Применение диэлектрических материалов

1.1. Применение диэлектрических материалов

В настоящее время из диэлектрических материалов выполняются многочисленные изделия технического и бытового назначения. Ранее рассмотрены физические свойства диэлектрических материалов, определяющие их практическое применение.

К диэлектрикам относится чрезвычайно широкий круг материалов как органического (синтетические смолы, каучуки, волокнистые материалы), так и неорганического (стекла, керамика) происхождения. Широкое практическое применение нашли диэлектрические материалы в твердом, жидком и газообразном состояниях, а также в виде плазмы (при пробое газа). Синтетическими называют материалы, полученные с помощью синтеза - реакции полимеризации из веществ-мономеров. Эти материалы носят также названия: полимеры, пластические массы, синтетические смолы. К искусственным относятся материалы, полученные химической переработкой сырья природного происхождения (целлофан, бумага, вискоза, ацетат). Существует также множество композиционных материалов самого разнообразного состава, включающие в себя как синтетические, так и искусственные компоненты (целлулоид, слоистые пластики, фенопласты, аминопласты).

Выделим ряд основных групп диэлектрических материалов в твердом состоянии: синтетические смолы (пластмассы, полимеры); эластомеры; волокнистые материалы; слоистые пластики; стекла; керамика, природные неорганические диэлектрики.

Пластические массы

Основным веществом, образующим пластмассу, является синтетическая смола. Для производства пластмасс применяют два типа смол: термопластичные и термореактивные.

Смолы, сохраняющие способность плавиться при повторном нагревании и затвердевающие при охлаждении, называются термопластичными.

Термореактивными называются такие смолы, которые затвердевают при повышенной температуре и переходят в неплавкое и нерастворимое, т. е. необратимое состояние.

Полиэтилен (СН₂-СН₂)_n относится к синтетическим смолам и представляет собой продукт полимеризации этилена, газа, получаемого термическим разложением углеводородов или пиролизом жидкого нефтяного сырья. В зависимости от свойств полученного полимеризата различают три основные группы полиэтиленов: 1) низкой плотности, 2) средней плотности, 3) высокой плотности. Сравнительные свойства полиэтиленов, полученных разными методами, приведены в табл. 2.1.

Полиэтилен отличается высокой химической стойкостью к агрессивным средам, за исключением минеральных кислот. Вода практически не сорбируется полиэтиленом.

Рекомендуемые материалы

Переработка полиэтилена осуществляется обычными методами переработки термопластов (литье под давлением, экструзия, прессование и т.д.).

Величина молекулярной массы, степень кристалличности, степень разветвленности линейного полимера, а также вид надмолекулярной структуры оказывают большое влияние на физико-механические свойства полиэтилена. В настоящее время известны различные марки полиэтиленов с молекулярной массой от 20 000 до 6 500 000. Полиэтилен с молекулярной массой выше 100 000 получил название высокомолекулярного полиэтилена.

Таблица. 2.1

Свойства литьевых полимеров, полученных разными методами

С увеличением молекулярной массы уменьшаются плотность и жесткость материала, но улучшаются антифрикционные свойства, износостойкость и ударопрочность. Оптимальные свойства высокомолекулярного полиэтилена как конструкционного антифрикционного материала достигаются при молекулярной массе, равной 1 000 000. Прочностные свойства у полиэтиленов с молекулярной массой более 1 000 000 остаются практически одинаковыми.

Полиэтилен является неполярным диэлектриком и характеризуется высокими изолирующими свойствами: ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м; ε = 2,3 - 2,4; tg δ ~10^-4; E_пр = 15 – 20 МВ/м.

Полиэтилен обладает стойкостью к действию кислот и щелочей, из него изготавливают химическую посуду, пробки, крышки. Высокое относительное удлинение перед разрывом (300 – 750 %, см. табл. 2.2.) создает технологические преимущества при формировании изделий сложной формы. Полиэтилен применяют для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых кабелей. Полиэтиленовую пленку используют как упаковочный материал.

Таблица 2.2.

Свойства синтетических смол

Примечание. В таблице приведены приближенные данные для синтетических смол без наполнителей.

