Класифікація діелектриків

Відповідно до зонної теорії твердого тіла діелектрик - це речовини, у яких заборонена зона настільки велика, що в нормальних умовах електропровідність у них відсутня.

По призначенню діелектричні матеріали можна розділити на електроізоляційні матеріали й активні діелектрики.

Електроізоляційними називають матеріали, застосовувані для створення електричної ізоляції між різними струмоведучими частинами радіоелектронної апаратури.

Активними діелектриками називають матеріали, застосовувані для посилення, генерації і перетворення електричних сигналів.

По агрегатному стану діелектричні матеріали підрозділяють на тверді, рідкі і газоподібні. В особливу групу можна виділити матеріали, що твердіють, що у вихідному стані є рідинами, але в процесі виготовлення ізоляції твердіють й у період експлуатації являють собою тверді речовини, наприклад лаки, компаунди. По хімічній основі діелектричні матеріали підрозділяють на органічні, неорганічні і елементоорганічні — проміжні по своєму складу між першими двома.

Органічними називають матеріали, що містять у своєму складі вуглець. Матеріали, до складу яких вуглець не входить, називають неорганічними. Однак є ряд з'єднань, що мають у своєму складі вуглець і стосовних до неорганічних речовин: оксиди вуглецю, сірковуглець, вугільна кислота і її солі.

Органічні діелектрики більш гнучкі й еластичні в порівнянні з неорганічними, але вони, за невеликим винятком, менш нагрівостійкі.

Останнім часом діелектричні матеріали усе ширше застосовують при виготовленні різних радіоелектронних приладів і пристроїв, отже, ростуть і вимоги, пропоновані до діелектриків.

 

Для оцінки експлуатаційних властивостей діелектриків і можливих областей їхнього застосування необхідно вивчити фізичні явища, що мають місце в матеріалах при впливі на них електромагнітного поля, і визначити параметри: поляризацію, електропровідність, діелектричні втрати, електричну міцність, а також фізико-хімічні і механічні властивості. Крім того, потрібно установити параметри, що кількісно визначають властивості діелектричних матеріалів.

 

Полімер (рос. полимеры, англ. polymers, нім. Polymere n pl, Polymerisate n pl) — природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці, з яких складаються полімери називаються мономерами

Розмір молекули полімеру визначається ступенем полімеризації n, тобто числом ланок у ланцюзі. Якщо n = 10…20, речовина відноситься до легких масел. Зі зростанням n збільшується в'язкість, речовина стає воскоподібною, нарешті, при n = 1000 утворюється твердий полімер. Ступінь полімеризації необмежений: він може бути 104, і тоді довжина молекул досягає мікрометрів. Молекулярна маса полімеру дорівнює добутку молекулярної маси мономера та ступеня полімеризації. Зазвичай молекулярна маса перебуває в межах 103 … 3*105. Більша довжина молекул перешкоджає їхньому правильному впакуванню, і структура полімерів варіює від аморфної до частково кристалічної. Частка кристалічності значною мірою визначається геометрією ланцюгів. Чим ближче укладаються ланцюги, тим більш кристалічним полімер стає. Кристалічність, зазвичай, навіть у найкращому разі виявляється недосконала.

Аморфні полімери плавляться в діапазоні температур, яка залежить не тільки від їхньої природи, але й від довжини ланцюгів; кристалічні мають точку плавлення.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так за походженням полімери поділяються на:

природні або натуральні, до яких відноситься велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.).

синтетичні — утворені синтезом з низькомолекулярних речовин — мономерів (поліетилен з етилена, полістирол із стирола). Це ведуча група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості.

штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їхньої хімічної модифікації (наприклад, при взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Природні полімери утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. До природних полімерів відносять протеїн, целюлоза, крохмаль, шелак, лігнін, латекс.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення очищення, модифікації, при яких структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є натуральний каучук, виготовлений з латексу, целулоїд, що представляє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

 

Природні та штучні полімери відіграють велику роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів — матеріалів, отриманих синтезом з низькомолекулярних речовин не природній аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової. За хімічною структурою полімери поділяються на лінійні, розгалужені, сітчасті та просторові. Молекули лінійних полімерів хімічно інертні відносно одна одної і зв'язані між собою лише силами Ван-дер-Ваальса. При нагріванні в'язкість таких полімерів зменшується і тоді вони здатні зворотно переходити спочатку у високоеластичний, а потім й у в'язкотекучій стан. Оскільки єдиним наслідком нагрівання є зміна пластичності, лінійні полімери називають термопластичними. Не слід уважати, що термін «лінійні» позначає прямолінійні, навпаки, для них більше характерна зубаста або спіральна конфігурація, що надає таким полімерам механічну міцність.

