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

Следует заметить, что электрическая прочность керамических материалов при напряжении высокой частоты зависит и от их пористости. В керамическом черепке, как известно, содержится много микроскопических газовых пор. В отдельных случаях размеры этих пор достигают долей миллиметра и даже больше..

В табл. 2-2 приводились значения температуры ^Кр, выше кото­ рой форма пробоя при постоянном напряжении наиболее вероятно тепловая. Тепловая ли она в области t > t Kр при частоте 1,5 Мгц? Чтобы ориентировочно ответить на этот вопрос, можно воспользо­ ваться формулами для величин Епѵ при тепловом пробое и сравнить эти величины с опытными.

Для определения Епр при тепловой форме пробоя должен быть учтен поток тепла, входящий перпендикулярно к полю в плоско­ параллельный слой диэлектрика площадью 1 см2 и толщиной dz, и поток тепла, выходящий из слоя, поскольку определенное количе­ ство тепла каждую секунду будет выделяться в слое от диэлектри­ ческих потерь. При коэффициенте теплопроводности диэлектрика k, его диэлектрической проницаемости е, угле потерь б и активной про­ водимости ста= е/ tgö/(1,8- ІО12) можно написать

где Е — напряженность поля с частотой f и Т — температура. Индексы 1 и 2 относятся к слоям диэлектрика. Из этого равенства делением на dz получим

а tgß и о изменяются по экспоненциальному закону: tgö = tg6oeaT и о = ооеиГ, найдем величину Епр при толщине слоя диэлектрика 2h и постоянном напряжении:

Здесь Go и tg б0 — проводимость и диэлектрические потери при 0°С. Функция ф(с) может быть определена из геометрических раз­ меров образца и электродов, а также из условий охлаждения. В [1-5] в выражениях (2-3) и (2-4) функции ср(с) приняты рав­ ными. В работе [2-5] при изложении решения этой задачи они не­ одинаковы, но доказывается, что при небольших толщинах ди­

электрика эти функции различаются мало.

27

Если считать, что коэффициент а в температурной зависимости а и tg б одинаков, то, разделив (2-3) на (2-4), получим выражение, не зависящее от температуры:

отметить, что, например, электропроводность образцов из Т-80 за­ метно зависит от напряженности приложенного поля.

Для определения величин N были проведены опыты по пробою при постоянном и высокочастотном напряжениях образцов из оди­

200—400° С. Расчетные данные, например для образцов из УФ-46, сильно отличаются от опытных.

На основании кривых рис. 2-6 можно предполагать, что при температурах выше Д-р, когда механизм пробоя при постоянном напряжении наиболее вероятно тепловой, при высокой частоте он отличается от чисто теплового и, по-видимому, будет теплоэлек­ трическим.

Относительно теплового пробоя следует заметить, что если он осуществляется при нарушении теплового равновесия под дейст­ вием приложенного напряжения, то его называют пробоем первого рода. Если же пробой произойдет еще донарушения теплового равновесия от плавления или термического разрушения образца, то говорят о пробоях второго рода. В случае местных перегревов в электрическом поле, когда происходит перераспределение напря­ женности поля и слабые участки пробиваются при ударной иони­ зации, может идти речь о форме теплового пробоя третьего рода

[2-6 и 2-7],

Образцы из некоторых керамических материалов (Т-80 и Т-150) при действии высокочастотного поля иногда раскалываются от не-

28

равномерного разогрева. Для таких случаев в [2-8] величина Ер определена теоретически:

Здесь (г — коэффициент Пуассона; / — частота приложенного на­ пряжения; D — толщина пластины; к — коэффициент теплопровод­ ности; а — коэффициент линейного расширения; аг — растягиваю­ щее напряжение, при котором диэлектрик разрушается; М — мо­ дуль упругости; еСр и tg бср — значения диэлектрической прони­ цаемости и диэлектрических потерь при средней температуре пла­ стины. Предполагается, что электрическое поле однородно. Иони­ зационные процессы в порах не учитываются. Такая ионизация учтена в теории Пирятинского [2-9 и 2-10].

2-3. Электрическая прочность монокристалла AI2O3 прессованного стекла и ситаллов

Как диэлектрик монокристалл AI2O3 обладает некоторыми ценными свойст­ вами. Пробивная напряженность его при постоянном напряжении сравнительно высока. Кроме того, под влиянием приложенного напряжения даже при высоких температурах в решетку этого монокристалла практически не проникает серебро и заметно не мигрирует по его поверхности. Многие твердые диэлектрики таких свойств не имеют.