Нагревостойкость полиэтилена при кратковременном нагреве ограничивается быстрым снижением механической прочности, а при длительном воздействии повышенной температуры - окислением в условиях доступа воздуха. Недостатком полиэтилена является также наличие пластической деформации под влиянием механического напряжения.

Многие свойства полипропилена аналогичны свойствам полиэтилена, однако имеются принципиальные отличия, что является причиной его более частого применения. Модуль упругости, сопротивление на изгиб, прочность на разрыв, пластические свойства у полипропилена лучше, чем у полиэтилена высокой плотности (относительное удлинение перед разрывом 500 - 700 %).

Химическая устойчивость к большинству веществ достаточно высока, за исключением серной и соляной кислот при повышенных температурах. Устойчивость к ультрафиолетовому излучению недостаточная, однако для улучшения этой устойчивости используют стабилизаторы.

Полипропилен (табл. 2.2) обладает высокой температурой размягчения (165 - 170 °С), большей, чем у многих термопластиков. В связи с этим его можно использовать при значительно более высоких температурах.

Полистирол (табл. 2.2) обладает меньшей по сравнению с полиэтиленом пластичностью, т. е. значительно более низкой величиной относительного удлинения перед разрывом. Поэтому полистирол проявляет хрупкость (особенно при пониженной температуре), склонность к постепенному образованию поверхностных трещин. Недостаток прочности полистирола устранен в так называемом ударопрочном полистироле, который получают в результате сополимеризации стирола с различными каучуками. Чем больше каучука в материале, тем выше его прочность и сопротивляемость ударам.

Диэлектрические свойства полистирола характеризуются следующими параметрами: ρ ≈ 10¹⁴ - 10¹⁵ Ом·м; ε = 2,4 - 2,6; tg δ ~10^-4; E_пр = 20 – 35 МВ/м.

Полистирол характеризуется низкой стойкостью к действию растворителей (в частности, жидких углеводородов) и невысокой нагревостойкостью. К достоинствам этого материала, как и полиэтилена, относится низкая гигроскопичность. Он легко окрашивается в различные цвета и оттенки.

Полистирол и его полимеры широко используются  для изготовления конструкционных элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Фторопласты (или фторлоны, фторполимеры), к которым относится ПТФЭ, - это полимеры и сополимеры галогенпроизводных этилена и пропилена. Фторопласт-4 - продукт суспензионной полимеризации тетрафторэтилена, фторопласт-4Д - продукт эмульсионной полимеризации тетрафторэтилена. Фторопласт-4 и модифицированный фторопласт-4ДМ составляют более 90 % от общего объема выпуска фторопластов и являются основными представителями фторполимеров. Они перерабатываются методами, близкими к методам производства изделий в порошковой металлургии. Изделия из ПТФЭ изготовляют механической обработкой. ПТФЭ, по праву называемый благородным пластиком, обладает исключительной химической стойкостью, превосходя в этом отношении даже золото и платину: на него не действуют соляная, серная и плавиковая кислоты, а также щелочи. Широкое использование этого материала ограничивается его относительно высокой стоимостью. Химическая посуда из фторлона-4 применяется для хранения лишь наиболее химически активных реактивов. Политетрафторэтилен негигроскопичен и не смачивается водой, обладает высокими износостойкостью и пластичностью (табл. 2.2). Он совершенно негорюч, отличается чрезвычайно широким температурным диапазоном возможной эксплуатации (табл. 2.2). Может подвергаться нагреванию до температуры 90 - 200 °С и охлаждению в таких же пределах до отрицательных температур. Фторопласт-4, хотя и относится к термопластичным материалам, не подвергается размягчению при высоких температурах вследствие большой молекулярной массы полимера. При температуре 280 - 300 °С он выделяет ядовитый газообразный фтор.

Отличительными особенностями фторопласта-4 являются его высокие антифрикционные свойства и способность к самосмазыванию, что позволяет использовать его в отсутствие доступа смазки. При малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках коэффициент трения полимера по стали равен 0,04. Однако фторопласт-4 в отличие от других антифрикционных материалов склонен к значительному износу при нагрузках, превышающих 1 МПа. По износостойкости ПТФЭ значительно уступает другим термопластам, хотя и обладает наименьшим коэффициентом трения.

