4.8.2 Химические свойства диэлектриков

Химические свойства диэлектриков – это растворимость для получения лаков, эмалей; возможность склеивания; стойкость в агрессивных средах (кислотах, щелочах).

Растворимость – способность вещества образовывать в смеси с другими веществами однородные системы – растворы. Растворителями являются неорганические вещества (вода) и органические вещества (ацетон, бензол, бензин, спирт). Растворители должны быть химически инертны к растворяемому веществу.

Химическая стойкость – стойкость к разъеданию (коррозии) различными соприкасающимися веществами (газом, водой, кислотой, щелочами, солями). Для определения химической стойкости диэлектрик помещают в агрессивную среду при повышенной температуре, после чего контролируют внешний вид, массу и другие параметры. Так устанавливаются условия эксплуатации данного диэлектрика.

По функциям, выполняемым в радиоэлектронной аппаратуре, диэлектрики можно разделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы.

К электроизоляционным материалам относятся диэлектрики с малыми токами утечки. В то же время, один и тот же диэлектрик может быть и электроизоляционным материалом, и конденсаторным, для чего достаточно удовлетворять основным функциональным требованиям. Так, для электроизоляционного материала ε должна быть минимальной, а для конденсаторного – как можно выше. Эти требования связаны с необходимостью уменьшения паразитных связей и размеров конденсаторов.

По агрегатному состоянию диэлектрики классифицируются на газообразные, жидкие и твердые. Области применения и количество типов материалов существенно различаются, поэтому в данном учебном пособии рассмотрены только самые распространенные из них.

4.9 Газообразные диэлектрические материалы

В таблице 4.2 представлены характеристики некоторых газообразных диэлектрических материалов, используемых в технике. Они характеризуются малым значением ε и tg δ, высоким ρ_V и невысоким значением Е_ПР по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками. В частности, электрическая прочность воздуха Е_{ПР ВОЗД} ≈ 3 ÷ 5 МВ ∕ м.

Таблица 4.2 – Количественные параметры газообразных диэлектриков

Газ	Хим. фор-мула	Полярность газа	ε на низких частотах	ρV, Ом ∙ м	tg δ	EПР ГАЗА --------------- EПР ВОЗД
Воздух	-	-	1,00059	1,7 1015	10-8	1
Водород	H2	нейтральный	1,00027	1015	-	0,6
Кислород	O2	-”-	1,00055	1015	4 ∙ 10-6	0,9
Азот	N2	-”-	1,00058	1015	4 ∙ 10-6	1
Гелий	He	-”-	1,00007	1015	-	0,06
Аргон	Ar	-”-	1,00056	1,7 1015	-	-
Элегаз (гекса- фторид серы)	SF6	полярный	1,00191	-	-	2,5
Фреон (дихлор- дифторметан)	CCl2F2	нейтральный	-	-	-	2,6
Пары хлороформа	CHCl3	полярный	-	-	-	4,2
Пары четырех- хлористого углерода	CCl4	нейтральный	-	-	-	6,4

Достоинством газообразных диэлектриков является восстановление электрической прочности после снятия пробивного напряжения и стабильность свойств во времени.

Особенностью газообразных диэлектриков является необходимость их применения с твердыми диэлектриками.

Электрическая прочность некоторых газов гораздо выше, чем у воздуха. Это связано со способностью их молекул захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные ионы, что затрудняет развитие пробоя. Явление используют в технике для увеличения электрической прочности газовой изоляции.

Наиболее широко используется в технике элегаз. Шестифтористая сера (гексафторид серы SF₆) обладает электрической прочностью примерно в 25 раз большей, чем воздух. Впервые исследовавший этот газообразный диэлектрик ученый Б. М. Гохберг назвал его элегазом (сокращение от «электричество» и «газ»). Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагревании (до температуры 800°C), может быть сжат (при нормальной температуре) без сжижения до давления 2 МПа. К одному из недостатков элегаза относится его относительно высокая стоимость. Для удешевления изделий или технологических операций с применением элегаза его часто используют в смеси с более дешевым азотом. Используют элегаз в образцовых конденсаторах на рабочих напряжениях до 500 кВ, в высоковольтных кабелях под давлением 0,3÷0,5 МПа, в высоковольтных выключателях с напряжением до 750 кВ.

Газы с малой электрической прочностью, такие как He, Ne, Ar, Xe и др. используют в газоразрядных и осветительных приборах.

В микроэлектронике применяются различные газы и их смеси, к чистоте которых предъявляются высокие требования, так как наличие примесей в виде посторонних газов и взвешенных частиц может привести к снижению электрических параметров готовых приборов. Общее содержание примесей в исходных газах 0,5 ÷ 1,0 %. Основную массу примесей, попадающих в газ из-за газовыделений стенок аппаратуры, составляют пары воды. Кроме того, в газах могу содержаться оксиды углерода, сернистый газ, фтор, хлор. Чтобы снизить уровень загрязнений газов, трубопроводы, вентили и части установок изготавливают из высокочистых вакуумных материалов с низким газоотделением (нержавеющей стали, меди, алюминия, стекла, фторопласта и др.). Транспортируют газы в металлических баллонах, которые имеют окраску, соответствующую определенному виду газа. Сушку газов проводят с помощью адсорбентов (силикагель, алюмогель или цеолит), которые обладают высокой адсорбционной способностью.