Асбест и асбестовые материалы
Асбест – название группы минералов, обладающих волокнистым строением. Хризотиловый 3MgO·2SiO2·2H2O. Залегает в каменных породах в виде жил, состоящих из параллельных друг другу волокон (горный лён). Длина волокон асбеста достигает нескольких сантиметров. Нагревостойкость асбеста превышает 400 °С.
Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, ткани, бумаги, картоны и другие изделия. Ленты из асбеста с высоким содержанием магнетита используют в электрических машинах высокого напряжения для улучшения картины электрического поля. В качестве наполнителя асбест входит в состав термостойких пластмасс. Из него изготавливают асбогетинакс, асботекстолит.
Асбоцемент – материал холодной прессовки, в котором наполнителем является асбест, а связующим – цемент, применяется для распределительных щитов, искрогасящих камер, труб кабельной канализации. Следует помнить о канцерогенности асбеста.
Неорганические диэлектрические плёнки
Оксидные плёнки на поверхности некоторых металлов, в частности алюминия, широко применяются в качестве изоляции электролитических конденсаторов. Диэлектрическая проницаемость оксида алюминия около 10. Более перспективны танталовые (ε около 27) и ниобиевые (ε примерно 40) оксидные конденсаторы. Толщину оксидных плёнок можно наращивать с помощью химических и электрохимических процессов.
Из оксидированного алюминия изготавливают также различные катушки без дополнительной межвитковой и межслойной изоляции. Недостатками оксидной изоляции является её малая гибкость и заметная из-за пористости плёнки гигроскопичность. Если не требуется особая нагревостойкость, оксидную изоляцию можно пропитать и покрыть лаком. Температура плавления оксида алюминия 2050 °С.
Оксидные плёнки кремния используют в качестве изоляции в микросхемах. Оксид гафния наилучший материал для изоляционных подложек и плёнок наноэлектронных устройств.
Нагревостойкость электроизоляционных материалов
По наибольшей температуре длительной эксплуатации электроизоляционных материалов их подразделяют на 7 классов нагревостойкости:
Y (до 90 °С) – волокнистые материалы на основе целлюлозы и шёлка (пряжа, ткани, бумаги, картоны, древесина), а также большинство термопластичных полимерных материалов;
А (до 105 °С) – материалы из органических волокон, пропитанных лаками, компаундами либо погруженых в жидкий диэлектрик, а также полиамиды и поливинилацетали;
Е (до 120 °С) – термореактивные полимерные материалы, а также полиэфиры, полиуретан и эпоксидные смолы;
В (до 130 °С) – материалы с большим содержанием неорганических компонентов и органическими связующими;
F (до 155 °С) – неорганические вещества с с эпоксидными, кремнийограническими и термореактивными связующими повышенной нагревостойкости;
Н (до 180 °С) – материалы, получаемые при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости;
С (выше 180 °С) – чисто неорганические материалы, а также фторопласт и полиимиды.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1 В каких единицах измеряется электропроводность и сопротивление диэлектрика?
2 Назовите и охарактеризуйте механизмы поляризации диэлектриков.
3 Какие потери происходят в изоляции? Как их оценивают?
4 Назовите причины пробоя изоляции. Что такое электрическая прочность?
5 Как происходит пробой газа в однородном поле?
6 В чём особенности пробоя газа в неоднородном поле?
7 Назовите и охарактеризуйте изоляционные газы и жидкости.
8 В чём особенности пробоя твёрдой изоляции?
9 Чем различаются реакции полимеризации и поликонденсации?
10 В чём различие свойств линейных и пространственных полимеров?
11 Какие полимеры используют в высокочастотной изоляции и почему?
12 Какую роль играют волокна в электрической изоляции?
13 Какие вещества используют для пропитки волокнистой изоляции?
14 Назовите основные преимущества эпоксидных компаундов. Каков механизм их отверждения?
15 Как и для каких целей используются изделия из композиционных пластмасс и слоистые пластики?
16 Что такое эластомеры? Для чего их применяют?
