[7] Диэлектрические Материалы (987507), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

7.6. Физико-химические свойства диэлектриков

Физико-химические свойства материалов важно знать при разработке технологических процессов изготовления из них деталей для того, чтобы получить надежную к эксплуатации аппаратуру. Поэтому разработчики должны иметь представления, могут ли те или иные материалы обрабатываться химико-технологическими способами — склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т. д.

Особенно важно выбрать материалы, надежные при длитель­ной работе, которые не должны разрушаться с выделением побоч­ных продуктов и вызывать коррозии соприкасающихся с ними ме­таллов; не реагировать с различными веществами: газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т. п. (стойкость к воз­действию этих веществ у разных диэлектриков весьма разно­образна).

Растворимость твердых материалов можно определить по ко­личеству материала, переходящего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с раствори­телем. Нередко растворимость оценивают по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворителе.

Лучше всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие груп­пировки атомов: дипольные вещества в дипольных жидкостях, неполярные в неполярных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (например, парафин, каучук) растворяются в жид­ких углеводородах; дипольные смолы, содержащие гидроксильные группы (феноло-формальдегидные и другие смолы),— в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с по­вышением степени полимеризации (молекулярной массы). Высо­комолекулярные вещества с линейной структурой молекул раство­ряются сравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно или не растворяются. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

7.6.1 Устойчивость к плесени.

При длительном использовании радио­электронной аппаратуры, особенно в странах с тропическим кли­матом, на органических диэлектриках наблюдается развитие пле­сени. Появление плесени ухудшает удельное поверхностное сопро­тивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может также ухудшить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее уязвимы­ми к образованию плесени являются целлюлозные материалы, в том числе и пропитанные: гетинакс, текстолит, ка­нифоль и др.; наиболее стойкими — неорганические диэлектрики: керамика, стекло, слюда, кремнийорганичсские материалы и некоторые органические, например эпоксидные смо­лы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

В защитные покрытия аппаратуры, предназначенной для ис­пользования в странах с тропическим климатом, вводят химика­ты, препятствующие росту плесени и повреждению материалов насекомыми.

7.6.2 Радиационные свойства диэлектриков

Электронную аппаратуру иногда используют при кратковре­менном или длительном воздействии корпускулярных либо вол­новых радиоактивных излучений высокой энергии. Поэтому кроме физических, электрических и химических характеристик в обыч­ных условиях необходимо знать степень устойчивости материалов к воздействию излучений, сохранения ими электрических и меха­нических свойств, т. е. устойчивость к радиационному старению.

Излучения высокой энергии используют также в технологиче­ских процессах для создания у материалов новых ценных для .практики свойств (например, повышенной нагревостойкости) или при синтезе новых материалов с такими свойствами, которые не­возможно было получить ранее.

В некоторых случаях наряду с использованием основных элек­трических и механических свойств от материалов требуется выполнение функции поглотителей—экранов для излучения.

К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, -частицы и -лучи — электроны различных скоростей. К волновым излучениям принадлежат --лучи, жесткое и мягкое рентгеновские излучения.

С количественной стороны дозу излучения измеряют в рентгенах, а для нейтронов очень часто указывают плотность потока быстрых или медленных нейтронов на 1 м². Более точной характеристикой можно считать произведение

плотность нейронов х скорость х время облучения.

Механический эквивалент рентгена следующий:

1Р=0,011 Дж/м³=6,9*!0⁴ МэВ/см³

Для дозы излучения в СИ введена единица

1 Кл/кг=3.87672*10³ Р.

Дозу поглощения, а часто и излучения измеряют в Дж/кг: 1 Дж/кг — это доза, при которой в 1 кг облучаемого вещества поглощается энергия любого вида излучения, равная 1 Дж. Мощ­ность дозы при этом будет измеряться в Вт/кг.

Принято считать, что при облучении - или рентгеновскими лу­чами предельно допустимая для человеческого организма доза равна 0,05 Р/день, т. е. при рабочем дне 6 ч мощность дозы должна составлять не более 2,3 мкР/с.

Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убыва­ет по мере проникновения в глубину материала по закону

P_x=P₀e^-x

где P₀ — мощность дозы в воздухе у поверхности материала; х —глубина;  — эффективный коэффициент ослабления излучения в материале.

Эффективный коэффициент ослабления излучения для простых веществ

=K³Z³ (7.6.1)

где  — длина волны; Z- номер элемента по таблице Менделеева; - плотность; К – коэффициент пропорциональности.

Как видно из выражения (7.6.1), поглощение излучения в объ­еме материала зависит от его природы и качества самого излуче­ния. Рассеяние энергии излучения происходит в основном за счет ионизации (внутренний фотоэффект) и возбуждения атомов, комп-тоновского эффекта и при очень больших энергиях за счет ядер­ных преобразований. Часть энергии расходуется на выбивание ато­мов или ионов в междуузлиях, а в решетке появляются «вакансии» и дефектные центры.

Ионизация вещества может быть ступенчатой, с образованием вторичных и даже третичных атомов отдачи. Подобные процессы происходят и при облучении вещества заряженными частицами. При облучении быстрыми нейтронами имеет место значительное нарушение структуры вещества и в больших объемах, так как они не испытывают торможения электрическими полями электронных оболочек и ядер атомов, а следовательно, обладают большей дли­ной свободного пробега.

Нарушение структуры вещества заряженными частицами про­исходит в основном в поверхностном слое. Облучение материалов осколками от деления ядер вызывает уже рассмотренные процес­сы с образованием большого числа первично-вторичных и т. д. ато­мов отдачи, а иногда и ряда ядерных превращений.

Воздействие излучения может привести к молекулярным преоб­разованиям и химическим реакциям. Ионизационные процессы вы­зывают мгновенный поток электронов, которые скапливаются в местах дефектов, а также разрыв и перемещение химических свя­зей и образование свободных радикалов. При этом происходят различные химические реакции. В частности, в органических поли­мерах происходят: выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, вулканизация и пр. Характер и степень изменения свойств полимера за время испытания определяют на основе пре­обладающего процесса.

Любой полимер при длительном или очень интенсивном облу­чении разрушается. Под действием облучения у полимеров возмо­жен переход из одного структурного состояния в другое.

Материалы, стойкие к облуче­нию, должны обладать двумя свойствами: 1) способностью по­глощать энергию без значитель­ной ионизации; 2) способностью в большей мере образовывать двойные связи, чем обнаружи­вать разрыв цепей.

Влияние облучения на неор­ганические диэлектрики — кварц, слюду, глинозем, окись циркония, окись бериллия и слюдяные мате­риалы со стекловидным связую­щим — менее сильное. При облу­чении у них образуются центры окрашивания, удельное сопротив­ление и электрическая прочность их могут снижаться.

Наибольшее влияние облуче­ние оказывает на поверхностные свойства материалов. После от­жига облученных неорганических диэлектриков возможно возвра­щение в исходное состояние. По стойкости к воздействию излуче­ния связи можно расположить в такой по­следовательности: металлическая, ионная, атомная и молекуляр­ная.

При воздействии излучения у материалов может произойти из­менение практически всех свойств — электрических, физико-химических и механических.

Н
а рис. 7.6.0 показано измене­ние предела прочности при растя­жении (1) и удельной ударной вязко­сти (2) фенольной смолы в зависимо­сти от дозы облучения потоком быстрых нейтронов. Как видно из рисунка, при плотности облучения 10¹⁹—10²⁰ быстрых нейтронов на 1 м² механические характеристики смолы резко понижаются. Поли­тетрафторэтилен при облучении дозой 5*10⁶ Р становится очень хрупким и рассыпается, а полиизобутилен из резиноподобного вещества превращается в вязкую жидкость и молекулярная масса его снижается более чем в 15 раз.

