Диэлектрические материалы. Строение и свойства

ЛЕКЦИЯ №9

Текстильные материалы

Текстильные материалы получают методом специальной обработки длинноволокнистого сырья. Ткани отличаются от бумаг упорядоченным строением (переплетением) нитей. Текстильные материалы имеют более высокую механическую прочность, особенно при изгибе и истирании, причем она не столь сильно зависит от увлажнения. Однако эти материалы и изделия из них намного дороже и обладают меньшей электрической прочностью, чем бумаги, как сухом виде, так и пропитанные жидкими диэлектриками.

Нагревостойкость, гигроскопичность, электроизоляционные и механические свойства текстильных материалов сильно зависит от химической природы и технологии получения волокон.

В электроизоляционной технике текстильные материалы применяют в качестве защитных покровов кабелей (хлопчатобумажная пряжа) и для изоляции (обмотки и оплетки) обмоточных проводов; ленты и ткани используют для защиты изоляции электрических машин и аппаратов (киперная лента), а также для изготовления лактотканей и текстолитов

Неорганические диэлектрические материалы. Стёкла. Ламповые, конденсаторные, установочные стекла, стекла с наполнителем.

Керамические диэлектрики. Фарфор, электротехническая керамика, стеатитовая керамика. Поликор.

Слюда и слюдяные материалы. Миканиты. Слюдиниты. Микалекс. Микафолий, прессмика.

Стёкла - аморфные вещества, получаемые в результате переохлаждения расплава, приобретающие в результате постепенного увеличение вязкости механические свойства твердых тел, причём этот процесс перехода из жидкого состояния в твердое является обратимым.

По химическому составу стёкла делятся на оксидные (на основе ), галогенидные (на основе галогенидов []) и халькогенидны е (на основе сульфидов, теллуридов, селенидов []).

Оксидные стёкла по виду оксида-стеклообразователя делятся на силикатные, германатные, боратные, фосфатные. По содержанию щелочных оксидов стёкла делятся на безщелочные (могут содержать щелочно-земельные оксиды), малощелочные и многощелочные.

В зависимости от назначения стёкла можно разделить на следующие основные виды. Конденсаторные - применяются в высокочастотных устройствах в качестве диэлектрика конденсатора. Эти стёкла должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями. Установочны е стёкла служат для изготовления изоляторов. Ламповые стёкла, применяются для изготовления баллонов ламп и ножек осветительных ламп. Они должны хорошо спаиваться с металлом. Стекла с наполнителем – микалекс – твердый материал с большим содержанием наполнителя (слюды) и с легкоплавким стеклом в качестве связующего.

Стеклоэмали – стёкла, наносимые тонким слоем на поверхность металлических и других предметов с целью защиты от коррозии, придания определенной окраски и улучшения внешнего вида, создания отражающей поверхности (эмалированная посуда, абажуры, рефлекторы). В электротехнике эмали используются для покрытия трубчатых резисторов, в электроаппаратостроении для получения прочного и нагревостойкого электроизоляционного покрытия на металле.

Стекловолокно получают из расплава стекла. Расплавленная масса выдавливается через фильеры диаметром 1 мм и в горячем виде вытягивается в тонкое волокно толщиной несколько микрометров. Стекловолокно применяется для изготовления стеклотканей, отличающихся высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, малой гигроскопичностью. Недостаток стеклоткани – высокая хрупкость, низкая стойкость к истиранию и изгибу и малое значение относительного удлинения при разрыве (2÷3%).

Световоды представляют собой световедущие жилы из оптического стекла с высоким коэффициентом преломления света в изоляционной оболочке с меньшим показателем преломления света. Световоды широко применяются для передачи различной информации в вычислительной технике, телевидении. Волокно состоит из сердечника, образованного легированным кварцевым стеклом, окруженного отражающей оболочкой из чистого кварцевого стекла. Слои акрилата защищают волокно и предохраняют от проникновения влаги и агрессивных химических соединений. Чистота и различные оптические свойства отражающей оболочки и сердечника позволяют направлять свет по волокну на расстояние превышающее 300 км без усиления.

В большой энергетике находит применение кабель оптический, встроенный в грозозащитный трос для подвески на опорах воздушных линий электропередачи. Его отличительные особенности - способность выдерживать высокие механические и электрические нагрузки; защита от коррозии; высокая молниестойкость; высокая стойкость к пляске и вибрации; минимальный крутящий момент при монтаже и эксплуатации; диапазон рабочей температуры: -60°..+70°; длительный срок службы.

Электротехническая керамика

Керамическими называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре. В результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое (обожженное) изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Впоследствии появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит лишь в очень малом количестве или же совсем не входит.

