Контрольні питання

1. Як класифікують скло по технічному призначенню?

2. Яка структура ситалів? В чому полягає особливість їх властивостей?

3. Які переваги дає застосування електроізоляційної кераміки?

4. В яких випадках застосовується слюда та матеріали на її основі?

5. Для чого використовують електрети?

Лекція 9

Органічні діелектрики

План викладу матеріалу розділу

1	Органічні діелектрики
2	Лаки
3	Компаунди
4	Діелектрики для друкованих плат

Полімерами називають високомолекулярні з'єднання, макромолекули яких складаються з великого числа ланок, утворених початковими мономерами.

Ступінь полімеризації – число молекул мономера, що об'єдналися в одну молекулу полімеру. Наприклад, полістирол має ступінь полімеризації близько 6000, а поліетилен – 28500. Молекули – полімери утворюються завдяки розриву подвійних хімічних зв'язків молекул – мономерів. По своїй будові полімери можуть бути лінійними і просторовими.

Лінійні полімери гнучкі, еластичні і легко розчинні. Лінійна структура макромолекул сприяє отриманню полімерних волокон, каучуків, плівок.

Просторові полімери володіють більшою жорсткістю, чим лінійні і їх розм'якшення відбувається при дуже високих температурах. Просторові полімери важко розчинні.

П олімери, як правило, є гарними діелектриками. Вони мають низькі діелектричні втрати, високий питомий опір, високу електричну міцність, високу технологічність й, як правило, невисоку ціну. Конденсатори з|із| органічним діелектриком характеризуються високим опором ізоляції і |відносно| високою температурною стабільністю параметрів (рис.1). Велика електрична міцність органічних діелектриків і особливості конструкції цієї групи конденсаторів дозволяють реалізувати високі енергетичні характеристики. 

На основі полімерів з дисперсними добавками різної електропровідності, теплопровідності, магнітній проникності, діелектричній проникності, твердості й т.п. можна одержувати різноманітні композиційні матеріали із широким спектром властивостей. По технологічних ознаках полімерні матеріали діляться на термопласти й реактопласти.

Термопласти - розм'якшуються при нагріванні, що дозволяє використати просту технологію термопресування. При цьому гранули вихідного полімеру поміщають у камеру термопласт - автомата, нагрівають до температури розм'якшення, пресують і охолоджують. Так роблять дрібні діелектричні деталі. Для великогабаритних виробів, типу кабелів, напівтвердий розплав видавлюють через фільеру разом із внутрішнім електродом кабелю.

Найпоширенішим діелектриком цього класу є поліетилен-(CH₂)n. Поліетилен роблять шляхом полімеризації газу етилена при підвищених тисках і температурах. В основному використовуються дві технології. Історично першої була технологія одержання поліетилену при високому тиску до 250 МПа й температурі до 300 ⁰С с допомогою ініціюючих агентів-окислювачів. При цьому виходить поліетилен високого тиску, для якого використовується й інша назва - поліетилен низкої щільності. Більше поширена технологія одержання поліетилену за допомогою каталізаторів при невисокому тиску до 1 МПа, невисокій температурі до 80 ⁰С. При цьому виходить поліетилен низького тиску, для якого використовується й інша назва - поліетилен високої щільності. Головна відмінність отриманих продуктів з фізико-хімічної точки зору - підвищена водостійкість поліетилену низького тиску у порівнянні з поліетиленом високого тиску. Інші характеристики практично однакові: питомий опір 10¹⁴-10¹⁵ Ом м, питомий поверхневий опір 10¹⁵ Ом, діелектрична проникність 2.2-2.4, тангенс кута діелектричних втрат 10^-4, електрична міцність 45-55 кВ/мм. Поліетилен широко використовують у якості силової електричної ізоляції в кабелях, особливо т.зв. "зшитий" поліетилен. (У закордонній літературі - cross-lіnked polyethylene). Його одержують або опроміненням высокоенергетичними частками (електронами, фотонами), або вулканізацією. При цьому утворюється просторова сітка, подібно тому, як це реалізується в гумі. Модифікований матеріал може експлуатуватися при температурі до 200⁰С, крім того, він стає більше стійким стосовно агресивних середовищ і розчинників, механічно більше міцним, його питомий опір підвищується приблизно на два порядки.

