном изгибе до 20 кгс/см2.
2.1.3 Пластики (композиционные материалы)
Пластики – это материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся при
изготовлении из них изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при
эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом.
Основным способом получения пластиков является наполнение полимеров с целью
улучшения их эксплуатационных характеристик, придания им специфических свойств или
снижения стоимости. Пластики представляют собой композиционные материалы,
состоящие из связующего (полимерной фазы или матрицы) и наполнителя. Наполнители
дисперсионно распределены в непрерывной полимерной фазе и всегда имеют с ней четко
выраженную границу раздела. Содержание наполнителя в пластиках обычно составляет
около 50 %, но иногда может превышать содержание матрицы более чем в 3 раза.
37
Наполнитель в пластиках может находиться в газовой или конденсированной (чаще всего
в твердой) фазе.
По агрегатному состоянию наполнителя пластики делятся на:
- пластики с газообразным наполнителем (пено- и поропласты);
- пластики с твердым наполнителем.
Пластики подразделяются на термопластичные и термореактивные.
В пенопластах газовые пузырьки изолированы друг от друга пленкой связующего,
что придает этим материалам высокие тепло-, звуко- и электроизоляционные свойства,
плавучесть. Основной операцией при получении этих материалов является вспенивание,
которое может происходить в результате: продувки газа через полимер, находящийся в
вязкотекучем состоянии; разложения газообразователя, предварительно смешанного с
полимером; реакции полимерных компонентов с образованием газа (самовспенивание).
Газом, заполняющим поры, служит воздух, СО2, Н2 и др. Особенностью всех
газонаполненных пластиков является их низкая плотность (0,02-0,8 г/см3). Наиболее
распространены пенополивинилхлорид, пенополистирол, пенофенопласты, пеноэпоксиды,
пеносилоксаны, которые применяют в качестве легких конструкционных,
амортизационных, звуко- и теплоизоляционных материалов, компаундов и герметиков,
антенных обтекателей и т.д.
У пластиков с твердым наполнителем свойства определяются степенью наполнения,
типом, размером, формой и взаимным расположением частиц наполнителя и связующего
на границе их радела. Они подразделяются на:
- пластики с порошковым наполнителем;
- пластики с волокнистым наполнителем;
- пластики с листовым наполнителем.
Пластики с порошковым наполнителем, если он равномерно распределен в
материале матрицы, характеризуется изотропией свойств. Мелкие частицы наполнителя
повышают модуль упругости, твердость и прочность материала, придают ему и другие
эксплуатационные
свойства
(теплоизоляционные
или
теплопроводящие,
электроизоляционные и др.).
Волокнистые наполнители позволяют повысить механическую прочность, износо-,
нагрево- и химическую стойкость пластиков. Если волокнистый наполнитель расположен
хаотично в матрице, то материал изотропен.
Пластики с листовым наполнителем изготавливаются на основе только
термореактивных связующих. В качестве наполнителей применяют бумагу, ткани, сетки,
пленки и другие материалы, имеющие пористую или волокнистую структуру, которые
пропитывают раствором или расплавом связующего, после чего прессуют.
Пластики, изделия из которых получают методом горячего прессования или литья
под давлением обязательно содержат связующее, наполнитель, а иногда еще красители,
пластификаторы, стабилизаторы и др. вещества. В качестве связующего применяются
искусственные и природные смолы: фенол-, крезол-, анилин-, карбамид-, меламинформальдегидные, фурфольные, кремнийорганические и др.[7]
Феноло-формальдегидная смола может быть термопластичной (новолак) и
термоактивной (бакелит). Новолак получают при реакции поликонденсации фенола
(C6H6OH) и формальдегида (CH2O) в присутствии HCl, при этом формальдегид берется в
меньшем количестве, чем фенол. Бакелит получается при варке равных количеств фенола
и формальдегида в присутствии аммиака.
Феноло-формальдегидные смолы полярны из-за наличия в них гидроксильной
группы OH, поэтому электроизоляционные свойства пластмасс на их основе
(фенопластов) невысоки. Анилин-формальдегидные смолы имеют менее выраженные
полярные свойства (группа OH заменяется в них группой NH2), и пластмассы на их основе
(аминопласты)
обладают
лучшими
диэлектрическими
свойствами.
Крезолформальдегидные смолы также менее полярны, чем фенольные. Карбамид- и меламид38
формальдегидные смолы обладают высокой стойкостью к электрическим разрядам.
Фурфольные смолы отличаются повышенной нагревостойкостью (до 200°C) и
механической прочностью. Еще большей нагревостойкостью (до 300°C) характеризуются
кремнийорганические смолы.
Свойства некоторых композиционных пластмасс приведены в таблицах 6 и 7.
39
Таблица 6 – Свойства композиционных пластмасс
Марка
Группа
Основной
наполнитель
Плотность, ζизг.,
г/см3
МПа
Теплоρv,
стойкость, Ом·м
°С
Епр,
МВ/м
Применение
13,0
Общего назначения
Пресс - порошки
03-010-02 Новолачная с повышенными
механическими и
электрическими показателями
09-200-07 Новолачная, но со средними
значениями показателей
Э6-014-30 Высокочастотная с высокими
показателями электрической
прочности и теплостойкости
VI-301-07 Резольная с электрическими
показателями
Ж5-010-78 Новолачная с повышенными
механическими и
электрическими показателями
109
органический
1,40
органический
1,40
58,8
130
109
13,0
Общего назначения
минеральный
1,85
93,1
250
1011
18,0
Электроизоляционные
органический
1,45
78,4
160
107
5,0
органический,
минеральный
1,70
58,8
150
109
13,0
Конструкционные,
ударопрочные
Жаростойкие детали
69,0
130
Пластмассы с волокнитыми наполнителями
АГ-4
Марка В
Фенол-формальдегидная
К 41-5
Кремнийорганическая
КМК 218
Кремнийорганическая
неорганический (стекловолокно,
стеклонити
минеральный
асбест
1,7 – 1,9
147
280
1010
13,0
1,9
63,7
300
1011
4,0
минеральный
молотый
кварц и асбест
1,8 – 2,0
29,4
300
1011
5,0
40
Детали конструкционного, электроизоляционного назначения
при Траб -196 - +200°С
Детали и изделия при
Траб<300 °С и в
условиях тропиков
Детали с высокой
дугостойкостью
Таблица 7 – Свойства слоистых пластиков
Наименование
Гетинакс
электротехнический листовой
марки УI
Гетинакс
фольгированный
ГФ-1-135; 2-135
Текстолит
электротехнический листовой
марки B4
Текстолит
конструкционный
марки ПТ, ПТК
Стеклотекстолит
электротехнический СТКМ
Стеклотекстолит
электротехнический СТКМ-С
Стеклотекстолит
фольгированный
СФ-1-35,СФ-2-35
Плот- Траб,
ρv,
ность °C Ом·м
г/cм3
1,3-65
1010
-1,4 +105
ρs,
Ом
tg δ
Епр,
при
ε кВ/мм
f=1МГц
1010- 0,06
6,0 20-26
1011
Применение
При U до 1 кВ в
нормальных
условиях, на
воздухе
Для печатных
плат
1,3-1,4
-
108
-
0,085
6,5
20-26
1,3-1,45
-60
+105
108
1011
0,07
8,0
6-8
Для работы на
воздухе при
f = 106 Гц
1,3-1,4
-60
+105
1081010
1011
-
8,0
2-5
1,6-1,8
-60
+200
1011
-
0,01
7,0
10
1,65-1,85
-60
+200
1011
-
0,01
7,0
12
Для работы на
воздухе.
Антифрикционен
Для электроизоляционных
деталей, работающих при температуре до 200 °С
1,6-1,8
-
108
-
0,01
-
-
Для печатных
плат
2.1.4 Пропиточные материалы, лаки и компаунды
Материалы этой группы, как правило, во время технологического процесса
изготовления изделия находятся в жидком состоянии и переходят в твердое состояние
после его завершения. Применяются для пропитки пористой (волокнистой) изоляции с
целью улучшения ее диэлектрических свойств, улучшения свойств охлаждения, защиты
устройства от механических воздействий (вибрации, тряски) и предохранения от действия
влаги и воздуха. Пропиточные материалы подразделяются на нетвердеющие и
твердеющие.
Нетвердеющие пропиточные материалы остаются жидкими в течение всего срока
эксплуатации. К ним относятся нефтяные масла и синтетические жидкие диэлектрики.
Нефтяные масла представляют собой смесь предельных и непредельных углеводородов с
неполярными молекулами, поэтому их диэлектрические свойства весьма высоки. Но они
увлажняются на воздухе и с течением времени окисляются (стареют), что ухудшает их
характеристики. Применяются трансформаторные, конденсаторные и кабельные масла
(таблица 8).
Синтетические жидкие диэлектрики [7] представляют собой жидкости на основе
полиорганосилоксановых соединений (ПМС-10, ПМС-20, 132-12Д и др.) или на основе
хлорированных углеводородов (совтол-10, гексол). Жидкие полиорганосилоксановые
вещества являются полимерными соединениями, содержащими силоксанную группировку
атомов
, где атомы кремния связаны с органическими радикалами.
Такие жидкости по своим диэлектрическим свойствам превосходят нефтяные масла, не
окисляются на воздухе, меньше меняют вязкость при изменении температуры.
41
Таблица 8 - Свойства масел и синтетических жидкостей
Вязкость Температура tg δ
Епр,
Название
при
°С
при
кВ/мм
20°С× вспы- засты- f=50Гц
×10-6, шки вания
м2/с
Нефтяные масла
Трансфор30
135
-46
0,025
маторное
масло ТК
Трансфор135
-55
0,005
маторное
масло Т-750
Конденсатор37-45 135
-45
0,002 20-25
ное масло из
малосернистой
нефти
Конденсатор150
-45
20-25
ное масло из
сернистой
нефти
Кабельное
37-40 135
-45
180
масло МН-4
Кабельное
масло С-220
800
180
Плотε
ность
при
при
50 Гц 20°С,
г/см3
-
Примечание
0,9
-
0,9
2,1-2,3
-
2,1-2,3
0,865
-
-
-30
0,002
210
-
-
Синтетические жидкости
ПМС-10
9,2-9,8 172
-65
3·10-4
18
2,3
0,98
ПМС-20
18-22
200
-60
3·10-5
18
2,3
0,96
Совтол-10
655
-
-7
-
200
-
-
Тексол
3,9
-
ниже
-60
-
240
-
-
Для заливки
трансформаторов
Для пропитки
диэлектриков в
конденсаторах
Для использования в кабелях
на 220 кВ
Для использования в кабелях
на 110 кВ
Теплоносители,
демпфирующие жидкости
Демпфирующая,амортизационная разделительная жидкость
Электроизоляционная с высокой
стойкостью к
воспламенению
Хлорированные
углеводороды
получают
в
результате
взаимодействия
соответствующих углеводородов с хлором. Их отличительной особенностью является
высокая стойкость к воспламенению. Это полярные жидкости, поэтому они легко
увлажняются и загрязняются на открытом воздухе, что затрудняет их использование.
Твердеющие пропиточные материалы включают в себя различного рода смолы,
воскообразные материалы и битумы.
Смолы подразделяются на природные (шеллак, канифоль) и синтетические
(фенолформальдегидные, алкидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические и
42
др.). Канифоль получают из смолы хвойных деревьев после отгонки скипидара. Она
представляет собой хрупкую стекловидную массу с температурой размягчения около
70 °С. Воскообразные материалы (парафины, вазелин, церезин) – это смеси предельных
углеводородов (CnH2n+2), неполярные диэлектрики с высокими диэлектрическими
свойствами, кристаллическим строением и низкой гигроскопичностью. Парафин и
вазелин получают при переработке нефти, а церезин – при переработке и очистке
ископаемого вещества (озокерита).
Битумы – группа аморфных термопластичных слабополярных веществ,
представляющих сложные смеси углеводороды и их производных, часто содержащих серу
и кислород. Они мало- гигроскопичны, при низких температурах хрупки. Битумы бывают
искусственные, получаемые в результате переработки нефти и естественные (асфальты).
Асфальтовые битумы содержат меньше масел, отличаются большей твердостью и более
высокой температурой размягчения (около 220°C). Их диэлектрические свойства выше
(ε=2,5…3, tgδ=0,01, Епр=10…25 МВ/м, ρv=1013…1014 Ом·м). Битумы широко применяют
для изготовления лаков и компаундов.
Компаунды – это сложные смеси диэлектрических веществ (без растворителя),
размягчающиеся до жидкого состояния при применении и затвердевающие в конечном
состоянии. Компаунды делят на пропиточные и заливочные. Пропиточные компаунды
применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов. Заливочные
компаунды предназначаются для заливки различных электрических и радиотехнических
устройств. Обычно, в состав компаунда входят смолы, битумы, воскообразные вещества,
наполнители (тальк, асбест), отвердители, пластификаторы и другие составляющие.
При этом компаунды должны удовлетворять следующим требованиям:
- не содержать летучих компонентов;
- иметь минимальную усадку при отверждении и низкую вязкость, обеспечивающую
хорошее заполнение пор и зазоров, т.е. их пропиточные и заливочные свойства;
- после отверждения иметь высокие электроизоляционные и механические свойства
(в том числе при повышенных температурах), высокую нагрево- и влагостойкость.
Лаки – каллоидные растворы различных пленкообразующих веществ (смол,
высыхающих масел, битумов и др.) в летучих растворителях. При сушке растворитель
испаряется, а лаковая основа образует твердую лаковую пленку. По назначению лаки
делят на три основных вида: пропиточные, покровные и клеящие.
Пропиточные лаки предназначены для пропитки изоляции обмоток электрических
машин и аппаратов. Они повышают электрическую и механическую прочность изоляции,
увеличивают влагостойкость.
Покровные лаки предназначены для образования защитного лакового покрытия на
пропитанных обмотках, предохраняют изоляцию от механических повреждений,
загрязнений, повышают влагостойкость, а некоторые маслостойкость изоляции.
Пигментированные покровные лаки называются эмалями. Пигментами обычно
являются мелкодисперсные порошки окислов металлов. Они определяют цвет эмали,
повышают твердость лаковой пленки.
Клеящие лаки применяются для склеивания различных материалов между собой.
Они должны обладать хорошей адгезией и длительное время сохранять эластичность
лаковой пленки.
