ПАССИВНЫЕДИЭЛЕКТРИКИ
1.Газообразные и жидкие диэлектрики
К пассивным относятсяэлектроизоляционные, конструктивные и конденсаторные диэлектрические материалы,органические полимерные диэлектрики, композиционные порошковые пластмассы, слоистыедиэлектрики, электроизоляционные лаки и компаунды, неорганические стекла иситаллы, керамика.
Воздух и газы являются идеальнымидиэлектриками до процесса их ионизации. Они имеют высокое удельноесопротивление (r » 1×1018 Ом×м), малую диэлектрическую проницаемость (e » 1), малый тангенс диэлектрических потерь (tg d » 1×10-6). Недостатком газов является низкая электрическаяпрочность, которая сильно зависит от давления и химического состава газа. Газы,содержащие галогены (фтор, хлор и др.), для ионизации которых требуется большаяэнергия, имеют по сравнению с воздухом более высокую электрическую прочность.
Жидкие диэлектрикиподразделяются на минеральные (нефтяные) масла, синтетические жидкости,растительные масла. Электрические свойства жидких диэлектриков очень высоки.Примеси и загрязнения (вода, газы, мельчайшие механические частицы) даже внебольших количествах сильно снижают их. Электрическая прочность жидких диэлектриковна высоких частотах ниже, чем на низких.
Основное назначение жидкихдиэлектриков — это повышение электрической прочности изоляции, вследствие заполненияпор в волокнистой изоляции и промежутков между деталями силовых трансформаторов,отвод тепла от обмоток и сердечников трансформаторов, гашение дуги в выключателях,заливка и пропитка бумажных конденсаторов, пропитка изоляции силовых кабелей иих изоляция.
Нефтяные масла(трансформаторное, конденсаторное, кабельное) сравнительно дешевы и могутпроизводиться в больших количествах, при высокой степени очистки обладают хорошимиэлектроизоляционными свойствами. Трансформаторное масло применяется для заливкисиловых трансформаторов. Конденсаторное масло имеет более высокую степеньочистки и применяется для пропитки бумажных и пленочных конденсаторов. При пропиткибумаги повышается диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность,уменьшаются габариты, масса и стоимость конденсатора. Кабельные масла используютдля пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Это повышает электрическую прочностьизоляции и улучшает отвод тепла. Синтетические жидкие диэлектрики превосходят нефтяныемасла по своим свойствам. Они имеют более высокие значения Епр и e. Применяются для пропитки конденсаторов(совтол) и заливки трансформаторов (совтол).
Кремнеорганическиежидкости обладают малыми потерями (tgd
2.Органические полимерные диэлектрики
Полимеры — этовысокомолекулярные соединения, которые получают в результате объединения друг сдругом молекул более простых по своему составу веществ — мономеров. Реакцию образованияполимера из мономера называют полимеризацией. При полимеризации увеличивается молекулярнаямасса, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость.
Полимеры подразделяют налинейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек илинитей, так что отношение длины к ее поперечным размерам очень велико (около1000). Молекулы пространственных полимеров развиты в различных направленияхболее равномерно и образуют общую сетку.
Линейные полимеры сравнительногибки и пластичны; многие из них при повышении температуры размягчаются, становятсяпластичными, а затем расплавляются. После охлаждения их свойства восстанавливаются,они способны растворяться в соответствующих растворителях и при новом повышениитемпературы размягчаются, то есть линейные полимеры являются термопластичнымиматериалами, сохраняющими линейное строение молекул и при нагреве.
Пространственные полимерыобладают большой жесткостью, многие из них при повышении температуры химическиразрушаются (сгорают, обугливаются и т.п.) еще до достижения температуры плавления.При нагреве у этих материалов происходит необратимое изменение свойств, они запекаются(отверждаются), приобретают пространственное строение. Смолы, которые невозможновернуть в эластичное состояние повторным нагревом, называются термореактивными.По применению полимерные материалы подразделяют на высокочастотные и низкочастотные.
