Какие полимеры используются в качестве высокочастотных диэлектриков и почему реферат
Обновлено: 04.07.2024
Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость е. Она оценивается отношением емкостей конденсатора. Емкость определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а емкость -когда вместо диэлектрика - вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько
Рис. 17.24. Схемы электронной (а), ионной (б) и дипольно - релаксационной (в) поляризации
видов поляризации, которые в сумме определяют величину и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение до . Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков меняется от до 100000.
Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно-релаксационная (рис. 17.24) и самопроизвольная (спонтанная).
Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляризации ничтожно мало , и поэтому она не зависит от частоты.
Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы - в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало также не зависит от частоты.
Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют . У неполярных диэлектриков немного больше 2, у полярных - в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.
При нагреве диэлектрическая проницаемость изменяется, температурный коэффициент принимает значения от -1300 до Отрицательный имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный . При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно - за с и называется ионно-релаксационной.
Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения.
Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.
Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков — сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от до возникает петля гистерезиса (рис. 17.25). Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда сегнетоэлектрик является мягким; когда материал жесткий. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение достигается около точки Кюри.
Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями.
Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением - объемным и поверхностным .
Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов.
Поверхностное электрическое сопротивление зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия - лаки и эмали.
Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.
Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор
Рис. 17.25. Зависимость поляризации Р (а) и диэлектрической проницаемости (б) сегнетоэлектрика от напряженности поля Е
Рис. 17.26. Векторные диаграммы идеального (а) и реального (б) диэлектриков
в цепи переменного тока (рис. 17.26). У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжением равен 90°, поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол 5. Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла 5 и диэлектрическая постоянная характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика),
где к - коэффициент; - напряженность электрического поля, - частота поля, Гц.
Произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине диэлектрики подразделяют на низкочастотные и высокочастотные . К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.
Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Пробой - это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью называется отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.
Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за ) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.
Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.
По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим - слюда, керамика, стекло, ситаллы.
По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).
Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагревостойкость, т. е. способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По нагревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов обозначенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90 °С. Самыми нагревостойкими являются материалы класса С - слюда, керамика, стекло, ситаллы,
а также полиимиды и фторопласт-4. Они выдерживают длительный нагрев и выше.
Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончиться пробоем. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности - бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Диаметр молекулы воды равен всего и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, защищают поверхности лаками, глазурью и т. п.
Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло и ситаллы - наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочность на сжатие в несколько раз больше прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен увеличиваясь до ряда ситаллов. Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышают легкоплавких стекол он равен а у ситаллов в зависимости от химического состава - Особенно велико тепловое расширение органических диэлектриков но в пластмассах с неорганическими наполнителями оно примерно такое же, как у металлических сплавов. Кроме того, органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.
Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации; Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки и увеличивают стойкость стекла против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокерамика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства (табл. 17.8), почти не подвержена старению и устойчива к нагреву.
Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т. п. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.
Для работы при низких частотах используют электрофарфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки - большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200 °С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора
ТАБЛИЦА 17.8. (см. скан) Свойства диэлектриков
объясняются свойствами стекла, которого в нем содержится довольно много.
Основным материалом, используемым для изготовления деталей, предназначенных для работы при высоких частотах, является стеатит, который получают из талька. Стеатиты не содержат вредных примесей, их свойства стабильны до 100 °С. Они легко прессуются, при обжиге дают усадку всего 1-2% и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными размерами. В отличие от других видов керамики стеатит удовлетворительно режется (после предварительного обжига). Недостатки стеатита - растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига.
Конденсаторная керамика должна иметь большую обеспечивающую повышенную удельную емкость, низкие потери и малый . Применение такой керамики увеличивает надежность работы и теплостойкость конденсаторов, уменьшает их размеры.
Конденсаторная керамика, применяемая при высоких частотах, не должна иметь очень большие значения во избежание потерь. Для высокочастотных конденсаторов применяют ультрафарфор, стеатит, станнатную керамику, но лучшие свойства имеет керамика на основе Эту керамику подразделяют на две группы: тиконды и термоконды цифра в них указывает значение е. В тикондах основным видом кристаллов является рутил - наиболее плотная модификация
Рис. 17.27. Температурная зависимость двух сегнетоэлектриков: с небольшой нелинейностью с большой нелинейностью .