По режиму сушки лаки делятся на лаки печной сушки (выше 100°C) и лаки
воздушной сушки (20…25°C). По химическому составу лаковой основы их можно
подразделить на лаки масляные, масляно-битумные, масляно-канифольные, смоляные,
кремнийорганические и т.д.
Марки и свойства некоторых пропиточных материалов, лаков, компаундов и эмалей
приведены в таблице 9 [7].
43
Таблица 9 - Основные характеристики пропиточных материалов, компаундов, лаков и
эмалей
Марка
материала
Плотность,
г/см3
Пропиточные
Вазелин
0,8-0,9
Траб,
°С
ρv,
Ом·м
ε,
при
f=1МГц
tg δ,
при
f=1МГц
Епр,
МВ/м
Примечание
-
10131014
10131015
10121013
2,2
0,0002
20-25
2,2
0,0002
15-20
В производстве
смол, лаков,
компаундов
3,5
0,01
10-15
Компаунды
3,5-4
0,010,04
3
0,02
18-28
Церезин
0,9-0,95
-
Канифоль
1,05-1,1
-
МБК
Марок 1,2,3
Виксинит
К-18
-
ЭПСК
-
-
ГФ-95
-
ПЭ-933
-
МЛ-92
-
ЭП-51
-
ГФ-92ГС
-
ГФ-92ХС
-
12
-60
+100
-60
+250
10 1013
1011
-60
+130
1012
11
-60
+150
-40
+135
-40
+130
2·10
-60
+120
-60
+100
-60
+100
6·1010
3
Лаки
3,4
15
0,01
16
0,01
70
2·1013
-
0,005
100
3·1011
3,6
0,01
60
0,03
60
Эмали
3,7
1011
3,3
0,02
30
1011
3,9
0,04
30
Для пропитки изделий
Для герметизации
электро- и радиоизделий
Для пропитки обмоток эл.машин
То же, но работающих в масле
То же, с нагревоcтойкостью кл. F
То же, с классом
изоляции А и Е
Защита от коррозии и влаги
Защита от масел и
электрич. дуги
Как эмаль для
неподвижных
обмоток
2.1.5 Волокнистые материалы
Непропитанные волокнистые материалы могут быть органического и
неорганического происхождения.
Органические материалы изготавливаются из растительных волокон (бумага, картон,
хлопчатобумажная пряжа и ткани), животных (натуральный шелк) и искусственных
(ацетатный шелк, вискоза, найлон, капрон и др.).
Неорганические материалы изготавливаются из стеклянных и асбестовых волокон
[1], [7].
Основой растительного волокна служат молекулы целлюлозы или клетчатки
(C6H12O5)2000. Наличие гидроксильных групп OH обусловливает сильные полярные
свойства целлюлозы и ее высокую гигроскопичность.
Материалы на основе неорганических волокон отличаются большей
нагревостойкостью в сравнении с материалами на основе органических волокон.
Бумаги. Выпускаются конденсаторная, кабельная, телефонная, пропиточная
асбестовая и другие бумаги, а также электроизоляционный картон и фибра.
44
Конденсаторная бумага. Эта самая тонкая бумага (толщина от 4 до 30 мкм).
Выпускается трех видов: обычная (КОН), улучшенного качества (СКОН) и с малыми
диэлектрическими потерями (МКОН). Марки (08, 1, 2, 3) определяются по плотности,
которая может быть 0,8; 1,0; 1,2 и 1,3 г/см3 соответственно. Тангенс угла диэлектрических
потерь для бумаг МКОН-0,12…0,32. Применяется конденсаторная бумага в качестве
диэлектрика в бумажных и металлобумажных конденсаторах.
Кабельная бумага выпускается по нескольким стандартам. Так, бумага для изоляции
кабелей на напряжения до 35кВ выпускается семи марок (К-080, К-120, К-170, КМП-120,
КМП-170, КМ-120 т КМ-170). Цифры обозначают толщину бумаги в мкм. Бумаги КМП и
КМ характеризуются большей механической прочностью.
Бумага электроизоляционная пропиточная марок ЭИП-50, ЭИП-66А и др.
применяется для изготовления гетинакса. Листы бумаги пропитываются фенолформальдегидной смолой и прессуются при температуре ~100°C.
Электроизоляционный картон выпускается в двух вариантах. Первый предназначен
для работы в воздушной среде, выпускается пяти марок толщины от 0,1 до 3,0 мм. Второй
может работать в трансформаторном масле при температуре до 105°C. Выпускается пяти
марок толщиной от 0,5 до 6,0 мм.
Фибра листовая представляет собой бумагу, обработанную водным раствором
хлористого цинка. Выпускается двух марок: ФЭ – фибра электротехническая для
изготовления электроизолирующих деталей и ФТ – фибра техническая для изготовления
конструкционных деталей.
Нити. Выпускаются хлопчатобумажные, шелковые, капроновые, стеклянные нити.
Они применяются для изготовления соответствующей пряжи и тканей, а также для
оплетки шлангов, рукавов, электропроводов и др. целей.
Пряжа. Изготавливается из различных волокон. Пряжи для ткацкого производства
предназначены для изготовления разного рода тканей. Пряжа кабельная применяется в
качестве элемента защитных покровов электрических кабелей.
Ткани изготавливаются из разных нитей и отличаются способами их переплетения.
Выпускаются хлопчатобумажные, технические «эксцельсиор» из шелка-сырца и капрона,
стеклянные и асбестовые ткани. Применяются в производстве лакотканей, слоистых
пластиков (текстолит и стеклотекстолит) и в качестве самостоятельной изоляции.
Ленты представляют собой узкие (шириной 10…70 мм) полоски ткани,
вырабатываемые из природных, искусственных и синтетических волокон. Применяются в
качестве самостоятельной изоляции в электрических машинах и аппаратах.
Общим недостатком всех волокнистых материалов является их высокая пористость
(у хлопчатобумажных тканей до 40…50%). Поэтому свойства (в частности, электрическая
прочность) непропитанных волокнистых материалов определяются свойствами воздуха,
заполняющего эти поры.
Волокнистые пропитанные материалы
К этой группе относятся пропитанные бумаги, ткани, ленты, и трубки. Пропитка
повышает свойства основы, вытесняя воздух и тем самым увеличивая электрическую
прочность и другие характеристики изоляции.
Пропитанные бумаги. Выпускается бумага бакелизированная и лакобумага
электроизоляционная. Последняя изготавливается из целлюлозных бумаг, пропитанных
масляным лаком. Применяется в качества маслостойкой изоляции в катушках.
Лакобумаги марки БКЛ имеют толщину 0,04 и 0,05 мм, а марки БХЛ – 0,05 и 0,06 мм.
Среднее пробивное напряжение лакобумаг – 2,5…3,5кВ.
Пропитанные ткани. Хлопчатобумажные, шелковые, капроновые ткани
пропитывают масяными или маслянобитумными лаками (лакоткани). При пропитке
стеклоткани получается стеклолакоткани. Это очень распространенный изоляционный
материал для межслойной и наружной изоляции катушек индуктивности,
трансформаторов, дросселей, изоляции электрических машин и электроаппаратов. С
45
использованием для пропитки кремнийорганических лаков возрастает нагревостойкость
материала. Некоторые марки лакотканей и их характеристики приведены в таблице 10.
Пропитанные ленты. Лента изоляционная прорезиненная изготавливается из
сурового миткаля, промазанного липкой резиновой смесью с одной или двух сторон.
Применяется для изоляции в машинах малой мощности напряжением до 1000…1400 В, а
также при монтаже осветительной сети. Выпускается пяти марок толщиной 0,3 мм и
шириной от 10 до 50 мм. Выпускаются и другие типы лент.
Таблица 10 - Марки и характеристики лакотканей и стеклотканей
Марка
ГОСТ
ЛХМ-105
ЛШМ-105
2214-78
ЛКМС-105
ЛСМ-105/120
ЛСК-155/180
ЛСП-130/155
10156-78
Номинальная
толщина, мм
Пробивное
напряжение
среднее, кВ
Характеристика
6,0; 6,5; 7,2; Для работы на воздухе
8,5; 9,5
4,5; 5,6; 7,0; Для работы на воздухе
8,5
6,0; 9,0; 9,3 Для работы на воздухе и в
трансформаторном масле
5,4; 6,0; 6,7; Для работы на воздухе
8,0
1,5; 2,8; 3,6; Для работы в тропических
5,0; 7,5; 9,0 условиях
3,6; 4,8; 6,0; Для работы на воздухе при
7,9; 9,0
повышенной влажности.
Допускается работа в горячем
трансформаторном масле
0,15; 0,17; 0,20;
0,24; 0,30
0,08; 0,10; 0,12;
0,15
0,10; 0,12; 0,15
0,15; 0,17; 0,20;
0,24
0,05; 0,06; 0,08;
0,10; 0,15; 0,20
0,08; 0,10; 0,12;
0,15; 0,17
Пропитанные трубки представляют собой шнуры-чулки из хлопчатобумажных,
стеклянных,
капроновых
нитей,
пропитанных
масляными,
полиэфирным
кремнийорганическим и др. лаками. Применяются для изоляции выводов концов катушек
индуктивностей,
дросселей,
трансформаторов,
электровакуумных
ламп
и
полупроводниковых приборов и внутренних соединений в электрических машинах [7],
[9].
Трубки электроизоляционные хлопчатобумажные лакированные выпускаются двух
марок: ТЛВ – для изоляции проводов, работающих на воздухе; ТЛМ – для изоляции
проводов, работающих в трансформаторном масле. Сопротивление изоляции трубок не
менее 1500 Мом. Пробивное напряжение на частоте 50 Гц не менее 5 кВ. Внутренний
диаметр таких трубок от 0,5 до 10 мм.
2.1.6 Слюда и материалы на ее основе
Слюда – пассивный монокристаллический диэлектрик, минерал ионного строения с
плотной упаковкой. Это обуславливает высокую электрическую прочность, высокое
удельное сопротивление и хорошие физико-механические свойства (нагревостойкость,
влагостойкость, механическая прочность, малая гигроскопичность). Применяется в
качестве ответственной изоляции и как диэлектрик в эталонных конденсаторах [7], [9].
По химическому составу слюда представляет собой водные алюмосиликаты.
Применяются два вида слюд: мусковит и флогопит. Мусковит K2O·3Al2O3·6SiO2·6H2Oбесцветен. Флогопит K2O·6MgO·Al2O3·6SiO2·H2O обычно окрашен в темные тона –
янтарный, коричневый, черный. Мусковиты обладают высокими электрическими,
механическими свойствами, но уступают флогопитам по нагревостойкости.
46
Добытые из недр земли кристаллы слюды-сырца разбирают, очищают от
посторонних включений и расщепляют на пластины толщиной от 0,01…0,045 мм. По
величине площади листочка щипаная слюда имеет 9 номеров (площадь от 6 до 50 см 2).
Стоимость мусковита 1 сорта (наибольшей площади) составляет ~ 1000 руб.
Разработана синтетическая слюда с высокими диэлектрическими свойствами –
фторфлогопит K·Mg3[Si3·AlO10]·F2, отличающаяся от природного флогопита тем, что в
ней гидроксильный группы замещены ионами фтора. Отсутствие кристаллизационной
воды обеспечивает нагревостойкость до 1100°C.
Отходы слюды, полученные при вырезании пластин, используются для получения
материалов на ее основе. Из листочков щипаной слюды, склееных между собой
различными лаками (глифталевыми, шеллачными, кремнийорганическими, эпоксидными),
изготавливают миканиты. Для увеличения прочности материала на разрыв применяется
волокнистая основа из бумаги или ткани, наклеиваемая с одной или двух сторон. Такие
материалы называются гибкими миканитами.
Коллекторный миканит
применяется в качестве изоляции между медными
пластинами коллекторов электрических машин. Изготавливается из флогопита, который
обладает такой же истираемостью, как и медь. Выпускается 12 марок с толщинами от 0,4
до 1,5 мм.
Прокладочный миканит отличается от коллекторного большим содержанием
связующего (до 25%) и, следовательно, меньшей плотностью. Изготавливают из
флогопита, мусковита или их смеси на тех же связующих. Выпускается пяти марок
толщиной от 0,15 до 5 мм. Применяется для изготовления диэлектрических деталей:
прокладок, шайб.
Формовочный миканит обладает способностью при нагреве приобретать различные
формы. Изготавливается 11 марок из щипаной слюды, склеенной связующими
материалами, взятыми в разных соотношениях. Применяется для изготовления каркасов
катушек коллекторных манжет, фланцев и др.
Гибкий миканит применяется в качестве гибкой изоляции, а также пазовой и
межвитковой изоляции электрических машин. Изготавливается на волокнистой подложке
или обклеивается с обеих сторон микалентной бумагой. Выпускается 18 марок.
Миканит термоупорный прокладочный изготавливается из щипаного флогопита,
соединяемого солями фосфорной кислоты. Имеет нагревостойкость до 500°C.
Выпускается толщиной от 0,5 до 2 мм. Микалента – гибкий при нормальной температуре
рулонный материал с подложкой из бумаги с обеих сторон. Применяется для
ответственной изоляции в крупных электрических машинах.
Из слюдяных отходов, подвергаемых термохимической обработке, изготавливают
слюдиниты и слюдопласты. Слюдопласты обладают более выскоми механическими
свойствами, более высокой
короностойкостью по сравнению со слюдинитами.
Микалекс - твердый материал, изготовленный горячим прессованием смеси
порошкообразного мусковита с легкоплавким стеклом (борно-свинцовым, борнобаритовым). Обладает высокими диэлектрическими свойствами, мало зависящими от
температуры и частоты, хорошими физико-механическими характеристиками.
В таблице 11 сведены основные свойства и области применения слюды и
материалов на ее основе.
2.1.7 Электротехнические стекла
Неорганические стекла представляют собой аморфный термопластичный материал,
основой которого служат стеклообразующие окислы (SiO2, B2O3, P2O5). Наряду с ними, в
состав стекол могут входить окислы щелочных, щелочно-земельных и других металлов.
