А.4. 3. Пластмассы и слоистые пластики
Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. Они состоят из связующего вещества (синтетические смолы — пространственные или линейные полимеры) и наполнителей. Кроме того, в массу добавляются красители, пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, отвердители, порообразователи и другие вещества.
Подробнее поговорим о пластмассах в разделе «Конструкционные материалы»
А.4.4. Монокристаллические диэлектрики и материалы на их основе.
Слюда и микалекс. Природная слюда. Слюда встречается в природе в виде кристаллов. Характерной особенностью слюды является способность легко расщепляться на пластинки по параллельным друг другу плоскостям (плоскости спайности).
По химическому составу различные виды слюды представляют собой водные алюмосиликаты. Важнейшими из них являются: мусковит и флогопит.
По электрическим свойствам мусковит, являющийся одним из лучших электроизоляционных материалов, превосходит флогопит. Кроме того, он более тверд, гибок и упруг.
Вдоль плоскостей спайности электроизоляционные свойства слюды значительно хуже.
Из слюды изготовляют штампованные прямоугольные пластинки для конденсаторов (конденсаторная слюда).
Синтетическая слюда (фторфлогопит). Кристаллы синтетической слюды выращивают из расплава специально составленной шихты. Синтетическая слюда аналогична природной слюде, легко расщепляется на тонкие листки. Синтетическая слюда обладает большей нагревостойкостью, лучшими электрическими свойствами.
Синтетическую слюду можно применять в качестве окон волноводов и счетчиков частиц высокой энергии, а также в качестве диэлектрика конденсаторов на рабочие температуры до 600—700°С.
Микалекс представляет собой твердый материал, получаемый путем горячего прессования смеси порошкообразной природной слюды и тонкоразмолотого легкоплавкого стекла.
Для изготовления микалекса применяют слюду мусковит и борно-свинцовые или борно-баритовые стекла.
Микалекс обладает небольшими диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью, влагостойкостью и механической прочностью.
Микалекс используют в радиоэлектронной промышленности для изготовления держателей мощных ламп, панелей воздушных конденсаторов, гребенок, индуктивных катушек, плат переключателей и других деталей. Микалекс допускает запрессовку в него металлических контактов.
Новомикалекс изготовляют из синтетической слюды, скрепленной стеклосвязкой.
А.4.5. Стекла и ситалы.
Стекла — это неорганические квазиаморфные термопластичные вещества, которые представляют собой сложные системы различных окислов.
По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO2, B2O3, GeO2, P2O5, Al2O3); галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF2 (фторберилатные стекла) и халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.
Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:
1. по виду окисла стеклообразователя – силикатные (на основе SiO2), боратные (на основе В2О3), фосфатные (на основе Р2О5) и др.;
2. по содержанию щелочных окислов - бесщелочные (не содержат окислы натрия и калия, в эту группу входит чисто кварцевое стекло), щелочные не содержащие тяжелые окислы (в эту группу входит большинство обычных стекол); щелочные с тяжелыми окислами (в эту группу входят, например, силикатно-свинцовые и бариевые стекла).
Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na2O3, K2O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.
Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава.
1) проводимость.
Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO2 и B2O3. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую щелочные без тяжелых окислов. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность. ρ стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 108 до 1015 Ом.м.
2) диэлектрические потери
в стеклах диэлектрические потери складываются из потерь на электропроводность, релаксационных и структурных потерь. tgδ стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов PbO и BaO имеют низкий tgδ.
3) диэлектрическая проницаемость.
Самую низкую ε имеет кварцевое стекло (3.7 - 2.8) и стеклообразный борный ангидрид (3.1 - 3.2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20).
4) В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17 - 80 МВ/м.
Рассмотрим некоторые виды стекол.
Кварцевое стекло.(I группа) Кварцевое стекло—практически чистую Si02 в стеклообразном состоянии—получают из мелкого кварцевого песка. Используют для изготовления изоляторов, баллонов ламп ультрафиолетового излучения, чехлов для термопар, оптических окон и др.
Электровакуумные стекла (II и III группы). Определяющим параметром стекол для изготовления из них деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Значения ТКлр стекла и соединяемых с ним материалов должны быть приблизительно одинаковыми, так как иначе при изменении температуры может произойти растрескивание стекла и нарушение герметичности.
Изоляторные стекла. (II группа ) Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металлические корпуса различных приборов(конденсаторов, диодов, транзисторов и т.д.).
Конденсаторные стекла. ( II и III группы ). Применяются для изготовления конденсаторов.
Оптические стекла. (III группа) – стекла с высокой прозрачностью и повышенным коэффициентом преломления. К ним относятся флинты (содержащие РЬО) и кроны (содержащие ВаО).
Лазерные стекла. ( II группа) Стекло может быть использовано в качестве матрицы для активных ионов оптических квантовых генераторов. В практике применяют бариевое стекло, активированное различными редкоземельными ионами, в частности неодимом Nd3+.
Стекла с проводящей поверхностью. ( II группа ) с поверхностным прозрачным проводящим покрытием из двуокиси олова (SnO2), окислов титана, индия и хрома и др. Эти стекла применяются в качестве незапотевающих стекол, для изготовления электролюминесцентных конденсаторов, фотоэлементов, пленочных резисторов, фотошаблонов и для многих других целей электроники.
А.4.6. Керамика
Под керамикой понимают группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.
Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В. настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами.
При изготовлении радиокерамики наряду с глинистыми веществами используют также окислы бария, кальция, титана, стронция, циркония и др.
Керамика представляет собой многофазную систему.
1) Кристаллической фазой керамики могут быть различные химические соединения и твердые растворы этих соединений.
Основные свойства керамики — диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей кристаллической фазы.
2) Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу.
Технологические свойства керамики — температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании — определяются в основном количеством стекловидной фазы.
3) Газовая фаза - газы в закрытых порах. Наличие газовой фазы зависит от способа обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.