Магжан ЭТМ реферат 4. Диэлектрики. Электрические характеристики диэлектрических материалов
 Скачать 0.5 Mb.
|
|
Министерство сельского хозяйства Республики Казахстан НАО «Казахский национальный аграрный исследовательский университет» Факультет «Инженерно-технический» Кафедра «Энергосбережение и автоматика» РЕФЕРАТ На тему: Диэлектрики. Электрические характеристики диэлектрических материалов. Выполнил: Жұмабай.М.Қ Проверил: Дюсенбаев Т.С. Алматы 2023 г.
Введение Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию. К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.  Рис 1. Схема конденсатора с параллельными пластинами с диэлектриком. Две пластины с площадью А находятся на расстоянии d. Когда заряд ±Q находится на пластинах, в промежутке между пластинами возникает электрическое поле E. Диэлектрик поляризуется из-за смещения зарядов в его молекулах и атомах, уменьшая общее внутреннее поле и увеличивая электрическую ёмкость конденсатора Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108см−3. В электродинамике диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь в такой среде сила тока проводимости много меньше силы тока смещения. Под «идеальным диэлектриком» понимают среду со значением , прочие диэлектрики называют «реальными» или диэлектриками (средами) «с потерями». С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ. Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах. Понятие диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике При применении диэлектриков одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств. 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, то есть 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»). В этих случая диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость. Свойства диэлектриков 1.1 Физические свойства К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики. 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, то есть 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). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. 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 и затворов в лазерной технике, электреты и др. Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 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. Наряду с электрическими материалами спрос на диэлектрические материалы растёт день за днём. Это связано с увеличением мощности государственных промышленных предприятий, частных предприятий и с ростом государственных и негосударственных общественных организаций и учреждений. Большой спрос на диэлектрические материалы, также, связан с увеличением количества разнообразных электроприборов и средств связи. В технике используют различные виды диэлектриков, которые изготавливаются в процессе переработки природных ресурсов и химических материалов. Применяемые в народном хозяйстве диэлектрические материалы условно можно классифицировать в виде, показанном на рис. Как известно, диэлектрические свойства материалов определяются расположением атомов и молекул в кристаллической решетке. Химические элементы, входящие в состав материала, а также структура, симметрия и степень упорядоченности кристаллической решетки, определяют как диэлектрические свойства материалов, так и их зависимость от внешних факторов, включая температуру. Водонепроницаемость - твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее. Теплозащита - диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни. Сдерживаемость радиации-диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти. Поляризация-дивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах. Ослабление внешнего поля-диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной. У диэлектриков есть большое количество способов применения. Например, жидкие непереводные вещи используются в создании разных видов масел, которые применяются в транспортных средствах, помогают укрепить промышленные детали и сделать электроизоляцию. Газовые диэлектрики – это азот. Его применение очень широко. Многие используют азот для охлаждения промышленных приспособлений или химических смесей, а во многих печках он помогает избежать сильной газовой протечки, а также часто применяется в высокоточных переключателях. Их можно встретить в каждом доме, в котором присутствуют какие-либо газовые приборы. Огромное спектр применения у твердых диэлектриков. Например, они применяются в проводах, электронных машинах, на станциях и так далее. Эти компоненты используются даже в космосе для поддержки кораблей. Твердые диэлектрики более практичные и многофункциональные, чем прочие агрегатные компоненты, вследствие этого их можно встретить намного чаще. Диэлектрики есть везде, даже в вашем доме. Посмотрите на свои провода, электронные приборы и считок. Везде есть диэлектрики, которые позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогло бы существовать половина приборов и машин. 