Для определения пробивной напряженности ЕпР были использованы моно­ кристаллы, вытянутые из расплава. В образцах высверливались лунки. Плоская сторона у полубулек полировалась. Электроды наносились на - образцы распыле­ нием серебра в вакууме [2-11]. Пробой образцов производился при постоянном напряжении в трансформаторном масле. Результаты испытаний при 1=20° С пред­ ставлены в табл. 2-4.

пробивная напряженность получилась равной около 33 кв!мм (табл. 2-5).

29

менном напряжении пробивная напряженность меньше. Снижается она и при уве­ личении пористости и, кроме того, сильно зависит от толщины образцов.

Стекло, как известно, занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим состоянием. При охлаждении расплава структурные элементы стекла не успевают перегруппироваться, чтобы образовать кристаллическую ре­ шетку. В силу этого оно не может считаться устойчивым. При повышении темпе­ ратуры процесс перегруппировки возобновляется.

В многокомпонентных стеклах по мере их нагревания, процесс перегруппи­ ровки атомов идет в направлении ассоциации полярных группировок. В энерге­ тическом отношении наиболее стабильным является такое состояние, при котором полярные единицы, например, Ца+гО^БіОг/г и неполярные S1O4/2 разобщаются и создают отдельные группы структурных единиц. Таким образом, происходит как бы их дифференциация. Металлические или ионогенные примеси служат центрами полярных группировок (катализирующими примесями). При последующей тепло­ вой обработке стекла они могут быть и центрами зародышей кристаллизации. Геометрически неупорядоченные скопления однотипных структурных единиц на­ зывают аморфитами, а зародыши кристалла в центре этих образований — кри­ сталлитами [2-13].

В отношении электрической прочности простых стекол таких, например, как кварцевое, существенным является пространственное расположение ионов отно­ сительно друг друга. Опыты показали, что Епр этого стекла, состоящего, как из­ вестно, только из Si02, при возрастании температуры в диапазоне —70ч- + 0°С постепенно уменьшается. При больших t это снижение делается более резким. У кристаллического же кварца, состоящего тоже из Si02, наоборот, в темпера­ турном диапазоне —70ч-+40° С значения Е„р непрерывно возрастают. При ^«40° С пробивные напряженности у обеих модификаций одинаковы.

При опытах со стеклом пирекс было замечено, что в случае повышения на­ пряжения до определенного значения возникают предпробивные пульсации тока. Это обстоятельство указывает на развитие процессов ударной ионизации и появ­ ление электронных лавин. Нечто подобное наблюдалось и при определении зави­ симости a=f{E) в стекле.

При резко неоднородных электрических полях стекло (обычное) пробивается примерно при таких же Е, как и изоляторный фарфор, но в случае однородного поля ЕЛр стекол на порядок выше.

В температурном диапазоне — 200ч- + 80°С пробивная напряженность обычных

пример, в изготовлении стеклотканей и прессовании стеклянного порошка. Детали сложного профиля прессуются из мелкоразмолотого стекла, а потом обжигаются. Ниже будут приведены некоторые данные о Елр такого рода деталей.

ванных из размолотого бутылочного стекла. Из кривой видно, что при темпера­ туре от —40 до +20° С значения Епр снижались сравнительно медленно, а потом крутизна спада возрастала. Механизм пробоя в температурном диапазоне —40++20°С, видимо, был не чисто тепловой. При ^«150° С пробивная напря­ женность £пр= 8 квімм. В диапазоне 20+150° С удельные объемные сопротивле­ ния образцов уменьшались приблизительно на 4 порядка.

Введением в расплавы некоторых сортов стекол высокодиспергированной двуокиси титана, соединений золота, серебра, меди и металлической платины осу­

30

дое тело. Эти материалы у нас называют ситаллами, в Америке — пирокерамом,

однородные по химическому составу аморфиды. При этом происходит достройка каркаса ковалентных связей, нарушенных при расплаве. Эта достройка повышает механические и другие свойства ситаллов [2-13].

