«Материалы и компоненты электронной техники для студентов заочной формы обучения по специальностям: 1- 36 04 021 Промышленная электроника 1- 39 02 01 Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств ...»

Методические указания к изучению

дисциплины

«Материалы и компоненты

электронной техники»

для студентов заочной формы обучения

по специальностям:

1- 36 04 021 «Промышленная электроника»

1- 39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств»

Разработал:

доцент каф. К и Т РЭС, к.т.н. Ю.Г. Грозберг 2

ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи изучения предмета. Значение предмета и его связь с другими специальными предметами.

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании электротехнического оборудования и электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов отводится значительное место.

Программой предмета «Материалы и компоненты электронной техники» предусматривается изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах.

Дисциплина «Материалы и компоненты электронной техники» относится к группе общепрофессиональных дисциплин в подготовке инженеров по специальностям 1- 36 «Промышленная электроника», 1 – 39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и входит в блок предметов, связанных с разработкой и проектированием электротехнических устройств и изделий радио-и промышленной электроники.

1. Цель и задачи дисциплины.

1.1. Основной целью преподавания дисциплины является:

дать студентам основы электротехнического материаловедения, привить навыки выбора материалов для конкретных применений в электротехнических устройствах, изделиях радио-и промышленной электроники.

1.2. Задачи изучения дисциплины Определяются требованиями к подготовке инженеров по радиоэлектронике и включают приобретение следующих компетенций:

– изучение студентами основ материаловедения, классификации материалов и их основных свойств, принципов подбора материалов для конкретных применений;

– привитие студентам навыков научного подхода к выбору и использованию материалов при производстве электротехнических изделий;

– ознакомление студентов с методами и средствами измерения характеристик электротехнических материалов.

– ознакомление с основными электротехническими материалами;

– усвоение студентами механических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств основных конструкционных и электротехнических материалов, применяемых при производстве электротехнических изделий;

– изучение влияния внешних факторов на электрофизические параметры материалов;

– ознакомление с новыми электроматериалами и перспективами их применения.

Для достижения поставленной цели и решения поставленных задач в результате изучения дисциплины «Материалы и компоненты электронной техники» студенты должны:

иметь представление:

– об особенностях применения электротехнических материалов в устройствах и аппаратах для передачи, распределения и преобразования электроэнергии;

– о существующих направлениях и перспективах разработки новых материалов для систем электроснабжения;

знать:

– механические, электрические и тепловые свойства проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов;

– принципы подбора материалов для электротехнических изделий;

– принципиальные пути управления свойствами материалов;

уметь:

– определять и анализировать параметры и характеристики электротехнических материалов с целью получения оптимальных режимов работы электрооборудования;

– выбирать электротехнические и конструкционные материалы для конкретных условий эксплуатации;

уметь анализировать:

– возможность улучшения свойств существующих материалов;

– возможность изменения свойств и характеристик материалов в различных условиях эксплуатации;

приобрести навыки:

– в исследовании основных электрофизических параметров электротехнических изделий;

– в использовании материалов для конкретного применения в изделиях электронной техники;

владеть:

– методами измерения характеристик электротехнических материалов;

иметь опыт:

– работы с измерительными приборами;

– исследования основных электрофизических параметров электротехнических материалов.

2. Место дисциплины в учебном процессе Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины:

– высшая математика (дифференциальное и интегральное исчисление);

– физика (молекулярная физика, термодинамика, электростатика, электромагнетизм, волновая оптика, элементы атомной физики, квантовой механики и квантовой статистики).

– химия (строение атома, строение молекул, поляризация молекул и ионов, строение твердого вещества, органические и неорганические соединения, группы периодической системы).

Рассматриваемая дисциплина является базовой для изучения курсов «Электрические машины», «Электрические аппараты», «Конструирование РЭС», «Технология РЭУ и моделирование технологических систем», Типовые компоненты и датчики КДС».

Раздел 1. Электротехнические материалы Тема 1. Классификация и основные свойства электротехнических материалов Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

Практически, различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности. По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением < 10-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м.

Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10-5—108 Ом·м.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей в лазерной технике, электреты и др.

Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства.

Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.

Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоящее время широко признана во многих областях техники и промышленности. Успехи материаловедения позволили перейти от использования уже известных к целенаправленному созданию новых материалов с заранее заданными свойствами.

Стихийными материаловедами были еще древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов. Соответственно растет количество и номенклатура материалов. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электротехнике для различных целей, составляет несколько тысяч.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами:

специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);

высокая электропроводность;

высокая теплопроводность;

пластичность;

отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частичек - электронов. В ядре атома находятся положительно заряженные частицы - протоны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он превращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электронов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, движущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в металлах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какомулибо ядру, а блуждают по всему металлу, вращаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные выше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, лишены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропроводность. Электросопротивление неметаллов с повышением температуры понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются тврдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая рештка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решток являются:

1) Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe) 2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Fe) 3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - r2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.

К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).

Электропроводность По назначению электроизоляционные материалы не должны пропускать электрический ток под действием приложенного напряжения. Однако идеальных непроводников не существует, и все практически применяемые диэлектрики обнаруживают свойства электропроводности.

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных ионов и электронов, которые могут передвигаться под воздействием электрического поля.

Проводимость изоляции Gиз (См), определяется как отношение тока утечки через изоляцию Iиз к величине приложенного постоянного напряжения: Gиз= Iиз/U Величина, обратная Gиз, называется сопротивлением изоляции Rиз Различают объмную (сквозную) проводимость твердых диэлектриков, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела тврдой изоляции с окружающей газообразной или жидкой средой.

Соответственно вводятся понятия объмного тока утечки Iv и поверхностного тока утечки Is, а также объмного сопротивления изоляции Rv и поверхностного сопротивления изоляции Rs.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности пользуются значениями удельных объмного v и поверхностного s сопротивлений.

где S - площадь электрода, м2, h - толщина образца, м где b - длина электродов на поверхности диэлектрика, м a - расстояние между электродами на поверхности диэлектрика, м.

Удельное сопротивление твердых диэлектриков зависит от многих факторов: температуры, влажности, приложенного напряжения и напряженности электрического поля.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается. Иными словами, температурные коэффициенты удельных сопротивлений электроизоляционных материалов отрицательны.

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить удельное сопротивление диэлектриков. Это объясняется тем, что растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми при увлажнении.

С повышением приложенного к изоляции напряжения сопротивление изоляции может уменьшаться. Зависимость Rиз от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объемных электрических зарядов, плохим контактом между электродами и изоляцией;

изменением под действием электрического поля формы и размеров включений влаги и др.

Для повышения s диэлектриков применяют различны приемы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т.п.

Удельное сопротивление диэлектрика является параметром, определяющим ток утечки в нем. Токи утечки в диэлектрике обуславливают потери мощности, как и в проводнике: это так называемая мощность диэлектрических потерь при постоянном токе, определяемая по формуле При подсчете диэлектрических потерь, ведущих к нагреву диэлектрика, обычно учитывается только объемный ток утечки. Поверхностный ток утечки создает потери мощности на поверхности. Рассеяние энергии происходит при этом в основном в окружающую среду, на нагрев диэлектрика поверхностная утечка в большинстве случаев не влияет.

Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, поглощаемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными процессами поляризации.

Способность диэлектрика рассеивать энергию характеризует угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

Эквивалентная схема вектор напряжения на угол 90°, при этом угол равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Все материалы подвергаются различным механическим нагрузкам либо при монтаже, либо при эксплуатации. Характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние нагрузки без изменения первоначальных размеров и формы.

К основным механическим характеристикам материалов относятся:

- прочность при растяжении, сжатии и изгибе;

У ряда материалов (стекло, керамические материалы, некоторые пластмассы) разрушающее напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти характеристики одного порядка.

- ударная вязкость при динамическом изгибе - как правило, эта характеристика важна для хрупких материалов (фарфор, асбестоцемент и др.).