1.2 Классификация диэлектрических материалов В зависимости от указанных факторов, каждый отдельно взятый диэлектрический материал может по-разному проявлять свои изоляционные свойства, определяющие область его применения. Отметим, что в настоящее время отсутствует единый подход в оценке диэлектрических материалов. В данной работе систематизированы сведения о существующих диэлектрических материалах, проанализированы их преимущества и недостатки. Составлена структурная схема, в которой представлена классификация диэлектрических материалов. Схема строилась на основе разделения всего множества диэлектрических материалов по специфическим особенностям способов их переработки и изготовления (рисунок.2). Если остановиться на совокупности диэлектрических материалов, приведённых на рис.2, то можно отметить следующее. В народном хозяйстве широко используются диэлектрические материалы, состоящие из органических и неорганических элементов. В науке неорганические химические материалы известны как соединения углерода с другими элементами. Поскольку углерод обладает повышенной способностью образования химических соединений, то его роль можно заметить в создании веществ с цепочечными или разветвлёнными молекулами, которые могут образовываться только из атомов углерода или из атомов углерода, между которыми расположены атомы других элементов. К органическим диэлектрическим материалам можно отнести: Электроизоляционные материалы – пассивные диэлектрики, подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (например лаки и компаунды) Назначение электрической изоляции – не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые, предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве, диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов. Наконец, к диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики, т.е. диэлектрики с управляемыми свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.) В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств, которые были рассмотрены в начале настоящего учебного пособия, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также их стоимость и дефицитность. Поэтому для различных случаев применения выбирают разные материалы, с соответствующими физико-механическими и электрофизическими свойствами.  Рис 2. Классификация диэлектрических материалов С развитием электротехнической промышленности параллельно развивалось изготовление диэлектрических материалов из минералов. Технология изготовления минеральных диэлектриков и их разновидностей, настолько усовершенствована, что эти диэлектрические материалы из-за дешевизны и высоких диэлектрических показателей начали оттеснять натуральные и химические диэлектрические материалы. К минеральным диэлектрическим материалам можно отнести: 1) стекло (конденсаторные, установочные, ламповые, щелочные, безщелочные и другие стекла.) - аморфное вещество, которое представляет собой сложную систему различных окислов. Из-за того, что в состав стекла входят такие окислы, как SiO2, CaO, Al2O3 и т.д., диэлектрические свойства стекла заметно улучшаются; 2) стеклоэмаль - это материал, который наносится тонким слоем на поверхность металлических и других предметов с целью защиты их от коррозии; 3) стекловолокно - стеклянные нити, из которых впоследствии ткут стеклянные ткани; 4) световоды - светопроводящий вид стекловолокна, т.е. жгут, скрученный из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стёкол разного состава; 5) ситаллы - кристаллы, в состав которых входят силикаты; 6) керамические материалы (фарфор, стеатит); 7) слюда (миканиты, слюдопласты, микалекс); 8) асбест (асбоцемент) - название группы минералов, обладающих волокнистым строением, представляющие собой волокнистую разновидность минерала хризотила - 3MgO*2SiO2*2H3O. Из представленного краткого обзора диэлектрических материалов можно увидеть их разнообразие. Следует отметить, что, несмотря на такое большое разнообразие существующих диэлектрических материалов, они не всегда могут заменить друг друга. Во многих случаях область использования диэлектрических материалов в основном зависит от их дешевизны, удобства использования, физико-механических и других второстепенных свойств. В некоторых случаях, к применяемым электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. . Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, включая способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому, для различных случаев применения выбирают разные материалы. Под органическими 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 другие металлы, кислород и т.п. Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы за немногими исключениями (фторлоны, полиимиды и пр.) имеют относительно низкую нагревостойкость. Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов: это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, Р и др. Поскольку значение длительно допускаемой рабочей температуры электрической изоляции часто играет первостепенную роль на практике электроизоляционные материалы и их комбинации (электроизоляционные системы электрических машин, аппаратов и др.) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости. Необходимо иметь в виду, что электроизоляционные, механические, тепловые, влажностные и другие свойства диэлектриков заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия примесей, условий испытания и т.д. Достаточно подробная классификация диэлектрических материалов приведена на (рис.3). Основные характеристики и область применения тех или иных диэлектриков достаточно подробно изложены в соответствующей справочной литературе и в виду ограниченности объема в данном пособии не приводятся.  Рис 3 Классификация диэлектрических материалов (ПОСЖ – полиоргсилоксановые жидкости; ФОСЖ – фторорганические жидкости; ХФОСЖ – хлорфторорганические жидкости) 2. Электрические характеристики диэлектрических материалов К электрическим характеристикам диэлектриков относятся: - удельное объемное электрическое сопротивление р, Ом·м или удельная объемная проводимость σ, См/м; - удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs или удельная поверхностная проводимость σs, См; - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, °С-1; - диэлектрическая проницаемость ε; - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε ; - тангенс угла диэлектрических потерь tgδ; - электрическая прочность материала Епр MB/м. Удельное объемное электрическое сопротивление ρ величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля к модулю плотности тока, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества (ГОСТ 19880-74) . Эта величина позволяет оценить электрическое сопротивление материала при протекании через его объем постоянного тока. Для практических измерений часто используют дольную единицу Ом·см. Величина о низкокачественных диэлектриков при нормальной температуре и влажности находится в пределах 106...108 Ом·м, для высококачественных — в пределах до 1014... 1022 Ом·м. Удельная объемная проводимость величина, обратная удельному объемному сопротивлению. В соответствии с ГОСТ 19880-74 удельную объемную проводимость определяют как величину, равную отношению модуля плотности тока проводимости к модулю напряженности электрического поля, скалярную для изотропного вещества, тензорную для анизотропного вещества. Обозначается эта величина о, единица ее измерения См/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление диэлектрика rs это поверхностное сопротивление плоского - участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата (ГОСТ 21515-76), измеряется в омах. Удельная поверхностная проводимость GS величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению (См). Температурный коэффициент удельного электрического Сопротивления это величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. Средняя величина температурного коэффициента удельного электрического сопротивления при линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале температур), °C-1:
где: ρ1 - удельное сопротивление материала при начальной температуре t1; ρ2- удельное сопротивление материала при температуре t2. В общем виде выражение для температурного коэффициента удельного объемного электрического сопротивления имеет вид, °C-1:
Следует отметить, что с повышением температуры, в противоположность проводникам, у диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается. Диэлектрическая проницаемость это величина, которая характеризует влияние среды на силу взаимодействия находящихся в ней зарядов. Различают относительную диэлектрическую проницаемость εr, абсолютную ε и диэлектрическую проницаемость вакуума ε0. Эти величины связаны между собой простым соотношением:
Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, Во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума. Поляризованность диэлектрика P зависит от напряженности электрического поля E и величин εr, и ε0
В газообразных диэлектриках εr, близко к 1, в неполярных жидких и твердых диэлектриках находится в пределах от 1,5 до 3,0, в полярных в пределах от 5 до 103. Величина ε0 = 8,85*10-12 Ф/м. У всех диэлектриков диэлектрическая проницаемость изменяется с изменением температуры и частоты приложенного к диэлектрику напряжения. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТKεr - величина, позволяющая оценить характер изменения диэлектрической проницаемости с изменением температуры:
