[7] Диэлектрические Материалы (987507), страница 11

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

Текст из файла (страница 11)

К классу В относят материалы, для которых характерно боль­шое содержание неорганических компонентов. Это диэлектрики на основе слюды, стекловолокна, асбеста с органическим связующим, например стеклоткань, стеклотекстолит на фенолоформальдегидной смоле.

Таблица 7.7.1 Классы нагревостойкости 7.7.2 Коэффициент теплопроводности

электроизоляционных материалов некоторых диэлектриков

К классу F относят материалы на основе слюды, стекловолокна н асбеста, полученные с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости (кремнийорганических, эпоксидных смол).

К классу Н относят кремнийорганические лаки и резины, а так­же композиционные материалы, состоящие из слюды, стеклянных волокон, асбеста, склеенных с помощью кремнийорганических смол и лаков, отличающихся высокой нагревостойкостыо.

К классу С относят преимущественно диэлектрики неорганичес­кого происхождения, совершенно без склеивающих или пропиты­вающих .органических составов. Это слюда, стекло, кварц, асбест, микалекс. Из органических электроизоляционных материалов в класс С входят только фторопласт-4 и полиимиды (пленки, волок­на и т. п.).

Теплопроводность. Тепло, выделяющееся при прохождении элек­трического тока в окруженных изоляцией проводниках и магнитопроводах, в различных электрических аппаратах и приборах, а так­же тепло, выделяющееся вследствие диэлектрических потерь в изо­ляции, должно проходить через слой изоляции в окружающую среду. Теплопроводность изоляции влияет на степень нагрева про­водников, магнитопроводов, на электрическую прочность самой изоляции и на стойкость материала к термоударам.

Количественно теплопроводность материалов (табл. 7.7.2) харак­теризуется коэффициентом теплопроводности _т, определяемым как количество тепла, прошедшее через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры 1 К/м. Наибольшие значения _т характерны для оксида бериллия, используемого как теплоотво-дящий диэлектрический материал, например, в мощных полупровод­никовых приборах.

Таблица 7.7.3 Температурный коэффициент линейного расширения некоторых диэлектрических материалов

Наименьшим значением _т обладают пористые диэлектрики с га­зовыми включениями. Для повышения их теплопроводности при­меняют пропитку или уплотнение материала внешним давле­нием.

Тепловое расширение. Это свойство диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом длины (ли­нейного расширения) ТКl. Средние значения ТКl некоторых элект­роизоляционных материалов в интервале температур от 20 до 100° С приведены в табл. 7.7.3.

Холодостойкость — способность электрической изоляции рабо­тать при низких температурах без недопустимого ухудшения экс­плуатационных характеристик. При низких температурах, как пра­вило, электрические свойства изоляционных материалов улучшают­ся, однако ряд механических свойств ухудшается. Например, рези­ны теряют гибкость, пластмассы, лаковые пленки растрескиваются. Приведем значения холодостойкости некоторых материалов: для фторопласта-4 t = —269° С, для лавсана t = — (50—60)° С, для поли­этилена t = — (40—70)° С, для полистирола t=-40° С, для капрона t=- 20°С, для полипропилена t= — (5—15)°С.

7.8. Взаимная связь свойств и явлений в конденсированных средах

Современные микросхемы для устройств функциональной электроники предполагают одновременное участие в схеме целого ряда систем, работающих на различного рода физи­ческих эффектах, в условиях воздействия на них различных внешних факторов. Поэтому, важнейшей задачей является изучение взаимосвязи физических свойств кристаллического материала и процессов, протекающих в нем под влиянием внешних воздействий, а также прогнозирование изменений в кристалле под действием внешнего возбуждающего фак­тора. Без учета этой взаимосвязи невозможно рассмотрение принципов работы устройств функциональной электроники и тем более их проектирование.

Известно, что характерной особенностью кристаллов яв­ляется анизотропия физических свойств. В первой части на­стоящего курса рассмотрены принципы описания структуры кристаллических тел и показано, что детальное описание воз­можно только с использованием методов тензорного анализа. Взаимную связь между воздействием, изменяющим какой-то параметр кристалла и реакцией кристалла на это воздей­ствие (изменяемое явление) можно представить в виде соот­ношения

явление=свойство х воздействие (7.8.1)

Если воздействие и вызванное им явление изотропно (скалярно), то и соответствующее свойство кристалла изотропно (скалярно). Отметим, что скалярные величины (тензоры ну­левого ранга) не меняются при переходе от одной системы координат к другой. Скалярными являются очень немногие свойства кристаллов: масса, плотность, удельная тепло­емкость, внутренняя энергия, энтропия. При фазовом переходе вещества из аморфного состояния в кристаллическое вели­чина каждого из этих свойств меняется скачком. По число­вым значениям этих величин можно характеризовать ве­щества, отличать их друг от друга, судить о нарушениях структуры. Специфических отличий скалярных свойств в кристаллах от тех же свойств в аморфных телах нет (за ис­ключением их числовых значений). Скалярное свойство изо­тропно и обладает максимальной симметрией.

