Классификация пассивных диэлектриков.

По агрегатному состоянию диэлектрики подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу можно выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовом изделии представляют собой твердые тела (лаки, эмали, компаунды).

Твердые диэлектрики, используемые в РЭА, можно разделить на три основные группы: полимеры, стёкла, керамика. В каждой из них насчитываются сотни материалов, выпускаемых промышленностью в соответствии с ГОСТами и техническими условиями. Классификация пассивных диэлектриков приведена на схеме (рис. 3.7.)

 

 

Газообразные диэлектрики.

К газообразным диэлектрикам относятся воздух и другие газы. Воздух занимает особое положение, так как он окружает и заполняет большинство радиоэлектронных устройств. Кроме того, при недостаточной пропитке изоляции кобелей, конденсаторов в них могут оставаться воздушные включения и полости, в которых при высоком напряжении возможна ионизация.

К особенностям газов по сравнению с остальными видами диэлектрических материалов относятся:

–высокое удельное сопротивление (у воздуха ρ =10⁴³ Ом·м);

–малый тангенс угла диэлектрических потерь (у воздуха при нормальном давлении и температуре tg d =4·10^-5);

–малая (близкая к единице) относительная диэлектрическая проницаемость;

–восстановление электрической прочности после пробоя и отсутствие старения;

–невысокая электрическая прочность у большинства газов при атмосферном давлении;

Основные параметры газов приведены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2. Основные параметры газообразных диэлектриков.

Газ	Плотность, кг/м3	εr	ЕПР,МВ/м	ТКИП, °С	λ, Вт/(м·к)
Воздух	1,2928	1,00058		-194	0,025537
Азот (N2)	1,2507	1,00058		-195,8	0,04426
Водород (H2)	0,0898	1,00027	1,8	-252,8	0,17445
Углекислый газ (CO2)	1,9768	1,00096	2,7	-78,5	0,02826
Элегаз (SF6)	6,4851	1,00191	7,2	-63,8	0,03198

Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используются азот, водород, углекислый газ. Азот имеет с воздухом практически одинаковую электрическую прочность и часто применяется вместо него для заполнения газовых конденсаторов и других целей, так как не содержит кислорода, оказывающего окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы.

Электрическая прочность гексафторида серы SF₆-элегаза – примерно в 2,5 раза больше, чем воздуха, он нетоксичен, химостоек и находит успешное применение в конденсаторах кабелях и т.д.

Инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.) заполняют газоразрядные приборы.

 

 

Жидкие диэлектрики.

Материалы, для которых жидкое состояние является нормальным рабочим, называются жидкими. Жидкие диэлектрики используют для заполнения внутреннего пространства конденсаторов, кабелей, силовых трансформаторов. Они хорошо пропитывают пористые картоны, бумагу и при этом существенно повышают их диэлектрическую прочность, выполняют роль теплоотводящей среды.

Жидкие диэлектрики по своей химической природе (рис. 3.7) делятся на естественные (нефтяные масла) и синтетические (хлорированные углеводороды, кремнийорганические и др.).

Характеристики некоторых жидкостей приведены в таблице 1.3.

 

Таблица 1.3. Основные параметры жидких диэлектриков.

Наименование	Плотность, кг/м3	ρ, Ом·м	εr	tg δ	ЕПР, МВ/м
Нефтяные масла:
трансформаторное ТК		1014-1015	2,15	0,003
кабельное С-220		1013	2,1	0,003
конденсаторное		1016-1014	2,2	0,003
Синтетические:
совол		1013	5,2	0,005
совтол-10		1012	–	0,006

Нефтяные масла получают из нефти путём её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очистки. Они являются неполярными диэлектриками и обладают следующими преимуществами:

–сравнительно дёшевы;

–имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь и достаточно высокую электрическую прочность (при хорошей степени очистки).

Однако недостаточные пожаро- и взрывобезопасность нефтяных масел, а также их склонность к электрическому старению стали причиной разработки синтетических жидких диэлектриков.

Хлорированные углеводороды получают из различных углеводородов, замещая атомы водорода атомами хлора. Типичный их представитель – совол, являющийся полярным диэлектриком. Замена нефтяных масел на совол при пропитке конденсаторов уменьшает их объём почти в 2 раза. Преимущество совола – в его негорючести. К недостаткам следует отнести сильную токсичность. Из-за ярко выраженной полярности на параметры совола значительно влияют примеси: наличие примесей сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре, но практически не влияет на tg d в области релаксационного максимума потерь (рис. 3.8).