Высокочастотные полимеры представляютсобой неполярные высокомолекулярные соединения, которые характеризуютсяэлектронной поляризацией, малой величиной диэлектрической проницаемости (e = 2.2 ¸ 2.5) и тангенса угла диэлектрическихпотерь (tgd = (2¸5)×10-4), высоким удельным сопротивлением (r = 1018¸1020 Ом×м), высокой электрической прочностью(Епр = 40¸60 кВ/мм). Вследствие высокой электрической симметрии молекулэлектрические свойства этих полимеров практически не зависят от температуры ичастоты. К высокочастотным полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен,полиизобутилен, политетрафторэтилен (фторо-пласт-4), полистирол.Высокочастотные пластмассы, как правило, состоят из чистых смол, так как наполнителиухудшают их диэлектрические свойства. Они применяются для изготовления изоляциивысокочастотных кабелей, изоляции обмоточных и монтажных проводов, каркасовкатушек индуктивности, в качестве конструкционных материалов. Из полистирола изготавливаетсяпленка для конденсаторов, называемая стирофлексом. Особенностью фторопласта-4 являетсявысокая для органических веществ нагревостойкость (до 250°C). Высокая энергия связи атомов фтораи углерода, симметричная структура молекул, склонность к кристаллизации обуславливаетценные химические и физические свойства фторопласта. По химической стойкости онпревосходит золото и платину, негорюч, практически негигроскопичен, не смачиваетсяводой и другими жидкостями. Фторопласт-4 является одним из лучших диэлектриковприменяемых в радиотехнике на СВЧ.
К низкочастотным относятсяполярные полимеры, у которых из-за асимметричного строения молекул сильно выраженадипольно-релаксационная поляризация. Полярные материалы обладают большей величинойдиэлектрической проницаемости (e = 2.8¸6) и тангенсаугла диэлектрических потерь (tgd = 2×10-3¸ 6×10-2), меньшей величиной удельного сопротивления (r = 1015¸1018 Ом×м). К этим материалам относятся поливинилхлорид,полиметилметакрилат (оргстекло), полиэтилентерефталат (лавсан), фторопласт-3,полиамидные смолы. Они используются для изоляции проводов и защитных оболочеккабелей, как конструкционные материалы для электро- и радиотехнических изделий,работающих на низких частотах, в качестве диэлектрика конденсаторов (лавсан) и дляих герметизации (полиуретан) и др.
3.Композиционные порошковые пластмассы и слоистые диэлектрики
Композиционные порошковыедиэлектрики, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессованияили литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственной смолы — пространственного или линейного полимера) и наполнителей (древесной муки, очесовхлопчатника, каолина, кварцевого песка, стекловолокна и т.д.) с добавкамикрасителей и пластификаторов. Наполнитель улучшает электрические и механическиесвойства изделия. В качестве связующего вещества используют формоальдегидные, эпоксидные,кремнеорганические и другие смолы. Среди композиционных пластмасс наилучшимиэлектрическими свойствами обладают пластмассы на основе анилиноформоальдегиднойсмолы, наилучшими декоративными аминопласты (пластмассы на основе карбамидных смол),им можно придавать любую яркую окраску, в то время как фенолформоальдегидныепластмассы окрашивают только в коричневый или черный цвет. Кремнеорганическиесмолы используют для получения нагревостойких (до 300°C ) пластмасс.
Из композиционных пластмассизготавливают корпуса промышленной и бытовой радиоаппаратуры, измерительных приборов,ламповые панельки, электротехническую арматуру и др. Слоистые пластики являютсяразновидностью композиционных пластмасс, в которых в качестве наполнителя используютлистовые слоистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.
Гетинакс получают горячейпрессовкой бумаги, пропитанной фенолформоальдегидной смолой. Для производства используетсяпрочная и нагревостойкая бумага. Пропитанную бумагу собирают в пакеты ипрессуют при температуре 160°C. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры междулистами и волокнами, а затем затвердевает. В результате волокнистая основа связываетсяв прочный монолитный материал. Слоистое строение гетинакса обусловливает анизотропиюсвойств. Гетинакс является сильнополярным диэлектриком. Его диэлектрическая проницаемостьe = 6 ¸ 7, а тангенс угла диэлектрическихпотерь tgd = 0.04 ¸ 0.08 (на частоте 106 Гц).
Для изготовления печатныхплат радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. Это гетинакс,облицованный с одной или с двух сторон медной фольгой толщиной 0.035 ¸ 0.05 мм. Разный температурный коэффициент линейного расширения у гетинакса и фольги вызывает отслаиваниефольги при значительных изменениях температуры. Текстолит — пластик, изготавливаемыйиз пропитанной ткани. Он на много дороже, но имеет лучшие механические свойства.Стеклотекстолиты состоят из бесщелочного стеклянного волокна и фенолформоальдегидной,кремнеорганической или эпоксидной смолы. Они обладают более высокимиэлектроизоляционными свойствами, чем гетинакс или текстолит. Выпускаетсяфольгированный стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы. Он обладает большейнагревостойкостью.
