Полимеризационные диэлектрики

Полимеризация – процесс соединения исходного мономера в большие молекулы, образующие новый полимерный материал. В результате полиме-ризации элементарный состав вещества не меняется, следовательно, сохраняются его электрические параметры.

Полистирол – аморфный диэлектрик получается в результате полиме-ризации путем ступенчатого нагрева исходного мономерного жидкого веще-ства – стирола. Степень полимеризации полистирола колеблется в широких пределах, молекулярная масса составляет 50000 – 200000 в зависимости от степени полимеризации. Полистирол – термопластичный прозрачный диэлектрик, относится к слабо полярным диэлектрикам, диэлектрическая проницаемость и tgδ так же малы и не зависят от частоты. Поэтому полисти-рол относят к высокочастотным диэлектрикам и применяют в радиоэлектро- нике. Блочный полистирол имеет высокий уровень электрических характери- стик при 20°С: ρ _V ≈ 10¹⁵ Ом·м; ρ_S ≈ 10¹⁶ Ом; ε_r = 2,4; tgδ = (2÷4)10 ^{– 4} (при частоте 1 МГц); Е_пр =30÷35 Мв/м (при толщине 1 мм); холодостойкость -50°С.

Из блочного полистирола изготовляют изоляционные платы, диэлектричес-кие антенны, части волноводов СВЧ и другие радиодетали.

Ударопрочный полистирол представляет собой продукт сополимериза-ции стирола с синтетическими каучуками или с акрилнитрилами. Основной их особенностью является повышенная ударная вязкость (а = 40÷50 кДж/м²) при сохранении того же уровня теплостойкости и верхнего предела рабочих температур (65÷70°С), что и у обычных видах полистирола.

Электрические характеристики ударопрочных полистиролов несколько ниже, чем у блочного полистирола: ρ _V ≈ 10¹² ÷ 10¹³ Ом·м; ε_r = 2,7; Е_пр =26 ÷27 Мв/м; tgδ = (4÷8)10^-4; водопоглощаемость не более 0,06% (за 24 ч).

Механические характеристики ударопрочных полистиролов следую-щие: σ_р = 25÷35Мпа; σ_п = 45÷60Мпа. Ударопрочные полистиролы приме-няют в узлах радиоаппаратуры с повышенной механической прочностью к нагрузкам. Холодостойкость -60° С.

Полиэтилены – высокополимерные диэлектрики, получаемые полиме-ризацией газообразного вещества – этилена Н₂С=СН₂. В зависимости от давления, при котором протекает процесс полимеризации, различают полиэтилены высокого давления (ВД), низкого (НД), и среднего (СД). Поли-этилены – неполярные диэлектрики высокой химической чистоты, и следо-вательно, имеют высокие электрические характеристики, не зависящие от ча-стоты приложенного напряжения. Изделия из полиэтилена получают мето-дами горячего литья под давлением и экструзии – выдавливанием нагретого материала через формирующее отверстие (фильеру) заданной формы.

Полиэтилен ВД получают сжижением этилена под высоким давлением (≈ 200 МПа). Процесс полимеризации протекает при 180-200°С. Полиэтилен ВД обладает значительной гибкостью, что позволяет применять его в качест- ве основной изоляции высокочастотных проводов и кабелей. Основные хара- ктеристики полиэтилена ВД следующие: плотность 920 кг/м³; σ_р =12÷30 МПа;

σ_и =12÷17МПа; теплостойкость 70°С, холодостойкость -70°С, водопогло-щаемость не более 0,02% за 30 сут; ρ _V ≈ 10¹⁵ Ом·м; ε_r = 2,3; Е_пр =40÷50 Мв/м; tgδ = (2÷5)10^-4 (при частоте 1 МГц).

Полиэтилены СД и НД получают при сравнительно низких давлениях и температурах с использованием растворителя – ксилола. Отличаются они повышенной плотностью и температурой плавления, чем полиэтилен ВД. Механические и электрические характеристики их такие же, как и у полиэтилена ВД. Область применения та же, что и блочного полистирола (части волноводов, изоляционные детали переключателей, каркасы катушек индуктивности, платы и т.д.).

К достоинствам всех видов полиэтилена относятся их химическая ине-ртность, влагостойкость и высокий уровень электрических характеристик, стабильных в широком диапазоне частот.

К недостаткам полиэтиленов можно отнести их невысокую теплостойкость, старение под действием световых лучей, что ухудшает электрические и механические характеристики. Кроме этого им свойственна теплопластичность, горючесть и сравнительно низкая рабочая температура (70°С).