Чем больше содержание в керамике, тем выше значения и . Основная область применения тикондов - теромкомпенсирующие конденсаторы. Термоконды наряду с содержат и другие добавки Они имеют низкие значения и используются для конденсаторов высокой стабильности.
Лучшая конденсаторная керамика, применяемая при низких частотах,-сегнетокерамика, так как велики значения е. Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность. Сегнетокерамику подразделяют на материалы с небольшой и большой нелинейностью. У материалов первой группы во всем интервале рабочих температур и напряженностей поля изменяется не более чем на 30% (рис. 17.27). Различные марки керамики этой группы отличаются друг от друга значением и положением температурного максимума е. У материалов второй группы зависимость от напряженности поля характеризуется коэффициентом нелинейности К. Он равен отношению етах к енач, определенному в слабом поле
Материалы с большой нелинейностью используют в варикондах - конденсаторах переменной емкости. При одновременном действии постоянного и переменного полей становится изменчивой (ее называют реверсивной и обозначают ерев), и ее значение определяется соотношением напряженностей полей. Чем больше напряженность постоянного поля, тем лучше ориентированы домены и слабее действие переменного поля на поляризацию. Заданное значение получают соответствующим выбором постоянного и переменного напряжений, приложенных к конденсатору. Изменяя постоянное или переменное напряжение, можно изменить емкость конденсатора в несколько раз (в пределах, определяемых коэффициентом нелинейности). Вариконды используют в усилителях, делителях, умножителях частоты и других устройствах.
Пьезоэлектрики-вещества., у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся поляризованные сегнетоэлектрики с остаточной поляризацией, а также кристаллы, не имеющие центра симметрии. В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем - зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы. Обычно измеряют так называемый продольный пьезомодуль по заряду на поверхности, перпендикулярной направлению поляризации, когда нагрузка приложена перпендикулярно этой же поверхности. От пьезоэлектриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери. Сегнетокерамика имеет пьезомодули около что на один-два порядка больше, чем у кварца. Структура пьезокерамики - твердые растворы на основе титаната бария (ТБС и ТБКС), ниобата бария (НБС), ниобата и титаната свинца (НТС).
К высокочастотным диэлектрикам относятся неполярные линейные полимеры с электронной поляризацией: полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4):
полиэтилен полистирол фторопласт-4
Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением (табл. 13), слабой зависимостью свойств
от температуры и частоты тока.
Основные свойства неполярных полимеров
Епр, МВ/м, (* для пленки)
Полиэтилен продукт полимеризации этилена (CH2=CH2). Обычно применяют полиэтилен низкого давления, его синтезируют при р = 0,5 МПа и Т = 80°С. У полученного материала степень кристалличности составляет 80…90%, его механические свойства: σв=30 МПа, δ = 50%. Полиэтилен обладает высокой стойкостью к кислотам и щелочам, его применяют в виде пленки, литых деталей, прессованных панелей для изоляции высокочастотных кабелей, деталей электрои радиоаппаратуры.
Полистирол (-CH2-CHC6H5-) более прочен, чем полиэтилен (σв=60 МПа), склонен к образованию тончайших трещин. Путем ориентированной полимеризации кристаллического полистирола с использованием специальных ионных катализаторов удается повысить его температуру плавления (от 100°С до 250°С) и механическую прочность. Полистирол имеет высокую прозрачность (95%) и высокий коэффициент преломления (n = 1,6), что позволяет его использовать в качестве оптических стекол. Полистирол применяют для изготовления деталей высокочастотной аппаратуры, пленок, лаков и т.д.
Фторопласт Ф-4 (-CF2-CF2-) имеет высокую энергию связи C-F (450 кДж/моль), в связи с чем обладает исключительной стойкостью к действию химических реагентов концентрированных растворов всех известных кислот и щелочей. В этом отношении он превосходит все известные пластмассы и благородные металлы. Фторопласт не горюч, не смачивается водой. Диапазон рабочих температур для изделий из фторопласта составляет от 270°С до 300°С.