47
Таблица 11 - Свойства слюды и материалов на ее основе
Материал
Мусковит
Флогопит
СФШ
Траб,
°С
500-600
800-900
Слюда конденсаторная
марки СО
Микалекс
пластинчатый
высокочастотный
Миканит
прокладочный
листовой
ПМГ 0,50
500-600
Миканит
коллекторный
КФА
-
300-350
-
Слюдинит
300
гибкий
Г2СКН 0,20
Стекломика130
нит гибкий
ТФС-Т30-0,30
ε
tg δ×104,
ρv×
при f
при частоте
Епр,
Применение
×10-12, 1МГц
кВ/мм
50
1
1
Ом·м
Гц КГц МГц
1-10 6,0-8,0 150
25
3
Зависит В конденсаторах для
от
деталей электронных
0,1-1,0 5,0-7,0 500 150 15 толщины ламп, для изготовления деталей на
основе слюды
10
6,0
4
3
В качестве диэлектрика в конденсаторах
0,01- 6,0-8,5 30Для изготовления
-1,0
-100
нагревостойких
-100
электроизоляционных радиодеталей
0,1
6,0
- 20 20
21
Для изготовления
плоских электроизоляционных прокладок, круглых и фасонных шайб и др. в
электрических машинах и аппаратах
0,1
19
Для электрической
изоляции между
пластинами коллекторов электромашин
0,1
26
В качестве витковой
и пазовой изоляции
электрических
машин
0,01
16
Основным стеклообразующим окислом в стеклах служит SiO2. Такие системы
называются силикатными. В зависимости от скорости охлаждения расплавленного
SiO2 строение может быть кристаллическим или аморфным. При скоростях
охлаждения меньших 1 град/ч получается кристаллический кварц (пьезокварц), при
больших – 1 град/ч – аморфное кварцевое стекло (плавленый кварц). Чистое кварцевое
стекло обладает высоким комплексом диэлектрических и физико-механических
свойств, но имеет высокую температуру размягчения, вызывающую технологические
трудности при изготовление из него изделий. Температуру размягчения понижают
введением плавней (обычно окислов натрия и калия). Но одновалентные металлы
разрыхляют структуру, что приводит к снижению диэлектрических свойств и
ухудшению стойкости к влаге, увеличивают удельную проводимость тем больше, чем
меньше радиус иона. Введение в состав стекла окислов тяжелых металлов (BaO, TiO2,
PbO) нейтрализует вредное влияние щелочных окислов и значительно снижает
удельную проводимость стекла, обеспечивает высокую плотность и прочность на
разрыв. Окислы Al2O3 и MgO повышают химическую стойкость. Стекла прозрачны
48
для видимого света, а кварцевое стекло – для ультрафиолетового и инфракрасного
света.
Силикатные стекла в зависимости от состава делятся на 3 группы:
- бесщелочные стекла. К этой группе принадлежит чистое кварцевое стекло,
применяемое для ответственной нагревостойкой изоляции.
- щелочные стекла со значительным количеством окислов щелочных металлов.
Сюда относятся обыкновенное оконное стекло (Na2O·CaO·6SiO2), стекла для
изготовления электроламп и электротехнические стекла «пирекс».
- щелочные стекла с высоким содержанием окислов тяжелых металлов: PbO
(хрусталь, флинты, стекло «минос») и BaO (кроны). Их электрические свойства
высоки. Применяются для изготовления конденсаторов, в изоляционных и оптических
целях.
Электровакуумные стекла используются для изготовления баллонов и различных
деталей электровакуумных приборов. Помимо высоких электрических свойств при
высоких температурах они должны иметь ТКЛР, близкий к ТКЛР материала, с
которым надлежит их спаивать.
Конденсаторные стекла применяются как диэлектрики в конденсаторах. Их
отличает высокая электрическая прочность (Епр), малый тангенс угла потерь tg δ.
Установочные стекла используются для изготовления разного рода изоляторов.
Обладают высокими электрическими и механическими свойствами .
Оптические стекла обладают высокой прозрачностью и повышенным
коэффициентом преломления.
Лазерные стекла используются в качестве активных элементов оптических
квантовых генераторов. Чаще всего, в качестве лазерного, применяется бариевое
стекло, активированное различными редкоземельными ионами, например, неодимом
Nd3+. Основные достоинства стекол, используемых в лазерах, по сравнению с
монокристаллическими стеклами, - высокие оптические свойства, однородность,
технологичность. Но срок службы стекла с неодимом меньше, чем, например, рубина.
Стеклоэмали – легкоплавкие стекла, наносимые на поверхность изделий тонким
слоем для создания нагревостойкой изоляции.
Стекла для изготовления волокон. Обычно в качестве них используют щелочные
алюмосиликатные стекла, бесщелочные, а также малощелочные боросиликатные
стекла.
Ситаллы представляют собой поликристаллические материалы, получаемые при
стимулированной (направленной) кристаллизации стекол определенного состава, при
этом специально введенные добавки являются центрами кристаллизации.
Материал обладает однородной мелкокристаллической структурой, что
обуславливает его высокие электрические и механические свойства. Такие стекла
называются ситаллами или термоситаллами. Количество кристаллической фазы лежит
в пределах от 50 до 90%. Состав кристаллической фазы и размер ее частиц зависят от
состава исходного стекла и режима термообработки. Размеры кристаллитов не
превышают 1 мкм.
Направленная кристаллизация может осуществляться двумя способами:
- каталитическая реакция основана на образовании большого количества центров
кристаллизации при введении в состав исходного стекла катализаторов (TiO2, FeS,
Сr2O3, V2O3, фторидов и фосфатов щелочных и щелочно-земельных металлов).
Материалы, получаемые таким образом, называют термоситаллами;
- второй способ направленной кристаллизации обусловлен не только
каталитическими, но и фотохимическими процессами. Он применим к
светочувствительным стеклам. До термообработки их подвергают ультрафиолетовому
облучению. Центрами кристаллизации служат каллоидные частицы металлов (Au, Ag,
49
Pt, Сu), которые под действием облучения выделяются из соответствующих оксидов,
входящих в состав стекла.
Основные свойства и области применения стекол и ситаллов приведены в
таблице 2.11 [1], [6], [8].
2.1.8 Электротехническая керамика
Керамикой называют неорганические материалы, получаемые из минерального
сырья формовкой с последующим обжигом при высокой температуре.
Керамические материалы представляют собой группу поликристаллических
гетерогенных материалов, объединенных общностью технологии получения.
Основными операциями такой технологии являются: мелко-дисперсионное дробление,
формовка и высокотемпературный обжиг (спекание) исходной массы.
Отличительные черты керамики: хорошие диэлектрические свойства при
достаточной механической погрешности, высокая нагревостойкость, отсутствие
гигроскопичности, стойкость к действию излучений высокой энергии, стабильность,
низкая стоимость. Поэтому 80% изоляционных деталей ответственных
радиотехнических установок изготавливают из керамики. Недостатком керамики
является ее высокая хрупкость и абразивность (наличие частиц высокой твердости),
затрудняющие ее обработку режущим инструментом.
Исходными материалами для изготовления керамики служат глина, кварцевый
песок, полевой шпат, окислы различных металлов (Ba, Pb, Zr и т.д.). Исходные
компоненты в размолотом виде смешивают с водой или парафином, а заготовки
формуют и подвергают спеканию при температурах 1300…1600°C. В результате этого
готовая керамика приобретает трехфазную структуру и состоит из кристаллической и
стекловидной фаз и некоторого количества газовых включений:
- кристаллическая фаза (одна или несколько) образуется химическими
соединениями или твердыми растворами на их основе. Ее содержание может
достигать 99%. От ее химического состава, структуры и количества зависят
механическая прочность, диэлектрические характеристики, ТКЕ. По названию
минералов, образующих кристаллическую фазу, часто называется и сама керамика;
- стекловидная фаза (аморфная) присутствует в керамике в виде прослоек стекла
различного состава, расположенных между частицами кристаллической фазы.
Химический состав и количество стеклофазы определяют температуру спекания и
пластичность керамической массы, плотность и другие свойства. Химический состав
определяет также диэлектрические характеристики керамики (наличие щелочных
оксидов увеличивает tg δ и уменьшает ρv). Некоторые виды керамики практически не
содержат стеклофазы;
- газовая фаза представлена порами, образующимися при обжиге сырья. Газовая
фаза в той или иной степени всегда присутствует в керамике. Даже в максимально
плотной керамике объем закрытых пор составляет 1-6 %, а пористой – 15-25 %.
Увеличение содержания газовой фазы приводит к уменьшению механической
прочности, росту tg δ и снижению Епр вследствие ионизации газа. Поры,
сообщающиеся между собой и выходящие на поверхность материала, называются
открытыми, а керамика – пористой. Преимуществом пористой керамики является
возможность ее обработки после обжига с помощью обычного твердосплавного
инструмента[1], [2], [3].
Тип электропроводности керамики зависит от ее состава. Одни виды керамики
имеют ионную электропроводность, другие – электронную или смешанную (ионную и
электронную). Электрическая прочность керамики (Епр) зависит от ее состава и
структуры, температуры и других факторов. Наибольшую Епр имеют плотные мелкокристаллические материалы.
По назначению электротехническую керамику подразделяют на установочную,
конденсаторную и пористую.
50
Установочная керамика, включающая в себя изоляторный фарфор и
радиотехнические керамические материалы для панелей радиоламп, каркасов
катушек, должна обладать минимальным коэффициентом потерь ε·tgδ. Ее
преимуществами перед другими керамическими материалами является возможность
изготовления крупногабаритных изделий сложной конфигурации, недефицитность
сырья и простота технологии, и как следствие – низкая стоимость. Изоляторный
фарфор имеет достаточно высокие электроизоляционные и механические свойства,
практически не подвержен старению, термо-, радиационно- и химически стоек.
Изоляторный
фарфор
содержит
примерно
одинаковое
количество
кристаллической и стекловидной фаз и несколько процентов газовой фазы в виде
закрытых пор, что определяет его низкую влагопроницаемость. Наличие в стеклофазе
щелочных оксидов приводит к высоким диэлектрическим потерям (tg δ ≈ 0,01),
поэтому он не применяется на высоких частотах.
Изоляторный фарфор изготавливается из каолина (Al2O3·2SiO2·2H2O) и других
глин, полевого шпата (K2O·Al2O3·6SiO2), кварца и плавней для глазури.
Лучшими свойствами обладает радиофарфор, изготавливаемый из наиболее
чистых глин, каолина и углекислого бария и вследствие этого содержащий меньше
стекловидной фазы, и ультрафарфор.
Хорошим высокочастотным диэлектриком является стеатит-керамический
материал на основе талька (3MgO·4SiO2·H2O). При введение глин и плавней возникает
система MgO·SiO2. Стеатит имеет малую усадку и хорошо обрабатывается
шлифованием.
Стеатитовую керамику применяют при изготовлении высокочастотных
установочных деталей, высоковольтных, низковольтных и высокочастотных
конденсаторов и изоляторов, в том числе, пористых для вакуумных приборов.
Основу цельзиановой керамики составляет система BaO·Al2O3·2SiO2. Высокие
электрические свойства такой керамики обусловлены преобладанием вначале
электронной, а выше 600°C – ионной проводимости. Еще лучшими диэлектрическими
свойствами и повышенной нагревостойкостью отличается алюмоксид – чистая окись
Al2O3, но технология его изготовления пока дорога. При повышенных температурах
керамика характеризуется низкими значениями tg δ, ТКР и температурного
коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКε); высокими значениями (ρv) и
электрической прочности( Епр). Она технологична, но имеет низкую механическую
прочность. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам и малому значению
ТКР она используется для производства каркасов высокостабильных катушек
индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью.
Берилиевая керамика. Брокерит (содержит более 95% ВеО) относится к
вакуумно-плотным материалам с высокими
диэлектрическими параметрами
(ρv ≈ 1016 Ом·м, tg δ < 0,0003) и механической прочностью, очень высокой
теплопроводностью (на порядок выше, чем у алюмооксидов). Недостатком является
токсичность сырья и отходов, сложность технологии производства и высокая
стоимость. Используются для изготовления подложек интегральных микросхем и в
производстве мощных СВЧ-приборов.
Конденсаторная керамика должна иметь высокие ε и ρ, и низкий tg δ. Она может
быть получена как с линейной, так и с нелинейной поляризацией.
Конденсаторная керамика с линейной поляризацией обладает повышенной ε и
пониженной Епр. Важнейшей составляющей ее является рутил – TiO2. Для
нехарактерны электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионнорелаксационная поляризации.
51
Таблица 12 – Основные свойства стекол и ситаллов
Наименование
материала
Кварцевое
прозрачное
Кварцевое
непрозрачное
Щелочные без
тяжелых окислов
натриевые
Щелочные без
тяжелых окислов
калиевые
Щелочные с высоким содержанием тяжелых
окислов
Термо- с-15-12
ситаллы с-12-14
7-IV-23
Фотоситалл
ФС148-1
Плотность ТКЛР
×10-3,
×106,
кг/м3
1/град
ρv, Ом·м
при
Т=20° С
ρv, Ом·м ε при
tgδ при tgδ при Епр, Тразмяг
при
f=1МГц f=1МГц f=1МГц МВ/м °С
Т=200°С
Т=20° С Т=200°С
2,20
0,55
1014
1012
2,07
0,55
1012
1010
3,7
2,20-2,75
2,6-5,0
1012
106-107
5,7-7,5
2,20-3,0
2,6-9,0
1012
108-1010 7,0-11,0 0,0015-0,003
0,003-0,008
-
-
2,85-4,5
2,1-3,0
1012
1010-1011 3,2-12,8 0,0007- 0,0012-0,0012 -0,002
-
-
2,53
2,46
2,49
2,45
0,12
0,70
0,38
14,8
2,2·1010
4,1·1011
1,3·1010
-
70
27
73
168
980
1140
1320
-
-
3,8
9,7
7,4
5,1
7,0
52
0,0002
0,0003
44
0,0003
0,0003
32
0,0003- 0,01-0,1
-0,0007
0,046
0,0032
0,0008
0,007
-
-
Применение
1620 Газоразрядные лампы
высокого давления
1620 Трубы D=60-200 мм в производстве полупроводниковых
приборов диффузно-планарной технологии
Дляизготовления баллонов
электроламп
Ддя изготовления конденсаторов, в изоляционных и
оптических целях
Для подложек пленочных
схем, каркасов ВЧ катушек
индуктивности, микромодульных галет
В области низких частот и высоких температур преобладает ионно-релаксационная
поляризация с несколькими видами релаксаторов, ε велика, а ТКε > 0. При высоких
частотах и преобладании электронной поляризации, усиленной полем решетки,
ТКε <
0. Потери растут с ростом температуры. Из материалов на основе рутила известны
тиконд-80 (ε ≈ 80) и тиконд-150 (ε ≈ 150). Они обладают большим отрицательным ТКε.
