93 ел. 23.04.21 електроматеріалознавство № 16

 

Урок № 16  23.04.21  93 ел. електроматеріалознавство

Тема уроку. Тверді неорганічні діелектрики.

 

1. Загальні відомості.

Неорганічні діелектрики: скло, слюда, кераміка, неорганічні плівки (оксиди, нітрид, фториди), металофосфати, електроізоляційний бетон.

Особливості неорганічних діелектриків - негорючі, як правило, світло-, озоно- термостій- кі, мають складну технологію виготовлення. Старіння на змінній напрузі практично відсутнє, але схильні до старіння на постійній напрузі.

З практичної точки зору в кожному випадку вибору матеріалу електричної ізоляції слід аналізувати умови роботи і вибирати матеріал ізоляції відповідно до комплексу вимог. Для орієнтування доцільно розділити основні діелектричні матеріали на групи за умовами застосування.

Наприклад, в якості  нагрівостійкої електричної ізоляції.  в першу чергу є вироби із слюдя- них матеріалів, деякі з яких здатні працювати до температури 700 ° С;  скло і матеріали на їх основі (склотканина, стеклослюдиніти);  керамічні матеріали, зокрема нітрид бору.

Радіаційно стійка ізоляція  це, в першу чергу, неорганічні плівки, кераміка, склотекстоліт, слюдинітові матеріали.

2. Характеристики твердих неорганічних діелектриків.

2.1. Скло.

Скло (неоргані́чне скло) — тверда аморфна речовина, прозора, в тій чи іншій частині оптичного діапазону (в залежності від складу), отримана під час застигання розплаву, що має склотвірні компоненти.

Склотвірний компонент — речовина (оксид, сульфід, селенід, телурид чифторид елементу), яка в процесі застигання розплавленої маси утворює скло.

Під склом розуміють сплави різних силікатів з надлишком діоксиду силіцію. Розплавлене скло не відразу твердне при охолодженні, а поступово збільшує свою в'язкість, аж поки не перетвориться в однорідну тверду речовину. Скло при твердінні не кристалізується, тому воно не має різко вираженої точки плавлення. На відміну від кристалічних матеріалів скло, при нагріванні у відповідному температурному інтервалі розм'якшується поступово, переходячи з твердого крихкого стану у тягучий високов'язкий і далі — у текучий стан — скломасу.

Скло, що використовується у промислових масштабах — матеріал штучного походження, якому властиві такі основні характеристики, як прозорість, твердість, хімічна стійкість, термостійкість. Крім того, скло має властивості, які обумовлюються його прозорістю, електричними та термомеханічними параметрами. Завдяки цьому скло широко використовують майже у всіх галузях техніки, медицині, у наукових дослідженнях та у побуті.

Застосування

Зі скла виробляють волокно, вату, тканини тощо. Ці матеріали відзначаються, значною механічною міцністю, негорючістю, кислотостійкістю і високими тепло- і електроізоляційними властивостями. Вони мають широке застосування в різних галузях техніки і будівельній справі.

 Скло застосовують для виготовлення низько- та високовольтних ізоляторів, балонів і ніжок освітлювальних та електронних ламп, газорозрядних приладів, тонко- та товстостінних газонепроникних і вакуумщільних оболонок, різних електровакуумних приладів, рентгенівських трубок, компонентів електричних ланцюгів, що мають специфічні електрофізичні властивості.

Електрофізичні властивості[

Залежно від складу і від температури навколишнього середовища скло може бути ізолятором (діелектриком),напівпровідником і провідником струму.

Електропровідність

Велика група оксидних видів скла (силікатні, боратні, фосфатні та ін.) належить до класу ізоляторів, що обумовлено високими значеннями ширини забороненої зони. При кімнатній температурі питома об'ємна електропровідність силікатного скла лежить в межах 10⁻⁷…10⁻¹⁵ Ом⁻¹ м⁻¹.

Встановлено, що носіями струму в оксидних видах скла є катіони лужних або лужноземельних металів. Низька електропровідність оксидного скла обумовлена малою рухливістю катіонів. Підвищення температури супроводжується зниженням в'язкості, збільшенням рухливості носіїв струму, в результаті чого електропровідність зростає на декілька порядків.

