Диэлектрические материалы и их свойства: классификация, применение, свойства и характеристики

 Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, предназначенный для электрической изоляции. Величина электрического сопротивления находится в диапазоне от 10⁶ Ом∙м до 10¹⁷ Ом∙м, для неионизированных газов еще выше.

 Электроизоляционные материалы в зависимости от агрегатного состояния подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. По химическому составу – на органические (полиэтилен, полистирол и др.) и неорганические (слюда, мрамор и т.д.).

Под действием приложенного электрического поля проявляется важнейшее свойство диэлектриков – способность к поляризации. Поляризация – это процесс ограниченного смеще­ния или ориентации имеющих электрические заряды частиц ди­электрика, причем диэлектрик приобретает индуцированный электрический момент. По этому свойству диэлектрики делятся на «полярные», молекулы которых имеют постоянный, не равный нулю электрический момент, и «неполярные», молекулы которых приобретают электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля.

Основные свойства диэлектриков:

— удельное объемное и поверхностное сопротивление (проводимость).

— температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ определяет изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры, ⁰С^-1:

ТКρ=(1/ρ2)(dρ/ dt),

где ρ2 – удельное сопротивление при температуре t2; dρ – изменение удельного сопротивления; dt – изменение температуры с начальной до t2.

— диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε. Различают относительную диэлектрическую проницаемость εr, абсолютную ε и диэлектрическую проницаемость вакуума ε0 (электрическая посто­яннаяe0= 8,85×10^-12 Ф/м). Их связывает соотношение:

ε=εr∙ε0 или εr=ε/ε0.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума.

Диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков составляет около 1, для неполярных жидких и твердых диэлектриков она обычно равна 2-2,5, для полярных – обычно в пределах 3-8, но может и достигать нескольких десятков и сотен.

— Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКεr – позволяет оценить изменение диэлектрической проницаемости с изменением температуры:

ТКεr=(1/ εr)(dεr/ dt).

— Диэлектрические потери — мощность,  рассеиваемая в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях приналичии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери). Диэлектрические потери зависят от приложенного напряжения U, В, частоты f, Гц, емкости C, Ф и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, Вт:

P=U^2∙C∙2πf∙tgδ.

— Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле. Произведение tgδна величину относительной диэлектрической проницаемости называется фактором потерь:

e» =er∙tgδ.

— Электрическая прочность диэлектрика Eпр – напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой:

Eпр=Uпр/h,

где Uпр – пробивное напряжение, наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, h – толщина диэлектрика. Размерность электрической прочности – В/м.

— нагревостойкость. ГОСТ 21515-76 определяет нагревостойкость как способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

По рекомендациям МЭК введена характеристика – температурный индекс (ТИ) – это температура, при которой срок службы материала составляет 20000 часов.

По нагревостойкости диэлектрики делятся на 7 классов. Температурные индексы, классы нагревостойкости приведены в табл. 1.

Таблица 1. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов.

ТИ                  Класс нагревостойкости                      Температура, ⁰С

90                               Y                                                         90

105                             A                                                        105

120                             E                                                         120

130                             B                                                        130

155                             F                                                         155

180                             H                                                        180

180                             C                                                         Более 180

Указанные температуры являются предельно допустимыми при их длительном использовании.

Удельное объемное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность основных электроизоляционных материалов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Электрические свойства основных электроизоляционных материалов (при 20⁰С)

Название                          ρ, Ом∙м                      εr                               tgδ                  Eпр, кВ/мм

                                                                     При 50 Гц                  При 50 Гц

Полистирол                10¹³ — 10¹⁵                  2,4-2,7                (2-4)∙10^-4                    25-30

Полиэтилен                10¹³ — 10¹⁵                  2,3                       (2-3)∙10^-4                     40-42

низкой плотности

Полиэтилен                 10¹³ — 10¹⁵                  2,4                        5∙10^-4                           40-42

высокой плотности

Полипропилен            10¹³ — 10¹⁵                  2,1                        (2-3)∙10^-4                   30-35

Поли-                              10¹² — 10¹³                  3,7                         (3-5)∙10^-4                   24

формальдегид

Полиуретан                 10¹² — 10¹³                  4,6                         12∙10^-3                         20-25

Полиметил-                 10¹⁰ — 10¹²                  3,6                          6∙10^-2                               15-18

Метакрилат

ПВХ                                10¹⁰ — 10¹²                  4,7                         (3-8)∙10^-2                     15-20

ПЭТФ                             10¹² — 10¹³                  3,5                         (2-6)∙10^-4                     30

(лавсан)

Фторопласт-4              10¹⁶ — 10¹⁸                  2,0                         (1-3)∙10^-4                   27-40

Обозначения: ρ — удельное объемное электрическое сопротивление, εr — относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь, Eпр — электрическая прочность.

Вас также может заинтересовать:

Диэлектрики в науке и в быту

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

• — полярные
• — неполярные (воздух, элегаз)

• — центросимментричные
• — аморфные
• — смолы, битумы (эпоксидная смола)
• — стекла
• — неупорядоченные полимеры
• — поликристаллы
• — нерегулярные кристаллы
• — керамика
• — упорядоченные полимеры
• — ситаллы
• — монокристаллы
• — молекулярные
• — ковалентные
• — ионные
• — параэлектрики смещения
• — параэлектрики „порядок-беспорядок”
• — дипольные
• — нецентросимментричные
• — монокристаллы
• — пироэлектрики
• — сегнетоэлектрики смещения
• — сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
• — линейные пироэлектрики
• — пьезоэлектрики
• — с водородными связями
• — ковалентные
• — ионные
• — текстуры
• — электронных дефектов
• — ионных дефектов
• — полярных молекул
• — макродиполей
• — сегнетоэлектрических доменов
• — кристаллов в матрице

Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных — симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода — диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

Создать электрическую цепь (источник тока — провод — вода — провод — лампочка — другой провод — источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится — следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной — будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода — полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой — то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом — то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл — как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ — для понимания смысла — ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии — фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости — это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества — это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы — это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл — это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики — диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики — при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Физические свойства диэлектриков

Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами. Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Последние статьи

Самое популярное

1.6. Классификация диэлектрических материалов. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

1.6.1. Органические полимеры

1.6.2. Смолы

1.6.3. Битумы

1.6.4. Гибкие пленки

1.6.5. Волокнистые материалы

1.6.6. Пластические массы

1.6.7. Эластомеры

1.6.8. Стекла

1.6.9. Керамические диэлектрические материалы

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.

1.6.1. Органические полимеры

Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.

Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д.

Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С₈Н₈ и строение молекулы

Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола — так называемый полистирол — является уже твердым веществом; его молекула имеет строение

и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера — стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С — С, а не двойная С = С):

где n — степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера.

Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения полистирола составляет плюс 70 — 85°C.

Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью. Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время, однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает процесс полимеризации.

При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.

Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.

Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара.

В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.

В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.

1.6.2. Смолы

При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы.

Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы.

1.6.3. Битумы

Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны плотность их близка к 1 Мг/м³.

Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти.

1.6.4. Гибкие пленки

Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п.

Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул.

Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку).

Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0.04 до 0.35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки.

Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена.

1.6.5. Волокнистые материалы

Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

1.6.6. Пластические массы

Пластмассы (пластики) характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий.

В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани).

1.6.7. Эластомеры

Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ.

Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С₅Н₈)_n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:

Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% — твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

1.6.8. Стекла

Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Кроме стеклообразующих окислов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO₂, B₂O₃) в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na₂O, K₂O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al₂O₃ и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными.

Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.

При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения, высокой точностью размеров изделий.

Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.