- прочность на разрыв – для гибких материалов – бумага, лакоткань, пленки;

- упругость, пластичность и твердость.

Характеризуют поведение диэлектрика при нагревании и определяют его допустимую рабочую температуру. К тепловым характеристикам относятся нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость, теплоемкость, температуру плавления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкости и тропикостойкость.

Нагревостойкость – это способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости Y, A-G и соответствующая им максимальная рабочая температура Y = 90°С, G – выше 180°С.

Теплопроводность – характеризует способность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым.

Характеризует процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой изоляции, а также отвод теплоты из толщи диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь. Коэффициент теплопроводности k Тепловое расширение - оценивают температурным коэффициентом линейного расширения или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или Кельвина (1/°С или 1/K).

Холодостойкость - способность материалов противостоять действию низких температур.

При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но механические ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Теплоемкость - это количества теплоты, необходимое для нагрева тела до определенной температуры. Определяет время нагрева или охлаждения электроизоляционных конструкций.

Температура плавления (Тпл) и температура размягчения (Тр) определяются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строения.

Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпевать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.

Температура вспышки паров жидких диэлектриков — это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Тропикостойкость определяется у электроизоляционных материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95%) и низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т. п.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят химостойкость, влагостойкость и водостойкость изоляции, стойкость материалов к воздействию излучений высоких энергий, кислотное число и вязкость жидких материалов.

Химостойкость – стойкость к разрушению при контакте с газами, водой, маслами, кислотами, щелочами и д.р.

Влагостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при наличии влаги в окружающей среде.

Водостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства в процессе выдержки его в воде – атмосферные осадки, изоляция деталей в насосах, на кораблях.

Светостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием светового облучения – изменение структуры материала, ухудшение механический свойств, ускорение старения.

Радиационная стойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием ионизирующего излучения.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика.

Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость диэлектрика, так как кислоты под действием электрического поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более активно разрушать другие материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.

При заливке полостей и пропитке изоляционными компаундами, использовании смол и лаков важно бывает знать их вязкость.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее текучесть. Чем больше вязкость, тем жидкость более густая, т. е. обладает плохой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче заполняются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемую изоляцию.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное, приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением Uпр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика и характеризуется электрической прочностью. Электрической прочностью называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика. Т.е электрическая прочность характеризует способность материала противостоять электрическому пробою.

Электрическая прочность измеряется в Вольт/метрах и кратных единицах кВ/мм, МВ/см и т.д.

Различают следующие виды пробоя:

- электрический - диэлектрик разрушается в следствии ударной ионизации электронами;

- тепловой – разогрев материала до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и т.п. - возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет потерь, превышает количество рассеиваемой энергии в данных условиях;

- электрохимический (электрохимическое старение) – обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика под длительным действием электрического поля и окружающей среды, приводящими к понижению его электрической прочности;

- поверхностный – пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. В противоположность этому пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции.

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух.

Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы.

Как диэлектрики воздух имеет следующие положительные свойства:

- быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя;

- отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени;

- малые диэлектрические потери.

Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:

- невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с тврдыми диэлектриками;

- невысокая электрическая прочность;

- способность увлажнятся;

- образовывать окислы и поддерживать горение;

- низкая теплопроводность.

Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа - атомы и молекулы – нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой Пробой газа в однородном и неоднородном полях имеет некоторые отличия. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определнного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглнными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определнного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10-5 см. При нормальных условиях, т.е. при давлении 0.1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии между электродами 6 мм - 70 МВ/м.

Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острим и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающими радиус сферы и т.д.

Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах густота силовых линий очень велика, а значит напряженность имеет повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.

Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. Корона - это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, т.к. ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов.

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между линиями электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы и т.д. Особенностью пробоя газов в неоднородной поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряжнность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В неоднородном электрическом поле прочность воздуха зависит от полярности электродов.

Наиболее ярко эффект полярности электродов сказывается при несимметричных электродах, а именно: стержень-плоскость.

Тема 9. Неорганические диэлектрические материалы.

Волокнистые материалы состоят из частиц удлиненной формы – волокон, отличающихся большой величиной отношения длины к диаметру. Их можно разделить на природные и синтетические. К природным волокнам относятся материалы растительного (хлопок, лен, пенька, джут, бумага, дерево), животного (шелк, шерсть) и минерального (асбест) происхождения.

Синтетические волокна получают из полиамидов, полиэфиров (например, полиэтилентерефталата), полистирола и других полимеров путем вытягивания их из расплавов или растворов.

К синтетическим волокнам относятся также ацетатный и медноаммиачный шелк и стеклянные волокна. К преимуществам многих волокнистых материалов можно отнести их достаточно высокую гибкость и механическую прочность, легкую обрабатываемость и дешевизну, к недостаткам, из-за высокой пористости, – гигроскопичность и низкую электрическую прочность и теплопроводность. Особенно гигроскопичными являются целлюлозосодержащие материалы. Для улучшения свойств волокнистой электрической изоляции, ее обычно пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками или лакируют. Когда требуются волокнистые материалы высокой нагревостойкости, используют стеклянные волокна и асбест.

Электроизоляционные бумаги. Из древесины путем химической переработки получают техническую целлюлозу, которая и является сырьем для изготовления конденсаторной, кабельной и другой электроизоляционной бумаги.

Конденсаторная бумага является наиболее тонкой и высококачественной электроизоляционной бумагой. В процессе ее изготовления волокна ориентируются в одном направлении, в результате чего прочность вдоль волокон выше, чем поперек. Конденсаторную бумагу выпускают следующих марок: КОН – обычная, СКОН – специальная улучшенного качества, МКОН – с малыми диэлектрическими потерями, ЭМКОН – с высокой электрической прочностью и малыми потерями, АНКОН – адсорбентная, с малыми диэлектрическими потерями и повышенной электрической прочностью. В зависимости от плотности известны следующие марки бумаги:

МКОН-08, КОН-1, КОН-2, СКОН-3 и другие; цифра указывает плотность бумаги (0,8кг/м3, 1- 1000 кг/м3; 2- 1200 кг/м3; 3 -1300 кг/м3). Бумагу КОН-2 используют для изготовления конденсаторов, работающих при постоянном напряжении, КОН-1 – при переменном. Конденсаторная бумага в зависимости от марки имеет номинальную толщину от 4–30 мкм.

Для повышения И Епр бумагу пропитывают соответствующими диэлектрическими материалами. У непропитанной конденсаторной бумаги Епр составляет 35–40 кВ/мм (при h=0,01 мм), после пропитки нефтяным конденсаторным маслом Eпр возрастает до 250– 300 кВ/мм. Бумага, в том числе и пропитанная, подвержена электрическому старению при длительном воздействии электрического поля. При старении все электрические характеристики ухудшаются, и завершается процесс старения электрохимическим пробоем. Поэтому для конденсаторной бумаги следует брать большой (до 10 раз) запас электрической прочности, т.е. рабочая напряженность электрического поля должна быть в несколько раз меньше (до 10 раз), чем Епр бумаги, соответственно непропитанной или пропитанной. Рабочую напряженность для бумажного конденсатора после пропитки нефтяным конденсаторным маслом принимают равной:

при постоянном напряжении 25–35 кВ/мм и переменном (50 Гц) – 12–15 кВ/мм; при этом для бумаги, хорошо просушенной перед пропиткой маслом, =3,7; tg=(2–3)·10–3 при 50 Гц.

При температуре 110–120°С бумага заметно окисляется и механическая прочность ее снижается, а при 150–160°С бумага быстро разрушается.