З інших термопластичних полімерів, що використовуються у вигляді електроізоляційних плівок відзначимо поліпропілен, полівінілхлорид, лавсан.

Унікальні властивості має фторопласт (політетрафторетилен), який отримують шляхом полімерізації тетрафтор етилена F₂C=CF₂ і який має будову молекули (рис.2):

Завдяки симетричному розташуванню атомів в молекулах політетрафторетилен неполярний. Вітчизняна промисловість випускає цей матеріал під назвою фторопласт-4. Цифра 4 указує на число атомів фтору в молекулі мономера. Фторопласт-4 володіє незвичайно високою для органічної речовини нагрівостійкістю (+260 °С) що пояснюється високою енергією зв'язку між вуглецем і фтором. Фторопласт-4-білий або сіруватий матеріал з вищою щільністю, ніж щільність звичайних органічних полімерів. По електроізоляційних властивостях фторопласт-4 належить до кращих з відомих діелектриків. По хімічній стійкості він перевершує благородні метали, що дозволило широко використовувати його при виготовленні ізоляції, що працює в агресивних середовищах. Він абсолютно негорючий, практично не гігроскопічний, не змочується водою і іншими рідинами.

До недоліків|нестач| політетрафторетилену можна віднести його малу твердість |. Крім того, він володіє малою радиа­ційною| стійкістю і стійкістю в зоні електричної дуги. Фторопласт-4|фторопласт| можна використовувати як пластичну масу, з|із| нього отримують|одержують| різні фасонні вироби: листи, гнучкі плів­ки|, ізоляцію для монтажних проводів і кабельних виробів і ін. рис.3. Фторопластова плівка| використовується| для виготовлення конденсаторів рис.4.|

Кремнійорганічними полімерами є з'єднання, основу структурної формули яких складає ланцюг атомів кремнію і кисню, що чергуються:

В ільні зв'язки кремню заповнені органічними радикала­ми|. Молекули кремнійорганічних полімерів можуть мати лінійну структуру (термопластичні смоли) і просторову структуру (термо­реактивні смоли). Особливістю кремнійорганічних з'єднань, що вигідно відрізняє їх від органічних і неорганічних полімерів, є їх висока нагрівостійкість (до +250 °С) і холодостійкість (до -60 °С). Вони мають малу гігроскопічність, хімічно інертні, є діелектриками з хорошими електричними параметрами, які мало міняються при нагріві. . Наприклад, кремнійорганічна гума застосовується для виготовлення ізоляторів рис.6.

Рис.6. Ізолятор ШПК 10-А

Реактопласти - при нагріванні не розм'якшуються, після досягнення деякої температури починають руйнуватися. Вироби з них звичайно роблять різними способами. Одна з розповсюджених дешевих технологій полягає в наступному. Спочатку готовлять прес-порошки полімеру. Потім прес порошок засипають у прес-форму й пресують при певному тиску й температурі. При цьому виникає зчеплення між деформованими частками, і після охолодження матеріал готовий до використання. Можливе проведення полімеризації з вихідних компонентів у заздалегідь підготовлених формах. Так роблять вироби з эпоксидних полімерів, кремнійорганичної гуми.

Досить дешеві й технологичні реактопласти на основі фенолформальдегідних полімерів (бакеліт) і аміноформальдегідних полімерів. Їх електрофізичні характеристики невисокі.

Епоксидні полімери мають гарну механічну міцність, задовільні електрофізичні характеристики. Вони є полярними діелектриками, деякі марки епоксидних матеріалів мають діелектричну проникність до 16. Висока полярність приводить до слабкої водостійкості. Головна перевага епоксидних компаундів - простота технології готування. Компаунди холодного твердіння одержують змішуванням епоксидной смоли, отвержувача й пластифікатора. У період часу до початку твердіння (від хвилин до годин) рідку композицію можна заливати в необхідну форму. Часто епоксидні полімери використовують для ремонту діелектричних деталей у якості клею.

