Тверді діелектрики

Тверді діелектрики поділяються за хімічним складом на:

- органічні;

- неорганічні.

В радіотехніці особливе значення має урахування впливу частоти електричного поля на властивості матеріалу. Тому з поділом за хімічним складом ми будемо ділити діелектрики на полярні (низькочастотні) та неполярні (високочастотні).

Розглянемо органічні діелектрики.

Першим представником органічних діелектриків є смоли.

Смоли – це аморфні високомолекулярні речовини, які можуть бути в трьох станах: склоподібному, еластичному та в’язкотекучому.

Поділяються на:

- термопластичні – в них перехід від твердого стану до пластичного може відбуватися багаторазово;

- термореактивні - в них перехід від твердого стану до пластичного відбувається лише один раз, смолу не можливо повернути до пластичного стану.

Використовуються для виготовлення пластмас.

Неполярні високочастотні полімери:

1. Поліетилен – продукт полімеризації газоподібного етилену (С₂Н₄). Використовується як ізолюючий матеріал для провідників та кабелів, для виготовлення каркасів котушок індуктивності, як діелектрик в конденсаторах.
2. Полістирол – полімер стирола (С₂Н₃С₆Н₅). Має високі діелектричні характеристики, особливо на ВЧ та НВЧ. Його недоліки – низька нагрівостійкість (80 ^оС), швидке старіння. Використовується для виготовлення волокна, плівок, каркасів, лампових панелей, ізоляційних деталей в ВЧ апаратурі.
3. Фторопласт 4 – політетрафторетилен. Один з найкращих матеріалів для діапазону ВЧ та НВЧ. Має високу нагрівостійкість (до 300 ^оС). Хімічна стійкість більша ніж у золота та платини. Не горючий. Не гігроскопічний, не змочується водою.Має малий коефіцієнт тертя. Легко оброблюється різанням. Має малу теплопровідність. При температурах вищих за 400 ^оС виділяє фтор (отруйний газ). Використовується там де потрібні високі діелектричні властивості при дії агресивних середовищ.

Характеристики неполярних ВЧ полімерів наведені в табл.

Таблиця.

Характеристики неполярних ВЧ полімерів.

Параметр	Одиниця виміру	Поліетилен	Полістирол	Фторопласт 4
Електрична міцність	МВ/м	40...150	20...110	40...150
Робоча температура	^оС	- 60...+110	-40...+80	-296...+300
Діелектрична проникність, ε	Відносних одиниць	2,3...2,4	2,5...2,6	1,9...2,2
tgδ	Відносних одиниць	0,0002...0,0003	0,0002...0,0004	0,0002...0,0003
Питомий опір, ρ	Ом∙м	10^14	10^15	10^17

Полярні НЧ полімери.

Для них характерні висока діелектрична проникність, низький tgδ. Основні характеристики приведені в табл.

Таблиця.

Характеристики НЧ полімерів.

Параметр	Одиниці виміру	Полівінілхлорид	Лавсан	Нейлон, капрон	Фторопласт 3	Силікони
ε	Відносних одиниць	3,5...4,5	3...3,5	5...6	3,5	3,5
tgδ	Відносних одиниць	0,2...0,5	0,002	0,06	0,04	0,01...0,03
ρ	Ом∙м	10^12	10^12	10^9	10^13	10^14
Tmax	^оС
Tmin	^оС	-35	-80	-40	-195	-70

Використовуються для ізоляції монтажних проводів (полівінілхлорид), вт конденсаторах (лавсан), для виготовлення термотривких компаундів, лаків, каучуків (силікони), для виготовлення складних деталей (лампові панелі, гнізда та інш.), для конденсаторів (фторопласт3).

Електроізоляційні лаки та емалі використовуються для захисту елементів апаратури від корозії, пилу та вологи. Вони поділяються за використанням на: просочувальні, покрівельні та ключі.

За складом електроізоляційні лаки та емалі можна поділити на:

- полімерні (полістирольний та епоксидний лаки, тобто ті, в яких плівкоутворюючими елементами є полімери – полістирол, полівінілхлорид) та смоли (епоксидна, кремнійорганічна).

- нітроцелюлозні – розчини нітроцелюлози в ацетоні. Вони швидко висихають, але мають погану адгезію до металу та малу нагрівостійкість.

- масляні – до них відносяться ті, що мають висихаючи масла)лляне чи синтетичне).

Компаунди – це суміші смол, бітуму та воску. Використовуються для просочення та заливки елементів РЕА (трансформаторів, блоків, котушок і т. д.). При цьому досягається захист елементів від дії атмосфери, підвищуються електроізоляційні властивості, покращується відвід тепла, збільшується механічна міцність.

Волокнисті матеріали – складаються з частинок подовженої форми- волокон. Мають високу механічну міцність, легко оброблюються, дешеві. Для них характерна невисока електрична міцність та теплопровідність. Головний недолік – гігроскопічність. До волокнистих матеріалів відносяться:

- конденсаторний папір;

- електрокар тон;

- текстильні ізоляційні матеріали.

Використовуються в конденсаторах, конструкційних елементах, для виготовлення ізоляції проводів та шнурів.

Матеріали для друкованих плат – це слоїсті пластики, на які наклеєна тонка (18, 30 або 50 мкм) мідна фольга. Основні типи матеріалів наведені в табл.

Таблиця.