По электроизоляционным свойствам ПТФЭ принадлежит к лучшим из известных диэлектриков: его  ε = 1,9 - 2,1 при частотах от 50 до 1010 ГЦ; tg δ ~10^-4; удельное сопротивление ρ ≈ 10¹⁶ Ом·м; E_пр = 20 – 30 МВ/м.

Комплекс уникальных физико-химических свойств делает этот материал незаменимым для электрической изоляции в наиболее ответственных случаях, создания емкости пленочных конденсаторов при применении на высоких и сверхвысоких частотах.

Поливинилхлорид (ПВХ) (табл. 2.2) стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он обладает низкой прочностью, в связи с чем не используется при действии механической нагрузки. Кроме того, ПВХ проявляет нестабильность свойств под влиянием тепла и света. При добавлении различных пластификаторов (трудно испаряющихся органических жидкостей) он        используется для изготовления пластических масс и резиноподобных материалов.  Поливинилхлорид характеризуется следующими диэлектрическими параметрами: ρ ≈ 10¹³-10¹⁴ Ом·м;  ε = 3,0 - 5,0; tg δ ~10^-4; E_пр = 15 – 20 МВ/м. Свойства материала зависят от параметров различных добавок (красителей, стабилизаторов, пластификаторов и др). На основе ПВХ разработано большое число пластикатов (винипластов) разной степени эластичности, прозрачных и окрашенных. Изделия из пластикатов обладают устойчивостью к различным видам внешних воздействий, мягкостью, сочетающейся с упругостью, хорошими органолептическими свойствами.

Введение в композиционные ПВХ-материалы стабилизаторов, пластификаторов и других добавок приводит к улучшению механических свойств исходного материала и обеспечивает возможность обработки. Однако улучшение механических свойств сопровождается снижением химической стойкости.

Винипласты (ПВХ-пластикаты) широко применяются для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей, аккумуляторных баков и т.п.

Полиакрилаты - продукты полимеризации акриловой или метакриловой кислот и их производных в присутствии катализаторов и инициаторов. Полиметилметакрилат (ПММА), называемый также оргстеклом, - полимерный материал в виде листов разной толщины получают полимеризацией мономера метилметакрилата в форме из силикатного стекла или металла.     

ПММА характеризуются следующими диэлектрическими свойствами: ρ = 10¹¹ - 10¹² Ом·м; ε = 3,5 – 4,5; tg δ ~10^-2; E_пр = 20 – 35 МВ/м.

ПММА отличается низким водопоглощением (в воде при температуре до   60 °С - максимально 1,5 %). ПММА перерабатывается в изделия методом вакуумформования, штамповкой, легко поддается механической обработке, склеивается.

Фторированный ПММА (ПММАФ) по сравнению с обычным ПММА обладает более высокими механической прочностью, теплостойкостью, износостойкостью и устойчивостью к действию доз высоких энергий. После пребывания ПММАФ в изотоническом растворе натрия хлорида в течение 8 мес. удельная ударная вязкость практически не изменяется.

"Холоднотвердеющие" акрилаты состоят из порошка, в состав которого входят полимер (или сополимеры акрилатов) и инициатор (перекись бензоила), а также жидкости - мономер метилметакрилата с катализатором. Они самополимеризуются при смешивании порошка и жидкости в комнатных условиях. Отверждение полимер-мономерных композиций в соотношении 2:1 происходит при комнатной температуре за 8 - 15 мин. Полимеризаты "холоднотвердеющих" композиций в отличие от акрилатов "горячего" отверждения характеризуются значительно более высоким содержанием остаточного мономера и водопоглощаемостью.

Акрилцемент состоит из порошка, представляющего собой полимер по-лиметилметакрилат (ПММА) с добавкой инициатора – перекиси, и жидкости-мономера - метилметакрилата (ММА) с ускорителем-амином. После смешивания порошка с жидкостью в течение 2-4 мин порошкообразный полимер набухает в жидком мономере и склеивается, а через 8-9 мин под воздействием катализатора и ускорителя происходит полимеризация ММА с выделением тепла и образованием твердого, стеклообразного полимерного материала.

