1.5 Химические свойства диэлектриков
При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами , водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.
Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и др. смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.
1.6 Классификация диэлектрических материалов
По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.
Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.
По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).
Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).
В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.
Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.
Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.
Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д.
Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С8Н8 и строение молекулы
Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола - так называемый полистирол - является уже твердым веществом; его молекула имеет строение
и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера - стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С - С, а не двойная С = С):
где n - степень полимеризации,
т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера.
Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная
масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет
уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения
полистирола составляет плюс 70 - 85°C.
Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью.
Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время,
однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны
резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость
полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает
процесс полимеризации.
При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая
обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью
полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации,
называется деполимеризацией.
Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например,
совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного
состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят
в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием
полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.
Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры.
Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых,
а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы
к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных
полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более
компактную форму, приближаясь к форме шара.
В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но
при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться
в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов
является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному
состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.
В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты)
при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они
запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость,
теряя при этом свойства растворимости и плавкости.
При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях.
Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.
Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы.
Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы.
Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны плотность их близка к 1 Мг/м3.
Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти.
Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п.
Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул.
Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку).
Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0.04 до0.35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки.
Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена.
Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.
Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность ( из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.
Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.
Пластмассы (пластики) характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий.
В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани).
Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ.
Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5Н8)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:
…-
СН2 – С = СН - СН2 – СН2 – С = СН - СН2
–…
|
|
СН3
СН3
Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% - твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.
Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Кроме стеклообразующих окислов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O3)б в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na2O, K2O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными.
Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.
При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения , высокой точностью размеров изделий.
Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.
1.6.9 Керамические диэлектрические материалы
Керамикой называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.