Термопластичні полімери можна не лише плавити, але й розчиняти, тому що зв'язки Ван-дер-Ваальса легко руйнуються під дією реагентів.

Розгалужені (щеплені) полімери більше міцні, ніж лінійні. Контрольоване розгалуження ланцюгів служить одним з головних промислових методів модифікації властивостей термопластичних полімерів. Сітчаста структура характерна тим, що ланцюги зв'язані один з одним, а це сильно обмежує рух і приводить до зміни як механічних, так і хімічних властивостей. Звичайна гума м'яка, але при вулканізації сіркою утворяться ковалентні зв'язки типу S-О, і міцність зростає. Полімер може отримати сітчасту структуру й спонтанно, наприклад, під дією світла, або кисню відбудеться старіння із втратою еластичності та працездатності. Нарешті, якщо молекули полімеру містять реакційні групи, то при нагріванні вони з'єднуються безліччю поперечних міцних зв'язків, полімер виявляється зшитим, тобто здобуває просторову структуру. Таким чином, нагрівання викликає реакції, різко та незворотньо, що змінюють властивості, матеріалу, що здобуває міцність і високу в'язкість, стає нерозчинним і неплавким. Внаслідок великої реакційної здатності молекул, яка проявляється при підвищенні температури, такі полімери називають термореактивними. Неважко уявити, що їхні молекули активні не тільки відносно одна одної, але й до поверхонь сторонніх тіл. Тому термореактивні полімери, на відміну від термопластичних, мають високу адгезовану здатність навіть при низьких температурах, що дозволяє використовувати їх як захисні покриття, клеїв і сполучного в композиційних матеріалах.

Термопластичні полімери отримують за реакцією полімеризації. При ланцюговій полімеризації молекулярна маса наростає майже миттєво, проміжні продукти нестійкі, реакція чутлива до присутності домішок і вимагає, як правило, високих тисків. Не дивно, що такий процес у природних умовах неможливий, і всі природні полімери утворилися іншим шляхом. Сучасна хімія створила новий інструмент — реакцію полімеризації, а завдяки йому великий клас термопластичних полімерів. Реакція полімеризації реалізується лише в складних апаратурах спеціалізованих виробництв, і термопластичні полімери споживач одержує в готовому вигляді.

Реакційність молекули термореактивних полімерів можуть утворитися більше простим і природним шляхом— поступово від мономера до димеру, потім до тримеру, тетрамеру і т. д. Таке об'єднання мономерів, їхню «конденсацію», називають реакцією поліконденсації; вона не вимагає ні високої чистоти, ні тисків, але супроводжується зміною хімічного складу, а часто й виділенням побічних продуктів (звичайно водяної пари). Саме ця реакція реалізується в природі; вона може бути легко здійснена за рахунок лише невеликого нагрівання в найпростіших умовах, аж до домашніх. Така висока технологічність термореактивних полімерів надає широкі можливості виготовляти різні вироби на нехімічних підприємствах, у тому числі на радіозаводах.

Полімери здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше наступає хімічний розпад). Проте при підвищенні температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм'якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склування. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. При низьких температурах полімери є досить крихкими матеріалами.

Здебільшого використовуються механічні властивості полімерів. При темературі вищій за температуру склування їх неважко пресувати в довільну форму, при застиганні вони зберігають форму й можуть слугувати для інкапсуляції та інших цілей. Проте спряжені полімери дедалі частіше використовуються як органічні напівпровідники.

Структурні елементи полімерів — макромолекули. Структура макромолекули — це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл за довжинами та молекулярними масами, просторове розташування ланок, форму макромолекули. Знання основних параметрів структури дає можливість її регулювати і впливати на властивості.

При розгляді структури полімеру потрібно враховувати:

будову кінцевих груп, які відрізняються від будови основної ланки, яка повторюється (це суттєво для олігомерів);

неоднорідність хімічного складу (результат побічних реакцій при утворенні);

неоднорідність за числом складових ланок, обумовлену статистичним характером протікання реакцій утворення;

різне просторове розміщення ланок у макромолекулі;

надмолекулярну структуру.

 

Смо́ли — збірна назва аморфних речовин твердих при нормальних умовах, які при розм'якшенні або нагріванні втрачають форму.

Загальний опис

Смоли мають подібність із восками, оскільки до їх складу входять естери. Але воски належать до числа аліфатичних сполук, а смоли в основному складаються зі сполук циклічних, частина яких має ароматичний характер.

У складі смол розрізняють такі групи сполук: смоляні кислоти, одно- або багатоатомні спирти (резиноли), ефіри смоляних кислот і резинолів або одноатомних фенолів (таннолів), інертні вуглеводні (резени). Нерідко в рослинних смолах присутні також речовини вуглеводного характеру — камеді. Подібні смоли називаються смолокамедями.