Кабельную бумагу применяют для изоляции силовых кабелей и арматуры для них. Для изоляции силовых кабелей, рассчитанных на напряжение до 35 кВ и обмоточных проводов для трансформаторов рассчитанных на напряжение до 150 кВ, используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, М и П. Для изоляции кабелей, рассчитанных на напряжение от 110 до 500 кВ, используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, В, М, С и У. Буквы обозначают виды кабельной бумаги: К – обычная (однослойная), М – многослойная, П –прочная к разрушающему механическому воздействию, В – высоковольтная, С – стабилизированная, У – уплотненная. При маркировке бумаги, кроме букв, проставляют цифры, указывающие номинальную толщину в микрометрах.

Недостатком бумажной изоляции силовых кабелей являются пустоты (зазоры) между отдельными слоями бумаги, оставшиеся после пропитки изоляции масляно-канифольным компаундом. В этих зазорах возникают частичные электрические разряды, которые, так же как и в конденсаторной бумаге, приводят к электрохимическому пробою. Поэтому из-за электрического старения кабельной изоляции рабочую длительную напряженность электрического поля бумажно-масляной изоляции принимают равной 3–4 кВ/мм (для масло- и газонаполненного кабеля до 10–12 кВ/мм).

Электротехнический картон, так же как и электроизоляционную бумагу, изготавливают из растительных волокон, но в отличие от электробумаги электрокартон имеет большую толщину – от 0,1 до 3 мм. При малой толщине (0,1–0,8 мм) электрокартон выпускают в виде рулонов, при большой – в листах. Его Eпр=7,5–11 кВ/мм.

Текстильные электроизоляционные материалы. К ним относятся хлопчатобумажные ткани и волокна, шелк натуральный и синтетический, стеклоткань и стекловолокно.

Хлопчатобумажное и шелковое волокно в виде пряжи применяют для обмоток и оплеток проводников и электрических шнуров, а также для производства тканей. Хлопчатобумажную пряжу изготавливают из длинных волокон хлопчатника. Натуральный шелк получают из коконов червя-шелкопряда. Каждый кокон состоит из одной нити длиной ~2000 м и диаметром 0,01–0,015 мм. Пряжа из натурального шелка позволяет обеспечить меньшую толщину изоляции и лучшую ее устойчивость к влажности, чем хлопчатобумажная. Искусственный шелк получают в результате переработки целлюлозы. Изоляция проводов из ацетатного шелка по электрическим свойствам превосходит изоляцию из натурального шелка.

К пропитанным волокнистым электроизоляционным материалам относятся лакоткани, лакобумаги, электроизоляционные ленты. Получают эти материалы путем пропитки электроизоляционными лаками или специальными составами волокнистых материалов (тканей, бумаги, ленты) природных и синтетических, растительного и животного происхождения, органических и минеральных.

При пропитке поры волокнистых материалов заполняются пропитывающим электроизоляционным составом, в результате чего повышается электрическая прочность и теплопроводность, снижается гигроскопичность. В ряде случаев повышается нагревостойкость.

В качестве пропитывающих составов используют лаки масляные, битумно-масляные, полиэфирноэпоксидные, кремний-органические и др. Поверхности самоклеящих тканей и лент (предварительно пропитанных электроизоляционным лаком) покрывают специальным клеящим составом.

Лакоткани получают путем пропитки хлопчатобумажной или шелковой ткани масляным или масляно-битумным лаком. При пропитке масляным лаком получают лакоткани желтого цвета марок ЛХ (хлопчатобумажные) толщиной 0,15–0,25 мм и Епр=35–50 кВ/мм и ЛШ (шелковые) толщиной 0,04–0,16 мм и Епр=55–90 кВ/мм. Следовательно, лакоткани ЛШ хотя и тоньше, чем лакоткани ЛХ, однако Епр у них в 1,5–2 раза выше.

Лакоткани, пропитанные масляно-битумными лаками черного цвета малостойки к действию органических растворителей, но более стойки к тепловому старению. К лакотканям относятся также электроизоляционные трубки, полученные путем пропитки лаками плетеных трубок.

Лакобумаги являются фактически заменителями лакотканей. Они дешевле, имеют повышенные электроизоляционные свойства, однако механические свойства у них хуже.

Лаки, эмали и компаунды – это многокомпонентные материалы, находящиеся при изготовлении изоляции в жидком виде, а в готовой изоляции – в твердом состоянии. Следовательно, они являются твердеющими материалами.

Лаки – это смолы, битумы, высыхающие растительные масла или их смеси, составляющие лаковую основу, разбавленные органическими растворителями. В некоторые из них также вводят пластификаторы и сиккативы (катализаторы химических процессов отверждения). При высыхании лака растворитель улетучивается, и на поверхности образуется лаковая пленка, обеспечивающая механические и электроизоляционные свойства, стойкость к атмосферным воздействиям.

По назначению лаки подразделяются на: пропиточные, покровные и клеящие. На практике один и тот же лак может быть использован в качестве пропиточного и покровного или покровного и клеящего.

Пропиточные лаки. Их применяют для пропитки пористой и волокнистой изоляции (бумаги, ткани, изоляции обмоток аппаратов и электромашин). После пропитки увеличиваются электрическая прочность и теплопроводность изоляции, снижается гигроскопичность, у конденсаторной бумаги, кроме того, увеличивается диэлектрическая проницаемость, а, следовательно, емкость конденсаторов. При пропитке органической волокнистой изоляции возрастает также нагревостойкость, так как уменьшается окисляющее влияние кислорода воздуха. К пропиточным лакам относятся лаки кремнийорганические (КО-921, КО-810), масляно-битумные (БТ-980, БТ-987), масляно-глифталевые (ГФ-95). Буквы указывают на химическую природу основного компонента лака, первая цифра – назначение лака (9 – электроизоляционный), последующие цифры – порядковый номер лака в соответствующей группе.

Покровные лаки. Они служат для образования на поверхности лакируемых изделий гладкой, блестящей, механически прочной и влагостойкой пленки. Часто покровные лаки используют для покрытия предварительно уже пропитанной пористой (волокнистой) изоляции.

Некоторые покровные лаки, так называемые эмаль-лаки, наносят не на поверхность твердого диэлектрика, а непосредственно на поверхность металла, образуя электроизоляционный слой (и одновременно осуществляя антикоррозионную защиту). Эмаль-лаки служат, например, для производства изоляции эмалированных проводов, листов электротехнической стали. При внесении в покровный лак пигмента – мелкодисперсного неорганического теля, являющегося одновременно и красителем, – получается эмаль.

В качестве покровных лаков применяют кремнийорганический лак (КО-928, КО-938 В), полиуретановый (УЛ-1), масляный (МЛ-1), полиамидный (АД-9113), полиимидный (ПАК-1).

Применяют также эмаль-лаки на поливинилацеталевой основе (ВЛ-941).

Клеящие лаки. Применяют для склеивания листов твердых диэлектрических материалов, например, в производстве миканитов – листочков расщепленной слюды. Используют эти лаки также для склеивания твердых диэлектриков с металлами. Основные требования, предъявляемые к клеящим лакам, – высокая адгезия к склеиваемым материалам, хорошие механические и электрические свойства.

К клеящим лакам относятся: клей на основе фенолоформальдегидной смолы (БФ-2, БФБФ-6), полиуретановый клей (ПУ-2), эпоксидный горячего отверждения (ЭП, ЭПР), холодного отверждения (ВС), эпоксиднокремнийорганический холодного отверждения (К-400).

Качество лаковых пленок определяется в основном свойствами лаковой основы – химическим составом пленкообразующего вещества. Поэтому в зависимости от природы пленкообразующего вещества электроизоляционные лаки подразделяются на: смоляные, масляные, битумные, масляно-смоляные, масляно-битумные, эфироцеллюлозные. Все лаки содержат тот или иной летучий растворитель в количестве, необходимом для создания требуемой вязкости.

Битумные лаки дешевле по сравнению с масляными, пленки на их основе менее гигроскопичны, они менее эластичны, при нагреве размягчаются, подвержены действию растворителей. Поэтому в качестве электроизоляционных лаков используют не битумные, а маслянобитумные лаки, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между лаками чисто масляными и битумными. Присутствие высыхающих масел придает образующимся пленкам большую гибкость и нагревостойкость. Они становятся менее подверженными действию растворителей.