Фторопласт имеет линейную структуру (М = 106…107), отличающуюся высокой степенью кристалличности (93…97%). При температуре 327°С Ф-4 переходит в аморфное состояние, которое может быть зафиксировано быстрым охлаждением. Аморфный Ф-4 более пластичен. Детали из фторопласта изготовляют, главным образом, путем спекания прессованных порошковых заготовок. Ф-4 выпускается также в виде рулонной ленты и пленок. Фторопластовое волокно полифен, фторлон применяют для изготовления химических и нагревостойких фильтровальных тканей.
Изобретение относится к высокочастотным композиционным диэлектрическим материалам, используемым в антенной технике и высокочастотных линиях передачи. Композиционный материал содержит уплотненный порошок фторопласта-4 с размером частиц не более 5 мкм, пропитанный связующим. В качестве связующего используют эпоксидную смолу с отвердителем. Эпоксидная смола представляет собой продукт конденсации эпихлоргидрина и анилина в щелочной среде, с вязкостью не более 200 мПа·сек, а отвердитель используют с вязкостью не более 40 мПа·сек. Техническим результатом изобретения является создание диэлектрического материала с малой диэлектрической проницаемостью, малым значением тангенса диэлектрических потерь, а также улучшение таких свойств, как прочность, модуль упругости на сжатие. Пропитку связующим проводят под давлением и при вакуумировании объема порошка с последующим отверждением. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к диэлектрическим высокочастотным материалам на основе композиции фторопласта-4 в виде порошка, где средний гранулометрический состав порошка - не более 5 мкм, и эпоксидной смолы (продукт конденсации эпихлоргидрина и анилина в щелочной среде) и может быть использовано при изготовлении антенных изоляторов и изоляторов устройств, канализирующих высокочастотную энергию.
В таблице 1 приведены характеристики материалов-аналогов, материала-прототипа и предлагаемого материала КМД (композиционный материал диэлектрический).
Из таблицы видно, что предлагаемый материал КМД обладает электрическими параметрами (ε и tgδ) на уровне параметров лучшего диэлектрика - фторопласта-4, а механическими параметрами на уровне композиции АГ-4 и превосходит параметры материала-прототипа - КФ-9 по электрическим параметрам, по прочности на сжатие и, что важно, по водопоглощению. Это позволяет использовать предлагаемый материал КМД для изготовления деталей и изделий, работающих в цепях высокочастотных сигналов под механическими нагрузками и в воде, например, в герметичных токопереходах и соединителях.
Задачей настоящего изобретения является создание диэлектрического материала, обладающего электрическими характеристиками с малой диэлектрической проницаемостью на уровне 2,1-2,5 и малым значением тангенса диэлектрических потерь на уровне 0,001, как например у фторопласта-4, и лучшими механическими и климатическими характеристиками, как у выбранного за прототип пресс-материала КФ-9 по прочности и модулю упругости на сжатие.
Поставленная задача решается тем, что были использованы следующие компоненты:
- порошок фторопласта-4 (политетрофторэтилен) со средним гранулометрическим составом в 5 мкм под маркой "TOMFLON" (ультрадисперсный порошок фторопласта с массовой долей влаги не более 0,02%, удельной плотностью 2,2 г/см 3 , температурой плавления - 250°С). Связующего в композиции использовано не более 30-40%,
- связующий материал в составе:
эпоксидная смола с вязкостью 200 мПа·сек и отвердитель с вязкостью 40 мПа·сек. В качестве такого отвердителя использовался материал Изо-МТГФА (изометилтетрагидрофталевый ангидрит) - легко кристаллизирующаяся растворимая жидкость. Количественное соотношение компонентов выражено в массовых единицах измерения. Соотношение масс - 40-45% и 55-60%.
- связующее в композиции используется не более 30-40%.
Для осуществления поставленной задачи разработан способ изготовления заявляемого материала с использованием устройства, изображенного на фиг. 1,
где приняты обозначения:
1 - цилиндрическая форма для порошка;
2 - порошок в форме;
3 - цилиндрическая форма для связующего материала;
4 - связующий материал;
5 - поршень формы поз.3;
6 - форма, где создается вакуум.
Для осуществления изготовления заявляемого материала были использованы следующие технологические процессы.
