150550 (Пассивные диэлектрики)

ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

1. Газообразные и жидкие диэлектрики

К пассивным относятся электроизоляционные, конструктивные и конденсаторные диэлектрические материалы, органические полимерные диэлектрики, композиционные порошковые пластмассы, слоистые диэлектрики, электроизоляционные лаки и компаунды, неорганические стекла и ситаллы, керамика.

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. Они имеют высокое удельное сопротивление ( 110¹⁸ Омм), малую диэлектрическую проницаемость ( 1), малый тангенс диэлектрических потерь (tg 110^-6). Недостатком газов является низкая электрическая прочность, которая сильно зависит от давления и химического состава газа. Газы, содержащие галогены (фтор, хлор и др.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют по сравнению с воздухом более высокую электрическую прочность.

Жидкие диэлектрики подразделяются на минеральные (нефтяные) масла, синтетические жидкости, растительные масла. Электрические свойства жидких диэлектриков очень высоки. Примеси и загрязнения (вода, газы, мельчайшие механические частицы) даже в небольших количествах сильно снижают их. Электрическая прочность жидких диэлектриков на высоких частотах ниже, чем на низких.

Основное назначение жидких диэлектриков - это повышение электрической прочности изоляции, вследствие заполнения пор в волокнистой изоляции и промежутков между деталями силовых трансформаторов, отвод тепла от обмоток и сердечников трансформаторов, гашение дуги в выключателях, заливка и пропитка бумажных конденсаторов, пропитка изоляции силовых кабелей и их изоляция.

Нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное) сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при высокой степени очистки обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Трансформаторное масло применяется для заливки силовых трансформаторов. Конденсаторное масло имеет более высокую степень очистки и применяется для пропитки бумажных и пленочных конденсаторов. При пропитки бумаги повышается диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность, уменьшаются габариты, масса и стоимость конденсатора. Кабельные масла используют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Это повышает электрическую прочность изоляции и улучшает отвод тепла. Синтетические жидкие диэлектрики превосходят нефтяные масла по своим свойствам. Они имеют более высокие значения Е_пр и . Применяются для пропитки конденсаторов (совтол) и заливки трансформаторов (совтол).

Кремнеорганические жидкости обладают малыми потерями (tg < 310^-4), низкой гигроскопичностью и высокой нагревостойкостью (до 250 C). Применяются для пропитки пористой изоляции и защиты слюдяных и керамических материалов. Фторорганические жидкости негорючи и взрывобезопасны, имеют малые диэлектрические потери (tg 510^-4) и гигроскопичность, высокую нагревостойкость. Обладают высокой дугостойкостью и лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнеорганические жидкости.

2. Органические полимерные диэлектрики

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, которые получают в результате объединения друг с другом молекул более простых по своему составу веществ - мономеров. Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. При полимеризации увеличивается молекулярная масса, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость.

Полимеры подразделяют на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, так что отношение длины к ее поперечным размерам очень велико (около 1000). Молекулы пространственных полимеров развиты в различных направлениях более равномерно и образуют общую сетку.

Линейные полимеры сравнительно гибки и пластичны; многие из них при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными, а затем расплавляются. После охлаждения их свойства восстанавливаются, они способны растворяться в соответствующих растворителях и при новом повышении температуры размягчаются, то есть линейные полимеры являются термопластичными материалами, сохраняющими линейное строение молекул и при нагреве.

Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, многие из них при повышении температуры химически разрушаются (сгорают, обугливаются и т.п.) еще до достижения температуры плавления. При нагреве у этих материалов происходит необратимое изменение свойств, они запекаются (отверждаются), приобретают пространственное строение. Смолы, которые невозможно вернуть в эластичное состояние повторным нагревом, называются термореактивными. По применению полимерные материалы подразделяют на высокочастотные и низкочастотные.

Высокочастотные полимеры представляют собой неполярные высокомолекулярные соединения, которые характеризуются электронной поляризацией, малой величиной диэлектрической проницаемости ( = 2.2 2.5) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg = (25)10^-4), высоким удельным сопротивлением ( = 10¹⁸10²⁰ Омм), высокой электрической прочностью (Е_пр = 4060 кВ/мм). Вследствие высокой электрической симметрии молекул электрические свойства этих полимеров практически не зависят от температуры и частоты. К высокочастотным полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, политетрафторэтилен (фторо-пласт-4), полистирол. Высокочастотные пластмассы, как правило, состоят из чистых смол, так как наполнители ухудшают их диэлектрические свойства. Они применяются для изготовления изоляции высокочастотных кабелей, изоляции обмоточных и монтажных проводов, каркасов катушек индуктивности, в качестве конструкционных материалов. Из полистирола изготавливается пленка для конденсаторов, называемая стирофлексом. Особенностью фторопласта-4 является высокая для органических веществ нагревостойкость (до 250C). Высокая энергия связи атомов фтора и углерода, симметричная структура молекул, склонность к кристаллизации обуславливает ценные химические и физические свойства фторопласта. По химической стойкости он превосходит золото и платину, негорюч, практически негигроскопичен, не смачивается водой и другими жидкостями. Фторопласт-4 является одним из лучших диэлектриков применяемых в радиотехнике на СВЧ.