Багато епоксидних смол з отверджувачами токсичні, що вимагає при їх використанні відповідних застережних заходів. Затверділі поліепоксиди вже не токсичні.

Поліетилентерефталат – продукт поліконденсації етиленгліколю з ефіром терефталевої кислоти; Випускається під різними назвами: лавсан, майлар, терилен. Характеризується високою температурою плавлення (255 – 265°С), високою механічною міцністю в широкому діапазоні температур (експлуатується при температурах від -60°С до +180°С), високими електроізоляційними властивостями; (ρ≈10¹⁵ Омм, tgδ=0,003). Застосовується для виготовлення волокон та плівок, які використовують для ізоляції. Лавсанова конденсаторна плівка має високу електричну міцність (Е_пр≈180 МВ/м).

Гліфталеві смоли – продукт взаємодії гліцерину та фталевого ангідриду, термореактивні матеріали, завдяки високій клейкості застосовуються при виготовленні клеєних слюдяних матеріалів.

Полікарбонати – поліефіри вугільної кислоти (лексан, макролон, дифлон); характеризуються високими фізико-механічними та електроізоляційними властивостями, застосовуються як конструкційні та ізоляційні матеріали.

Лаки – розчини синтетичних або природних плівкоутворюючих речовин в органічних розчинниках. Після нанесення тонким шаром на поверхню й висихання вони утворюють достатньо міцні й монолітні покриття, що утримуються на поверхні за рахунок міжмолекулярних сил адгезії. Плівка утворюється за рахунок процесу випаровування розчинника або переходу плівкоутворюючої речовини – олігомеру – в неплавкий нерозчинний полімер.

Електроізоляційні лаки поділяють за призначенням на просочувальні, покривні та клеючі.

Просочувальні лаки використовуються для просочування пористої і, зокрема, волокнистої ізоляції. Після такої обробки пори в ізоляції виявляються заповненими не повітрям, а лаком, котрий після висихання має значно більші електричну міцність та теплопровідність, ніж повітря. Вона зменшує гігроскопічність, покращує механічні властивості ізоляції та відведення тепла, що дозволяє підвищити робочу температуру виробу.

Покривні лаки служать для утворення механічно міцної, гладенької, вологостійкої плівки на поверхні твердої ізоляції. Ця плівка підвищує поверхневий опір ізоляції та напругу поверхневого розряду, захищає виріб від дії вологи, розчинників та хімічно активних речовин, а також поліпшує зовнішній вигляд виробу.

Спеціальні покривні лаки (емаль-лаки) наносять безпосередньо на метал, створюючи на його поверхні електроізоляційний шар (емальовані проводи, ізоляція листів феромагнетика в розшарованих магнітопроводах) рис.7.

Клеючі лаки застосовують для склеювання твердих електроізоляційних матеріалів та для приклеювання їх до металу.

В деяких випадках, наприклад, при виробництві гетинаксу та текстоліту, лак є одночасно і просочувальним, і клеючим.

Залежно від режиму сушіння електроізоляційні лаки поділяються на лаки холодного та гарячого сушіння.

Лаки холодного сушіння добре висихають при кімнатній температурі.

Лаки гарячого сушіння набувають оптимальних властивостей при температурах сушіння вище 70°С; їх електричні та механічні властивості, як правило, вищі.

Для сушіння лаків, основу яких складають термореактивні смоли, потрібне нагрівання. Лаки з термопластичною основою не потребують сушіння при високих температурах. Якщо до складу лаку входить високотемпературний розчинник (наприклад, гас) потрібне сушіння при високій температурі незалежно від типу лакової основи. Для лаків з розчинниками, що легко випаровуються, вибір режиму сушіння визначається плівкоутворюючою основою.

До просочувальних лаків можна віднести кремнійорганічні, бітумні, -алкідні та інші.