1.6.9. Керамические диэлектрические материалы

Керамикой 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 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. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

Диэлектрики. Виды и работа. Свойства и применение. Особенности

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.

При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.

В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

• Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
• Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
• Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
• Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
• Ситаллы – кристаллические силикаты.
• Керамика – фарфор, стеатит.
• Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
• Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С₁₂ Н₁₀-nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.

Похожие темы:

Электроизоляционные материалы и их классификация. Волокнистые электроизоляционные материалы

Некоторые материалы, используемые в электрических приборах и схемах электроснабжения, обладают диэлектрическими свойствами, то есть имеют большое сопротивление току. Эта способность позволяет им не пропускать ток, а поэтому их используют для создания изоляции токоведущих частей. Электроизоляционные материалы предназначены не только для разделения токоведущих частей, но и для создания защиты от опасного воздействия электрического тока. Например, шнуры питания электрических приборов покрыты изоляцией.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Свойства диэлектриков

Электроизоляционные материалы должны иметь определенные свойства, чтобы выполнять свои функции. Главным отличием диэлектриков от проводников является большая величина удельного объемного сопротивления (109–1020 ом·см). Электрическая проводимость проводников в сравнении с диэлектриками раз в 15 раз больше. Это связано с тем, что изоляторы по своей природе имеют в несколько раз меньше свободных ионов и электронов, которые обеспечивают токопроводимость материала. Но при нагревании материала их становится больше, что способствует увеличению токопроводимости.

Различают активные и пассивные свойства диэлектриков. Для изоляционных материалов наиболее важны пассивные свойства. Диэлектрическая проницаемость материала должна быть как можно меньшей. Это позволяет изолятору не вносить в схему паразитные емкости. Для материала, который используется в качестве диэлектрика конденсатора, диэлектрическая проницаемость должна быть, наоборот, как можно большей.

Параметры изоляции

К основным параметрам электроизоляции относят электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление, относительную диэлектрическую проницаемость, угол диэлектрических потерь. При оценке электроизоляционных свойств материала учитывается также зависимость перечисленных характеристик от величин электрического тока и напряжения.

Электроизоляционные изделия и материалы обладают большей величиной электрической прочности в сравнении с проводниками и полупроводниками. Важна также для диэлектрика стабильность удельных величин при нагревании, повышении напряжении и других изменениях.

Классификация диэлектрических материалов

В зависимости от мощности тока, проходящего по проводнику, используют разные типы изоляции, которые отличаются своими возможностями.

По каким же параметрам делят электроизоляционные материалы? Классификация диэлектриков основана на их агрегатном состоянии (твердые, жидкие и газообразные) и происхождению (органические: естественные и синтетические, неорганические: природные и искусственные). Наиболее распространен тип твердых диэлектриков, которые можно увидеть на шнурах бытовой техники или любых других электрических приборов.

Твердые и жидкие диэлектрики, в свою очередь, делятся на подгруппы. К твердым диэлектрикам относятся лакоткани, слоистые пластики и различные виды слюды. Воски, масла и сжиженные газы представляют собой жидкие электроизоляционные материалы. Специальные газообразные диэлектрики используются намного реже. К этому типу также относится естественный электрический изолятор – воздух. Его использование обусловлено не только характеристиками воздуха, которые делают его прекрасным диэлектриком, но и его экономичностью. Применение воздуха в качестве изоляции не требует дополнительных материальных затрат.

Твердые диэлектрики

Твердые электроизоляционные материалы – наиболее широкий класс диэлектриков, которые применяются в разных областях. Они имеют различные химические свойства, а величина диэлектрической проницаемости колеблется от 1 до 50000.

Твердые диэлектрики делятся на неполярные, полярные и сегнетоэлектрики. Их главные отличия состоят в механизмах поляризации. Этот класс изоляции обладает такими свойствами, как химическая стойкость, трекингостойкость, дендритостойкость. Химическая стойкость выражается в способности противостоять влиянию различным агрессивным средам (кислота, щелочь и т.д.). Трегингостойкость определяет возможность противостоять воздействию электрической дуги, а дендритостойкость – образованию дендритов.

Твердые диэлектрики применяются в различных сферах энергетики. Например, керамические электроизоляционные материалы наиболее часто используются в качестве линейных и проходных изоляторов на подстанциях. В качестве изоляции электрических приборов используют бумагу, полимеры, стеклотекстолит. Для машин и аппаратов чаще всего применяют лаки, картон, компаунд.

Для применения в различных условиях эксплуатации изоляции придают некоторые особые свойства путем сочетания разных материалов: нагревостойкость, влагостойкость, радиационная стойкость и морозостойкость. Нагревостойкие изоляторы способны выдерживать температуры до 700 °С, к ним относятся стекла и материалы на их основе, органосилиты и некоторые полимеры. Влагостойким и тропикостойким материалом является фторопласт, который негигроскопичен и гидрофобен.

Изоляция, стойкая к радиации используется в приборах с атомными элементами. К ней относятся неорганические пленки, некоторые виды полимеров, стеклотекстолит и материалы на основе слюды. Морозостойкими считаются изоляции, которые не теряют своих свойств при температуре до -90 °С. Особые требования предъявляются к изоляции, предназначенной для приборов, работающих в космосе или условиях вакуума. Для этих целей применяются вакуумно-плотные материалы, к которым относится специальная керамика.

Жидкие диэлектрики

Жидкие электроизоляционные материалы часто применяются в электрических машинах и аппаратах. В трансформаторе роль изоляции играет масло. К жидким диэлектрикам также относят сжиженные газы, ненасыщенные вазелиновые и парафиновые масла, полиорганосилоксаны, дистиллированная вода (очищенная от солей и примесей).

Основными характеристиками жидких диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и электропроводность. Также электрические параметры диэлектриков во многом зависят от степени их очистки. Твердые примеси могут увеличивать электропроводность жидкостей за счет разрастания свободных ионов и электронов. Очистка жидкостей путем дистилляции, ионным обменом и т.д. приводит к возрастанию величины электрической прочности материала, тем самым снижая его электропроводность.

Жидкие диэлектрики разделяют на три группы:

• нефтяные масла;
• растительные масла;
• синтетические жидкости.

Наиболее часто используются нефтяные масла, такие как трансформаторное, кабельное и конденсаторное. Синтетические жидкости (кремнийорганические и фторорганические соединения) также используются в аппаратостроении. Например, кремнийорганические соединения морозоустойчивы и гигроскопичны, поэтому применяются в качестве изолятора в небольших трансформаторах, но их стоимость выше цены нефтяных масел.

Растительные масла практически не используются в качестве изоляционных материалов в электроизоляционной технике. К ним относятся касторовое, льняное, конопляное и тунговое масло. Эти материалы представляют собой слабополярные диэлектрики и используются в основном для пропитки бумажных конденсаторов и в качестве пленкообразующего вещества в электроизоляционных лаках, красках, эмалях.

Газообразные диэлектрики

Наиболее распространенными газообразными диэлектриками являются воздух, азот, водород и элегаз. Электроизоляционные газы делятся на естественные и искусственные. К естественным относится воздух, которые применяется в качестве изоляции между токоведущими частями линий электропередач и электрических машин. В качестве изолятора воздух имеет недостатки, которые делает невозможным его использование в герметичных устройствах. Из-за наличия высокой концентрации кислорода воздух является окислителем, и в неоднородных полях проявляется низкая электрическая прочность воздуха.

В силовых трансформаторах и высоковольтных кабелях в качестве изоляции используют азот. Водород, кроме электроизоляционного материала, также представляет собой принудительное охлаждение, поэтому часто используется в электрических машинах. В герметизированных установках чаще всего применяют элегаз. Заполнение элегазом делает устройство взрывобезопасным. Применяется в высоковольтных выключателях благодаря своим дугогасящим свойствам.