Стронций-висмутовый титанит (SrTiO3·Bi2O3·nTiO2) имеет
ε ≈ 1000. Керамика на основе ZrO2 обладает положительным ТКε. Изменяя составы
исходных компонентов с различными знаками ТКε, получают материал для
термостабильных конденсаторов, например термоконд, содержащий TiO2 и ZrO2. В
процессе обжига образуется титанит цирконий ZrTiO4 с малым ТКε и ε≈ 40.
Конденсаторная керамика с нелинейной поляризацией – это сегнетокерамика.
Основным достоинством сегнетокерамики является высокая ε так как проявляется в ней
спонтанная поляризация.
Важнейший сегнетоэлектрик – BaTiO3. Он имеет поликристаллические строение, а
потому изотропен и проявляет сегнетоэлектрические свойства во всех направлениях,
механически прочен (выдерживает 200 МН/м2), но боится влаги, Θк= 125 °С. Его
диэлектрические потери велики, низка Епр. Кроме BaTiO3 в качестве сегнетоэлектриков
применяются и другие системы, обладающими различными точками Кюри (CdTiO3 – со
структурой перовскита, Θк=200°C; PbNb2O6 при орторомбической структуре, Θк=150°C).
Меняя состав керамики, можно регулировать ε сегнетоэлектриков в широком
интервале. Конденсаторная керамика с нелинейной поляризацией – это сегнетокерамика,
для которой характерна спонтанная поляризация.
Основная область применения сегнетокерамики – диэлектрик в конденсаторах с
большей удельной емкостью. Более подробно в сегнетоэлектрических материалах
изложено в разделе 2 «Активные диэлектрики».
Пористая керамика имеет пониженную ε (близкую к 1) из-за наличия большого
количества газовых включений. Применяется в качетсве межэлектродной изоляции в
электровакуумных лампах, что позволяет значительно уменьшить межэлектродные
емкости в лампах.
Свойства некоторых радиокерамических материалов представлены в табл. 13.
Керамические радиотехнические материалы в зависимости от назначения
подразделяются на 3 типа: А – высокочастотная керамика для конденсаторов; Б –
низкочастотная керамика для конденсаторов; В – высокочастотная керамика для
установочных изделий и других изделий электронной техники. В зависимости же от
области подразделения их подразделяют на классы. Внутри класса деление
осуществляется по следующему принципу:
- в классах материала типа А по значению температурного коэффициента емкости
ТКС и значению ε;
- в классах материалов типа Б по значению относительного измерения
диэлектрической проницаемости ∆εт, под которым понимают изменение ε в интервале
температур от -40 до +85°C по отношению к диэлектрической проницаемости при 20°C;
- в классах материалов типа В по значению ТКЛР и по значению предела прочности
ζизг.
В зависимости от интервала рабочих температур керамические материалы
подразделяют на следующие категории:
1 – от -60°C до +85°C,
3 – от -60°C до +125°C,
2 – от -60°C до +100°C,
4 – от -60°C до +155°C,
5 – от -60°C до +200°C,
6 – от -60°C до +300°C
В таблице 2.13 представлены свойства некоторых керамических материалов и
области их применения.
53
Щелочные стекла со значительным количеством окислов щелочных металлов.
Сюда относятся обыкновенное оконное стекло (Na2O·CaO·6SiO2), стекла для
изготовления электроламп и электротехнические стекла «пирекс».
Щелочные стекла с высоким содержанием окислов тяжелых металлов: PbO
(хрусталь, флинты, стекло «минос») и BaO (кроны). Их электрические свойства
высоки. Применяются для изготовления конденсаторов, в изоляционных и оптических
целях.
Фарфоровые электротехнические материалы для электротехнических изоляторов и
для изделий, работающих при постоянном и переменном токе, при f = 106 Гц
подразделяются на 4 группы. Их свойства и области применения представлены в таблице
16.
Таблица 13 - Свойства радиокерамических материалов в зависимости от состава
Тобжига,
°С
ρv
ε,
tgδ×103
при
при
при
100°С f=1МГц f=1MГц
Ом·м×
×1012
Материал
Плотность
г/см3
Изоляторный
фарфор
Радиофарфор
Ультрафарфор
Цельзиановая
керамика
Стеатиновая
керамика
Алюмоксид
Тикондовая
керамика
(на основе
СаТiО3)
Тикондовая
керамика
(на основе
СаZrО3)
2,3-2,4
1300±20
1-10
2,9-3,0
1300±20
8,0-8,5
1370±20
3,0-3,1
1390±10
2,9-3,0
1355±15
3,85-3,9 1670±30
3,8-3,9
1375±15
3,8-3,85 1350±20
9-12
-
0,01-0,1 4,0-5,0
3-5
5,6
0,1-1,0 8,0-8,5
0,3-0,5
100
5,6
ТКЛР× ТКЕ×
106,
106,
1/град 1/град
при Т
при Т
2020-100°С -100°С
6,5-7,0
0,01-0,1 6,0-7,0
25000
9,8
0,2
80-90
54
200±100 18-20
4,5-5,0 110±20
2,1-2,2
15-20
25-30
65±5
35-45
0,3-0,8
6,0-6,5
110±30
20-30
0,2
5,4-5,5
95±5
35-45
8,0-9,0
-3300
10-12
8,0-9,0
-700
10-12
0,01-1,0 140-160 0,2-0,5
0,001-0,1
-
Епр,
кВ/мм
0,3-0,5
Таблица 14 – Основные свойства и области применения керамических материалов
Т Класс Групи
па
п
1
ε
ТКС
×106,
1/град.
3
а
б
4
1
2
5
230
240
6
-3300
-1500
7
6
6
8
-
9
1
1
10
-
11
5
6
12
59
59
а
б
е
а
ж
л
а
2
1; 4
4
4
4
4
6
240
65
30
30
30
7
9
-750
-750
-150
-75
0
100
100
8
8
6
6
6
12
0,4
12
10
12
12
18
-
1
1
-
1
1
1
-
6
8
8
8
8
8
25
59
78
78
78
78
78
147
VII
а
в
3
3
7,5
7,5
100
100
1
1
15
15
-
10
10
20
20
127
127
VIII
а
г
6
3
10,5
8
120
100
6
20
30
10
10
-
20
20
147
147
IX
а
1
8
150
30
30
10
-
20
137
X
а
б
3
5
7,5
7,5
200
200
5
40
8
-
-
1
18
18
59
98
2
I
А
II
III
Б
В
tgδ×104 tgδ×104 ρ, Гом
ρ, Гом Епр,
ζизг, ТКЛР
при
при
при
при
кВ/мм МПа ×106,
Т=20°С Т=155°С Т=100°С Т=155°С
1/град
Категория
VI
55
13
12
12
Применение
14
Для контурных и разделительных конденсаторов
То же + дя термокомпенсирующих
конденсаторов
12
12
12
12
Для конденсаторов
высокой стабильности
12
12
9,5-11 Для деталей с
Траб до 800° С
5-6
Для малогабаритных
деталей массового
5-6
производства
3-5
Для крупногабаритных
деталей и деталей сло3-4
жной конфигурации
5,5-7 Для антенных изоляторов и деталей
средств связи
3,5-5,5 Для установочных
2,8-4,3 изделий электронной
техники
1
2
IV
3
а
4
3
5
900
6
-
7
20
8
20
9
-
10
0,1
11
5
12
49
13
12
14
Для НЧ конденсаторов
постоянного тока и импульсных однополярных конденсаторов
V
а
ж
3
1
1400
9000
-
250
300
200
-
-
0,1
-
4
3
49
49
12
12
Для НЧ конденсаторов
постоянного тока
Г
Таблица 15 - Основные свойства и применение электротехнических фарфоровых материалов
ρv,
Ом·м
при Т=20°
1012
ρv,
Ом·м
при Т=200°
108
Епр,
кВ/мм
tg δ
при f=1МГц
ε
при f=1МГц
30
0,025
5,0-7,0
II
1013
108
30
0,025
5,0-5,7
III
1013
108
30
0,025
6,0-8,0
IV
1011
107
-
-
-
Группа
фарфора
I
56
Применение
Изоляторы и изделия >1000 В
Изоляторы и изделия <1000 В
2.1.9 Элементоорганические соединения
Элементоорганические соединения занимают промежуточное положение между
материалами органического и неорганические происхождения [1]. Их получают
синтетическим путем. Молекулы их содержат атомы Si, Mg, Ti и др., что приводит к
повышению нагревостойкости органической основы. Обычно основой их служит
силоксановая группа.
Свободные связи заняты органическими радикалами R. Энергия связи между
атомами Si-O в 1,5 раза больше, чем между атомами C-C (89 ккал/моль против 59
ккал/моль), что обеспечивает этой минеральной цепочке стойкость к внешним
воздействиям. Строение элементоорганических соединений может быть как линейным,
так и пространственным, т.е. они могут быть термопластичны, как и термореактивны.
Кремнийорганические соединения наиболее широко распространены среди
элементоорганических. Эти материалы были разработаны советским ученым К.А.
Андриановым.
Основные особенности, обусловленные составом и строением их полимерных
молекул, следующие:
- высокая нагрево- и холодостойкость (от -80 до +250°C);
- стойкость к озону, кислороду, нефти, нейтральность к металлам, влагостойкость,
гидрофобность;
- хорошие диэлектрические свойства в диапазоне температур (несмотря на
полярность кремнийорганики), мало изменяющиеся в широком интервале температур.
Максимум tg δ лежит в области отрицательных температур (рисунок 22);
- низкие механические свойства (из-за слабой связи между молекулами);
- малая зависимость кинематической вязкости от температуры, объясняемая
отсутствием водородных связей между цепями макромолекул (в отличие от полиамидов),
а также свободным вращением органических радикалов вокруг силоксановой цепи. На
рисунке 23 приведены температурные зависимости кинематической вязкости для
трансформаторного масла (1) и кремнийорганической жидкости (2).
tg δ
ε
ε
0,020
2,5
0,010
1,5
tgδ
0
-100
0
+100
Т° С
Рисунок 22 – Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь
для одного из кремнийорганических полимеров
57
ν
мм2/c
1000
1
100
2
10
1
-50
0
50
100
Т, ° С
Рисунок 23 – Зависимость кинематической вязкости от температуры для
трансформаторного масла (1) и кремнийорганической жидкости (2).
Кремнийорганические соединения сочетают в себе свойства органических
(эластичность, гибкость) и неорганических материалов (нагревостойкость). Из них
изготавливают гибкую пластмассовую изоляцию, лаки, компаунды, клеи. Выпускается
более 50 различных марок кремнийорганических масел, каучуков, смол, пластмасс, лаков,
эмалей.
Кремнийорганические масла содержат около 10 атомов Si, молекулы малы,
применяются для гидрофобных консистентных смазок (например, масло смазочное 13208), дающих малый коэффициент трения, для пропитки.
Кремнийорганические каучуки относятся к эластомерам и применяются в качестве
гибкой нагревостойкой (до 200°C) изоляции. Вулканизированные перекисью,
кремнийорганические каучуки с добавкой наполнителей (TiO2, SiO2, ZnO) для придания
механической прочности представляют собой эластичную резину, успешно работающую
от -70 до +200°C с высокими диэлектрическими свойствами
( tg δ = 0,0016-0,0038;
ρv = 1013- 1014 Ом·м; Епр= 25-35 кВ/мм).
В пластмассах в качестве связующего используют кремнийорганическую смолу,
чтобы не снизить нагревостойкость минерального наполнителя (таблица 2.8, 2.9).
К недостаткам кремнийорганических материалов относится высокая температура и
длительность процесса полимеризации, а также высокая стоимость.
Применение изоляции на основе кремнийорганических соединений играет важную
роль в двигателях, трансформаторах и аппаратах, для которых вес, габариты и надежность
имеют первостепенное значение. Это особенно существенно в авиации и ракетостроение.
Эмали, лаки, пластмассы на основе металлосилоксановых полимеров выдерживают
рабочие температуры от -60 до +550°C. Среди лаков широко применяются
полиалюмоорганосилоксановые марок КО-810, КО-816 и термостойкий лак КО-08, а
среди эмалей – термостойкая кремнийорганическая эмаль КО-88 и алюминиевая КО-83.
2.2 Активные диэлектрики
2.2.1 Сегнетоэлектрические материалы
Сегнетоэлектрические материалы представляют собой монокристаллические или
поликристаллические вещества, в которых существует спонтанная (самопроизвольная)
поляризация в отсутствии внешнего электрического поля при температуре ниже точки
Кюри. Для этих материалов характерны доменное строение, очень высокое значение
диэлектрической проницаемости ε, сильная и нелинейная зависимость величины ,
сильная и нелинейная зависимость величины ε от напряженности внешнего
электрического поля Е.
58
Впервые сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у природного
соединения сегнетовой соли NaKC4H4O6·4H2O, поэтому по предложению первых
исследователей сегнетоэлектричества И.В. Курчатова и П.П. Кобеко этот класс веществ
назван сегнетоэлектриками.
Рассмотрим природу спонтанной поляризации на примере титаната бария (BaTiO3).
При температуре выше точки Кюри, титанат бария (рисунок 24, а) имеет кубическую
кристаллическую решетку типа перовскита (перовскит – CaTiO3, природный минерал,
имеющий такую же структуру).
Ион Ti4+ свободно размещается в пределах октаэдра, образуемого его ближайшими
соседями (шестью кислородными ионами O2-).
Ион Ti4+ имеет в этом кислородном октаэдре шесть устойчивых положений и шесть
потенциальных ям вблизи каждого из ионов O2-. При температуре T>Θ энергия теплового
возбуждения иона Ti4+ велика и он свободно перескакивает из одной потенциальной ямы в
другую, его усредненное положение во времени совпадает с центром элементарной
кристаллической ячейки. Структура BaTiO3 симметрична, а электрический диполь
отсутствует.