До покривних лаків можна віднести кремнійорганічні, лаки на полівінілацетатний та поліуретановій основі, масляні лаки, поліамідні та поліамідні лаки, целюлозні лаки.

Е малі – різновид покривних лаків, до складу яких введено неорганічні наповнювачі – пігменти. Пігменти надають плівці певного кольору, поліпшують міцність, теплопровідність і адгезію до поверхні. Застосовують в основному як захисні покриття поверхонь різних деталей та елементів радіоелектронної апаратури.

До клеючих лаків можна віднести поліуретанові та епоксидні клеї, клей на основі фенолформальдегідної смоли, карбонільний клей, гліфталевий лак.

К омпаунди – механічні суміші з електроізоляційних матеріалів, які не містять розчинників (суміші різних полімерів або здатних до полімеризації речовин).Порівняно з лаками компаунди забезпечують кращі вологостійкість та вологонепроникність ізоляції, оскільки після просочування затвердівають повністю – без слідів леткого розчинника.В якості компаунда в радіотехніці іноді використовують парафін (рис.8) та озокерит. Заповнення компаундом повітряних проміжків поліпшує відведення тепла втрат, що дозволяє підвищити потужність виробу.

Розрізняють дві основні групи електроізоляційних компаундів: просочувальні, котрі за призначенням аналогічні просочувальним лакам, і заливні, котрі призначені для заповнення порівняно великих порожнин та проміжків між різними елементами виробу, а також для захисту деталей, вузлів порівняно товстим шаром матеріалу.Термопластичні компаунди розм’якшуються при нагріванні і затвердіють при охолодженні.

Останнім часом все більшого значення набувають термореактивні компаунди, які незворотньо твердіють в результаті хімічних перетворювань. На відміну від термопластичних, при нагріванні вже не розм’якшуються, що дозволяє підвищити робочу температуру. Однак їх застосування практично виключає можливість ремонту вузла після його пошкодження; в більшості випадків вимагається заміна залитої деталі.

Ш ироко застосовуються компаунди на основі синтетичних полімерів: поліефірностирольні, поліефіракрилатні, метакрилові, поліуретанові, кремнійорганічні; найширше застосовуються епоксидні компаунди. Сфера застосування компаундів в електротехніці та радіоелектроніці надзвичайно велика: просочування обмоток електричних машин, трансформаторів і дроселів, виготовлення склопластиків і слюдомістких матеріалів, заливка радіосхем, приладів і герметизація різних вузлів.

Каучуки і гуми

Натуральний каучук є продуктом, що міститься в молочному соку (латексі), який витягують із стовбурів каучуконосних дерев, що ростуть в тропічних країнах (рис.9).

Синтетичні каучуки є продуктами різних процесів полімеризації ізопрена, бутадієну і інших органічних сполук.

Гума є вулканізованою багатокомпонентною сумішшю на основі каучуків. Гума застосовується в першу чергу в кабельних виробах. Напівпровідні гуми застосовуються для екранування гнучких кабелів.

Н афтові електроізоляційні масла отримують в процесі ступінчатої перегонки нафти та наступного очищення від домішок. Цим матеріалам властиві певні переваги, що забезпечили їм широке застосування. Вони порівняно дешеві і можуть вироблятися в великих кількостях; при хорошому очищенні мають малий тангенс кута діелектричних втрат tgδ та достатньо високу електричну міцність. Перед використанням масла проходять випробування  на зміст механічних домішок, зміст зваженого вугілля, на прозорість, на загальну стабільність проти окислення, окрім цього, повинен бути визначені тангенс кута діелектричних втрат, температура спалаху, температура застигання, кінематична в'язкість, натровая проба в балах, кислотне число і інш.

Характеристики нафтових масел досіджують за допомогою спеціальних приладів рис. 10.

До недоліків нафтових масел можна віднести обмежений інтервал робочих температур, пожежо- та вибухонебезпечність, схильність до старіння. Найбільше застосування в електротехніці має трансформаторне масло, котрим заливають більшість силових трансформаторів рис.11.