Кварцове скло є майже ідеальним ізолятором серед силікатних видів скла. Його електропровідність при кімнатній температурі становить 10⁻¹⁸ Ом⁻¹·м⁻¹, а при 800 °C 10⁻⁴ Ом⁻¹·м⁻¹.

В результаті адсорбції вологи, а також продуктів хімічної взаємодії поверхні з вологою повітря на поверхні виробів створюється електропровідний шар. У багатьох випадках цей процес є небажаним, оскільки негативно позначається на ізоляційних властивостях скла. Підвищення вмісту в склі оксидів лужних металів прискорює реакцію гідролізу поверхневого шару скла.

Діелектричні властивості скла

Силікатні види скла при температурах нижчих за температуру склування (T_g) належить до класу діелектриків.

Діелектрична проникність скла залежить від його складу, змінюючись для силікатного скла від 3,8 (для кварцового) до 16,2 (для скла з високим вмістом оксидів важких металів) і мало залежить від температури аж до 400…500 °С.

З підвищенням частоти поля діелектрична проникність зменшується. Найінтенсивніше цей ефект спостерігається в області низьких частот від 0 до 10³ Гц, в той час як в інтервалі 10³…10¹⁰ Гц це зменшення (при нормальній температурі) не перевищує 10 %. З підвищенням температури діелектричні втрати інтенсивно збільшуються і, як наслідок, діелектрик розігрівається.

Електрична міцність

Електрична міцність скла при тепловому пробої зменшується зі збільшенням товщини зразка внаслідок погіршення відводу тепла від внутрішніх шарів виробу.

У змінному електричному полі розігрівання діелектрика здійснюється інтенсивніше (додаються діелектричні втрати), в результаті чого електрична міцність скла в змінному полі нижча, ніж у постійному. Тепловий механізм пробою характерний  для діелектриків, що мають при звичайних умовах досить високе значення електропровідності. Електрична міцність скла при тепловому пробої становить 10⁴…10⁵ кВ·м⁻¹

Електротехнічне скло в якості матеріалу для ізоляторів має деякі переваги перед порцеляною. Зокрема у нього більш стабільна сировинна база, простіше технологія, яка припускає велику автоматизацію, можливість візуального контролю несправних ізоляторів.

До недоліків скла, точніше способу його виробництва, відноситься велика енергоємність отримання матеріалу, тому що. скло довго варять при високих температурах.

2. 2. Ситали

Сита́ли (склокера́міка) — це склокристалічні матеріали, які складаються з однієї або декількох кристалічних фаз, рівномірно розподілених у скловидній фазі. Вони займають проміжне положення між звичайним склом і керамікою. Ситали містять велику кількість дрібних (< 1 мкм) кристалів, що пов'язані між собою міжкристалічним прошарком (скловидною фазою). Концентрація кристалів може змінюватись у значних межах (20...90 % за об'ємом) Розрізняють ситали технічні (на основі штучних композицій з різних оксидів, солей), петроситали (з базальтів та інших гірських порід) і шлакоситали.

Для виробництва ситалів використовують технологію виробництва скла, дещо видозмінену і доповнену на заключній стадії, оскільки отриманий з відповідного скла виріб потім має бути перетворено в ситал шляхом кристалізації. Ситали отримуються шляхом спрямованої (каталізованої) кристалізації скла спеціальних складів, що відбувається в об'ємі заздалегідь сформованого виробу.

На вигляд ситали є щільними матеріалами білого або від яскраво-бежевого до коричневого кольору. Вони відрізняються підвищеною механічною міцністю, можуть мати як дуже маленький, так і великий коефіцієнт лінійного розширення, високу теплопровідність і задовільні електричні характеристики.

Механічна міцність їх мало змінюється при нагріванні до температури 700 - 800°С. Діелектричні втрати в ситалах багато в чому визначаються властивостями залишкової скловидної фази.

