Классификация диэлектрических материалов

В РЭА применяют большое количество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре, их подразделяют на электроизоляционные и конденсаторные. Электроизоляционные диэлектрики предназначены для отделения друг от друга элементов схемы и для электрической изоляции токоведущих частей электрических устройств. Они обладают невысокой относительной диэлектрической проницаемостью и большим удельным сопротивлением. Конденсаторные диэлектрики применяют для увеличения емкости конденсаторов. Эти диэлектрики имеют повышенное значение ε и малое значение tgδ. Большое разнообразие диэлектриков целесообразно классифицировать на основе особенностей их строения.

Полимерные материалы представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа многократно повторяющихся звеньев (мономеров). В зависимости от пространственной структуры макромолекул различают линейные и пространственные полимеры. Макромолекулы линейных полимеров образуют цепочечную последовательность повторяющихся звеньев. Такие полимеры способны размягчаться при нагревании, то есть являются термопластичными материалами. Макромолекулы пространственных полимеров развиты по всем трем направлениям, образуя пространственную сетку. Такие полимеры относительно хрупки и при нагревании не размягчаются, то есть являются термореактивными материалами.

Различают неполярные и полярные полимеры. В неполярных полимерах мономерные звенья не обладают дипольным моментом. К таким полимерам относятся полиэтилен, полистирол и фторопласт-4, характеризуемые следующими параметрами: ε = 2...2,5; tgδ = (2...5)-10^-4; Ệ_np = 20...40 МВ/м; ρ = 10¹⁴...Ю¹⁶ Ом•м. Из полиэтилена изготовляют главным образом гибкую изоляцию высокочастотных проводов и кабелей. Из полистирола изготовляют изоляционные платы и другие радиоде­тали. Тонкие пленки полистирола толщиной 10-100 мкм, называемые стирофлексом, используют в качестве диэлектрика конденсаторов. Фторопласт-4 обладает высокой нагревостойкостью (до +250 °С) и высокой химической стойкостью.

Полярные полимеры обладают сильно выраженной дипольной поляризацией и, следовательно, пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами. Они характеризуются следующими параметрами: ε = 3...6; tgδ = 0,01...0,06; Ệ_пр = 15...50 МВ/м; ρ = 10¹¹...10¹⁴ Ом•м. Наиболее распространенными материалами этой группы являются поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (лавсан) и полиамидные смолы. ПВХ представляет собой жесткий негибкий материал. Для придания эластичности в ПВХ добавляют пластификаторы. Такой материал называется пластиком. Он находит применение в производстве монтажных проводов. Пленки из лавсана толщиной около 6,5 мкм применяют в качестве несущей основы при изготовлении лент для магнитной записи, а также для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов и в качестве диэлектрика низкочастотных конденсаторов. Полиамидные смолы отличаются высокой механической прочностью и эластичностью. Применяют их для изготовления искусственных волокон (например, капрона) и пластических масс. На основе полиамидов изготавливают эмальлаки, образующие прочные эластичные диэлектрические покрытия на металлических проводах.

Пластмассы представляют собой многокомпозиционные материалы, состоящие из связующего вещества и наполнителей. Их изготовляют методом горячего прессования или литья под давлением. В качестве связующего вещества наиболее часто используют полимерные материалы, способные деформироваться под давлением. Назначение связующих веществ в пластмассах состоит в пропитке и обволакивании наполнителей и в монолитном соединении всех компонентов в пластмассовом изделии. Состав и свойства связующего вещества определяют свойства пластмассы. Наполнители используются для улучшения свойств пластмассы. Волокнистые наполнители (стеклянные, асбестовые и хлопковые волокна) повышают механическую прочность пластмасс. Неорганические наполнители (кварцевый и слюдяной порошок, стеклянное волокно) повышают коэффициент теплопроводности пластмасс. В пластмассах содержится 40-60 % наполнителей. В состав пластмасс входят также различного рода красители. Из композиционных пластмасс изготовляют корпуса РЭА, ламповые панельки, штепсельные разъемы и т. д.

Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют волокнистые материалы. Они состоят из чередующихся слоев листовых наполнителей и связующего вещества. В гетинаксе наполнителем являются листы специальной бумаги толщиной 0,1 мкм, пропитанные термореактивной смолой. В процессе горячего прессования отдельные листы бумаги соединяются связующим веществом, образуя монолитный материал в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм. Характеристики гетинакса: ε = 5...7; tgδ = 0,03...0,05; Ệ_пр = 30 МВ/м; ρ ≈ 10¹⁰ Ом-м. В текстолите в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, а в качестве связующего звена — бакелитовая смола. Электрические характеристики текстолита несколько хуже, чем гетинакса. В стеклотекстолите наполнителем является бесщелочная стеклоткань толщиной 0,06 мм, а в качестве связующего вещества применяют кремнийорганические смолы. Стеклотекстолит отличается от гетинакса и текстолита повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками.

Для изготовления печатных плат РЭА применяют слоистые пластики, облицованные с одной или двух сторон электрической красномедной фольгой толщиной 0,035-0,05 мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путем избирательного травления.

Электроизоляционные лаки, эмали и компаунды применяют для изоляции и защиты элементов РЭА от внешних воздействий. Электроизоляционные лаки являются растворами пленкообразующих веществ в органических растворителях. Слой лака, нанесенный на твердую поверхность, постепенно отвердевает, образуя лаковую пленку. Пропиточные лаки применяют в РЭА для пропитки обмоток трансформаторов, дросселей и др. Покровные лаки служат для создания на поверхности пропитанных обмоток или печатных плат электроизоляционных защитных покрытий. Эмальлаки применяют для тонкопленочной изоляции обмоточных проводов. Клеящие лаки применяют для склеивания различных материалов.

Электроизоляционные эмали представляют собой лаки, в состав которых входят неорганические вещества, повышающие твердость и механическую прочность лаковой пленки. Компаунды в основном состоят из тех же веществ, которые входят в состав лаковой основы электроизоляционных лаков, но в отличие от них не содержат растворителей. По своему назначению они делятся на две основные группы: пропиточные и заливочные. Пропиточные компаунды служат для заполнения пор, капилляров и воздушных включений в электроизоляционных материалах, используемых для изоляции обмоток трансформаторов, вследствие чего повышается электрическая прочность материала. Заливочные компаунды служат для герметизации радиокомпонентов и узлов РЭА. По отношению к нагреву различают термопластические и термореактивные компаунды. Термопластические компаунды размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении. Термореактивные компаунды в момент применения находятся в жидком состоянии, а затем под действием отвердителя или катализатора происходит их затвердение.

Стекла и ситаллы представляют собой сплавы специально подобранных оксидов и имеют аморфную структуру. Наилучшими электрическими и физико-химическими характеристиками обладает кварцевое стекло (ε = 3,2...3,5; tgδ = 0,0002; Ệ_пр = 35...40 МВ/м; ρ = 10¹⁴...10¹⁵ Ом•м). Помимо обычных стекол в радиоэлектронике находят применение ситаллы — закристаллизированные стекла, имеющие микрокристалическую структуру, обусловленную соответствующим составом стекла. Основные характеристики ситаллов: ε = 7,5...8,5; tgδ = (1...80) 10^-3; Ệ_пр = 40...60 МВ/м; ρ = 10⁸...10¹² Ом•м. Ситаллы хорошо шлифуются, благодаря чему они находят применение в качестве подложек гибридных интегральных микросхем.

Радиокерамические материалы характеризуются наличием в своем составе глины или каких-либо других неорганических материалов, обладающих сходными свойствами. Они состоят из частиц, имеющих кристаллическую структуру, частиц аморфного вещества и некоторого количества закрытых пор, заполненных газом. Изменяя процентный состав этих компонентов, можно получить керамические материалы с необходимыми характеристиками. Материалы обладают достаточной механической прочностью, высокой нагревостойкостью и хорошими электрическими характеристиками.