Наиболее распространенным масляно-смоляным лаком является масляно-глифталевый лак, широко применяемый для пропитки обмоток масляных трансформаторов и защиты печатного монтажа радиоблоков. Он отличается повышенной нагревостойкостью (130°С), пониженной гигроскопичностью. Это маслостойкий полимер.

Электроизоляционные лаки по режиму сушки подразделяются на лаки горячей (выше 70°С) и холодной (20°С) сушки. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими электрическими и механическими свойствами.

Компаунды - это электроизоляционные пропиточные и заливочные составы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и не содержащие растворителя. В момент применения при нормальной или повышенной температуре компаунды находятся в жидком состоянии.

Затем компаунды затвердевают в результате охлаждения или происходящих химических процессов. По механизму отверждения компаунды делятся на термопластичные (на основе битумов, церезина), работающие при низких температурах, и термореактивные (на основе метакриловой кислоты, полиуретанов, эпоксидных смол), используемые для работы при повышенных температурах.

Компаунды в зависимости от назначения подразделяются на пропиточные и заливочные.

Особую группу составляют порошкообразные компаунды, применяемые для напыления изоляции. Компаунды производят на основе синтетических смол, битумов, воскообразных диэлектриков. Для улучшения механических свойств в них вводят пластификаторы, отвердители и наполнители (кварцевую муку, тальк).

В электро- и радиотехнике компаунды применяют для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов и дросселей, заливки радиосхем и приборов, герметизации различных узлов, изготовления литой изоляции.

Стеклами, независимо от их химического состава, называют амфорные тела, полученные путем переохлаждения расплава.

При охлаждении вязкость расплава постепенно увеличивается, и стекло приобретает механические свойства твердого тела. Процесс перехода переохлажденного расплава в стеклообразное состояние называется стеклованием, температурная область перехода – интервалом стеклования, а его среднее значение – температурой стеклования Тс. Ниже Тс стекла становятся хрупкими.

Для стекол, как и для жидкостей, характерно отсутствие в структуре дальнего порядка.

Стекла построены из тех же структурных единиц, что и кристаллы, только они образуют не упорядоченную кристаллическую структуру, а нерегулярную, апериодическую сетку.

Стекла по своему строению неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться такие неоднородности, как поры, ликвации, капли другой фазы. Поры составляют до 60% объема стекла. Поэтому электрическое поле в стеклах неоднородно, что приводит к существенному снижению электрической прочности.

По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов.

Реже стекла состоят лишь из одного окисла, например кварцевое стекло – из SiO2. Окислы, которые сами способны образовывать стекла, называют стеклообразующими, например SiO2, В2О3 и др. По их названию часто именуют и сами стекла; например, SiO2 – силикатные стекла, В2О3 – боратные, Р2О5 – фосфатные, GeO2 – германатные.

Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные, которые, в свою очередь, подразделяются на:

2) щелочные, но с большим содержанием окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО) – стекла с большим содержанием РbО называют флинтами, а с большим содержанием ВаО – кронами;

3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую окись кремния SiO2.

Вторую и третью группы используют в качестве электроизоляционных и оптических стекол. У них высокие значения и и малые tg.

Кроме стеклообразующих окислов, в состав стекол для улучшения тех или иных технологических или эксплуатационных свойств вводят также окислы-модификаторы. Введение окислов щелочных металлов Na2O и К2О сильно снижает вязкость и температуру размягчения Тр стекла (например, у кварцевого стекла Тр1740°С, а у щелочного свинцово-алюмосиликатного Тр580°С). Снижение Тр и вязкости расплава существенно улучшает условия труда, уменьшает энергетические затраты и в целом снижает стоимость изделий. Однако при этом резко ухудшаются электрические свойства – на несколько десятичных порядков снижается удельное сопротивление, существенно возрастают диэлектрические потери, снижается электрическая прочность. Тр стекол также снижается при введении окислов щелочноземельных металлов (MgO, CaO, ВаО) и окиси свинца РbО.

Отрицательное действие Na2O и К2О на электрические свойства ( и tg) стекол, в известной мере, нейтрализуется введением окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО). Эти окислы повышают также значения стекла (при содержании РbО до 80% доходит до 16) и понижают tg до 10–4. Введение TiO2 также нейтрализует вредное влияние Na2O и К2О и приводит к значительному повышению.

Для улучшения тех или иных свойств стекол в них вводят и многие другие окислы. Например, MgO - повышает химическую стойкость, ZnO – прочность на разрыв, А12О3 – химическую стойкость и стойкость к резким колебаниям температуры (термоударам).

Силикатные стекла неустойчивы к парам щелочных металлов. Более высокой стойкостью к этим парам обладают фосфатные и особенно боратные стекла с содержанием SiO2 менее 30% и повышенным содержанием А12О3 и окислов щелочноземельных металлов (СаО, ВаО).

Стекла силикатно-боратные, содержащие окислы щелочноземельных металлов, а также А12О3, являются стойкими к действию паров ртути.

Некоторые окислы окрашивают стекла в тот или иной цвет. Например, окись кобальта СоО окрашивает стекла в синий цвет, окись меди СuО – в голубой, окись хрома Сr2О3 – в зеленый, окись марганца МnО2 – в фиолетовый или коричневый. Стеклами, прозрачными для УФлучей, являются кварцевое стекло и стекла на основе В2О3 и Р2О5 с содержанием Fe2O3 менее 0,02%.

Свойства электротехнических стекол в значительной мере определяются количественным содержанием в них окислов щелочных металлов (Na2O, K2O), тяжелых металлов (РbО, ВаО) и ряда других окислов, а также наличием пор, капель другой фазы. В зависимости от химического состава электрические характеристики стекол колеблются в широких пределах:

=3,8–16,2; =106–1015 Ом·м; tg=(2–100)·10– =1015 Ом·м; tg=2·10–4. Электропроводность стекол обусловлена главным образом ионами щелочных металлов (Li+, Na+, К+), а в некоторых случаях – ионами щелочноземельных металлов (Mg++), а также анионами (F–, ОН–). Поверхностная электропроводность стекол обусловлена сконденсировавшейся на их поверхности водяной пленкой и переходом в нее (выщелачиванием) прежде всего катионов щелочных металлов. С увеличением влажности воздуха и температуры возрастает количество сконденсировавшейся из воздуха влаги, ее степень диссоциации, усиливается процесс выщелачивания ионов. В результате всего удельное поверхностное сопротивление s и пробойное напряжение Up снижаются.

Электрическая и механическая прочность стекол зависят от дефектности структуры и, в первую очередь, от числа и размеров пор. В неоднородном поле пробой носит преимущественно тепловой характер и Епр имеет величину, примерно равную 40 кВ/мм. В однородном поле у образцов, переплавленных в вакууме, меньше пор, поэтому Епр может достигать 500 кВ/мм.

Из тепловых свойств электротехнических стекол большое значение имеют: Тр (особенно при переработке стекла в изделия), которая от химического состава колеблется в пределах от 1740°С (кварц) до 300°С (щелочное боратное стекло), и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), значение которого находится в пределах (5,5–150)·10–7, К–1. ТКЛР является важной характеристикой, так как определяет стойкость стекол к резким изменениям температуры. Чем меньше ТКЛР, тем более стойко стекло к термоударам. Эта характеристика очень важна при спайке стекол с металлами и другими материалами. При спайке стекла с металлом для хорошей герметизации и высокой надежности спая, особенно к термоударам, необходимо, чтобы ТКЛР стекла и металла были примерно одинаковыми. Названия стекол: вольфрамовое, молибденовое, титановое, платинитовое и т.д. – указывают, что ТКЛР данного стекла близок к значению ТКЛР соответствующего металла.