Отвержденный полимер содержит 3 - 5 % остаточного мономера и обычно имеет газообразные включения. Остаточный мономер может диффундировать из объема полимера на его поверхность. Из-за наличия остаточного мономера ММА в отвержденном материале акрилцемент по прочности на изгиб и удар уступает другим техническим маркам ПММА.

Полиакрилаты имеют хорошую холодо-, масло- и щелочестойкость. В зависимости от вида спиртового остатка в молекуле мономера материал может иметь различные механические свойства - прочность, твердость, эластичность (табл.2.2). Оргстекло применяется как конструкционный материал для изготовления прозрачных деталей аппаратуры, защитных стекол в бестеневых светильниках. Оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи (по этому показателю материал находится на втором месте после кварцевого стекла).

Полиамиды - полимеры с линейным строением молекул, в цепи которых содержатся амидные группы -CO-NH-. Эти материалы обладают высокой химической стойкостью, растворимы лишь в ограниченном числе растворителей (например, в крезоле и расплавленном феноле).  Диэлектрические параметры полиамидов: ρ = 10¹¹ - 10¹² Ом·м; ε = 3,0 – 4,0; tg δ ~10^-2; E_пр = 15 – 20 МВ/м.  Наиболее распространенными полиамидами являются капрон и нейлон.

Полиамиды характеризуются лучшим по сравнению с полиолефинами (полиэтиленом, полипропиленом) физико-механическими свойствами: более высокими прочностью, сопротивлением к ударным нагрузкам, низким коэффициентом трения. Их широко применяют для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и т.п.

Полиуретаны (ПУ), относящиеся к полиамидам, – это продукты взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Термин "полиуретан" применяется также к полимерным продуктам, получающимся в результате реакции между полиизоцианатом и веществами, включающими карбоксильные (СООН) и аминные (H₂N) группы. Вследствие этого производится значительное количество полиуретанов в разнообразных физических формах, включая твердую пену, мягкую пену и твердые эластомеры.

Диэлектрические свойства полиуретанов зависят от технологии получения и изменяются в довольно широких пределах: ρ = 10¹¹ - 10¹⁴ Ом·м; ε = 3,0 – 4,5; tg δ =0,002 – 0,020; E_пр = 15 – 25 МВ/м.  

Полиуретаны используются для эмалирования проводов. Недостатком является склонность к размягчению эмалевой пленки при температурах выше 150 °С.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) (или лавсан, дакрон, терилен) относится к классу сложных эфиров и получается реакцией переэтерификации диметилтерефталата этиленгликолем в присутствии катализаторов и последующей поликонденсации полученного дигликольтерефталата. Отличительной особенностью ПЭТФ является его способность к кристаллизации: при быстром охлаждении расплава получается аморфный полимер, а при нагревании до температуры 190 - 200 °С - полимер со степенью кристаллизации 55-75 %.

Характерными для ПЭТФ являются следующие диэлектрические параметры: ρ = 10¹² Ом·м; ε = 3,5 – 4,5; tg δ = 10^-2; E_пр = 20 – 25 МВ/м.  

Кристаллический ПЭТФ - конструкционный материал с высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью, обладает более высокими прочностными свойствами по сравнению с полиолефинами и полиамидами, однако уступает им по ударной вязкости. Отличительная особенность этого материала - его радиационно-химическая стойкость.

Хорошие механические качества волокон из ПЭТФ используются при изготовлении различных текстильных конструкций: тканей, сеток, лент. Достоинством ПЭТФ является высокая температура размягчения (порядка 260 °С). Важной отличительной особенностью ПЭТФ является значительная скорость поглощения им воды при нормальной температуре по сравнению с полиамидами (нейлоном). В то же время в кипящей воде он постепенно гидролизуется, подвержен действию пара.

ПЭТФ применяется для изготовления синтетических волокон, гибких пленок, изоляции эмалированных проводов и т.п.

Термореактивные пластмассы, как правило, содержат связующую основу (смолы, эфиры), наполнители (древесная мука, асбест, бумага), пластификаторы (спирт, глицерин), красители. Из термоактивных пластмасс широко применяются фенопласты и аминопласты, отличающиеся сравнительно высокой химической стойкостью.

Фенопласты получают на основе фенольно- и креозол-формальдегидных смол. Наполнители вместе со смолой размалывают в порошок, из которого методом горячего прессования в металлических пресс-формах получают различные детали. При этом в пластмассу можно запрессовывать металлические стержни, винты и другую арматуру. Заводы электропромышленности изготовляют из фенопластов штепселя, розетки, патроны, выключатели и другие изделия.

Аминопласты получают из мочевинно-формальдегидных смол и сульфитной целлюлозы (наполнитель), красителей и фосфата цинка. Из аминопластов путем прессования получают детали, имеющие яркую окраску различных цветов. Фенопласты и аминопласты широко используют для изготовления деталей аппаратов и приборов.

Диэлектрические свойства фено- и аминопластов характеризуются следующими диэлектрическими параметрами: ρ = 10¹¹-10¹² Ом·м; ε = 5,0 – 6,5; tg δ =10^-2 -10^-1; E_пр = 10 – 20 МВ/м.  

Эластомеры

Эластичные изделия получают на основе натурального или синтетических каучуков, которые являются основным компонентом резины. Натуральный каучук (материал растительного происхождения) получают из латекса -сока дерева гевеи, растущего в экваториальных странах. Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый натуральный каучук не применяется. Для устранения указанных недостатков каучук подвергают вулканизации, т. е. нагреву до 140 °С после введения в него серы (1-3 %), что позволяет получить мягкую резину, обладающую весьма высокой растяжимостью и упругостью. Относительное удлинение ее перед разрывом составляет 700 - 800 %. Натуральный каучук практически неполярен: он имеет ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м; ε = 2,4; tg δ =0,002. Вулканизация приводит к усилению полярных свойств материала из-за влияния атомов серы. Для обычных электроизоляционных резин ρ ≈ 10¹³ Ом·м; ε = 3 - 7; tg δ =0,02 – 0,10; E_пр = 20 – 30 МВ/м.  

Резина на основе натурального каучука имеет ряд недостатков: низкую нагревостойкость (при нагреве резина стареет, становится хрупкой и трескается); малую стойкость к действию растворителей (бензола, бензина, ацетона), малую стойкость к действию света, особенно ультрафиолетового, под влиянием которого резина быстро стареет.

Резину широко применяют для  изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей, изготовления защитных перчаток, галош, ковриков, изоляционных трубок.

Синтетические каучуки (бутадиеновый, хлоропреновый) получают на химических предприятиях. Эти материалы стареют не так быстро, как резина, и сохраняют эластичность даже при низких температурах (до -60 °С). Синтетический каучук более стоек к действию кислорода воздуха, перепадам температуры, солнечному свету, более прочен, однако отличается более высокой стоимостью.

Материалы на основе волокон

Большая часть волокнистых материалов относится к органическим веществам. К ним принадлежат метериалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр.) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные и синтетические волокна. К материалам на основе волокон относятся бумага, картон, ткани. Электроизоляционные параметры материалов на основе волокон невысоки: ρ = 10⁶-    -10⁸ Ом·м; ε = 4 - 10; tg δ = 0,1; E_пр = 25 – 35 МВ/м при постоянном напряжении и E_пр = 12 – 15 МВ/м при переменном напряжении частоты 50 Гц. К недостаткам волокнистых материалов относится высокая гигроскопичность.

Свойства волокнистых материалов можно существенно улучшить путем пропитки, поэтому для электрической изоляции их обычно применяют в пропитанном состоянии. Примерами являются бумага, пропитанная конденсаторным маслом или лаком; ткань, пропитанная лаком (лакоткань).

В тех случаях, когда требуется высокая рабочая температура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не могут, применяют неорганические материалы, в частности стеклянное волокно и асбест.

Слоистые пластики

Слоистые пластики относятся к термореактивным материалам. Они представляют собой пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал (бумага, ткань, нетканый материал) с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств.

