Классификация диэлектрических материалов

В РЭА применяют большое количество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре, их подразделяют на электроизоляционные и конден­саторные. Электроизоляционные диэлектрики предназначены для отделения друг от друга элементов схемы и для электрической изоляции токоведущих частей электрических устройств. Они обладают невысокой относительной диэлектрической проницаемостью и большим удельным сопротивлением. Конденсаторные диэлек­трики применяют для увеличения емкости конденсаторов. Эти диэлектрики име­ют повышенное значение е и малое значение tgδ. Большое разнообразие диэлект­риков целесообразно классифицировать на основе особенностей их строения.

Полимерные материалы представляют собой высокомолекулярные соедине­ния, молекулы которых состоят из большого числа многократно повторяющихся звеньев (мономеров). В зависимости от пространственной структуры макромоле­кул различают линейные и пространственные полимеры. Макромолекулы линейных полимеров образуют цепочечную последовательность повторяющихся звеньев. Такие полимеры способны размягчаться при нагревании, то есть являются термо­пластичными материалами. Макромолекулы пространственных полимеров раз­виты по всем трем направлениям, образуя пространственную сетку. Такие поли­меры относительно хрупки и при нагревании не размягчаются, то есть являются термореактивными материалами.

Различают неполярные и полярные полимеры. В неполярных полимерах моно­мерные звенья не обладают дипольным моментом. К таким полимерам относятся полиэтилен, полистирол и фторопласт-4, характеризуемые следующими параметра­ми: ε = 2...2,5; tg δ = (2...5)*10^-4; ξ_ПР= 20...40 МВ/м; ρ = 1О¹⁴...1О¹⁶ Ом*м. Из полиэтиле­на изготовляют главным образом гибкую изоляцию высокочастотных проводов и кабелей. Из полистирола изготовляют изоляционные платы и другие радиоде­тали. Тонкие пленки полистирола толщиной 10-100 мкм, называемые стирофлексом, используют в Качестве диэлектрика конденсаторов. Фторопласт-4 обладает высокой нагревостойкостью (до +250 °С) и высокой химической стойкостью.

Полярные полимеры обладают сильно выраженной дипольной поляризацией и, следовательно, пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами. Они характеризуются следующими параметрами: ε = 3...6; tg δ = 0,01...0,06; ξ_ПР 15...50 МВ/м; ρ = 1О¹¹...1О¹⁴ Ом*м. Наиболее распрост­раненными материалами этой группы являются поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (лавсан) и полиамидные смолы. ПВХ представляет собой жесткий негибкий материал. Для придания эластичности в ПВХ добавляют пла­стификаторы. Такой материал называется пластиком. Он находит применение в производстве монтажных проводов. Пленки из лавсана толщиной около 6,5 мкм применяют в качестве несущей основы при изготовлении лент для магнитной за­писи, а также для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов и в каче­стве диэлектрика низкочастотных конденсаторов. Полиамидные смолы отлича­ются высокой механической прочностью и эластичностью, Применяют их для изготовления искусственных волокон (например, капрона) и пластических масс. На основе полиамидов изготавливают эмальлаки, образующие прочные эластич­ные диэлектрические покрытия на металлических проводах.

Пластмассы представляют собой многокомпозиционные материалы, состоящие из связующего вещества и наполнителей. Их изготовляют методом горячего прес­сования или литья под давлением. В качестве связующего вещества наиболее часто используют полимерные материалы, способные деформироваться под давлением. Назначение связующих веществ в пластмассах состоит в пропитке и обволакива­нии наполнителей и в монолитном соединении всех компонентов в пластмассовом изделии. Состав и свойства связующего вещества определяют свойства пластмас­сы. Наполнители используются для улучшения свойств пластмассы. Волокнистые наполнители (стеклянные, асбестовые и хлопковые волокна) повышают механи­ческую прочность пластмасс. Неорганические наполнители (кварцевый и слюдя­ной порошок, стеклянное волокно) повышают коэффициент теплопроводности пластмасс. В пластмассах содержится 40-60 % наполнителей. В состав пластмасс входят также различного рода красители. Из композиционных пластмасс изго­товляют корпуса РЭА, ламповые панельки, штепсельные разъемы и т. д.

Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в ко­торых в качестве наполнителя используют волокнистые материалы. Они состоят из чередующихся слоев листовых наполнителей и связующего вещества. В гетинаксе наполнителем являются листы специальной бумаги толщиной 0,1 мкм, про­питанные термореактивной смолой. В процессе горячего прессования отдельные листы бумаги соединяются связующим веществом, образуя монолитный мате­риал в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм. Характеристики гетинакса; ε - 5...7; tgδ = 0,03...0,05; ξ_пр = 30 МВ/м; ρ = 10¹⁰ Ом*м. В текстолите в качестве наполни­теля используется хлопчатобумажная ткань, а в качестве связующего звена — бакелитовая смола. Электрические характеристики текстолита несколько хуже, чем гетинакса. В стеклотекстолите наполнителем является бесщелочная стеклоткань толщиной 0,06 мм, а в качестве связующего вещества применяют кремнийорганические смолы. Стеклотекстолит отличается от гетинакса и текстолита повышен­ной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками.

Для изготовления печатных плат РЭА применяют слоистые пластики, облицо­ванные с одной или двух сторон электрической красномедной фольгой толщи­ной 0,035-0,05 мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путем избира­тельного травления.

Электроизоляционные лаки, эмали и компаунды применяют для изоляции и защи­ты элементов РЭА от внешних воздействий. Электроизоляционные лаки являют­ся растворами пленкообразующих веществ в органических растворителях. Слой лака, нанесенный на твердую поверхность, постепенно отвердевает, образуя ла­ковую пленку. Пропиточные лаки применяют в РЭА для пропитки обмоток транс­форматоров, дросселей и др. Покровные лаки служат для создания на поверхнос­ти пропитанных обмоток или печатных плат электроизоляционных защитных покрытий. Эмальлаки применяют для тонкопленочной изоляции обмоточных проводов. Клеящие лаки применяют для склеивания различных материалов.

Электроизоляционные эмали представляют собой лаки, в состав которых входят неорганические вещества, повышающие твердость и механическую прочность лаковой пленки. Компаунды в основном состоят из тех же веществ, которые вхо­дят в состав лаковой основы электроизоляционных лаков, но в отличие от них не содержат растворителей. По своему назначению они делятся на две основные группы: пропиточные и заливочные. Пропиточные компаунды служат для запол­нения пор, капилляров и воздушных включений в электроизоляционных материа­лах, используемых для изоляции обмоток трансформаторов, вследствие чего повышается электрическая прочность материала. Заливочные компаунды служат для герметизации радиокомпонентов и узлов РЭА. По отношению к нагреву раз­личают термопластические и термореактивные компаунды. Термопластические компаунды размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении. Тер­мореактивные компаунды в момент применения находятся в жидком состоянии, а затем под действием отвердителя или катализатора происходит их затвердение.

Стекла и ситаллы представляют собой сплавы специально подобранных оксидов и имеют аморфную структуру. Наилучшими электрическими и физико-химичес­кими характеристиками обладает кварцевое стекло (ε - 3,2...3,5; tgδ = 0,0002; ξ_ПР = = 35...40 МВ/м; ρ = 1О¹⁴...1О¹⁵ Ом*м). Помимо обычных стекол в радиоэлектронике находят применение ситаллы — закристаллизированные стекла, имеющие микрокристаллическую структуру, обусловленную соответствующим составом стекла. Основные характеристики ситаллов: ε = 7,5...8,5; tg δ = (1...80)*10^-3; ξ_ПР =40...60 МВ/м; ρ = 1О⁸...1О¹² Ом*м. Ситаллы хорошо шлифуются, благодаря чему они находят при­менение в качестве подложек гибридных интегральных микросхем.

Радиокерамические материалы характеризуются наличием в своем составе глины или каких-либо других неорганических материалов, обладающих сходными свой­ствами, Они состоят из частиц, имеющих кристаллическую структуру, частиц аморфного вещества и некоторого количества закрытых пор, заполненных газом. Изменяя процентный состав этих компонентов, можно получить керамические материалы с необходимыми характеристиками. Материалы обладают достаточ­ной механической прочностью, высокой нагревостойкостыо и хорошими элект­рическими характеристиками. Различают установочные и конденсаторные ке­рамические материалы, Установочная керамика применяется для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей: ламповых панелек, подло­жек толстопленочных интегральных микросхем и т. д. Конденсаторная керами­ка используется в качестве диэлектрика конденсаторов. Она обладает высокой диэлектрической проницаемостью (ε = 10...230) и малым углом диэлектрических потерь (tgδ = 0,0001...0,0006).

