Классификация диэлектрических материалов по составу.

По составу и свойствам все диэлектрические материалы можно разделить на две большие группы:

1) органические материалы на основе углерода;

2) неорганические материалы на основе оксидов.

Органические диэлектрики.

Представителями этой группы являются полимеры, которые благодаря высокому удельному сопротивлению, низкой стоимости и технологичности завоёвывают всё более прочные позиции среди диэлектрических материалов.

Органические диэлектрики – вещества, состоящие из связанных между собой атомов углерода (могут содержать водород, кислород и другие элементы).

Все органические диэлектрики разделяют:

1. Низкомолекулярные – молекулы, которых состоят из сравнительно небольшого числа (несколько десятков или сотни) атомов. (Вазелин, конденсаторное масло).

2.Высокомолекулярные соединения – вещества с очень большими молекулами, содержащие от нескольких сотен до тысяч атомов, связанных между собой, как правило, ковалентными связями. (Полиэтилен, органическое стекло, фторопласт, каучук и др.)

По строению:

1. Линейные полимеры

2. Пространственные полимеры.

У линейных полимеров отношение длины молекулы к ее поперечному размеру велико (порядка 1000) – полистирол, каучук.

Линейные полимеры:

1. Термопластичны, т.е. при нагревании они становятся более эластичными, потом вязкими (т.е. обладают необратимой пластической деформацией) и затем плавятся. При низких температурах линейные полимеры становятся хрупкими.

2. Обладают способностью растворятся в соответствующих растворителях (при этом мелкие подвижные молекулы растворителя легко проникают между крупными молекулами полимера

Пространственные полимеры имеют молекулы, развитые в пространстве в разных направлениях. Поэтому они имеют более компактную форму и:

1. Обладают большой жесткостью, их плавление происходит при высоких температурах, а многие из них не плавятся, а разрушаются (обугливаются, сгорают).

Пространственные полимеры термореактивны.

2. Не растворяются ни в каких растворах, т.к. их структура – это большая молекула с прочными ковалентными связями, которую не в состоянии разорвать молекулы растворителя.

3. На высокой стадии полимеризации полностью инертны к изменениям температуры окружающей среды.

Пространственные полимеры имеют высокие рабочие температуры, высокую стабильность параметров, продолжительный срок службы (относительно линейных полимеров).

По области применения:

1. Высокочастотные (низкий tgδ) полимеры

2. Низкочастотные полимеры

Высокочастотные (низкий tgδ) полимеры

К этой группе относятся:

Полиэтилен (-СН₂ -СН₂-)_n

Полистирол [-СН₂-СН (С₆Н₅)-]_n

Полипропилен [-СН₂-СН (СН₃)-]_n

Политетрафторэтилен [-СF₂-СF₂ -]_n (Фторопласт-4)

Это группа неполярных диэлектриков, обладающих следующими преимуществами:

1. Высокие диэлектрические свойства, которые сохраняются до частот 10¹⁰Гц. ε = 2,2 – 2,6, tgδ ≤ 4•10^-4 , ρ_V=10¹⁵ - 10¹⁶ Ом м.

2. Высокая влагостойкость.

3. Высокая химическая стойкость (у полистирола высокая радиационная стойкость).

4. Полиэтилен и полистирол имеют невысокую стоимость.

Недостатки:

1. невысокие рабочие температуры (20⁰С – 160⁰С).

2. Склонность к старению под действием атмосферы.

Применение:

1. Для изоляции ВЧ проводов и кабелей.

2. Полистирол используется для изготовления каркасов ВЧ катушек индуктивности и других установочных деталей.

3. Из полиэтилена и полистирола изготавливают пленки и волокна.

4 Фторопласт-4 и полистирол используют в ВЧ конденсаторах, пленки - основа для гибкого печатного монтажа.

Небольшое число неполярных линейных полимеров (полистирол, полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4) составляют группу сверхвысокочастотных диэлектриков. Среди них наиболее перспективен фторопласт-4 (- СF₂ -)_n, имеющий очень высокое удельное сопротивление (10¹⁸ Ом_*×м) и низкий tgδ (2*10^-4) на частотах до 10¹⁰ Гц. В отличие от других линейных полимеров фторопласт-4 термо- и хладостоек и сохраняет работоспособность в интервале температур от –270 до +300^oC.

Остальные неполярные материалы СВЧ-техники имеют сравнительно невысокую температуру размягчения и легко получаются в виде очень тонкой плёнки высокого качества. Эти свойства позволяют широко применять их при производстве конденсаторов.

Низкочастотные полимеры (полярные диэлектрики с большими потерями). ε = 2,5 – 6, tgδ = 4•10^-3 – 10^-2 , ρ_V=10¹⁵ - 10¹⁶ Ом м., t_раб = 100^0С – 150⁰С.

1. Полихлорвинил.

2. Винипласт.

3. Полиметилметакрилат (плексиглас или органическое стекло).

4. Полиэтилентерефталат (лавсан).

5. Полиамиды (капрон, нейлон).

6. Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) – отличается от Фторопласта 4 тем, что один атом фтора заменен на значительно больший по размеру атом хлора, из-за этого появляется асимметрия в структуре, т.е. молекула становится полярной. Этот материал обладает более высокой твердостью, высокой технологичностью, отсутствует хладотекучесть и более низкая стоимость.

Применение:

Полихлорвинил, винипласт.

1. Изоляция проводов.

2. Основа для лаков с высокой химической стойкостью.

3. Изготавливают пенопласты.

Полиметилметакрилат.

Прозрачный и бесцветный материал, который выпускают в виде порошка, трубок, блоков и листов. Применяется в производстве прозрачных шкал, линз, корпусов приборов и т.д.

Достоинства:

- очень технологичен,

- малый удельный вес,

- не бьется (но малая поверхностная твердость),

- надежно склеивается дихлорэтаном.

Полиэтилентерефталат.

Пленки из лавсана используют как основу для гибкого печатного монтажа, в качестве НЧ конденсаторного диэлектрика, изоляции НЧ проводов.

Фторопласт-3

Достоинства:

1. Отсутствие хладотекучести;

2.Высокая твердость;

3. Высокая технологичность;

4. Высокая радиационная стойкость;

5. Относительно низкая стоимость.

Недостатки:

1. Уступает Фтороплату-4 по диэлектрическим параметрам, по нагревостойкости, по химической стойкости, по эластичности.

2. В этой группе материалов имеет наибольший удельный вес.

Применение:

• .изготавливают сложные детали с большим количеством отверстий.

• изоляция проводов и кабелей.

• пленки используют в нагревостойких НЧ конденсаторах, длительно выдерживающих повышенную температуру.