Жидкие диэлектрические материалы

Основные классы жидких диэлектрических материалов представлены в виде схемы на рисунке 4.2, а их основные диэлектрические свойства приведены в таблице 4.3.

Трансформаторные масла используют для заполнения трансформаторов и высоковольтных масляных выключателей. Заполняя поры в изоляции и промежутки между деталями трансформатора, масло повышает электрическую прочность изоляции и улучшает в 28 раз отвод тепла в окружающую среду по сравнению с воздухом.

Рисунок 4.2 – Классификационная схема жидких диэлектрических материалов (ДМ)

В высоковольтных выключателях при разрыве контакта возникает дуговой разряд. Если это происходит в масле, то под действием высокой температуры образуются газы под большим давлением, что приводит к гашению разряда, т.е. масло обладает дугогасящими свойствами.

Конденсаторное масло отличается от трансформаторного особо тщательной очисткой и применяется для пропитки бумажных конденсаторов.

Кабельное масло используют для пропитки бумажной изоляции кабелей и заполнения маслонаполненных кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ.

Хлорированные углеводороды, в частности совол, применяют для пропитки и заливки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью, рассчитанных на большие рабочие напряжения.

Фторорганические жидкости характеризуются высокой химической инертностью, негорючи и имеют высокую стабильность свойств при температурах до 500 °С. Применяются для пропитки и заливки конденсаторов, для охлаждения выходных каналов клистронов и т.д.

Органические эфиры используют в высокочастотных конденсаторах, т.к. tg δ уменьшается с ростом частоты внешнего поля и, кроме того, ε и tg δ слабо зависят от температуры среды.

Используются для смазки и пропитки волокнистых материалов, стекла, керамики, пластмасс, а также применяются в качестве масел в вакуумных насосах. Обладают высокой термостойкостью и химической инертностью.

Жидкие диэлектрики растительного происхождения в радиоаппаратуре практически не используются.

 

17. Пластмассы: состав, достоинства и недостатки, типы и применение.

Пластмассы – это материалы полностью или частично состоящие из полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять её после охлаждения. Это композиционные материалы. В качестве наполнителей используют древесную муку, порошок слюды, бумагу, ткань и др. (60-65%).Они обуславливают механическую прочность, нагревостойкость. Связующим элементом обычно являются полимеры.

В пластмассы вводят пластификаторы для уменьшения хрупкости и для повышения холодостойкости. Это маслообразные синтетические жидкости с высокой температурой плавления.

В пластмассы могут вводить красители, чтобы придать определённую окраску. Могут входить стабилизаторы, чтобы замедлить процессы старения.

Свойства пластмасс:

Достоинства:

высокие электроизоляционные свойства;

высокие антикоррозионные свойства;

механически прочны, легкие;

сырьё недорогое и доступное (это нефтепродукты, природный газ);

переработка пластмасс в изделия – процесс дешевый и несложный (метод горячего пресса (130-180°С), может быть холодная прессовка при 20°С, но затем несколько часов тепловой обработки).

Недостатки:

ползучесть – способность материала медленно деформироваться на холоде под действием постоянных механических нагрузок;

сравнительно невысокая теплостойкость;

пониженная прочность при переменных нагрузках;

быстрое по сравнению с другими материалами старение.

Применение и типы пластмасс:

Пластмассы, частично состоящие из полимеров называются композиционными.

Композиционные пластмассы используются как электроизоляционный материал в РЭА и чисто конструкционный материал – корпус радиоприемника, телевизора, измерительных приборов, ручки, кнопки, клеммы, ламповые панельки, штепсельные разъемы, наушники и т.д.

Пластмассы на основе термопластичных полимеров. Они изготовляются преимущественно из

термопластов без наполнителей. К ним относятся полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, капрон, фторопласт-4 д.р.

Применяются они как изоляция ВЧ-кабелей, радиолокационные и телевизионные установки, каркасы катушек, из полистирола и фторопласта-4 изготавливают термостат для ВЧ конденсаторов с большой емкостью, высокого сопротивления изоляцию.

Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол – фенопласты (коричневого или черного цвета). Их недостаток это низкая стойкость к электрическим разрядам.

Пластмассы на основе анилиноформальдегидных смол – аминопласты (могут быть любой окраски)

Слоистые пластмассы – наполнитель является волокнистые материалы (гетинакс, текстолит).

Пластмассы на основе природных полимеров целюлоид – твердый раствор нитратацеллюлозы в камфаре. А целлюлоза – главная основа клеток растений. Выпускается технический целлюлоид и галантерейный. Из технического делают шкалы измерительных приборов, линейки, угольники, киноленты, а галантерейный – галантерею и игрушки.

 

18. Компаунды: состав, свойства и применение.

Компаунды – это смесь синтетических или природных смол, битумов или воска с наполнителем (кварцевая мука, тальк) отвердителем и пластификатором.

Они применяются для пропитки и заливки элементов РЭА – трансформаторов, блоков, монтажных плат, катушек, дросселей с целью защиты этих элементов от воздействия атмосферы, повышения электроизоляционных свойств, улучшения отвода тепла, повышения механической прочности.

Компаунды разделяются на заливочные для заполнения больших пространств между элементами аппаратуры и пропиточные для заполнения зазоров между витками обмоток или пор в пористых или волокнистых диэлектриках.

Компаунды разделяются на термореактивные для работы при повышенных температурах и термопластичные – для работы при низких температурах.

Термопластичные – битумный, церезиновый компаунды. Нагревостойкость низкая +45, 70 С.

Термореактивные – метакриловый, полиуретановый, эпоксидный компаунды. У них повышенная нагревостойкость 120-140°C градусов Цельсия и до 200°C, холодостойкость –60°C. Обладают хорошей адгезией ко всем конструкционным материалам.

Обработка элементов РЭА компаундами проводится в жидком состоянии, при этом может быть 3 метода:

- компаунд жидкий, нагретый: опускают изделие в компаунд и потом происходит, охлаждение компаунда, его отвердевание.

- компаунд жидкий при комнатной температуре с отвердителем: отвердение без нагрева за счет химической реакции с отвердителем.

- компаунд жидкий при комнатной температуре наносят на изделие, а отвердевание его происходит при последующем нагреве (сушат) за счет реакции полимеризации.

Битумные компаунды – заливочные, используются для заливки муфт, кабельных соединении.

Церезиновые компаунды – пропиточные, для пропитки обмоток электрических машин.

Метакриловый компаунд – заливочный и пропиточный применяется для герметизации блоков РЭА, работающих при высокой влажности и НЧ.

Полиуретановые компаунды – заливочные, пропиточные для высоковольтных трансформаторов отклоняющих и фокусирующих устройств, конденсаторов, катушек индуктивности.

Эпоксидные компаунды – самые распространенные – для пропитки заливки узлов РЭА, в том числе ИС.

 

19. Неорганические стекла: состав, свойства и применение.

Стекла – неорганические термопластичные аморфные вещества, представляющие собой сложные системы различных окислов SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, Na₂O, K₂O (щелочные металлы), щелочноземельные (CaO, BaO), ZnO.

Большинство стекол состоят из SiO₂ – это силикатные стекла.

Получение стекол и стеклянных изделий. Сырьем служат следующие материалы: кварцевый песок, сода, известняк, доломит, сульфат натрия, борная кислота, сурик, полевой шпат. Все эти материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях, тщательно перемешивают, полученную шихту загружают в стекловарочную печь. При нагревании шихта плавится, летучие соединения удаляются, а оставшиеся окислы вступают в химические реакции друг с другом, в результате чего и образуется однородная кашеобразная стекломасса, из которой получают листовое стекло или стеклянные изделия. Стекло получается при быстром охлаждении стекломассы. Горячее стекло, благодаря своей пластичности, легко обрабатывается путем выдувания (баллоны электровакуумных приборов, химическая посуда), путем прессования, отливки и так далее. Нагретые стеклянные части можно приварить друг к другу, а так же к деталям из металла, керамики. Таким образом, из стекла можно получить изделия любой, в том числе и сложной конфигурации.