Многие керамические электроизоляционные материалы имеют высокую механическую прочность, очень малый угол диэлектрических потерь, значительную нагревостойкость и другие ценные свойства. По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика, как правило, более стойка к электрическому и тепловому старению, не дает остаточных деформаций при продолжительном приложении к ней механической нагрузки. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

Фарфор. С самого начала развития электротехники фарфор был широко использован как электроизоляционный материал, и по настоящее время он является одним из основных материалов изоляторного производства. Для изготовления фарфора применяют специальные сорта глин (каолин — высококачественная светлая глина большой чистоты, а также другие виды огнеупорных пластичных глин) и минералы кварц SiO₂ и полевой шпат.

Развитие радиоэлектронной промышленности и электротермии вызвало необходимость в новых керамических материалах, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Разработка этих материалов сперва шла как путем усовершенствования фарфора, так и синтезом керамических материалов совершенно отличного от фарфора состава.

В качестве прогрессивного метода изготовления изделий точных размеров, допускающего широкую механизацию, отметим способ горячего литья из порошка керамического сырья с технологической связкой (например, парафином), удаляемой при обжиге.

Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью. Эта группа материалов содержит в виде основной кристаллической фазы кварц, корунд, муллит, цельзиан, клиноэнстатит, форстерит, шпинель, периклаз, анортит, волластонит и циркон.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого окисла ВаО. Ультрафарфор, изготовляемый различных марок и представляющий собой дальнейшее усовершенствование радиофарфора, характеризуется большим содержанием Аl₂О₃.. Кроме того, ультрафарфор имеет существенно повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность.

Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из окиси алюминия (глинозема) Аl₂О₃. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с весьма высокой температурой обжига (до 1750°С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600°С), чрезвычайно высокой механической прочностью и теплопроводностью (его теплопроводность в 10—20 раз выше, чем у фарфора). Значение алюминоксида — порядка 10.

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности Аl₂О₃) поликор (за рубежом — люкалокс), в отличие от обычной непрозрачной корундовой керамики, прозра­чен; кроме того, он имеет р на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика. Поликор, в частности, применяется для изготовления колб некоторых специальных электрических источ­ников света.

Стеатит — вид керамики, изготовляемый на основе минерала талька. Таким образом, в то время как обычная керамика (фарфор и его разновидности) состоит в основном из силикатов алюминия, стеатитовая керамика — из силикатов магния. Тальк — хорошо известный минерал, обладающий способностью благодаря его чрезвычайной мягкости легко размалываться в порошок. Стеатитовая керамика обычно изготовляется обжигом массы, составляемой из талькового порошка с некоторыми добавками.

Возможно также изготовлять детали из талькового камня путем его непосредственной механической обработки (которая проста ввиду мягкости материала) с последующим обжигом. Специальные сорта стеатита с особо малым содержанием примесей окислов железа, предназначенные для высокочастотной изоляции, имеют хорошие механические свойства. Преимуществом стеатитовой керамики является также малая усадка при обжиге, позволяющая получать изделия сравнительно точных размеров. К тому же он не нуждается в глазуровке (благодаря плотной структуре) и может сравнительно легко дополнительно обрабатываться шлифовкой. Стеатит широко используется для установочной изоляции в радиотехнической аппаратуре, а также и в силовой электро­технике.

Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Такая керамика применяется, в частности, для изготовления керамических конденсаторов; такие конденсаторы имеют значительно меньшие размеры и массу.

Двуокись титана существует в различных кристаллических модификациях; одна из них— рутил— имеет в направлении главной кристаллографической оси диэлектрическую проницаемость e =173. В керамических материалах на основе рутила благодаря беспорядочному расположению в пространстве кристаллов рутила и наличию различных добавок диэлектрическая проницаемость получается меньшей указанного значения, но все жепревосходящей большинство практически применяемых твердых диэлектриков.

Многие радиокерамические конденсаторные материалы снижают значение  при повышении температуры.

Сегнетокерамика. Сегнетокерамика - это особая группа материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами: резкой зависимостью диэлектрической проницаемости (e= 900÷8000)от температуры и напряженности электрического поля, наличием диэлектрического гистерезиса. Первым по времени открытия (академиком Б. М. Вулом) сегнетокерамическим (обладающим сегнетоэлектрическими свойствами не только в виде монокристалла, но и в поликристаллическом состоянии, в виде керамики) материалом, сохранившим весьма большое значение до настоящего времени, был титанат бария BaTiO₃. Добавлением к титанату бариянекоторых других материалов (как сегнетоэлектрических, так и несегнетоэлектрических) удается существенно изменять его свойства, и в частности сильно смещать точку Кюри в область более низких или более высоких температур. Весьма большой нелинейностью емкости обладают сегнетокерамические конденсаторные материалы, получившие название вариконды (сокращение слов «вариация» и «конденсатор»).

