Пассивные и активные диэлектрические материалы РЭС. Чернышов А.В

УДК 621.396.6.002(07)

Чернышов А.В. Пассивные и активные диэлектрические материалы РЭС: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж.гос.

техн.ун-т, 2004. 159 с.

В учебном пособии рассматриваются основные сведения о диэлектриках, используемых в устройствах РЭС.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств», специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», дисциплине «Материаловедение и материалы РЭС».

Учебное пособие может быть использовано при самостоятельной проработке материала по дисциплине «Материаловедение и материалы РЭС» студентами очной и заочной форм обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD. Содержится в файле «УП Пассивные диэлектрические материалы РЭС», объем 4,8 МБ.

Табл.19. Ил.32. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор д.-р.физ.-мат.наук, проф.Ю.С.Балашов

Рецензенты: Федеральное государственное унитарное предприятие Воронежский НИИ связи» (начальник НТО39, канд.техн.наук В.С.Цымбалюк), кафедра математики и физики Военного института радиоэлектроники зав.кафедрой, проф.А.В.Паршин

Чернышов А.В., 2004 Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2004.

2

1.2.Диэлектрическая проницаемость и виды поляризации ди- 8 электриков

2.5.5.Пластмассы с порошковыми и волокнистыми напол96 нителями

3.2.3.Виды керамик, применяющихся при изготовлении ус114 тановочных деталейРЭС

3

ВВЕДЕНИЕ

Диэлектрики как радиоматериалы широко используются при изготовлении радиокомпонентов и установочных деталей в устройствах радиоэлектронных средств. Кроме того многие из диэлектрических материалов применяются как конструкционные неметаллические материалы при изготовлении элементов несущих конструкция, различных механизмов РЭС. В этом случае они должны характеризоваться определенными механическими свойствами.

Диэлектрические материалы, рассмотренные в данном учебном пособии, являются составной частью дисциплины «Материаловедение и материалы радиоэлектронных средств». По учебному плану на изучение этой дисциплины отводится ограниченное аудиторное время, поэтому студенты определенную часть курса должны прорабатывать самостоятельно. Кроме того, в имеющихся учебниках, предназначенных для обучения по специальности «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» многие диэлектрические материалы освещаются недостаточно или отсутствуют (например, материалы для диэлектрических резонаторов).

Цель данного учебного пособия восполнить пробелы в учебниках и обеспечить студентов дополнительным материалом для самостоятельной работы.

Пособие содержит 4 главы, в которых рассматриваются основные сведения о физических процессах, протекающих в диэлектрических материалах под действием электрических полей; основные параметры, которыми характеризуются диэлектрики; пассивные органические и неорганические диэлектрические материалы; активные: сегнетоэлектрики; пьезоэлектрики, электреты и материалы твердотельных лазеров.

В пособии приводятся справочные данные по электрическим и физико-механическим свойствам материалов, которые будут полезны для студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

5

1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Определение диэлектриков, их классификация

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойствами которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Поляризация это – процесс смещения и упорядочения связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. К диэлектрикам относятся материалы, у которых ширина запрещенной зоны превышает 3 эВ.

Кпассивным диэлектрическим материалам относятся материалы, в которых диэлектрическая проницаемость не зависит от напряженности внешнего электрического поля. Эти диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков в конденсаторах. Электроизоляционные материалы не должны допускать утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств РЭС от проводящих, но не токоведущих частей (корпусов, земли). В этом случае важную роль играет электрическая прочность материалов. При использовании материала в качестве диэлектрика конденсаторов определенной емкости и наименьших размеров желательно иметь большую величину диэлектрической проницаемости.

Пассивные диэлектрики находят также широкое применение для изготовления разных конструктивных элементов радиоэлектронных средств, таких как подложки гибридных интегральных схем, оснований печатных плат, каркасы катушек индуктивностей и трансформаторов, ручки и кнопки управления, корпуса приборов и др. К этим материалам кроме определенных электрических свойств, предъявляются требования по механическим параметрам.

Кпассивным диэлектрикам относятся различные элек-

6

троизоляционные и конструкционные материалы: пластмассы, лаки, компаунды клеи, волокнистые материалы, стекла, керамика.