Секреторні виділення вищих (головним чином хвойних) рослин і їхнє призначення полягає в тому, щоб служити пластиром у випадку поранення рослин, причому смоли виділяються у вигляді бальзамів, тобто в суміші з ефірними оліями. При витіканні бальзаму з пораненого дерева легколеткі ефірні олійки випаровуються, а на рослинах накопичуються напливи смол — майбутні конкреції смол у викопному вугіллі.

Елементний склад смол наступний (%): С — 79, Н — 10, 0 — 11.

Рослинні смоли хімічно більш стійкі, ніж жири і воски, але деякі з них здатні гідролізуватися, утворюючи ароматичні кислоти (бензойну, коричну) і спирти, наприклад бензиловий. Частина смол може окиснюватися й полімеризуватися й здобувати при цьому ще більшу стійкість.

Смоли-зв'язуючі - вуглеводневі сполуки, молекулярна маса яких займає проміжне положення між маслами та асфальтенами. Вони мають порівняно високу поверхневу активність. З підвищенням температури до 200 - 300° С переходять в асфальтени. Смоли знижують температуру розм'якшення, підвищують еластичність і сприяють термічній стійкості зв’язуючих.

 

Пласти́чна ма́са (пластмаса) — штучно створені матеріали на основі синтетичних або природних полімерів.

За ДСТУ 2406-94: Пластична маса — матеріал, основою якого є полімер, що перебуває під час формування виробу у в'язкорідкому чи високоеластичному стані, а під час експлуатації — в склоподібному чи кристалічному стані

Пластмаси формують при підвищеній температурі, у той час коли вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці.

Поширенню пластмас сприяють їх мала густина (0,85—1,8 г/см³), що значно зменшує масу деталей, висока корозійна стійкість та широкий діапазон інших властивостей. Добрі антифрикційні характеристики багатьох пластмас дають можливість з успіхом застосовувати їх для виготовлення підшипників ковзання. Високий коефіцієнт тертя деяких пластмас дозволяє використовувати їх для гальмових пристроїв. Окремі пластмаси мають специфічні властивості: високі електроізоляційні та теплоізоляційні характеристики, велику прозорість, та ін.

Важливою перевагою пластмас є можливість їх переробки у вироби найпродуктивнішими способами з коефіцієнтом використання матеріалу 0,9-0,95 — литтям, видавлюванням тощо.

Водночас пластмасам притаманні і деякі недоліки: невисокі міцність, твердість і механічна жорсткість, велике значення коефіцієнта лінійного термічного розширення (~15×10-5 К-1), значна повзучість, особливо у термопластів, низька теплостійкість (більшість пластмас має робочу температуру не вищу, ніж 200 °C, і лише деякі можуть працювати при 300...400 °С), низька теплопровідність (в 500—600 разів менша, ніж у металів), схильність до старіння (втрата властивостей під впливом тепла, світла, води та інших факторів).

При старінні зменшується еластичність і міцність пластмас, збільшується їх механічна жорсткість і крихкість. Під еластичністю розуміють здатність матеріалу до великих зворотних деформацій. Цей термін за фізичним сенсом аналогічний пружності, але перший вживається для аморфних, а останній — для кристалічних тіл.

Твердість пластмас за методом Брінелля становить 30...200 МПа.

Більшість полімерів перебуває в аморфному (склоподібному) стані. Такі полімери називають смолами. В пластмасах може бути присутньою певна кількість кристалічної фази, яка підвищує міцність, жорсткість і теплостійкість полімера. У виробництві пластмас використовують в основному синтетичні смоли.

Крім полімерів пластмаси можуть містити наповнювачі, пластифікатори та спеціальні добавки, що надають пластмасі певних властивостей.

Наповнювачами (зміцнювальними компонентами) можуть бути органічні або неорганічні речовини у вигляді порошків (графіт, деревне або кварцове борошно), волокон (паперових, бавовняних, азбестових, скляних) або полотен чи аркушів (тканина, папір, деревний шпон). Наповнювачі підвищують міцність, зносостійкість, теплостійкість та інші властивості пластмас. Їх частка у пластмасі може досягати 40...80%.

