книги из ГПНТБ / Балыгин, И. Е. Электрические свойства твердых диэлектриков

Опыты проводились по схемам, представленным парис. 1-1 [1-10]. Размеры дисков, способ приготовления . к испытаниям, предвари­ тельная проверка на качество спекания, нанесение электродов вжиганием серебра были такими же, как и при испытаниях образцов из УФ-46 и Т-20. При неизменных условиях пробивались партии по 7—13 образцов. Воспроизводимость осциллограмм в пределах стати­ стического разброса получалась удовлетворительной.

На рис. 1-5 представлены наиболее характерные осциллограммы пробоя образцов при различной крутизне нарастания амплитуды импульсного напряжения. Осц. I X — градуировочная. Она. снята при пробое воздушного промежутка 10 мм между стандартными шарами диаметром 62,5 мм. Цифровой материал, относящийся к этим осцил­ лограммам, сведен в табл. 1-7.

Средняя пробивная напряженность Т-80 получилась равной 11 кв/мм. То же и при постоянном напряжении. В отличие от неко­ торых других керамических материалов у Т-80 хорошо проводящий мостик образуется сразу же после первого пробоя. При повторных пробоях (см. табл. 1-7) Епр= 0,9-ь 1,7 кв)мм. Следовательно, элек­ троизоляционные свойства у пробитых образцов практически не вос­ станавливаются. Возможно, что при первом пробое в области раз­ рядного канала резко нарушается стехиометрическое соотношение в кристаллических ячейках или образуется мостик из восстановлен­ ных металлических атомов.

Напряжение при испытании образцов также постепенно повы­ шалось до пробоя. Осц. /—III записаны при такоң развертке по вре­ мени, при которой сравнительно длительное время можно было на­ блюдать за подъемом и спадом амплитуды импульса, чтобы просле­ дить за возможным появлением частичных разрядов на большей части импульсной волны. Предварительное опыты показали, что у большинства образцов пробои формируются без предварительных частичных пробоев (осц. / рис. 1-5). У некоторых образцов эти

пробои еле уловимы (осц. //), но в отдельных случаях они хорошо различаются (осц. III). По величине снижения напряжения они почти равноценны полному пробою. Характерным здесь является то обстоятельство, что после каждого разряда электрическая прочность образцов почти полностью восстанавливалась. При повторной по­ даче импульса на тот же образец следовал новый почти полный пробой, но перед ним наблюдались небольшие частичные разряды с падением напряжения 0,6-4-1,0 кв.

Возможно, что в такого рода редко встречающихся дисках при­ сутствовали случайные примеси, сообщавшие керамике в отношении динамики пробоя особые свойства. Но не исключено также, что образование канала происходило только по поверхности раздела кристаллических ячеек и стекловидных прослоек с наибольшей кон­ центрацией акцепторных уровней поверхностного типа. В резуль­ тате интенсивного захвата электронов развитие пробоя энергично подавлялось. Частичные пробои наблюдались и в изоляции микалент.

Уобразцов из массы Т-80 можно отметить еще одну особенность

вотношении времени статистического запаздывания пробоя. По осц. VI (рис. 1-5) оно равно примерно 25 мксек. Столь большое для керамических материалов запаздывание в развитии пробоя можно объяснить интенсивным захватом лавин электронов акцепторными центрами.

На линиях среза (момент пробоя) у осц. IV— VI (рис. 1-5) хо­ рошо различаются два утолщения. Они свидетельствуют о том, что при развитии пробоя дважды происходило торможение. То же обычно наблюдается и при пробоях воздушных промежутков, как это видно по осц. IX. Такого рода торможение, связанное с возраста­ нием электрического сопротивления разрядного канала, можно объ­ яснить действием объемного положительного заряда, появляющегося после сквозного прохождения электронных лавин. При увеличении крутизны нарастания амплитуды импульса появляется торможение иного рода в виде общего замедления процесса развития в его за­ вершающей стадии. Общее время формирования пробоя поэтому удлиняется (см. табл. 1-7). Величина Епр при этом несколько уменьшается.

На рис. 1-6 приведены осциллограммы пробоя таких же образцов из Т-80, но при сравнительно резком нарастании амплитуды импульса. Пробои производились при R —0 (рис. 1-1, в). Здесь, как и в случае пробоя образцов из УФ-46, снова записано предпробив­ ное снижение напряжения. Данные о некоторых параметрах этого снижения приводятся в табл. 1-8. Из табл. 1-8 видно, что время формирования пробоя при предпробивных срезах напряжения уве­ личивалось до нескольких долей микросекунд. Пробивная же на­ пряженность заметно снижалась.

Динамика развития пробоя образцов из Т-80 при сравнительно крутых нарастаниях амплитуды импульса оказалась в основных чер­ тах такой же, как и у УФ-46. Видимо, и причины, вызывавшие по­ явление предпробивных срезов напряжения, были такими же.

