Основные виды модифицирующих добавок

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Механические свойства

Механические (упругопрочностные) свойства полимерных материалов определяются их молекулярным строением. Механические свойства полимеров, связанные с наличием длинных макромолекул, проявляют следующие особенности:

– развивают под действием внешних механических нагрузок большие обратимые (высокоэластические) деформации;

– имеют релаксационный характер реакции тела на механическое воздействие, т.е. зависимость деформаций и напряжений от длительности (частоты) воздействия. Эта зависимость обусловлена отставанием деформации от напряжения;

– изменяют механические свойства в зависимости от условий получения, молекулярной массы, температуры, времени воздействия нагрузки, способа переработки и других факторов.

Одним из важнейших показателей механического поведения полимерных материалов является кривая напряжение-деформация, которую следует рассматривать с учетом зависимости прочности от температуры и времени действия нагрузок.

Типичные диаграммы упругопрочностных свойств полимерных материалов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Кривые растяжений полимеров: 1 – хрупкие; 2 – вынужденно эластические; 3 – высокоэластические

Прямая 1 характеризует практически линейную зависимость, присущую отвержденным сшитым полимерам с густосетчатой структурой, аморфным и кристаллическим полимерам ниже температуры хрупкости, неорганическим стеклам, керамике и т.п. Материал ведет себя как хрупкое твердое тело, разрушаясь при небольших относительных деформациях.

Кривая 2 характеризует вынужденно эластическую деформацию линейных аморфных полимеров или «холодное течение» кристаллических полимеров.

Кривая 3 указывает на значительные деформации при любых самых малых напряжениях, которые присущи каучукам, резиновым материалам. Такие деформации на 3 - 4 порядка больше упругих и связаны с распрямлением, скрученных в спирали клубков длинных макромолекул, и называются высокоэластическими.

Характер разрушения неорганических, в том числе керамических, материалов хрупкий и в зависимости от их фазового состава различен. Разрушение при сжатии, изгибе или растяжении происходит либо по стекловидной фазе, либо по кристаллической. В некоторых случаях в материалах чисто кристаллической структуры разрушение наблюдается по границам зерен без нарушения их целости. В керамике кристаллического строения прочность связана с энергией кристаллической решетки данного вещества. В большинстве керамических материалов наиболее прочная связь – ионная. Однако для некоторых бескислородных материалов характерна ковалентная связь. В реальных керамических материалах имеется большое количество дефектов как на микро-, так и на макроуровне, приводящих к возникновению концентрации напряжений.

Кристаллическая фаза керамики практически всегда имеет дефектную структуру, обусловленную образованием микротрещин, дислокаций, внедрением в кристаллическую решетку примесных ионов, наличием вакансий.

Наибольшей прочностью, как правило, обладает окисная керамика. Например, предел прочности при статическом изгибе некоторых видов корундовой керамики достигает 500 – 600 МПа, в то время как для лучших видов высокоглиноземистой муллитокорундовой керамики этот показатель составляет 200 МПа, а для керамики с большим количеством стекловидной фазы, например фарфора, не превышает 100 МПа.

Модуль упругости оксидной конструкционной керамики лежит в пределах (1 – 4).10⁵ МПа.

Прочностные свойства керамики с повышением температуры, как правило, снижаются. Только в исключительных случаях наблюдается небольшое упрочнение, предшествующее дальнейшему снижению прочности. Снижение прочности керамики происходит плавно и обусловлено главным образом ослаблением структурных связей при повышении температуры.

Способность керамики выдерживать постоянные нагрузки при высокой температуре оценивают при определении температуры начала деформации 4-, 10 – и 20-процентного сжатия с нагрузкой 0,2 МПа или при измерении ползучести под действием постоянной сжимающей или изгибающей нагрузки при постоянной температуре в течение длительного времени.

С повышением пористости все прочностные характеристики керамики снижаются вследствие концентрации напряжений вокруг пор и уменьшения контактной поверхности соприкосновения отдельных зерен. Керамика мелкозернистого строения, как правило, обладает большей прочностью, чем крупнозернистого, при одном и том же фазовом и химическом составе.

Стекла в области низких температур и высокой вязкости представляют собой идеально хрупкие материалы, для которых полностью отсутствует пластическая деформация в зоне разрушения.

