Пассивные диэлектрики

ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ



	
1. Газообразные и жидкие диэлектрики



К пассивным относятся электроизоляционные, конструктивные и конденсаторные диэлектрические материалы, органические полимерные диэлектрики, композиционные порошковые пластмассы, слоистые диэлектрики, электроизоляционные лаки и компаунды, неорганические стекла и ситаллы, керамика.

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. Они имеют высокое удельное сопротивление (  11018 Омм), малую диэлектрическую проницаемость (  1), малый тангенс диэлектрических потерь (tg   110-6). Недостатком газов является низкая электрическая прочность, которая сильно зависит от давления и химического состава газа. Газы, содержащие галогены (фтор, хлор и др.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют по сравнению с воздухом более высокую электрическую прочность.

Жидкие диэлектрики подразделяются на минеральные (нефтяные) масла, синтетические жидкости, растительные масла. Электрические свойства жидких диэлектриков очень высоки. Примеси и загрязнения (вода, газы, мельчайшие механические частицы) даже в небольших количествах сильно снижают их. Электрическая прочность жидких диэлектриков на высоких частотах ниже, чем на низких.

Основное назначение жидких диэлектриков - это повышение электрической прочности изоляции, вследствие заполнения пор 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 и их изоляция.

Нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное) сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при высокой степени очистки обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Трансформаторное масло применяется для заливки силовых трансформаторов. Конденсаторное масло имеет более высокую степень очистки и применяется для пропитки бумажных и пленочных конденсаторов. При пропитки бумаги повышается диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность, уменьшаются габариты, масса и стоимость конденсатора. Кабельные масла используют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Это повышает электрическую прочность изоляции и улучшает отвод тепла. Синтетические жидкие диэлектрики превосходят нефтяные масла по своим свойствам. Они имеют более высокие значения Епр и . Применяются для пропитки конденсаторов (совтол) и заливки трансформаторов (совтол).

Кремнеорганические жидкости обладают малыми потерями (tg < 310-4), низкой гигроскопичностью и высокой нагревостойкостью (до 250 C). Применяются для пропитки пористой изоляции и защиты слюдяных и керамических материалов. Фторорганические жидкости негорючи и взрывобезопасны, имеют малые диэлектрические потери (tg  510-4) и гигроскопичность, высокую нагревостойкость. Обладают высокой дугостойкостью и лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнеорганические жидкости. 



2. Органические полимерные диэлектрики



Полимеры - это высокомолекулярные соединения, которые получают в результате объединения друг с другом молекул более простых по своему составу веществ - мономеров. Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. При полимеризации увеличивается молекулярная масса, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость.

Полимеры подразделяют на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, так что отношение длины к ее поперечным размерам очень велико (около 1000). Молекулы пространственных полимеров развиты в различных направлениях более равномерно и образуют общую сетку.

Линейные полимеры сравнительно гибки и пластичны; многие из них при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными, а затем расплавляются. После охлаждения их свойства восстанавливаются, они способны растворяться в соответствующих растворителях и при новом повышении температуры размягчаются, то есть линейные полимеры являются термопластичными материалами, сохраняющими линейное строение молекул и при нагреве.

Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, многие из них при повышении температуры химически разрушаются (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 невозможно вернуть в эластичное состояние повторным нагревом, называются термореактивными. По применению полимерные материалы подразделяют на высокочастотные и низкочастотные.

Высокочастотные полимеры представляют собой неполярные высокомолекулярные соединения, которые характеризуются электронной поляризацией, малой величиной диэлектрической проницаемости ( = 2.2  2.5) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg = (25)10-4), высоким удельным сопротивлением ( = 10181020 Омм), высокой электрической прочностью (Епр = 4060 кВ/мм). Вследствие высокой электрической симметрии молекул электрические свойства этих полимеров практически не зависят от температуры и частоты. К высокочастотным полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, политетрафторэтилен (фторо-пласт-4), полистирол. Высокочастотные пластмассы, как правило, состоят из чистых смол, так как наполнители ухудшают их диэлектрические свойства. Они применяются для изготовления изоляции высокочастотных кабелей, изоляции обмоточных и монтажных проводов, каркасов катушек индуктивности, в качестве конструкционных материалов. Из полистирола изготавливается пленка для конденсаторов, называемая стирофлексом. Особенностью фторопласта-4 является высокая для органических веществ нагревостойкость (до 250C). Высокая энергия связи атомов фтора и углерода, симметричная структура молекул, склонность к кристаллизации обуславливает ценные химические и физические свойства фторопласта. По химической стойкости он превосходит золото и платину, негорюч, практически негигроскопичен, не смачивается водой и другими жидкостями. Фторопласт-4 является одним из лучших диэлектриков применяемых в радиотехнике на СВЧ.

