Электротехнические материалы

3.2.6. Электроизоляционные резины

Резины нашли широкое применение при производстве проводов и кабелей в качестве основной изоляции и защитных оболочек.

Основой резиновых материалов являются каучуки натуральный и многочисленные синтетические.

Вследствие малой стойкости к действию растворителей, а также к действию повышенных и пониженных температур чистый каучук как электроизоляционный материал не применяют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают вулканизации, т.е. процессу термической обработки при 120–150 С в присутствии серы, в результате чего получают материал, называемый резиной.

Помимо каучука и серы, в состав резиновой смеси вводят различные наполнители, существенно изменяющие свойства резины (мел, тальк, сажа), а также красители, ускорители вулканизации, противостарители, смягчители и другие вещества. Мягкая резина характеризуется следующими свойствами:

В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, получают различные материалы: при 1–3 % серы мягкую резину, при 30–35 % серы твердую резину (эбонит). Эбонит обладает высокими электроизоляционными свойствами и химической стойкостью, применяется для изготовления установочной изоляции.

На основе бутадиенового каучука при нагревании его до 200– 300 С изготавливается твердый высокочастотный диэлектрик эскапон. Эскапон химически и термически стойкий диэлектрик с высокими диэлектрическими свойствами:

3.3. Неорганические твердые диэлектрики

По своей природе и способу изготовления деталей неорганические диэлектрики подразделяются на следующие группы:

природные минеральные диэлектрики;

электроизоляционные стекла;

электроизоляционная керамика;

сегнето- и пьезоэлектрики.

51

3.3.1. Природные минеральные диэлектрики

Важнейшими представителями минеральных диэлектриков являются слюда, асбест, мрамор и кварц (табл. 7).

Слюда природный минерал с ионной кристаллической решеткой и характерным слоистым строением, что позволяет расщеплять ее на тонкие (до 0,005 мм) лепестки. Основными положительными свойствами слюды являются высокая электрическая прочность, малые диэлектрические потери и высокая нагревостойкость

(до 650 С).

Из природной слюды наиболее широкое применение получили мусковит (калийная слюда) и флогопит (магнезиально-калийная слюда). Из природной слюды изготавливаются различные слюдяные электроизоляционные материалы, основными из которых являются миканит и микалекс.

Миканит материал, получаемый путем склеивания лаком или смолой лепестков слюды. Для повышения механической прочности материала к лепесткам слюды приклеивается бумага или ткань.

Микалекс материал, получаемый путем горячего прессования порошка, состоящего из 60 % молотой слюды и 40 % легкоплавкого стекла. Микалекс хорошо обрабатывается резанием, что

52

позволяет делать из него различные по форме электроизоляционные детали.

Слюда и слюдяные изделия широко применяются в качестве электроизоляционных материалов при изготовлении конденсаторов, электрических машин (изоляционные прокладки коллекторов), переключателей, деталей электровакуумных приборов и др.

Мрамор кристаллическая горная порода, состоящая в основном из СаСО2. Основными недостатками мрамора являются нестойкость против кислот, хрупкость и гигроскопичность. Мрамор применяется как низкочастотный диэлектрик для изготовления распределительных щитов, щитков предохранителей, рубильников и переключателей.

Асбест обладает высокой теплостойкостью, но гигроскопичен. Он употребляется в низкочастотных установках в виде текстильных и бумажных изделий. Асбестовая бумага применяется для межвитковой изоляции катушек. Асбестовая лента используется в секциях обмоток электрических машин и катушек индуктивности.

3.3.2. Электроизоляционные стекла. Ситаллы

Стеклами называются неорганические аморфные термопластичные вещества, полученные сплавлением различных окислов с последующим быстрым охлаждением. Основными составляющими стекол являются стеклообразующие окислы SiO2, Bi2O3 и P2O5. Кроме того, для понижения температуры плавления в стекла вводятся щелочные окислы Na2O, K2O, а для повышения химической стойкости и прочности добавляются окислы PbO и Al2O3.

К положительным свойствам стекол относятся прозрачность, газонепроницаемость, высокая химическая стойкость, стабильность свойств и невысокая стоимость.

Основные недостатки стекол: повышенная поверхностная проводимость во влажной атмосфере, высокие диэлектрические потери и повышенная хрупкость.

В зависимости от назначения различают конденсаторные, установочные и вакуумные (ламповые) стекла.

53

Конденсаторные стекла должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью при минимальных диэлектрических потерях tg . Для этой цели используются щелочные стекла с добавками окислов тяжелых металлов и окись титана.

Установочные стекла (кварцевые, боросиликатные) обладают высокой механической и электрической прочностью, малой хрупкостью. Они применяются для изготовления опорных, линейных, проходных и других изоляторов.

Вакуумные стекла получили наибольшее распространение

врадиотехнике в качестве баллонов электрических ламп, элек- тронно-лучевых трубок, фотоэлементов. Эти стекла должны обладать примерно одинаковым коэффициентом линейного расширения с металлами, впаянными в них, иметь высокую герметичность

ввакууме и большие значения V и S при повышенных температурах.

Ситаллы это стеклокристаллические материалы, полученные из стекол при помощи контролируемой кристаллизации. Кристаллическая фаза достигает 60–95 % по объему ситалла, а размеры отдельных кристаллов колеблются от 0,01 до 1 мкм. Для получения ситаллов берутся стекла определенного состава (SiO2, Li2O, TiO2, Al2O3, MgO), способные в определенных условиях кристаллизоваться.

Изделия из ситаллов изготавливают теми же способами, что и из обычного стекла, а затем их подвергают двухступенчатой термической обработке при 500–700 С и 900–1100 С. На первой ступени образуются зародыши кристаллов, а на второй происходит их рост (кристаллизация).

По механическим свойствам ситаллы более чем в 10 раз превосходят обычные стекла. Они тверже углеродистых сталей, легче алюминия, по изоляционным свойствам и нагревостойкости приближаются к кварцевому стеклу.

Ситаллы это высокочастотные диэлектрики, они дешевле керамики и применяются для баллонов вакуумных приборов, осно-

54

ваний печатных плат, обтекателей антенн. Из фотоситаллов изготавливают галеты микромодулей, подложки гибридных интегральных схем и теневые маски цветного телевидения.

3.3.3. Электроизоляционная керамика

Керамикой называются материалы, получаемые из минерального сырья путем высокотемпературного обжига (спекания). Исходным сырьем для электроизоляционной керамики являются каолин, кварц, полевой шпат, тальк, двуокись титана, окись алюминия

идр. Технология производства керамики включает измельчение

иперемешивание составных частей, изготовление изделий из полученной массы, сушку и обжиг. В зависимости от назначения керамические материалы подразделяются на установочные и конденсаторные.

Установочная керамика предназначена для изготовления изоляторов линий передач, плат, панелей, каркасов, катушек и др. К установочной керамике предъявляются следующие основные требования: малые диэлектрические потери, высокая электрическая прочность, нагрево-, морозо- и влагостойкость, механическая прочность.

Важнейшими представителями установочной керамики являются: электрофарфор, ультрафарфор и стеатит.

Электрофарфор низкочастотная керамика, в состав которой входит каолин, полевой шпат, кварцевый песок и огнеупорная глина. Электрофарфор применяют для изготовления линейных, штыревых, подвесных, опорных и проходных изоляторов, для электрической арматуры в цепях низкого напряжения (выключатели, штепсельные разъемы), для каркасов реостатов и т.д. Недостатками электрофарфора являются большие диэлектрические потери и резкое возрастание потерь с повышением температуры, а также малая прочность на изгиб.

Ультрафарфор высокочастотная керамика, состоящая из окиси алюминия, каолина, окиси бария и глины. Он обладает высокими электрическими и механическими свойствами. Применяется

55

для изготовления установочных деталей, работающих в условиях высокой и сверхвысокой частоты, а также для изготовления высокочастотных конденсаторов.

