Материал: Диэлектрики

Если включить диэлектрик в цепь постоянного напряжения, то произойдет резкий рост силы тока протекающего в этой цепи. А затем, сила тока уменьшается до постоянного значения, которое называется током сквозной проводимости диэлектрика (Iск). Считается что сила тока спадает с течением некоего времени из-за перераспределении свободных зарядов. Такой спадающий во времени называют абсорбционным (Iаб).

Абсорбционный ток довольно быстро затухает. Поэтому электропроводность диэлектриков при постоянном напряжении определяется только по сквозному току.

Рис. 8. Зависимость тока через диэлектрик от времени

Общий ток, протекающий через диэлектрик, равный сумме токов абсорбции и сквозного тока, называется током утечки: Iут = Iабс + Iскв

Зависимости ε и tgδ от температуры и частоты.

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов. Поэтому на графиках, приведенных на рис. 2.5 –2.6 изображены общие тенденции, характерные для некоторых основных групп.

Рис.8. Рис.9.

На рис.8 приведены типичные зависимости диэлектрической проницаемости от температуры, а на рис.9 от частоты, где: 1 – неполярные линейные полимеры (электронная поляризация); 2 – диэлектрики ионного строения (ионная поляризация); 3 – полярные полимеры (дипольная поляризация);

1. С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается и диэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметно уменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.

Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 10¹⁵ –10¹⁶ Гц) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 10¹² Гц).

2. При повышение температуры ослабевают связи между отдельными ионами, что облегчает их взаимодействие под действием внешнего поля и это приводит к увеличению ионной поляризации и диэлектрической проницаемости ε. Ввиду малости времени установления состояния ионной поляризации (порядка 10¹³ Гц, что соответствует собственной частоте колебания ионов в кристаллической решетке) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине ε в ионных материалов.

3. Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков сильно зависит от их температуры и частоты внешнего поля. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц и уменьшается энергия взаимодействия между ними, т.е. облегчается их ориентация под действием внешнего поля – возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до определенной температуры. При дальнейшем нагреве кинетическая энергия движения частиц настолько возрастает, что разрушает ориентацию, вызванную внешним полем. При дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε уменьшается.

Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения и посредством теплового движения, то установление поляризации требует значительного времени. Это время настолько велико, что в переменных полях высокой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю, и проницаемость ε падает.

Классификация диэлектрических материалов по составу.

По составу и свойствам все диэлектрические материалы можно разделить на две большие группы:

1) органические материалы на основе углерода;

2) неорганические материалы на основе оксидов.

Органические диэлектрики.

Представителями этой группы являются полимеры, которые благодаря высокому удельному сопротивлению, низкой стоимости и технологичности завоёвывают всё более прочные позиции среди диэлектрических материалов.

Органические диэлектрики – вещества, состоящие из связанных между собой атомов углерода (могут содержать водород, кислород и другие элементы).

Все органические диэлектрики разделяют:

1. Низкомолекулярные – молекулы, которых состоят из сравнительно небольшого числа (несколько десятков или сотни) атомов. (Вазелин, конденсаторное масло).

2.Высокомолекулярные соединения – вещества с очень большими молекулами, содержащие от нескольких сотен до тысяч атомов, связанных между собой, как правило, ковалентными связями. (Полиэтилен, органическое стекло, фторопласт, каучук и др.)

По строению:

1. Линейные полимеры

2. Пространственные полимеры.

У линейных полимеров отношение длины молекулы к ее поперечному размеру велико (порядка 1000) – полистирол, каучук.

Линейные полимеры:

1. Термопластичны, т.е. при нагревании они становятся более эластичными, потом вязкими (т.е. обладают необратимой пластической деформацией) и затем плавятся. При низких температурах линейные полимеры становятся хрупкими.

2. Обладают способностью растворятся в соответствующих растворителях (при этом мелкие подвижные молекулы растворителя легко проникают между крупными молекулами полимера

Пространственные полимеры имеют молекулы, развитые в пространстве в разных направлениях. Поэтому они имеют более компактную форму и:

1. Обладают большой жесткостью, их плавление происходит при высоких температурах, а многие из них не плавятся, а разрушаются (обугливаются, сгорают).

Пространственные полимеры термореактивны.

2. Не растворяются ни в каких растворах, т.к. их структура – это большая молекула с прочными ковалентными связями, которую не в состоянии разорвать молекулы растворителя.

3. На высокой стадии полимеризации полностью инертны к изменениям температуры окружающей среды.