Для уменьшения вязкости совола используют разбавитель – негорючий трихлорбензол. Смесь 90 % совола и 10 % трихлорбензола называется совтол-10 и применяется он как заливочная и пропиточная жидкость.

 

Твердеющие диэлектрики.

К данной группе относятся лаки, эмали, компаунды (рис. 1.2.). Общей чертой этих материалов является образование прочной твердой пленки, способной защищать поверхность изделия или придавать им товарный вид.

Компоненты современной РЭА и её сборочные единицы – радиоэлектронные ячейки – имеют небольшие размеры, почти не содержат механически перемещаемых деталей, часто вскрываемых крышек или отверстий. Это создаёт возможность защищать блоки и ячейки плёнкой, т.е. сплошноё оболочкой из лака, эмали или компаунда. Такой способ защиты и одновременно придания прочности называют бескорпусной герметизацией – “окукливанием”.

Этот способ обладает преимуществами по сравнению с герметизацией в корпусе:

– дешевизна;

– технологичность;

– малые размеры;

– возможность полной автоматизации;

Однако такие оболочки, непосредственно примыкающие к поверхности твердотельного активного прибора или проводника или резистора, могут не только подавлять массообмен между изделием и внешней средой, но и участвовать в нежелательных физико-химических процессах, влияющих на работоспособность РЭА. В этом случае надо учитывать и физическую, и химическую совместимость материалов, что ставит перед конструкторами новые, трудные задачи.

Лаки, эмали и компаунды применяют не только в качестве оболочек компонентов, но и для герметизации крышек корпусов РЭА и её блоков, а также для пропитки намоточных изделий, волокнистых и листовых наполнителей при изготовлении слоистых пластиков. В этом случае их называют пропиточными.

 

 

Лаки.

Лаки – это растворы плёнкообразующих веществ (лаковой основы) в летучих жидкостях. Лаковой основой могут быть природные, искусственные или синтетические полимеры, которые после нанесения плёнки и растворения растворителя в результате химических реакций отверждаются, образуя плотное и прочное покрытие.

По применению электроизоляционные лаки делятся на покрывные, пропиточные и клеящие (рис. 3.9).

Покрывные лаки служат для образования прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой плёнки на поверхности печатных плат, предварительно пропитанных электроизоляционных материалов. Специальные покрывные лаки (эмаль-лаки) наносят непосредственно на металл, создавая на его поверхности электроизоляционный слой (эмалированные проводов, изоляция листов ферромагнетика в расслоённых магнитопроводах).

Лаковые плёнки должны обладать следующими свойствами:

–хорошей адгезией;

–нехрупкостью;

–стойкостью к термоударам и нагреванию во влажной атмосфере;

–в некоторых случаях возможностью пропаять лаковое покрытие для повышения ремонтопригодности изделия.

Лаковые покрытия являются относительно плотными только при малой толщине (15–75 мкм), слои большей толщины отверждаются с образованием капилляров диаметром 1–10 мкм, через которые удаляются пары растворителя. Поэтому увеличение толщины покрытия сверх 100 мкм неэффективно.

Пропиточные лаки используются для пропитки пористой и, в частности, волокнистой изоляции, например, трансформаторов и дросселей. После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными не воздухом, а высохшим лаком, имеющим более высокие электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. В результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность (это важно для отвода тепловой мощности потерь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.

Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твёрдых электроизоляционных материалов, например, клейка листочков расщеплённой слюды при изготовлении миканитов, или для приклеивания изоляции к металлу. Клеящие лаки должны обеспечивать особо высокую адгезию к склеиваемым материалам.

По режиму сушки (рис. 3.9) различают лаки горячей (печной) сушки, требующие повышенной, более 70 °С, температуры, и лаки холодной (воздушной) сушки, которые достаточно быстро и хорошо сохнут при комнатной температуре. Более качественная лаковая плёнка образуется при отверждении в горячем состоянии, когда химические процессы происходят глубже и полнее.

В РЭА применяются лаки на основе смол и полимеров.

 

 

Эмали.

Эмали – пигментированные лаки. Пигментами служат оксиды металлов, которые окрашивают покрытия и делают их непрозрачными, повышают механическую и абразивную прочность, защищают металл от коррозии.

