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

Такого же рода неполные пробои с образованием темных дендритов наблюдаются в резине и органическом стекле.

Полипропилен, как известно, получают из углеводородов нефти и нефтяных газов. Некоторые его физико-химические свойства при­ водятся ниже:

ложение замещенных групп, т. е. стереорегулярное строение. При

прочность двухосно-ориентированных пленок из полипропилена. Показано, что даже при неглубоких выемках на поверхности плас­ тика электрическое поле искажается, а значения Епѵ снижаются.

Полихлорвинил (СН2—СНС1)„ имеет малую влагопроницае­ мость. Он с успехом применяется для производства силовых кабе­ лей, особенно, для вертикальных прокладок (в шахтах) на напря­ жение до 10 кв. Электрическая прочность этого электроизолирую-' щего материала зависит от толщины диэлектрика. На рис. 2-13 приведены соответствующие данные для пластика Р-230 при посто­ янном 2 и переменном токе. Исследовались пленки и пластины.

37

Пробивались не менее ста образцов одной толщины в трансфор­ маторном масле с 2 0 %-ной примесью дибутилфталата ( р ~ 108 ом-

•см). Электроды применялись плоские. Верхний электрод имел диаметр 25 мм и закругленные края. Из кривых рис. 2-13 видно, что при переменном напряжении (50 гц) Еиѵ значительно ниже, чем при постоянном [2-28].

Для интервала толщин 0,25—1 мм опытные кривые могут быть представлены формулой Епу)= АМ^, кв/мм, где I — толщина пла­ стинки, а А — постоянная, характерная для данного материала и формы приложенного напряжения.

Полистирол [СН2СН(С6Н5) ] П с е — 2,5 и р «10 19 ом-см по зна­ чению р близок к янтарю. Этот материал применяется главным образом для изготовления конденсаторов. Зависимость его элек­ трической прочности от температуры представлена на рис. 2-14. Однако столь высокие значения Еир у стирофлекса получаются только при электродах площадью в несколько квадратных санти­ метров. При увеличении этой площади Еир сильно снижается. На­ пример, для конденсаторных секций из двух слоев пленки толщи­ ной 20 мкм и емкостью 0,17 мкф Е„ѵ снижается в несколько десятков раз. Кривая зависимости Enr>= f(t) для таких секций при­ водится на рис. 2-15.

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КЕРАМИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

3-1. Зависимость электропроводности некоторых радиокерамических диэлектриков

от напряженности приложенного поля при различных температурах

Закономерности изменения электропроводности о диэлектриков в сильных электрических полях важны во многих отношениях. По характеру возрастания о можно, например, получить представле­

38

ние о предпробивных процессах в диэлектриках и о природе носи­ телей тока. Начиная с некоторой величины напряженности Е0, за­ кон Ома обычно перестает соблюдаться. Электропроводность бы­ стро возрастает до момента пробоя. Характер такого возрастания несомненно зависит от химического состава диэлектрика и его структуры. При этом важным моментом является природа элек­ тропроводности. Но в случае напряженностей поля, близких к про­ бивным, у многих диэлектриков даже с ионной проводимостью образуются электронные лавины, которые и осуществляют элек­ трический пробой.

к некоторым диэлектрикам в определенном диапазоне напряжен­ ностей приложенного поля.

Несколько иную формулу предложил Френкель:

часть диэлектрической проницаемости вещества, равная квадрату коэффициента преломления света, k — постоянная Больцмана и Т — абсолютная температура.

Формулу (3-1), как показали опыты, нельзя применять к ка­ менной соли, окиси алюминия и к слюде. У них в области напря­ женностей (14-3,5) -105 в/мм Ina оказался линейно зависящим от

У Е , т. е. для возрастания а применима формула (3-2). По другим данным для слюды при £' = 8 - 104Ч-1,4-ІО5 в/мм возрастание а про­ исходит по формуле (3-1), а при более высоких значениях Е уже по формуле (3-2).

Несколько иное выражение вывел Фрейлих [3-1] для кристал­

дов между зоной проводимости и уровнями возбуждения. Эта фор­ мула предполагает возрастание о за счет электронной проводи­ мости при условии, что столкновения между электронами в зонах проводимости и в валентной случаются более часто, чем между электронами зоны проводимости и вибрирующей решеткой крис­ талла. Эта формула применима только для напряженностей поля, близких к пробивным.