18

Суммируя изложенное в этой главе, можно отметить, что особен­ ности в развитии пробоев образцов из радиокерамических масс, различных по химическому составу и структуре, могут быть объяс­ нены совокупностью нескольких факторов. Основным из них яв­ ляется захват электронов многочисленными акцепторными центрами в дефектах структуры кристаллических ячеек и на их поверхностях. Вторым важным фактором можно считать холодную эмиссию элек­ тронов с микроскопических серебряных выступов на катоде. Что же

Рис. 1-6. Осциллограммы про- f . боя образцов из рутиловой керамики Т-80 при крутом на-

растании амплитуды импульса

яЯЛ

касается послепробивных процессов после сформирования разряд­ ного канала, то динамика их в основном, видимо, определяется тер­ моионизацией и образованием газовой атмосферы в канале. Все эти факторы связаны с химическим составом керамики и ее структурой.

В явлении электрического пробоя керамических диэлектриков

Во время нарастания напряжения до пробивного, при некотором Е начинается ударная ионизация с образованием электронных ла­ вин. Но многочисленные центры захвата электронов подавляют развивающийся пробой.

При дальнейшем повышении напряжения генерирование элек­ тронов начинает преобладать над их убылью. Образуется стример и начинается прогрессивное развитие пробоя. Эту стадию можно на­ звать второй. Опыты показывают, что в некоторых случаях разряд может быть прерван и в этой стадии.

Почти всегда после завершения пробоя при импульсном напря­ жении и особенно при некотором ограничении разрядного тока на­ пряжение не спадает до нуля и в разрядном канале еще длительное время происходят послепробивные процессы. В отдельных случаях они проявляются как многочисленные разряды при сравнительно небольших Е, видимо, в образующейся газовой атмосфере. Эту ста­ дию можно назвать послепробивной или третьей. Она может быть выделена при пробое многих диэлектриков и особенно при некото­ ром ограничении разрядного тока, но на нее часто не обращается внимания.

Г Л А В А В Т О Р А Я

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ п р о ч н о с т и ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

2-1. Закономерности изменения пробивной напряженности радиокерамических материалов в широком диапазоне температур

При использовании различного рода изделий из радиокерамиче­ ских материалов важным фактором является зависимость их про­ бивной напряженности от температуры. Эта зависимость опреде­ ляется химическим составом диэлектрика и его структурой.

Ниже приведены опытные данные зависимости Епѵ от темпера­ туры, полученные автором для образцов из корундовой керамики- (УФ-46), муллитовой (РФ), радиостеатитовой (Б-17 и СЦ-4), ко- рундо-муллитовой (КМ-1), титано-циркониевой (Т-20), шпинели (Ш-15), рутиловой (Т-80), перовскитовой (Т-150), титано-никелевой (ТКР-а) и сегнетокерамической Т-7500. В основном эти данные полу­ чены при постоянном напряжении и только небольшая часть — при импульсном.

Пробивались образцы заводского изготовления. Форма их пока­ зана на рис. 1-1, г. Ширина дисков т = 80-4-90 мм, толщина k = = 8-г-9 мм, а расстояние между электродами н= 1,1-М,5 мм. Элек­ троды наносились троекратным вжиганием серебра и каждый обра­ зец предварительно испытывался на качество спекаемости изме­ рением tg б до и после кипячения в дистиллированной воде. При одинаковых условиях пробивалось 8—12 образцов. Напряжение в те­ чение 30 сек поднималось от нуля до пробивного.

20

Данные о химическом составе образцов из УФ-46, Т-20 и Т-80 приведены в гл. 1, а о некоторых других исследованиях керамиче­ ских материалов — в табл. 2-1.

Таблица 2-1

Химический состав керамических материалов

* Некоторые цифры указаны приближенно.

Стеатит СЦ-4 по химическому составу отличается от Б-17 только одним окислом. Вместо Zr02 в состав СЦ-4 введен ZnO. Керамиче­

пературы для образцов из перечисленных выше керамических мате­

^1 7 0 ° С. При более высоких температурах начинается крутой спад £пр (кривая 1). У радиофарфора диэлектрические потери больше, чем у других перечисленных выше материалов.

Менее резкое снижение £ пр при повышении температуры найдено у образцов из Б-17 (кривая 2, рис. 2-1). Наиболее же термостабиль­ ным материалом по отношению к £ пр оказалась шпинель (кривая 3). Пробивная напряженность ее не изменяется в температурном диапа­ зоне— 50-7-+ 400° С. Для сравнения была приготовлена еще одна партия образцов такого же химического состава, но из менее каче­

лены они были по одной и той же технологии, но из сырьевых мате­ риалов различного качества. Термостабильность этих образцов по отношению к £ пр оказалась сравнительно небольшой, —50-^+150° С (кривые 5 и 6, рис. 2-1). Значения £ пр у образцов из Т-150 оказались -неизменными в температурном диапазоне —50-7-+ 250° С (кривые 7 и 8, рис. 2-1). Эта керамическая масса с диэлектрической прони­ цаемостью 8—150 более термостабильна, но значения ее £ пр срав­

нительно невелики.