1. Подготовительные операции
1.1 Просеивается порошок фторопласта;
1.2 Просеянный порошок нагревается до температуры 90°С и выдерживается три часа;
1.3 Производится поэтапное заполнение цилиндрической формы 1 просеянным порошком 2 с одновременной вибрацией формы и последующим вакуумированием формы для уплотнения порошка (см. фиг 1). Процесс вакуумирования длится не менее 20 минут;
1.4 Производится нагрев формы 1 с уплотненным порошком 2 до температуры 90°С в течение не менее двух часов с последующей установкой нагрева до температуры 70°С и выдержкой 15 минут;
1.5 Подготавливается связующий материал - эпоксидная смола с вязкостью 200 мПа·сек и отвердитель с вязкостью 40 мПа·сек. Соотношение масс - 40-45% и 55-60%. Производится смешивание в отдельной емкости выбранных эпоксидной смолы и отвердителя в течение не менее 15 минут.
2.1 Производится заполнение сверху формы с порошком 2 подготовленной композицией пропитки 4;
2.2 Создается вакуум 6 снизу формы с порошком 1. Разряжение - не менее минус 1 атм;
2.3 Создается механическое давление на связующий материал 4, например, гнетом на поршень 5;
2.4 Производится контроль процесса пропитки по потемнению цвета порошка в форме 2.
3.1 Форму с пропитанным по всему объему порошком 1 нагревают до температуры 90°С и выдерживают не менее трех часов;
3.3 У образца материала на токарном станке подрезают торцы.
Полученное таким способом вещество обладает характеристиками и свойствами, позволяющими его дальнейшее использование в качестве изоляционного материала при изготовлении изоляторов в высокочастотных изделиях.
Высокочастотный композиционный диэлектрик, выполненный из отвержденного композиционного материала, содержащий уплотненный порошок фторопласта-4 с размером частиц не более 5 мкм, пропитанный связующим, взятым в количестве 30-40% и содержащим 40-45% эпоксидной смолы - продукта конденсации эпихлоргидрина и анилина в щелочной среде, с вязкостью не более 200 мПа·сек и 55-60% отвердителя с вязкостью не более 40 мПа·сек.
Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств. По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.
Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля.
Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH2)nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название - полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения - повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. Другие характеристики практически одинаковы: удельное сопротивление 10 14 -10 15 Ом×м, удельное поверхностное сопротивление 10 15 Ом, диэлектрическая проницаемость 2.2-2.4, тангенс угла диэлектрических потерь 10 -4 , электрическая прочность 45-55 кВ/мм, теплопроводность 0.3-0.4 Вт/(м×К), теплоемкость 2 кДж/(кг×К), плотность 920-960 кг/м 3 . Класс нагревостойкости Y. Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. "сшитый" полиэтилен. (В зарубежной литературе - cross-linked polyethylene). Его получают либо облучением высокоэнергетичными частицами (электронами, фотонами, тяжелыми частицами), либо вулканизацией. При этом образуется пространственная сетка, подобно тому, как это реализуется в резине. Модифицированный материал может эксплуатироваться при температуре до 200 °С, кроме того, он становится более стойким по отношению к агрессивным средам и растворителям, механически более прочным, его удельное сопротивление повышается примерно на два порядка.
Из других термопластичных полимеров, используемых в энергетике в виде электроизоляционных пленок отметим полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.
Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки - не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.
Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах. Так делают изделия из эпоксидных полимеров, кремнийорганической резины.
Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.
Эпоксидные полимерыобладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов - простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.
Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью - капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) - полиимиды и композиты на их основе.
Что входит в перечень работ по подготовке дома к зиме: При подготовке дома к зиме проводят следующие мероприятия.
Документ предоставляется как есть, мы не несем ответственности, за правильность представленной в нём информации. Используя информацию для подготовки своей работы необходимо помнить, что текст работы может быть устаревшим, работа может не пройти проверку на заимствования.
Можно ли скачать документ с работой
Да, скачать документ можно бесплатно, без регистрации перейдя по ссылке:
1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
1.1. Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
- вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.
Носители заряда в диэлектриках:
1. В газах
1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.