39

Зависимость a — f(E), близкая к (3-3), найдена у стекла и чер­ ного высушенного лака [3-1], т. е. у некристаллических веществ. Вообще же находятся диэлектрики, у которых o = f(E) может быть выражена одной из (3-1) — (3-3) формул. Это обстоятельство и свидетельствует о том, что возрастание а в сильных электрических полях зависит от химического состава диэлектрика и его струк­ туры. Ниже приведены опытные данные зависимости o = f(E) для некоторых радиокерамических диэлектриков. Опыты проводи­

Путем рычажных переключателей подаваемое постоянное напря­ жение от батареи можно было изменить через 200 в. В случае больших токов измерения производились с помощью микроампер­ метра. Для подсчетов удельной проводимости брались установив­ шиеся значения токов. Перед каждым измерением образцы тща­ тельно промывались спиртом и просушивались при 250—300° С

в течение 2,5—3 ч. Температура при измерениях поддерживалась

сточностью до ±0,5° С. Измерения а в диапазоне температур 23—489° С проводились при напряженностях вплоть до пробивных.

Исследовались образцы из корундовой керамики УФ-46, шпи­ нели Ш-65, титано-циркониевой массы Т-20 и рутиловой Т-75.

Масса Т-75 по химическому составу (см. § 1-3) отличалась от

40

Т-80 только пластифицирующими добавками глинистых веществ. Благодаря этому из массы Т-75 можно было приготовлять трубки протяжкой через мундштук.

Зависимость удельной проводимости а от Е (кв/см) у образ­ цов из УФ, Ш-15 и Т-20 представлена графически на рис. 3-2.

Из графика видно, что при температурах 23 и 73° С и напря­ женностях поля 0,7—25 кв/мм значения а у УФ оставались неиз-

Рис. 3-2. Зависимость электропроводности от напряженно­ сти приложенного поля при различных температурах у радиокерамических образцов

менными. Следовательно, при указанных условиях соблюдается закон Ома. Пробивная напряженность образцов при температурах 23 и 73° С равнялась приблизительно 26,0—27,0 кв/мм.

При температурах 181° С и выше, как видно из рис. 3-2, закон Ома у этих образцов соблюдается только до определенных значе­ ний Ё0 (точки перегиба), выше которых происходит заметное уве­ личение о. Чем выше температура t, тем при меньших Е0 происхо­ дит возрастание о.

У образцов из шпинели а не зависит от Е в диапазоне темпе­

41

t= 383°С произошло только при £ 0=16 кв/мм (кривая 8 рис. 3-2). В случае же увеличения температуры до 489° С возрастание начи­ налось уже при £о=12 кв/мм (кривая 5). Эти данные показывают, что шпинель (Ш-15) в отношении изменения о является весьма термостабильным керамическим материалом.

То же самое зафиксировано и в отношении электрической

прочности (см. гл. 2 ).

У трубок из Т-20 при увеличении £ вплоть до £ пр возрастания а не происходило только в диапазоне температур ниже 100° С. По зависимости а от £ керамический материал Т-20 нельзя назвать термостабильным. При ^=102°С

высоких температурах значения £ 0 снижаются.

Аналогичные кривые для рутиловой керамики Т-75 приведены на рис. 3-3. График показывает, что данный керамический мате­ риал сильно отличается от предыдущих. Даже при t = 22° С посто­ янство а сохраняется приблизительно только до 4,5 кв/мм (кри­ вая 1). При более высоких £ имеет место сравнительно крутое воз­

(табл. 3-1).

Температурная зависимость о некоторых радиокерамических диэлектриков приводится на рис. 3-4. В выбранных координатах зависимость lna — f(t) у образцов из УФ-46 и татано-циркониевой массы Т-20 оказалась линейной, а у Ш-15 линейность в диапазоне температур 304-200° С оказалась несколько нарушенной.

4 2

Таблица 3-1

Граничные значения напряженности £„ и температуры t0

выше которых не соблюдается закон Ома

3-2. Природа электропроводности некоторых радиокерамических диэлектриков

Экспериментальное определение природы проводимости некото­ рых керамических диэлектриков при повышенных температурах проводилось по методу Тубандта [3-3]. Исследовались партии из трех пришлифованных друг к другу дисков. На сложенные вместе образцы при определенной температуре подавалось постоянное напряжение, вызывавшее электролиз. Если проводимость была ионной, то из образца, примыкавшего к аноду, часть положитель­ ных ионов уходила. Последовательно с образцами включался кулонметр с серебряным анодом. Катодом у него служил платино­ вый тигель (рис. 3-5). В тигель наливался 25%-ный раствор азот­ нокислого серебра.

