Диэлектрические материалы

Вопросы для самопроверки.

1. Какова связь структуры ферромагнетиков с их магнитными свойствами? Как влияет степень чисоты металлических магнитных материалов на их магнитные свйства?

2. Сравните свойства магнитомягких металлических сплавов. Могут ли аморфные тела проявлять ферромагнетизм?

3.Каков компонентный состав магнитодиэлектриков?

4. Металлические магнитотвёрдые материалы – их характеристика.

К диэлектрикам относятся большинство стёкол, ситаллов, керамики, полимеров, а также многие минеральные вещекства, газы, различные жидкости. Большинство твёрдых материалов из перечсленных используются в технике и как конструкционные.

5.1. Стёкла, ситаллы.

Стёклами называются все аморфные тела, получаемые путём переохлаждения расплава и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твёрдого тела, причём процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Неорганические стёкла принадлежат к классу неорганических материалов, находящихся в состоянии, промежуточном между жидким и твёрдым. Поэтому стекло нельзя рассматривать, как переохлаждённую жидкость. В жидкости ближайшие соседи какой-либо частицы (первая координационная сфера) распределены беспорядочно, а в стекле – регулярным образом, хотя атомы во второй и более далёких сферах расположены беспорядочно. Основной структурной единицей силикатных стёкол является тетраэдр SiO₄. В вершинах тетраэдра находятся атомы кислорода, внутри тетраэдра – небольшой по размерам атом кремния. Каждый атом кислорода, в свою очередь, связан с другим атомом кремния. Такая структура стекла сохраняется и при температуре выше температуры размягчения. При очень медленном охлаждении стекло может закристаллизоваться, т.е. приобрести строго упорядоченную структуру. Этому процессу препятствует кинетические особенности кристаллизации SiO_2, а именно – расположение на температурной шкале максимумов скорости образования зародышей кристаллизации и скорости роста кристаллов. Расчёты, проведенные в конце 70-х годов прошлого столетия, показали, что даже при создании особых условий доля закристаллизованного стекла за 1000 лет не превысит 0,0001%. В реальных же условиях для этого потребуется от 10⁶ – 10¹⁷ лет. Свидетельством тому являются вулканические стёкла (обсидиан), пролежавшие в земле порой миллионы лет и оставшиеся аморфными, при этом никакого течения под нагрузкой у них не наблюдалось.

Из неорганических веществ к самостоятельному стеклообразованию способны соединения р -элементов Ш, 1V и V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева: В, Si, Ge, P, As, Sb, V. Анионами обычно являются кислород, реже – галогены (главным образом BeF₂) и халькогены S, Se, Te. Считается, что склонность к стеклообразованию зависит от соотношения ионных радиусов катиона и аниона, которое должно быть в пределах 0,2 – 0,4.

Помимо стеклообразователей стёкла обычно содержат модификаторы. Так, оксиды металлов низкой валентности (Na₂O, Li₂J, K₂O) понижают температуру размягчения стекла, но одновременно ухудшают диэлектрические свойства, в частности, уменьшают ρ_v. Присутствие в стекле элементов с переменной валентностью Pb, V, Fe, S, Se, Te и пр. создают электронную проводимость и, соответственно, придают стеклу полупроводниковые свойства.

Б о льшая часть стёкол, выпускаемых промышленностью – оксидные. По виду оксида они подразделяются на силикатные (SiO₂), боратные (В₂О₃), фосфатные (Р₂О₅) и др. Наибольшее распространение имеют силикатные стёкла. Их получают из кварцевого песка с добавлением соды (Nа₂СО₃), поташа (К₂СО₃), известняка (СаСО₃), доломита (МgСО₃), буры (Nа₂В₄О₇^.10 Н₂О), борной кислоты (Н₂ВО₃), сурика (Рb₃О₄), полевого шпата (Аl₂O₃^.6SiO₂^.K₂О). Силикатные стёкла имеют непрерывную трёхмерную сетчатую структуру, образованную кремнекислородными тетраэдрами SiO₄. Если в кварце расположение тетраэдров упорядоченное, то в кварцевом стекле структура не упорядоченная.

В природе встречаются прозрачные монокристаллы кварца, называемые горным хрусталём, который используется в пьезотехнике. Запасы природного кварца ограничены, поэтому разработаны методы искусственного выращивания крупных монокристаллов. Их получают гидротермальным методом. Кристаллизация происходит из водно-щелочных растворов при 350 – 400⁰С и давлениях порядка 10⁸ Па. Процесс длится несколько месяцев.

Рис. 5.1. Схема строения двухмерной

кристаллической решётки (а) и двух-

мерной стеклообразной (б) для SiO₂.

В силикатном стекле обнаруживается микрогетерогенность. Так, натрий-силикатные стёкла состоят из микрообластей натрий-метасиликатного состава, окружённых стекловидным кремнезёмом. Линейные размеры этих микрообластей лежат в пределах 2 х 10^-8 – 12 х 10^-8 м (200 – 1200 Å) и зависят от термообработки.