Изготовленные стеклянные изделия подвергаются отжигу, чтобы снять внутренние механические напряжения, возникающие при остывании. Отжигание состоит в нагреве до достаточно высокой температуры, а затем медленно охлаждают. Особо прочные на удар стеклянные изделия получают путем закалки стекла – это очень быстрое и равномерное охлаждение в потоке воздуха или жидкости.

Стекла подвержены механической обработке в холодном состоянии. Их можно резать алмазом, шлифовать, полировать, сверлить, например, победитовыми или латунными сверлами с применением абразивов.

Можно проводить матирование поверхности стекла путем кратковременных воздействий плавиковой кислоты. Стекло покрывают парафином. Надписи, деление на шкалах наносят процарапыванием штрихов в слое парафина до поверхности стекла и погружением в плавиковую кислоту.

Металлизация стекла – нанесение металла в вакууме; вжиганием Ag и Pt пасты при t t размягчению стекла.

Свойства стекол: зависят от состава стекол.

Наилучшими электроизоляционными свойствами обладает кварцевое стекло, удельное сопротивление стекла резко уменьшается при введении окислов щелочных металлов Na₂O, K₂O.

Окислы тяжелых металлов (бария, Ti, Pb) приводят к значительному увеличению удельного сопротивления стекол. И при высокой температуре у таких стекол электроизоляционные свойства лучше, чем у кварцевого стекла. Поверхностная проводимость зависит от наличия загрязнений поверхности и увеличивается при увеличении загрязнения.

Стекла с большой плотностью имеют более высокие значения ε, что зависит от их состава. Содержания Na₂O повышает ε у силикатных стекол увеличивается при увеличении температуры.

Стекла, содержащие в большом количестве окислы тяжелых металлов (PbO, BaO) отличаются маленьким tgd при нормальных и при повышенных температурах.

При значительном увеличении f tgd у большинства технических стекол увеличивается и только у кварцевого стекла, он практически не изменяется.

Электрическая прочность зависит от однородности поля. В однородном поле электрическая прочность очень велика E_пр = 500 Мв/м. Пробой стекла носит электротепловой характер.

Из изложенного следует, что изменяя химический состав, можно получить различные сорта стекол, которые имеют различные характеристики, что обеспечивает их различное применение.

20. Керамика: состав, свойства и применение.

Слово керамика произошло от греческого слова «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамикой. В настоящее время под керамикой понимают изделия и материалы, полученные спеканием глин с минеральными добавками, а так же окислов и других неорганических соединений. В общем случае керамический материал состоит из нескольких фаз (кристаллической, стекловидной газообразной фаз). Основной фазой является, кристаллическая фаза; от нее зависят такие свойства керамики как диэлектрические потери, ТКЛР, механическая прочность. Это обычно различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.

Стекловидная фаза – это прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Она определяет такие свойства керамики как температура спекания, степень пластичности, плотность, гигроскопичность. Газовая фаза – это газы в закрытых порах, приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, так как при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации этих газовых включений наблюдаются диэлектрические потери, и электроизоляционная прочность керамики уменьшается.

Для современной радиоэлектроники керамика имеет важное значение, благодаря своим положительным свойствам:

- высокая нагревостойкость;

- отсутствие гигроскопичности;

- хорошие электроизоляционные характеристики при достаточной механической прочности;

- стабильность характеристик и надежность;

- стойкость к развитию плесени и поражению насекомыми;

- стойкость к воздействию радиации;

- сырье доступное и дешевое;

- процесс получения керамических изделий технологичен, может быть полностью автоматизированным;

- путем изменения состава массы и технологии можно получать керамику с заранее заданными характеристиками.

