Классификация диэлектриков.
По применимости в аппаратуре. Все диэлектрики делятся на 2 большие группы: изоляционные диэлектрики (установочные), конденсаторные диэлектрики (накопительные).
Вполне очевидно, что изоляционные диэлектрики используются для создания изоляции между токоведущими элементами схемы (изоляция проводов, диэлектрический носитель печатного монтажа или какие-то установочные диэлектрические элементы (крепления, элементы корпуса, крепежа)). Конденсаторные диэлектрики используются для создания требуемых значений емкости, в некоторых случаях они используются для обеспечения определенного характера зависимости емкости от внешних факторов.
Отнесение диэлектрика к той или иной группе не может быть абсолютно однозначно, т.к. в различных условиях один и тот же диэлектрик может выполнять разные функции. Например, оксид кремния используется и как изоляционный материал, так и для изготовления конденсаторов в микросхемах, при этом оксид кремния является маскирующими материалом, так же β- оксид кремния является кварцем. Отнести оксид кремния к какой либо группе сложно.
В общем виде можно утверждать, что для разных групп диэлектрических материалов их набор характеристик имеет разные весовые коэффициенты.
Для изоляционных диэлектриков
1)Самой важной характеристикой является напряжение пробоя Uпр, 2) второй по важности параметр материала – обеспечивать наименьшие потери – tgδ (тангенс угла электрических потерь), 3) ε – диэлектрическая проницаемость, 4) ТКε – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
Для конденсаторных: 1) ε = С/С0, 2) tgδ, 3) ТКε, 4) Uпр.
Очень редко диэлектрики применяются только как изоляционные или только как конденсаторные, но такое бывает. Например, широко распространенные материалах поли винил хлорид (ПВХ) – это типичный изоляционный материал, примерно 90% изоляции выполнено с использованием ПВХ. А, к примеру, титанат стронция – это чисто конденсаторный диэлектрик, и его очень сложно использовать как изоляцию из-за чисто механических свойств: ПВХ – пластичный материал, легко создающий изоляцию вокруг провода.
Все конденсаторные диэлектрики так же делятся на 2 большие группы: 1) группа пассивных диэлектриков, которые выполняют чисто накопительную функцию, они классифицируются исходя из особенностей структуры и состава, 2) группа активных диэлектриков, они предназначены для создания устройств, выполняющих в аппаратуре функции генерации, преобразования, накопления, хранения информации, т.е. для изготовления устройств функциональной электроники, их в свою очередь делят по признаку управляющих воздействий.
Полимеры (пластмасса).
Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров. Т.е. любой полимер можно представить как набор кусочков, которые называются мономерами. Реакцию образования полимера называют полимеризацией в том случае если она протекает без выделения побочных продуктов, и поликонденсацией, если эта реакция сопровождается выделением побочных продуктов (например, вода, высокомолекулярные спирты и т.д.). Для начала реакции и завершения формирования молекул необходимы так называемые радикалы («обломок» молекулы, образующийся вследствие разрыва электронной пары, содержащий неспаренный электрон, оборванную связь).
Цепочка полиэтилена выглядит следующим образом:
R – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 –… – CH2 –– CH2 – R
Свойства полимеров очень сильно зависят от структуры макро молекул полимеров, все полимеры делятся на 2 большие группы: 1) линейные полимеры, у которых соотношение длины молекулы и ее диаметра несоизмеримы (т.е. длина намного больше диаметра). В соответствии с таким соотношением диаметра линейные полимеры обладают следующими свойствами: гибкость, пластичность, термопластичность (плавятся), хорошо обрабатываются различными способами, и как правило обладают хорошими изоляционными свойствами.
Группа пространственных полимеров образуются молекулами, которые представляют собой не цепочку мономеров, а могут разрастаться во всех трёх измерениях. При создании определенных условий, мы можем получить даже крупную объемную деталь, состоящую из одной очень большой молекулы. Отсюда и свойственный этим диэлектриками набор свойств: жесткость, механически прочные, температура плавления гораздо выше, чем у линейных полимеров, некоторые из них вообще никогда не плавятся, при повышении температуры они только сгорают, обугливаются, разрушаются, такие полимеры называют термореактивными.
Линейные полимеры, как правило, растворимы в растворителях, объемные и пространственные полимеры практически не растворимы. Типичные линейные полимеры: полиэтилен, полиэтилентерефталат (лавсан), полиметилметакрилат (оргстекло), поливинилхлорид, политетрафторэтилен (фторопласт), полистирол (капрон) и т.д. В основном это высокочастотные изоляционные диэлектрики. Политетрафторэтилен и полиэтилентерефталат могут быть использованы и как изоляционные и как конденсаторные изоляторы.
Типичные пространственные полимеры: эпоксидные смолы, эбонит, эскапон, вулканизированная резина.
Электрические свойства этих материалов. Строение макромолекул различных типов полимеров определяет их электрические свойства. Все химические связи углерода в той или иной степени полярные, однако, если молекула в целом имеет симметричное строение, суммарный дипольный момент может быть равен нулю. Вещества с несимметрично построенными звеньями имеют дипольный момент отличный от нуля, что ухудшает их электроизоляционные свойства. Важным фактором является то по какой реакции образуется полимер, если полимер возникает в результате поликонденсации, то побочные продукты нередко оказываются замурованными в объеме полимера, что приводит к ухудшению электроизоляционных свойств. Различаются полимеры так же и по нагревостойкости. Большинство органических полимеров могут длительное время работать при температуре до 100℃, при более высоких температурах даже если они не плавятся, то они очень быстро стареют и разрушаются. Среди линейных полимеров наибольший интерес представляют фтор содержащие полимеры (фторопласты) или кремний органические полимеры (полиимиды).