Волокнисті електроізоляційні матеріали

Волокнисті матеріали складаються з окремих тонких, зазвичай гнучких волокон, котрі відрізняються великою величиною відношення довжини до товщини. Їх можна поділити на природні й синтетичні.

До природних волокон відносять матеріали рослинного походження (бавовну, папір), тваринного походження (шовк, вовна) і мінерального походження (азбест).

Групу синтетичних волокон становлять полістирольні, поліетилентерефталатні, поліамідні, поліефірні, поліетиленові й інші волокна, котрі виготовляються шляхом витягування відповідних полімерів з розчинів і розплавів. До цієї групи слід також віднести ацетатний і мідно-аміачний шовки, скляні волокна.

Електроізоляційні папери. З деревини, шляхом її хімічної переробки, одержують технічну целюлозу, чи клітковину, що є сировиною для виготовлення електроізоляційних паперів. За призначенням їх поділяють на конденсаторний, кабельний, просочувальний папір тощо.

Конденсаторний папір є найбільш тонким і високоякісним видом електроізоляційних паперів; його випускають таких марок: КОН - звичайний конденсаторний папір; СКОН - спеціальний поліпшеної якості; МКОН - конденсаторний папір з малими діелектричними втратами. Для підвищення діелектричної проникності та електричної міцності папір просочують різними типами просочувальних мас. Пробивна напруга для певних паперів після просочення становить 240¼680 В, tg d = 0,009¼0,018 при температурі 60 °С, а при температурі 100 °С tg d = 0,01¼0,035.

Мала товщина і можливість просочення дозволяють одержати доволі велике значення питомої ємності паперового конденсатора. Але сьогодні у конденсаторах, застосовуваних в електронній техніці, папір поступово витісняється синтетичними плівками з меншими діелектричними втратами.

Тверді неорганічні діелектрики

Стекла

Стекла  це неорганічні аморфні речовини, що являють собою складні системи різних оксидів. Параметри стекол визначаються їхнім хімічним складом та режимом теплової обробки і тому коливаються в дуже широких межах. Так, за нормальної температури, питомий опір стекол r = 10⁶¼10¹⁵ Ом×м, але для певних стекол може становити 10³ Ом×м, e = 4¼25; tg d = 0,0002¼0,01; Ем = 23¼500 МВ/м.

Межа міцності стекла при розтяганні є невелика (100¼300 МПа) і збільшується з підвищенням вмісту в ньому оксидів кремнію Si2 і кальцію Ca. Лужні оксиди знижують міцність стекол. Скло протистоїть стисканню набагато краще, ніж розтяганню, межа міцності при стисканні становить 6000¼21000 МПа. З теплових властивостей стекол найбільше значення мають температура розм'якшення і температурний коефіцієнт лінійного поширення (ТКl). Необхідно, щоб значення ТКl скла і матеріалів, що сполучуються з ним, були приблизно однаковими, інакше за зміни температури може відбутися розтріскування скла, порушення герметичності в місці введення металевих ніжок у радіолампах.

Типи стекол. У залежності від призначення розрізняють такі основні види електротехнічних стекол: електровакуумні, ізоляторні, стеклоемалі тощо.

Електровакуумні стекла застосовують для виготовлення балонів електронних і газорозрядних ламп, оболонок рентгенівських ламп, горловин кінескопів тощо. Крім того, їх широко застосовують у напівпровідниковій промисловості для одержання металоскляних спаїв у корпусах малопотужних приладів.

Електровакуумні стекла поділяють на групи за ознакою спайності з певним металом чи сплавом. Так, стекла молібденової групи (С47-1¼С49-2) мають ТKl, близький до ТКl молібдену, і при спаюванні з ним утворюють вакуумно-щільні спайки. Стекла вольфрамової групи (С37-1¼С40-1) мають ТKl, близький до ТКl вольфраму, а стекла платинової групи (С87-1¼С90-1) мають ТКl, близький до ТКl платини. Назви стекол

«молібденові», «вольфрамові», «платинові» визначаються не сполукою стекла, а лише тим, що значення ТКl цих стекол є близькі до ТКl молібдену, вольфраму, платини.