Полиформальдегид – высокополимерный материал, получаемый в рез-ультате полимеризации газа формальдегида СН₂О в инертном растворителе. Полиформальдегид – термопластичный материал, из которого изготовляют изделия методом горячего литья под давлением или экструзии.

Характерные свойства полиформальдегида: высокий уровень механи- ческих характеристик, стойкость к истиранию, очень низкий коэффициент трения и стабильность размеров, что позволяет использовать его и для конструкционных деталей. Полиформальдегид поддается всем видам механи-ческой обработки. Из него изготовляют детали червячных передач и шестер-ни, работающие бесшумно при больших скоростях вращения.

Основные характеристики полиформальдегида: плотность 1410 кг/м³; σ_р =70 МПа; σ_и =100МПа; теплостойкость 100-110°С, холодостойкость -50°С, водопоглощаемость не более 0,3% (за 24 ч); ρ _V ≈ 10¹²÷10¹³Ом·м; ε_r = 3,8; Е_пр =20÷25 Мв/м; tgδ = (2÷4)10^-3; а = 95÷110 кДж/ м². Электрические харак-теристики полиформальдегида остаются практически постоянными в интер-вале температур от -40 до +100°С и мало изменяются от частоты.

Поливинилхлорид – высокополимерный материал, получаемый в резу-льтате полимеризации газа – хлористого винила Н₂С=СН – Сl при участии перекиси водорода. Поливинилхлорид – термопластичный полярный диэле-ктрик, из которого изделия изготовляют методом горячего прессования, литья или экструзии. Это материал аморфного строения, характерными его свойствами являются: высокая химическая стойкость, стойкость к возгора-нию и тропикостойкость. Из поливинилхлорида получают винипласт и пластикат.

Поливинилхлоридный пластикат – мягкий гибкий материал в виде лент толщиной 0,5 – 1,75 и шириной 10 – 105 мм, а также в виде крошки. Осно-вные характеристики платиката: плотность 1260 – 1300 кг/м³; σ_р = 12÷20МПа; е_р= 180÷380%; температура термического разложения 180 - 200°С; холодо-стойкость от -20 до-50°С; влагопоглощаемость 0,2 – 0,8% (за 24 ч); ε_r = 4,5÷6;

ρ _V ≈ 10¹⁰÷10¹³Ом·м; Е_пр =20÷30 Мв/м; tgδ = 0,05 – 0,8.

Поливинилхлоридный пластикат применяется до частот 0,1 МГц в ка-честве изоляции радиомонтажных проводов разных цветов, для изготовления оболочек высокочастотных кабелей.

Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) получают в результате реак-ции газа – тетрафторэтилена F₂C=CF₂. Симметричность строения молекулы и высокая химическая чистота обеспечивают хорошие электрические характеристики, стабильные в широком диапазоне частот (до 10¹⁰ Гц). Дета-ли, изготовленные из фторопласта-4, могут длительно работать в широком интервале температур (от -190 до +250°С).

Изделия получают из порошка фторопласта-4 холодным прессованием при давлении 30-35 МПа, после чего их подвергают спеканию в печах при конечной температуре 370 - 380°С. Основные характеристики фторопласта-4 следующие: плотность 2200 кг/м³; σ_р = 14÷25 МПа; е_р= 470%; σ_р ≈ 14 МПа; λ=0,24 Вт/(м·К); а ≈ 100 кДж/м²; ρ _V ≈ 10¹⁶÷10¹⁷ Ом·м; ρ_S = 10¹⁷Ом; ε_r = 1,9÷2; Е_пр =20÷30 Мв/м (при толщине 4 мм); Е_пр≈ 220 Мв/м (при толщине 0,02 мм);

tgδ = (2÷3)10^-4 (при частоте 1 МГц); водопоглощаемость 0%.

Благодаря стабильности электрических характеристик в широком диа-пазоне частот и температур, высокой радиопрозрачности и химической стой-кости фторорпласт-4 широко применяют в технике высоких частот, включая СВЧ. Фторопластовая пленка толщиной 5 – 200 мкм служит для изготовле-ния высокочастотных конденсаторов и изоляции радиомонтажных проводов высокой нагревостойкости.

Недостатком фторопласта-4 является его хладотекучесть под действием механической нагрузки. Механически нагруженные изделия начинают деформироваться при 25ºС, если механические напоряжения достигают 14 МПа и более. С повышением температуры предел текучести понижается. Так, при 100ºС предел текучести 6,7 МПа, а при 250ºС – всего 2,8 МПа. Это следует учитывать при расчете механически нагруженных изделий из фторопласта-4.