Рис. 7.6.0 Рис. 7.6.1

На рис. 7.6.1 показаны кривые изменения удельного объемного сопротивления  лучших органи­ческих высокочастотных диэлек­триков в зависимости от времени -облучения. Как видно из рисун­ка, снижение  полиэтилена (1) до­стигает целого порядка, в то вре­мя как у политет­рафторэтилена (2) и полистирола (3)  изменяется не­значительно. При большой дозе облучения у всех материалов по­является тенденция к новому увеличению удельного объемного сопротивления . Степень изме­нения  полимеров при облучении существенно зависит от темпера­туры диэлектрика. Так, например, после сильного облучения жест­кими рентгеновскими лучами _необл/_обл образцов при темпера­туре 20°С составляло четыре по­рядка, а при температуре 90°С это отношение уменьшилось до одного порядка.

Замечено, что электрическая прочность различных материалов, подвергшихся облучению, может как увеличиваться, так и умень­шаться в зависимости от тех про­цессов, которые были стимулиро­ваны в диэлектрике излуче­нием.

В некоторых конструкциях электроизоляционный материал желательно было бы защитить герметической оболочкой, но это может быть опасным ввиду тен­денции твердых органических ма­териалов выделять газ при облу­чении.

Работы по изучению устойчивости диэлектриков к корпуску­лярным и волновым излучениям высокой энергии должны разви­ваться и углубляться, так как поведение уже исследовавшихся и еще малоизученных в этих условиях материалов недостаточно ясно и требует уточнения и проверки. Ведутся работы и по примене­нию радиоактивных излучений в технологических процессах про­изводства диэлектриков.

При облучении полиэтилена дозой порядка 5 МР удается по­высить его нагревостойкость с 105 до 200°С. Молекулярные цепи облученного полиэтилена в четыре-пять раз длиннее обычных, за счет чего увеличивается механическая прочность этого материала; при этом электрические свойства его не ухудшаются: гак, тангенс утла диэлектрических потерь остается меньше 5*10^-4 при частотах до 10⁹ Гц.

Защитные свойства различных материалов удобно характери­зовать слоем десятикратного ослабления, т. е. толщиной слоя ве­щества, после прохождения которого интенсивность излучения ос­лабляется в 10 раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десяти­кратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабле­ния снижают интенсивность излучения в 10ⁿ раз.

Н а рис. 7.6.2 приведены кривые зависимости толщины слоев десятикратного ослабления для 1-воды, 2-алюминия, 3-железа и 4-свин­ца от энергии квантов излучения. Из рисунка видно увеличение поглощения с ростом плотности материалов, а также зависимость от энергии квантов.

рис. 7.6.2 Рис. 7.6.3

На рис. 7.6.3 приведена зависимость толщины слоя половинного ослабления для воздуха при =0,1 Мпа и 20⁰Сот энергии излучения. Как видно из рисун­ка, с увеличением энергии излучения толщина слоя сильно воз­растает и при энергии 10 кэВ становится больше метра.

7.7. Тепловые свойства диэлектриков

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относит нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расши­рение.

Нагревостойкость — способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Нагревостойкость оценивают соответствующим значе­нием температуры, при которой проявляются изменения электричес­ких и механических характеристик. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообраз­ном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях.

Одним из наиболее применяемых способов оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов является определение теплостойкости по Мартенсу. Испытываемые образцы помещают в термостат, к ним прикладывают изгибающее усилие в 5 МПа. Температура, при которой образец прогнется на 6 мм от первона­чального положения или сломается, представляет собой теплостой­кость по Мартенсу. Температуру в термостате поднимают со ско­ростью около 1 К/мин. Теплостойкость по Мартенсу для некоторых диэлектриков имеет следующие значении: полиэтилен + (80—90)° С; полистирол + (75—90)° С, стеклотекстолит + (150—220)° С.

Для электроизоляционных материалов установлено семь клас­сов нагревостойкости (табл. 10.1).

К классу Y относят органические диэлектрики: полистирол, по­лиэтилен, непропитанные волокнистые материалы на основе целлю­лозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картон).

К классу А относят те же волокнистые материалы, но пропитан­ные полиамидными смолами, масляно-смоляными и поливинилацетатными лаками.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем, где в качестве связующего используют фенолоформальдегиды и подобные им смолы (гетинакс, текстолит, пресс-поро­шки с наполнителями из древесной муки и т. п.). Сюда же относят эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые смолы и компаунды.

Характеристики

Список файлов учебной работы