Пространственные полимеры имеют высокие рабочие температуры, высокую стабильность параметров, продолжительный срок службы (относительно линейных полимеров).

По области применения:

1. Высокочастотные (низкий tgδ) полимеры

2. Низкочастотные полимеры

Высокочастотные (низкий tgδ) полимеры

К этой группе относятся:

Полиэтилен (-СН₂ -СН₂-)_n

Полистирол [-СН₂-СН (С₆Н₅)-]_n

Полипропилен [-СН₂-СН (СН₃)-]_n

Политетрафторэтилен [-СF₂-СF₂ -]_n (Фторопласт-4)

Это группа неполярных диэлектриков, обладающих следующими преимуществами:

1. Высокие диэлектрические свойства, которые сохраняются до частот 10¹⁰Гц. ε = 2,2 – 2,6, tgδ ≤ 4•10^-4 , ρ_V=10¹⁵ - 10¹⁶ Ом м.

2. Высокая влагостойкость.

3. Высокая химическая стойкость (у полистирола высокая радиационная стойкость).

4. Полиэтилен и полистирол имеют невысокую стоимость.

Недостатки:

1. невысокие рабочие температуры (20⁰С – 160⁰С).

2. Склонность к старению под действием атмосферы.

Применение:

1. Для изоляции ВЧ проводов и кабелей.

2. Полистирол используется для изготовления каркасов ВЧ катушек индуктивности и других установочных деталей.

3. Из полиэтилена и полистирола изготавливают пленки и волокна.

4 Фторопласт-4 и полистирол используют в ВЧ конденсаторах, пленки - основа для гибкого печатного монтажа.

Небольшое число неполярных линейных полимеров (полистирол, полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4) составляют группу сверхвысокочастотных диэлектриков. Среди них наиболее перспективен фторопласт-4 (- СF₂ -)_n, имеющий очень высокое удельное сопротивление (10¹⁸ Ом_*×м) и низкий tgδ (2*10^-4) на частотах до 10¹⁰ Гц. В отличие от других линейных полимеров фторопласт-4 термо- и хладостоек и сохраняет работоспособность в интервале температур от –270 до +300^oC.

Остальные неполярные материалы СВЧ-техники имеют сравнительно невысокую температуру размягчения и легко получаются в виде очень тонкой плёнки высокого качества. Эти свойства позволяют широко применять их при производстве конденсаторов.

Низкочастотные полимеры (полярные диэлектрики с большими потерями). ε = 2,5 – 6, tgδ = 4•10^-3 – 10^-2 , ρ_V=10¹⁵ - 10¹⁶ Ом м., t_раб = 100^0С – 150⁰С.

1. Полихлорвинил.

2. Винипласт.

3. Полиметилметакрилат (плексиглас или органическое стекло).

4. Полиэтилентерефталат (лавсан).

5. Полиамиды (капрон, нейлон).

6. Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) – отличается от Фторопласта 4 тем, что один атом фтора заменен на значительно больший по размеру атом хлора, из-за этого появляется асимметрия в структуре, т.е. молекула становится полярной. Этот материал обладает более высокой твердостью, высокой технологичностью, отсутствует хладотекучесть и более низкая стоимость.

Применение:

Полихлорвинил, винипласт.

1. Изоляция проводов.

2. Основа для лаков с высокой химической стойкостью.

3. Изготавливают пенопласты.

Полиметилметакрилат.

Прозрачный и бесцветный материал, который выпускают в виде порошка, трубок, блоков и листов. Применяется в производстве прозрачных шкал, линз, корпусов приборов и т.д.

Достоинства:

- очень технологичен,

- малый удельный вес,

- не бьется (но малая поверхностная твердость),

- надежно склеивается дихлорэтаном.

Полиэтилентерефталат.

Пленки из лавсана используют как основу для гибкого печатного монтажа, в качестве НЧ конденсаторного диэлектрика, изоляции НЧ проводов.

Фторопласт-3

Достоинства:

1. Отсутствие хладотекучести;

2.Высокая твердость;

3. Высокая технологичность;

4. Высокая радиационная стойкость;

5. Относительно низкая стоимость.

Недостатки:

1. Уступает Фтороплату-4 по диэлектрическим параметрам, по нагревостойкости, по химической стойкости, по эластичности.

2. В этой группе материалов имеет наибольший удельный вес.

Применение:

• .изготавливают сложные детали с большим количеством отверстий.