Производится следующим образом: например, С38-1, где С – стекло; 38 – среднее значение ТКЛР в интервале температуры от 20 до 300°С, умноженное на 10–7; 1,2 и т.д. – порядковый номер разработки. Рассмотрим некоторые марки стекол:

С5-1 – кварцевое стекло, образует вакуумно-плотный спай с молибденом;

С37...С40 – вольфрамовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с вольфрамом и сплавом Н30К13Д (Ni–30%, Со–13%, Сu–1%, остальное Fe);

С47...С52 – молибденовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с молибденом и сплавом ковар Н29К18 (Ni–29%, Со–18%, остальное Fe);

С66-2 и С72-4 – титановые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с титаном;

С87...С90 – платинитовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с платинитом (сплав Н43: Ni–43%, Fe–57%) в виде стержней, покрытых медной оболочкой, и феррохромникелевыми сплавами;

С93...С95 – платинитовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи со сплавом Н47ХР (Ni–47%, Сr–1%, В–1%, остальное Fe);

Стекло №1 Львовского завода образует вакуумно-плотный спай со сплавом Н47ХР.

В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических стекол.

Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов. При этом необходимо выполнить одно из важных требований – значения ТКЛР у спаиваемых друг с другом стекла и металла должны быть примерно равными.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станционных – опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко используют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и германиевых транзисторах и др. Некоторые марки этого вида стекла, например боросиликатные (С37-1, С37-2, С38-1, С39-1) и алюмосиликатные (С39-2, С41-1, С48-3) используют для изготовления сплошных изоляционных подложек интегральных микросхем. Стекла марок С89-1, С88-3, С48-2, С38-1 и другие применяют для изготовления стеклянной изоляции литых микропроводов диаметром 5–200 мкм и толщиной изоляции 1–35 мкм.

Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Eпр и, а у стекол для высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tg.

Стеклоэмали – это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых резисторов представляет собой борносвинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РbО – 27%, Н3ВО3 – 70%, МnО2 – 3%;Tр 600°С. Для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок.

Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, нагретого до определенной температуры, посыпают порошком стеклоэмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1–0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно наносить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химической стойкостью и большей (на 20–25%) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4–7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах.

Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики – световодов, которые в настоящее время широко используются в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложенных в пучки световедущих волокон диаметром 20–30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5–6 мм Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким образом, чтобы коэффициент преломления света n1 сердцевины был больше коэффициента преломления света n2 оболочки (n1>n2). Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов (ТФ), баритовых флинтов (БФ) и сверхтяжелых кронов (СТК), а для изготовления оболочек – стекла типа крона (К) или легкого крона (ЛК). Стекла указанных типов изготавливают на основе чистого кварца.

Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина–оболочка и выходит из противоположного торца. Качество световода (потери световой энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на всех этапах его производства.

Ситаллы– это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30–95%, а размер кристаллитов 0,01–2 мкм. Усадка при кристаллизации достигает 2%. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».

При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500–700°С) происходит образование центров кристаллизации, на второй (при 900–1100°С) – кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют TiO2, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочноземельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.

Особую область применения имеют фотоситалл. Если подвергнуть заготовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через трафарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облученная часть поверхности. Эта закристаллизованная часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и протравить кислотой и т.д., до тех пор, пока изделие не примет нужную форму Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у стекол того же состава, а по сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая Eпр. ТКЛР=(1–120)·10–7 К–1, Tр=900–1300°С, =5–7, =1010–1012 Ом·м; tg=(1–80)·10–3; Епр=20–80 кВ/мм; интервал рабочей температуры от минус 50 до плюс 700°С.

Ситаллы классифицируют следующим образом: СТ-50-2, где СТ–ситалл, 50– ТКЛР=50·10–7, 2 – номер разработки.

Ситаллы марки СТ-38-1 используют в СВЧ-приборах в качестве подложек аттенюаторов, опор для крепления разрядников; марки СТ-50-2 – для изготовления стержней электровакуумных ламп; марки СТ-50-1 – для изготовления подложек тонкопленочных и гибридных интегральных схем.

Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала – «керамикос» (от греч. – глиняный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости.

Керамические материалы обладают свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферромагнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керамика, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза – это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза – это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2–6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) – 15–25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров.

По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и неплотной упаковкой решетки ионами, что определяет виды поляризации и диэлектрических потерь керамики.

Электрические свойства керамики формируются всеми тремя фазами. При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном с процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность – в амфорной фазе, диэлектрические потери – как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен. Кристаллическая фаза влияет также на значение ТКЛР, амфорная фаза – на температуру спекания керамической массы.

Процесс производства керамических изделий проходит в три основных этапа:

1) приготовление керамической массы путем очистки от примесей ее составных компонентов, тщательного их измельчения и перемешивания с водой в однородную массу;

2) формирование изделия заданной конфигурации и размеров методом формования, прессования, выдавливания, пластического штампования или литья (если масса в виде сухого порошка – его прессованием);

3) сушка, глазурирование и обжиг.

Глазурь представляет собой стекловидную массу, состоящую из 66–72,2% SiO2, 11,7– 17,2% А12О3, остальное – окислы щелочных и щелочноземельных металлов. Температура ее размягчения должна быть ниже температуры обжига. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает изделие тонким (0,1–0,3 мм) плотным блестящим стекловидным слоем. Глазурь не только улучшает внешний вид изделия и придает ему желаемую окраску, но также защищает его от загрязнения, проникновения внутрь влаги. Заполняя трещины и другие поверхностные дефекты, глазурь повышает механическую прочность изделия на 15–20%. В радиотехнической и электронной промышленности для глазурирования применяют различные эмали с Тр=560– 570°С.

Обжиг – ответственная и самая дорогая операция. При высокой температуре (примерно 1300–1400°С) в результате сложных химических и физико-химических процессов, протекающих между составными частями керамической массы, и получается керамика. При обжиге происходит усадка – значительное (до 20%) уменьшение размеров изготавливаемого изделия.

Низкочастотная установочная керамика - применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных (с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока) изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также для изготовления различных установочных деталей, используемых в цепях низкой частоты:

плавкие предохранители, ламповые патроны, детали штепсельных розеток, вилок. В отличие от других видов керамики обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но имеет преимущество: из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Основным представителем низкочастотной установочной керамики является электротехнический фарфор. В состав обычного электрофарфора входят: глины ~50% (каолин – очень чистая высококачественная светлая глина и огнеупорная глина), кварц SiO 2 (~25%) и полевой шпат (~25%), представляющий собой безводные алюмосиликаты, содержащие катионы щелочных (Na+,K+) и щелочноземельных (Са2+) металлов. Полевой шпат является главным поставщиком окислов Na,К,Fe,Mg,Ca. Na2O снижает температуру обжига и вязкость стеклофазы фарфора, но существенно ухудшает его электрические свойства.

Кристаллическая структура электрофарфора состоит из муллита 3Al2O3·2SiO2 с неплотной упаковкой решетки ионами и кварца SiO2 – с плотной упаковкой решетки ионами. В промежутке между кристаллитами находится стекловидная масса, образованная главным образом в результате плавления полевого шпата. Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO2, 25% А12О3 и 5% других окислов (К2О, Na2O, CaO, Fe2O3).

ТКЛР=(3–6)·10–6 К-1, с=400–500 МПа, р=35–55 МПа, н=80–100 МПа, уд=1,8–2,2 кДж/м2.

Электрические свойства при нормальной температуре и низких частотах удовлетворительны:

=5–7; 1011–1012 Ом·м (при 20°С) и 107–108 Ом·м (при 100°C); tg(25–35)·10–3 (при 20°С) и tg0,12–0,15 (при 100°C); Eпр=25–30 кВ/мм. Изменяя состав фарфора, можно улучшать его основные параметры. В настоящее время широко распространен электрофарфор с повышенным содержанием кварца и глинозема (А12О3).