Ситали мають високі міцність, твердість, зносостійкість, малий коефіцієнт лінійного розширення, хімічну і термічну стійкість, газо- і вологонепроникність. За своїм призначенням поділяються на технічні та будівельні. 

За основною властивостями і призначенням поділяються на: високоміцні, радіопрозорі хімічно стійкі, прозорі термостійкі, зносостійкі і хімічно стійкі, фотоситали, слюдоситали, біоситали, ситалоцементи, ситалоемалі, ситали із спеціальними електричними властивостями

Використання

Головна особливість ситалів — тонкозерниста рівномірна склокристалічна структура, що обумовлює поєднання високої твердості і механічної міцності з відмінними електроізоляційними властивостями, високою температурою розм'якшення, добрими термічною і хімічною стійкістю. Ситали міцніші і твердіші за вуглецеві сталі, і водночас легші за алюміній і не розм'якшуються при нагріванні до 1350...1450 °С. Завдяки таким властивостям і низькій собівартості ситали набувають дедалі ширшого застосування: у авіації, у виготовленні ізоляторів, деталей радіоапаратури, реакторів і хімічно стійкої апаратури.

У деталях радіоапаратури ситали використовуються ,як встановлювальні,так ,як конденсаторні матеріали. У першому випадку ситали використовують як підкладки гібридних інтегральних мікросхем і дискретних пасивних елементів (наприклад, тонкоплівкові резистори), деталі НВЧ-пристроїв і деяких типів електронних ламп. Перевагою ситалових конденсаторів є підвищена електрична міцність в порівнянні з керамічними конденсаторами.

У ситалах, виготовлених зі світлочутливого скла, отримують непрозорі білі або кольорові тривимірні зображення. Різна розчинність кристалічної і прозорої скловидної фаз відкриває можливості отримання опуклого зображення і виробництва з фотоситалів технічних виробів з сіткою прецизійно виконаних отворів будь-якого перетину.

Термічна стійкість ситалів забезпечується дуже малими (від 7·10^-7 до 3·10^-7), а іноді і від'ємними значеннями коефіцієнта термічного розширення. Оптичне кварцове скло може бути замінене прозорими ситалами, які переважають його меншою чутливість до теплових ударів. Прозорість пов'язана з розміром кристалів, меншим за довжину півхвилі видимого світла (соті долі мм), і близькістю до скловидної фази за показниками його заломлення. Світлочутливе скло і фотоситали знаходять широке застосування в мікроелектроніці, ракетній техніці, космосі, оптиці, поліграфії і побутових приладах. Так, з фоточутливого скла отримані матриці для газорозрядних приладів, фотокерам для виготовлення плат друкарського монтажу, з фотоситалу виготовляють перфоровані диски, що використовуються в катодно-променевих трубках тощо.

2. 3. Електрокераміка.

Це тверда речовина, яка отримується при термічній обробці суміші різних мінералів, основною складовою яких є природні глинисті речовини (глини, каоліни), а також кварц, польовий шпат, тальк та ін. Електрокераміка є найбільш якісним діелектриком. Вона стійка до впливу вологи та хімічних речовин, має найбільшу теплостійкість. Всі електрокерамічні матеріали розподіляються на ізоляторні, конденсаторні та сегнетокерамічні.

До ізоляторної кераміки відносяться радіофарфор, ультрафарфор.

Радіофарфор та ультрафарфор застосовуються для каркасів котушок індуктивності короткохвильового та надкороткохвильового діапазону, ізоляторів, лампових панелей, плат перемикачів, основи недротових резисторів, корпусів інтегральних мікросхем.

Стеатит- радіокераміка, яка застосовується як конструктивний діелектрик. З нього виготовляються, наприклад, осі змінних конденсаторів та ін.

Конденсаторні керамічні матеріали отримуються після термічної обробки двоокису титану (TiO2), окисей MgО, СиО, ZпО, В₂О. Такі матеріали мають великі значення діелектричної проникності  ( 16...250) та невеликий і негативний ЇЇ температурний коефіцієнт. З цих матеріалів виготовляють термостабільні та керамічні конденсатори.