Эмали, как и лаки, пористы, из-за чего могут набухать в атмосфере, содержащей пары воды, но особенно органических веществ. Вследствие двухкомпонентной природы эмали разрушаются под внешним воздействием быстрее, чем лаки, в результате так называемого меления – разрушения с поверхности, сопровождающегося потерей глянца и уменьшением толщины.

 

 

Компаунды.

Компаунды – смеси полимеров с различными добавками, в основном состоят из тех же веществ, которые входят в состав лаковой основы электроизоляционных лаков, но не содержат летучих растворителей и отверждаются без выделения газо- или парообразных веществ. Отсюда следуют их преимущества по сравнению с лаками и эмалями:

– отсутствие пористости даже в сравнительно толстом слое (0,5-1 мм);

– высокая химическая стойкость;

– высокая электрическая прочность.

По областям применения компаунды делятся на пропиточные, назначение которых аналогично назначению пропиточных лаков, и заливочные (рис. 3.10).

Заливочные компаунды служат для заполнения сравнительно больших полостей в радиодеталях и узлах, а также для нанесения сравнительно толстого (0,5-0,8 мм) покрытия.

В РЭА наиболее используются компаунды на основе синтетических смол (рис. 3.10). Эпоксидные компаунды обладают высокой механической прочностью, хорошими электрическими параметрами, малой усадкой при затвердевании, высокими влагозащитными свойствами, однако при их использовании возникают деформирующие усилия. Поэтому для герметизации полупроводниковых приборов и ИС применяют эластичные компаунды на основе кремнийорганических смол. Разработанные составы, например КМ-9, эластичны даже при -50 °C и годятся для герметизации таких чувствительных к механическим нагрузкам материалов, как высокоиндукционные ферриты и пермаллои.

Оптически прозрачные компаунды необходимы при герметизации оптоэлектронных приборов: фотоприёмников, светодиодов, оптопар. Прозрачные покрытия также удобны для защиты печатных плат: в этом случае возможен контроль правильности и целостности коммутации с помощью прокалывающих щупов. Прозрачен, например, эластичный компаунд КМ-9.

 

 

Полимеры.

Полимером называется органическое вещество, имеющее длинные молекулы, построенные из одинаковых многократно повторяющихся звеньев – мономеров. Классификация полимеров по различным признакам представлена на рис.3.11.

По происхождению полимеры делятся на три группы (рис. 3.11.).

Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже: протеин, целлюлоза, крахмал, латекс. Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения, очистки, при которых структура основных цепей остаётся неизменной. Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры: натуральный каучук, целлулоид и др. Синтетические полимеры получают синтезом из низкомолекулярных веществ и не имеют аналогов в природе.

По химической структуре полимеры делятся на линейные и пространственные (рис.3.11.). Сравнительный анализ этих двух групп полимеров дан в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Сравнительный анализ линейных и пространственных полимеров.

	Линейные полимеры	Пространственные полимеры
Макромолекулы	Цепочечные последовательности повторяющихся звеньев между цепочками, действуют силы Ван-дер-Ваальса.	Связаны в общую пространственную сетку.
Свойства	Гибкость, эластичность, легко размягчаются и расплавляются, растворяются в растворителях.	Большая жесткость, высокая температура плавления, значительная часть не растворяется.
При нагревании проявляют	Термопластичность – при нагревании размягчаются, при охлаждении затвердевают без химических изменений.	Термореактивность – при нагревании необратимо изменяют свойства.

 

Полимеры могут быть получены с помощью реакций полимеризации (рис.

3.12,а) либо поликонденсации (рис. 3.12,б).

Реакция полимеризации протекает по схеме nM = M_n, где M – молекула мономера; n – степень полимеризации. При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Такой процесс в естественных условиях невозможен, и все природные полимеры образованы иным путём. Реакция полимеризации проводится в сложной аппаратуре специализированных производств. С помощью полимеризации получают, например, полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат (органическое стекло) и т.д.

Полимеры могут образовываться более простым путём – постепенно от мономера к димеру, затем к триммеру, тетрамеру и т.д. Такое объединение мономеров, их “конденсацию”, называют реакцией поликонденсации, она не требует высоких давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов. Эта реакция реализуется в природе, она может быть легко осуществлена за счёт небольшого нагрева в самых простых условиях.