У позначенні марки скла після букви С указують величину ТКl і серію розробки. Наприклад, позначення С89-5 належить до скла з ТKl = 89×10-7 К-1, серія 5.

Ізоляторні стекла використовують в якості герметизованих введень у певні типи конденсаторів, терморезисторів, у напівпровідниковому виробництві для виготовлення ізоляторів у металевих корпусах таблеткового типу та ізоляторів у приладах великої потужності. Ці стекла використовують також для ізоляції штиркових введень у корпусах кремнієвих і германієвих транзисторів. Скляні ізолятори для напівпровідникових приладів виготовляють зі стекол С48-1, С49-2, С87-1, С88-1 тощо.

Боросилікатні (С37-1, С37-2, С38-1, С39-1 тощо) і алюмосилікатні (С39-2, С41-1, С48-3 тощо) стекла застосовують для виготовлення ізоляційних підкладок, що є основою для розташування активних і пасивних елементів інтегральних мікросхем. Стекла марок С89-1, С88-3, С48-2, С40-1, С38-1, С37-2 й ін. використовують при виготовленні литого мікродроту в скляній ізоляції. Дуже малий діаметр мікроволокна (до 1 мкм) дозволяє розв’язати в приладобудуванні низку питань, пов'язаних з мініатюризацією, підвищенням точності та стабільності, розширенням діапазону припустимих кліматичних і механічних впливів.

Склоемалями називають склоподібні покриття, які наносять на поверхню виробів з метою захисту від корозії, електричної ізоляції, а також для одержання гарного зовнішнього вигляду. При емалюванні порошок скла подрібнюють, наносять на поверхню виробу й обпалюють. Внаслідок плавлення емаль розтікається поверхнею виробу і після охолодження залишається на ній у вигляді тонкого (0,1¼1,0 мм) суцільного склоподібного покриття. Склоемалі застосовують як електроізоляційний матеріал для трубчастих резисторів, у яких на зовнішню поверхню керамічної трубки нанесено дротову обмотку. Поверхневий шар емалі створює ізоляцію між окремими витками, між обмоткою і навколишнім середовищем, а також

захищає її від впливу вологи, від окислення тощо.

Скловолокно одержують з розплаву скла, частіше з бездугового алюмоборосилікатного. Розплавлена скломаса під дією власної ваги повільно випливає з платинових «човників» через філь’єри діаметром близько 1 мм. Виходячи з філь’єру, нитка намотується з великою швидкістю (близько 30 м/с) на барабан і, не встигаючи охолонути, витягується в тонке волокно діаметром у кілька мікрометрів. При витягуванні відбувається орієнтація молекул, що сприяє підвищенню гнучкості й механічної міцності скла.

Зі скляних ниток виготовляють світловоди, ізоляцію монтажних, обмотувальних і мікроволокон, скляні тканини, які використовують у виробництві нагрівостійких склолакотканин і склотекстолітів. Коротке скловолокно застосовують як наповнювач у преспорошках, що йдуть на виготовлення пластмас. Скловолокно порівняно з органічними волокнами відрізняється більш високою нагрівостійкістю (проводи зі скловолокнистою ізоляцією можуть тривалий час працювати при температурах до 600 °С), підвищеною механічною міцністю (1,6¼25ГПа), досить малою гігроскопічністю (0,2¼4 %), добрими електроізоляційними властивостями. До недоліків скловолокнистої ізоляції відносять підвищену крихкість, низьку стійкість до стирання і згинання і мале значення відносного подовження при розриванні (2¼3 %).