4.Электроизоляционные лаки и компаунды
Лаки и компаундыотносятся к твердеющим электроизоляционным материалам. Лаки — это коллоидные растворысмол, битумов, высыхающих масел, составляющих основу лака в летучих растворителях.При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердоесостояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку. По применению электроизоляционныелаки подразделяют на пропиточные, покрывные и клеящие.
Пропиточные лаки служат дляпропитки пористой и волокнистой изоляции. Поры заполняются высохшим лаком, имеющимболее высокие электрическую прочность и теплопроводность, уменьшается гигроскопичность,улучшаются механические свойства изоляции.
Покрывные лаки, образуямеханически прочную, гладкую, влагостойкую пленку на поверхности твердойизоляции повышают напряжение поверхностного разряда и поверхностноесопротивление изоляции.
Клеящие лаки применяют длясклеивания твердых электроизоляционных материалов.
По режиму сушки различаютлаки горячей сушки (обычно более 100°С) и лаки холодной (воздушной) сушки.
Компаундами называют смесиразличных изоляционных веществ, не содержащие летучего растворителя. Приприменении находятся в жидком состоянии. Отвердевают в результате охлаждения илихимических реакций взаимодействия с отвердителеми в горячем или холодномсостоянии. По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточныеи заливочные. По свойствам компаунды подразделяют на термореактивные итермопластичные. Термореактивные компаунды обладают более высокой нагревостойкостью.К числу термореактивных компаундов относятся компаунды на основе полиэфирных,кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение врадиотехнике получили эпоксидные компаунды, которые отличаются высокоймеханической прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошимиэлектрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой композиции наоснове эпоксидных смол и отвердителей (различных химических соединенийявляющихся катализаторами отвердения).
Компаунды широкоприменяют для пропитки и заливки отдельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов,дросселей, конденсаторов. Их используют для герметизации и опресовкиполупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
5.Неорганические стекла и ситаллы
Cтекла — неорганическиеаморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствуетдальний порядок в расположении частиц.
Стекла получаются прибыстром охлаждении расплавленной стекломассы для уменьшения вероятностиперехода в кристаллическое состояние. Свойства диэлектриков проявляют лишьоксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел(SiO2, B2O3, GeO2, P2O5).Наибольшее распространение получили силикатные стекла (т.е. на основе SiО2)благодаря химической устойчивости, дешевизне и доступности сырьевыхкомпонентов.
Силикатные стекла по составу,а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрическихпотерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы.
Б е с щ е л о ч н ы е с те к л а (отсутствуют окислы натрия и калия). Стекла этой группы обладают высокойнагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудноизготовить изделие. В эту группу входит кварцевое стекло (плавленный кварц).Кварцевое стекло имеет наименьшее значение температурного коэффициенталинейного расширения aiизвсех известных веществ вообще. Благодаря высокой нагревостойкости и химическойинертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкоеприменение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционногоматериала. По электрическим свойствам кварцевое стекло относят к хорошим высокочастотнымдиэлектрикам (e = 8, r ³ 1016 Ом× м; tgd =2 ×10-4 на частоте 106 Гц.).
Щ е л о ч н ы е с т е к ла б е з т я ж е л ы х о к и с л о в или с незначительным их содержанием. Этагруппа стекла состоит из двух подгрупп: натриевые; калиевые и калиево-натривые.В эту группу входит большинство обычных стекол. Введение окисла щелочныхметаллов существенно ухудшает электрические свойства стекол: возрастаютдиэлектрические потери и увеличивается диэлектрическая проницаемость, чтосвязано с усилением ионно-релаксационной поляризации, одновременно наблюдаетсяуменьшение удельного сопротивления, так как возрастает количество ионов,участвующих в процессе электропроводности.
Щ е л о ч н ы е с т е к ла с в ы с о к и м с о д е р ж а н и е м т я ж е л ы х о к и с л о в (например,силикатно-свинцовые и бариевые) характеризуются высоким значением e и малыми потерями даже при значительнойдобавке щелочных окислов.
Диэлектричекаяпроницаемость стекол увеличивается с повышением температуры.
По техническомуназначению стекла можно подразделить на следующие основные типы:
электровакуумные,применяемые для изготовления баллонов, ножек и других деталей электровакуумныхприборов. Температурные коэффициенты линейного расширения стекла и соединяемыхс ним материалов должен быть приблизительно одинаков, чтобы при изменениитемпературы избежать растрескивания стекла, а также нарушения герметичности вместе ввода металлической проволоки в стекло. Для высокочастотных приборовиспользуют стекла с низкими диэлектрическими потерями;
изоляторные стекла — используются в качестве герметизированных вводов в корпуса различных приборов;
лазерные стекла — используются в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах;
стекловолокно — волокно,изготавливаемое из тонких стеклянных нитей (диаметром 4 — 7 мкм), обладаетвысокой нагревостойкостью, значительной механической прочностью и хорошимиэлектроизоляционными свойствами;
световоды — это жгуты,скрученные из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стекол разного состава,с различными коэффициентами преломления, используемые для передачи света междуисточником и приемником излучения.