17 Какие виды стёкол нашли наиболее широкое применение в электронной технике и для каких целей?
18 В чем сходство и различие между ситаллом и стеклом? Какова технология изготовления ситаллов и для каких целей они применяются?
19 Каковы операции технологического цикла при изготовлении керамических изделий? В чём преимущества керамического производства?
20 Приведите примеры установочных керамических диэлектриков. Назовите области их применения.
21 Чем различаются высокочастотная и низкочастотная конденсаторная керамика?
22 Для каких целей используются в электротехнике слюда и асбест?
23 Какие неорганические плёнки используют для изоляции?
24 Назовите и охарактеризуйте классы нагревостойкости изоляции.
Активные диэлектрики
Диэлектрики, электрическими и оптическими свойствами которых можно управлять с помощью электрических, магнитных, световых, тепловых и механических воздействий, называют активными.
В отличие от пассивных диэлектриков, от которых требуется стабильность свойств, требования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних воздействиях, тем лучше активный элемент может выполнять функции управления энергией или преобразования информации.
Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а также запоминание и преобразование информации. Следует отметить, что резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Иногда один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента.
К числу активных диэлектриков относят: сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы лазерной электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и другие материалы. Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твёрдые, но также жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам активные диэлектрики можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные. Из всего многообразия активных диэлектриков в настоящем разделе рассмотрены лишь те, которые нашли широкое практическое применение.
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Это значит, что отдельные участки их структуры имеют собственные электрические моменты, вызванные смещением ионов или полярных групп атомов. При этом моменты соседних участков взаимно ориентируются в одном направлении в пределах макроскопической области, называемой доменом. Направления электрических моментов у разных доменов различны, поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч). Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряжённости электрического поля, а также петля электрического гистерезиса на кулонвольтной характеристике.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация достаточно широко распространена. В настоящее время известно несколько сотен химических соединений, в том числе и твёрдых растворов, обладающих свойствами сегнетоэлектриков. Температура перехода в спонтанно поляризованное состояние (точка Кюри) у различных сегнетоэлектриков составляет от нескольких кельвинов (например, у ниобата свинца Pb2Nb2O7 TК = 15 К) до полутора тысяч кельвинов (например, у ниобата лития LiNbO3 TК= 1483 К), а спонтанная поляризованность находится в пределах от 10–5 до 3 Кл/м2).
Вещества, электрические моменты соседних участков которых направлены встречно (антипараллельно), называют антисегнетоэлектриками. В их кристаллах электрические моменты соседних элементарных ячеек оказываются уравновешеными, следовательно, спонтанная поляризованность каждого домена равна нулю. Однако при нагреве выше температуры Кюри этот равновесие нарушается и антисегнетоэлектрики могут обладать высокой диэлектрической проницаемостью. Примерами антисегнетоэлектриков являются цирконат свинца PbZrО3, ниобат натрия NaNbO3 , дигидрофосфат аммония NH4H2PO4 и др.
Структура сегнетоэлектрических кристаллов разнообразна. По типу химической связи и строению все сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные.
У ионных сегнетоэлектриков характерным структурным элементом кристаллической решётки является кислородный октаэдр, внутри которого компактный атом титана или иного элемента может занимать несколько устойчивых положений. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария ВаTiO3, титанат свинца РbТiOз, ниобат калия KNbO3, ниобат лития LiNbO3, танталат лития LiТаОз. йодат калия КIOз, барий-натриевый ниобат Ba2NaNb5O15 или сокращенно – «банан» и др.
У кристаллов дипольных сегнетоэлектриков имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль NaKC4H4O6·4H2O, триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3·H2SO4, дигидрофосфат калия КН2РO4, нитрит натрия NaNO2 и др. Именно в кристаллах сегнетовой соли впервые были обнаружены особенности поведения диэлектриков, обусловленные спонтанной поляризацией. Отсюда произошло название всей группы материалов со специфическими свойствами – сегнетоэлектрики.
Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по физическим свойствам и особенностям применения.