К низкочастотным относятся полярные полимеры, у которых из-за асимметричного строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Полярные материалы обладают большей величиной диэлектрической проницаемости ( = 2.86) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg = 210^-3 610^-2), меньшей величиной удельного сопротивления ( = 10¹⁵10¹⁸ Омм). К этим материалам относятся поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), полиэтилентерефталат (лавсан), фторопласт-3, полиамидные смолы. Они используются для изоляции проводов и защитных оболочек кабелей, как конструкционные материалы для электро- и радиотехнических изделий, работающих на низких частотах, в качестве диэлектрика конденсаторов (лавсан) и для их герметизации (полиуретан) и др.

3. Композиционные порошковые пластмассы и слоистые диэлектрики

Композиционные порошковые диэлектрики, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственной смолы - пространственного или линейного полимера) и наполнителей (древесной муки, очесов хлопчатника, каолина, кварцевого песка, стекловолокна и т.д.) с добавками красителей и пластификаторов. Наполнитель улучшает электрические и механические свойства изделия. В качестве связующего вещества используют формоальдегидные, эпоксидные, кремнеорганические и другие смолы. Среди композиционных пластмасс наилучшими электрическими свойствами обладают пластмассы на основе анилиноформоальдегидной смолы, наилучшими декоративными аминопласты (пластмассы на основе карбамидных смол), им можно придавать любую яркую окраску, в то время как фенолформоальдегидные пластмассы окрашивают только в коричневый или черный цвет. Кремнеорганические смолы используют для получения нагревостойких (до 300C ) пластмасс.

Из композиционных пластмасс изготавливают корпуса промышленной и бытовой радиоаппаратуры, измерительных приборов, ламповые панельки, электротехническую арматуру и др. Слоистые пластики являются разновидностью композиционных пластмасс, в которых в качестве наполнителя используют листовые слоистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенолформоальдегидной смолой. Для производства используется прочная и нагревостойкая бумага. Пропитанную бумагу собирают в пакеты и прессуют при температуре 160C. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Слоистое строение гетинакса обусловливает анизотропию свойств. Гетинакс является сильнополярным диэлектриком. Его диэлектрическая проницаемость = 6 7, а тангенс угла диэлектрических потерь tg = 0.04 0.08 (на частоте 10⁶ Гц).

Для изготовления печатных плат радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. Это гетинакс, облицованный с одной или с двух сторон медной фольгой толщиной 0.035 0.05 мм. Разный температурный коэффициент линейного расширения у гетинакса и фольги вызывает отслаивание фольги при значительных изменениях температуры. Текстолит - пластик, изготавливаемый из пропитанной ткани. Он на много дороже, но имеет лучшие механические свойства. Стеклотекстолиты состоят из бесщелочного стеклянного волокна и фенолформоальдегидной, кремнеорганической или эпоксидной смолы. Они обладают более высокими электроизоляционными свойствами, чем гетинакс или текстолит. Выпускается фольгированный стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы. Он обладает большей нагревостойкостью.

4. Электроизоляционные лаки и компаунды

Лаки и компаунды относятся к твердеющим электроизоляционным материалам. Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющих основу лака в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку. По применению электроизоляционные лаки подразделяют на пропиточные, покрывные и клеящие.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и волокнистой изоляции. Поры заполняются высохшим лаком, имеющим более высокие электрическую прочность и теплопроводность, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.

Покрывные лаки, образуя механически прочную, гладкую, влагостойкую пленку на поверхности твердой изоляции повышают напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции.

Клеящие лаки применяют для склеивания твердых электроизоляционных материалов.

По режиму сушки различают лаки горячей сушки (обычно более 100С) и лаки холодной (воздушной) сушки.

Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ, не содержащие летучего растворителя. При применении находятся в жидком состоянии. Отвердевают в результате охлаждения или химических реакций взаимодействия с отвердителеми в горячем или холодном состоянии. По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточные и заливочные. По свойствам компаунды подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные компаунды обладают более высокой нагревостойкостью. К числу термореактивных компаундов относятся компаунды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение в радиотехнике получили эпоксидные компаунды, которые отличаются высокой механической прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой композиции на основе эпоксидных смол и отвердителей (различных химических соединений являющихся катализаторами отвердения).

Компаунды широко применяют для пропитки и заливки отдельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Их используют для герметизации и опресовки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

5. Неорганические стекла и ситаллы

Cтекла - неорганические аморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

Стекла получаются при быстром охлаждении расплавленной стекломассы для уменьшения вероятности перехода в кристаллическое состояние. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел (SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅). Наибольшее распространение получили силикатные стекла (т.е. на основе SiО₂) благодаря химической устойчивости, дешевизне и доступности сырьевых компонентов.

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

Б е с щ е л о ч н ы е с т е к л а (отсутствуют окислы натрия и калия). Стекла этой группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготовить изделие. В эту группу входит кварцевое стекло (плавленный кварц). Кварцевое стекло имеет наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения из всех известных веществ вообще. Благодаря высокой нагревостойкости и химической инертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое применение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала. По электрическим свойствам кварцевое стекло относят к хорошим высокочастотным диэлектрикам ( = 8, 10¹⁶ Ом м; tg = 2 10^-4 на частоте 10⁶ Гц.).

Щ е л о ч н ы е с т е к л а б е з т я ж е л ы х о к и с л о в или с незначительным их содержанием. Эта группа стекла состоит из двух подгрупп: натриевые; калиевые и калиево-натривые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Введение окисла щелочных металлов существенно ухудшает электрические свойства стекол: возрастают диэлектрические потери и увеличивается диэлектрическая проницаемость, что связано с усилением ионно-релаксационной поляризации, одновременно наблюдается уменьшение удельного сопротивления, так как возрастает количество ионов, участвующих в процессе электропроводности.