Лаки - це розчини плівкоутворюючих речовин: смол, бітумів, олій, що висихають, ефірів целюлози або композицій цих матеріалів в органічних розчинниках. У процесі сушіння лаку з нього випаровуються розчинники, а в лакової основі відбуваються фізико-хімічні процеси, що призводять до утворення лакової плівки. За своїм призначенням електроізоляційні лаки ділять на просочувальні, покривні і склеювальні. Просочувальні лаки застосовуються для просочення обмоток електричних машин і апаратів з метою закріплення їх витків, збільшення коефіцієнта теплопровідності обмоток і підвищення їх вологостійкості. Покривні лаки дозволяють створити захисні вологостійкі, маслостойкие та інші покриття на поверхні обмоток або пластмасових і інших ізоляційних деталей (лак КО-916 или лак КО-921). Склеювальні лаки призначаються для склеювання листочків слюди один з одним або з папером і тканинами з метою отримання слюдяних електроізоляційних матеріалів (міканіти, мікалента та ін.) Емалі представляють собою лаки з введеними в них пігментами - неорганічними наповнювачами (окисел цинку, двоокис титану, залізний сурик і ін.) Пігменти вводяться з метою підвищення твердості, механічної міцності, вологостійкості, дутостойкості та інших властивостей емалевих плівок. Емалі відносяться до покривним матеріалами. За способом сушіння розрізняють лаки і емалі гарячої (пічний) і холодної (повітряної) сушіння. Перші вимагають для свого затвердіння високої температури - від 80 до 200 ° С, а другі висихають при кімнатній температурі. Лаки і емалі гарячої сушки, як правило, володіють вищими діелектричними, механічними та іншими властивостями. З метою поліпшення характеристик лаків і емалей повітряної сушки, а також для прискорення затвердіння їх сушку іноді проводять при підвищених температурах - від 40 до 80 ° С. Основні групи лаків мають такі особливості. Масляні лаки утворюють після висихання гнучкі еластичні плівки жовтого кольору, стійкі до вологи і до нагрітого мінерального масла.

Рідкий кристал - проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Як наслідок, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах та твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.Мезогени

 

Речовини, молекули яких за певних умов здатні утворювати рідкокристалічні фази, називаються мезогенами. Як правило, ці молекули є певною мірою жорсткими та анізотропними (суттєво довші або коротші в одному напрямі, ніж в інших). Більшість мезогенів — це продовгуваті стрижнеподібні молекули. Менш поширені дископодібні молекули, хоча існують ще більш екзотичні форми молекул рідких кристалів.

Класифікація

Деякі мезогени можуть утворювати кілька мезофаз. В залежності від способу утворення мезофаз рідкі кристали поділяються на ліотропні та термотропні. Ліотропні рідкі кристали проявляють властивості мезофаз при певних концентраціях мезогену у розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах. Останні в свою чергу поділяються в залежності від способу впорядкування молекул (в залежності від симетрії) на нематичні рідкі кристали (нематики) та смектичні рідкі кристали (смектики). Нематики, молекули яких мають продовгувату стержневидну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто, існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами.

Холестеричні рідкі кристали (холестерики) складаються з оптично активних молекул, тобто несиметричних молекул із хіральністю. Холестеричні рідкі кристали характеризуються далеким порядком в одному напрямку, в якому директор є періодичною функцією. Період зміни напрямку директора називається кроком спіралі. Оскільки крок спіралі холестеричних рідких кристалів залежить від температури, вони міняють колір при нагріванні чи охолодженні.

Застосування рідких кристалів

Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса — переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.

Крім цього, рідкі кристали застосовують при виготовленні термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання тощо

 

 

. Провідникові матеріали є метали та їх сплави.

З металевих провідникових матеріалів можуть бути виділені металивисокої провідності, що мають питомий опір (при нормальнійтемпературі не більше 0,05 мкОм (м, і сплави високого опору, які мають

(При нормальній температурі не менше 0,3 мкОм (м. Метали високоїпровідності використовуються для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмотокелектричних машин і трансформаторів і т. п. Метали і сплави високогоопору застосовуються для виготовлення резисторів,електронагрівальних приладів, ниток ламп накалювання і т. п.

До рідким провідникам відносяться розплавлені метали і різніелектроліти. Для більшості металів температура плавлення висока; тількиртуть, що має температуру плавлення близько мінус 39 ° С, може бутивикористана в якості рідкого металевого провідника при нормальнійтемпературі. Інші метали є рідкими провідниками при підвищенихтемпературах.

Механізм проходження струму в металах - як у твердому, так і в рідкомустані - обумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів підвпливом електричного поля; тому метали називають провідниками зелектронної електропровідністю або провідниками першого роду. Провідникамидругого роду, або електролітами, є розчини (зокрема, водні)кислот, лугів і солей. Проходження струму через ці речовини пов'язано зперенесенням разом з електричними зарядами іонів відповідно до законів

Фарадея, внаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, а наелектродах виділяються продукти електролізу. Іонні кристали врозплавленому стані також є провідниками другого роду.

Всі гази і пари, в тому числі і пари металів, при низьких напруженостяхелектричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженістьполя перевершить деяке критичне значення, що забезпечує початокударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною ііонної електропровідність. Сильно іонізований газ при рівності числаелектронів числа позитивних іонів в одиниці об'єму являє собоюособливу провідну середу, що носить назву плазми