Бесщелочные стекла типовС41-1 (алюмосиликатное), С48-3 (боросиликатное) и плавленный кварц применяютсядля изготовления подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем.
С и т а л л ы — этостеклокристаллические материалы, полученные путем кристаллизации стеколспециально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение междуобычными стеклами и керамикой. В состав стекол, склонных к кристаллизации,вводят вещества, образующие зародыши кристаллизации. Этим стимулируется процесскристаллизации стекла по всему объему. Размер кристаллов составляет 0.05 — 1 мкм.
Ситаллы отличаются от стеколсвоим кристаллическим строением, а от керамики — значительно меньшим размеромкристаллических зерен.
Как правило, ситаллыобладают более высокими электроизоляционными свойствами (в частности болеенизким tgd), чем аморфныестекла того же состава, а по сравнению с керамикой обладают более высокой электрическойпрочностью. Ситаллы отличаются повышенной механической прочностью (примерно в10 раз прочнее прокатного стекла), высокой твердостью, высокой температуройразмягчения (до 1350 °С)и термостойкостью (300 — 700 °С).
По техническомуназначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные.Установочные ситаллы широко используются в качестве подложек гибридныхинтегральных микросхем и дискретных пассивных элементов, деталей СВЧ.Достоинством ситалловых конденсаторов является повышенная электрическаяпрочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
6.Керамика
Керамическими материаламиназывают неорганические материалы, изделия из которых получают путем обжига привысокой температуре.
В радиотехнике ирадиоэлектронике используют керамику в качеcтве полупроводниковых, магнитных(ферриты), сегнето- и пьезоэлектрических материалов.
Преимуществом керамикиявляется возможность получения заранее заданных характеристик путем изменениясостава массы и технологии производства.
В общем случаекерамический материал может состоять из нескольких фаз: кристаллической,стекловидной и газовой.
Кристаллическую фазуобразуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.Особенности кристаллической фазы во многом определяют диэлектрическуюпроницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейногорасширения, механическую прочность. Стекловидная фаза представляет собойпрослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Технологические свойствакерамики: плотность, степень пористости гигроскопичность в основномопределяется количеством стекловидной массы.
Наличие газовой фазы (газыв закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижениюмеханической и электрической прочности керамических изделий, а также вызываетдиэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизациигазовых включений.
По сравнению сорганическими электроизоляционными материалами керамика более стойка к действиювысоких температур, воды и активных химических реактивов, негорюча, не имеетостаточных деформаций и не стареет при длительном воздействии электрической итепловой нагрузок.
Изделия из керамикиполучают по специальной технологии. Исходные компоненты очищаются от примесей,тщательно измельчаются, перемешиваются в однородную массу (шихту). Изполученной массы различными способами — обточкой, прессовкой, отливкой в формы,выдавливанием через отверстие — получают изделия нужной конфигурации. Отформованныеизделия сушат, и затем обжигают (при температуре 1300° — 1400°С). Необходимые эксплуатационные свойства изделиюпридаются на завершающей стадии их изготовления — при обжиге смеси, отдельныекомпоненты которой не обладают нужными свойствами.
Керамические материалы,относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить наустановочные и конденсаторные.
Установочную керамикуприменяют для изготовления разного рода материалов и конструкционных деталей:изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей,корпусов резисторов, каркасов катушек индуктивности и др.
По электрическимсвойствам установочную и конденсаторную керамику подразделяют на низкочастотнуюи высокочастотную. Из низкочастотных установочных материалов наиболеераспространен изоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служатспециальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шлак. Наличиебольшого содержания щелочных окислов в стеклофазе определяет сравнительновысокие диэлектрические потери (tgd » 10-2),которые быстро увеличиваются с повышением температуры. Это затрудняетприменение фарфора на высоких частотах.
Меньшими диэлектрическимипотерями обладает радиофарфор (tgd » 10-3). Это достигается введением в состав шихты окиси бария. Радиофарфор занимаетпромежуточное положение между низкочастотными и высокочастотными диэлектриками.
Дальнейшимусовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группематериалов с большим содержанием (до 80%) Al2O Значение tgd ультрафарфора меньше (tgd » (2-3)×10-4) а rбольше, чем обычного электротехнического фарфора, что позволяет применять егокак высокочастотную электроизоляционную керамику, кроме того, ультрафафор имеетповышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность итеплопроводность. Исключительно высокими диэлектрическими и механическимисвойствами обладает керамика на основе чистого глинозема Al2O3,получившая название алюминоксида. Этот материал отличается низкимидиэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот (tgd » (3-5)×10-4) и при повышенных температурах обладает весьма высокойнагревостойкостью (до 1600°С), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью,значение e близко к 10. Керамикаиз алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусахполупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем (поликор32ХС).Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными иситалловыми является их высокая теплопроводность. Это позволяет увеличитьдопустимую мощность рассеиваемую пленочными элементами. Среди неметаллическихматериалов наиболее высокой теплопроводностью обладает керамика на основе окисибериллия (BeO) — брокерит. Теплопроводность ее в 200-250 раз превышаеттеплопроводность стекол и в 200 раз ситаллов при высоких значенияхэлектрических параметров (r = 1016 Ом×м, tg d £ 3× 10-4). Берилливая керамика используется дляподложек интегральных микросхем, в особо мощных приборах СВЧ и т.д. Недостаткомэтого материала является токсичность образующейся пыли, трудность механической обработкии высокая стоимость (в 15 раз дороже ситалла).
Для высокостабильныхкатушек индуктивности и высокочастотных конденсаторов большой реактивноймощности используется цельзиановая керамика, обладающая очень низкимтемпературным коэффициентом линейного расширения (2 ×10-6 К-1),незначительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (6×10-5 К-1) иповышенной диэлектрической прочностью.
К о н д е н с а т о р н ая к е р а м и к а с повышенным (e = 10 — 230) значением диэлектрической проницаемости изначением tgd
Керамика на основетитанатов характеризуется пониженной электрической прочностью, подверженаэлектрохимическому старению под воздействием постоянного напряжения, имеетвысокое отрицательное значение ТКЕ (от -1500 ×10-6 до -3000× 10-6 К-1).Применяется для изготовления конденсаторов, к которым не предьявляютсятребования температурной стабильности емкости.
Для улучшениятемпературной стабильности в состав керамики добавляют цирконат кальция CaZrO2,лантанат алюминия LaAlO3, станнат кальция CaSnO2, которыеобразуют кристаллическую фазу с положительным значением ТКЕ. Изменяясоотношения между этими компонентами получают термостабильную керамику с ТКЕ от+33×10-6 до -75×10-6К-1.Диэлектрические потери этих материалов (tgd=10-4 — 10-3) во всем диапазоне частотот низких до сверхвысоких и поэтому они применяются для изготовлениятермокомпенсирующих, высокостабильных контурных, блокировочных и разделительныхконденсаторов.
Конденсаторная керамика свысоким значением диэлектрической проницаемости (800) и tgd = 0.002-0.025 применяется дляизготовления низкочастотных конденсаторов. Основу низкочастотной конденсаторнойкерамики составляют титанат бария BaTiO3 и твердые растворы с сегнетоэлектрическимисвойствами. Этот вид керамики характеризуется очень высоким значениемдиэлектрической проницаемости (до 10000) и ее зависимостью от напряжения,частоты, температуры, высоким значением tgd, который на частотах выше 108 Гц уменьшается. Дляконденсаторов используется сегнетоэлектрики со сглаженной температурнойзависимостью распространенной на возможно более широкий температурный интервалсо снижением максимума. Сегнетокерамические малогабаритные конденсаторыприменяются как блокировочные, фильтровые, разделительные. Сегнетокерамика срезко выраженной зависимостью от напряженности поля применяется дляизготовления нелинейных конденсаторов — варикондов.
Литература
1. Суриков В.С. –Основы электродинамики – М. «Протон» — 2000 г.
2. Карков И.С. – Физикаэлементарных частиц. – М. – 1999 г.
3. Синджанов И.К.Электродинамика – М. 1998 г.
4. Электротехническиематериалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. — М.:Энергоатомиздат, 1993. — 504с.
5. Рычина Т.А., ЗеленскийА.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. — М.: Радиои связь, 1999. — 352с.
6. Резисторы:Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под общ. ред. И.И. Четвертковаи В.М. Терехова. — М.: Радио и связь, 1997. — 352с.
7. Справочник поэлектрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. — М.: Радиои связь, 1993. — 576с.
8. Горячева Г.А.,Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. — М.: Радио и связь, 1994. — 88с.