Если ТКεr > 0, то с повышением температуры диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала возрастает, при ТKεr
Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ это величина, позволяющая определить потери мощности (диэлектрические потери) в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Величину tgδ определяют как отношение мощности диэлектрических потерь к реактивной мощности конденсатора. Произведение tgδ на величину относительной диэлектрической проницаемости называется коэффициентом диэлектрических потерь:
Диэлектрические потери обусловлены наличием в диэлектрике токов проводимости, медленной поляризацией, ионизацией диэлектриков и другими факторами. Для диэлектриков, применяемых в технике высоких напряжений и высоких частот, тангенс угла диэлектрических потерь должен быть не менее 10-3. Электрическая прочность величина, определяющая способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Электрическая прочность диэлектрика в однородном поле, В/м:
где Uпр величина приложенного к диэлектрику напряжения, - при котором произошел пробой, B; d - толщина материала в месте пробоя, м. На практике электрическую прочность измеряют также и в кВ/мм. В соответствии с происходящими в диэлектрике процессами различают следующие виды пробоев: - электрический (электронный) пробой, обусловленный ударной (10-8... 10-5 c) ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами; - электротепловой пробой, обусловленный нарастающими диэлектрическими потерями и выделением теплоты в диэлектрике в пределах времени 10-3...10-2 C. - электрохимический пробой, обусловленный электрическим старением диэлектрика, т.е. Медленным изменением структуры и химического состава диэлектрика в течение времени 103...108 С, которое называют также временем жизни диэлектрика. Значения электрической прочности и пробоя для диэлектриков определяются в соответствии с ГОСТ 6433-71. Физические параметры: Удельный ВБР, относительная индуктивность, температурный коэффициент индуктивности, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц, электрическая прочность Диэлектрический материалы: полиэтилен, полистирол, фторопласт, полипропилен, полиэстер, поликарбонат, полиимид, поливинилхлорид, гетинакс, стекловолокно, бакелит, эпоксидные компаунды, слюда, кварцевое стекло, щелочное стекло, керамика, фарфор, изоляторы, ультрафарфор, алюминооксид, поликор, брокеры , стеатитовая керамика, цельциановая керамика, рутиловая керамика, сегнетоэлектрики (таблица.1) Таблица 1. Диэлектрические материалы и их свойства .  2.1 Диэлектрические материалы стекла, полимеры, пластмассы Силикатное стекло – старейший из известных материалов. Основа строения их – комплекс SiO44 – тетраэдр с очень прочными связями Si = O, и кислородным мостиком, (рис. 4). В нем имеется ближний порядок (т.е. правильная ориентация атомов распространяется на значительно меньшее расстояние, чем в кристалле). Стекла термодинамически неравновесны и из-за различных наполнителей не всегда имеют упорядоченную структуру.  Рис. 4 Силикатное стекло SiO44 Определенный химический состав имеет только кварцевое стекло, поэтому стекла не имеют определенной температуры плавления, (рис. 5).  Рис. 5 График плавления стекла Накопленный опыт, однако, позволяет широко использовать в науке и технике. Преимущество стекол по сравнению с другими следующие: Совершенная изотропия свойств и их объемная однородность (обусловленная методом получения – затвердевания хорошо гомогенизированных расплавов). Малая газопроницаемость, вакуумоплотность (экспериментально проверяется с помощью гелиевого течеискателя и характеризуют гелийнепроницаемостью. Низкая адсорбционная способность, стабильность и абразивная устойчивость поверхности (что позволяет легко дегазировать и отмывать такую аппаратуру). Широкий диапазон состава и возможность управлять многими физическими свойствами: электрическими, механическими оптическими, теплофизическими. Высокая технологичность (обработка стеклодувным способом, свариваемость с другими стеклами, керамикой, полупроводниками, металлами (с любыми материалами, обладающими достаточной теплоемкостью). Удобно получать в виде тонких пленок вакуум-термическими методами). Недостатки стекол: низкая теплопроводность; хрупкость и низкая механическая прочность; низкая точность обработки стеклодувными методами. Стойкость материалов. Способность материалов сохранять прочность при быстрой смене температур (термоудару) тем выше, чем меньше ТКЛР. Кварцевое стекло обладает наименьшим ТКЛР (510-7 К-1) и выдерживает (термоудар) смену температур 1300 К – вода. Перепад температуры по толщине тем меньше, а следовательно, стойкость к термоудару тем выше, чем тоньше стенки изделия. (На рис. 6) приведено распределение температуры по толщине стекла при нагреве (а) и при охлаждении (б). 