В зависимости от назначения различают слоистые пластики конструкционные, электроизоляционные и декоративные.

В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах (ρ = 10⁸- 10¹⁴ Ом·м; ε = 6 - 8; tg δ = (2 – 10)´10^-2; E_пр = 8 – 33 кВ/мм при толщине h = 1 мм). Слоистые пластики обладают высоким уровнем механических свойств, могут длительно эксплуатироваться при температурах до 180 °С. Наиболее распространенные слоистые пластики – гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают путем прессования нескольких слоев бумаги, пропитанной олигомерами феноло- или крезолоформальдегидных смол или их смесями. При температуре 150 – 160 °С и давлении 6 -10 МПа олигомер расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными её листами и затвердевает.

Сравнительно новые материалы – гетинакс на основе полиэтилентерефталатной бумаги и эпоксидной смолы. Отличительные особенности гетинакса на основе ПЭТФ-бумаги – высокие показатели влагостойкости, механических и электрических свойств, хорошая перерабатываемость методом штамповки [6].

Фольгированный гетинакс производят для изготовления печатных плат для схем низкочастотных устройств радиоэлектроники. Он представляет собой листовой материал, покрытый с одной или с обеих сторон фольгой из электролитической меди (99,9 %).

Текстолит представляет собой слоистый пластик, изготовленный из нескольких слоев ткани, предварительно пропитанной олигомером фенолоформальдегидной смолы. В качестве наполнителя могут использоваться ткань хлопчатобумажная, стеклянная, полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распротраненным является текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. По сравнению с гетинаксом он значительно дороже (в качестве наполнителя используется ткань), однако обладает более высокими механическими свойствами. Электрические свойства текстолита примерно такие же, как и у гетинакса, за исключением более низкой электрической прочности. Текстолит применяют в изделиях, подвергающихся ударным нагрузкам или истиранию (детали переключателей и т.п.).

В производстве электротехнического стеклотекстолита используют стеклоткань, полученную из алюмоборосиликатного стекла с содержанием окислов щелочных металлов не более 0,5 %. В качестве связующего используют кремнийорганические лаки или композиции на основе кремнийорганических и эпоксидных смол. Изготавливают также фольгированный стеклотекстолит, имеющий более высокие влаго- и термостойкость по сравнению с фольгированным гетинаксом. Электрическая прочность стеклотекстолита почти в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

Неорганические стекла

Стекловидные вещества характеризуются тем, что при охлаждении затвердевают, не кристаллизуясь, образуют неупорядоченное твердое тело. Свойства такого тела постоянны независимо от пространственного направления.

Стекла по своему строению неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться поры, включения других веществ. При этом поры составляют до 60 % объема стекла, поэтому электрическое поле в нем неоднородно, что приводит к существенному снижению электрической прочности.

По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов. Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные на основе SiO₂. Стекла подразделяются на 1) щелочные (оконные, бутылочные и т.п.), содержащие окислы натрия и калия; 2) щелочные с высоким содержанием окислов тяжелых металлов (PbO, BaO); стекла с большим содержанием PbO называют флинтами, а с большим содержанием BaO – кронами; 3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую двуокись кремния SiO₂. Последние два вида используют в качестве электроизоляционных и оптических стекол. У них высокие значения ε и ρ и малые tg δ. Например, для кварцевого стекла ε = 3,8; ρ = 10¹⁵ Ом·м; ε = 6 - 8; tg δ = 2*10^-4; E_пр = 60 МВ/м.

Оптическое стекло применяется в изготовлении линз очков и медицинских приборов. Имеется семь сортов класса крон и семь сортов флинтов, что позволяет подобрать стекла с нужным показателем преломления от 1,47 (легкий крон) и до 1,75 – тяжелый флинт. Очковые стекла изготавливают из стекла класса крон с показателем преломления n_D=1.52.

При изготовлении очков-светофильтров для световой защиты глаз сварщиков, металлургов и др. применяют цветное стекло: окрашенное в синий цвет окислами кобальта и железа, желто-зеленого цвета, окрашенное окислами железа с различным коэффициентом пропускания светового потока.