В интервале стеклования стекло в отличие от хрупких материалов обладает пластической деформацией, а при температурах выше Т_f стекло находится в вязкотекучем состоянии.

При обычных условиях поверхность любой детали из стекла повреждена невидимыми трещинами, которые являются очагами хрупкого разрушения. Поэтому, несмотря на то, что теоретическая прочность порядка 20 ГПа, при сжатии прочность не превышает 2,5 ГПа, при растяжении – 0,02 – 0,1 ГПа, при изгибе – 0,03 – 0,12 ГПа. Изделия из стекла способны выдерживать гораздо более высокие напряжения при сжатии, чем при растяжении.

Для силикатных стекол модули упругости и сдвига лежат соответственно в пределах 48 – 83 и 22 – 32 ГПа.

Зависимость модуля упругости от состава является сложной. При увеличении в составе стекла окислов щелочных металлов уменьшается его модуль упругости, поскольку прочность связей Ме-О значительно ниже прочности связей Si - О. Окислы щелочноземельных элементов Al₂O₃, PbО, наоборот, повышают модуль упругости. Наиболее высокие значения модуля упругости характерны для малощелочных алюмосиликатных стекол с высоким содержанием BeО, MgО, CaО.

Механизм разрушения стекол включает две последовательные стадии: рост наиболее опасной трещины; возникновение и одновременный рост большого числа вторичных трещин.

Ситаллы, как и стекла, выгодно отличаются от большинства видов керамики отсутствием пористости и вследствие этого более высокой механической прочностью. Кристаллические зерна ситаллов обладают повышенной прочностью и жесткостью по сравнению с хрупкой стекловидной аморфной фазой.

Повышенные значения модуля упругости (до 90 – 130 ГПа) и низкие значения коэффициента трения (0,1 – 0,2) обусловливают высокую износостойкость изделий из ситаллов.

Теплофизические свойства

Температура в значительной мере влияет на самые разнообразные свойства материалов и изделий на их основе: электрические характеристики, деформационно-прочностные свойства и др. В частности, свойства конструкционных и электроизоляционных материалов при изменении температуры в широких пределах претерпевают существенные изменения, определяющие возможность использования этих материалов. Например, в электрических машинах и аппаратах увеличение допустимого превышения температуры, которое в подавляющем большинстве случаев лимитируется именно материалами электрической изоляции, дает возможность получить более высокую мощность в неизменных габаритах или при сохранении мощности достигнуть уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделий. Повышение рабочей температуры особо важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электро- и радиооборудования и других передвижных устройств, где вопросы уменьшения массы и габаритных размеров играют решающую роль.

Основными теплофизическими свойствами различных групп материалов являются: теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения, термостойкость.

Теплоемкость синтетических полимеров меняется в широких пределах в зависимости от химической структуры полимера и температуры. Ниже температуры стеклования значения теплоемкости для одного и того же полимера, находящегося в аморфном и кристаллическом состоянии, близки. Для аморфных полимеров переход из стеклообразного состояния в высокоэластическое состояние сопровождается скачкообразным возрастанием теплоемкости. Скачок теплоемкости наблюдается и при стекловании кристаллических полимеров, причем его значение зависит от степени кристалличности полимера.

Теплопроводность полимеров зависит от температуры, химической структуры и физического состояния.

Для температурной зависимости теплопроводности аморфных полимеров характерно наличие пологого максимума при температуре стеклования. Теплопроводность кристаллических полимеров больше, чем аморфных. С повышением температуры от 180 до 150°С теплопроводность одних кристаллических полимеров падает (полиэтилен, полиамид), других – растет (полипропилен, политетрафторэтилен), причем по абсолютному значению теплопроводность полимеров первой группы выше, чем второй. Для всех полимеров с ростом степени кристалличности теплопроводность увеличивается, при плавлении – сильно уменьшается.

Температурный коэффициент линейного расширения TK_L полимеров зависит от химической структуры, физического состояния и температуры.

Теплоемкость кристаллического материала весьма сильно меняется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно выше 1000°С.

Теплопроводность керамических материалов зависит от состава кристаллической и стекловидной фаз, а также от пористости.

Теплопроводность спеченной керамики кристаллического строения, особенно оксидной, с повышением температуры, как правило, сильно падает. Исключение составляет диоксид циркония, теплопроводность которого с повышением температуры возрастает.