2) Электроны в сильных полях.
2. В жидкостях
1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.
2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.
3. В твердых
1) Ионы.
2) Дефекты кристаллической решетки.
3) Электроны или дырки проводимости.
Бывают полярные и неполярные.
Рисунок 50.
Основные электрические свойства диэлектриков:
1. Поляризация
2. Электропроводность
3. Диэлектрические потери
4. Электрическая прочность
При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.
1.2. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.
Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:
(1.2)
где dp - электрический момент элемента диэлектрика;
dV – объем элемента диэлектрика
- напряженность внешнего электрического поля, В/м,
- диэлектрическая постоянная,
- относительная диэлектрическая проницаемость.
Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика и .
Различают несколько видов поляризации.
2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации
Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.
Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.
Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.
2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.
Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10-10..10-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону
(1.2)
где - поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м2,
- время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.
Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.
Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры
Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na+ и Cl- в молекуле поваренной соли.
С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.
Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации
от температуры
Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.
Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.
Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.
В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:
1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков - изоляторов.
2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.
3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.
4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.
Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:
где - внешнее электрическое поле, В/м,
- внутреннее электрическое поле, В/м,
- электрическое смещение, Кл/м2,
- поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м2,
- добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м2
- поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м2
Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:
,
где 1 и 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
- процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля
- состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент
Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.
Рисунок 51.
Поляризация – причина появления электрической емкости.
Диэлектрики:
1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости
2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения
Рисунок 52.
Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).
Виды поляризации:
1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.
1) Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.
2) Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.
3) Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.
2. Релаксационная
На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.
Разновидности:
1) Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.
Рисунок 54.
Время установления: 10^-2…10^-10 с.
Тау – время релаксации.
2) Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.
Рисунок 55.
В жидком – проводники с электролитической проводимостью.
3) Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.
Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.
4) Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.
Рисунок 56.
Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.
5) Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.
В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.
Диэлектрическая проницаемость смеси.
Рисунок 57.
1.3. Потери в диэлектриках. Пробой диэлектриков.
Потери в диэлектриках – часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектриках в виде тепла.
Потери на постоянном токе вызываются сквозным током, а на переменном токе – в основном, медленными видами поляризации. Сквозным током и быстрыми видами поляризации можно пренебречь.
Рисунок 58.
1. Tg – величина маленькая, поэтому знаменатель можно принимать за 1.
Виды диэлектрических потерь:
1. Потери на электропроводность (на пост и переменном токе, от частоты не зависят)
2. Релаксационные (из-за медленных видов поляризации, существуют только на переменном токе, создают токи абсорбции)
3. Потери, вызванные неоднородностью
4. Ионизационные. Характерны для газов и пористых диэлектриков
5. Резонансные потери. Из-за быстрых видов поляризации, в том числе резонансных.
Пробои в твердых диэлектриках.
Виды пробоев:
1. Электрический. Причина: ударная ионизация и разрыв связи между молекулами диэлектрика. Длится доли секунды, происходит при максимальной напряженности поля (100 - 1000 МВ/м).
2. Тепловой. Нарушение теплового равновесия диэлектрика из-за диэлектрических потерь.
Рисунок 59.
3. Электрохимический пробой. Вызывается химическими процессами, приводящими к изменению диэлектрика под воздействием электрического поля.
4. Ионизационный. Характерен в пористых диэлектриках и газах.
5. Поверхностный. Вызван некачественной обработкой поверхности или загрязнением.
1.4. Электропроводность жидкостей и газов. Жидкие и газообразные диэлектрики.
Электропроводность газов.
Газы – диэлектрики.
Примеры: воздух, элегаз (Епр эл/Епр в=2.3) (гексофторид серы).
Восстанавливают свои диэлектрические свойства после пробоя.
Каучуки (эластомеры):
1. Натуральные
2. Синтетические
Относятся к низкочастотным элементам. Резина. Получение: с помощью вулканизации.
1. Мягкие
2. Твердые
3. Эбонит
Отличаются долей серы.
Недостатки: стареют, трескаются, разбухают в растворителях, разрушают медь.
Достоинства: выдерживают низкие температуры практически без потери эластичности.
Волокнистые.
Это слоистые пластики. Примеры: стеклотекстолит, гетинакс.