С повышением температуры электрические свойства электрофарфора существенно ухудшаются, главным образом за счет стеклофазы. Электрические и механические свойства также значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения при температуре 100°С и выше. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших 20–30 лет, наблюдаются потускнение глазури и краев шапки, т.е. в местах, наиболее подверженных действию короны, и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамике относится также высоковольтная стеатитовая керамика (марки ТК-21, СПК-2), изготовленная на основе минерала талька 3MgO·4SiO2H2O (70–85%), глинистых веществ (до 10%) и окиси бария ВаО (до 15%). Основными кристаллическими структурами этой керамики являются клиноэн-статит MgOSiO2 и муллит 3Al2O3·2SiO2. Тальк практически не содержит вредных примесей в виде окислов щелочных металлов и железа. Однако глины обычно содержат большое количество Na2O, K2O и Fe2O3, которые ухудшают электрические свойства стеатитовой керамики. Поэтому содержание глин ограничивается несколькими процентами.

Высоковольтная стеатитовая керамика в сравнении с электротехническим фарфором имеет повышенные механические и электрические свойства: с=500–700 МПа, р=45–60–МПа, и=100–160 МПа, ст=2,2–2,6 кДж/м2, =5–7,5; =1012 Ом·м (20°С) и 10 Ом·м (100°С);

tg=0,002–0,003, Епр=25–30 кВ/мм, ТКЛР=(3–8)·10–6 К–1. Поэтому она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов. Технология изготовления изделий из стеатитовой керамики сложнее и требует более высокой температуры обжига, чем из электрофарфора. Однако усадка этих изделий меньше.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов относится термо- и дугостойкая керамика, имеющая очень низкие значения ТКЛР и способная многократно выдерживать большие термоудары. Эта керамика используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, дугогасительных камер, высоковольтных выключателей, пирометрических защитных трубок. Термо- и дугостойкой керамикой являются плотные и пористые материалы на основе алюмосиликата магния (кордиерита 2MgO·2Al2O3·5SiO2) – кордиеритовая керамика. В кордиеритовой керамике, кроме кордиерита (до 60%), содержатся кристаллы муллита 3Al2O3·2SiO2, клиноэн-статита MgOSiO2, корунда А12О3 и небольшое количество стекла. Его ТКЛР=(0,5–2)·10–6 К–1 20°С), Епр=10–20 кВ/мм.

Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высокими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (=900–9800), относительно большими диэлектрическими потерями (tg=2·10–3–5·10–2) и небольшими значениями электрической прочности (Епр=4–15 кВ/мм). Применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (f10 кГц) и конденсаторов, используемых в цепях постоянного тока, а также разделительных и блокировочных конденсаторов.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и марганца. Основу керамики марок Т-900, М-900 и Тсоставляют титанаты стронция SrTiO3 и висмута Bi4Ti3O2.

Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в радиоэлектронике, и охватывает ряд керамических материалов с повышенными электрическими и механическими свойствами. Используют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих механическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирующих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами. Некоторые виды этой керамики применяют при изготовлении конденсаторов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое электрическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и частоты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойства в зависимости от химического состава имеют следующие значения: =5–9,8, =1014–1017 Ом·м, tg=(1–20)·10– при 1 МГц; Епр=20–45 кВ/мм.

К этой группе относятся следующие материалы:

Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелкозернистого клиноэнстатита MgOSiO2, амфорная фаза – из бесщелочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой механической прочностью (с до 800 МПа, р до 75 МПа, и до 200 МПа, уд до 4 кДж/м2) и высоким электрическим сопротивлением (=1014–1017 Ом·м). Используется для изготовления проходных изоляторов, подложек, изолирующих колец, опорных плит. Наиболее широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.

Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgOSiO2.

Характерной ее особенностью являются: низкие диэлектрические потери (tg=(1–2)·10–4), высокое электрическое сопротивление (=1014–1015 Ом·м) при нормальной и высокой температуре, повышенные значения ТКЛР ((8–10,6)·10–6 К–1).

Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных металлокерамических спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58, ЛФ-11, КВФ-4.

Шпинельно-форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза содержит кристаллы шпинели MgOAl2O3 и форстерита 2MgOSiO2. Характеризуется высокими электроизоляционными и механическими свойствами и малыми значениями tg. Применяют для получения согласованных металлокерамических вакуум плотных спаев. В радиотехнике применяют марку Ш-15.

Цельзиановая керамика. Кристаллическую фазу образует цельзиан BaOAl2O3·2SiO2. Керамика характеризуется малыми значениями tg (при нормальной и повышенной температуре), ТКЕ и ТКЛР и высокими значениями и Епр. Электропроводность преимущественно электронная; ионная составляющая появляется лишь при температурах выше 600°С. Используют ее (изза малых значений ТКЛР) для изготовления каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью.

Виллемитовая керамика. Кристаллическую фазу образует виллемит 2ZnOSiO2. Этот вид керамики используют для изготовления высокочастотных установочных деталей.

Глиноземистая керамика (глинозем – безводный оксид алюминия А12О3). В зависимости от содержания оксида алюминия А12О3 в глиноземистой керамике ее называют: глиноземистым фарфором, ультрафарфором, корундовой керамикой и т.д. Отличается от других видов керамики наибольшей механической прочностью, твердостью, химической стойкостью, повышенной стойкостью к термоударам, а также хорошими электроизоляционными свойствами.

Широкое применение в электро- и радиотехнике нашли ультрафарфор марки УФ-46, корундовая керамика марки КМ-1, из которых изготавливают крупногабаритные и механически прочные изоляторы, корпуса мощных предохранителей. Ультрафарфор марок УФ-53, УФ- используют для вакуумно-плотных спаев с металлами, для изготовления плат и подложек.

Корундовая высокоглиноземистая керамика представляет особый интерес. Корунд (-А12О3) – одна из кристаллических модификаций оксида алюминия (алюминоксида) А1 2О3, обладающая высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами. Готовые изделия из этого материала содержат до 95–99,7% кристаллического корунда - А12О3, остальное – стеклофаза, располагающаяся в виде тонких прослоек, соединяющих кристаллиты -А12О3.

Содержание пор в этой керамике минимальное (~1%), их присутствие отрицательно влияет на свойства материала.

Разработана беспористая оптически прозрачная керамика поликор (за рубежом – люкалос) с высокими значениями коэффициента пропускания света (0,9 на 1 мм толщины), электрических и механических характеристик. Поликор содержит 99,7–99,9% Аl2О3 и 0,3–0,1% окиси магния MgO, которая вводится для торможения роста кристаллитов. Рост кристаллических зерен и появление закрытых пор снижают прозрачность такой керамики. Характеристики поликора приведены в табл. 3.1.

Кроме поликора, созданы материалы марок: 22 ХС, ЦМ-332 (микролит) и др. Достоинством этих марок корундовой керамики считаются их особо высокая нагревостойкость и сохранение высоких значений электрических характеристик до температуры 400°С и механических – до 1600°С.

К недостаткам следует отнести сложность технологии изготовления изделий: очень высокая температура обжига – 1800–2060°С (в водородной среде или вакууме), малая пластичность исходной массы, трудность получения изделий сложного профиля.

Прозрачная корундовая керамика применяется в качестве нагревостойких диэлектрических подложек микросхем, в том числе микроволновых подложек в запоминающих устройствах, линз в инфракрасных головках ракет, лазерных устройствах, колб металлогалогенных ламп. Сочетание высокой оптической прозрачности и высокой нагревостойкости дает возможность использовать этот материал для ламп накаливания высокой яркости. В последние годы разработана высоконагревостойкая керамика на основе других окислов металла (CaO, MgO, ZrO2, BeO2, ThO2) и нитридов (Si3N4, BN, AlN).

Высокочастотная конденсаторная керамика Отличается высоким удержанием кристаллической фазы и низким содержанием бесщелочной аморфной фазы. Как правило, стеклофаза не образуется, но могут присутствовать несколько кристаллических фаз с различными значениями и ТК. У большинства материалов этой группы, имеющих высокие значения, основной составной частью кристаллической фазы является рутил (двуокись титана TiO2).