В процессе роста аморфитов внутри них около тех же металлических при­ месей образуются зародыши кристаллизации. Частично закристаллизованный стекловидный материал остается прозрачным. Увеличение размеров кристалличе­ ской ыикрофазы делает стекло поликристаллическим телом. Иногда процесс кри­ сталлизации протекает почти до конца, но бывают случаи, когда какое-то коли­ чество стеклофазы остается. Процесс кристаллизации можно затормозить или

При варкё~к этому составу добавлялось серебро и золото. Образцы различа­ лись по окраске. При добавках золота они получали розоватую окраску. Были изготовлены ситаллы с добавкой 0,02% металлического Ag (№ 1), с добавкой 0,05% Au ( № 2) и 0,27% Ag (№ 3).

Из ситалла были приготовлены большие колбы, а из них пластинки. Элек­ троды наносились серебряной пастой с последующим прогреванием до 400° С, когда кристаллизация еще не наступала. Такие пластинки пробивались при по­ стоянном напряжении в вазелиновом масле. Для сравнения пробивались и закри­ сталлизованные образцы. Кристаллизация производилась при ^=800° С в течение 30 мин после облучения ультрафиолетовыми лучами. Образцы, пробитые у краев электродов, не учитывались.

Из табл. 2 -6 видно, что Еир ситаллов в очень сильной степени зависит от толщины пластинок. При I » 0,3 мм Епр близка к 100 кв/мм. У образцов № 1 и особенно № 3 после кристаллизации Еир возрастает, а у № 2 этого возрастания, по-видимому, нет. У незакристаллизованных образцов № 1 при 1 = 300° С пробои происходили при напряженности ~ 1 кв[мм.

Удельное объемное сопротивлениезакристаллизованных образцов примерно на три порядка больше. Из этого следует, что увеличение Епр при кристаллиза­ ции, по крайней мере у образцов № 1 и № 3, в какой-то мере связано с токами сквозной проводимости, и форма пробоя, видимо, тепловая. Некоторое сомнение вызывает только ситалл № 2 : у него увеличение Епр при кристаллизации как упоминалось, не отмечено. Видимо, форма пробоя у него теплоэлектрическая.

Сильное различие в удельном объемном сопротивлении стекла и стеклокера­ мики или ситалла найдено у материала системы ЬігО — ZnO — БіОг- В интервале температур 20-7-400° С разница доходит до ІО4 [2-15].

31

Такое же увеличение р при полной кристаллизации найдено у многих других стекловидных материалов. Некоторые данные об изменении в бисиликате лития приводятся в [2-16]. О высоковольтных малогабаритных изоляторах из ситалла и об их электрических характеристиках сообщено в [2-17].

2-4. Некоторые закономерности пробоя полимерных пленок

Полимеры имеют большое разнообразие структурных форм, но среди них выделяют четыре главных. Одна из них называется глобулярной. Глобулы состоят из одной или многих полимерных молекул, свернутых в сферические образования. Такая форма харак­ терна для аморфных полимеров. При увеличении жесткости моле­ кулярных цепей или при уменьшении внутримолекулярного взаимо­ действия образуются выпрямленные цепи, но объединенные

впачки. Они состоят из десятков и сотен цепей. Из пачек возникают

идругие структуры.

Следующая разновидность полимерных образований — полоса­ тые структуры. Они имеют сравнительно большие размеры и ти­ пичны для всех полимеров в эластичном состоянии. При соединении пачек цепей возникают более сложные образования. Если пачки складываются в слои по определенному механизму, то из слоев формируются сферолиты и единичные кристаллы. Пачки могут объединяться и в более крупные линейные агрегаты — фибриллы, которые в Последующем развитии образуют тоже сферолиты и кристаллы [2-18].

Представление об основных структурных формах полимерных материалов можно получить из рис. 2-8. Глобулы представлены на микрофотографии 1. Она снята при исследовании акриловой кис­ лоты. Полосатые структуры, зафиксированные у аморфного бутадиенстирольного каучука, показаны на снимке //. На микрофото-

32

Рис. 2-8. Основные структурные формы полимерных материалов

Рис. 2-9. Структурные формы полиэтилена

графим III представлены фибриллы пропилена, а сферолиты и кри­ сталлы, снятые при исследовании изотактического полибутилена — на фото IV. Сферолитные образования на поверхности пленок из полипропилена можно видеть на микрофотографии V. На фото VI приведена структура чистого изотактического стирофлекса.

этом перекрывались. Резкое снижение Епр происходит при />200° С за исключением одного слоя. В этом случае зависимость Env= f(t) прямолинейна [2-19].

