Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых диэлектриков

Материал	а,-10“, к-1	Материал	аг ю*. к-1
Поливинилацетат	265	Поливинилформаль ....	64,0
Поливинилхлорид (пластикат)	160	Эпоксидные смолы ....	55,0
Полиэтилен	145	Слюда	37,0
Ацетат целлюлозы	120	Силикатное стекло ....	9,2
Нейлон	115	Глиноземистая керамика	7,0
Политетрафторэтилен ....	100	Стеатит	6,6
Полиметилметакрилат ....	70		3,5
Полистирол	68	Плавленый кварц ....	0,55

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТК /), измеряемым в К

^тк'-«‘-т-гг' ⁽⁵⁷>

Материалы, обладающие малыми значениями ТК /, имеют, как правило, наи­более высокую нагревостойкость и наоборот. Для определения щ по графическим зависимостям I (Т) можно пользоваться методом, аналогичным описанному в § 1-6 для определения ТК г_г.

В качестве примера в табл. 5-2 приведены средние ТК / некоторых электро­изоляционных материалов при температуре 20—100 °С. Как видно из табл. 5-2, органические диэлектрики имеют резко повышенные ТК / по сравнению с неорга­ническими диэлектриками. Поэтому детали, изготовленные из неорганических материалов, имеют улучшенную стабильность размеров при колебаниях темпера­туры.

4. 4. Химические свойства диэлектриков и воздействие на материалы излучений высокой энергии

Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

При длительной работе диэлектрики должны не разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не взаимодействовать с различными веществами (например, газами, водой, кисло­тами, щелочами, растворами солей и т. п.). Стойкость к воздействию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико­технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образо­ванием лаков и т. д. Растворимость твердых материалов может быть оценена коли­чеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверх­ности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т. е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, неполярные — в неполярных. Так, неполяр­ные или слабополярные углеводороды (каучук, церезин) легко растворяются в жид­ких углеводородах, например в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксиль­ные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (см. § 6-4), высокомолекулярные вещества с линейной структурой

Рис. 5-9. Предел прочности при растяженни (кри­вая /) и ударная вязкость (кривая 2) фенольной смо­лы как функция числа быстрых нейтронов

м олекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

В последующих главах при рассмотрении характеристик материалов будут отмечаться наи- , более опасные внешние факторы, оказывающие ' разрушающее химическое воздействие на тот или иной материал.

Воздействие излучений высокой энергии. В современной технике возможны такие условия использования электроаппаратуры, при которых она оказывается под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо волно­вых радиоактивных излучений высокой энергии. При этом важно знать степень стойкости материалов к воздействию излучений, сохранения ими своих электри­ческих и механических свойств, т. е. радиационную стойкость. Поэтому к изве­стным физическим, электрическим и химическим характеристикам материала должно добавляться и требование его радиационной стойкости.

С другой стороны, излучения высокой энергии могут быть использованы в тех­нологических процессах создания новых материалов и получения у них ценных свойств (иапример, повышения нагревостойкости, механической прочности) или применены для синтеза необходимых материалов. Могут быть разработаны новые классы материалов с такими свойствами, которые нельзя было получить ранее.

Наконец, в некоторых случаях от материалов требуется выполнение функций поглотителей-экранов для излучений наряду с использованием их основных элек­трических и механических свойств.

К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, а-частицы и Р-лучи (электроны различных скоростей).

К волновым излучениям принадлежат у-лучи, жесткое и мягкое рентгеновское излучение.

Интенсивность излучения измеряют в ваттах на квадратный метр, а для ней­тронов часто указывают плотность потока энергии быстрых или медленных нейтронов сквозь поверхность площадью 1 м². Иногда для характеристики процесса облучения используют произведение плотности потока энергии нейтронов, скорости и времени облучения.

Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере про­никновения в глубину по закону

Рх — P(i ехр (—(где), (5-8)

где Р₀ — энергия в воздухе у поверхности материала; х — глубина проникновения излучения; ц — эффективный коэффициент ослабления излучения в материале.

Эффективный коэффициент ослабления для простых веществ

ц « КШ³Р, (5-9)

где К — длина волны излучения; 1 — номер элемента в таблице Менделеева; р — плотность; К — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, поглощение излучения в материале, как видно из выражения (5-9), зависит от природы материала и качества самого излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном из-за ионизации (внутренний фотоэффект), воз­буждения атомов, комптоновского эффекта, а при очень больших энергиях — из-за ядерных преобразований Часть энергии расходуется на выбивание атомов или ионов в междоузлия, причем в решетке появляются вакансии и дефектные центры (см. рис. В-6).

