Москва Издательство МЭИ 2015
Введение. 4
Глава 1. Диэлектрики в статических полях. 6
1.1. Соотношения электростатики. 6
1.2. Молекулярная поляризуемость. 9
1.3. Локальное поле. 13
1.4. Соотношение Клаузиуса-Мосотти. 15
2.5. Полярные молекулы.. 17
1.6. Относительная диэлектрическая проницаемость полимеров. 25
1.6.1. Неполярные полимеры.. 25
1.6.2. Полярные полимеры.. 26
1.7. Полимеры с низкой диэлектрической проницаемостью.. 27
Глава 2. Диэлектрическая релаксация. 29
2.1. Общая теория. 29
2.1.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери 29
2.1.2. Процесс диэлектрической релаксации. 31
2.1.3. Отклонения от модели Дебая. 34
2.2. Термическая активация дипольной релаксации. 36
2.4. Диэлектрическая релаксация в твердых полимерах. 39
2.5. Электронные эффекты.. 45
Глава 3. Полимерные диэлектрические материалы.. 50
3.1. Синтетические жидкие диэлектрики. 51
3.2.Термопласты.. 52
3.2.1. Неполярные термопласты.. 53
3.2.2. Полярные термопласты.. 60
3.3. Реактопласты.. 67
3.4. Пластические массы.. 71
Глава 4 Электронная проводимость полимеров. 76
Глава 5. Электрический пробой. 79
5.1. Электронный пробой. 80
5.2. Электромеханический пробой. 83
5.3. Тепловой пробой. 83
5.4. Пробой вследствие газового разряда. 85
5.4.1. Внутренние разряды и образование дендритов. 86
5.4.2. Внешние разряды и тренинг. 87
5.5. Длительная электрическая прочность. 88
5.6. Переменные поля. 88
5.7. Эффекты пространственного заряда. 89
5.8. Конструкция высоковольтных изделий. 90
5.8.1. Силовые кабели. 90
5.8.1. Тонкослойные конденсаторы.. 91
5.9. Приложение: статистика пробоя. 91
Глава 6. Керамические Диэлектрики. 94
6.2. Физикохимические основы создания керамики. 99
6.2.1. Твердые растворы.. 101
6.2.2. Типы твердых растворов. 101
6.3. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем. 106
6.3.1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с непрерывным рядом твердых растворов. 106
6.3.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с эвтектикой без химических соединений и твердых растворов. 107
6.4. Система CaO–Aℓ2O3–SiOz 108
6.5. Свойства керамических материалов. 110
Список литературы.. 115
Введение
Общим для электрических свойств диэлектрических материалов, в независимости неорганические они или органические, является их зависимость от воздействия внешнего электрического поля, в то же время эта зависимость может быть обусловлена различными внутренними молекулярными механизмами. Вплоть до середины двадцатого столетия электрические свойства известных полимеров представляли гораздо меньший интерес по сравнению со свойствами неорганических материалов. В то время как неорганические твердые тела могут быть полупроводниками или металлами (эти свойства практически целиком определяются электронной проводимостью), а также диэлектриками, распространенные полимеры практически целиком попадали в последнюю категорию. Свойства на макроскопическом уровне этих материалов близки к свойствам их неорганических аналогов, в то время как свойства на микроскопическом уровне существенно отличаются, отражая фундаментальное отличие жесткой регулярной кристаллической решетки неорганических материалов от податливой высокомолекулярной структуры полимеров.
Изучение диэлектрических материалов базируется на таких фундаментальных науках, как физика твердого тела, физическая химия и электротехника, а с другой стороны является их логическим развитием и создает основу для изучения многих профилирующих дисциплин электро– и радиотехнических специальностей. Опираясь на базовые дисциплины физику, химию, электротехнику, диэлектрические материалы непосредственно обслуживают многие профилирующие дисциплины.
Материалы, особенно вновь создаваемые, являются одним из главных звеньев в решении многих инженерных задач в производстве электронного оборудования, где основная роль принадлежит материалам электронной техники (ЭТ) [1–3]. Электротехнические и конструкционные материалы используют главным образом в производстве электротехнического оборудования, где основная роль принадлежит электротехническим материалам (ЭТМ). Конструкционные материалы (КМ) используются для изготовления несущих конструкций, вспомогательных деталей и узлов. Современное электрооборудование представляет собой сложные устройства с большим количеством разнообразных деталей, для изготовления которых требуется широкий ассортимент различных электротехнических и конструкционных материалов с вполне определенными электрическими, механическими и химическими свойствами [4].
При выборе материалов для электрооборудования принимают во внимание не только его электрофизические характеристики, но и физикомеханические, химические (например, механическую прочность, твердость, нагревостойкость, холодостойкость, гигроскопичность негорючесть и др.) [5]. Часто электрооборудованию приходится работать под действием механических нагрузок, в различных климатических условиях и в химически агрессивных средах. В ряде случаев, определяющими факторами при выборе материала могут быть не только и не столько его электрические характеристики, сколько механические (если это установочная деталь): гигроскопичность (при работе в условиях повышенной влажности), нагревостойкость (если воздействует высокая температура) и т.д.
Наряду с указанными характеристиками при выборе материала большое значение имеет и экономическая сторона. Недостаточно выбрать высококачественный ЭТМ или КМ, свойства которого удовлетворяют всем эксплуатационнотехническим требованиям. Важно, чтобы это был материал отечественного производства, недорогой, недефицитный и чтобы из него можно было изготавливать детали и узлы с помощью недорогих и несложных технологических процессов [6].
При рассмотрении средней по сложности электрической схемы можно увидеть, что она состоит из элементов, изготовленных из четырех основных классов электротехнических материалов, диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах:
проводниковые 10–8 — 10– 5 Ом•м,
полупроводниковые 10–6 — 108 Ом•м,
диэлектрические 107 — 1017 Ом•м,
а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны: 0–0,05 для проводников; 0,05–3,0 для полупроводников и более 3 эВ для диэлектриков.
Вмагнитном же поле на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся ферро и ферримагнетики, а ко вторым диа–, пара– и антиферромагнетики.
Диэлектрические материалыобладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.
Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют:
1 для создания электрической изоляции токопроводящих частей они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными;
2 в электрических конденсаторах служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.
Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето– и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др. [7, 8]