Для применения на практике физических свойств кристал­ла необходимо знать, изотропно оно или анизотропно; если анизотропно, то установить характер анизотропии, а если возможно тензорное описание, то найти ранг тензора, харак­теризующего это свойство. Далее надо установить связь этого тензора с симметрией кристалла. Отметим закономерность, характерную для всех физических свойств кристаллов: ани­зотропия физического свойства кристалла выражена тем бо­лее резко и требует для своего определения тем большего числа независимых переменных, чем ниже симметрия крис­талла. Если при скалярном воздействии на кристалл, возни­кающее явление имеет тензорный характер, то соответствующее свойство кристалла — тензорное. Тензорные свойства могут обнаруживаться также и при векторных и при тензор­ных воздействиях. Чтобы измерить тензорное свойство крис­талла, в общем случае, надо сделать столько независимых измерений, сколько имеется независимых компонент в тен­зоре, описывающем это свойство. Например, чтобы измерить векторное свойство А, надо вырезать три пластины из крис­талла, ориентировав по одной из координатных осей, затем произвести три независимых измерения и получить три ком­поненты: А₁,А₂, А₃, по которым и находится значение А. Естественно, что число независимых измерений, а значит и число различно ориентированных образцов кристалла, должно в общем случае соответствовать числу компонент тензора, т.е. 3ⁿ, где п — ранг тензора.

О
чевидно, что измерить физические свойства у кристалла несравненно труднее, чем у изотропного тела. Для свойств, описываемых тензорами высшего ранга, задача была бы неразрешимо трудной, если бы не симметрия кристалла. Благодаря симметрии, многие компоненты тензоров оказы­ваются равными друг другу или обращаются в нуль. Кроме того, существенное упрощение достигается благодаря зако­нам термодинамики, а также из-за симметрии самих тензо­ров. Подробно этот вопрос будет рассмотрен далее на при­мере определения диэлектрической проницаемости.

Рис. 7.8.1

Изучая физические свойства кристаллов, мы мысленно выделяем каждое из них и рассматриваем изолированно от других. В действительности, свойства кристаллов взаимосвя­заны, и под влиянием внешнего воздействия возникает не одно, а несколько явлений, переплетенных и взаимодействую­щих друг с другом. Так, изменение температуры кристалла помимо пироэлектрического эффекта вызывает пьезоэлектри­ческий эффект, который является результатом механических напряжений при нагревании или охлаждении. Заметим, что в этом случае механические напряжения можно рассматри­вать как явления, возникающие в результате изменения тем­пературы, а можно — как воздействие, вызывающее новое явленно — пьезоэлектрический эффект. Таким образом, из условий опыта зависит, что считать воздействием, а что — возникающим явлением. Но связь между ними всегда осу­ществляется через физическое свойство кристалла, причем различные свойства проявляются одновременно и в сложном взаимосочетании. Эти свойства могут обладать различной анизотропией, описываться тензорами различных рангов или скалярами, и направления их оптимальных значений не будут совпадать. Некоторое представление о взаимной связи физических свойств кристаллов получим, если рассмотрим с одной точки зрения несколько свойств и обусловленных ими явлений. Еди­ная термодинамическая трактовка возможна для тепловых, электрических и механических свойств диэлектрического крис­талла, если относить эти свойства к его равновесному состоя­нию, т.е. считать, что все процессы проходят термодинами­чески обратимо. Это значит, что при всех процессах и изме­рениях кристалл должен находиться в равновесии с окружаю­щей средой, так что ни состояние кристалла, ни состояние окружающей среды не изменяются со временем.

Выберем в качестве основных воздействий (рис. 7.8.1) вер­шины внешнего треугольника:

—механическое напряжение или сила, действующая на единицу плошали (тензор второго ранга); Е—напряженность электрического поля (вектор); Т —абсолютная температура (скаляр).

Обусловленные этими тремя воздействиями основные эф­фекты ( — механическая деформация; D — индукция элек­трического поля; S — энтропия) поставим в вершинах внут­реннего треугольника (рис. 7.8.1). Рассмотрим эти эффекты, обозначенные на рис. 7.8.1 отрезками: отрезок 1 —упругость, 2 — диэлектрическая проницаемость, 3 — теплоемкость, 4 — электромеханические эффекты, 5 — электротермические эф­фекты, 6 — термоупругие эффекты, 7 — прямой пьезоэлектри­ческий эффект, 8 — пьезокалорический эффект, 9 — обратный пьезоэлектрический эффект. 10 — электрокалорический эф­фект, 11 —тепловое расширение, 12 — пироэлектрический эф­фект, 13 — теплота поляризации, 14 — теплота деформации. 15 — электрострикция.

Характеристики

Список файлов учебной работы