Пленки из фторопласта, нагретые до 200° С и выше, при охлаж­ дении часто растрескиваются. Поэтому температурные циклы со значительными повышениями и понижениями температуры должны вредно сказываться на изделиях из этого материала.

Образование хотя бы микроскопических трещин приводит к сни­ жению .Ефр при переменном напряжении низкой и высокой частоты, потому что ионизационные процессы в трещинах и порах будут вызывать дополнительное нагревание и стимулировать эрозию (об­ разование небольших углублений). Такое снижение £ Пр характери­ зуют кривые на рис. 2-11. Здесь цифровые индексы означают ко­ личество слоев (пленок). Начиная с трех слоев, значения Еар

34

что пробивная напряженность фторопласта-4 при высокочастот­ ном напряжении сравнительно низка (в среднем 34 кв/мм).

женности полиэтилена низкого давления от размеров сферолитов представлена кривой 1 (рис. 2-12). Пробивались пленки толщиной 0,06 мм. Они были получены горячим прессованием при темпе-

литетрафторэтилена. Время выдержки изменилось от 1 мин до 3 ч, что давало возможность получить сферолиты различных размеров.

Пленки помещались в касторовое масло между электродами шар—плоскость. На шар подавались одиночные стандартные им­ пульсы отрицательной полярности. У каждого образца производи­ лось по 30 пробоев [2-20].

Из кривой 1 (рис. 2-12) видно, что при увеличении диаметра сферолитов вначале происходило снижение Énp почти по линей­ ному закону. Но когда средние размеры сферолитов (по диаметру)

35

оказывались соизмеримыми с толщиной пленок, снижение прекра­ щалось. На основании этого сделано заключение о том, что про­ бой формируется преимущественно в межсферолитном простран­ стве с более рыхлой структурой.

Электрическая прочность отдельных пластин из полиэтилена при постоянном напряжении достаточно высока (600—800 кв/мм), но сильно зависит от температуры. Постоянство Епр сохраняется только до температуры 0°С. Однако качество этого пластика мож­ но значительно улучшить действием радиационного облучения. Облученный полиэтилен за границей получил название ирратен и гирад. При этой операции из цепочки полиэтилена отщепляется атом водорода, следовательно, освобождаются валентности, и цепи могут снова соединяться. В результате получается прочный, аморфизированный материал. Электрические свойства его остаются не­ изменными, но возрастает термическая стабильность. Он выдержи­ вает нагревание до 200° С, а кратковременно может эксплуатиро­ ваться и при 300° С [2-21].

Электрическая прочность этого пластика при переменном на­ пряжении значительно ниже, чем при постоянном. В случае увели­ чения частоты Еир уменьшается и также зависит от длительности приложения напряжения. Поэтому зависимость £ прэтого пластика удобно выражать в функции от произведения fr. Примеси и газо­ вые включения снижают Дц,- При частотах порядка нескольких

ионной бомбардировки при разрядах в газовых, порах. Эти разряды появляются только при определенном Ua (ионизационном). Начало разрядов в основном знаменует и начало старения изоляции.

Данные о £пр различных полиэтиленов при резко неоднород­ ном поле приводятся в [2-22]. Электрическая прочность этих плас­ тиков зависит также и от механических натяжений, длины кабеля с полиэтиленовой изоляцией и толщины изолирующего слоя [2-23].

При резко неоднородных электрических полях у острий в толще полиэтилена образуются дендриты. При переменном напряжении и электродах из острий они растут с обоих электродов. Рост их зави­ сит от величины приложенного напряжения. Представляет интерес то обстоятельство, что при широко разветвленных дендритах около острий выделяется газ, который в некоторых случаях выталкивает острие из толщи полиэтилена. Ветвления зарождаются у положи­ тельных острий в направлении к отрицательному электроду до пол­ ного закорачивания [2-24]. До окончательного пробоя образца с момента образования микроскопических ответвленйй могут пройти дни, недели и даже месяцы. Рост их и вообще может пре­ кратиться. По [2-25] образование дендритов в полиэтилене высо­ кого давления (П-2008-к) сопровождается появлением частичных разрядов в изоляции. Степень ее повреждения может быть оце­ нена кажущейся интенсивностью этих разрядов. Некоторые дан­ ные по образованию дендритов в отрезках кабелей с полиэтилено­ вой изоляцией можно найти в [2-26].

36