1.1 Классификация диэлектрических материалов
1) Классификация диэлектриков по области применения. Все диэлектрические материалы делят на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.
а) электроизоляционные материалы используют для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Б) диэлектрики в электрических конденсаторах используют для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.
2) Классификация диэлектриков по возможности управления электрическими свойствами. Диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты и др.).
3) Классификация диэлектриков по их агрегатному состоянию Диэлектрические материалы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).
4) Классификация диэлектриков по их химической природе. Все диэлектрики делятся на органические и неорганические.
Органические диэлектрики - это вещества построенные на основе соединений углерода и водорода; они могут содержать также, кислород, азот, галогены или иные элементы. (полимеры, смолы, резины и т. п.).
Неорганические диэлектрики содержат кремний, кислород, алюминий (алюмосиликаты) и др. элементы (керамика, фарфор, стекло, ситаллы, слюда и т. п.).
Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.
1.2 Твердые органические диэлектрики
1.2.1 Органические полимеры
Среди диэлектриков особое значение имеют полимерные вещества.
Полимерами называют химические соединения, молекулы которых (макромолекулы) построены из большого числа одинаковых или разных атомных группировок, соединенных друг с другом в длинные цепи.
Повторяющиеся атомные группировки, из которых построены полимерные цепи, называют структурными (мономерными, элементарными, повторяющимися) звеньями.
Исходные вещества, из которых получают полимеры, называют мономерами. Мономеры, используемые для производства синтетических полимеров, получают путем химических превращений из природного газа, нефти каменного угля.
Схематично реакцию получения полимера путем полимеризации обычно записывают следующим образом:
n
CH2
= CH –Сl
–CH2
– CH–
винилхлорид Cl n
(мономер) поливинилхлорид
(полимер)
Вышеприведенная формула полимера носит упрощенный, схематичный характер, т.к. в ней не учтены различные виды неоднородностей в построении цепи макромолекулы, которые могут возникнуть в процессе синтеза полимера.
Степень полимеризации (n) показывает число структурных звеньев, входящих в состав цепи макромолекулы.
,
где Ммм – молекулярная масса макромолекулы; Мстр. зв. – молекулярная масса структурного звена макромолекулы.
Полимеры, у которых степень полимеризации макромолекул больше 500, обычно относят к высокомолекулярным соединениям (ВМС). Средняя молекулярная масса большинства ВМС превышает 10000. Например, молекулярная масса полиэтилена высокого давления (ПЭВД) находится в пределах 25000-100000, полиэтилетерефталата (ПЭТФ) - 10000-15000. У синтетических ВМС молекулярная масса иногда достигает 2106, а у некоторых природных ВМС, например, у молекул ДНК достигает 6 млн.
Полимеры, имеющие n от 3 до 500, называют олигомерами. Молекулярная масса олигомеров обычно имеет значение от 1000 до 10000. В дальнейшем под названием полимеры мы будем подразумевать высокомолекулярные соединения.
Вследствие особенностей способов промышленного получения ВМС их макромолекулы оказываются различными по своей длине и, следовательно, по молекулярной массе, а также степени полимеризации. Образец любого синтетического полимера неоднороден по длине цепи и содержит макромолекулы различной массы от сравнительно небольшой (Мn = 1000 - 10000) до очень больших (Мn = 105 - 106), а также макромолекулы промежуточных размеров. Это свойство полимеров называют полидисперсностью или полимолекулярностью..
Молекулярная масса полидисперсных полимеров является средней статистический величиной и определяется видом молекулярно-массового распределения (ММР) и способом усреднения.
ММР – это соотношение количеств макромолекул различной молекулярной массы. Для нахождения ММР полимер фракционируют - разделяют на фракции методами дробного осаждения, дробного растворения, седиментации, гель-хроматографией и др. Макромолекулы полимера в каждой фракции близки по значению молекулярной массы.
Чем меньше у полимера полидисперсность, тем более стабильные у него физико-химические показатели, например, более четко выражена температура плавления (в небольшом диапазоне температур).