К низкочастотным относятся полярные полимеры, у которых из-за асимметричного строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Полярные материалы обладают большей величиной диэлектрической проницаемости ( = 2.86) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg = 210-3  610-2), меньшей величиной удельного сопротивления ( = 10151018 Омм). К этим материалам относятся поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), полиэтилентерефталат (лавсан), фторопласт-3, полиамидные смолы. Они используются для изоляции проводов и защитных оболочек кабелей, как конструкционные материалы для электро- и радиотехнических изделий, работающих на низких частотах, в качестве диэлектрика конденсаторов (лавсан) и для их герметизации (полиуретан) и др.



3. Композиционные порошковые пластмассы и слоистые диэлектрики



Композиционные порошковые диэлектрики, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственной смолы - пространственного или линейного полимера) и наполнителей (древесной муки, очесов хлопчатника, каолина, кварцевого песка, стекловолокна и т.д.) с добавками красителей и пластификаторов. Наполнитель улучшает электрические и механические свойства изделия. В качестве связующего вещества используют формоальдегидные, эпоксидные, кремнеорганические и другие смолы. Среди композиционных пластмасс наилучшими электрическими свойствами обладают пластмассы на основе анилиноформоальдегидной смолы, наилучшими декоративными аминопласты (пластмассы на основе карбамидных смол), им можно придавать любую яркую окраску, в то время как фенолформоальдегидные пластмассы окрашивают только в коричневый или черный цвет. Кремнеорганические смолы используют для получения нагревостойких (до 300C ) пластмасс.

Из композиционных пластмасс изготавливают корпуса промышленной и бытовой радиоаппаратуры, измерительных приборов, ламповые панельки, электротехническую арматуру и др. Слоистые пластики являются разновидностью композиционных пластмасс, в которых в качестве наполнителя используют листовые слоистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенолформоальдегидной смолой. Для производства используется прочная и нагревостойкая бумага. Пропитанную бумагу собирают в пакеты и прессуют при температуре 160C. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Слоистое строение гетинакса обусловливает анизотропию свойств. Гетинакс является сильнополярным диэлектриком. Его диэлектрическая проницаемость  = 6  7, а тангенс угла диэлектрических потерь tg = 0.04  0.08 (на частоте 106 Гц).

Для изготовления печатных плат 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 отслаивание фольги при значительных изменениях температуры. Текстолит - пластик, изготавливаемый из 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 высокими электроизоляционными свойствами, чем гетинакс или текстолит. Выпускается фольгированный стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы. Он обладает большей нагревостойкостью.



4. Электроизоляционные лаки и компаунды



Лаки и компаунды относятся к твердеющим электроизоляционным материалам. Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющих основу лака в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку. По применению электроизоляционные лаки подразделяют на пропиточные, покрывные и клеящие.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и волокнистой изоляции. Поры заполняются высохшим лаком, имеющим более высокие электрическую прочность и теплопроводность, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.

Покрывные лаки, образуя механически прочную, гладкую, влагостойкую пленку на поверхности твердой изоляции повышают напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции.

Клеящие лаки применяют для склеивания твердых электроизоляционных материалов.

По режиму сушки различают лаки горячей сушки (обычно более 100С) и лаки холодной (воздушной) сушки.

Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ, не содержащие летучего растворителя. При применении находятся в жидком состоянии. Отвердевают в результате охлаждения или химических реакций взаимодействия с отвердителеми в горячем или холодном состоянии. По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточные и заливочные. По свойствам компаунды подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные компаунды обладают более высокой нагревостойкостью. К числу термореактивных компаундов относятся компаунды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение в радиотехнике получили эпоксидные компаунды, которые отличаются высокой механической прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой композиции на основе эпоксидных смол и отвердителей (различных химических соединений являющихся катализаторами отвердения).

Компаунды широко применяют для пропитки и заливки отдельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Их используют для герметизации и опресовки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.



5. Неорганические стекла и ситаллы



Cтекла - неорганические аморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

Стекла получаются при быстром охлаждении расплавленной стекломассы для уменьшения вероятности перехода в кристаллическое состояние. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные 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 сырьевых компонентов.

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы. 

