3.3.2 Твердые неорганические диэлектрики

Стекла и ситаллы. Неорганические аморфные вещества, представляющие собой системы различных окислов, чаще всего окислов кремния (силикатные стекла). Самыми высокими электрическими и физико-химическими свойствами обладают кварцевые стекла, получаемые из расплавленного горного хрусталя. Эти стекла прозрачны и обладают самым малым коэффициентом теплового расширения (ТКР = 510⁷ 1/°С). Температура плавления более 1700 °С. Хороший высокочастотный диэлектрик с параметрами: _v=10^1б – 10¹⁷ Омсм,  =32 - 3,5 tg = 0,0002, Епр =35-40 МВ/м.

Стекла устойчивы ко всем кислотам, кроме плавиковой. Применяются для изготовления стеклянных изоляторов, подложек для микросхем, конденсаторов и т. д. Если необходимо, чтобы стекло пропускало ультрафиолетовые лучи, его тщательно очищают от окислов железа (так называемые увиолевые стекла). Свинцовые стекла на базе окислов свинца обладают высоким коэффициентом преломления (хрусталь), а ламповые стекла для баллонов различных электровакуумных приборов - высокой смачиваемостью с металлами.

На базе стекла выпускаются стекловолокна и стеклоткани, а также стеклоэмали. Стеклоткани используются в качестве теплостойких стеклолакоткани и стеклотекстолитов. Из стеклонитей изготавливаются световоды.

Преимущества стеклянной изоляции по сравнению с органической: высокая механическая прочность, нагревостойкость, малая гигроскопичность, хорошие электрические параметры. Основной недостаток - малая эластичность (хрупкость)

Ситаллы представляют собой стеклокерамику с высокими механическими и электрическими свойствами, используются для изоляции ответственных изделий. Параметры :ТКР=3 10 ^-7 1/°С, _u =160-200 МПа. _v =10¹⁴ - 10 ¹⁶ Омсм,  =5-8, tg =(3-8) 10⁴, Епр = 40 -60 МВ/м. В отличие от стекол почти не прозрачны. Обладают высокой химической стойкостью.

Слюда и материалы на ее основе. Слюда представляет собой природный минерал, добываемый в виде пластичных кристаллов, легко расщепляющихся на отдельные чешуйки. Обладает совокупностью ценных качеств - термостойкостью, электрической прочностью и механической гибкостью. Природная калиевая слюда мусковит имеет следующие электрические параметры: _v = 10¹⁵ - 10¹⁶ Омсм,  =7 - 8, tg = (2 -5)10⁴, Епр = 150-200 МВ/м. Основной недостаток слюды - ее хрупкость. По совокупности параметров слюда является одним из лучших высокочастотных изоляторов. На базе слюды изготавливается большое количество различных изоляционных материалов. Так, из порошка слюды прессованием получают микалекс, обладающий высокой механической прочностью, стойкостью к дуговым разрядам и малым tg (гораздо меньшим, чем у изоляторного фарфора). Из лепестков слюды получают различные листовые, рулонные и ленточные материалы на основе бумажных и тканевых подложек-миканиты, микаленты. Из отходов слюды производится слюдинитовая бумага и слюдопласты. В последнее время в электротехнической практике начинает использоваться синтетическая слюда - фтор флогопит, отличающаяся от природной большей твердостью и гибкостью.

Слюда и материалы на ее основе используются в производстве электрических машин, в радиоэлектронике, в технике высоких напряжений.

Керамика. Получается путем обжига при высокой температуре из исходных минеральных материалов. Может быть изоляционная, полупроводниковая и магнитная (ферриты).

Изоляционную керамику (фарфор) изготавливают из специальных сортов глины (каолина) с добавлением полевого шпата и кварца. После формовки керамических изделий их покрывают глазурью и обжигают. Глазурь образует прочное покрытие, защищающее изделие от влияния влаги и пыли. Плотность фарфора 2300 - 2500 кг/м ^s, ТКР = (3 - 4) 10^-6 1/°С. Электрические параметры: _v= 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ Омсм,  = 6 - 7, tg = 0,015, Епр =20 - 30 МВ/м. При повышении температуры электроизоляционные свойства заметно ухудшаются.