Кривые рис. 2-1 показывают, что радиокерамические материалы можно характеризовать критической температурой, при которой на­ чинается снижение £ пр.

21

Зависимость Env= f(t) для некоторых других керамических ди­ электриков при температуре 20-^450° С представлена кривыми на рис. 2-2. Здесь можно обратить внимание на кривую 1 — для образ-

По зависимости Enp= f(t) образцы из керамических материалов ТКР-а (кривая 3) и Т-20 (кривая 4) имеют определенное сходство. Только значения Епр у ТКР-а несколько выше. Пробивная напря­ женность у сегнетокерамического материала Т-7500 оказалась во­ обще невелика (кривая 5). При возрастании температуры эта напряженность непрерывно снижается почти до нуля.

22

В области температур, где у образцов значения £ пр = const, на­ блюдается электрическая форма пробоя. Удельное объемное сопро­ тивление образцов в этих диапазонах температур снижается на не­ сколько порядков.

О значениях пробивной напряженности Епр при постоянном напряжении и удельном объемом сопротивлении р при t — 20°С, а также о критической температуре (кр, при которой начинается сни­ жение электрической прочности, можно получить представление из табл. 2-2. Форма пробоя при (> (Іф, наиболее вероятно, тепловая.

При импульсном напряжении данные о Ещ, получены только для / = 400° С. Из рис. 2-1 и 2-2 видно, что при постоянном напряжении и ( = 400° С значения £ пр у всех исследованных диэлектриков, кроме Ш-15 и Б-17, сравнительно малы. При импульсном же напряжении они оказались значительно выше, как об этом можно судить по осциллограммам пробоев образцов из УФ-46, РФ и Т-80 на рис. 2-3

ипо данным табл. 2-3.

Вслучае постоянного напряжения при той же температуре у об­

Таблица 2-3

Пояснения к осциллограммам (рис. 2-3) пробоя керамических образцов при t = 400° С

23

микросекунды тоже наблюдается предпробивной срез напряжения

(рис. 2-3).

Некоторые данные относительно электрических свойств стеатито­ вых материалов при повышенных температурах приводятся в [2-1].

Рис. 2-3. Осциллограммы пробоя раднокерамических диэлектриков при 400° С

Сведения о влиянии возжженмого металла электродов на электри­ ческую прочность некоторых керамических диэлектриков приво­ дятся в [2-2].

2 -2 . Величины пробивных напряженностей раднокерамических диэлектриков при высокой частоте и различных температурах

Опытным путем было выяснено, что в температурном диапазоне 20-^230°С и частотах от 100 кгц до 1 Мгц механизм пробоя неко­ торых керамических диэлектриков не тепловой, но и не собственно

24

электрический. Некоторые данные о Евр при высокочастотном напря­ жении у керамических диэлектриков приводятся в [2-3].

Опытный материал дает представление о зависимости £ Пр от температуры при /=1,5 Мгц у тех же радиокерамических диэлектри­ ков, для которых приводились величины Епр при импульсном и по­ стоянном напряжениях (табл. 2-2 и 2-3).

Форма опытных образцов и их размеры показаны на рис. 2-4. Электроды с закругленными краями 7 наносились обычным трое­

точками. Стенки же цилиндра 8 служили закраинами для предотвра­ щения перекрытий по поверхности. Предварительно все партии опыт­ ных образцов испытывались на качество спекаемости измерением tgö до и после кипячения в дистиллированной воде [2-4]. Напряже­ ние высокой частоты от нуля до пробивного повышалось в течение

разцов из РФ с более низкими значениями £ Пр при постоянном напряжении получалось такое же соотношение и при частоте 1,5 Мгц. То же самое оказалось и у образцов из Т-80 и Т-150;

25

Уже отмечалось, что у одной партии образцов из Т-150 (I) зна­

Рис. 2-4. Зависимость пробивной напряженности радиокерамических диэлектриков от температуры при частоте 1,5 Мгц

I — УФ-46; 2 — Б-17; 3 — Ш-15; 4 — РФ (/); 5 - РФ (//); 6 - Т-20

низкими. Кривая 4 рис. 2-5 с наименьшими Е„р построена для образ­ цов с относительно малыми диэлектрическими потерями. Из этого следует, что они не всегда являются основным фактором, определяю­ щим величину £щ>

Рис. 2-5. Зависимость пробивной напряженности радиокерамических материалов от температуры при f = 1,5 Мгц

1 — Т-80 (/); 2 — Т-80 (II); 3 — Т-150 (/); 4 -Т-150 (//); 5 — Т-150 (III)

По кривым 2 и 5 рис. 2-5 видно, что при температуре ~100°С происходило некоторое возрастание значений Епр. Такой ход зави­ симости Env= f(t) найден у кристаллов КВг, но при постоянном напряжении.

26