Слюда – природный минеральный электроизоляционный материал, обладает высокой электрической прочностью, высокой нагревостойкостью, хорошей гибкостью, влагостойкостью, высокими механическими характеристиками. В качестве электрической изоляции в настоящее время применяют два вида минеральных слюд: мусковит K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O и флогопит K₂O·6MgO·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O, кроме того в состав слюды могут входить другие химические элементы, изменяющие ее свойства. Помимо природных слюд используются также и синтетические. Применяется слюды в качестве изоляции высоковольтных электрических машин, тяговых электродвигателей, в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах, а также для производства слюдяных материалов.

Мусковит – бесцветное вещество, имеет красноватый или зеленоватый оттенок.

Флогопит чаще янтарного, золотистого или коричневого цветов.

Слюдяная изоляция имеет высокую химическую стойкость, причем мусковит более стоек, чем флогопит. Сильные кислоты и щелочи действуют на слюду лишь при значительной концентрации, нагревании и длительном контакте. По электрическим свойствам мусковит является одним из лучших электроизоляционных материалов и превосходит флогопит. Мусковит механически более прочен, гибок, тверд и упруг. При нагревании слюды из нее начинает выделяться вода. При этом слюда теряет свою прозрачность, увеличивается ее толщина, ухудшаются электрические и механические свойства.

Синтетическую слюду, называемую фторофлогопитом, получают в процессе расплавления шихты с последующим медленным охлаждением. Она обладает более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью, радиационной стойкостью, чем флогопит.

На основе слюды получают миканит ы – листовые или рулонные материалы, полученные в результате склеивания отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака либо иногда сухой смолы на основе бумажной подложки, которая приклеивается либо с одной стороны, либо с двух сторон для увеличения прочности материала. Иногда миканиты прессуются.

Коллекторный миканит - это прессованная слюда флогопит с добавкой небольшого количества связующего вещества, в качестве которого используют лак на основе синтетической смолы. Применяется в электрических машинах для изоляции коллекторных пластин. Прокладочный миканит содержит большее количество связующего вещества по сравнению с коллекторным, обладает меньшей плотностью и более широкими допусками по толщине. Применяется в качестве твердых прокладок в электрических машинах. Гибкий миканит должен формоваться и изгибаться при нормальной температуре. Выпускается в рулонах и листах толщиной 0,15÷0,60 мм. Применяется для междувитковой и пазовой изоляции электрических машин. Жароупорный миканит получают на основе слюды флогопит и нагревостойкого связующего вещества (жидкого стекла, фосфорнокислого аммония). Применяется для изоляции нагревательных приборов.

Микафолий отличается от гибкого миканита тем, что он приобретает гибкость только в нагретом состоянии. Его получают наклеиванием одного и более слоев слюды на бумагу или стеклоткань. Применяют для изготовления различных изоляционных шпилек и стержней.

Слюдиниты по сравнению с миканитами более монолитны и однородны по толщине, имеют более высокую рабочую температуру и электрическую прочность. Для изготовления слюдинитов используют слюдинитовую бумагу. Ее получают из отходов слюды мусковит, которые нагревают до температуры 800°С и обрабатывают содой, серной и соляной кислотами. В результате пластинки расслаиваются на более тонкие и образуется пульпа, которая фильтруется и превращается в слюдинитовую бумагу на специальных бумагоделательных машинах. Сферы применения те же, что у миканитов.

Слюдокерамика получается в процессе обжига спрессованной мелкокристаллической слюды (мусковита и фторфлогопита) со связующим компонентом. Применяют в качестве термостойкой изоляции установочных и вакуумплотных деталей, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, изоляторов радиоламп.

Прессмика - плотный материал, который получают горячим прессованием измельченной синтетической смолы без связующего компонента. Применяется для изготовления проходных и антенных изоляторов, конденсаторов, работающих при температурах до 400°С.

Микалекс - высококачественный изоляционный материал, негигроскопичен, огнестоек, может быть подвержен сложной техноло­гической обработке и запрессовке металлических стержней. Получают в результате термической обработки и последующего отжига смеси порошкообразной слюды с боратом свинца или легкоплавким борнобариевым стеклом. Применяют для изготовления плат переключателей, панелей малогабаритных воздушных конденсаторов, гребенок катушек индуктивности.