Поликонденсационные полимеры обладают, как правило, пониженными электрическими свойствами по сравнению с материалами, полученными по реакции полимеризации. Основной причиной этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках остатков побочных низкомолекулярных веществ (воды, кислот, спирта), которые, распадаясь на ионы, увеличивают проводимость материала. Кроме того, молекулы конденсационных полимеров содержат полярные группы, что повышает их угол диэлектрических потерь и гигроскопичность.

Путём поликонденсации получают, например, фенолформальдегидные и полиэфирные смолы.

 

 

Природные полимеры.

К числу природных полимеров, имеющих значение в РЭА, относятся канифоль, шеллак и янтарь. При нагревании они размягчаются и плавятся, в воде нерастворимы, а в спирте, эфире и других органических растворителях растворимы.

Основные характеристики и области применения полимеров, встречающихся в природе, приведены в таблице 3.5.

 

Таблица 3.5. Основные свойства и области применения природных полимеров.

Название	Происхождение	Тип диэлектрика	Область применения
Канифоль	Хрупкая смола, получаемая из смолы хвойных деревьев	Слабополярный	Для изготовления лаков и компаундов, а также как составная часть электроизоляционных смол
Шеллак	Продукт жизнедеятельности тропических насекомых	Слабополярный	В виде спиртового раствора для изготовления клеящих лаков, для слюдяной изоляции, а также для лакирования деталей
Янтарь	Ископаемая смола растений	Слабополярный с высоким ρ	В электроизмерительных приборах, требующих высокое значение сопротивления изоляции (ограничена из-за дороговизны)

 

Линейные полимеры.

Химическая структура и основные параметры некоторых важнейших линейных полимеров, применяемых в РЭА, представлены в таблице 3.6, а основные достоинства и недостатки, области применения этих материалов приведены в таблице 3.7.

Как следует из таблицы 3.6, полиэтилен и фторопласт-4 относятся к неполярным диэлектрикам, полистирол – к слабополярным, а поливинилхлорид и фторопласт-3 – это полярные диэлектрики.

 

Таблица 3.6. Структура и основные параметры линейных полимеров.

Материал	Полиэтилен	Полистирол	Фторопласт-4	Поливинил-хлорид	Фторопласт-3
Структура
Параметры:
ρv, Ом·м	1013-1015	1014-1015	1015-1016	1013-1014	1014-1015
ρδ, Ом	1015	–	1017	1012-1014	1016-1017
εr (1 МГц)	2,3-2,4	2,4-2,6	1,9-2,1	3,0-5,0	2,3-2,8
tg δ (1МГц)	(1-5)·10-4	(1-5)·10-4	(1-3)·10-4	(3-8)·10-2	(1-2)·10-2
Епр, МВ/м	15-20	20-35	20-30	15-20	23-25
Нагревостойкость, °С	80-90	70-80		60-70

 

Таблица 3.7. Особенности и области применения линейных полимеров.

Материал	Достоинства	Недостатки	Области применения
Полиэтилен	Химическая инертность, водостойкость, легко обрабатывается	Низкая нагревостойкость, старение под действием света	“Король пластмасс”: широко используется для изоляции. Изоляция высокочастотных кабелей, изоляционные плёнки.
Полистирол	С различными добавками приобретает ударопрочность, атмосферостойкость, пенистость	Хрупкость, малая устойчивость к действию органических растворителей	Полистироловая плёнка – для производства конденсаторов. Вспененный полистирол – для теплоизоляции и герметизации изделий.
Фторопласт-4	Негорючесть, химическая и радиационная стойкость, негигроскопичность, несмачиваемость водой и другими жидкостями, не изменяет электрическую длину в широком диапазоне температур и частот.	Адгезионно инертен: трудно поддаётся склеиванию. Обладает холодной текучестью и работает плохо под нагрузкой. Дорог из-за обработки на прецизионных станках.	Сплошная или плёночная изоляция, изоляция проводов на атомных станциях, проводов используемых в качестве нагревателей в растворах кислот и щелочей. Диэлектрические части СВЧ волноводов, разъёмов. Подложки тонкоплёночных ГИС СВЧ. Использование в РЭА с фазово-импульсной модуляцией и измерительных фазочувствительных системах.
Поливинил-хлорид	Хорошие механические свойства, высокая химическая стойкость.	Большие потери на высоких частотах.	Изоляция монтажных проводов, кабелей. Использование как конструкционного материала.
Фторопласт-3	Химическая стойкость	Большие потери.	Для изоляции проводов, плёнки для конденсаторов.