Рутил – это высокотемпературная кристаллическая модификация ТiO2, которая имеет в направлении главной кристаллографической оси =173. Однако в результате беспорядочного расположения кристаллитов рутила и наличия других добавок керамика имеет меньше указанного значения (80).

Кроме рутила TiO2 в кристаллическую фазу многих видов высокочастотной конденсаторной керамики входят соединения титаната кальция (перовскит) СаО·ТiO 2, образующие перовскитовую керамику (марки Т-150, М-130), или титаната стронция SrO·TiO2, образующие стронциевую керамику (марка М-300). У этих видов керамики =180–230. Используются они для изготовления высокочастотных конденсаторов, к которым не предъявляют требований стабильности емкости. В состав конденсаторной керамики также вводят оксиды олова и металлов II и III групп периодической системы элементов. В зависимости от химического состава электрические свойства высокочастотной конденсаторной керамики имеют следующие значения:

=14–250; =1010–1011 Ом·м (при 100°С), tg=(3–5)·10–4 (при 1 МГц и 20°С); Eпр=6–35 кВ/мм, ТК колеблется в пределах от минус 1300·10–6 до плюс 30·10–6 К–1.

Керамика на основе рутила при длительном воздействии предельного рабочего напряжения и повышенной температуры стареет, в результате электропроводность и диэлектрические потери возрастают, а электрическая прочность снижается. Однако ее вполне успешно можно использовать в области относительно слабых электрических полей и ограниченных рабочих температур. На значительно более жесткие эксплуатационные режимы рассчитана безрутиловая конденсаторная керамика: титано-циркониевая, станнатная, лантановая. Преимуществом этих марок керамики является более высокая стойкость к длительному воздействию постоянного напряжения.

Для получения титано-циркониевой керамики используют составы на основе системы ZrTiO3–TiO2 с добавкой небольшого количества окисла магния MgO или твердые растворы титаната-цирконата кальция CaTiO3–CaZrO3 (Т-80, ТЦ-750, ТЛ-470). Изделия из керамики системы CaTiO3–CaZrO3 могут эксплуатироваться при более высоких температурах, чем из системы ZrTiO3–TiO2; они имеют =20–30; tg=(3–4)·10–4.

В станнатной керамике кристаллической фазой являются твердые растворы станната кальция CaSnO3, титаната кальция CaTiO3 и цирконата кальция CaZrO3. Кроме того, в состав керамической массы вводят небольшое количество глины и окисла цинка. Станнатная керамика имеет небольшие значения (12–30) и tg ((15–80)·10–4).

Лантановую керамику получают на основе системы LaAl2O3–CaTiO3. Она имеет значительно более высокие значения (40–150), чем станнатная керамика, и небольшой tg (5·10–4).

Лантановая керамика применяется для изготовления контурных, разделительных и термокомпенсирующих конденсаторов. У термокомпенсирующих конденсаторов емкость с повышением температуры снижается.

Слюда – это природный кристаллический минерал с хорошими электрическими свойствами и высокой нагревостойкостью. Ее характерной особенностью является слоистая структура и анизотропия свойств. Кристаллиты слюды легко расщепляются по плоскостям спайности на пластинки толщиной 0,5–5 мкм и более.

Известно несколько десятков разновидностей слюды. Все они по химическому составу являются водными алюмосиликатами. В электроизоляционной технике применяют два вида K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O, и флогопит - К2О·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O. Фактически состав слюд может существенно изменяться; в них могут входить и другие окислы (Fe2O3, TiO2, Cr2O3, MnO, CaO, Na2O).

Слюда мусковит бывает бесцветной или имеет красноватый, бурый, зеленый или другие оттенки. Флогопит чаще имеет более темную окраску: янтарную, золотистую, коричневую до почти черной. Слюда электротехнического назначения не должна содержать пятен (загрязнений) и воздушных включений. Мусковиты по электрическим свойствам лучше, чем флогопиты (табл. 3.2), у них более высокие механическая прочность, твердость, гибкость и упругость. Однако у флогопитов более высокая нагревостойкость и, что очень важно для изоляции коллекторных пластин электромашин, практически одинаковая с медью истираемость.

При нагревании кристаллизационная вода начинает выделяться у мусковита при температуре 500–600°С, у флогопита при 800–900°С. Слюда при этом вспучивается в результате расслаивания, теряет прозрачность, электрические и механические свойства резко ухудшаются.

При температуре 1260–1330°С слюда плавится. У некоторых видов флогопита с повышенным содержанием кристаллизационной воды электрические и механические свойства ниже и заметно ухудшаются при нагреве до температуры 150–250°С.

Слюдяную руду очищают от посторонних примесей, вручную расщепляют на отдельные пластинки, у которых обрезают дефектные края, и получают так называемую щепаную слюду.

Щепаную слюду применяют для производства миканитов, а из лучших сортов мусковита готовят конденсаторную слюду. Конденсаторную слюду используют для изготовления слюдяных конденсаторов постоянной емкости типов: КСО (конденсатор слюдяной опрессованый), КГС (конденсатор герметизированный слюдяной), СГМ (слюдяной герметизированный малогабаритный). В настоящее время в производстве конденсаторов вместо слюды широко используют синтетические полимеры (полистирол, политетрафторэтилен).

Кроме слюды природной, в электроизоляционной технике получила распространение слюда синтетическая – фторфлогопит, отличающаяся от флогопита тем, что в ее кристаллической решетке гидроксильные группы ОН– замещены ионами фтора F–. Фторфлогопиты имеют более высокую нагревостойкость (до 1000°С), обладают более высокими электрическими свойствами (см. табл. 4.4), химически более устойчивы.

Микалексы представляют собой прессованную массу, в которой связующим являются легкоплавкие стекла (борно–свинцовые или борно–баритовые), а наполнителем – порошкообразный мусковит. Прессование производится при температуре размягчения стекла около 600°С и давлении 50–70 МПа, при этом стекло химически взаимодействует с поверхностью слюды.

Электрические свойства ми Епр=10–20 кВ/мм.

Выпускают микалексы в виде листов или стержней разного сечения, из которых методом механической обработки (точения, фрезерования, сверления) изготавливают детали нужных форм и размеров. Применяют микалексы для изготовления держателей мощных радиоламп, каркасов катушек индуктивности, плат переключателей, панелей воздушных конденсаторов.

При использовании в качестве наполнителя синтетической слюды образуется материал под названием новомикалекс. Его электрические свойства: =7,5–8; =1010–1012 Ом·м; tg=(8– 15)·10–4 при 1 МГц; Епр=30 кВ/мм.

Миканиты представляют собой композиционный материал листового или рулонного строения, полученный путем склеивания отдельных пластинок щепаной слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани. Подложка наклеивается с одной или обеих сторон, увеличивая прочность материала на разрыв и затрудняя отслаивание пластинок слюды при изгибе материала.

Классифицируют миканиты с помощью двух или трех букв и цифры. Первая буква обозначает тип миканита: К–коллекторный, П–прокладочный, Ф–формовочный, М–микафолий, Г–гибкий, Л–микалента. Вторая буква характеризует вид слюды: М–мусковит, Ф–флогопит, С– смесь мусковита и флогопита. Третья и дальнейшие буквы и цифры указывают на вид клеящего вещества и дополнительные характеристики материала.

Миканиты К и П являются твердым материалом, из которых изготавливают изоляционные прокладки, не подвергающиеся изгибу. При ударе они издают характерный звенящий звук.

Коллекторный миканит (К) изготавливают из слюды флогопит, как более легко истирающийся. В качестве связующего используют шеллак, глифталиевую или другую смолы в минимальном количестве – до 4%. Миканит К имеет хорошие механические свойства и малую усадку. Применяют в качестве изоляции медных коллекторных пластин (междупластинная изоляция) электрических машин.