Воно, заповнюючи пори ізоляційних матеріалів та проміжки між елементами трансформатора підвищує електричну міцність ізоляції та поліпшує відведення тепла від обмоток та осердя трансформатора. Масло заливають також в інші електричні апарати. Конденсаторне масло застосовується для просочування паперових та плівкових конденсаторів, яке підвищує діелектричну проникність та електричну міцність, знижуючи габарити, масу та вартість конденсатора. За властивостями конденсаторне масло подібне до трансформаторного, відрізняючись особливо ретельним очищенням

Д іелектрична міцність трансформаторного масла забезпечує надійну роботу електричного устаткування. Діелектрична міцність масла з часом знижується. Для визначення електричної міцності трансформаторне масло періодично випробовують на пробій за допомогою маслопробойного апарату рис.12. Для випробування на пробій трансформаторне масло заливають у фарфорову судину рис.13, в якій змонтовано два дискові електроди завтовшки 8 мм і діаметрів 25 мм. відстань між дисками встановлюється 2,5 мм. судину наповнюють маслом і встановлюють в маслопробойник. Маслу дають відстоятися 20 хв., щоб з нього вийшло повітря. Далі плавно піднімають напругу із швидкістю 1 – 2 кВ в секунду до настання пробою.

Рис.13. Судина для випробувань

Ізоляційні властивості масла, що було в експлуатації, можуть бути відновлені. При цьому масло обробляється штучними цеолитами (молекулярні сита). Для очищення від механічних забруднень, масло фільтрують через пористі перегородки, а також через магнітні фільтри рис.14.

Рис. 14. Станція для регенерації

Д руковані плата (ДП) є типовою несучою конструкцією сучасної РЕА (Рис.15).

Друкована плата є шаруватою структурою, до складу якої входить діелектрична основа і друковані провідники (мідна фольга). Основу ДП виготовляють з шаруватих пластиків — композицій, що складаються з волоконного листового наповнювача — папір, тканини, стеклоткани, просочених і склеєних між собою різними полімерними зв'язуючими. Шаруваті пластики відрізняються від інших матеріалів тим, що наповнювач має паралельні шари. Така структура забезпечує високі механічні характеристики, а використання полімерних зв'язуючих — достатньо високий питомий електричний опір, електричну міцність і мале значення tg δ.

Залежно від матеріалу зв'язуючого і наповнювача розрізняють декілька типів шаруватих пластиків .

Найдешевший матеріалу— гетинакс — має високі діелектричні властивості, знаходить широке застосування в побутовій радіоапаратурі. Його недоліком традиційно вважається підвищене вологопоглинаня (1,5 ... 2,5%) через шари паперу або з відкритих їх торцевих зрізів, а також крізь полімерне зв'язуюче. Гетінакс для ДП має товщину 1 ... 3 мм і не розшаровується при нагріві до 533 К (260 °С) протягом 5...7 с

Текстоліт має більш високу міцність при стисненні і ударну в'язкість і тому використовується також як конструкційний матеріал, і його випускають не тільки у вигляді листів, але і плит товщиною до 50 мм

Стеклотекстоліт завдяки цінним властивостям наповнювача має найвищу механічну міцність, теплостійкість і мінімальне вологопоглинання. Він має кращу стабільність розмірів, а електричні властивості залишаються високими і у вологому середовищі. Випускається декілька десятків марок стеклотекстолітів, призначених для різної мети, у тому числі підвищеною нагрівостійкості, тропікостійкості, гальваностійкості, вогнестійкості, з металевою сіткою. Звичайні марки фольгованного стеклотекстоліту мають мідну фольгу завтовшки 35 ... ... 50 мкм .Міцність є однією з основних властивостей, оскільки друкована плата виконує роль не тільки діелектричної основи, але і несучої конструкції. Часто потрібна віброміцність, якою, особливо при великих розмірах плати, стеклотекстоліт не володіє. Слід мати на увазі, що питома міцність при товщині, більшій, ніж 1,5 мм, починає знижуватися, оскільки утрудняє видалення летючих речовин при отверждені і позначається градієнт температури, який, як і у разі скла, виявляється у вигляді мікротріщин на поверхні. Це служить ще одним прикладом розмірного ефекту міцності.