Основное применение керамики - фарфоровые изоляторы для высокого напряжения. Изготавливают три типа изоляторов: линейные для линий передач (подвесные и штыревые), стационарные (опорные и проходные) и аппаратные. Кроме того, из фарфора производятся различные установочные изделия: ролики, патроны и т. п. Напряжение, которое выдерживает фарфоровый изолятор в большой степени зависит от конструкции (формы) изолятора и состояния его поверхности. Обычно линейные фарфоровые изоляторы применяются в последовательном соединении. На напряжение 110 кВ соединяют 6 - 7 изоляторов, на напряжение 220 кВ  10 -12.

В радиоэлектронной промышленности используют так называемый радиофарфор и ультрафарфор, отличающийся от обычного наличием добавок, уменьшающих диэлектрические потери до значения tg = 0,001. Используется для изготовления высокочастотных конденсаторов, корпусов катушек индуктивности, подложек микросхем. При этом радиофарфор, используемый для конденсаторов, содержит специальные добавки (рутил, двуокись титана), повышающие значение  до 180. Существуют добавки, уменьшающие TK фарфора.

В некоторых случаях находит применение стеатиткерамика на базе талька. Стеатит дешевле, так как не нуждается в глазуровке в виде своей высокой плотности.

В настоящее время создано много радиокерамических материалов с различными свойствами - плотных, пористых и композиционных.

Керметы  это искусственные композиционные материалы, состоящие из керамического вещества и металла. Относятся к группе металлодиэлектриков. Керметы сочетают в себе высокую нагревостойкость, большую твердость и химическую инертность керамики с хорошей теплопроводностью и несколько повышенной электропроводимостью, что обеспечивается металлической частью материала. Керметы широко применяются для изготовления интегральных микросхем.

Конденсаторная керамика разработана специально для изготовления керамических конденсаторов. Эта керамика обладает большими значениями диэлектрической проницаемости в большом диапазоне частот. Конденсаторная керамика изготавливается на основе двуокиси титана, циркония или олова в сочетании с окислами щелочных металлов. Например, керамика на основе титаната стронция имеет диэлектрическую проницаемость не менее 250 при 10⁶ Гц, TK = -25010⁶ 1/°С, tg 0,003 при 10⁶ Гц. Все конденсаторные керамики обладают большими значениями удельных объемных электрических сопротивлений (_v = 10¹³ - 10¹⁵ Омсм) и электрической прочности (Епр =20 - 25 МВ/м). С ростом температуры значения всех электрических характеристик понижается.

Оксидная и фторидная изоляция. На поверхности некоторых металлов может образовываться тонкий слой окисла (оксида), обладающий электроизоляционными свойствами. Чаще всего используется оксид алюминия А1₂О₂. Это не естественный тонкий слой, а формируемый специально сдой оксида заданной толщины. Он образуется при помощи гальванизации на анодном электроде. Температура плавления оксида высока и составляет 2050 °С. Из оксидированного алюминия изготавливают провода, работающие при высокой температуре. Недостатком оксида алюминия является его хрупкость и гигроскопичность. Оксид алюминия широко используется для изготовления алюминиевых электролитических конденсаторов, обладающих большой электрической емкостью при малых габаритах. Здесь оксидная пленка играет роль диэлектрика с   10. Гораздо реже используется оксид тантала Та₂О₅. Танталовые электролитические конденсаторы обладают меньшими габаритами по сравнению с алюминиевыми при той же емкости, s оксида тантала равна 27.

На железе и меди оксидные диэлектрические слои не образуются. Кроме оксидов изоляционными свойствами обладают пленки фторидов меди СuF₂ и алюминия AlF₃, но они очень гигроскопичны и на воздухе реагируют с кислородом, из-за чего используются только в специальных условиях и широкого применения не получили.

Асбест - группа минералов, обладающих волокнистой структурой. Характеризуется высокой нагревостойкостью, плавится при 1150 °С. Из асбеста изготавливаются пряжа, ленты, ткани и картон. Используется также для изготовления асбоцемента. Применяется там, где изолирующие свойства должны сочетаться с высокой устойчивостью к нагреву. Канцерогенен. В последнее время все чаще заменяется стекловолокном.