Органические диэлектрики

Органические диэлектрические материалы делятся на естественные и синтетические. Естественные органические диэлектрики в настоящее время используются крайне редко, так все больше расширяется производство синтетических, тем самым снижая их стоимость.

К естественным органическим диэлектрикам относят целлюлозу, каучук, парафин и растительные масла (касторовое масло). Большую часть синтетических органических диэлектриков представляют различные пластмассы и эластомеры, часто используемые в электрических бытовых приборах и другой технике.

Неорганические диэлектрики

Неорганические диэлектрические материалы делят на природные и искусственные. Наиболее распространенным из природных материалов является слюда, которая обладает химической и термической стойкостью. Также для электроизоляции используют флогопит и мусковит.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относят стекло и материалы на его основе, а также фарфор и керамику. В зависимости от области применения искусственному диэлектрику можно придать особые свойства. Например, для проходных изоляторов используют полевошпатовую керамику, которая имеет высокий тангенс диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые материалы часто применяются для изоляции в электрических аппаратах и машинах. К ним относят материалы растительного происхождения (каучук, целлюлозу, ткани), синтетический текстиль (нейлон, капрон), а также материалы из полистирола, полиамида и т. д.

Органические волокнистые материалы обладают высокой гигроскопичностью, поэтому редко используются без специальной пропитки.

В последнее время взамен органических материалов применяют синтетические волокнистые изоляции, которые обладают более высоким уровнем нагревостойкости. К ним относится стеклянное волокно и асбест. Стеклянное волокно пропитывают различными лаками и смолами для повышения его гидрофобных свойств. Асбестовое волокно обладает малой механичной прочностью, поэтому нередко в него добавляют хлопчатобумажное волокно.

Источник — fb.ru

Электроизоляционные материалы и их классификация. Волокнистые электроизоляционные материалы

Некоторые материалы, используемые в электрических приборах и схемах электроснабжения, обладают диэлектрическими свойствами, то есть имеют большое сопротивление току. Эта способность позволяет им не пропускать ток, а поэтому их используют для создания изоляции токоведущих частей. Электроизоляционные материалы предназначены не только для разделения токоведущих частей, но и для создания защиты от опасного воздействия электрического тока. Например, шнуры питания электрических приборов покрыты изоляцией.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Свойства диэлектриков

Электроизоляционные материалы должны иметь определенные свойства, чтобы выполнять свои функции. Главным отличием диэлектриков от проводников является большая величина удельного объемного сопротивления (109–1020 ом·см). Электрическая проводимость проводников в сравнении с диэлектриками раз в 15 раз больше. Это связано с тем, что изоляторы по своей природе имеют в несколько раз меньше свободных ионов и электронов, которые обеспечивают токопроводимость материала. Но при нагревании материала их становится больше, что способствует увеличению токопроводимости.

Различают активные и пассивные свойства диэлектриков. Для изоляционных материалов наиболее важны пассивные свойства. Диэлектрическая проницаемость материала должна быть как можно меньшей. Это позволяет изолятору не вносить в схему паразитные емкости. Для материала, который используется в качестве диэлектрика конденсатора, диэлектрическая проницаемость должна быть, наоборот, как можно большей.

Параметры изоляции

К основным параметрам электроизоляции относят электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление, относительную диэлектрическую проницаемость, угол диэлектрических потерь. При оценке электроизоляционных свойств материала учитывается также зависимость перечисленных характеристик от величин электрического тока и напряжения.

Электроизоляционные изделия и материалы обладают большей величиной электрической прочности в сравнении с проводниками и полупроводниками. Важна также для диэлектрика стабильность удельных величин при нагревании, повышении напряжении и других изменениях.

Классификация диэлектрических материалов

В зависимости от мощности тока, проходящего по проводнику, используют разные типы изоляции, которые отличаются своими возможностями.

По каким же параметрам делят электроизоляционные материалы? Классификация диэлектриков основана на их агрегатном состоянии (твердые, жидкие и газообразные) и происхождению (органические: естественные и синтетические, неорганические: природные и искусственные). Наиболее распространен тип твердых диэлектриков, которые можно увидеть на шнурах бытовой техники или любых других электрических приборов.

Твердые и жидкие диэлектрики, в свою очередь, делятся на подгруппы. К твердым диэлектрикам относятся лакоткани, слоистые пластики и различные виды слюды. Воски, масла и сжиженные газы представляют собой жидкие электроизоляционные материалы. Специальные газообразные диэлектрики используются намного реже. К этому типу также относится естественный электрический изолятор – воздух. Его использование обусловлено не только характеристиками воздуха, которые делают его прекрасным диэлектриком, но и его экономичностью. Применение воздуха в качестве изоляции не требует дополнительных материальных затрат.

Твердые диэлектрики

Твердые электроизоляционные материалы – наиболее широкий класс диэлектриков, которые применяются в разных областях. Они имеют различные химические свойства, а величина диэлектрической проницаемости колеблется от 1 до 50000.

Твердые диэлектрики делятся на неполярные, полярные и сегнетоэлектрики. Их главные отличия состоят в механизмах поляризации. Этот класс изоляции обладает такими свойствами, как химическая стойкость, трекингостойкость, дендритостойкость. Химическая стойкость выражается в способности противостоять влиянию различным агрессивным средам (кислота, щелочь и т.д.). Трегингостойкость определяет возможность противостоять воздействию электрической дуги, а дендритостойкость – образованию дендритов.

Твердые диэлектрики применяются в различных сферах энергетики. Например, керамические электроизоляционные материалы наиболее часто используются в качестве линейных и проходных изоляторов на подстанциях. В качестве изоляции электрических приборов используют бумагу, полимеры, стеклотекстолит. Для машин и аппаратов чаще всего применяют лаки, картон, компаунд.

Для применения в различных условиях эксплуатации изоляции придают некоторые особые свойства путем сочетания разных материалов: нагревостойкость, влагостойкость, радиационная стойкость и морозостойкость. Нагревостойкие изоляторы способны выдерживать температуры до 700 °С, к ним относятся стекла и материалы на их основе, органосилиты и некоторые полимеры. Влагостойким и тропикостойким материалом является фторопласт, который негигроскопичен и гидрофобен.

Изоляция, стойкая к радиации используется в приборах с атомными элементами. К ней относятся неорганические пленки, некоторые виды полимеров, стеклотекстолит и материалы на основе слюды. Морозостойкими считаются изоляции, которые не теряют своих свойств при температуре до -90 °С. Особые требования предъявляются к изоляции, предназначенной для приборов, работающих в космосе или условиях вакуума. Для этих целей применяются вакуумно-плотные материалы, к которым относится специальная керамика.

Жидкие диэлектрики

Жидкие электроизоляционные материалы часто применяются в электрических машинах и аппаратах. В трансформаторе роль изоляции играет масло. К жидким диэлектрикам также относят сжиженные газы, ненасыщенные вазелиновые и парафиновые масла, полиорганосилоксаны, дистиллированная вода (очищенная от солей и примесей).

Основными характеристиками жидких диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и электропроводность. Также электрические параметры диэлектриков во многом зависят от степени их очистки. Твердые примеси могут увеличивать электропроводность жидкостей за счет разрастания свободных ионов и электронов. Очистка жидкостей путем дистилляции, ионным обменом и т.д. приводит к возрастанию величины электрической прочности материала, тем самым снижая его электропроводность.

Жидкие диэлектрики разделяют на три группы:

• нефтяные масла;
• растительные масла;
• синтетические жидкости.

Наиболее часто используются нефтяные масла, такие как трансформаторное, кабельное и конденсаторное. Синтетические жидкости (кремнийорганические и фторорганические соединения) также используются в аппаратостроении. Например, кремнийорганические соединения морозоустойчивы и гигроскопичны, поэтому применяются в качестве изолятора в небольших трансформаторах, но их стоимость выше цены нефтяных масел.

Растительные масла практически не используются в качестве изоляционных материалов в электроизоляционной технике. К ним относятся касторовое, льняное, конопляное и тунговое масло. Эти материалы представляют собой слабополярные диэлектрики и используются в основном для пропитки бумажных конденсаторов и в качестве пленкообразующего вещества в электроизоляционных лаках, красках, эмалях.

Газообразные диэлектрики

Наиболее распространенными газообразными диэлектриками являются воздух, азот, водород и элегаз. Электроизоляционные газы делятся на естественные и искусственные. К естественным относится воздух, которые применяется в качестве изоляции между токоведущими частями линий электропередач и электрических машин. В качестве изолятора воздух имеет недостатки, которые делает невозможным его использование в герметичных устройствах. Из-за наличия высокой концентрации кислорода воздух является окислителем, и в неоднородных полях проявляется низкая электрическая прочность воздуха.

В силовых трансформаторах и высоковольтных кабелях в качестве изоляции используют азот. Водород, кроме электроизоляционного материала, также представляет собой принудительное охлаждение, поэтому часто используется в электрических машинах. В герметизированных установках чаще всего применяют элегаз. Заполнение элегазом делает устройство взрывобезопасным. Применяется в высоковольтных выключателях благодаря своим дугогасящим свойствам.

Органические диэлектрики

Органические диэлектрические материалы делятся на естественные и синтетические. Естественные органические диэлектрики в настоящее время используются крайне редко, так все больше расширяется производство синтетических, тем самым снижая их стоимость.

К естественным органическим диэлектрикам относят целлюлозу, каучук, парафин и растительные масла (касторовое масло). Большую часть синтетических органических диэлектриков представляют различные пластмассы и эластомеры, часто используемые в электрических бытовых приборах и другой технике.

Неорганические диэлектрики

Неорганические диэлектрические материалы делят на природные и искусственные. Наиболее распространенным из природных материалов является слюда, которая обладает химической и термической стойкостью. Также для электроизоляции используют флогопит и мусковит.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относят стекло и материалы на его основе, а также фарфор и керамику. В зависимости от области применения искусственному диэлектрику можно придать особые свойства. Например, для проходных изоляторов используют полевошпатовую керамику, которая имеет высокий тангенс диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые материалы часто применяются для изоляции в электрических аппаратах и машинах. К ним относят материалы растительного происхождения (каучук, целлюлозу, ткани), синтетический текстиль (нейлон, капрон), а также материалы из полистирола, полиамида и т.д.

Органические волокнистые материалы обладают высокой гигроскопичностью, поэтому редко используются без специальной пропитки.

В последнее время взамен органических материалов применяют синтетические волокнистые изоляции, которые обладают более высоким уровнем нагревостойкости. К ним относится стеклянное волокно и асбест. Стеклянное волокно пропитывают различными лаками и смолами для повышения его гидрофобных свойств. Асбестовое волокно обладает малой механичной прочностью, поэтому нередко в него добавляют хлопчатобумажное волокно.

Изоляционные и диэлектрические материалы — типы, свойства и области применения

Введение в изоляционные и диэлектрические материалы

Определение изоляционных и диэлектрических материалов

Электроизоляционный материал можно определить как материал, которого не имеет пропустите электрический ток через него .

Для электрических применений особая категория из изоляционных материалов используется для электрически проводящих частей оборудования друг от друга и от заземления и «нет жизни» Компоненты оборудования и сетей.

Диэлектрические материалы . Диэлектрик представляет собой электрический изоляционный материал , который может быть поляризован приложенным электрическим полем (обозначение: E ; единица измерения: В на метр — В / м ). Когда диэлектрик помещается в электрическое поле , электрические заряды не протекают через материал, как в проводнике , а только слегка смещаются от своих средних положений равновесия , вызывая диэлектрическую поляризацию , который пример можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1 — Диэлектрическая поляризация

Благодаря диэлектрической поляризации , положительных зарядов смещены к полю , а отрицательных зарядов сдвинуты в противоположном направлении , что создает внутреннее электрическое поле который уменьшает общее поле в самом диэлектрике .

Различие между изоляционными, изоляционными и диэлектрическими материалами

Из приведенных выше утверждений было ясно, что все диэлектрики являются изоляторами, но все изоляторы не являются диэлектриками.

Очень простыми словами,

Изолятор или изолирующий материал:

— это те вещества, которые не позволяют потоку электронов проходить через них из-за очень низкого количества свободных электронов в них, и они имеют низкую диэлектрическую проницаемость (Относительная диэлектрическая проницаемость = ( _r ). Это то же самое, что и сопротивление резистора.

Примеры: фарфоровые изоляторы, используемые в опорах и опорах передачи и распределения, резина, стекло, пластик и т. Д.

Диэлектрические или диэлектрические материалы:

— это те же вещества, что и изоляторы, но они позволяют потоку электронов проходить через них при воздействии внешнего электрического поля, поскольку они могут быть поляризованы. Это также может быть определено как способность хранить заряд (энергию) посредством поляризации, такой как в конденсаторе. Кроме того, они имеют высокую диэлектрическую проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость = ε _r ).

Примеры: Типичным примером диэлектрика является электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора (например, слюда , ламинированная бумага ). Другие примеры : воздух , керамика и т. Д.

Полезно знать:

• Все диэлектрики являются изоляторами, но все изоляторы не являются диэлектриками.
• Все является проводником в некоторой точке температуры или электрического поля из-за пробоя, поскольку каждый изолятор имеет свои пределы, чтобы противостоять разности потенциалов в материале

Также читайте: Подводные кабели — Конструкция, характеристики, Прокладка и соединения кабелей

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы в основном используются в электрическом оборудовании и сетях, причем наиболее часто используются типы, указанные в таблице 1,

Таблица 1 — Обычные диэлектрические материалы

Применение диэлектрических материалов

Основное применение для неорганических материалов применяется в оборудовании подстанций высокого и среднего напряжения и воздушных линиях в качестве изоляторов или вводов на высоковольтных трансформаторах и распределительных устройствах.

Пластиковые пленки используются в качестве пленок в различных областях, таких как изоляция между фольгами в конденсаторах и изоляция прорезей во вращающихся электрических машинах.

Общее использование для гибких изоляционных оболочек — это защита кабелей и компонентов от вредных воздействий механического и термического повреждения, и может найти применение в электрических машинах, трансформаторах, бытовых и отопительных приборах, осветительной арматуре, кабельных соединениях (соединения и окончания) и распределительные устройства.

Смолы и лаки используются для пропитки и нанесения покрытий на электрооборудование (например, трансформаторы сухого типа ) с целью повышения его устойчивости к условиям труда, улучшения его электрических характеристик и увеличения срока службы. ,

Эластомеры и термопластики широко используются для изоляции силовых, управляющих и коммуникационных кабелей.

В настоящее время основные виды применения жидких диэлектриков , в основном ч углеводородных минеральных масел , используются в качестве изолирующей и охлаждающей среды для трансформаторов, заземляющих реакторов и шунтирующих реакторов, конденсаторов и реостатов.

Важными свойствами диэлектрических жидкостей являются электрическая прочность, вязкость, химическая стабильность и температура вспышки .