Н агрівоміцність фольгованих шаруватих пластиків визначається по відсутності здуття, розшарування і відклеювання фольги, що виникає при паянні. Критерієм є час, в секундах, протягом якого руйнування не спостерігаються при нагріві до 533 К (260°С). Мінімальна нагрівоміцність —5 с, у кращих марок — 20 с.

Стабільність розмірів — зміна довжини при зміні температур в процесі паяння, коли вся плата перегрівається приблизно до 393 К (120°С); ТКЛР стекло текстоліту при товщині 1,5 мм складає 8-10^-6 К^-1, т. ч. відрізняється від ТКЛР міді більш ніж в 2 рази, тому при великих розмірах плати можливий обрив або відшаровування фольги. Крім того, при 370 ⁰К в епоксидних смолах спостерігається фазовий перехід, вище якого різко зростає ТКЛР у напрямі товщини шаруватого пластика, що приводить до обриву металізації отворів. Нестабільність розмірів виявляється також у вигляді неплощинного — прогинання, викривлення, скручування, які виникають унаслідок механічних напруг.

Недоліки фольгірованих стеклотекстолітів є слідством їх неоднорідної структури і особливостей матеріалів, що використовуються. Крім того, підвищення густини монтажу, використовування групових методів паяння, важке умову експлуатації вимагають використовування зв'язуючих, що володіють більшою теплостійкістю. Нарешті, стеклотекстолит через високий tg δ непридатний для СВЧ-техніки.

Друковані плати на термопластах. Застосування термопластів (для виготовлення ДП має наступні переваги:

- підвищення нагревостійкості до 700⁰К.

- можливість застосування в СВЧ-апаратурі завдяки малим значенням tgδ. - - спрощення технології виготовлення перехідних отворів можливість формування поглиблень, монтажних фланців.

Кращим матеріалом для цієї мети є фторопласт, армований стеклотканиною і фольгований з двох сторін. Він стійкій до Т=520 ⁰К, має tg δ = 0,0007 при частоті 10¹⁰ Гц і придатний для ВЧ-техніки.

Як ДП застосовують і фольговану поліамидную плівку, проте переваги поліаміду більш повно реалізуються, коли він використовується для багатошарових тонкоплівкових комутаційних ДП.

Волокнисті електроізоляційні матеріали

Волокнисті матеріали складаються з окремих тонких, |звично| гнучких волокон. Їх можна розділити на природних і синтети­чні|.

До природних волокон відносять матеріали рослинного походження (бавовну, папір), тваринного походження (шовк, шерсть) і мінерального походження (азбест).

Групу синтетичних волокон складають полістироли, поліетилентерефталатні, полиамідні, поліефирні, поліетиленові і інші волокна, що виготовляються шляхом витягування відповідних полімерів з розчинів і розплавів. У цю групу слід також віднести ацетатний і мідно-аміачний шовки, скляні волокна.

Електроізоляційні папери. З деревини, шляхом її хімічної переробки, отримують технічну целюлозу, або клітковину, яка є сировиною для виготовленні електроізоляційних паперів. За призначенням їх ділять на конденсаторну кабельну, просочувальну і ін.

Мала товщина і можливість|спроможність| просочення конденсаторного паперу дозволяють набути достатньо|досить| високого значення питомої ємкості|місткості| паперового конденсатора (рис.17). Кращі параметри мають металево плівкові конденсатори (рис.18).

Рис.17. Паперові конденсатори Рис.18. Металоплівкові конденсатори

Контрольні питання

1. В чому відмінність термопластичних і термореактивних полімерів?

2. Які економічні передумови застосування пластичних мас?

3. З якою метою застосовують компаунди?

4. Для чого використовують лаки?

Лекція 10