Сегнетокераміка має велику діелектричну проникність (1000...4500), яка в області температур нижче точки Кюрі значно залежить від напруженності електричного поля.

Порцеля́на, фа́рфо́р— один із видів тонкої кераміки — білий матеріал.

Це матеріал, що здебільшого складається з SiO₂, Al₂O₃ i K₂O. Як сировину для добування використовують білу глину — каолін, кварцовий пісок і польовий шпат(K₂O·Al₂O₃·6SiO₂). Порцеляну отримують високотемпературною термічною обробкою цієї суміші. З розвитком техніки з'явились різновиди порцеляни: цирконієва, глиноземна, літієва тощо.

Порцеляна має невелику пористість, через що вона непроникна для газу та води, має доволі високу механічнуміцність, термостійкість, електроізоляційні властивості. На зламі має склоподібний вигляд, що спікся. Цінується порцеляна, яка просвічується на світлі.

Електротехнічний фарфор є штучним мінералом, утвореним з глинистих мінералів, польового шпату і кварцу в результаті термообробки по керамічної технології. До числа найбільш цінних його властивостей відноситься висока стійкість до атмосферних впливів, позитивним і негативним температурам, до впливу хімічних реагентів, високі механічна і електрична міцність, дешевизна вихідних компонентів. Це визначило широке застосування порцеляни для виробництва ізоляторів.

Порівнюючи дані по фарфору і кремнійорганічним гумам, можна виділити, що недоліками порцеляни є крихкість, висока щільність, низька теплопровідність, високі діелектричні втрати.

2.4. Слюда.

Слюда є основою великої групи електроізоляційних виробів. Головна перевага слюди - висока термостійкість поряд з досить високими електроізоляційними характеристиками. Слюда є природним мінералом складного складу. В електротехніці використовують два види слюди: мусковіт КАl₂(АlSi₃О₁₀) (ОН)₂ і флогопит КMg₃(АlSi₃О₁₀(ОН)₂.

Високі електроізоляційні характеристики слюди зобов'язані її незвичайної будові, а саме - шаруватості. Слюдяні пластинки можна розщеплювати на плоскі пластинки аж до субмікронних розмірів. Руйнівні напруги при відриві одного шару від іншого шару складають приблизно 0.1 МПа, тоді як при розтягуванні вздовж шару - 200-300 МПа. З інших властивостей слюди відзначимо невисокий tgd, менш ніж 10^-2; високий питомий опір, більше 10¹² Ом  м; досить високу електричну міцність, більш 100 кВ / мм; термостійкість, температура плавлення понад 1200 ° С.

Слюда використовується в якості електричної ізоляції, як у вигляді щипаних тонких пластинок, в.т.ч. склеєних між собою (міканіти), так і у вигляді слюдяних паперів, в.т.ч. просочених різними сполучними (слюдиніту або слюдопласт). Слюдяний папір виробляється за технологією, близькою до технології звичайного паперу. Слюду роздрібнюють, готують пульпу, на машинах з виробництва паперу розгортають аркуші паперу.

Міканіти мають кращі механічними характеристиками і вологостійкість, але вони дорожчі і менш технологічні. Застосування - пазова і виткового ізоляція електричних машин.

Слюдиніти - листові матеріали, виготовлені з слюдяного паперу на основі мусковита. Іноді їх комбінують з підкладкою з склотканини (стеклослюдініт), або полімерної плівки (пленкослюдініт). Папери, просочені лаком, або іншим сполучною, мають кращі механічними і електрофізичними характеристиками, ніж непросочені папери, але їх термостійкість зазвичай нижче.

 Слюдопласт - листові матеріали, виготовлені з слюдяного паперу на основі флогопита і просочені сполучними. Як і слюдиніту, вони також комбінуються з іншими матеріалами. У порівнянні зі слюдиніту вони мають кілька гіршими електрофізичними характеристиками, але мають більш низьку вартість. Застосування слюдиніту і слюдопластів - ізоляція електричних машин, ізоляції електричних приладів

Домашнє завдання.  Вивчити матеріал та створити опорний конспект.

Викладач               Максимова Т. В.