Світловоди являють собою світловедуче волокно, котре складається з двох шарів: світловедучої жили (1) з високим показником переломлення пс та ізоляційної оболонки (2) з меншим показником переломлення пі (рис.2.32 ). Випромінювання, що падає на вхідний торець прозорого світловоду, поширюється по ньому завдяки кількаразовому повному внутрішньому відбиттю від поверхні розділу жили та оболонки і виходить з протилежного торця. У таких світловодах втрати світлової енергії на поверхні розділу жили та оболонки є малі навіть для променів, що зазнають тисячі відбиттів; послаблення світла зумовлене лише поглинанням у матеріалі й відображенням від торців. Тому основний шлях зниження втрат у світловодах - чистота вихідних матеріалів і стерильність виробництва.

У видимій і ближній інфрачервоній області спектра найбільшого поширення набули світловодні волокна, виготовлені з оптичного скла. Для світловедучих жил використовують стекла типу важких флінтів ВФ, баритових флінтів БФ і надважких кронів НВК, а для ізоляційної оболонки застосовують стекла типу крону К чи типу легкого крону ЛК. (Флінти  це лужні стекла з великим вмістом оксиду свинцю; крони - лужні стекла, що містять оксид барію.)

У менш відповідальних випадках, наприклад для цілей освітлення, замість скляних світловодних волокон застосовують більш дешеві пластмасові волокна з поліметилметакрилату, полістиролу й інших пластмас.

Волокна зі світлоізолюючими оболонками діаметром 2¼15 мкм укладають у пучки і спікають, одержуючи багатожильні світловоди діаметром 0,3¼3 мм. Загальне число світловедучих жил доходить до 100000. Ці світловоди передають не лише світловий сигнал, але й зображення з одного торця на протилежний. Щоб уникнути просочування світла з однієї світловедучої жили в сусідні, товщина світлоізолюючого прошарку між ними повинна становити не менш 1 мкм. Світловоди випускають як прямі, так і вигнуті чи закручені (при підігріванні). Джгути з тонких волокон, з'єднані лише на кінцях, є гнучкі. Їхній вигин не порушує передавання ними зображення. Світловоди широко застосовують для передавання різноманітної інформації в обчислювальній техніці, телебаченні, фототелеграфії тощо.

Ситали

Ситали - це склокристалічні матеріали, одержувані за допомогою спеціальної термообробки скла, що призводить до його часткової кристалізації. При виготовленні ситалів у скломасу, крім звичайних оксидів, уводять тонкодисперсні домішки, які слугують для утворення центрів кристалізації. Таким чином, ситали складаються з дуже дрібних кристалічних зерен, скріплених склоподібним прошарком. Вміст кристалічної фази в ситалах досягає 95 %, розміри оптимально розвинутих кристалів становлять 0,01¼1 мкм. Ситали, на відміну від стекол, є непрозорі або лише частково пропускають світло. Сьогодні ситали синтезовано на основі стекол широкого кола сполук: літій-, магній-, барій-, кальцій-, стронцій-, натрійалюмосилікатних, свинцевоборо-алюмосилікатних, калієвотитаносилікатних тощо.

Можливість зміни хімічного складу вихідного скла й режиму його термообробки дозволяє одержати матеріали з рідким сполученням фізикохімічних властивостей: високою механічною міцністю, твердістю, термічною і хімічною стійкістю, а за електроізоляційними властивостями ситали, як правило, перевершують скло однакового хімічного складу. Вони мають більш великий питомий опір і електричну міцність, а також більш низький tg d Інтервал робочих температур становить від –50 до +700°С. Приступність сировини і проста технологія забезпечують невисоку вартість виробів.

Зазначені властивості ситалів дозволяють застосовувати їх при виробництві багатьох приладів електронної техніки, котрі працюють у широкому діапазоні частот і температур. Так, ситал марки СТ-38-1 використовують у НВЧ-приладах як підкладки для атенюаторів, опор для кріплення розрядників. Для виготовлення стрижнів електровакуумних ламп і деталей електронної техніки використовують пластини із ситалу марки СТ-50-2, а ситал марки СТ-50-1 застосовують при виготовленні підкладок тонкоплівкових і гібридних інтегральних схем.