• изоляция проводов и кабелей.

• пленки используют в нагревостойких НЧ конденсаторах, длительно выдерживающих повышенную температуру.

Эластомеры.

.Это полимеры:

• с высокой эластичностью.

• обладают низкой влаго- и газопроницаемостью.

• хорошие диэлектрические характеристики.

Каучук (может быть натуральным или синтетическим) – аморфное вещество, но при растяжении имеет упорядоченное расположение молекул в пространстве, которое характерно для кристаллических тел. При сжатии – приобретает аморфные свойства.

Недостатки:

• - низкая температурная стойкость t < 50⁰С,

• - низкая стойкость к пониженным температурам (становится хрупким),

• - высокая способность растворяться.

Поэтому чистый каучук не используется. Его подвергают вулканизации – нагревают и добавляют серу, что резко повышает механическую прочность.

1% - 3% серы – мягкая резина, обладающая упругостью и хорошими характеристиками при растяжении.

30% - 35% - твердая резина Эбонит, которая имеет высокую стойкость к ударным нагрузкам. Иногда кроме серы используют мел или тальк.

ε = 3 – 7, tgδ = •10^-2 – 10^-1 , ρ_V=10¹³ - 10¹⁴ Ом м.

Недостатки:

• высокая склонность к старению;

• низкая стойкость к действию нефтяных масел, в них резина набухает.

Применяют для изготовления электрогизоляции для цепей низкой частоты.

ε = 3 – 7, tgδ = •10^-2 – 10^-1 , ρ_V=10¹³ Ом м

Синтетические смолы

1. Фенол-формальдегидные смолы.

2. Эпоксидные смолы.

Эти материалы относятся к полярным диэлектрикам. Получают с помощью реакции поликонденсации в виде жидкого продукта. Для перевода в твердое состояние (получение пространственной структуры) необходим отвердитель.

Применение:

1. Изготовление лаков.

2. При производстве слоистых пластиков.

3. При производстве композиционных пластмасс.

Пластические массы.

Пластическими массами называют высокомолекулярные полимеры, которые состоят из наполнителя и связующего, обладают способностью при нагреве под давлением формоваться, а затем устойчиво сохранять приданную им форму.

Классификация:

1. Порошковые пластмассы или пресспорошки (наполнитель кварцевый песок, древесная мука и др.).

2. Волокниты (наполнитель обрезки бумаги, очесы, древесная стружка).

3. Слоистые пластики (наполнитель и смола слоями)

4. Пенопласты (пластмассы с газовыми включениями) или поропласты (при открытой пористости).

Электроизоляционные свойства пластмассы определяются связующим веществом, а наполнитель в основном, определяет механические свойства.

В пресспорошки добавляют пластификаторы и красители.

Пластификаторы – вещества, добавляют для повышения эластичности и морозостойкости, а также для снижения температуры при изготовлении деталей и узлов. Чаще всего используют полиэфиры.

Слоистые пластики.

1. гетинакс

2. текстолит

3. стеклотекстолит

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенол-формальдегидной смолой. При t = 160⁰ – 170⁰С смола переходит в твердое состояние и прочно связывает листы бумаги.

Недостатки:

1. Высокая водопроницаемость.

2. Невысокая химическая стойкость.

3. Невысокие электрические характеристика.

ε = 6 – 7, tgδ = 0,035 – 0,08, ρ_V=10⁸ Ом м, Е = 4 – 10 мВ/м.

4. Электрические свойства в ┴ напрвлении и в ║ направлении сильно оличаются (ρ_V в 50 – 100 раз, Е пр в 5 – 8 раз).

Текстолит изготавливают также, только вместо бумаги используют х/б ткань. Этот материал в 5 раз дороже, но имеет высокую удельную ударную вязкость и высокую стойкость к истиранию.

Текстолит применяют при изготовлении изделий, которые подвергаются ударным нагрузкам или трению (например переключатели).

Среди композиционных материалов на основе полимеров следует выделить стеклотекстолит, состоящий из стеклоткани, пропитанной смолами. В качестве связующего могут использоваться фенолформальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические смолы.

Достоинства:

• высокая нагревостойкость;

• высокая механическая прочность;

• влагостойкость;

• хорошие диэлектрические параметры (особенно электрическая прочность);

• стабильность параметров при эксплуатации.

Недостатки:

• имеет большой удельный вес;

• быстро отвердевает;

• более дорогой.

Стеклотекстолит является основным материалом при изготовлении печатных плат.