Наконец, для защиты от рентгеновских и гамма-лучей изготовляют специальное защитное стекло с большим содержанием окислов свинца, ослабляющего энергию излучения и снижающего дозу, действующую на человека, до установленных допустимых значений.

Большинство стекол благодаря содержанию смеси оксида железа сильно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие менее 0,02% Fe₂O_3, обладают прозрачностью для ультрафиолетовых лучей; хорошо пропускают эти луча кварцевые стекла, которые применяют в специальных кварцевых лампах, дающих ультрафиолетовое излучение.

В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических стекол: электровакуумные, изоляторные, конденсаторные, стеклоэмали, стекловолокна.

Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов. Важнейшее требование к таким стеклам – очень близкие коэффициенты термического расширения у спаиваемых друг с другом стекла и металла.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станционных — опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко используют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и германиевых транзисторах и др.

Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Е_пр и ε, а у стекол для высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tg δ.

Стеклоэмали — это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых резисторов представляет собой борно-свинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РbО — 27 %, Н₃ВО₃ — 70 %, МnО₂ — 3 %; Т_р≈ 600 °С, для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок. Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, нагретого до определенной температуры, посыпают порошком стеклоэмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1—0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно наносить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химостойкостью и большей (на 20—25 %) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4—7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах. Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики — световодов, которые в настоящее время широко используют в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложенных в пучки световедущих волокон диаметром 20—30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5—6 мм. Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким образом, чтобы коэффициент преломления света n₁ сердцевины был больше коэффициента преломления света n₂ оболочки (n₁> n₂). Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов, баритовых флинтов и сверхтяжелых кронов, а для изготовления оболочек — стекла типа крона или легкого крона. Стекла указанных типов изготавливают на основе чистого кварца.

Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина-оболочка и выходит из противоположного торца. Качество световода (потери световой энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на всех этапах его производства.

Так, например, для освещения используют более дешевые полимерные волокна из полиметилметакрилата, полистирола и др.

Ситаллы — это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30—95 %, а размер кристаллитов 0,01—2 мкм, усадка при кристаллизации достигает 2 %. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».

При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500—700 °С) происходит образование центров кристаллизации, на второй (при 900—1100 °С) - кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют ТiО₂, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.

Особую область применения имеют фотоситаллы. Если подвергнуть заготовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через трафарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облученная часть поверхности. Эта закристаллизованная часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и протравить кислотой и т.д., до тех пор, пока изделие не примет нужную форму.

Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у стекол того же состава, а по сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая Е_пр. ε=5-7, ρ =10¹⁰-10¹² Ом·м; tg δ = (l-80)·10^-3; Е_пр = 20-80 МВ/м, интервал рабочей температуры от - 50 до 700 °С.

Ситаллы используют в качестве подложек для тонкопленочных и гибридных микросхем, опор для крепления разрядников.

Керамические диэлектрики

Керамические материалы (фарфор и фаянс) получают в результате обжига при высокой температуре смеси, приготовленной из глины с добавлением кварца (песка) и полевого шпата.

Керамические материалы могут быть весьма разнообразны по свойствам и применению. Фарфоровые изделия имеют высокую стойкость к тепловому старению. Фарфор имеет высокий предел прочности при сжатии (400 - 700 МПа), значительно меньший предел прочности при растяжении (45-70 МПа) и при изгибе (80-150 МПа), повышенную хрупкость при ударах.

Процесс производства керамических изделий проходит в три основных этапа: 1) приготовление керамической массы путем очистки от примеси ее составляющих компонентов, тщательного их измельчения и перемешивания с водой в однородную массу; 2) формирование изделия заданной конфигурации и размеров методом формования, прессования, выдавливания или литья; 3) сушка, обжиг.