Резины — это многокомпонентные смеси на основе каучуков и близких к ним по свойствам веществ, называемых эластомерами. Для получения необходимых свойств резина подвергается так называемой вулканизации. Резины имеют срав­нительно невысокую диэлектрическую проницаемость (ε =3...7) и большие ди­электрические потери (tgδ = 0,02...0.01). Они применяются в основном для изоля­ции проводов и кабелей.

Волокнистые материалы состоят в основном из частиц удлиненной формы — во­локон, промежутки между которыми заполнены воздухом или какими-либо смо­лами. К ним относят дерево, состоящее в основном из целлюлозы (ε = 7, tgδ = 0,01), бумагу, картон, лакоткани. Они применяются в качестве изоляционных материа­лов, а специальная конденсаторная бумага — в качестве диэлектрика низкочастот­ных конденсаторов.

Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмоси­ликатам с ярко выраженной слоистой структурой. В радиоэлектронике находят применение два вида минеральных слюд: мусковит и флогопит. В состав муско­вита входят К₂О, А1₂О₃, SiO₂, H₂O. Он является высокочастотным диэлектриком (ε = 6...7, tgδ = 0,0003) и способен работать при температурах до 500-600 °С. В состав флогопита помимо перечисленных компонентов входит MgO. Этот диэлектрик является низкочастотным (ε = 7, tg δ = 0,0015) и способен работать при температу­рах до 800-900 °С. Помимо природных слюдяных материалов в радиоэлектрони­ке находит применение синтетическая слюда—фторофлоголит (ε =8, tgδ = 0,0002), способная работать при температурах до 1100 °С.

Активные диэлектрики характеризуются сильной зависимостью их свойств от внешних энергетических воздействий, что позволяет осуществлять генерацию, усиление, модуляцию и другие преобразования электрических и оптических сигналов. Они находят применение в устройствах функциональной электрони­ки (УФЭ), отличительной чертой которых являются несхемотехнические принципы их построения. Функции схемотехники выполняют непосредственно те или иные процессы в диэлектриках. К активным диэлектрикам относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, а также электреты.

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру и характеризуются спонтанной поляризацией, направление которой можно изменять с помощью внешнего элек­трического поля. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является не­линейная зависимость их электрической индукции от напряженности электри­ческого поля и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости. Они находят применение для изготовления малогабаритных низко­частотных конденсаторов, а также нелинейных конденсаторов, называемых варихондами, емкость которых зависит от приложенного напряжения, для ячеек памя­ти в вычислительной технике, для модуляции и преобразования лазерного излучения.

Пъезоэлектрики обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, который может быть как прямым, так и обратным. При прямом пьезоэффекте под действием механических напряжений происходит поляризация диэлектрика, в результате чего на каждой из поверхностей диэлектрика возникают электрические заряды, линейно зависимые от механических усилий. При обратном пьезоэффек­те происходит изменение размеров диэлектрика под действием электрического поля. Среди пьезоэлектриков одно из важных мест занимает монокристалличес­кий кварц, из которого вырезают пластины с определенной кристаллографичес­кой ориентацией. Кварцевая пластина с электродами и держателем эквивалентна колебательному контуру с высокой добротностью, достигающей 10^б-10⁷.

К пироэлектрикам относят диэлектрики, в которых спонтанная поляризованность изменяется при изменении температуры. При неизменной температуре спонтан­ная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака из-за процессов электропроводности и адсорбции заря­женных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спон­танная поляризованность изменяется, что сопровождается освобождением неко­торого заряда на поверхности пироэлектрика, вследствие чего в замкнутой цепи возникает электрический ток, пропорциональный скорости изменения темпера­туры. Пироэффект используют для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, принцип действия которых состоит в том, что при облучении зачерненной (поглощающей) поверхности кристалла происходит его нагрев и воз­никает импульс тока, регистрируемый электронной схемой.

К электретам относятся диэлектрики, способные длительное время сохранять по­ляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электричес­кое поле, то есть электрет является формальным аналогом постоянного магнита. Они находят применение для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций и во многих других случаях.