Конденсаторная и кабельная бумага, ткань, шелк, асбестовое волокно.
Достоинство: дешевые, гибкие, хорошо обрабатываются.
Недостатки: впитывают влагу, гниют.
Лаки.
Коллоидные растворы лаковой основы после растворения растворителя образуют пленку. В них добавляется сиккатив (ускоритель высыхания), пластификатор, отвердители, инициаторы и ускорители полимеризации.
Эмаль – лак + пигмент.
Лаки и эмали бывают:
1. Пропиточные
2. Покровные
3. Клеящие
1.6. Неорганические диэлектрики. Стекла, керамика, ситаллы.
СТЕКЛА.
Аморфные термопласты. Химический состав – смесь оксидов.
SiO2, ZnO, Na2O, Al2O3…
Сырье – песок, глинозем, известняк.
Технология производства – нагревание до расплавления с мгновенным охлаждением со скоростью 10^5 град Цельсия в секунду.
Разновидность – сталемит – стекло с дополнительной закалкой.
Применение: конструкционный материал, изоляция, световоды.
Ситаллы.
Промежуточное вещество между керамикой и стеклом. Содержание стекла – 5-10%, все остальное – поликристалл. Применение – подложки микросхем.
Керамика.
Состав как у стекла. Кристалл или поликристалл. Технология получения – как у стекла, но охлаждают медленней.
Конденсаторная керамика.
Изоляционная керамика.
1.7. Активные диэлектрики. Пьезо- и пироэффект. Электреты.
ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИКИ.
Пьезоэлектрический эффект – поляризация диэлектрика под действием механического напряжения. Им обладают сегнетоэлектрики – способные самоэлектризоваться под действием электрического поля.
Рисунок 60.
Структура доменная.
Области применения: кондесы для низких частот, если поляризация сохраняется надолго – устройство памяти.
Пьезокерамика приобретает соответствующие свойства после длительной выдержки в электрическом поле при высокой температуре. Керамика как поликристалл применяется до частоты 10 МГц, на более высоких частотах применяются монокристаллы кварца (SiO2). Кварцевый резонатор – аналог кондесатора. Размеры кварца на 32 МГц – порядка 10мм.
Применение: микрофоны, датчики, пьезотрансформатор.
Пироэлектрики.
Пироэффект – поляризация диэлектрика при однородном по объему нагревании или охлаждении. Всегда существует обратный пьезоэффект (электроколорический).
Применеие: датчики температур.
Электеты.
Твердые диэлектрики, длительно создающие электрическое поле после предварительной поляризации.
Делят по способу формирования заряда:
1. Термоэлектреты – электризуются электрическим полем при нагревании.
2. Фотоэлектреты – электризуются освещением. Область использования: барабаны для копировальной техники.
3. Радиоэлектреты – электризуются радиоактивным излучением.
4. Электроэлектреты – электризуются разрядом в смежном газе.
5. Трибоэлектреты – электризуются трением.
1.8. Современное состояние развития диэлектрических материалов. Диэлектрические материалы микроэлектроники и наноэлектроники.
Использование диэлектриков в микроэлектронике.
Форма: обычно пленочная.
Функции:
1. Пассивация поверхности полупроводника.
2. Защита от механических повреждений.
3. Стабилизация параметров.
4. Повышение радиационной стойкости.
5. Изоляция элементов друг от друга.
6. Изоляция затвора в МДП – структурах.
7. Маска при диффузии и эпитаксии.
8. В качестве активной области.
Требования:
1. Хорошая адгезия к полупроводнику, металлу и фоторезисту.
2. Механическая прочность.
3. Непроницаемость для нежелательных примесей.
4. Однородность слоя.
5. Химическая стойкость, в том числе к травлению.
6. Высокие диэлектрические свойства.
7. Необходимая диэлектрическая проницаемость.
8. Согласованность с материалом подложки (например, одинаковый ТКЛР)
9. Технологичность получения.
10. Простота обработки.
Основной материал: SiO2.
Лабораторные работы
Исследование свойств диэлектрических материалов. Конденсаторы
Диэлектрические материалы в катушках индуктивности и трансформаторах
Читайте также: