Диэлектрические материалы. Строение и свойства

ЛЕКЦИЯ №9

Текстильные материалы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Электротехническая керамика

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многие радиокерамические конденсаторные материалы снижают значение  при повышении температуры.

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

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

Мусковит– бесцветное вещество, имеет красноватый или зеленоватый оттенок.

Флогопитчаще янтарного, золотистого или коричневого цветов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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