Рис 6. Поверхностные слои сжаты(a). Поверхностные слои растянуты(b) Полимеры – органические вещества, длинные молекулы которых построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев – мономеров. Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n (т.е. числом звеньев в цепи). Степень полимеризации растет nмах достигает 104 и при этом длина молекулы составляет несколько микрометров. (Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации и лежит в пределах 103…3105). Столь большая длинна молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьируется от аморфной до частично кристаллической (которая тоже оказывается не совершенной). По происхождению полимеры делятся на три группы: Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, кожи. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс. Результат их очистки и переработки (модификации) – искусственные полимеры: натуральный каучук (из латекса), целлулоид (нитроцеллюлоза, пластифицированная камфорой для повышения эластичности). Но их мало. Рост производства стал ощутим лишь за счет синтетических полимеров (синтезированных из низкомолекулярных веществ не имеющих аналогов в природе). По химической структуре они делятся на линейные, разветвленные, сетчатые, пространственные. Линейные – термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять (связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов). Разветвленные (привитые) полимеры более прочные, которые в процессе контролируемой модификации разветвлений, создают термопластичные полимеры. Сетчатую структуру имеют мономеры с сильно ограниченной (из-за взаимных связей) подвижностью. Вулканизация мягкой резины (серой) дает ковалентные связи типа S-O и прочность растет. Происходит и старение с потерей эластичности и работоспособности (от света, тепла, облучения…). Можно довести его до состояния, когда полимер потеряет возможность плавиться или растворяться – т.е. станет термореактивным. Такие полимеры обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет и использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующих в композиционных материалах. Реакционноспособные молекулы термореактивных полимеров могут образовываться более простым и естественным путем – постепенно от мономера к димеру, потом к триммеру, тетрамеру и т.д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни ВЧ, ни давления, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (водяного пара). Именно эта реакция реализуется в природе, она легко реализуется в обычных (домашних) условиях. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров дает широкие возможности изготавливать различные изделия для РЭА. Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи. Механическая прочность полимеров зависит от времени (т.е. предельная деформация устанавливается не сразу после приложения нагрузки и напряжения не пропорционально деформации – как это следует из закона Гука, (рис. 7) поэтому обычные методы испытаний дают неоднозначные результаты.  Рис.7 Механическая прочность полимеров Коэффициент теплопроводности полимеров значительно меньше других твердых тел (Кт ≈ 0,2…0,3 Вт/(мК)) и они являются теплоизоляторами. ТКЛР их равен (10-4…10-5 К-1) но обладая высокой эластичностью они хорошо сопрягаются с металлами и полупроводниками (наносятся в виде пленок). Нагревостойкость полимеров низкая – 320…400 К и кроме размягчения может наблюдаться потеря массы. Последнее допустимо, если величина потерь < 0,1…1 %. Нагревостойкими считаются полимеры работающие до 500 К, а работающие до 600… 700 относят к высоконагревостойким. Разработка таких полимеров очень перспективна для промышленности. Из химических свойств полимеры обладают высокой химической стойкостью к неорганическим реактивам и меньшей к органическим. Они неустойчивы в средах с окислительными свойствами, но есть и такие, химическая стойкость которых выше Pt и Au. Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов ИС. Но полимеры не являются вакуумноплотными и поэтому используются при значительной толщине покрытия для защиты металла от коррозии. Используются и их пассивирующее действие (на дефекты) на активные центры металла, что подавляет коррозиционное действие влаги. Большинству полимеров характерно старение - необратимое изменение структуры и свойств (снижается прочность), это совокупность химических процессов, приводящих в агрессивных средах к изменению строения и молекулярной массы называется еще химической деструкцией. Полимеры, как правило, являются лучшими диэлектриками, обладающие электрическими параметрами, лучшими в современной технике, но все их параметры зависят от строения и содержания анионов (Cl–, F–, I–), катионов (H+, Na+) и других примесей. С ростом влажности ρs падает (из-за адсорбции влаги) у ряда полимеров. Пластмассы (пластики) – это материалы на основе полимеров, с различными наполнителями или без них, находящиеся при формировании изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – стеклообразном или кристаллическом. (Пластик наряду с полимером входит в наполнители, причем в термопластичные их вводят реже и в меньших количествах, чем в термореактивные. Поэтому понятие термопластичный полимер, "термопласт", "пластик", обычно совпадают). Признаком термопластиков являются два перехода - плавление и стеклование, которые происходят плавно и механические свойства почти непрерывно и обратимо изменяются при изменении температуры. Сегодня лишь 2 – 3 % мирового производства полимеров составляют целлулоидные пластики, тогда как примерно 75 % – синтетические термопласты, причем 90 % из них приходится на долю трех: полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид. Полистирол – неполярный полимер, рабочий температурный диапазон 210…350 К. Введением добавками его можно сделать: ударопрочным, теплостойким, антистатическим, атмосферостойким, пенистым. Недостатки полистирола - хрупкость, низкая устойчивость к действию органическим растворителям ( толуол, бензол, четыреххлористый углерод, легко растворяют полистирол; в парах бензина, скипидара, спирта он набухает). Полиэтилен – полимер – король пластмасс. Регулируя степень кристаллизации, условия синтеза и добавки, прочность его можно изменять от 8 до 15 ГПа, относительное удлинение 500...100%. Обладает исключительно высокой стойкостью против химической деструкции (за 10...12 лет эксплуатации прочность снижается 1/4). Удельное сопротивление составляет 1014 ...1016 Омсм, tgδ = 0,0005, Епр = 30 МВ/м. Недостаток полиэтилена - сравнительно низкая нагревостойкость. Фторопласт (политетрафторэтилен – ПТФЭ) – один из самых термостойких и холодостойких полимеров, сохраняет механическую прочность в интервале 3...600 К. Плотность – 2,2...2,5 гр/см3, относительное удлинение 250...500%, температура разложения не менее 673 К, ТКЛР при 293 К – 2,510-5 К-1 при 383 К – 110-4 К-1. Удельное сопротивление 1018... 1020 Омсм, слабо зависит от влажности и температуры (при Траб.мах. (573 К) оно снижается лишь в 100...1000 раз; tgδ = 0,0002; Епр = 40...80 МВ/м). Заключение В заключение моего реферата по диэлектрикам, можно сказать, что эти материалы являются важным классом веществ в электротехнике и электронике. Они обладают высокой изоляционной способностью, что делает их незаменимыми в конструкции конденсаторов, трансформаторов, кабелей и других устройств. Основными характеристиками диэлектрических материалов являются диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая прочность, коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь, объемное и поверхностное сопротивления, а также температурные и механические свойства. Для различных применений требуются диэлектрики с различными характеристиками, поэтому на сегодняшний день существует множество видов диэлектрических материалов, каждый из которых имеет свои особенности и преимущества. Важно правильно подбирать материалы для конкретных задач и учитывать их электрические характеристики для достижения наилучших результатов. Важно отметить, что диэлектрики могут быть подвержены электрическому пробою при достижении определенного значения напряжения. Поэтому, при проектировании устройств с использованием диэлектрических материалов, необходимо учитывать их максимально допустимое напряжение для избежания повреждений и аварийных ситуаций. В целом, изучение электрических характеристик диэлектрических материалов является важным для понимания их свойств и возможностей применения. Развитие технологий и науки в этой области позволяет создавать все более совершенные и эффективные устройства, основанные на использовании диэлектриков. Также стоит отметить, что диэлектрические материалы играют важную роль в различных областях науки и техники, таких как электроэнергетика, электроника, связь, медицина, авиация и космическая промышленность. Благодаря своим свойствам, диэлектрики могут быть использованы в качестве изоляционных материалов, волноводов, датчиков, акустических и оптических устройств и многих других. Кроме того, разработка новых диэлектрических материалов и улучшение их свойств становится все более актуальной в связи с постоянным ростом требований к эффективности, надежности и безопасности устройств. Это побуждает ученых и инженеров постоянно совершенствовать существующие материалы и разрабатывать новые. Список используемой литературы
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||