2798

ления, например полистирол, полихлорвинил, имеют меньшее значение теплового пробивного напряжения, чем неорганические материалы (керамика, кварцевое стекло).

Напряжение теплового пробоя для плоского диэлектрика с нанесенными электродами, находящимися в переменном электрическом поле частотой f определяются по следующей приближенной формуле

где λ – суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности диэлектрика во внешнюю среду; α – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь; tgδо – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре окружающей среды; h – толщина диэлектрика; k - числовой коэффициент, равный 1,5 105, если размерность всех величин в системе СИ.

Из формулы (1.15) следует, что величина напряжения при тепловой пробое увеличивается с ростом толщины образца и коэффициента теплоотдачи от диэлектрика во внешнюю среду и снижается при высоких частотах, больших коэффициенте диэлектрических потерь εtgo и температурном коэффициенте тангенса диэлектрических потерь α.

Ионизационный пробой является разновидностью теплового пробоя и происходит в диэлектриках с воздушными включениями, например в пористой керамике. Пробой в этом случае обусловлен ионизационными процессами в воздушных включениях, приводящих к постепенному растрескиванию материала. Так как электрическая прочность газов меньше по сравнению с твердыми диэлектриками, то наличие воздушных включений в твердых диэлектриках приводит к снижению электрической прочности.

Поверхностный пробой диэлектриков возникает вследствие возникновения больших поверхностных токов, обусловленных снижением поверхностного сопротивления Rs.

31

Причиной этого является наличие на поверхности загрязнений, влаги, шероховатости, трещин. Чем выше выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем сильнее снижается поверхностное пробивное напряжение; электрическая прочность при этом может снижаться до 0,1 мВ/м. При достаточной мощности источника тока поверхностный пробой может перейти в дуговой, т.е. развиваться по воздуху. Для повышения напряжения поверхностного пробоя принимают ряд методов: нанесение на поверхность диэлектрических пленок с гидрофобными свойствами (кремнеорганических лаков), увеличение длины разрядного пути по поверхности диэлектрика за счет гофрирования и др.

Электрохимический пробой возникает при постоян-

ном и переменном напряжении низкой частоты, при длительной эксплуатации изделия во влажной среде, и повышенной температуре. Этот вид пробоя обусловлен такими процессами в диэлектрике, как электролиз, электромиграция, перенос ионов. Электрохимический пробой чаще наблюдается в конденсаторной керамике, содержащей окислы с переменной валентностью, например, диоксид титана TiO2, чем в керамике, содержащей окислы SiO2, MgO, BaO, Al2O3.

Вопросы для самопроверки

1.Какие материалы называют диэлектрическими?

2.Что называют поляризацией? Какие виды поляризации считают мгновенными и какие замедленными и в чем их различие?

3.Какие виды поляризации наблюдаются в неполярных и полярных органических диэлектриках и в диэлектриках ионной структуры?

4.Что характеризует относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков и как она изменяется от температуры и частоты?

5.Каков механизм электропроводности твердых ди-

32

электриков и почему электропроводность диэлектриков мала? Какими токами определяется проводимость диэлектриков при постоянном и переменном напряжении?

6.Приведите формулы для определения удельного, объемного и поверхностного сопротивления и в каких единицах их измеряют?

7.Как влияет влажность на величину удельного поверхностного сопротивления твердых диэлектриков различной структуры?

8.Что называют диэлектрическими потерями, и какие существуют механизмы диэлектрических потерь?

9.Чем характеризуют способность диэлектриков рассеивать энергию в электрическом поле? Какой угол называют углом диэлектрических потерь?

10.Каков характер изменения tgδ в зависимости от частоты при наличии релаксационных потерь в диэлектриках.

11.Какие значения диэлектрической проницаемости ε

итангенса угла диэлектрических потерь tgδ должны иметь диэлектрики, применяемые в области высоких и сверхвысоких частот?

12.Что понимается под явлением пробоя в диэлектриках? Как определяется электрическая прочность диэлектриков?

13.Какие существуют механизмы пробоя твердых диэлектриков? Каковы условия проявления каждого из них?

2.ПЛАСТМАССЫ

2.1.Основные определения и классификация

Пластмассы - это искусственные материалы, представляющие собой композиции полимеров или реакционноспособных олигомеров с различными добавками, находящимися при формовании в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации в стеклообразном или аморф-

33

но-кристаллическом состоянии.

Основой всех пластмасс являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения - полимеры, т.е. вещества, молекулы которых содержат большое количество атомов, связанных между собой прочной ковалентной связью. Тип полимера определяет диэлектрические, механические и технологические свойства пластмасс.

Полимеры получают способом полимеризации и поликонденсации. Исходными соединениями синтеза являются низкомолекулярные соединения: мономеры и олигомеры.