Теплопроводность керамики, содержащей значительное количе­ство стекла одной фазы, например муллитокремнеземистой, с повышением температуры увеличивается.

Термическое расширение для подавляющего большинства керамических материалов возрастает с повышением температуры. Значения коэффициента линейного расширения различных видов технической керамики колеблется от 0 до (13 – 14).10^–6.K^–1.

Теплоемкость стекол растет по мере увеличения концентрации легких элементов. Наиболее низкой теплоемкостью обладают системы с высоким содержанием тяжелых элементов типа бария или свинца.

Для силикатных стекол коэффициент теплопроводности изменяется в зависимости от состава в широких пределах. Наиболее высокое значение коэффициента теплопроводности характерно для кварцевого стекла. При повышении в составе стекла содержания модификаторов теплопроводность уменьшается.

Термическое расширение стекол, вследствие их изотропности, является одинаковым. В серии силикатных стекол минимальным расширением обладает кварцевое стекло (TK_L = 5.10^–7.K^–1). Для бинарных щелочно-силикат­ных стекол при повышении концентрации щелочного компонента от 0 до 33 % величина TK_L возрастает, а при введении многозарядных ионов типа Fe, Ge, B, Al, Zr наблюдается снижение коэффициента термического расширения.

Для ситаллов, кроме химического состава, на величину TK_L особое влияние оказывают вид и содержание кристаллической фазы. Поэтому, меняя режим термообработки, можно получать ситаллы с заданным значением TK_L.

Термостойкость неорганических материалов характеризует их способность выдерживать без разрушения резкие смены температуры. Мерой термостойкости является максимальная разность температур, которую выдерживает изделие, не разрушаясь:

DТ = Т_max - Т_k ,

где DТ – термостойкость, К; Т_max – максимальная температура изделия; Т _k – температура после мгновенного охлаждения.

Главными факторами, определяющими термостойкость стекол и ситаллов, являются температурный коэффициент линейного расширения TK_L, прочность при растяжении s_в, модуль упругости Е, причем действие TK_L проявляется наиболее сильно.

При внезапном охлаждении уменьшение размеров внешних слоев образца вызывает возникновение внутренних напряжений растяжения на поверхности и сжатия внутри (внутренние слои из-за низкой теплопроводности не успевают охладиться (сжаться) и растягивают внешние слои). Как известно, стекло и ситаллы значительно хуже работают на растяжение, чем на сжатие (s_в составляет 5 – 7 % от s_сж), поэтому при высоком значении TK_L возникает опасность разрушения даже при значительной прочности материала.

При резком нагреве поверхности внешние слои будут испытывать сжимающее напряжение, поэтому опасность разрушения будет значительно меньше, а термостойкость в 4 – 5 раз выше. На термостойкость стекол и ситаллов также оказывают влияние форма, толщина изделий, теплопроводность, условия нагрева и охлаждения.

Прочность ситаллов, как правило, значительно выше прочности стекла, поэтому и термостойкость их при равных значениях TK_L имеет более высокое значение.

Чем более массивно (утолщено) изделие, тем ниже его термическая стойкость в связи с влиянием масштабного фактора и естественным увеличением градиента температур по толщине. Так как основными показателями, определяющими термостойкость, являются TK_L и прочность, то все факторы, влияющие на эти показатели, а именно химический состав, термообработка (закалка), ситаллизация, будут влиять на термостойкость.

Дефекты поверхности (трещины, царапины), снижающие прочность стекла и ситаллов, понижают и термостойкость.

Термостойкость стекол находится в сложной зависимости от свойств материала, поэтому очень трудно проследить влияние одного или нескольких компонентов стекла на изменение этой характеристики. В ряду силикатных стекол наиболее высокой термостойкостью обладает кварцевое стекло (порядка 1000°С).

В зависимости от значения коэффициента термостойкости стекла делятся на три группы: 1) нетермостойкие (до 100°С); 2) термостойкие (до 160°С); 3) высокотермостойкие (до 220°С).

Кварцевое стекло, малощелочные высокоглиноземистые боросиликатные стекла являются не только термостойкими, но и жаропрочными, т.е. выдерживают неоднократное воздействие высоких температур при одновременном действии нагрузки без значительной остаточной деформации.