Выпускают листовое стекло различного назначения (оконное, витринное, мебельное, зеркальное, техническое, армированное и т.д.), строительно-архитектурное стекло (пустотелые строительные блоки, профильное, облицовочные стеклянные плитки), пеностекло, стеклянные трубы, химически и термически стойкие стёкла, медицинские стёкла, оптические, светотехнические и специальные стёкла с избирательным поглощением, электровакуумные стёкла, стеклянное волокно как для изготовления стеклопластиков, теплоизоляционных и электротехнических материалов, так и для изготовления световолоконной оптики.

Свойства стёкол определяются их химическим составом. Стёкла, используемые как диэлектрические материалы, содержат ограниченное количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов и по назначению подразделяются на установочные, конденсаторные и ламповые.

Установочные стёкла выпускаются трёх видов: слабощелочные, бесщелочные и кварцевые. В слабощелочных менее 10 % оксидов К и Na. Для нейтрализации их отрицательного влияния на r_v, особенно при повышенных температурах, в состав стекла вводят В₂О₃. Слабощелочное стекло также содержит некоторое количество оксида свинца РbО, который повышает диэлектрическую проницаемость до 5 – 10. Они имеют прочность на сжатие около 400 МПа, диэлектрическую проницаемость e = 6 – 8, r_v = 10⁸ – 10¹⁰ Ом^.м, tgd = 0,001 – 0,002. Применяют слабощелочное стекло для изготовления изоляторов (телеграфных, антенных, опорных), бус и др.

Бесщелочное стекло, так называемое алюмоборосиликатное, содержит 85 – 95 % SiO₂, а остальное – Аl₂О₃ и В₂О₃. Оно обладает высокой стойкостью к термоударам (до 100 ^оС), высоким удельным объёмным сопротивлением (r_v = 10¹⁵ – 10¹⁶ Ом^.м), повышенной электрической прочностью (450 МВ/м при толщине 0,2 мм), низкой диэлектрической проницаемостью. Применяют алюмоборосиликатное стекло для изготовления печатных плат, для межслойной изоляции многослойных трассировочных площадок больших интегральных схем и др.

Кварцевое стекло состоит на 96 – 99,9 % из кремнезёма SiO₂ и очень малых добавок В₂О₃, стабилизирующих свойства стекла. Кварцевое стекло обладает очень высоким r_v = 10²⁰ Ом^.м, e = 3,5, tgd = 0,0002, высокой нагревостойкостью (до 400 ^оС), а температура течения порядка 1700 ^оС, прочность на сжатие 2100 МПа, на растяжение – 60 МПа. Это радиопрозрачный диэлектрик для СВЧ.

Кварцевое стекло используется не только как установочное, но и как ламповое стекло, например, для газоразрядных ламп высокого давления.

Ламповые стёкла имеют разнообразный состав и подразделяются на группы по коэффициенту линейного термического расширения ТКЛР. Названия ламповых стёкол – вольфрамовое, молибденовое, платиновое указывают на близость ТКЛР стекла к ТКЛР соответствующего металла. При изготовлении стеклянных электровакуумных приборов необходимо подбирать стекло с наиболее близким ТКЛР к ТКЛР впаиваемого металла для создания вакуумплотного соединения.

Вольфрамовая группа ламповых стёкол содержит 60 – 75 % SiO₂, 15 – 25 % B₂O₃, 2 % Аl₂О₃ и 2 – 4 % оксидов щелочных металлов.

Молибденовая группа стёкол содержит больше оксидов щелочных металлов – 7 – 9 %. ТКРЛ = 47^.10^-7 К^-1.

Платиновая группа стёкол содержит около 70 % SiO₂, 2 – 5 % Al₂O₃, значительно больше оксидов щелочных металлов – 14 – 17 % и 7 – 9 % оксидов щелочеземельных металлов – СаО, МgO, ВаО. ТКЛР = 50^.10^-7 К^-1.

Конденсаторные стёкла обладают повышенной диэлектрической проницаемостью, высокой электрической прочностью, малым tgd. Повышение e обычно достигается введением в состав стекла оксидов тяжёлых металлов.

Оптические стёкла включают в себя не только стёкла, обладающие определённым коэффициентом преломления, но и так называемые фотохромные стёкла, т.е. обладающие способностью темнеть при облучении УФ (или коротковолновым видимым) светом и просветляться после прекращения облучения. В состав таких стёкол вводят либо Се (111), Eu (11), Ti (111), Mn (11), Re (11), либо оксиды редкоземельных элементов эрбия Er₂О₃ или иттербия Yb₂О₃, либо галоидные соединения Ag, Cu, Tl, Cd и других элементов.

Дата добавления: 2014-12-26