В РЭА используется наиболее высококачественная керамика – радиокерамика. Она делится в зависимости от назначения:

- А – ВЧ - для конденсаторов

- В – НЧ - для конденсаторов

- Б – ВЧ - для установочных изделий

- Г – НЧ - установочная керамика

Конденсаторная керамика используется для изготовления НЧ и ВЧ конденсаторов низковольтных и высоковольтных. Желательно чтобы конденсаторная керамика имела, возможно, меньшее значение ТКr.

Установочная керамика применяется для изготовления разного рода изоляторов (опорных, подвесных, антенных проходных изоляторов РЭА, подложек ИМС, ламповых панелей, внутри лампового изолятора, корпус резистора, каркас катушек индуктивности, основание электрических печей).

 

21. Сегнетоэлектрики: материалы, их особенности и свойства.

Сегнетоэлектриками называют материалы, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определенном интервале температур.

Спонтанная поляризация – это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетоэлектриков.

Объем сегнетоэлектрика разделен на домены, которые представляют собой макроскопические области с различным направлением векторов спонтанной поляризованности Р_с. В отсутствие внешнего электрического поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. При воздействии внешнего электрического поля векторы спонтанной поляризации диполей ориентируются в основном в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, следствием чего является сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости ε.

Сегнетова соль обладает следующими свойствами и недостатками:

Зависимость от влажности окружающее среды; при нормальной температуре и влажности воздуха более 85% начинает поглощать пары воды и медленно растворяется; при влажности менее 35% происходит обратный процесс – дегидратация (обезвоживание), т.е. выделение входящей в структуру кристаллизационной воды;

низкая нагревостойкость; при повышенной температуре сегнетова соль распадается на тартрат натрия, тартрат калия и их насыщенные растворы с выделением воды;

анизотропия, позволяющая вырезать образцы только в определенной плоскости.

Эти недостатки ограничивают применение сегнетовой соли в технике.

Сегнетокерамические материалы обладают различными свойствами, на которые оказывают влияние химический состав и концентрация примесей. Из сегнетокерамических материалов широко применяется конденсаторная сегнетокерамика, нелинейная керамика, терморезистивная сегнетокерамика и сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса.

К конденсаторной сегнетокерамике относят материалы на основе титаната бария BaTiO₃.

Титанат бария обладает следующими свойствами:

высокие значения диэлектрической проницаемости ε и резко выраженная ее зависимость от температуры Т и напряженности электрического поля Е;

нелинейный характер зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, вследствие чего имеет место нелинейная зависимость емкости конденсаторов от напряженности электрического поля;

возможность подбирать составы с очень высокими значениями диэлектрической проницаемости и с различной ее зависимостью от температуры и напряженности электрического поля; такими составами являются твердые растворы титаната бария в других соединениях, например в титанате стронция SrTiO₃, титанате кальция CaTiO₃, станнате бария BaSnO₃ и др.

Конденсаторная сегнетокерамика применяется для изготовления нелинейных конденсаторов, которые используются для диэлектрических умножителей частоты, в усилителях напряжения и мощности, стабилизаторах.

Нелинейная сегнетокерамика обладает более резко выраженной нелинейной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, чем у титаната бария.

Нелинейные диэлектрические конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения, называют варикондами (слово «вариконд» произошло от слов «вариация» и «конденсатор»).

Конструктивно вариконды выполняют в виде дисковых или пленочных плоских керамических конденсаторов.

Уменьшение толщины слоя керамики до нескольких десятков микрон позволяет получить пленочные вариконды, которые работают при весьма низких напряжениях.

Терморезистивную сегнетокерамику по характеру электропроводности (удельное электрическое сопротивление ρ<10⁹ Ом ∙ м) можно отнести к полупроводникам, однако благодаря спонтанной поляризации и фазовому переходу в точке Кюри терморезистивная сегнетокерамика обладает рядом свойств, которые не присущи полупроводникам.