Б е с щ е л о ч н ы е с т е к л а (отсутствуют окислы натрия и калия). Стекла этой группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготовить изделие. В эту группу входит кварцевое стекло (плавленный кварц). Кварцевое стекло имеет наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения  из всех известных веществ вообще. Благодаря высокой нагревостойкости и химической инертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое применение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала. По электрическим свойствам кварцевое стекло относят к хорошим высокочастотным диэлектрикам ( = 8,   1016 Ом м; tg = 2 10-4 на частоте 106 Гц.).

Щ е л о ч н ы е с т е к л а б е з т я ж е л ы х о к и с л о в или с незначительным их содержанием. Эта группа стекла состоит из двух подгрупп: натриевые; калиевые и калиево-натривые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Введение окисла щелочных металлов существенно ухудшает электрические свойства стекол: возрастают диэлектрические потери и увеличивается диэлектрическая проницаемость, что связано с усилением ионно-релаксационной поляризации, одновременно наблюдается уменьшение удельного сопротивления, так как возрастает количество ионов, участвующих в процессе электропроводности.

Щ е л о ч н ы е с т е к л а 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  и малыми потерями даже при значительной добавке щелочных окислов.

Диэлектричекая проницаемость стекол увеличивается с повышением температуры.

По техническому назначению стекла можно подразделить на следующие основные типы: 

электровакуумные, применяемые для изготовления баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов. Температурные коэффициенты линейного расширения стекла и соединяемых с ним материалов должен быть приблизительно одинаков, чтобы при изменении температуры избежать растрескивания стекла, а также нарушения герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Для высокочастотных приборов используют 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), обладает высокой нагревостойкостью, значительной механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами;

световоды - это жгуты, скрученные из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стекол разного состава, с различными коэффициентами преломления, используемые для передачи света между источником и приемником излучения.

Бесщелочные стекла типов С41-1 (алюмосиликатное), С48-3 (боросиликатное) и плавленный кварц применяются для изготовления подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем.

С и т а л л ы - это стеклокристаллические материалы, полученные путем кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. В состав стекол, склонных к кристаллизации, вводят вещества, образующие зародыши кристаллизации. Этим стимулируется процесс кристаллизации стекла по всему объему. Размер кристаллов составляет 0.05 - 1 мкм.

Ситаллы отличаются от стекол своим кристаллическим строением, а от керамики - значительно меньшим размером кристаллических зерен.

Как правило, ситаллы обладают более высокими электроизоляционными свойствами (в частности более низким tg), чем аморфные стекла того же состава, а по сравнению с керамикой обладают более высокой электрической прочностью. Ситаллы отличаются повышенной механической прочностью (примерно в 10 раз прочнее прокатного стекла), высокой твердостью, высокой температурой размягчения (до 1350 С) и термостойкостью (300 - 700 С).

По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко используются в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов, деталей СВЧ. Достоинством ситалловых конденсаторов является повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.



6. Керамика



Керамическими материалами называют неорганические материалы, изделия из которых получают путем обжига при высокой температуре.

В радиотехнике и радиоэлектронике используют керамику в качеcтве полупроводниковых, магнитных (ферриты), сегнето- и пьезоэлектрических материалов.

Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства.

В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз: кристаллической, стекловидной и газовой.

Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений. Особенности кристаллической фазы во многом определяют диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическую прочность. Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики: плотность, степень пористости гигроскопичность в основном определяется количеством стекловидной массы.

Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.

По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика более стойка к действию высоких температур, воды и активных химических реактивов, негорюча, не имеет остаточных деформаций и не стареет при длительном воздействии электрической и тепловой нагрузок.

Изделия из керамики получают по специальной технологии. Исходные компоненты очищаются от примесей, тщательно измельчаются, перемешиваются в однородную массу (шихту). Из полученной массы различными способами - обточкой, прессовкой, отливкой в формы, выдавливанием через отверстие - получают изделия нужной конфигурации. Отформованные изделия сушат, и затем обжигают (при температуре 1300 - 1400С). Необходимые эксплуатационные свойства изделию придаются на завершающей стадии их изготовления - при обжиге смеси, отдельные компоненты которой не обладают нужными свойствами.

Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить на установочные и конденсаторные.

Установочную керамику применяют для изготовления разного рода материалов и конструкционных деталей: изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов катушек индуктивности и др.

По электрическим свойствам установочную и конденсаторную керамику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную. Из низкочастотных установочных материалов наиболее распространен изоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шлак. Наличие большого содержания щелочных окислов в стеклофазе определяет сравнительно высокие диэлектрические потери (tg  10-2), которые быстро увеличиваются с повышением температуры. Это затрудняет применение фарфора на высоких частотах.

Меньшими диэлектрическими потерями обладает радиофарфор (tg  10-3 ). Это достигается введением в состав шихты окиси бария. Радиофарфор занимает промежуточное положение между низкочастотными и высокочастотными диэлектриками. 

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группе материалов с большим содержанием (до 80%) Al2O Значение tg ультрафарфора меньше (tg  (2-3)10-4) а  больше, чем обычного электротехнического фарфора, что позволяет применять его как высокочастотную электроизоляционную керамику, кроме того, ультрафафор имеет повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность и теплопроводность. Исключительно высокими диэлектрическими и механическими свойствами обладает керамика на основе чистого глинозема Al2O3, получившая название алюминоксида. Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот (tg  (3-5)10-4) и при повышенных температурах обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600С), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью, значение  близко к 10. Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем (поликор32ХС). Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными и ситалловыми является их высокая теплопроводность. Это позволяет увеличить допустимую мощность рассеиваемую пленочными элементами. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью обладает керамика на основе окиси бериллия (BeO) - брокерит. Теплопроводность ее в 200-250 раз превышает теплопроводность стекол и в 200 раз ситаллов при высоких значениях электрических параметров ( = 1016 Омм, tg   3 10-4). Берилливая керамика используется для подложек интегральных микросхем, в особо мощных приборах СВЧ и т.д. Недостатком этого материала является токсичность образующейся пыли, трудность механической обработки и высокая стоимость (в 15 раз дороже ситалла). 

Для высокостабильных катушек индуктивности и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности используется цельзиановая керамика, обладающая очень низким температурным коэффициентом линейного расширения (2 10-6 К-1), незначительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (610-5 К-1) и повышенной диэлектрической прочностью.

К о н д е н с а т о р н а я к е р а м и к а с повышенным ( = 10 - 230) значением диэлектрической проницаемости и значением tg  10-4 применяется для изготовления высокочастотных конденсаторов. Основными компонентами для изготовления высокочастотной конденсаторной керамики являются оксиды титана TiO2 (рутил), титанат кальция CaTiO3, титанат стронция. В области низких частот и повышенных температур рутиловая керамика в основном имеет ионно-релаксационную поляризацию, для которой характерны сильные температурные зависимости и высокие значения  и tg, а знак ТКЕ - положительный. При высоких частотах главную роль играют электронная и ионная поляризация, при этом знак ТКЕ отрицателен и температурная зависимость tg слабо выражена.

Керамика на основе титанатов характеризуется пониженной электрической прочностью, подвержена электрохимическому старению под воздействием постоянного напряжения, имеет высокое отрицательное значение ТКЕ (от -1500 10-6 до -3000 10-6 К-1). Применяется для изготовления конденсаторов, к которым не предьявляются требования температурной стабильности емкости. 

Для улучшения температурной стабильности в состав керамики добавляют цирконат кальция CaZrO2, лантанат алюминия LaAlO3, станнат кальция CaSnO2, которые образуют кристаллическую фазу с положительным значением ТКЕ. Изменяя соотношения между этими компонентами получают термостабильную керамику с ТКЕ от +3310-6 до -7510-6К-1. Диэлектрические потери этих материалов (tg=10-4- 10-3) во всем диапазоне частот от низких до сверхвысоких и поэтому они применяются для изготовления термокомпенсирующих, высокостабильных контурных, блокировочных и разделительных конденсаторов.

Конденсаторная керамика с высоким значением диэлектрической проницаемости (800) и tg = 0.002-0.025 применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов. Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария BaTiO3 и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами. Этот вид керамики характеризуется очень высоким значением диэлектрической проницаемости (до 10000) и ее зависимостью от напряжения, частоты, температуры, высоким значением tg, который на частотах выше 108 Гц уменьшается. Для конденсаторов используется сегнетоэлектрики со сглаженной температурной зависимостью распространенной на возможно более широкий температурный интервал со снижением максимума. Сегнетокерамические малогабаритные конденсаторы применяются как блокировочные, фильтровые, разделительные. Сегнетокерамика с резко выраженной зависимостью от напряженности поля применяется для изготовления нелинейных конденсаторов - варикондов.




Литература



Суриков В.С. – Основы электродинамики – М. «Протон» - 2000 г.

Карков И.С. – Физика элементарных частиц. – М. – 1999 г.

Синджанов И.К. Электродинамика – М. 1998 г.

Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.

Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1997. - 352с.

 Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1993. - 576с.

 Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. - М.: Радио и связь, 1994. - 88с.