Два газа, которые уже широко используются для изоляции, это азот и гексафторид серы ( SF6 ). Азот используется в качестве изолирующей среды в некоторых герметичных трансформаторах и Линии с газовой изоляцией ( GIL ), в то время как SF6 используется в распределительных устройствах высокого и среднего напряжения и автоматических выключателях из-за его изолирующих свойств и дуги. — возможности пожаротушения, а также трансформаторов с газовой изоляцией ( GIT ) в качестве изолирующей и охлаждающей среды.

Однако, из-за условий окружающей среды , в установках среднего напряжения (автоматические выключатели, контакторы и конденсаторы) вакуум в настоящее время имеет преимущественное использование.

Свойства и поведение диэлектрических материалов

Наиболее важными свойствами диэлектрических материалов являются:

• Объемное сопротивление или удельное сопротивление.
• Диэлектрическая проницаемость (обозначение: ε; единица измерения: Фарад на метр — В / м) определяется как сопротивление диэлектрика электрическому полю в конкретной среде.
• Относительная диэлектрическая проницаемость , или диэлектрическая проницаемость (обозначение: ε _r — арифметическая ), которая определяется как отношение плотности электрического потока , произведенного в материале , к плотности, произведенной в вакуума с той же напряженностью электрического поля или соотношением между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью (обозначение: ε ₀ — ≈ 85 × 10 ⁻¹² F / м ): ε / ε ₀ .
• Диэлектрическая прочность , которая является способностью противостоять электрическому напряжению без разрушения. Обычно оно указывается в кВ / мм ( типичных значений могут варьироваться от 5 до 100 кВ / мм ).
• Диэлектрические потери или Коэффициент электрического рассеяния , который определяется как отношение потерь мощности в диэлектрическом материале к общей мощности, передаваемой через него. Он задается тангенсом угла потерь и широко известен как « tan δ ».В идеальном изоляторе ток, который проходит через него, является емкостью емкостного ( I _C ), но реальные изоляторы не имеют 100% чистоты , это означает, что ток через изолятор также является резистивный компонент ( I _R ), и мы говорим, что изолятор имеет потерь , которые представлены tan δ , при этом δ угол, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 —

Рисунок 2 — Угол потерь и токи изолятора

Также читайте: Резисторы и типы резисторов | Фиксированные, переменные, линейные и нелинейные

Другим важным аспектом всех диэлектрических материалов является максимальная температура , при которой они будут работать удовлетворительно .

Вообще говоря, диэлектрических материалов разрушаются быстрее при более высоких температурах , и износ может достигать точки, в которой изоляция перестает выполнять свою требуемую функцию.

Эта характеристика известна как , старение , и для каждого материала обычно назначают максимальную температуру, выше которой нецелесообразно работать.

Старение диэлектрика зависит не только от физических и химических свойств материала и теплового напряжения , которому он подвергается, но также от присутствия и степени влияния механического , электрические и экологические нагрузки .

Диэлектрические материалы могут быть повреждены ( преждевременного старения ) при воздействии чрезмерного тепла и перенапряжения и могут быть загрязнены другими материалами , такими как частицы меди, вода и газ , вызывая диэлектрическое повреждение ,

Определение срока полезного использования также будет варьироваться в зависимости от типа и использования оборудования; это необходимо учитывать при выборе диэлектрического материала для конкретного применения.

Об авторе: Мануэль Болотинья

— Степень бакалавра в области электротехники — Энергетика и энергетические системы (1974 г. — Высший учебный институт / Университет Лиссабона)
— Степень магистра в области электротехники и вычислительной техники (2017 г. — Faculdade de Ciências e Tecnologia / Университет Новы Лиссабона)
— Старший консультант по подстанциям и энергосистемам; Профессиональный инструктор

Вы также можете прочитать

.

подложек печатной платы: знание ваших печатных плат Диэлектрические материалы

Диэлектрический материал проводит минимальное электричество и обеспечивает изолирующий слой между двумя проводящими медными слоями. Самым распространенным диэлектрическим материалом является FR-4, но перед тем, как выбрать его для своей платы, вы должны внимательно рассмотреть его свойства.

Вот обзор наиболее важных свойств, которые следует учитывать для любого диэлектрического материала:

1. Тепловые свойства
2. Электрические свойства
3.Химические свойства
4. Механические свойства

Когда вы будете готовы выбрать материал, используйте инструмент выбора материала Sierra Circuits для ввода критериев и получения удобного для сравнения списка диэлектриков с правильными свойствами.

Тепловые свойства

Диэлектрический материал обеспечивает изоляцию между проводящими слоями (здесь показано как медная фольга) в печатной плате.

Температура стеклования (Tg)
Температура стеклования, или Tg, является температурным диапазоном, в котором подложка печатной платы переходит из стеклообразного, жесткого состояния в размягченное, деформируемое состояние, когда полимерные цепи становятся более подвижными.Когда материал остывает, его свойства возвращаются в исходное состояние. Tg выражается в единицах градусов Цельсия (ºC).

Температура разложения (Td)
Температура разложения, или Td, — это температура, при которой материал ПХД химически разлагается (материал теряет не менее 5% массы). Как и Tg, Td выражается в градусах градусов Цельсия (ºC).

Td материала является важным потолком при сборке печатных плат, потому что, когда материал достигает или превышает его Td, изменения его свойств необратимы.Сравните это с Tg, температурой стеклования, когда свойства вернутся в исходное состояние, когда материал остынет ниже диапазона Tg.

Выберите материал, в котором вы можете работать в диапазоне температур выше Tg, но значительно ниже Td. Большинство температур пайки при сборке печатных плат находятся в диапазоне от 200 ºC до 250 ºC, поэтому убедитесь, что Td выше этого значения (к счастью, большинство материалов имеют Td выше 320 ºC).

Коэффициент теплового расширения (CTE)
Коэффициент теплового расширения, или CTE, — это скорость расширения материала печатной платы при его нагреве.CTE выражается в частях на миллион (ppm), расширенных на каждый градус Цельсия, который он нагревает.

Когда температура материала поднимется выше Tg, CTE также повысится.

CTE подложки обычно намного выше, чем у меди, что может вызвать проблемы с соединением при нагреве печатной платы.

CTE вдоль осей X и Y, как правило, низкие — около 10-20 промилле на градус Цельсия. Обычно это происходит из-за тканого стекла, которое ограничивает материал в направлениях X и Y, и CTE не сильно изменяется даже при повышении температуры материала выше Tg.

Таким образом, материал должен расширяться в направлении Z. CTE вдоль оси Z должен быть как можно ниже; стремитесь к менее чем 70 частям на миллион на градус Цельсия, и это будет увеличиваться, когда материал превосходит Tg.

Расширение материала измеряется коэффициентом теплового расширения (CTE). Это изображение показывает CTE в направлении Z.

CTE также полезен для определения Tg материала с использованием кривой CTE. Постройте график зависимости температуры материала от смещения, затем найдите пересечение двух кривых:

Теплопроводность (k)
Теплопроводность, или k, является свойством материала проводить тепло; низкая теплопроводность означает низкую теплопередачу, в то время как высокая теплопроводность означает высокую теплопередачу.Мера скорости теплопередачи выражается в ваттах на метр на градус Цельсия (Вт / м ºC).

Большинство диэлектрических материалов на печатной плате имеют теплопроводность в диапазоне от 0,3 до 0,6 Вт / М-ºC, что довольно мало по сравнению с медью, у которой k составляет 386 Вт / М-ºC. Следовательно, больше тепла будет быстро уноситься медными плоскими слоями в печатной плате, чем диэлектрическим материалом.

Электрические свойства

Диэлектрическая постоянная или относительная диэлектрическая проницаемость (Er или Dk)
Рассмотрение диэлектрической проницаемости материала важно для соображений целостности сигнала и импеданса, которые являются критическими факторами для высокочастотных электрических характеристик.Er для большинства материалов печатных плат находится в диапазоне от 2,5 до 4,5.

Диэлектрическая проницаемость изменяется с частотой и обычно уменьшается с увеличением частоты; некоторые материалы имеют меньшее изменение относительной диэлектрической проницаемости, чем другие. Материалы, подходящие для высокочастотных применений, — это материалы, диэлектрическая проницаемость которых остается относительно одинаковой в широком диапазоне частот — от нескольких 100 МГц до нескольких ГГц.

Коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь или коэффициент рассеяния (Tan δ или Df)
Тангенс тангенса потерь материала дает меру потери мощности из-за материала.Чем ниже тангенс потерь материала, тем меньше потери мощности. Tan δ большинства материалов для печатных плат варьируется от 0,02 для наиболее часто используемых материалов до 0,001 для высококачественных материалов с очень низкими потерями. Это также изменяется с частотой, увеличиваясь с увеличением частоты.

Касательная потери

обычно не является критическим фактором для цифровых схем, за исключением очень высоких частот выше 1 ГГц. Однако это очень важный параметр для аналоговых сигналов, поскольку он определяет степень ослабления сигнала и, таким образом, влияет на отношение сигнал / шум в различных точках вдоль трасс сигналов.

Объемное удельное сопротивление (ρ)
Объемное удельное сопротивление, или удельное электрическое сопротивление (ρ), является одной из мер электрического или изоляционного сопротивления материала печатной платы. Чем выше удельное сопротивление материала, тем менее легко оно позволяет перемещать электрический заряд, и наоборот. Удельное сопротивление выражается в ом-метрах (Ом-м) или Ом-сантиметрах (Ом-см)

Как и у диэлектрических изоляторов, материалы для печатных плат должны иметь очень высокие значения удельного сопротивления, порядка 10–10 мОм.На удельное сопротивление несколько влияют влажность и температура.

Удельное поверхностное сопротивление (ρS)
Удельное поверхностное сопротивление (ρS) — это мера электрического или изоляционного сопротивления поверхности материала печатной платы. Как и объемное удельное сопротивление, материалы на печатных платах должны иметь очень высокие значения удельного поверхностного сопротивления, порядка 10–10 мОм на квадрат. Это также несколько зависит от влажности и температуры.

Электрическая прочность
Электрическая прочность измеряет способность материала печатной платы противостоять электрическому разрушению в направлении Z печатной платы (перпендикулярно плоскости печатной платы).Выражается в вольт / мил. Типичные значения электрической прочности для платных диэлектриков находятся в диапазоне от 800 до 1500 В / мил.

Электрическая прочность определяется воздействием на печатную плату коротких импульсов высокого напряжения при стандартных частотах переменного тока.

Химические свойства

Спецификации воспламеняемости (UL94)
UL94, или Стандарт безопасности горючести пластиковых материалов для деталей при испытаниях устройств и приборов, является стандартом воспламеняемости пластмасс, который классифицирует пластмассы от самых низких (наименее огнестойких) до самых высоких (большинство пламенных). -retardant).

Стандарты определены Underwriters Laboratories (UL). Большинство материалов для печатных плат соответствуют UL94 V-0; вот его требования

1. Образцы не могут гореть при горящем горении в течение более 10 секунд после любого применения испытательного пламени.
2. Общее время горения пламени не может превышать 50 секунд для 10 применений пламени для каждого набора из 5 образцов.
3. Образцы не могут гореть при горящем или пылающем сгорании вплоть до удерживающего зажима.
4. Образцы не могут капать пылающими частицами, которые воспламеняют сухой абсорбирующий хирургический хлопок, расположенный на 300 мм ниже испытуемого образца.
5. Образцы могут не иметь горения, которое длится более 30 секунд после второго удаления испытательного пламени.

Поглощение влаги
Поглощение влаги — это способность материала печатной платы противостоять поглощению воды при погружении в воду. Это выражается в процентном увеличении массы материала печатной платы из-за поглощения воды в контролируемых условиях в соответствии со стандартными методами испытаний.Большинство материалов имеют значения поглощения влаги в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Поглощение влаги влияет на тепловые и электрические свойства материала, а также на способность материала противостоять образованию проводящих анодных нитей (CAF) при питании цепи печатной платы.

Сопротивление метиленхлориду
Сопротивление метиленхлориду является мерой химической стойкости материала; в частности, способность материала ПХД противостоять поглощению метиленхлорида.

Так же, как поглощение влаги, оно выражается в процентном увеличении веса материала ПХБ в результате воздействия или пропитывания метиленхлоридом в контролируемых условиях. Большинство материалов ПХБ имеют значения сопротивления метиленхлориду в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Механические свойства

Прочность на отрыв
Прочность на отрыв — это мера прочности связи между медным проводником и диэлектрическим материалом. Он выражается в фунтах силы на линейный дюйм (PLI или средняя нагрузка на ширину проводника), необходимых для разделения склеиваемых материалов, где угол разделения составляет 180 градусов.

Испытания на прочность на отслаивание проводятся на образцах медных следов толщиной 1 унция и шириной ~ 32–125 мм после стандартных процессов изготовления печатных плат. Выполняется в 3-х условиях:
• После термического напряжения: после того, как образец плавает на припое при 288 ºC в течение 10 секунд
• При повышенных температурах: после того, как образец подвергается воздействию горячего воздуха или жидкости при 125 ºC
• После воздействия технологические химикаты: после того, как образец подвергается определенной последовательности этапов химического или термического процесса

Прочность на изгиб
Прочность на изгиб является мерой способности материала противостоять механическим нагрузкам без разрушения.Он выражается либо в кг на квадратный метр, либо в фунтах на квадратный дюйм (KPSI).

Прочность на изгиб обычно проверяется путем поддержки печатной платы на ее концах и загрузки ее в центр. IPC-4101 — это спецификация базовых материалов для жестких и многослойных печатных плат, и она дает минимальную прочность на изгиб различных материалов на печатной плате.

Модуль Юнга
Модуль Юнга, или модуль растяжения, также измеряет прочность материала печатной платы. Он измеряет отношение напряжение / деформация в определенном направлении, и некоторые производители ламинированных печатных плат дают прочность с точки зрения модуля Юнга вместо прочности на изгиб.3).

Время до расслаивания
Время до расслаивания определяет, как долго материал будет противостоять расслаиванию — отделению смолы от ламината, фольги или стекловолокна — при определенной температуре. Расслоение может быть вызвано тепловым шоком, неправильной Tg в материале, влажностью, плохим процессом ламинирования.

Расслоение — это отделение смолы от меди или арматуры, а время до расслаивания измеряет, сколько времени это займет при определенной температуре.

Для получения дополнительной помощи в выборе правильного материала печатной платы используйте инструмент выбора материала Sierra Circuits. Введите определенное свойство или свойства материала, и инструмент предоставит вам список материалов, которые им соответствуют. Простая в использовании таблица сравнения позволяет сравнивать подробные свойства до пяти материалов.

,

Диэлектрические материалы для беспроводной связи перейти к содержанию

• О Elsevier
  • О нас
  • Elsevier Connect
  • Карьера
• Продукты и решения
  • R & D Solutions
  • Клинические Решения

.