Прокладочный миканит (П) производят из слюды мусковит, флогопит и их смеси. В качестве связующего используют шеллак, глифталевую или кремнийорганическую смолы. Содержание слюды в миканите П составляет 80–97%; применяют для изготовления различных электроизоляционных прокладок, шайб.

Формовочный миканит (Ф) изготавливают в виде листов толщиной от 0,1 до 0,5 мм с содержанием слюды 80–95%, остальное связующее – шеллак, глифталевая или кремнийорганическая смолы. При нормальной температуре миканит Ф тверд, однако при нагревании размягчается и становится способным принимать заданную форму, которая при охлаждении сохраняется. Применяют для изготовления коллекторных манжет (изоляция коллектора от вала в электромашинах), каркасов катушек, фланцев, трубок и других фасонных изделий.

Микафолий (М) – разновидность формовочного миканита; изготавливают его из флогопита или мусковита. В качестве связующего используют глифталевый, шеллачный, полиэфирный или кремнийорганический лаки. Содержание слюды в нем не менее 45–50%. Имеет с одной стороны подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Выпускается в листах или рулонах толщиной от 0,15 до 0,30 мм. У микафолия из флогопита Епр13 кВ/мм, а из мусковита Епр15– 16 кВ/мм. Применяют для изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напряжения, где требуются большие усилия при намотке.

Гибкий миканит (Г) получают на основе мусковита или флогопита в виде листов толщиной от 0,15 до 0,50 мм. В качестве связующего применяют масляно-битумные, масляноглифталевые или кремнийорганические лаки. Содержание слюды (без подложек) составляет 75–90%. Выпускают также гибкие миканиты на подложке, т.е. оклеенные с обеих сторон бумагой; содержание слюды в них – не менее 50%. Эти миканиты обладают гибкостью и применяются в качестве изоляции обмоток секций, гибких прокладок, пазовой изоляции электрических машин и аппаратов.

Микалента (Л) – разновидность гибкого миканита. Получают из крупных пластин слюды, склеенных в один слой с перекрытием примерно на одну треть. Имеет с одной или с обеих сторон подложки из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Микалента выпускается толщиной 0,10; 0,12; 0,15 и 0,17 мм и шириной от 10 до 35 мм. Является одним из основных видов изоляции электрических машин высокого напряжения. Хранят в закрытой металлической таре, заполненной насыщенным паром соответствующего лакового растворителя. При пересыхании микаленту необходимо выдержать в парах лакового растворителя.

Нагревостойкие миканиты производят на основе природной и синтетической смолы. В качестве связующего используют неорганические вещества – фосфорнокислый аммоний (аммофос), алюмофосфаты. Этот вид миканитов выпускают в листах толщиной от 0,2 до 1,0 мм, нагревостойкостью в несколько сот градусов (до 850°С).

Слюдиниты (за рубежом – самика) и слюдоспласты получают с помощью бумагоделательных машин, отсюда и другое название – слюдяные бумаги. В отличие от миканитов их производство максимально механизировано и практически исключает ручной труд. Получают слюдиниты и слюдопласты из измельченной специальным способом очищенной исходной (нещепаной) слюды мусковит или флогопит, или их отходов. При измельчении слюды образуются пластинки (чешуйки) толщиной до 1 мкм, длиной и шириной порядка десятых долей миллиметра. Из массы измельченной слюды и воды с помощью бумагоделательной машины получают слюдинитовую бумагу толщиной от 10 до 150 мкм для производства слюдинитов или толщиной от 40 до 200 мкм – для слюдопластов. Полученный материал пропитывают связующим веществом на основе эпоксидной, кремнийорганической или другой смол. Слюдиниты используют и в сухом виде, т.е. без пропитки электроизоляционными лаками в качестве связующего. Такие слюдиниты легко разрушаются при соприкосновении с водой и имеют невысокую электрическую прочность (Епр=15–20 кВ/мм). В ряде случаев полученную слюдинитовую бумагу отпрессовывают. К слюдинитам и слюдопластам с одной или обеих сторон наклеивают подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки, получая коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий слюдинит или слюдопласт, в том числе слюдинитофолий и слюдопластовые ленты. Слюдопласты, как правило, имеют более высокую механическую прочность и большую короностойкость, чем слюдиниты.

Асбест – это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты тончайших кристаллитов, нагревостойкий материал, с невысокими электроизоляционными свойствами, достаточно эластичный, с высокой механической прочностью, обладает прядильной способностью Длина волокон колеблется от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. В электроизоляционной технике из множества асбестовидных минералов получил применение хризотиловый (или серпентинный) асбест, представляющий собой водный силикат магния 3MgO·2SiO2·2H2O с содержанием до 3% различных примесей в виде окислов железа, алюминия, кальция.

Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, шнуры, ткани, бумаги, картон и другие изделия.

При температуре 450–700°С он теряет кристаллизационную воду и разрушается. Асбест относительно гигроскопичен и растворяется даже в слабых кислотах. При пропитке асбеста олифой, парафином, битумами и смолами его гигроскопичность и влагопоглощаемость снижаются.

Электроизоляционные свойства асбеста невысокие: =108–1010 Ом·м; Епр=2–6 кВ/мм, поэтому в высоковольтной и высокочастотной технике его не применяют.

Известны материалы на основе асбеста, главные из которых – электронит и асбестоцемент.

Электронит – пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – каучук. Выпускают электронит в листах толщиной от 0,1 до 6 мм. При толщине 0,5 мм его Епр>7 кВ/мм. Применяется электронит в низковольтной аппаратуре в качестве втулок, прокладок.

Асбестоцемент – неорганическая пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – портландцемент. Изготавливают из асбестоцемента доски толщиной от 4 до 40 мм, длиной 1200 и шириной 700–900 мм, трубы, муфты и другие фасонные изделия.

У асбестоцемента неплохие механические свойства и высокая нагревостойкость (у непропитанного – более 220°С), искро- и дугостойкость. Благодаря последнему свойству он широко используется в производстве искро- и дугогасительных камер и перегородок.

Недугостойкие изделия из асбестоцемента, работающие в условиях окружающей атмосферы, в том числе для сильноточной аппаратуры, пропитывают обычно мазутом, каменноугольным пеком или битумом.

У пропитанного асбестоцемента водопоглощаемость до 2%, Епр=2–3 кВ/мм; =108– 1010 Ом·м.

К минеральным диэлектрикам относятся мрамор, тальк, мел и др. Все они в электроизоляционной технике имеют ограниченное применение из-за низких электроизоляционных свойств.

Мрамор – минерал зернисто-кристаллического строения, состоящий в основном из карбоната кальция СаСО3. Размер кристаллических зерен колеблется в широких пределах (от сотых долей миллиметра до 7 мм). Чем мельче зерно, тем выше механическая прочность, лучше электроизоляционные свойства, меньше гигроскопичность. Мрамор стоек к действию воды, щелочей, масел, органических растворителей, но растворяется в кислотах, даже слабых, с выделением СО2. Он малостоек к термоударам. Во влажной среде электроизоляционные свойства его значительно ухудшаются. Для повышения влагостойкости изделия из мрамора пропитывают парафином, битумом или стиролом с последующей его полимеризацией или лакируют. Нагревостойкость мрамора длительная – до 100–110°С и кратковременная –до 250°С.

Водопоглощаемость за 24 ч 0,15–0,4%. Его электрические свойства: =8–10; =105–109 Ом·м, tg=(5–10)·10–3 при 50 Гц; Епр=2,5 кВ/мм.

Тальк – минерал белого цвета или окрашенный в светлые тона, очень мягкий – легко режется ножом; его химическая формула – 2O. Температура плавления находится в пределах от 1200 до 1600°С, обладает относительно высокой кислотостойкостью.

В электротехнической промышленности тальк используют при изготовлении высоковольтной стеатитовой керамики и в качестве наполнителя для кабельных резин. В кабельной технике в качестве наполнителя также применяют и другие минералы: мел и каолин.