Диэлектрические свойства

Диэлектрические свойства – совокупность параметров, определяющих поведение материалов в электрическом поле. К числу важнейших параметров относятся: диэлектрическая проницаемость e, тангенс угла диэлектрических потерь tgd, удельное электрическое сопротивление (объемное r_n и поверхностное r_s) и электрическая прочность Е_пр.

Явления, происходящие в материалах при их взаимодействии с электрическим полем, могут быть весьма разнообразными; они определяются как видом материала (химический состав, структура и т.п.) и условиями, в которых находится материал (температура, давление, воздействие радиации и пр.), так и видом электрического поля (постоянное, переменное той или иной частоты или же импульсное воздействие).

Основным отличительным свойством диэлектриков, определяющим возможность их применения в качестве электроизоляции и других целей, является электрическая поляризация.

Явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал.

Под действием внешнего электрического поля происходит некоторое упорядочение расположения в пространстве зарядов молекул диэлектрика (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое расположене зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора: Е – средняя напряженность электрического поля

По времени установления поляризации различаются две группы процессов:

1) мгновенная поляризация, происходящая почти без потерь энергии (электронная и ионная). Время установления поляризации (время релаксации) – 10^–15 – 10^–12 с;

2) замедленная поляризация, сопровождающаяся рассеиванием энергии в диэлектрике в виде тепла (дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная и др.). Время их релаксации составляет 10^–3 и более секунд.

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и молекул относительно ядер. Этот вид поляризации характерен для всех видов диэлектриков и совершается за незначительно короткое время (10^–15 – 10^–14 с), сравнимое с периодом световых колебаний.

Ионная поляризация – упругое смещение связанных ионов неорганических диэлектриков относительно положения равновесия, совершается в течение 10^–15 – 10^–14 с.

Дипольно-релаксационная поляризация, которую для полимерных материалов называют дипольно-радикальной (или дипольно-групповой), заключается в ориентации (повороте) под действием электрического поля дипольных молекул, дипольных групп и цепей макромолекул, находящихся в хаотическом тепловом движении и обладающих собственным электрическим моментом. Чем ниже температура и крупнее молекула, тем больше время ее релаксации. Такой вид поляризации характерен как для полярных, так и для неполярных с полярными включениями органических диэлектриков.

Дипольно-электронная поляризация (сегментальная) – ориентация отдельных участков (сегментов) макромолекул как полярных, так и неполярных полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии.

Ионно-релаксационная поляризация – смещение на одно – два атомных расстояния слабосвязанных ионов неорганических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов.

Миграционная поляризация(структурная) – медленная миграция свободных ионов в пределах данного слоя наполнителя и других включений и закрепление их на дефектных участках, на границах раздела сред или на приэлектродной области (высоковольтная), характерна для неоднородных композиционных диэлектриков, составляющие которых обладают разными электрическими свойствами. Время релаксации иногда составляет несколько минут.

Спонтанная поляризация (самопроизвольная) – характерна для сегнетоэлектриков. При температуре ниже точки Кюри, когда энергия теплового движения невысокая, ионы, смещаясь относительно друг друга, создают электрический момент. Области с одинаковым направлением дипольных моментов ячеек называются доменами. До действия внешнего электрического поля направление дипольных моментов разных доменов хаотично и сумма их равна нулю, т.е. сегнетоэлектрик в целом неполяризован. Под действием внешнего электрического поля происходит ориентация дипольных моментов доменов в направлении поля.

Остаточная поляризация характерна для электретов, т.е. диэлектриков, которые подобно постоянным магнитам могут длительно (годами) сохранять поверхностные электрические заряды.

Количественно способность вещества к поляризации оценивается его относительной диэлектрической проницаемостью, представляющей собой отношение количества зарядов Q на обкладках конденсатора с данным диэлектриком к количеству зарядов Q₀при вакууме между электродами, причем при одинаковых напряжениях и размерах конденсатора:

,

где e – величина безразмерная и всегда больше единицы.

Значения e различных групп диэлектриков приведены в таблице 1.

Таблица 1

Классификация диэлектриков по диэлектрической проницаемости

Диэлектрики	Виды поляризации	e
Агрегатное состояние	Классы	Примеры	Электронная	1,9 - 2,5
Твердые органические (линейная поляризация)	Неполярные	Полиэтилен, фторопласт–4
Полярные	Поливинил-хлорид, органическое стекло	Дипольная и электронная	3 - 7
Твердые неорганические (линейная поляризация)	Кристаллические с плоной упаковкой ионов	Кварц, слюда	Ионная и электронная	5 - 10
Аморфные и кристалличес­кие с неплотной упаковкой ионов	Титано-содержащая керамика	12 - 230
Твердые (нелинейная поляризация)	Сегнетоэлектрические	Метатитанат бария и стронция, сегнетова соль	Спонтанная, ионная, ионно-релакса- ционная и электронная	До 40000

Диэлектрические потери – энергия в виде тепла, теряемая в единицу времени в диэлектриках, находящихся в электрическом поле.

Диэлектрические потери оцениваются удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема материала) или тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ). Величина tgd численно равна доле запасенной в диэлектрике энергии, необратимо рассеиваемой в виде тепловых потерь за один период колебаний электрического поля. При больших диэлектрических потерях пользуются понятием добротности диэлектрика, которая равна величине, обратной тангенсу угла потерь.

Значения tgd различных групп диэлектриков приведены в таблице 6.2.

Таблица 2

Классификация диэлектриков по диэлектрическим потерям

Диэлектрики	Преобладающий источник потерь	tgd
Агрегатное состояние	Классы	Примеры	Электропро- водность	(1-5).10–4
Твердые органичес­кие (линейная поляризация)	Неполярные	Полиэтилен, фторопласт-4
Полярные	Поливинилхлорид, эпоксидные смолы	Дипольная поляризация	10–3 - 10–1
Твердые неорганичес­кие (линейная Поляризация)	Кристаллические с плотной упаковкой ионов	Кварц, алюминоксид	Электропроводность	(2 - 7).10–4
Аморфные и кристаллические с неплотной упаковкой ионов	Радиофарфор, щелочное и свинцовое стекла	Ионно - релаксационная поляризация	10–3 - 2.10–2
2.10–4
Твердые (нелинейная поляризация)	Сегнето-электрики	Метатитанат бария, стронция, сегнетова соль	Спонтанная поляризация	(1 - 5).10–2

Значения электропроводности обычно оценивают обратной величиной – сопротивлением.

У диэлектриков различают удельное объемное r_v и удельное поверхностное r_s сопротивления.

Удельное объемное сопротивление r_v – отношение напряженности постоянного электрического поля к плотности тока, проходящего через объем образца диэлектрика. Оно численно равно сопротивлению кубика данного диэлектрика с ребром, равным 1 м, если ток проходит через две противоположные его грани. Размерность удельного объемного сопротивления выражается в омах на метр, его величина обратна величине удельной объемной проводимости:

.

Удельное поверхностное сопротивление r_s – отношение напряженности постоянного электрического поля к току на единицу длины поверхности образца диэлектрика. Оно численно равно сопротивлению квадрата любого размера поверхности диэлектрика, если ток проходит через две противоположные его стороны. Размерность удельного поверхностного сопротивления выражается в омах; его величина обратна величине удельной поверхностной проводимости:

.

В неоднородных диэлектриках сопротивление в различных направлениях неодинаково. В слоистых материалах сопротивление в продольном направлении значительно меньше, чем в поперечном. Электропроводность диэлектриков зависит от агрегатного состояния, особенностей их строения и состава.

Молекулы твердых органических диэлектриков мало склонны к ионной диссоциации. Поэтому эти материалы в чистом виде имеют малую электропроводность. Однако большинство органических диэлектриков имеют повышенную электропроводность, так как могут содержать большое количество ионогенных и полярных групп примесей, склонных к ионной диссоциации. Такими примесями являются вода, остатки растворителей, катализаторов, побочных продуктов, исходных мономеров и т.п.

Электропроводность пластических масс сильно зависит от свойств наполнителя. Например, пластмассы, содержащие в качестве наполнителей гигроскопические целлюлозные материалы (древесную муку, бумагу, хлопчатобумажную ткань), обладают повышенной электропроводностью, а пластмассы с минеральными наполнителями (кварц, слюда) характеризуются более высоким электросопротивлением.

Объемное сопротивление r_v кристаллических полимеров при прочих равных условиях выше, чем аморфных, так как при плотной упаковке макромолекул перемещение ионов затрудняется.