Активные диэлектрики – это диэлектрики, в которых наблюдается заметная нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего электрического поля. Поэтому активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, преобразование информации.

К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электреты и материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы и др.

Требования, предъявляемые к диэлектрическим материалам, зависят от технического назначения. Так главным требованием, предъявляемым к пассивным материалам, является сохранение стабильных свойств при внешних энергетических воздействиях. Требование к активному материалу противоположное – чем сильнее изменяются его свойства при внешних энергетических воздействиях, тем лучше выполняет активный элемент функции управления энергией.

В зависимости от условий эксплуатации к диэлектрическим материалам предъявляются очень жесткие и разносторонние требования. Помимо выполнения основных функциональных требований они должны быть легкими, механически прочными, технологичными при изготовлении из них деталей, не боятся вибраций и ударных нагрузок, чередование многократных температурных циклов не должны вызывать их порчи. Материалы, контактирующие с внешней средой не должны бояться плесени, должны быть химически стойкими. На функциональные параметры материалов не должны влиять, или влиять в малой степени, радиационные излучения. Кроме того, материалы, используемые в аппаратуре массового потребления должны быть дешевыми.

7

Основными параметрами и характеристиками диэлектрических материалов являются диэлектрическая проницаемость ε, удельное сопротивление ρ, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ; электрическая прочность Eпр.

1.2. Диэлектрическая проницаемость и виды поляризации диэлектриков

Для характеристики способности различных материалов поляризоваться в электрическом поле служит относительная диэлектрическая проницаемость ε. Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащим данный диэлектрик, к заряду Q0, который можно было бы получить, если бы между электродами находился вакуум

где Qg – заряд, который обусловлен поляризацией диэлектрика.

Из выражения следует, что ε любого вещества больше единицы, и равна единице только в вакууме.

При этом емкость конденсатора С определяется из вы-

где S – площадь электродов конденсатора;

8

h – расстояние между электродами;

εо – электрическая постоянная, равная 8,854 . 10-12ф/м Величина емкости конденсатора с диэлектриком и на-

копленный в нем электрический заряд, а значит, и диэлектрическая проницаемость обусловливаются различными видами поляризации, которые в зависимости от структуры диэлектрика разделяются на два вида:

-поляризации, совершающиеся в диэлектрике под действием электрического поля мгновенно, без рассеивания энергии, т.е. без выделения тепла – это электронная и ионная поляризации;

-поляризации, совершающиеся под действием электрического поля не мгновенно, а нарастают и убывают замедленно и сопровождаются рассеиванием энергии – это диполь- но-релаксационная, ионно-релаксационная, электроннорелаксационная, миграционная (структурная) и спонтанная поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение электронных оболочек атомов и ионов. Электрон-

ная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков на всех частотах, вплоть до 1014-1016 Гц. Диэлектрическая про-

ницаемость материалов с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света ε = n2.

Ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояние, меньше периода решетки. Этот вид, поляризации характерен для твердых тел с ионной структурой.

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются под действием внешнего электрического поля. Поворот диполей в направлении поля требует некоторого сопротивления, поэтому этот вид поляризации связан с потерями энергии и нагревом материала. Процесс установления дипольной поляризации после включения электрического напряжения и процесс ее исчезновения после

9

снятия напряжения требует определенного времени.

После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает. Поляризованность диэлектрика ρдр от времени t выражается по формуле

где t – время, прошедшее после выключения электрического поля;

η – постоянная времени (время релаксации).

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных диполей уменьшается в 2,7 раз от первоначального состояния после снятия электрического поля.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для полярных жидкостей и твердых полярных органических диэлектриков. Но в последних поляризация обусловлена поворотом не самой молекулы, а полярных радикалов по отношению к молекуле или смещением отдельных фрагментов макромолекулы.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояние, превышающее постоянную решетки. После выключения электрического напряжения ионы постепенно возвращаются в исходное состояние к центрам равновесия в течение определенного времени. Поэтому этот вид поляризации можно отнести к релаксационной. На преодоление взаимодействия ионов при их ориентации расходуется энергия электрического поля, которая рассеивается в виде тепла. Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических материалах.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных дефектных

10