а)
- ион Ва2+
- ион О2- ион Тi4+
б)
с
с
в
в
а
Кубическая ячейка
а
Тетрагональная ячейка
Рисунок 24 – Схема элементарной кристаллической ячейки титаната бария
При температуре T<Θ энергия теплового возбуждения иона Ti4+ мала, он
локализуется в одной из шести потенциальных ям вблизи какого-то иона O2-. В результате
этой локализации иона Ti4+ нарушается симметрия элементарной кристаллической ячейки
BaTiO3, из кубической (a = в = с, α= β = γ=90°) она превращается в тетрагональную
(а =в≠с; с/а=1,01; α=β=γ=90°). Центры положительно и отрицательно заряженных ионов
не совпадают при T<Θ. Элементарная кристаллическая ячейка самопроизвольно
«искажается», и в ней спонтанно появляется электрический момент m. Такую
элементарную кристаллическую ячейку можно рассматривать как диполь,
существующую в отсутствии внешнего электрического поля Е. При этом вектор
электрического момента диполя определяется выражением m= q·l, (Кл·м), где q – заряд
(Кл), l – линейное смещение зарядов в пространстве (м).
Соседние элементарные ячейки – диполи взаимодействуют друг с другом, это
приводит к тому, что ионы Ti4+ в них смешаются согласованно, в одном направлении.
Образуется микроскопическая область из элементарных ячеек-диполей с
аналогичной поляризацией.
Макрообласть, в которой все векторы электрических моментов, отвечающие за
поляризацию данного объема, расположенны параллельно друг другу, называется
сегнетоэлектрическим доменом. Отдельные домены имеют различные направления
векторов электрических моментов, в целом же в материале, представляющем из себя
совокупность доменов, поляризация практически отсутствует, суммарный момент равен
нулю. Линейные размеры сегнетоэлектрических доменов у BaTiO3 10-3…10-1 мм, а
59
толщина границы доменов составляет одну-две постоянных решетки, т.е. единицы и
десятки ангстрем (десятки и сотни).
Внешнее электрическое поле Е оказывает сильное влияние на доменное строение, а
следовательно, и свойства сегнетоэлектриков.
Основные
диэлектрические
свойства
материала
связаны
следующими
соотношениями
D  0  E  P   0  E ,

D
,
0  E
P    1   0  E ,
2.1
2.2
2.3
где D – электрическое смещение (электрическая индукция), Кл/м2; Е – напряженность
электрического поля в диэлектрике, В/м; Е= Е0-Еʹ (Е0 – приложенное внешнее поле,
Еʹ – поле связанных зарядов в диэлектрике, ослабляющее поле Е0); P – поляризованность,
или суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика, Кл·м/м3 = Кл/м2;
ε0– электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), в системе СИ
ε0= 8,854 Кл/В·м = Ф/м; ε- относительная диэлектрическая проницаемость или просто
диэлектрическая проницаемость материала.
Из уравнения 2.1 видно, что электрическое смещение D – векторная величина,
равная сумме двух слагаемых, отражающих как вклад электрического поля E в
диэлектрике, так и вклад материала, т.е. поляризованности диэлектрика P в величину
смещения D.
У всех сегнетоэлектриков поляризованность P и электрическое смещение D сильно
нелинейно зависят от напряженности электрического поля E. Отсюда вытекает
(уравнение 2.2), что величина ε также сильно и нелинейно зависит от E. При внесение
сегнетоэлектриков в поле E в нем наблюдается рост доменов, благоприятно
ориентированных по отношению к вектору внешнего поля E. При увеличении поля E
общая поляризация единицы объема материала быстро увеличивается до тез пор, пока
векторы электрического момента m в большинстве доменов не примут одинаковое
направление, параллельно вектору E. Это состояние сегнетоэлектрика называют
«насыщением» поляризации Ps. Дальнейшее увеличение Е сверх Еs не дает заметного
увеличения P. Если снижать поле Е до нуля, то не сохранится осаточная поляризованность
Pост. Для того, чтобы Pост данного образца снизить до нуля, необходимо приложить
коэрцитивное поле Ес, по знаку противоположное поляризующему полю. При увеличении
поля обратного знака до –Еs мы вновь достигаем «насыщения» поляризованности –Рs.
Изменение поля от –Еs через нуль до Еs замыкает кривую поляризованности, получаем
петлю сегнетоэлектрического гистерезиса Р(Е), показанную на рис. 25, а.
Также выглядит для сегнетоэлектрика и зависимость D(E). Площадь петли
гистерезиса пропорциональна рассеянию энергии на «переполяризацию» за один период.
Ход кривой ε(Е) для сегнетоэлектрика целиком определяется ходом кривой D(E) и
может быть графически трактован как тангенс угла наклона касательной кривой D(E) в
масштабе 1/ε (рисунок 25, б).
Также выглядит для сегнетоэлектрика и зависимость D(E). Площадь петли
гистерезиса пропорциональна рассеянию энергии на «переполяризацию» за один период.
Ход кривой ε(Е) для сегнетоэлектрика целиком определяется ходом кривой D(E) и
может быть графически трактован как тангенс угла наклона касательной кривой D(E) в
масштабе 1/ε0 (рисунок 25, б).
60
Сегнетоэлектрическое состояние диэлектрика исчезает выше некоторой
температуры, называемой температурой перехода, или точкой Кюри Θк. Выше этой
температуры сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, что
сопровождается разрушением доменного строения и резким уменьшением
диэлектрической проницаемости
Обращает на себя внимание внешнее сходство с петлей сегнетоэлектрического
гистерезиса и петлей ферромагнитного гистерезиса.
а)
P
б) ε
D
Рs
Pост
-Е -Еs
Ес
+Ес Еs
Е
Е
-Pост
-Рs
Рисунок 25.
При температуре точки Кюри Θк (рисунок 26) наблюдается максимум в кривой
зависимости ε(Т). Это связано с тем, что при T<Θ и при Т, приближающейся к Θ, даже
небольшое изменение поля вызывает направленный переход ионов Ti4+ через
потенциальные барьеры, а при T>Θ переход ионов осуществляется самопроизвольно,
хаотично. Вследствие хаотичности исчезает поляризованность ячейки, исчезает доменная
структура, уменьшается ε, исчезает зависимость ε от напряженности поля Е.
Рсп
ε
Р
ε
Θк
Т
Рисунок 26.
Классификация сегнетоэлектрических материалов
Среди сегнетоэлектрических материалов [II] можно выделить две группы:
материалы с упорядочением и материалы со смещением.
В первой группе материалов переход в сегнетоэлектрическое состояние при Θк
связан с упорядочением ионов, во второй группе материалов – со смещением одной
подрешетки ионов относительно другой. Первая группа сегнетоэлектриков (с
упорядочением) включает кристаллы с водородными связями, где возникновение
спонтанной поляризации связано с движение ионов водорода. При T<Θ распределение
ионов водорода в водородных связях ассиметрично относительно соседних ионов, так как
один из концов водородной связи для ионов водорода более предпочтителен, чем другой.
61
При T>Θ ионы водорода распределены в водородных связях симметрично. Вторая группа
сегнетоэлектриков (со смещением) включает ионные кристаллы кислороднооктаэдрического типа структурой, близкой к перовскиту. В таблице 16 приводятся данные
о некоторых сегнетоэлектриках [12]. Даны значения точки Кюри Θ, при которой материал
из низкотемпературного спонтанно-поляризованного состояния переходит
в
высокотемпературное
неполяризованное
состояние,
и
значения
спонтанной
поляризованности Pсп.
Таблица 16 – Сегнетоэлектрические кристаллы
Группа
KDP
TGS
Перовскиты
KH2PO4
KD2PO4
RbH2PO4
RbH2AsO4
KH2AsO4
KD2AsO4
CsH2AsO4
CsD2AsO4
123
213
147
111
96
162
143
212
Рсп×3·105
(в системе СИ)
16000 ( при 96 К )
13500 (при 96 K)
16800 (при 90 K
15000 (при 80 K)
-
Триглицин сульфат
Триглицинселенат
322
295
8400 (при 293 К)
9600 (при 273 К)
BaTiO3
SrTiO3
WO3
KNbO3
PbTiO3
393
32
223
712
763
LiTaO3
LiNbO3
1470
78000 (при 293 К)
9000 (при 4 К)
90000 (при 523 К)
>150000
(при 300 К)
70000 (при 720 К)
900000
Состав
Θ, К
.
ε·10-3
9
D
ε·10-3
6
6
4
tgδ
ε
4
1,0
10-1
2
0,5 tg δ
10-3
E
2
-50
а)
D·102 ε·10-3
Кл/м2
6
1,5
0
50 100 150 Т°С
0,4 0,8 1,0 Е,МВ/м
б)
104 105 106 f,Гц
в)
Рисунок 27.
Сегнетоэлектрики первой группы имеют низкую Θ, хорошо растворяются в воде
(часть из них можно пилить влажной ниткой), механические очень непрочны; это
62
ограничивает их применение в технике. Лишь за последние годы эти кристаллы нашли
применение в оптоэлектронике (при эксплуатации требуют герметизации).
Сегнетоэлектрики второй группы все имеют достаточно высокую точку Кюри, хорошую
механическую прочность, практически нерастворимы в воде. Материалы именно этой
группы нашли широкое применение в технике под названием сегнетокерамика.
Начало получению и техническому применению сегнетокерамики было положено
работами Б.М. Вула в 1944 г. Путем спекания порошков BaCO3 и TiO2 по керамической
технологии он получил поликристаллический метатитанат бария BaTiO3 или просто
титанат бария. Этот материал обладает изотропностью и проявлял сегнетоэлектрические
свойства по всем направлениям. Зависимости важнейших свойств титаната бария от
напряженности электрического поля, температуры и частоты приведены на рис. 27.
Сейчас известно довольно большое число поликристаллических сегнетоэлектриков на
основе титаната бария и других систем, обладающих различными свойствами. Например,
на графике рис. 28 хорошо видно, что меняя состав керамической массы от чистого
BaTiO3 и затем добавляя различные количества BaZrO3, можно получить целый набор
сегнетоэлектрических керамик с различной ε и значительным смещением Θ. Основные
свойства промышленных сегнетокерамических материалов представлены в таблице 2.16.
Конденсаторная сегнетокерамика со слабой нелинейностью, т.е. та, у которой ε
сравнительно мало меняется с изменением напряженности поля, применяется для
изготовления конденсаторов с большой удельной емкостью. Эти конденсаторы являются
низкокачественными, так как ход ε для них аналогичен изображенному на рис. 2.7, в.
Недостатком такого материала является низкая температурная стабильность из-за сильной
нелинейности ε(Т) – резкий пик при Т = 0. Для увеличения температурной стабильности
идут на то, что размывают пик, но при этом снижается и ε. К этому виду сегнетокерамики
относятся такие наиболее широко распространенные составы:
СК-1 – керамика на основе SrTiO3
СК-2 - керамика на основе (Ba, Ca, Sr) TiO3
СК-3 - керамика на основе (Ba, Zr) TiO3
СМ-1 - керамика на основе (Ba, Zr) TiO3 + оксиды Zr, Bi
Материалы различаются между собой, главным образом, значением ε =1000…6000 и
положением температурного максимума ε.
Материал Т – 7500 является твердым раствором SrTiO3 и CaTiO3 в BaTiO3. Точка
Кюри у него находится в области комнатной температуры, в этой же области лежит
максимум ε. Материал используют для изготовления конденсаторов, в том числе и
высоковольтных, работающих при Ткомн.
Нелинейная сегнетокерамика типа ВК имеет более резкую нелинейность ε (Е) и ε (Т)
по сравнению с BaTiO3. Среди этих материалов преобладают твердые растворы титанатстаннат бария (ВК-2, ВК-5) и титанат-цирконат-станнат свинца (ВК-6). Максимальную ε
можно получить у керамики ВК-5 до 100000 при Е = 1 кВ·см (рисунок 2.9).
Главное применение этой группы сегнетокерамики – изготовление нелинейных
конденсаторов - варикондов (резкая нелинейная зависимость ε от Е). Одна из основных
характеристик варикондов – коэффициент нелинейности К= εmax/εнач, где
εmaxмаксимальное значение ε при некоторой максимальной для данного материала (рисунок
29) напряженности электрического поля к начальному значению ε. Вследствие
нелинейной зависимости емкости варикондов от Е их применяют в качестве
диэлектричеких усилителей постоянного и переменного токов, умножителей и делителей
частоты, стабилизаторов напряжения, ограничителей и регуляторов сигналов,
фазовращателей, бесконтактных включателей и т.д.
Материал типа ВК-6, обладающий ППГ, применяют для построения ячеек памяти в
запоминающих устройствах. Сегнетоэлектрические ЗУ характеризуются высокой
плотностью записи информации, однако их быстродействие невелико.
63
Терморезистивная сегнетокерамика по величине удельного сопротивления при
комнатной температуре (ρ= 10-3-10-4 Ом·м) относится к полупроводниковым материалам,
отличается большим, положительным ТКР (до 0,1 К-1). В небольшом температурном
интервале сопротивление растет при нагреве вблизи точки Θ (рисунок 30) на несколько
порядков (до 10-12 Ом·м). Перспективным материалом считают твердый раствор титанатов
бария и стронция, легированный лантаном Bax Sr1-xTiO3: La.
Таблица 17 – Свойства керамических материалов с нелинейной поляризацией
Свойства
При 20 °С
Ε
Конденсаторная сегнетокерамика
СМ - 1
Т - 7500
3000-4000
6000-7500
Пьезокерамика
1500-1700
Керамика для
варикондов
рисунок 2.9
tg δ
при f = 1 кГц
ρv, Ом·м
≤ 0,03
≤ 0,03
≤ 0,03
≤ 0,18
109 - 1010
109 - 1011
108 - 109
108 - 109
Епр, МВ/м
≥4
≥ 2,5
≥ 2,5
≥ 2,5
Θк, °С
35
35
125
таблица 2.17
Пьезомодуль,
Кл/Н
Ϭиз, МПа
-
-
7·1011
-
60
60
60
30
5,5
5
5,5
6
1360
1350
1430
1400
прессование
протяжка
литье
прессование
протяжка
прессование
протяжка
литье
Прессование и
др.