Через образцы пропускалось несколько десятков кулонов элек­ тричества. Перед началом электролиза и после него проводилось взвешивание образцов с точностью до 0,1 мг. Крайние диски диа­ метром 50—60 мм взвешивались вместе с электродами, а сред­ ний — один. Перед опытом диски проверялись на качество спе­ каемое™ и двусторонним шлифованием доводились до толщины 1—1,5 мм. Потом они некоторое время держались в горячей 25%-ной соляной кислоте, кипятились в дистиллированной воде и наконец прокаливались в течение 4—5 н при ^=1000—1100° С.

Электроды диаметром 35—40 мм изготовлялись из платины. В отдельных случаях использовались И серебряные. При электро­ лизе ионы от одного из крайних дисков должны были уходить, а вес диска уменьшаться. Вес среднего диска не должен меняться потому, что сколько приходило к нему ионов, столько же и ухо­ дило. В другой крайний диск ионы приходили и вес его увеличи­ вался. Все это должно происходить при соблюдении закона Фара­ дея. Отклонение от него могло быть вызвано смешанной проводи­ мостью ионов и электронов. Электронная проводимость не должна вызывать изменений в весе дисков.

43

Вещества, выделявшиеся на электроде и на приэлектродной поверхности дисков, подвергались химическому анализу, а в неко­ торых случаях и спектральному. Платиновый катод и прикатодный керамический диск кипятились в дистиллированной воде в течение

Рис. 3-5. Схема установки для исследования природы про­

2—4 мин. Если оказывалось, что на катоде выделялись ионы ме­

Для Б-17 эти числа приведены на рис. 3-6. Они определялись из данных химического анализа и по весовым изменениям образцов

44

во время электролиза. Из кривых видно, что в температурном диа­ пазоне 4004-600° С доля ионов Na+ сильно уменьшается. Подвиж­ ными делаются двухвалентные ионы Са2+ и Mg2+.

Данные анализа продуктов электролиза керамических мате­

риалов, химический состав которых приведен в табл. 3 -3 , собраны в табл. 3-4.

При столь больших температурах, как 8004-900° С, когда де­ лаются подвижными и осуществляют электропроводность такие двухвалентные ионы, как Са2+ и Mg2+, кажется само собой разу­ меющимся, что активизируются и двухвалентные ионы кислорода.

Но по методу Тубандта в таком виде, как он применен в работе [3-3], могли быть обнаружены только ионы металлов, выделяю­ щийся кислород не регистрировался.

На рис. 3-7 приведены кривые чисел переноса п ионов в зави­ симости от температуры у обычного полевошпатного изоляторного

Таблица 3-3

Химический состав керамических материалов

Содержание окислов, %

висмут-тита- новый

4 5

висмут-ти- тановый

фарфора М-23 [3-4]. Кристаллическая фаза у него состоит из мул­ лита (3Al20 32Si02). В стеклофазе же содержится 10% окислов щелочных металлов. Опыты проводились в принципе по тому же методу в диапазоне температур 2004-850° С и при/:= 1024 -103 е/лш. Было выяснено, что при Е — 2- 1034 -5 -ІО3 в/мм у образцов образо­ вывались дендриты, прораставшие через все три образца. Напря­ жение поэтому было снижено.

При температуре до 650° С перенос тока осуществлялся только ионами Na+ и К+, а при 700° С доля этих ионов очень резко па­ дала. Подвижными становились ионы А1 и двухвалентные Fe2+.

Химическим анализом выяснено, что по мере возрастания тем­ пературы доля проводимости ионами натрия снижается, а ионами калия возрастает. При /~650°С проводимость ионами натрия со­ ставляет 95%.

Кристаллическая фаза фарфора марки Б-44 состояла из мул­ лита. В состав этого фарфора входит также кальциево-магниевое боросиликатное стекло с малым содержанием щелочных окислов (около 1%). В качестве плавня применялась ашаритовая руда и углекислый кальций. Толщина образцов 0,54-2 мм, а диаметр

4 6