Различают установочные и конденсаторные керамические материалы. Установочная керамика применяется для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей: ламповых панелек, подложек толстопленочных интегральных микросхем и т. д. Конденсаторная керамика используется в качестве диэлектрика конденсаторов. Она обладает высокой диэлектрической проницаемостью (ε = 10...230) и малым углом диэлектрических потерь (tgδ = 0,0001...0,0006).

Резины — это многокомпонентные смеси на основе каучуков и близких к ним по свойствам веществ, называемых эластомерами. Для получения необходимых свойств резина подвергается так называемой вулканизации. Резины имеют сравнительно невысокую диэлектрическую проницаемость (ε = 3...7) и большие диэлектрические потери (tgδ ≈ 0,02...0,1). Они применяются в основном для изоляции проводов и кабелей.

Волокнистые материалы состоят в основном из частиц удлиненной формы — волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом или какими-либо смолами. К ним относят дерево, состоящее в основном из целлюлозы (ε = 7, tgδ ≈ 0,01), бумагу, картон, лакоткани. Они применяются в качестве изоляционных материалов, а специальная конденсаторная бумага — в качестве диэлектрика низкочастотных конденсаторов.

Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой. В радиоэлектронике находят применение два вида минеральных слюд: мусковит и флогопит. В состав мусковита входят К₂О, А1₂О₃, SiO₂, H₂O. Он является высокочастотным диэлектриком (ε = 6...7, tgδ = 0,0003) и способен работать при температурах до 500-600 °С. В состав флогопита помимо перечисленных компонентов входит MgO. Этот диэлектрик является низкочастотным (ε = 7, tgδ ≈ 0,0015) и способен работать при температурах до 800-900 °С. Помимо природных слюдяных материалов в радиоэлектронике находит применение синтетическая слюда — фторофлогопит (ε = 8, tgδ ≈ 0,0002), способная работать при температурах до 1100 °С.

Активные диэлектрики характеризуются сильной зависимостью их свойств от внешних энергетических воздействий, что позволяет осуществлять генерацию, усиление, модуляцию и другие преобразования электрических и оптических сигналов. Они находят применение в устройствах функциональной электроники (УФЭ), отличительной чертой которых являются несхемотехнические принципы их построения. Функции схемотехники выполняют непосредственно те или иные процессы в диэлектриках. К активным диэлектрикам относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, а также электреты.

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру и характеризуются спонтанной поляризацией, направление которой можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости. Они находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, а также нелинейных конденсаторов, называемых варикондами, емкость которых зависит от приложенного напряжения, для ячеек памяти в вычислительной технике, для модуляции и преобразования лазерного излучения.

Пъезоэлектрики обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, который может быть как прямым, так и обратным.

При прямом пьезоэффекте под действием механических напряжений происходит поляризация диэлектрика, в результате чего на каждой из поверхностей диэлектрика возникают электрические заряды, линейно зависимые от механических усилий.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием электрического поля. Среди пьезоэлектриков одно из важных мест занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с определенной кристаллографической ориентацией. Кварцевая пластина с электродами и держателем эквивалентна колебательному контуру с высокой добротностью, достигающей 10⁶-10⁷.

К пироэлектрикам относят диэлектрики, в которых спонтанная поляризованность изменяется при изменении температуры. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака из-за процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что сопровождается освобождением некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, вследствие чего в замкнутой цепи возникает электрический ток, пропорциональный скорости изменения температуры. Пироэффект используют для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, принцип действия которых состоит в том, что при облучении зачерненной (поглощающей) поверхности кристалла происходит его нагрев и возникает импульс тока, регистрируемый электронной схемой.

К электретам относятся диэлектрики, способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле, то есть электрет является формальным аналогом постоянного магнита. Они находят применение для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций и во многих других случаях.