Матеріали для друкованих плат

Марка	ε, відносних одиниць	tgδ, відносних одиниць	ρ, Ом·м	Епроб, МВ/м	Область застосування
Гетинакс фольгований ГФ-1-11		0,035	10^10		РЕА широкого призначення
Склотекстоліт фольгований СФ-1		0,05	10^13		Плати зі збільшеною стабільністю
Склотекстоліт для мікроелектроніки ФДМЭ-1		0,025	10^10		Багатошарові плати для обчислювальної техніки
Фторопласт фольгова ний ФФ-4	2,1	0,0002	10^17		Плати НВЧ діапазону
Поліетилен фольгований ПЭФ-1	2,2	0,0005	10^15		Плати НВЧ діапазону

Рідкі кристали – рідини, які знаходяться в проміжному стані між кристалом та рідиною і мають анізотропні властивості. Це органічні з’єднання, молекули яких мають подовжену або паличкову форму. Структура РК легко змінюється при зовнішніх впливах (магнітне, електричне поля, температура, тиск). Використовуються в індикаторних пристроях пасивного типу (РК - індикатори, панелі).

Неорганічні діелектрики.

До неорганічних діелектриків відносяться:

- неорганічне та напівпровідникове скло;

- склокераміка (ситали);

- кераміка;

- слюдяні матеріали.

Неорганічне скло – це аморфний матеріал, до ч складу якого входять складні системи різних окислів. За звичайних умов скло має властивості твердого матеріалу. При нагріванні – перетворюється в рідину. Одержують скло при охолодженні розплаву, що складається із оксидів SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O, CaO, MgO, PbO, ZnO, Al₂O₃. При варці оксиди утворюють силікати, борати та алюмінати.

Збільшення в складі SiO₂ підвищує тугоплавкість, покращує діелектричні властивості та зменшує коефіцієнт лінійного розширення скла (силікатне скло).

Присутність лужних оксидів Na₂O, K₂O збільшує ε та зменшує tgδ, але вона зменшує нагрівостійкість скла.

Використовується в основному для виготовлення колб електровакуумних ламп.

Напівпровідникове скло – скло чорного кольору, завдяки присутності оксидів заліза. Має електронну провідність n чи p типу в залежності від його складу. Якщо на звичайне скло нанести тонке н/п покриття, то таке скло буде поєднувати н/п властивості з прозорістю. Для цього використовують SnO₂, In₂O₃, TiO₂ з добавками CaO, ZnO. Такі шари товщиною в декілька мікрон забезпечують питомий поверхневий опір від 10 до 40 Ом. З н/п скла виготовляють нагріваючі стекла, посуди для нагрівання рідин, конденсаторів, фотоелементів, плівкових резисторів, для вирівнювання напруг на скляних балонах електровакуумних приладів. Воно також використовується в складі склоемалей для захисту від корозії та придання деталям потрібного кольору.

Плівки SiO₂ – використовуються в мікроелектроніці для одержання між шарової ізоляції. Має ε = 9...12; tgδ = 0,01...0,03 (на 1кГц) Е_{пробивне} = 100...300тМВ/м. Використовуються плівки товщиною від 0,3 до 3 мкм.

Склокераміка (ситали) – займає проміжне положення між склом та керамікою. Ситали – це скло керамічні матеріали, отримані шляхом стимуляції кристалізації скла спеціального складу, кристалізатором яких виступає Ag чи Cu, а також TiO₂, FeS. Використовуються для виготовлення ізоляторів з низькими втратами на ВЧ та високих температурах. Основні параметри ситалів приведені в табл.

Таблиця.

Основні типи ситалів

Марка	ε	tgδ (на 10^6Гц)	ρ, Ом·м
СТ 32-1		20·10^-4	10^10
СТ 38-1	7,35	30·10^-4	10^12
СТ 50-1	8,5	15·10^-4	10^12

Кераміка – основні компоненти це окисли алюмінію, кремнію, титану, цирконію, олова, магнію. Кераміка характеризується тим, що можливе отримання матеріалів з наперед заданими характеристиками шляхом зміни складу та технології виготовлення.

Кераміка – це багатофазна система, яка складається з кристалічної та скловидної фаз. Кристалічна фаза це різні хімічні з’єднання та тверді розчини цих з’єднань. Визначає основні характеристики кераміки – ε, tgδ, ρ, механічну міцність, температурний коефіцієнт лінійного розширення. Скловидна фаза – це скло, яке зв’язує кристалічну фазу. Визначає технологічні властивості кераміки – температуру спікання, пластичність при формуванні та інше.

В залежності від призначення ділиться на три типи:

- А – ВЧ для конденсаторів;

- Б – НЧ для конденсаторів;

- В – ВЧ для установочних деталей. Основні характеристики кераміки такі:

ε = 7...200, (для установочних деталей....для конденсаторів), tgδ = (4...50)·10^-4: Е_проб = 4...20 МВ/м; діапазон робочих температур - -60...+300 ^оС.

Слюда – це мінерал, що легко розчіплюється на тонкі листки. За хімічним складом відносяться до водяних алюмосилікатів. Є дві різновидності слюди:

- мусковіт (K₂O·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O) – матеріал без кольору іноді з червонуватим або зеленуватим відтінком.

- флогопіт (K₂O·6MgO·Al₂O₃·SiO₂·2H₂O) – більш темного кольору, від коричневого до чорного тону.

Мусковіт – один з найкращих електроізоляційних матеріалів та ВЧ діелектриків. Має високу електричну міцність Е_проб = 100...200МВ/м; ε = 5...10), tgδ = 3·10^-4 (на 1 МГц).

Використовується для виготовлення електроізоляційних шайб, ізоляторів для електровакуумних приладів, в конденсаторах високої якості.

Дата добавления: 2014-01-14