Электропроводность неорганических диэлектриков в слабых полях при низких температурах обусловливается ионами примесей, а при высоких температурах – также собственными ионами.

У чистых неорганических аморфных диэлектриков с плотной упаковкой ионов r_v имеет высокие значения, достигающие 10¹⁴ – 10¹⁷ Ом.м.

Электропроводность неорганических аморфных диэлектриков, например, стекол, зависит от состава. В наибольшей степени электропроводность стекол повышается при введении окислов одновалентных металлов (К₂О, Li₂О), так как их ионы подвижнее, чем ионы двухвалентных. Электропроводность стекол, не содержащих примесей, невысокая (плавленый кварц).

Керамические материалы можно рассматривать как совокупность мелкокристаллической и стеклообразной аморфной фаз. Поскольку электропроводность кристаллических диэлектриков мала, электропроводность керамики определяется электропроводностью аморфной фазы. Керамические материалы, содержащие большое количество аморфной фазы с щелочными окислами (например, электрофарфор), обладают повышенной электропроводностью.

Долговечность и надежность электрической изоляции проводов, диэлектрика конденсатора и других деталей зависят от электрической прочности диэлектрика, характеризующей способность диэлектрика противостоять разрушающему действию электрического поля.

Электрическую прочность диэлектриков Е_проценивают по пробивной напряженности однородного электрического поля:

, МВ/м,

где – пробивное (предельное) напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, МВ; – толщина диэлектрика, т.е. расстояние между электродами, м.

В твердых диэлектриках различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. Возникновение того или иного вида пробоя в данном диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов и условий эксплуатации.

Электрический пробой твердых диэлектриков сводится к нарушению упругих связей между зарядами под действием электрического поля и по своей природе является чисто электронным процессом. Электрический пробой протекает очень быстро (10^–7 – 10^–8 с) и электрическая прочность большинства однородных материалов в однородном поле практически не зависит или слабо зависит от толщины, температуры и времени действия напряжения.

На практике часто до наступления электрического пробоя при более низких напряжениях уже происходит тепловой пробой, вызванный накоплением тепла, выделяемого в диэлектрике под действием электрического. Такой пробой происходит в диэлектриках, обладающих высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью в условиях затрудненной теплоотдачи. Сущность теплового пробоя заключается в следующем: под влиянием нагрева в электрическом поле активное сопротивление диэлектрика уменьшается, рост активного тока, в свою очередь, ведет к дальнейшему нагреву, нарушению теплового баланса и, наконец, к тепловому разрушению диэлектрика (расплавлению, обугливанию). Для тепловогопробоя характерно значительное уменьшение электрической прочности с ростом температуры.

Иногда различают так называемый электрохимический пробой. В диэлектриках, длительно находящихся в электрическом поле, происходит электролиз, ионизация газовых включений и т.д. Эти процессы приводят к химическому изменению – старению диэлектрика. Конечной стадией электрохимического пробоя чаще всего является тепловой пробой.

При возникновении разрядов в порах керамических материалов при высокой частоте в результате выделения тепла образуются значительные градиенты температуры, что вызывает термическое напряжение в диэлектрике. При достаточно высоком электрическом напряжении, когда термические напряжения станут больше предела механической прочности керамики, происходит ее растрескивание вблизи пор, что приводит к пробою газовых прослоек. Этот пробой в керамических материалах называется термоионизационным.

Наличие пор как в органических, так и неорганических диэлектриках может привести к снижению Е_пр и по той причине, что поры во влажной среде заполняются влагой, которая увеличивает проводимость и ведет к тепловому пробою.

Снижение электрической прочности неоднородных композиционных материалов происходит также из-за того, что обычно отдельные их компоненты имеют разные диэлектрические проницаемости e,проводимости g и толщин h.

Таким образом, наибольшей электрической прочностью обладают диэлектрики однородные, плотные, нагревостойкие, тонкие с низкой электропроводностью и повышенной теплопроводностью; Е_пр однородных плотных тонких диэлектриков (пленочные фторлон-4, лавсан, слюда и т.п.) составляет 100 – 300 МВ/м. У неоднородных материалов с небольшим количеством закрытых пор (керамика и т.п.) Е_пр = 10 – 13 МВ/м, а у неоднородных с большим количеством пор (пенопласты, непропитанная бумага, пористая керамика и т.п.) Е_пр = 2 – 10 МВ/м.

Вопросы для самопроверки

1. Опишите особенности механических свойств полимерных материалов различных классов.

2. Опишите особенности теплофизических свойств полимерных материалов различных классов.

3. Опишите особенности диэлектрических свойств полимерных материалов различных классов.

4. Дайте определения основных диэлектрических характеристик.

5. Дайте классификацию диэлектриков по диэлектрической проницаемости.

6. Дайте классификацию диэлектриков по диэлектрическим потерям.

Пластические массы

Пластические массы представляют собой многокомпонентные материалы на основе термопластичных или термореактивных полимеров и модифицирующих добавок в виде стабилизаторов, наполнителей, пластификаторов, отвердителей, красителей, смазывающих веществ и др., обеспечивающих получение изделий с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Многие пластические массы имеют высокие механические и электроизоляционные свойства, небольшую плотность, химическую стойкость, технологичность и применяются в качестве конструкционных, электроизоляционных, оптических и других функциональных материалов. Выпускаемый промышленностью марочный ассортимент пластических масс разнообразен и непрерывно расширяется.

Основные виды модифицирующих добавок

Модификация полимерных материалов представляет собой комплекс методов направленного регулирования их структуры и свойств путем введения в композиции различных целевых добавок.

Наполнители в виде дисперсных частиц вводят с целью улучшения многих показателей пластических масс: увеличения механической прочности, твердости, придания специальных свойств, а также экономии сравнительно дорогого органического сырья и удешевления готового продукта. Для получения дисперсно-наполненных композиционных материалов используют мел, сажу, каолин, аэросил, тальк, кварц, древесную муку и многие другие вещества органического или минерального происхождения, содержание которых в композициях может изменяться в широких пределах. При производстве пластических масс наиболее широкое применение находят минеральные наполнители, составляющие примерно 80 % мирового рынка. Это обусловлено их низкой стоимостью, большими запасами природного сырья, высокой удельной поверхностью частиц и т.п. Дисперсные наполнители представляют собой порошкообразные продукты с частицами правильной или относительно правильной сферической, пластинчатой, кубической и игольчатой формы. Размер частиц дисперсных наполнителей обычно находится в пределах от 1 до 500 мкм. Свойства наполненных пластмасс зависят от геометрических, химических и других свойств наполнителей, содержания и равномерности их распределения в полимерной матрице, степени взаимодействия компонентов, природы, фазового и физического состояния полимера, технологических и др. факторов.

Одним из перспективных направлений получения пластических масс и других видов полимерных материалов с новыми уникальными свойствами является использование в их составе наполнителей в виде нанопорошков, нановолокон и нанотрубок с размерами частиц от 1 до 100 нм.

Пластификаторывводят в полимерные композиции с целью повышения их пластичности и эластичности в условиях переработки и эксплуатации. Пластификаторы должны хорошо совмещаться с полимером, в противном случае их пластифицирующее действие со временем снижается. В качестве пластификаторов используются жирные кислоты и их соли, сложные эфиры, а также многие синтетические полимеры.

Отвердителипредставляют собой реакционноспособные соединения, которые вводятся в состав термореактивных композиций для формирования пространственно - сетчатой структуры реактопластов. Отверждение композиций происходит в результате химического взаимодействия полимерных связующих с отвердителями при обычной или повышенной температуре. Некоторые связующие способны отверждаться только при нагревании без введения отвердителей, например фенолоформальдегидные смолы резольного типа.

Стабилизаторы вводят для повышения стойкости полимеров к воздействию света, температуры, кислорода воздуха и т.д. при хранении, переработке и эксплуатации изделий. В качестве стабилизаторов используются соли различных металлов (олова, бария, кальция) и кислот (стеариновой, муравьиной).

Красителивводят в композиции для придания полимерным материалам определенной цветовой гаммы. Эти добавки должны обладать устойчивостью к действию света и других атмосферных факторов, термической и химической стойкостью.

Смазочные веществавводят в композиции для снижения температуры переработки, обеспечения стабильного протекания процессов формования материалов и предотвращения их прилипания к поверхностям перерабатывающего оборудования.

Антипиренывводят в композиции для снижения их горючести, затруднения воспламенения и замедления распространения пламени.