Микроволновые диэлектрики с перовскитной структурой

3.1.2.1. Типы комплексного перовскита и их свойства

Комплексный перовскит отличается от простого перовскита одним ионом как в A-, так и в B -сайте. Он составлен таким образом, чтобы поддерживать валентность заряда через различные заряженные ионы в каждом сайте, и отличается от вещества, содержащего замещенные различные множественные ионы. До сих пор сообщалось о сложных соединениях перовскита [38]:

1: 1 типа в B-узле

A2 + (B3 + 1 / 2B5 + 1/2) O3, A2 + (B2 + 1 / 2B6 + 1 / 2) O3, A2 + (B1 + 1 / 2B7 + 1/2) O3, A3 + (B2 + 1 / 2B4 + 1/2) O3, BB7

1: 2, тип B-site

A2 + (B2 + 1 / 3B5 + 2/3) O3, A2 + (B3 + 2 / 3B6 + 1/3) O3, BB8

1: 3, тип B-site

1: 1, тип A-site

(A1 + 1 / 2A3 + 1/2) TiO3, (A2 + 2 / 5A3 + 2/5) TiO3, BB10

В комплексном перовските типа 1: 2 существует много соединений с подходящими свойствами.В таблицах 2 (c), (d), (e) и (f) показаны характерные микроволновые диэлектрики с хорошими свойствами, выбранными из базы данных Себастьяна, как указано выше [1, 2]. Согласно данным, СВЧ-диэлектрик с наивысшим значением Q 9f , равным 430 000 ГГц, равен Ba (Mg _1/3 Ta _2/3 ) O ₃ (BMT) — «король» микроволновых диэлектриков [39]. TCf также имеет желаемое значение, близкое к нулю при 3.3 ppm / ° C. Значение Q⋅f для Ca (Mg _1/3 Ta _2/3 ) O ₃ при замене Ca на Ba снижается до 78 000 ГГц [40], а когда Sr заменяется на Ba, оно снизился еще больше до 5600 ГГц [41].Кагеяма [42] показал значения Q⋅f комплексных перовскитов типа 1: 2 в зависимости от фактора толерантности в системе Ba и Sr, как показано на рис. 10. Это дает высокое значение Q⋅f , так что допуски системы Ва с ионами большого размера в месте A велики, а электронная структура ионов B — это закрытая оболочка. В случае соединений типа 1: 1 La (Mg _1/2 Ti _1/2 ) O ₃ (LMT) [43] показывает самое высокое значение Q⋅f из 114000 ГГц.Сайт A этого соединения занят трехвалентным ионом редкоземельного La, а валентность сайта B трехвалентна и состоит из соотношения 1: 1 Mg ²⁺ и Ti ^4+. Однако TCf при -81 ppm / ° C не является желательным значением. Кагеяма [44] систематически изучал соединения типа 1: 1 и уточнил, что Ca (Ga _1/2 Ta _1/2 ) O ₃ (CGT) и Sr (Ga _1/2 Ta _{1 / 2} ) O ₃ (SGT) показывают высокий уровень Q⋅f .В этой системе, хотя корреляция с коэффициентом допуска мала, Ga с электронной структурой с закрытой оболочкой способствовал улучшению значений Q⋅f . Wakino et al. [45] сообщили Ba (Mg _1/2 W _1/2 ) O ₃ (BMW) с высоким Q⋅f , состоящим из двухвалентного Mg и шести валентных W. Эти соединения также имеют недостаток большой тсф . Одним из соединений с близким к нулю TCf является Ba (Tb _1/2 Nb _1/2 ) O ₃ (BTN) [46] с высоким ε _r = 39, Q⋅ f = 52 400 ГГц и TCf = -2 ppm / ° C.

Рисунок 10.

Q⋅f для A (B2 + 1 / 3B5 + 2/3) O3 в зависимости от коэффициента допуска t.

3.1.2.2. Является ли заказ обязательным условием для высокого значения Q ?

Происхождение высокого значения Q , особенно связь между высоким значением Q и упорядочением на основе перехода от порядка к беспорядку, обсуждается в течение длительного времени [47, 51]. Особенность комплекса перовскита A ( B _1/3 B ’ _2/3 ) O ₃ демонстрирует явление упорядочения катионов B .Упорядоченная фаза, появившаяся при низкой температуре, является тригональной (ромбоэдрической) структурой с низкой симметрией пространственной группы P3m 1 (№ 164), а неупорядоченная фаза, возникшая при высокой температуре, представляет собой кубическую структуру с высокой симметрией Pm 3 m (No 221), как показано на рис. 11. Kawashima et al. [52] сообщили, что Ba (Zn _1/3 Ta _2/3 ) O ₃ (BZT) имеет высокий Q . На BZT показано упорядочение катионов B , о чем свидетельствуют линии расщепления и линии суперструктуры на рентгенограммах порошковой дифракции (XRPD) в течение длительного времени спекания.Когда ионы Zn и Ta занимают одинаковое положение, структура является неупорядоченной кубической. С другой стороны, если оба иона занимают разные независимые сайты, то есть упорядочение, структура становится тригональной. Этот переход является вялым, и температура перехода в некоторых соединениях неясна. Соотношение между кубической и тригональной кристаллическими структурами показано на рис. 11. Катионы B занимают октаэдры, расположенные между гексагональными замкнутыми слоями упаковки, составляющими BaO ₃ .Упорядочение очевидно по периодическому расположению Zn-Ta-Ta вдоль оси c тригональной оси. Хотя считается, что порядок приносит Q , возникают некоторые противоречащие этому примеры, такие как BMT-Ba (Co _1/3 Ta _2/3 ) O ₃ [53] и Ba (Mg). _1/3 Та _2/3 Sn) O ₃ [54]. Недавно Koga и др. . [55–59] представили количественную оценку коэффициента упорядочения с использованием метода Ритвельда и состояния упорядочения в окрестности BZT.Кугимия [60] сообщил, что состав, который отклонился от BMT, имеет высокую Q из-за состава с высокой плотностью. Совсем недавно Surendran et al. [61] показали, что композиции BMT с дефицитом Ba и Mg имеют высокий уровень Q . В этом разделе автор представляет основные факторы для высокого значения Q вместо упорядочения на основе данных Koga [55–59, 61, 62].

Рисунок 11.

Порядок-беспорядок перехода перовскита. (а) Высокая температура и фаза с высокой симметрией с кубической, (б) Низкая температура и фаза с низкой симметрией с тригональной.

На рис. 12 показаны рентгенограммы (а) и пики дифракции (b) высокого угла (b) керамики BZT в зависимости от времени спекания при 1350 ° C. Согласно времени спекания линии сверхрешетки (отмеченные звездочкой) стали четкими, и 420 кубических дифракционных пиков постепенно распадаются на два пика, а именно 226 и 422, в тригональной системе. Считается, что упорядоченные и неупорядоченные структуры сосуществуют, и упорядоченные пики становятся интенсивными при спекании в течение 80 или более часов. Эти результаты согласуются с отчетом Kawashima и др. [52].

На рис. 13 показаны Q⋅f в зависимости от порядка порядка (а), полученного методом Ритвельда [63], плотности (b) и размера зерна (с). Коэффициент упорядочения насыщается примерно на 80%, но Q⋅f варьируется от 40000 до 100000 ГГц. Тем не менее, Q⋅f увеличивается с плотностью и размером зерна. Это указывает на то, что влияние порядка на значение Q не так важно.

Рисунок 12.

(a) Рентгенограммы керамики BZT с различным временем спекания при 1350 ° C.Звездочки — это сверхрешеточные отражения. (b) Увеличенные рентгенограммы около 2θ = 115 °, при которых 420 дифракционных пиков делится на 226 и 422.

Рис. 13.

Q⋅f керамики BZT как функции отношения порядка (a), плотности (b), и размер зерна (с).

Поскольку как упорядоченный, так и неупорядоченный BZT — с аналогичными микроструктурами — могут быть получены различными термообработками с использованием обычной твердотельной реакции (SSR), как описано в предыдущем разделе, эффекты кристаллического структурного упорядочения и керамической микроструктуры обсуждались независимо. ,В случае BZT, хотя керамика с высокой плотностью и Q упорядоченного BZT была синтезирована с помощью SSR с длительным временем спекания более 80 часов, плотная керамика неупорядоченного BZT не была получена с помощью SSR. Koga и соавт. [57] создали BZT-керамику высокой плотности с коротким временем спекания с помощью искрового плазменного спекания (SPS). В этом разделе обсуждаются эффекты кристаллического структурного упорядочения и керамической микроструктуры на высоком Q .