Основным представителем установочной низкочастотной керамики является электрофарфор, который широко применяется для изготовления изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также различных установочных деталей (розеток, вилок, ламповых патронов и т.п.). В отличие от других видов керамики электрофарфор обладает более низкими электрическими и механическими свойствами. Преимущества состоят в возможности изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Радиофарфор представляет  собой  фарфор,   стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок является дальнейшим усовершенствованием радиофарфора, характеризуется значительным содержанием А1₂О₃. значение tgδ ультрафарфора меньше, а ρ больше, чем обычного электротехнического фарфора. Кроме того, ультрафарфор имеет повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность, а также теплопроводность.

Высокоглиноземистая керамика (алюминоксид) в основном состоит из корунда. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с высокой температурой обжига (до 1750 °С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600 °С), очень высокой механической прочностью и теплопроводностью (коэффициент теплопроводности в 10—20 раз выше, чем у фарфора).

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности А1₂О₃) поликор (за рубежом — люкалокс) в отличие от обычной (непрозрачной) корундовой керамики прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных электрических источников света; он имеет  ρ на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика. 

Стеатит - разновидность керамики, изготовляемая на основе талька 3MgO·4SiO₂·Н₂О. В то время как фарфор состоит в основном из силикатов алюминия, стеатитовая керамика — из силикатов магния. Электроизоляционные свойства стеатита высоки [2].

Керамические диэлектрики характеризуются высоким удельным сопротивлением (ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м) и малым тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ = 10^-4 – 10^-3) даже при повышенных температурах ( до 1000 °С). Значение ε = 6 - 10. В конденсаторостроении применяют керамические материалы - сегнетоэлектрики с высокой ε (до 10 000 и более).

Металлизация керамики, проводимая обычно нанесением серебра методом вжигания, обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом. Это имеет особое значение для герметизированных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

Природные неорганические диэлектрики

К природным минеральным неорганическим диэлектрикам относятся слюда и асбест.

Слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью. В тонких слоях многие виды слюды прозрачны.

Слюда встречается в виде кристаллов, которые легко расщепляются на тонкие пластинки по параллельным друг другу плоскостям. По химическому составу слюда – водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: м у с к о в-и т, состав которого приближенно может быть выражен формулой

K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O,

и   ф л о г о п и т

K₂O·MgO·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O.

Фактический состав природных слюд много сложнее из-за присутствия в них примесей.

Вместе с этой лекцией читают "33 Теплообмен излучением".

По сравнению с флогопитом мусковит обладает лучшими электроизоляционными свойствами, более прочен механически, тверд, гибок и упруг. Допустимая рабочая температура слюд ограничивается выделением входящей в их состав воды (у мусковитов обычно при 500 - 600 °С, у флогопитов – при 800 - 900 °С), что связано с потерей прозрачности, увеличением толщины (“вспучиванием”) и разрушением кристаллической структуры; обезвоженные слюды плавятся при температуре 1250 - 1300°С [2].

Значение ε слюд составляет 6 – 8; tg δ  ~ 10^-4; ρ =10¹¹ – 10¹⁴ Ом·м.

По применению в радиоэлектронике различают к о н д е н с а т о р н у ю слюду – прямоугольные пластинки мусковита, применяемые в качестве диэлектрика в слюдяных конденсаторах; т е л е в и з и о н н у ю слюду – пластинки мусковита, образующие диэлектрическую основу фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках.

С л ю д я н ы е   д е т а л и   д л я   э л е к т р о н н ы х   п р и б о р о в – штампованные фасованные детали, служащие для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных приборах.

Асбест – неорганический природный волокнистый материал, состоящий в основном из минерала хризотила 3MgO·2SiO₂·2H₂O. Для улучшения механических свойств к асбестовому волокну добавляют в небольших количествах хлопчатобумажное. Из асбестовых нитей получают шнуры, ткани, бумагу и другие изделия. Иногда применяется асбест со связующими волокнами (асбоцемент, асботекстолит, асбогетинакс и др.)

Основным приемуществом асбеста является высокая нагревостойкость: он разрушается, теряя кристаллизационную воду лишь при 450 - 700 °С (температура плавления 1450 - 1500 °С). Значение ρ=10⁶ – 10¹⁰ Ом·м. Асбестовые электроизоляционные материалы применяют главным образом для высокотемпературной электроизоляции, а также теплоизоляции.