Плотность,
г/см3
Температура
спекания, °С
Основные
методы
формирования
Таблица 18 – Характеристики керамики для варикондов
Материал
Точка Кюри, °С
75
Коэффициент
нелинейности
К
≥4
ВК - 1
Простая технология
ВК - 2
75
≥8
Высокие значения К
ВК - 3
25
до 8
Высокие значения К
ВК - 4
105
≥8
ВК - 5
75
≥ 20
ВК - 6
200
8 - 30
Стабильные
значения К и ε
Очень высокие
значения К
Высокая стабильность параметров
64
Особенности
материала
Терморезистивная керамика идет на изготовление терморезисторов с
положительным ТКР – позисторов. Позисторы используются в ограничителях и
регуляторах температуры, в стабилизаторах тока, в схемах температурной компенсации и
т.п.
ε
104
ε
105
R,Ом
106ВК-5
ВК-3
ВК-2
ВК-1
ВК-4
ВК-6
4
8·103
3
3
5 6
6·104
6·10
4·103 1 2
1
2
3
4
10410260
140 Т,°С
1 – (Ba0,6Sr0,4)TiO3
2 – (Ba0,8Sr0,3)TiO3
3 – BaTiO3
4 – (Ba0,8Pb0,2)TiO3
-20
3
4
2·10
2·10
-100 0 +100 Т, °С
1- 60% BaTiO3; 2- 70%; 3- 75%;
4- 80%; 5- 85%; 6- 100% BaTiO3
Рисунок 28.
0,1
0,3
BaTiO3
0,5 Е, МВ
Рисунок 29.
Рисунок 30.
В заключение необходимо отметить, что сегнетоэлектрические прозрачные
монокристаллы за последние годы очень активно применяются в устройствах
оптоэлектроники как материал для активных управляемых оптических средств, так и как
материал для приемников различного рода излучения. [13], [14].
Разработка и создание оптоэлектронных устройств, предназначенных для
управления световым лучом, предполагает использование оптически активных сред. К
числу таких устройств относятся разного рода модуляторы и дефлекторы,
преобразователи излучения, устройства оптической памяти и т.п. В основу принципа
действия этой группы устройств положены различные физические эффекты, например,
электрооптический (изменение показателя преломления в сильном электрическом поле);
классическим электрооптическим материалом являются кристаллы типа – KH2PO4,
NH4H2PO4, NH4H2AsO4, KD2PO4 и некоторые другие. Очень перспективным материалом
для модуляции светового потока, например, лазерного излучения, являются ниобат лития
LiNbO3, танталат лития LiTaO3, «банан» Ba2NaNb5O15. Материалом для акустических
дефлекторов (устройств, работающих на осуществление акустооптического эффекта, то
есть устройств, позволяющих осуществить управляемое отклонение светового луча в
самой оптической среде за счет дифракции световой электромагнитной волны на
звуковых волнах) являются ниобат лития LiNbO3, молибдат свинца PbMoO4, двуокись
теллура TeO2 и др.
Сегнетоэлектрики типа кристаллов КДР, LiNbO3, LiJO3, «банан» Ba2NaNb5O15
позволили решить одну из задач нелинейной оптики по визуализации невидимого ИКизлучения в видимое с КПД, близким к 100%.
Сегнетоэлектрические материалы используются для изготовления приемников
оптического излучения оптоэлектронных устройств, в частности для изготовления
тепловых фотоприемников. В основе работы тепловых фотоприемников лежит изменение
физических свойств материалов приемника (сопротивления, спонтанной поляризации,
изменение линейных размеров и т.п.) под воздействием падающего излучения, причем
выходной сигнал зависит от мощности излучения. В таких приемниках активным слоем
могут быть: кристаллы триглицинсульфата, сульфат и ниобат лития, твердые растворы
65
типа BaNb2O6 – SrNb2O6, ZrNb2O6 – SrNb2O6, BaxSr1-xTiO3: La, танталат лития LiTaO3,
сегнетоэлектрическая керамика типа ЦТС (цирконат – титанат свинца) и др.
2.2.2 Пьезоэлектрические материалы
Пьезоэлектрические материалы - поликристаллические или монокристаллические
диэлектрики, у которых под действием механических напряжений ϭ возникает
поляризация – прямой пьезоэффект, и под действием приложенного электрического поля
меняются линейные размеры, то есть происходит деформация образца (Δl/l) – обратный
пьезоэффект, то есть пьезоэффект обратим.
Пьезоэлектрики можно считать электромеханическими преобразователями,
превращающими механическую энергию в электрическую, и наоборот.
В упрощенном одномерном случае уравнения прямого и обратного пьезоэффектов
можно записать так [3]
P  d  ,
l
 d E ,
l
где P= Q/S – поляризованность, то есть плотность электрического заряда Q, Кл/м2;
ζ= F/S – напряжение, возникающее в материале под действием силы F, Па = Н/м2;
S – площадь, м2; d – пьезомодуль, Кл/Н; Δl/l– относительное удлинение или деформация;
E – напряженность электрического поля, В = Н·м/Кл.
Для более строгой записи надо помнить, что P и E – векторы, ζ и Δl/l - тензоры
второго ранга, а сам пьезомодуль – тензор третьего ранга dihk (матрица из 27
компонентов).
Пьезомодуль d – одна из важнейших характеристик пьезоэлектрического материала,
численно равен заряду, возникшему на единице поверхности диэлектрика (в результате
его поляризации) при приложении к нему единицы давления.
Если пьезоэлектрик использовать в режиме преобразования подводимой к нему
электрической энергии Еэл в механическую энергию Емех колебаний, то важное значение
имеет коэффициент электромеханической связи К = (Емех/Еэл)-1/2.
Прямой и обратный эффекты линейны (рисунок 31, а и 31, б) в первом приближении.
Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет
знак при его изменении (рисунок 31, в), то есть при приложении к пьезоэлектрику
синусоидального электрического поля Е в нем возникают синусоидальные деформации
той же частоты.
Δl/l
P
Δl/l
E,
Δl/l
E
ζ
η
E
Рисунок 31.
Пьезоэлектрический эффект возникает только у тех кристаллов, элементарная
ячейка которых не имеет центра симметрии. Это вещество с гетерополярной химической
связью, то есть это ионные или полярные диэлектрики. Эта особенность строения
66
приводит к тому, что под действием механических напряжений в материале возникает не
только деформация сжатия (растяжение), но и деформация сдвига, это приводит к
перемещению к противоположно заряженных ионов на неодинаковые расстояния,
появляется индуцированная пьезополяризация внутри кристалла. Рассмотрим подробнее,
как механическая работы (усилие сжатия – растяжения) превращается в электрическую на
примере BaTiO3.
Некоторый объем кристалла BaTiO3 после воздействия на него поляризующего поля
Е при T<Θ можно рассматривать как большой электрический диполь – рисунок 32, а. На
его противоположных поверхностях, перпендикулярных к направлению электрического
момента, возникают электрические заряды различного знака, но равные по величине. Эти
заряды быстро нейтрализуются притянутыми к поверхности заряженными частицами,
которые всегда имеются во внешней среде, образуя двойной электрический слой, как
показано на рисунке 32, б.
При приложении сжимающего усилия F размеры элементарной ячейки BaTiO3
изменятся (рисунок 32, в), а это означает, что с уменьшением размера элементарной
ячейки вдоль оси сжатия уменьшится и связанная с геометрией ячейки спонтанная
поляризация. Следовательно, уменьшится и заряд, появляющийся на поверхности при
поляризации. Это приводит к тому, что равный по величине и противоположный по знаку
заряд двойного электрического слоя на поверхности оказывается свободным (рисунок 32,
г).
а)
б)
++++
- - - -
в)
- - - ++++
г)
F
- - - ++++
F
- - - + +
+ + + +
Рисунок 32 – Механизм пьезоэффекта в титанате бария BaTiO3
Появление свободных зарядов на поверхности Q сопровождается возникновением
разности потенциалов U = Q/C, где Q – величина заряда, освобожденного при
деформации; C – электрическая емкость кристалла.
Если на поверхность такого кристалла нанести электроды и замкнуть их на
некоторое сопротивление, то в цепи потечет ток.
К пьезоэлектрикам предъявляют следующие требования:
- достаточно высокое значение пьезомодуля; это достигается несимметричной
структурой и малой плотностью материала;
-малые потери; для этого необходимо высокое значение ρv, то есть отсутствие
свободных, несвязанных зарядов в объеме диэлектрика.
Иначе эти заряды могут нейтрализовать возникающий на поверхности заряд,
заметно снижая пьезоэффект.
Все сегнетоэлектрики, обладая спонтанной поляризацией, обладают и спонтанной
деформацией элементарной ячейки, являются и пьезоэлектриками.
К пьезоэлектрикам относятся и несегнетоэлектрические кристаллы, например кварц
SiO2, турмалин (силикат бора и алюминия, содержащий ионы Na, Ca, Mg, Mn, Fe и др.).
Сейчас известно около 1000 пьезоэлектриков; в практике применяют порядка 30
материалов, первое место среди них занимает кристаллический пьезокварц, как
естественный, так и выращенный искусственно. Плоская пластина пьезкварца с двумя
металлическими электродами представляет из себя простейший пьезоэлектрический
67
резонатор, резонансная частота его обратно пропорционально зависит от толщины h
пластины .Кварцевые резонаторы имеют очень высокую добротность Q, достигающую
106, то есть очень острый резонанс. Пьезомодуль у кварца порядка 2·10-12 Кл/Н.
Пьезокварц находит широкое применение для стабилизации и эталонирования частот, а
также удобен для создания узкополосных фильтров из-за очень резкого и узкого
резонанса, для изготовления кварцевых генераторов.
Пьезокерамикой называют сегнетокерамику после того, как ее поляризуют сильным
постоянным полем. В керамике долго сохраняется остаточная поляризация после снятия
поля. Пьезокерамика делится на три основные группы: титанат бария и его производные,
ниобат бария-свинца (НБС), цирконат-титанат свинца (ЦТС) и его производные.
Основные свойства этих групп пьезокерамики представлены в таблице 2.18.
Пьезокерамика применятся в излучателях большой мощности, в пьезоэлектрических
преобразователях и фильтрах, для изготовления генераторов и приемников УЗ колебаний,
датчиков давления, вибрации, ускорения, деформации и т.п.
Таблица 19 – Свойства пьезокерамики
Свойства
Титанат
бария
Плотность,
г/см3
ε
tg δ
Пьезомодуль×
×104, Кл/Н
Добротность,
Q
Коэффициент,
электромеханической
связи
НБС
ЦТС с
танталом
ЦТС с
ниобием
5,3
Титанат бария
- кальция с
кобальтом
5,4
5,5
7,3
7,3
1100-1800
1000-1200
1500
1100
1760
0,003-0,03
0,01-0,015
0,015
0,02
0,022
8,4-20
11,6
18,3·10-7
28,3·10-7
36,3·10-7
400
-
-
70
70
0,18-0,37
0,2-0,35
0,2-0,4
0,45
0,42
2.2.3. Электретное состояние в диэлектриках
Электреты - диэлектрические материалы, длительно сохраняющие поляризованность
после воздействия на них внешних источников энергии (поляризующее поле, световая
энергия, радиационное излучение). Электреты служат источником постоянного
электрического поля в окружающее пространство подобно постоянным магнитам,
являющимися источниками магнитного поля.
Электреты как группа материалов были сначала теоретически предсказаны
английским физиком О. Хэвисайдом в 1896 г., первые образцы их были получены М.
Егучи в Японии в 1922 г. путем охлаждения расплавленной смеси воска и канифоли в
сильном постоянном электрическом поле. Полученные таким способом электреты
сохраняют свой заряд в течение нескольких месяцев.
Электретными материалами являются такие диэлектрики, у которых можно вызвать
разделение зарядов или ориентацию существующих диполей и зафиксировать это
состояние. Разделение и фиксацию зарядов чаще всего производят в постоянном
поляризующем поле Еп =0,5…5 МВ·м-1. В зависимости от величины поляризующего поля
Еп на поверхности диэлектрика под поляризующими электродами могут преобладать
заряды, перешедшие с электродов в приповерхностные слои диэлектрика – гомозаряды
68
(имеют тот же знак, что и поляризующий электрод), Еп 1 МВ·м-1; или заряды,
противоположные по знаку заряду поляризующих электродов – гетерозаряды, полученные
за счет ориентации и «замораживания» диполей диэлектрика (полярных молекул или
доменов сегнетоэлектриков) или смещением ионов диэлектрика поля Еп; Еп 0,5 Мв*м-1.
Результирующий заряд электрета определяется разностью гомо- и гетерозарядов на его
поверхности. Экспериментально доказано, что гомозаряды сохраняются более длительное
время, чем гетерозаряды, так как на последние сильное дезориентирующее влияние
оказывает тепловое движение диполей.
Поверхностная плотность зарядов (поляризованность) у различных электретов
может составлять 10-6…10-4 Кл·м-2. Эта величина не является постоянной, она сильно
зависит от времени хранения, температуры, а также от давления воздуха и его влажности.
Электретный эффект наблюдается у диэлектриков органического происхождения
(воски, канифоль, полиамидные смолы, поливинилацетаты, фторопластовые пленки) и
неорганического происхождения (титанат бария, титанат кальция, титтанат магния, слюда,
неорганическое стекло), а также у серы, сульфида цинка.
Электреты применяют как источники постоянного электрического поля. В
электретных микрофонах и телефонах, вибродатчиках и т.п. используется индуцирование
переменного напряжения в металлической мембране, колеблющейся в поле электрета.
Электреты могут служить чувствительными элементами в датчиках механической
вибрации, в дозиметрах проникающей радиации, барометрах, гигрометрах и т.п.
2.2.4 Материалы для активных элементов твердотельных оптических квантовых
генераторов (ОКГ)
Эта группа диэлектрических материалов, управляемых светом, электромагнитными
волнами оптического диапазона (10-9…10-3м).
В последнее время оптические квантовые генераторы-лазеры заняли очень прочное
положение в новой технике – оптоэлектронике, телевидении, голографии, космической
связи, медицине и т.п.
Лазер - квантовый генератор когерентного электромагнитного излучения
оптического диапазона длин волн. Лазер включает в себя следующие основные элементы
(рисунок 33): рабочее тело 1 с активной средой, систему накачки 2 (например, мощные
газоразрядные лампы), резонатор 3 из двух плоскопараллельных зеркал, одно из них
полупрозрачное, чтобы через него можно было осуществлять выход излучения. По типу
агрегатного состояния активного вещества рабочего тела все лазеры принято делить на
газовые, твердотельные и полупроводниковые.