Рис.14 показывает Q⋅f как функцию плотностей в BZT, изготовленных с использованием SSR и SPS. Образцы, полученные с помощью SPS, имели неупорядоченный перовскит кубического типа, как показано на рентгенограмме (рис. 15), с отражением в одиночном 422 по сравнению с упорядоченным тригональным типом с разделением пиков 422 и 226 при спекании с использованием SSR (1400 ° C). 100 ч). Образцы SPS с высокой плотностью были получены с использованием чрезвычайно короткого времени спекания, 5 минут, между 1150 и 1300 ° C при 30 МПа [57].Короткое время спекания при использовании SPS может привести к неупорядоченному BZT с высокой плотностью 7,62 г / см ³ , что примерно на 50% выше, чем у образцов с низкой плотностью 5,0-6,0 г / см ³ , синтезированных обычная ССР. Полная ширина на половине максимума (FWHM) пика 420 сужалась при увеличении температуры от 1100 до 1300 ° C (рис. 15). Это указывает на то, что степень кристаллизации неупорядоченной кубической фазы улучшается без необходимости превращения в упорядоченную тригональную фазу.Независимо от метода синтеза, Q⋅f сильно зависит от плотности, а значения Q⋅f были улучшены с плотностью, как показано на рис. 14. Высококристаллизованная плотная неупорядоченная керамика BZT, синтезированная SPS, показала значительно высокую Q⋅f (= 53,400 ГГц) аналогичен таковому для упорядоченного образца BZT с такой же плотностью (= около 7,5 г / см ³ ), синтезированной с помощью SSR. Кристаллизация с уплотнением керамики BZT должна играть более важную роль в улучшении коэффициента Q в системе BZT, чем структурное упорядочение и размер зерна.В области высокой плотности (> 7,5 г / см ³ ) следует уточнить изменение Q⋅f .

Рисунок 14.

Q⋅f BZT при твердотельной реакции (SSR) и спекании в искровой плазме (SPS) как функция плотности. Порядок: заказанный перовскит, расстройство: неупорядоченный перовскит.

Рисунок 15.

Рентгенограммы XRPD около 420 дифракции спекания BZT на SPS в течение 5 мин при 30 МПа с различной температурой спекания.

Упорядочение на основе перехода порядок-беспорядок приводит к низкой симметрии, а беспорядок — к высокой симметрии, как описано выше.Обычно высокая симметрия также приводит к высокой Q , как при заказе. Мы представляем пример, показывающий, что высокая симметрия является более влиятельной в достижении высокой Q , чем упорядочение.

BZN четко показывает температуру перехода порядок-беспорядок при 1350 ° C, как показано на рис. 16 (а). Температуры перехода BMT и BZT неясны из-за высокой температуры перехода. Упорядочение было подтверждено с использованием рентгенограмм. На рис. 16 показаны Q⋅f , размер зерна и плотность в зависимости от температуры спекания BZN.Разупорядоченный образец, спеченный при 1400 ° C, показывает резкое увеличение Q⋅f , размер зерна и плотность по сравнению с упорядоченными образцами, спеченными при 1200 и 1300 ° C. В результате последующего отжига при 1200 ° С в течение 100 ч для неупорядоченного образца, спеченного при 1400 ° С, структура преобразовалась в порядок, но Q⋅f не улучшилась и вместо этого немного уменьшилась в обратном порядке. Размеры и плотность зерен не изменились при отжиге, как показано на рис.16 (б) и (в).

Рис. 16.

Q⋅f (a), размер зерна (b) и плотность (c) BZN с температурой перехода при 1350 ° C в зависимости от температуры спекания. Хотя фаза беспорядка с высоким Q спекалась при 1400 ° C, отжигалась при 1200 ° C, Qf не улучшалась.

Таким образом, можно сделать вывод, что кристаллическое упорядочение в керамической системе BZN не оказывает существенного влияния на улучшение коэффициента Q . Коэффициент Q сильно зависит от плотности и размера зерна, но не от порядка кристаллической структуры.Уменьшение Q⋅f в результате отжига может зависеть от низкой симметрии, которая сопровождает упорядочение.

3.1.2.3. Фазовые соотношения и Q⋅f в окрестности BZT [56, 59]

Koga и др. . [56, 59] изучали фазовое соотношение в окрестности BZT в тройной системе BaO-ZnO-TaO _5/2 , как показано на рис. 17. Эти образцы спекались при 1400 ° C в течение 100 часов, как сообщалось в Koga’s. бумага [56]. Эти дифракционные картины хорошо соответствуют методу Ритвельда [63].Полученные коэффициенты упорядочения показаны на рис. 18 (а). Три области вблизи BZT представлены, как показано на рисунке 17.

Рисунок 17.

Частичная тройная система BaO-ZnO-TaO5 / 2 в окрестности BZT. Синтезированные композиции показаны буквами от A до S. Точка A — это чистый BZT. Показаны три области: (I) для порядка / одной фазы, (II) для порядка / вторичной фазы и (III) для беспорядка / одной фазы.

Рисунок 18.

Порядковый коэффициент (a), Q⋅f (b) и плотность (c) как функция отклонения состава от чистого BZT.

(I): зона заказа с однофазной BZT

(II): зона заказа с вторичной фазой

(III): зона разупорядочения с однофазной BZT

Первая зона (I) состоит из одной фазы BZT с упорядоченной структурой и высоким Q⋅f . Композиции E и K имеют Q⋅f примерно на 50% выше, чем у чистой композиции BZT A. Композиция K расположена на граничной области (I) и имеет небольшую вторичную фазу, как показано на фигуре SEM, представленной в предыдущая статья [59].Коэффициент упорядочения в композиции E ниже, чем A, а плотность композиции E такая же, как и у A. Вторая область (II) представляет собой упорядоченный BZT с вторичной фазой BaTa ₂ O ₆ с определенным количеством Zn [59], проанализированный рентгеновским микроанализатором (XMA). Коэффициент упорядочения соединений, расположенных в этой области, высок — примерно от 70 до 8%, как показано на рис. 18 (а). Хотя структура упорядочена, значения Q⋅f уменьшаются в соответствии с отклонением от чистого BZT, как показано на рис.18 (б). Состав упорядоченных соединений BZT расположен на обогащенной стороне Ta ₂ O ₅ , которая осаждается вторичной фазой в виде системы эвтектической фазовой диаграммы. Третья область (III) осаждается в виде однофазного твердого раствора BZT с неупорядоченной структурой. Значения Q⋅f ухудшаются с уменьшением порядка упорядочения и плотности, как показано на рис. 18 (с). Более низкая плотность обусловлена ​​наличием многочисленных пор из-за жесткого спекания. Единственная фаза в этой области вызвана твердым раствором, сопровождающим дефекты в B — и O-сайты, что вызывает ухудшение Q⋅f .Поры и дефекты исследовали с помощью СЭМ [59] и спектров комбинационного рассеяния [62] соответственно.

Кугимия [60] представил наивысшую композицию Q 9f на стороне, богатой Та и Ва, в системе BMT, как показано на рис. 19. Синтезированные образцы представляют собой точные композиции, сформированные из основных партий, которые смешали образцы из четырех основных пакетный метод. Здесь химические формулы в окрестностях БМТ представлены следующим образом: Кугимия представил три области, разделенные путем рисования двух линий, как показано в Таблице 3 и на Рис.19.

.