Стеатит содержит в своей основе тальк, к которому добавляют окись бария, магния, глину. Отличительной особенностью стеатита является низкая чувствительность свойств к изменению температуры. Применяется он в качестве установочной изоляции в радиоаппаратуре и высокочастотных конденсаторах.

Конденсаторная керамика предназначена в качестве диэлектрика в конденсаторах. Она имеет малые значения tg , высокую пробивную напряженность и высокую диэлектрическую проницаемость, от величины которой зависит емкость и габариты конденсаторов. Поэтому основой конденсаторной керамики является рутил (TiO2), обладающий большой относительной диэлектрической проницаемостью, ε = 173. Применяется для изготовления блокировочных, контурных, разделительных и термокомпенсирующих конденсаторов.

3.3.4. Активные диэлектрики

Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры, светового потока и др.

Сегнетоэлектрики это керамические материалы, обладающие в определенном температурном диапазоне спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Они имеют доменную структуру, обладают большой диэлектрической проницаемостью (ε = 102…106), резкой зависимостью ε от температуры и напряженности электрического поля.

Представителем данной группы материалов, нашедших широкое применение в практике, является керамический материал тибар (на основе титаната бария), используемый для изготовления малогабаритных и миниатюрных конденсаторов.

56

Сегнетокерамические материалы, обладающие сильно выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, используются для создания нелинейных конденсаторов (варикондов).

Пьезоэлектрики это вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект), а под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Таким образом, пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, преобразующими механическую энергию в электрическую и обратно. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы.

Структура пьезокерамики твердые растворы на основе титаната бария (ТБС, ТБКС), ниобата бария (НБС), ниобата и титаната свинца (НТС). Пьезоэлектрики применяют для стабилизации частоты радиопередатчиков, производства фильтров с высокой избирательностью, для генерации ультразвука, микрофонов и звукоснимателей, для измерения давлений, деформаций, ускорений и др.

Электретами называют твердые диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние и создающие электрическое поле без внешнего энергетического воздействия. Это формальные аналоги постоянных магнитов. Их используют в качестве датчиков сигналов или преобразователей (микрофоны, вибродатчики, датчики давления, барометры, тахометры, дозиметры проникающей радиации и т.п.).

К активным диэлектрикам относятся электрооптические материалы, в том числе жидкие кристаллы, а также люминифоры.

57

Нужно много учиться, чтобы немногое знать.

Монтескье

ЛЕКЦИЯ 4

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы играют важную роль в электро- и радиотехнических устройствах, участвуя в создании электрической энергии, ее преобразовании, измерении и использовании.

Материалы в магнитном поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля, диамагнитный эффект. Наличие нескомпенсированных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами, и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Cu, Ag, Au, Be, Zn, полупроводники Ge и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Pt, Al, Mg, Ti, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

58

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля (рис. 15). Ими являются металлы Fe, Ni, Co, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах. Ферромагнетизм результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном антипараллельная. Значение и знак обменной энергии зависят от отношения периметра кристаллической решетки а к диаметру d незаполненного электронного подуровня. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Рис. 15. Ориентация магнитных моментов атомов различных материалов

Домен это область кристалла размером 10 4–10 6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. При отсутствии внешнего

59

магнитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены различно, и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной 10 7–10 8 м, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются.

В антиферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю (рис. 16). Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называется ферромагнетиком.

Рис. 16. Обменная энергия ферромагнитных металлов: I антиферромагнетики; II ферромагнетики;

III парамагнетики

Наибольший технический интерес представляют ферромагнитные материалы, характерной особенностью которых является способность намагничиваться и частично сохранять это состояние после удаления внешнего магнитного поля.

4.1. Основные свойства ферромагнитных материалов

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ферромагнетиков ориентированы в различных направлениях и компенсируют друг друга. Но в усло-

60