2
3
3
1
2
Рисунок 33 – Схема ОКГ
Рассмотрим принцип возникновения вынужденного излучения в веществе. Для этого
изобразим простейшую энергетическую систему из двух уровней Е 1 и Е2 на рис. 2.14.
Спонтанное излучение происходит при самопроизвольном переходе системы из
возбужденного состояния с уровня Е2 на более низкий уровень Е1 (рис. 34,а), переход без
воздействия внешнего излучения. Так как акты спонтанного перехода не связаны во
69
времени, то спонтанное излучение некогерентно (примером спонтанного излучения
является свечение при люминесценции).
Вынужденное стимулированное излучение происходит в результате перехода
системы с Е2 на Е1, вызванного действием внешнего излучения соответствующей
резонансной
частоты
(рисунок
34,б).
Так
как
вынужденные
переходы
происходятодновременно, испускаемое излучение ħ·ν по частоте соответствует
поглощенному кванту, вынужденное излучение является и монохроматичным и
когерентным.
Возникновение вынужденного излучения в твердотельном ОКГ на рубине
базируется на работе трехуровневой системы. Рубин - это монокристалл Al2O3 с
равномерно распределенными в нем ионами Cr3+, что и дает рубину характерную розовую
окраску. Ионы Cr3+ в диэлектрике с большой шириной запрещенной зоны Al2O3 создают
систему своих (рисунок 35) энергетических уровней с энергиями Е1<Е2<Е3. Уровень Е1
называют основным, он соответствует невозбужденного состоянию электронов в Cr3+.
Уровни Е2 и Е3 соответствуют возбужденному состоянию электронов, причем время
жизни носителей на Е3 очень мало, а на Е2 велико. Электроны с уровня Е3
безизлучательно переходят на уровень Е2, в результате большая часть электронов
оказывается на этом уровне. В следующий момент электроны могут самопроизвольно
возвращаться с Е2 в основное состояние Е1, при этом идет самопроизвольное, спонтанное
излучение фотона с энергией ħ·ν = Е2 – Е1
а)
ħν
б)
Е3
Е2
ħν
Накачка
Е2
ħν
ħν
ħν
Е1
Е1
Рисунок 34.
Рисунок 35.
Самопроизвольное излучение не согласовано по фазе, оно некогерентно и не
сфокусировано в пространстве.
Переход электронов с Е2 на Е1 можно сделать вынужденным за счет воздействия
внешнего электромагнитного излучения накачки. Вновь рождаемые при этом фотоны
совершенно идентичны по своим свойствам первичным фотонам, т.е. они имеют ту же
энергию ħ·ν, излучаются одновременно, т.е. в той же фазе, в одном направлении. Таким
образом, вынужденное излучение является не только монохроматическим, но и
когерентным, и сфокусированным в пространстве. Именно таким и является
стимулированное лазерное излучение.
В твердотельных ОКГ в качестве активной среды используется кристаллическая или
стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы. Все
процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между
уровнями активного иона, при этом сама матрица играет пассивную роль. Тип активного
иона определяет спектр излучения ОКГ.
В качестве активных ионов используются исключительно элементы переходной
группы и редкоземельные элементы, т.е. элементы, содержащие незастроенные 3d и4f
электронные оболочки. Электроны, расположенные на этих глубоких уровнях,
экранизируются своими наружными, внешними оболочками от электростатического
взаимодействия с соседними ионами матрицы. Это дает возможность считать каждый
активный атом дискретным, т.е. его энергетические уровни слабо расщеплены, это
обеспечивает высокую монохроматичность излучения ОКГ. Активные ионы находятся в
70
матрице в положение замещенных ионов матрицы, следовательно радиус активного иона
должен быть очень близок к радиусу замещаемого иона матрицы.
В подавляющем большинстве случает (до 90%) активирование осуществляется
ионами неодима Nd3+, затем идут ионы хрома Cr3+ и Dy3+ диспозия. Кроме того [15],
упоминаются следующие ионы-активаторы: 3d–Co2+, Ni2+, 4f–Pr3+, Sm3+ , Eu3+, Ho3+,
Er3+. В качестве наиболее распространенных материалов для матриц можно указать
лазерное бариевое стекло BaO–К2O–SiO2 и монокристаллы: α–корунд Al2O3
(лейкосапфир), флюорит CaF2, вольфроматы и молибдаты щелочноземельных металлов
(CaWO4, CaMoO4), соединения со структурой граната (Y3Al5O12, Y3Fe5O12, Gd3Ga5O12) и
др.
В таблице 20 приведены свойства некоторых материалов, используемых в
твердотельных ОКГ – лазерах.
Таблица 20 – Свойства материалов, используемых в твердотельных ОКГ-лазерах
Активная среда
рабочего тела
Рубин
Стекло с
ниодимом
Иттрий-алюминиевый гранат
с неодимом
Натрийлатанолибдат с
неодимом
Флюрит с
диспрозием
Шеелит с
неодимом
Матрица
Активатор
Al2O3
Cr3+
Бариевое
стекло
Y3Al5O12
Nd3+
Nd3+
NaLa(MoO4)2 Nd3+
КонценДлина волны Показатель
трация
лазерного
преломлеактиватора, излученя λ,
ния
мол. %
мкм
0,05
0,69
1,76
красный
2
1,06
1,54
ик
1,3
1,06
1,83
ик
КПД,
%
0,22
до 5
4
2
1,06
ик
1,82
2,5
2,36
ик
1,06
ик
1,42
2
1,92
1,7
CaF2
Dy3+
0,02
CaWO4
Nd3+
2
2.2.5. Люминофоры
К управляемым светом (внешним электромагнитным излучением) диэлектрикам
относятся не только материалы для активных элементов ОКГ, но и люминофоры. Явление
люминесценции связано со спонтанным переходом (рисунок 34) части электронов
вещества из возбужденного состояния (после поглощения внешнего излучения) в
основное и выделении при этом энергии в виде квантов света ħ·ν. Происходит
«высвечивание» возбужденного материала. Люминофорами называют вещества,
обладающие способностью светиться в течение короткого или длительного времени после
прекращения действия внешнего излучения, причем это свечение превышает обычное
тепловое излучение.
В зависимости от вида внешнего источника энергии, возбуждающего электроны,
люминофоры [16] делят на фото-, катодо- и электролюминесцентные материалы
(возбуждаемые светом, электронным пучком, электрическим полем). Люминофоры по
ширине запрещенной зоны относятся к классу диэлектриков и к классу полупроводников.
По составу это обычно бывают не чистые вещества, они содержат примеси – активаторы.
Атомы активатора искажают кристаллическую решетку люминофора, делают ее
дефектной. Изменяя состав и концентрацию активаторов, получают люминофоры с
различными характеристиками.
71
Фотолюминофоры, возбуждаемые светом. Применяются в составах для светящихся
шкал и стрелок, в люминесцентных лампах, осветительных и рекламных. Для этих целей
применяются в следующие составы (после тире указан активатор): галофосфат кальция
3Ca3(PO4)2·Ca(F,Cl)2–Sb, Mn; нитрид алюминия AlN–Am, Eu, AlN–Mn. Для медицинских
ламп, дающих не только «белый» свет, но и содержащих ультрафиолетовую
составляющую, используют BaSiO3–Pb; (Sr, Ca)3(PO4)2–Tl; (Ca,Zn)3(PO4)2–Tl. Для
аварийного освещения, для светящихся шкал применяются люминофоры с длительным
послесвечением: сернистый цинк с активаторами ZnS–Cu, ZnS–Cu, Co.
Катодолюминофоры, светящиеся при приложении разности потенциалов,
достаточной для свечения, используют для изготовления панельных светильников,
электролюминесцентных конденсаторов и других изделий.
В качестве таких материалов применяют, в основном, соединения цинка и кадмия –
ZnS, ZnSe, Zn(S, Se), (Zn, Cd)S с активирующими примесями Pb, Mn, Al, Ag, Cu и др.
2.2.6. Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы – органические вещества, которые находятся в промежуточном
(мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым телом. С одной
стороны, для них характерна большая текучесть, способность находится в каплевидном
состоянии, а с другой стороны, жидким кристаллам присуща анизотропия свойств, прежде
всего оптическая анизотропия.
Особенность жидких кристаллов состоит в том, что мезоморфное
(жидкокристаллическое) состояние существует в ограниченном температурном интервале,
достаточно узком.
анизатропия свойств
жидкий кристалл
Твердое
Тело
Т1
мутная жидкость
изотропия свойств
изотропная жидкость
Т2
прозрачная жидкость
Т
Рисунок 36 - Последовательность фазовых превращений при нагревании вещества
Жидкокристаллическое состояние образуют, главным образом, те соединения,
молекулы которых имеют удлиненную форму палочки. Большую часть известных жидких
кристаллов составляют органические соединения ароматического ряда, т.е. соединения,
молекулы которых содержат бензольное кольцо. Сейчас известно более 3000
органических веществ, дающих жидкие кристаллы. Например, бензойнокислый
холестерин – представитель ароматических углеводородов, имеет Т1=145°C, Т2=179°C.
По электрическим свойствам жидкие кристаллы относятся к классу диэлектриков с
невысоким удельным сопротивлением ρ≈ 109 – 1014 Ом·м. Величина проводимости
регулируется растворением диссоциирующих ионных соединений.
По закономерности расположения молекул жидкие кристаллы делят на три группы:
смектические, нематические и холестерические [17]. Смектические жидкие кристаллы
имеют слоистое строение, молекулы в слое ориентированы параллельно друг другу за
счет сил дисперсионного взаимодействия, т.е. это межмолекулярные Ван-дер-Ваальсовы
силы, а плоские слои молекул равно удалены друг от друга. Из-за высокой вязкости
смектические жидкие кристаллы не нашли широкого применения.
В нематических жидких кристаллах длинные оси молекул ориентированы вдоль
одного общего направления, центры тяжести молекул расположены беспорядочно,
нематические жидкие кристаллы имеют малую вязкость.
Холестерические жидкие кристаллы на молекулярном уровне в тонком слое похожи
на нематические, однако вся структура дополнительно закручена вокруг оси винта,
72
перпендикулярной молекулярным осям, получается слоистая винтовая структура с шагом
спирали .
Основой сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних факторов
(температуры, давления, электрического поля и др.) является малая величина
молекулярных сил, отвечающих за упорядоченную структуру жидкого кристалла.
Холестерические жидкие кристаллы используются для создания цветовых
термометров, самых чувствительных датчиков температуры – термоиндикаторы способны
регистрировать изменение температуры в тысячные доли градуса. Такие приборы
используются в технике и медицинской диагностике; с их помощью модно очень просто
получать картинку теплового поля в виде цветовой диаграммы. Этот же принцип
используется и для визуализации инфракрасного излучения (ИК-излучения), например
при настройке ИК-лазеров, юстировке ИК-приборов; и для визуализации полей СВЧ.
Нематические жидкие кристаллы сильно реагируют на изменения напряженности
электрического и магнитного полей (при этом меняется их прозрачность и другие
оптические характеристики), это дает возможность использовать их как управляемые
материалы для этого вида внешних воздействий.
Примером нематических жидкостей являются как чистые вещества, так и их смеси в
различном соотношении. В частности широко используется эвтектическая смесь двух
нематиков: МББА (р-метоксибензилиден-р-п-бутиланилин) и ЭББА (р-этоксибензилиденр-п-бутиланилин).
Нематические жидкие кристаллы применяются, в основном, в различных
индикаторных устройствах, к ним относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые
индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты часов и цифровых измерительных
приборов. Основными достоинствами индикаторов такого типа являются: а) хороший
контраст при ярком освещении, б) низкая потребляемая мощность (десятки мкВт/см2), в)
совместимость с интегральной технологией производства интегральных схем, г)
сравнительная простота изготовления и низкая стоимость. Принципиальными
недостатками индикаторов на жидких кристаллах являются низкое быстродействие (102
…10-1с), а также процессы электро- и фотохимического старения.
73
3. Лабораторная работа №6. Исследование свойств пассивных диэлектриков.
Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость изолирующих
материалов
Цель работы: исследование диэлектрической проницаемости и диэлектрических
потерь твердых диэлектриков, помещенных в электрическое поле
3.1 Метод измерения
Для определения диэлектрических потерь в данной лабораторной работе
используется контурный резонансный метод измерения параметров ε и tg δ диэлектрика,
называемый методом вариации реактивной проводимости. Суть метода заключается в
относительном сравнении величины емкостей Сд/C0 конденсатора на резонансной частоте.
При этом емкость Сд определяется, когда между пластинами конденсатора находится
исследуемый образец диэлектрика, а емкость С0, когда вместо диэлектрика – воздушный
слой. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цупи
переменного тока.
У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжением U равен
90°, поэтому активная мощность Р= U·I·Cosθ равна нулю. Диэлектрик не является
идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол диэлектрических
потерь δ. Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ и диэлектрическая проницаемость ε
характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика). При этом мощность Р
определяется выражением
P  k  E  f    tg
где к- коэффициент; Е- напряженность электрического поля, В/м; f- частота
электрического поля, Гц.
Произведение ε·tg δ называют коэффициентом диэлектрических потерь. К основным
источникам диэлектрических потерь относятся поляризация и электропроводность
диэлектрика, ионизация газов, находящихся в порах, и неоднородность его структуры изза примесей и включений.
По величине tg δ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg δ > 0,001) и
высокочастотные (tg δ < 0,001).
3.1.1 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рисунок 3.1) состоит из измерителя добротности типа Е7-4,
представляющего собой прибор резонансного типа, позволяющий измерять емкость и
добротность конденсаторов на частотах от 50 Гц до 30 МГц.
Измеритель состоит из генератора и колебательного контура (рисунок 3.2, а),
образуемого встроенным в прибор образцовым конденсатором переменной емкости и
катушкой индуктивности, которая подключается к клеммам на верхней панели прибора,
там же находятся клеммы для подключения обкладок конденсатора, между которыми
устанавливаются образцы исследуемых твердых диэлектриков, клеммы закрыты
крышкой, которая открывается при отпущенном фиксирующем винте. При выполнении
измерения верхняя обкладка конденсатора подключается к верхней левой клемме с
помощью проводника, а нижняя – к левой нижней клемме. Последовательность
подключений будет рассмотрена ниже в подразделе, где разъясняется порядок
выполнения работы.
Измеритель подключен к сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц.