Ионизация вещества может быть ступенчатой, с образованием вторичных и даже третичных атомов отдачи. Подобные процессы происходят и при облучении вещества заряженными частицами. Под действием нейтронов значительно нарушается струк­тура вещества и в больших объемах, так как нейтроны не испытывают торможения

электрическими полями электронных оболочек и ядер атомов, а следовательно, обладают большей длиной пробега. Нарушение структуры вещества заряженными частицами происходит в основном в поверхностном слое. Облучение материалов осколками деления ядер вызывает рассмотренные выше процессы, сопровожда­ющиеся образованием большого числа атомов отдачи, а иногда и ядерными превра­щениями.

Воздействие излучения может привести к молекулярным преобразованиям и химическим реакциям. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей И образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация, образование поперечных связей, вулканизация. Характер и степень изменения свойств полимера за время испытания определяются преобладающим процессом. При образовании поперечных связей могут наблюдаться различные изменения физических свойств. В результате длительного или очень интенсивного облучения может произойти разрушение любого полимера, подвергаемого облучению.

Материалы, стойкие к облучению, должны обладать двумя свойствами: 1) спо­собностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации; 2) способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв цепей.

Под действием облучения у полимеров возможен переход из одного структур­ного состояния в другое.

Влияние облучения на неорганические диэлектрики, кварц, слюду, глинозем, оксид циркония, оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связу­ющим — менее сильное. У них образуются центры окрашивания; удельное элек­трическое сопротивление и электрическая прочность их могут снизиться.

Н

мм

аибольшее влияние облучение оказывает на поверхностные свойства мате­риалов. После отжига облученных неорганических диэлектриков возможно восста­новление первоначальных свойств. Рассмотрение процессов, вызываемых воздей­ствием излучения на материалы, показывает, что у последних может произойти изменение практически всех свойств: электрических, физико-химических и меха­нических. Как видно из рис. 5 9, при N = 10¹⁹-=- 10^го иг² механичес­кие свойства смолы очень резко ухудшаются Политетрафторэтилеа при сильном облучении становится очень хрупким и рассыпается, полиизобутилен из резиноподоб­ного вещества превращается в вяз-

Рис. 5-10 Рис. 5-11

Рис. 5-10. Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависи­мости от энергии квантов излучения

Рис. 5-11. Слой половинного ослабления для воздуха при р= 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) и 20 °С в зависимости от энергии излучения

кую жидкость, и молекулярная масса его снижается более чем в 15 раз, предел прочности при растяжении облученного полиэтилена, наоборот, повы­шается по сравнению с ст_р необлученного материала (см. рис. 5-5), а нагрево- стойкость его увеличивается от 100 до 200 °С. Это объясняется тем, что молекулярные цепи облученного полиэтилена в четыре — пять раз длиннее обычных; при этом электрические свойства его не ухудшаются: так, tg б остается меньше 5-10~⁴. Под влиянием облучения меняется удельное объемное сопротивление многих диэлектри­ков. Степень изменения удельного объемного сопротивления полимеров при облуче­нии существенно зависит от температуры диэлектрика. Например, после сильного Облучения жесткими рентгеновскими лучами отношение Рнеоб/Робл образцов при температуре 20 °С составляло 1 • 10⁴, а при температуре 90 °С уменьшилось до десяти.

Электрическая прочность диэлектриков под влиянием облучения может и уве­личиваться, и уменьшаться в зависимости от процессов, протекающих в материале.

Работы по изучению устойчивости диэлектриков к корпускулярным и волновым излучениям высокой энергии должны развиваться и углубляться, так как поведение уже исследовавшихся и еще малоизученных в этих условиях материалов недоста­точно ясно, требует уточнения и проверки.

Защитные свойства различных материалов удобно характеризовать понятием слоя десятикратного ослабления, т. е. толщиной слоя вещества, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десяти­кратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабления снизит интен­сивность излучения в 10" раз.

На рис. 5-10 приведены кривые зависимости толщины слоя десятикратного ослабления для воды, баритового бетона (состав: 80 % по массе Ва50₄ и 20 % це­мента), некоторых металлов от энергии квантов излучения. С ростом плотности материалов увеличивается поглощение.

На рис. 5-11 приведена зависимость толщины слоя половинного ослабления для воздуха от энергии излучения. Как видно из рис. 5-11, с увеличением энергии излучения толщина слоя сильно возрастает и при энергии 10 кэВ становится больше метра.

КОНТРОЛЬНЫЕ 80ПР0СЫ