Полимеризация - это процесс образования макромолекул по цепному механизму за счет последовательного присоединения n молекул мономера (Мн) к активным центрам, находящимся на концах растущих цепей. Схема полимеризации записывается в виде

[ - Mн - ]n + Mн [ - Mн - ]n+1

Элементарный состав полученных макромолекул, как правило, не отличается от состава мономера. В полимеризацию вступают мономеры, содержащие кратные связи С = С, С = 0, С С, С N и другие. Полимеризацию мономеров, содержащих только одну кратную связь или цикл называют линейной, полимеризацию трех и более функциональных мономеров называют трехмерной. В соответствии с этим образуются линейные или сшитые полимеры. По числу типов мономеров, участвующих в реакции различают гомополимеризацию (один тип мономера) и сополимеризцию, когда участвуют два и более типов мономеров. Процесс полимеризации осуществляется в водных эмульсиях или в газовой среде, с использованием катализаторов, без выделения побочных продуктов. Конечными продуктами при полимеризации являются блоки (блочная полимеризация), порошки или пленки, гранулы, которые перерабатываются в изделия. Примером продуктов полимеризации являются полиэтилен, полистирол, поли-

34

тетрафторэтилен и другие. При этом необходимо отметить, что карбоцепные полимеры синтезируют в основном методом полимеризации.

Поликонденсация - это ступенчатый процесс образования макромолекул путем взаимодействия друг с другом активных центров низкомолекулярных реактивов системы с выделением побочного продукта: воды, аммиака, спирта и другие. Схема процесса поликонденсации имеет вид

[ - Mn - ]n1 + [ - Mn - ]n2 [ - Mн - ]n1+n2,

где [ - Mn - ]n1 и [ - Mн - ]n2 - олигомеры или макромолекулы, содержащие в своей цепи n1 или n2 мономерных составов.

При получении полимеров поликонденсацией применяются мономеры с группами - OH, - NH2, - COOH и другие. При этом состав элементарных групп конечного продукта в основном не совпадает с элементарным составом исходных мономеров. Структура полимеров после синтеза может быть линейной или сшитой в зависимости от количества типов функциональных групп, а процесс поликонденсации называют линейным или трехмерным. Сшитые полимеры и изделия, его содержание, как правило, получают при использовании промежуточных олигомеров, имеющих линейную структуру. Трехмерное состояние часто образуется при механическом воздействии, например при прессовании. Трехмерная поликонденсация используется, например, при изготовлении изделий на основе фенолоформальдегидных и эпоксидных смол. Поликонденсация применяется в основном при синтезе гетероцепных полимеров, хотя некоторые из них (пентапласт, полиамид) получают методом полимеризации.

Главными признаками, по которым классифицируют конструкционные пластмассы, являются: состав, отношение к нагреванию и растворителям, химическая природа полимера.

По составу пластмассы разделяются на ненаполненные и наполненные.

35

Ненаполненные пластмассы представляют собой полимеры в чистом виде. Для увеличения стойкости против ударных нагрузок (повышения ударной прочности) многие полимеры (полистирол, поливинилхлорид, поликарбонат и другие) модифицируют определенным количеством эластичных полимеров, образующих эластичную дисперсную фазу в жесткой стеклообразной фазе термопластичного полимера. При этом не снижаются технологические и конструкционные свойства исходного полимера.

Наполненные пластмассы являются сложными композициями, содержащими связующее вещество отвердитель, наполнитель, пластификатор, краситель и другие добавки. В качестве связующих веществ применяют синтетические полимеры, смолы и их смеси: полиамиды, полиакрилаты, полиацетаты, поликарбонаты и другие термопласты; эпоксидные кремнийорганические, фенолоальдегидные, аминоальдегидные и другие смолы. По характеру связующего вещества пластмассы подразделяются на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Наполнители применяют для улучшения прочностных и эксплуатационных свойств, снижения усадки в процессе переработки в изделие, повышения стойкости против воздействия различных сред, а также снижения стоимости материала. По своей природе наполнители бывают органические (древесная мука, дисперсионные полимеры, лигнин, бумага и другие) и неорганические (кварцевая мука, асбест, стекло и другие). Органические и неорганические наполнители подразделяются на порошкообразные, волокнистые и слоистые (листы бумаги, стеклоткани). Содержание наполнителей в пластмассах доходит до 40 - 65 %.

Пластификаторы вводят для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс: повышения пластичности и расширения интервала высокоэластического состояния, увеличения стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения, холодостойкости.

36

Красители придают нужную окраску пластмассам, а также используются для защиты от старения и разложения. В качестве красителей применяют мумию, родалин, нигрозин.

Пластмассы с термореактивным связующим веществом и различными наполнителями обычно называют прессматериалами.

В радиоэлектронных средствах пластмассы применяются для изготовления разнообразных деталей, которые можно условно подразделить на три группы. К первой группе относят детали, к которым предъявляют высокие требования по механическим свойствам. Это корпуса, каркасы, панели, крышки, стойки и так далее. Ко второй группе относят детали, к которым наряду с высокими механическими свойствами должны иметь высокие диэлектрические параметры - подложки микросхем, основания печатных плат, каркасы трансформаторов, детали переключателей и электрических разъемов. К третьей группе относятся детали, к которым предъявляются высокие требования по диэлектрическим параметрам - детали высокочастотных и импульсных трансформаторов и катушек индуктивностей, антенных устройств, волноводных трактов и так далее.

Пластмассы, предназначенные для изготовления первых двух типов деталей, называют конструкционными, а пластмассы, применяемые для изготовления деталей третьей группы, относят к радиоматериалам. Но это деление является условным, так как материалы, применяемые для изготовления первой группы деталей, должны обладать и высокими электроизоляционными свойствами, а материалы, применяемые для изготовления деталей третьей группы, должны обладать достаточными механическими свойствами.

2.2. Ненаполненные пластмассы

К ненаполненным пластмассам относятся термопластичные полимеры, которые применяются в чистом виде или

37

являются связующим веществом для других видов пластмасс. Применение ненаполненных пластмасс для изготовления деталей радиоэлектронных средств зависит от их физикомеханических (прочность, пластичность, ударная вязкость, плотность, теплостойкость), диэлектрических (диэлектрическая проницаемость , диэлектрические потери tg , удельное сопротивление , электрическая прочность Епр), эксплуатационных (интервал рабочих температур, стойкость против агрессивных сред, водопоглощение, старение) и технологических (усадка, текучесть) свойств. Все эти свойства определяются химической структурой полимеров, степенью кристалличности, температурами переходов из одного физического состояния в другое, характеризующимися температурой стеклования Тст, температурой текучести Тт (температура перехода из высокоэластического в вязкотекучее состояние) и температурой плавления Тпл (для кристаллических полимеров).

Полиэтилен (ПЭ) - неполярный твердый полимер белого цвета, макромолекулы которого имеют линейное строение с небольшим количеством боковых ответвлений. Полиэтилен получают методом полимеризации из газа этилена –

n = 1500. В промышленности ПЭ получают тремя основными методами

1.Полимеризацией этилена при высоком давлении (130-250 МПа) и высокой температуре (190-300 оС) в течение 30-100 с в присутствии инициаторов; полученный ПЭ называют полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или ПЭ низкой плотности.

2.Полимеризацией этилена при низком давлении (около 1 МПа), температуре 80 оС с применением катализаторов. Полученный ПЭ называют полиэтиленом низкого давления (ПЭНД) или ПЭ высокой плотности.

3.Полимеризацией этилена при среднем давлении (3-4 МПа), температуре ниже 300 оС с применением катализа-

38

торов. Этот полимер называют ПЭ среднего давления (ПЭСД) или ПЭ высокой плотности.

Эти три ПЭ различаются по степени разветвленности (наиболее разветвлен ПЭВД), по степени кристалличности, по плотности и по температуре плавления. В табл.2.1 приведены основные физико-механические параметры трех типов ПЭ.

39

Продолжение табл.2.1

Полиэтилен сочетает высокую прочность с достаточной эластичностью и способен работать в широком диапазоне температур (-120 +100 оС). При этом в интервале -45 +115 оС диэлектрические параметры мало изменяются. ПЭ обладает высокой химостойкостью против щелочей, растворов солей и кислот, включая плавиковую кислоту. При действии концентрированной серной кислоты и температуры 50 оС свойства ПЭ сильно меняются; он разрушается при действии 50 %-й азотной кислоты при 20 оС, а также жидкими и газообразными хлором и фтором. Полиэтилен обладает низкой газо-, паро- и водопроницаемостью. ПЭ не растворяется, но набухает в органических растворителях при 20 оС, выше 80 оС растворяется во многих растворителях, особенно в углеводородах и их производных.

При действии на ПЭ ультрафиолетовых лучей, кислорода происходит старение, которое выражается в ухудшении физико-механических свойств. На воздухе в деталях из ПЭ, находящихся в напряженном состоянии, возможно появление трещин; процесс этот происходит в течение нескольких лет, особенно он ускоряется при контакте со спиртами, мылами, нефтяными маслами.

Полиэтилен практически безвреден и не выделяет в окружающую среду опасных для здоровья человека веществ. Вредное действие могут оказывать лишь продукты его разложения, образующиеся при температурах значительно выше

40