Емкость плоского конденсатора зависит от его геометрических размеров
74
C  0  
S
,Ф
h
где S – площадь обкладок конденсатора, м; h – расстояние между обкладками, м;
ε0 = 8,86·10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.
Так как конденсатор имеет круглые обкладки, его площадь S равна
S  
D2
,
4
где D – площадь обкладок.
Если емкость конденсатора измерять в пикофарадах, а линейные размеры D и h в
сантиметрах, то формула для диэлектрической проницаемости примет вид
Ε = 14,4· E  14, 4  Cx 
h
,
D2
где h, D – соответственно, тощина и диаметр исследуемого образца диэлектрика, см;
Сх – емкость образца.
На рисунке 37, а показан генератор и колебательный контур измерителя, состоящий
из катушки индуктивности Lk, эталонной емкости Ск и активной проводимости qk контура,
к внешним клеммам которого на этапе калибровки не подключен исследуемый образец
диэлектрика.
Из теории известно, что при резонансе в контуре ( условие резонанса ω·Lk = 1/ ω·Ck )
его проводимость qк является чисто активной и добротность Q определяется выражением
Q
  Ck
qk
   Lk  qk
Резонанс находят при фиксированной частоте ω, изменением только емкости
конденсатора Ск. При резонансной частоте ее обозначают С1.
Подключив к вешним клеммам контура конденсатор Сх (рисунок 37, б), между
обкладками которого помещен исследуемый образец диэлектрика, снова добиваются
резонанса в контуре посредством изменения емкости конденсатора С к. Полученное при
этом значение Ск обозначают как С2. Так как резонансная частота при второй настройке
контура в резонанс не меняется, то емкость (С2 + Сх) должна равняться емкости С1 и,
следовательно
Cx  C1  C2 .
Если q – активная проводимость конденсатора, то общая активная проводимость
(рисунок 37, б) во втором случае
q  qx   
Отсюда находим
75
C2  Cx C1

Q2
Q2
q 
C1
C
  1 .
Q2
Q1
Тогда тангенс угла исследуемого диэлектрика
tg 
C   Q1  Q2 
qx
,
 1
  Cx
Cx  Q1  Q2
где Сх – емкость образца, пФ; С1 – резонансная емкость контура при отключенном
образце; Q1, Q2 – добротность контура, соответственно, при отключенном и включенном
образце.
gk
Lk
Ck
gk
Г
Lk Ck
Г
gx
Cx
Рисунок 37.
Индуктивность
Обкладки
конденсатора
Добротность Q
емкость pF
Сеть
1,86 МГц
Уст.0 Калибр.
Калибровка
300
100
Измерение
Частота
1000
Предел измерения Q
Диапазон
Рисунок 38 – Расположение органов управления на панели измерителя
76
Перед выполнением работы ознакомиться с органами управления и настройки
прибора (рисунок 37) и убедиться, что сеть отключена, а тумблер включения сети
находится в нижнем положении.
3.1.2 Методика настройки измерителя добротности
С помощью переключателя режима работы, находящегося на лицевой панели справа,
находящийся в верхнем углу справа установить режим «калибровка».
Установить рабочую частоту 1,86 МГц, для чего выбрать соответствующий диапазон
измерения (1-3 МГц) и ручкой частота произвести ее установку по шкале, находящейся
над переключателем диапазонов.
Предел измерения добротности Q установить в положение «300»
Переключатель калибровки, находящийся слева под стрелочным вольтметром – в
положение «установка 0», после чего подключить прибор к сети переменного напряжения
220 В и переключить сетевой тумблер в положение «Сеть», при этом загорается
индикатор сети, расположенный над тумблером. Дать прогреться прибору 10 минут.
Ручкой установки нуля установить стрелку вольтметра на «0» по нижней шкале
прибора, далее переключить переключатель калибровки в положение «калибровка» и
ручкой калибровки установить стрелку на красную риску по верхней шкале.
Измеритель добротности готов к работе.
ВНИМАНИЕ! Далее работа осуществляется только ручкой емкость «pF», остальные
органы управления – в настроенном, установленном положении.
3.1.3 Порядок выполнения работы
Установить переключатель режима работы в положение «измерение».
Ручкой «емкость pF» настроить колебательный контур в резонанс, для чего, вращая
ее, установить стрелку вольтметра на максимальное отклонение от 0.
Снять показания добротности Q1 по средней шкале вольтметра, учитывая цену
деления, и показания емкости С1 по шкале, находящейся справа вверху, при этом на левой
части шкалы – сотни и десятки, а на правой – единицы и десятые. Полученные данные
записать.
Подключить с помощью проводников обе обкладки к клеммам «С» и установить
между обкладками образец №1 (фторопласт – белого цвета ), после чего настроить контур
в резонанс и определить Q2 и С2, данные занести в таблицу 3.1.
Повторить эту операцию с образцами 2, 3 и 4. Данные занести в таблицу 3.1.
3.2 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- цель работы;
- краткое изложение сущности примененного метода измерения и использованные
расчетные формулы;
- таблица 3.1 с результатами измерений и расчетов;
- описание образцов диэлектриков, исследуемых в работе (тип, строение, свойства,
применение), и сравнение полученных результатов со справочными данными;
- выводы по работе.
Таблица 3.1
Материал
Q2
C2, пФ
Сх, пФ
Фторопласт
№1
Эбонит
№2
77
D, см
h, см
ε
tg δ
Винипласт
№3
Органическое
стекло №4
Q1=
C1=
4. Лабораторная работа № 7. Исследование свойств сегнетоэлектриков
Цель работы: изучение областей применения и
сегнетоэлектриков, их отличий от пассивных диэлектриков.
электрических
свойств
4.1 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из ПЭВМ и измерительного блока со встроенным
термостатом, где расположен исследуемый образец.
Функциональная схема установки представлена на рисунке 39, где R1 и R2 –
делитель напряжения; Сх – сегнетоэлектрический образец; С0 – образцовый конденсатор
большой емкости; Rt - терм–резистор, УГ – управляемый генератор.
3
R1
220В
АЦП
2
УГ
R2
1
ЭВМ
4
С0
АЦП
Cx
Rt
Термостат
Рисунок 39 – Функциональная схема установки
На пластины горизонтального отклонения луча 1 и 2 подается напряжение с
сопротивления R2, пропорциональное напряжению генератора (УГ), которое измеряется с
помощью АЦП. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, так
как емкость Сх>>С0.
На пластины вертикального отклонения 3 и 4 подается напряжение U0 c
конденсатора С0, пропорциональное его заряду и заряду на конденсаторе Сх, так как на
переменном токе заряды конденсаторов, включенных параллельно, равны.
4.1 Управление лабораторной работой
Лабораторная работа позволяет:
- производить измерения;
- сохранять результаты в базе данных;
- представлять результаты в графическом и текстовом виде;
- формировать отчет и получать твердую копию.
Только при проведении измерений ваш компьютер связывается с измерительным
стендом, а в остальных случаях вы работаете только с результатами измерений.
Все управление лабораторной работой осуществляется с помощью ЭВМ.
78
Управляют работой при помощи команд, которые можно вводить либо из меню,
либо кнопками панели управления.
Команды разбиты на группы
ИЗМЕРЕНИЯ:
ПРОСМОТРА И ОБРАБОТКИ:
измерение
поле
температура
образец
фиксация точки
сохранить
С(U)
база данных
автомасштаб
масштаб 75
печать
буфер обмена
сохранить
4.2 Порядок выполнения работы
4.2.1 Включить компьютер и произвести загрузку файла «диэлектрики», после чего
включить блок измерения переключателем, находящимся на правой стороне корпуса
(при этом загорится светодиод на лицевой панели.
4.2.2 На мониторе будут представлены текущие данные, над которыми отображены
выполняемые функции (измерение, буфер обмена, настройки, окно, помощь), подведя
курсор на окно настройки, активировать его.
4.2.3 Произвести выбор материала и параметров образца, после чего нажать «ОК».
Присвоить образцу имя.
4.2.4 Подвести курсор на измерение и активировать его, при этом слева в окне
появятся надписи режима работы (поле-температура), активировать режим «поле», при
этом на мониторе появится изображение петли поляризации.
4.2.5 Произвести построение основной кривой поляризации по ряду частных петель
поляризации путем уменьшения амплитуды электрического поля. Для чего ручку
регулировки амплитуды, находящуюся на блоке измерения установить в крайнее правое
положение, по часовой стрелке. На мониторе появится изображение максимального
значения
петли
поляризации.
Зафиксировать
это
значение,
активировав
соответствующее в настройках.
4.2.6 Вращая ручку регулировки амплитуды против часовой стрелки, постепенно
уменьшить напряженность поля до 0 (крайнее левое положение), каждый раз фиксируя
точку (всего 15-20 точек).
4.2.7 Сохранить результаты измерения, активировав соответствующее окно,
находящееся в настройках.
4.2.8 Увеличить напряженность поля до величины, при которой размах петл будет
состовлять 12-15% от максимальной, свернуть окно.
4.2.9 Активировать режим «температура». При этом автоматически включается
термостат (загорается и мигает красный светодиод на лицевой панели) и производится
измерение емкости образца и построение двух графиков tg δ = f (Т) и ε = f (T), также в
автоматическом режиме. Графики отображаются на мониторе. По окончании процесса
измерения окно автоматически сворачивается.
4.2.10 В базе, в окне текущие данные проверить наличие графиков (основная
кривая поляризации, графики tg δ = f (T) и ε = f (T)). Просмотр кривых происходит с
79
помощью активации правого окна в текущих данных (равносторонний треугольник).
Стирание - « - «.
4.2.11 На графиках определить основные характеристические точки.
4.3 Работа с графиком:
- для уменьшения масштаба графика используйте кнопку<75>, при этом масштаб
графика изменяется на 75%;
- для увеличения – установите курсор мыши в верхний левый угол выбранного
вами участка, нажмите левую клавишу мыши и ведите, не отпуская ее в правый нижний
угол участка, при отсутствии изменения проверьте состояние кнопки Авто-масштаба,
она должна быть в отжатом состоянии;
- для возврата к прежнему масштабу нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская
клавиши, проведите мышью в сторону левого верхнего угла;
- для расстановки характерных точек поместите курсор мыши в выбранный
участок кривой (при этом курсор имеет вид перекрестия) и нажмите левую кнопку
мыши;
- для удаления лишней характерной точки подведите курсор мыши к удаляемой
точке (при этом курсор переменится) и нажмите левую кнопку мыши.
Изменения в базу данных будут внесены при нажатии кнопки <сохранить>.
3.4 При подготовке к защите данной работы:
- определить значения параметров основной кривой поляризации по графику
кривой на экране;
- определить точку Кюри (Θк);
- дать качественную характеристику сегнетоэлектрических свойств исследуемого
материала.
Контрольные вопросы
1. Какие материалы относятся к диэлектрикам?
2. Какие виды поляризации присущи диэлектрикам?
3. Что собой представляет поляризуемость, вектор поляризации?
4. Дайте характеристику диэлектрической проницаемости, физический смысл.
5. Поясните сущность быстрых поляризаций.
6. Релаксационные виды поляризации, их сущность.
7.Самопроизвольная поляризация.
8. Время релаксации и диэлектрические потери.
9. Охарактеризуйте виды диэлектрических потерь.
10. Условия возникновения потерь на электропроводность.
11. Что такое электрическая прочность диэлектрика?
12. Виды пробоя и их сущность.
13. Назовите эксплуатационные свойства диэлектриков.
14. Дайте развернутую классификацию диэлектрических материалов
возможности управления основными параметрами.
15. Сходство и отличие электроизоляционных и конденсаторных материалов.
16. Полимеры, их химический состав, строение и области применения.
17. Пластики, их сходство и отличия от полимеров.
18. Способы получения полимеров.
19.Структурирование и деструкция полимеров.
20. Особенности термопластичных и термореактивных полимеров.
21. Платики с наполителем, виды и область их применения.
80
по
22. Эластомеры и область их применения.
23. Лаки, эмали, компаунды и их назначение.
24. Стекла, их разновидности, состав и технология изготовления.
25. Особенности структуры, получения и применения ситаллов.
26. Керамика, ее состав, виды и область применения.
27. Активные диэлектрики и их виды.
28. Сегнетокерамика и ее свойства. Область применения.
29.Диэлектрический гистерезис и его зависимость от температуры.
30. Пьезоэлектрики, состав и свойства.
31. Пьезокерамика и ее свойства
32. Область применения пьезоэлектриков.
33. Электреты, их получение и область применения.
34. Материалы для производства твердотельных лазеров.
35. Жидкокристаллические материалы и область их применения.
Литература
1. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа,2002.
2. Орешкин П.Г. Физика полупроводников и диэлектриков. – М.: Высшая школа,
1977. Материалы в приборостроение и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина.
– М.: Машиностроение, 1969.
3. Материалы в приборостроение и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина.
– М.: Машиностроение, 1982.
4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В.
Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергия, 1987 (т.2).
5. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В.
Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергия, 1987 (т.3).
6. Электротехнические материалы: Справочник / В.Б. Березин, М.С. Прохоров, Г.А.
Рыков, А.М. Хайкин. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
7. Фролов А.Д. Радиодетали и узлы. – М.: Высшая школа, 1975.
8. Волгов В.А. Детали и узлы. – М.: Энергия, 1977.
9. Неметаллические материалы: Методическая разработка / Сост.: Э.Н. Бородаева,
С.Ю. Софронова, ЛИАП, 1980, ч.1.
10. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1978.
11. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы. – М.: Мир, 1965.
12. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.
13. Фотоника / Под ред. М.И. Елинсона. – М.: Мир, 1978.
14. Рябцев Н.Г. Материалы квантовой электроники. – Л.: Советское радио, 1972.
15. Казанкин О.Н. Неорганические люминофоры. – Л.: Химия, 1975.
16. Капустин А.П. Электрические и акустические свойства жидких кристаллов. – М.:
Советское радио, 1973.
17. Материаловедение и материалы электронной техники. Текст лекций/ М. А.
Плотянская, И. А. Киршина, О. М. Филонов. – СПб. : ГУАП, 2004. – 150 с.
18. Материаловедение/ Под ред. Г.Г.Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В.Рыбалко, -М.:
Юрайт, 2012
81
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
26
Размер файла
1 177 Кб
Теги
kirshina3
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа