книги из ГПНТБ / Князев, В. К. Облученный полиэтилен в технике

ным методом полиэтилена, а также прививкой к нему некоторых мономеров: стирола, винилацетата, винилхло­ рида, акриловой или метакриловой кислот, эфиров этих кислот, акрилонитрила, 4-винилпиридина, бутадиена-1,3.

Радиационно-полимеризованные и облученные по­ рошкообразные и гранулированные полиэтиленовые ад­ сорбенты, предназначенные для извлечения летучих ра­ диоактивных веществ из отходящих газов ядерных реак­ торов, характеризуются высокой поглощающей способ­ ностью при взаимодействии с газовой смесью, состоящей из 22Вг, ШІ2, 85Кг, СН 3 131І [408, 409]. Пропускание этих радиоактивных газов (с содержанием каждого из входя­ щих в смесь компонентов) 200 мКюри/л воздуха через колонку, наполненную адсорбентом с частицами разме­ ром 0,7— 1,0 мм, показало высокую степень очистки, что было подтверждено радиогазохроматографическим ана­ лизом отработанного газа. Эти адсорбенты рекоменду­ ются в качестве фильтрующего материала для очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу при работе ядер­ ных реакторов, от всех видов радиоактивных газов и их смесей. ;

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ ОБЛУЧЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

Промышленное применение изделий из облученного полиэтилена в высокочастотной технике в интервале ча­ стот от 100 Мгц до 10 Ггц рассматривается в ряде ра­ бот [2, 4, 6, 848]; в этих работах приводятся примеры их наиболее эффективного использования и практические рекомендации по конструированию изделий. >

Анализ свойств облученного полиэтилена и условий работы диэлектриков в высокочастотной технике пока­ зывает, что он является превосходным изоляционным материалом для применения в двухпроводных и коак­ сиальных линиях антенно-фидерных устройств [849, 851].

Другой областью применения облученного полиэти­ лена в высокочастотной технике является изготовление из него различных герметизаторов.

Групповые и индивидуальные герметизирующие уст­ ройства используются в тех случаях, когда необходима изоляция передающих линий СВЧ-систем от окружаю­ щей среды для предохранения их от пыли, влаги, плесе­

334

ни, насекомых и других загрязнений, вызывающих уве­ личение затухания в волноводных трактах, а следова­ тельно, снижение потенциала радиолокационных стан­ ций. Герметизация дает возможность поддерживать не­ обходимое рабочее давление газообразных диэлектриков в волноводах и исключить электрический пробой или возникновение коронных разрядов. Давление среды в тракте при использовании воздуха в качестве диэлектри­ ка может достигать 5—8 кгс/см2, а при применении эле­ газа (SF6) составляет 1—2 кгс/см2.

В качестве герметизирующих диафрагм, размещае­ мых в конце волноводного тракта, используются высо­ копрочные формо- и размероустойчивые диэлектрики с весьма малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диа- пазоне, работающие при высоких уровнях мощности. Большие нагрузки, воздействующие на диафрагму, обусловливают применение толстых диэлектрических пластин, а увеличение их толщины приводит к услож­ нению конструкции герметизаторов.

Задача решается путем частичной разгрузки гермети­ зирующей пластины посредством установки второй та­ кой же пластины и подачи половины номинального дав­ ления между ними. Необходимость установки второй пластины обусловливается также потребностью согла­ сования для уменьшения отражения электромагнитной энергии. Коэффициент стоячей волны (КСВН ), как пра­ вило, не должен превышать в такой конструкции 1,1— 1,2. В качестве герметизирующих высокочастотных мате­ риалов в зависимости от сечения волноводов, давления в них и режимов работы используются слюда, специ­ альные виды керамики и кварца, ситалл, сапфир, фторо­ пласт, полистирол [852, 853].

Для этих же целей применяется тонкая высокопроч­ ная диэлектрическая мембрана из армированного пле­ ночного материала на основе облученного полиэтилена, обладающего хорошими диэлектрическими свойствами. При этом значительно снижается стоимость и упроща­ ется конструкция герметизаторов, поскольку отпадает необходимость согласования и частичной разгрузки диафрагмы, улучшаются рабочие параметры радиолока­ ционной станции (отсутствует поглощение), возрастает передаваемая мощность СВЧ-энергии, лимитируемая ди­ электрическим поглощением в герметизирующих мате­

335

риалах. Получение крупногабаритных гибких и тонких диафрагм из высокопрочного пластика, обеспечивающих высокую прочность и герметичность, освоено из различ­ ных армированных пленочных материалов, модифици­ руемых облучением (например, А СП М ). Отечественная промышленность выпускает полиэтиленовый армирован­ ный материал марки «полает» (ОСТ4 ГО .054.055), кото­ рый после радиационной обработки может использовать­ ся для изготовления высокочастотных герметизирующих диафрагм.

Испытания показывают, что после пребывания 24 ч в условиях тропической влажности (40°С, относитель­ ная влажность 98%) герметизирующие материалы та­ кого типа сохраняют высокую прочность, герметичность и хорошие диэлектрические свойства. Тангенс угла ди­ электрических потерь при 1010 Гц не превышает К)-2, а диэлектрическая проницаемость — 4,0. Потери давления в испытательной системе при этом составляют не более 3—5%, а разрушающее напряжение при растяжении не уменьшается ниже 1500 кгс/см2. Гибкие диафрагмы со­ храняют высокую работоспособность при эксплуатации в течение 1—3 лет в интервале рабочих температур от —50 до 60 °С; они могут кратковременно выдерживать динамические нагрузки, пульсирующее возрастание дав­ ления и тепловые удары до 150°С и более. Показатели

Жесткие герметизирующие диафрагмы из облученно­ го полиэтилена толщиной 10—25 мм, встроенные в вол­ новодный тракт, могут выдерживать давление до 10 кгс/см2. Они обеспечивают надежную герметичность при значительных перепадах температур (от —35 до 150 °С), могут работать в условиях интенсивного нагре­ вания и при контакте с различными газообразными сре­ дами (воздух, элегаз, фреон и др.). Согласование пар­ ных пластин не представляет больших трудностей.

Для этих же целей применяются крупногабаритные (диаметром до 1 м) герметизирующие диэлектрические колпаки из облученного полиэтилена с различными ра­ диусами кривизны. Для формирования определенной диаграммы направленности применяются специальные вставки, также изготавливаемые из облученного поли­

3 3 6

этилена. Для придания поверхности клеящей способно­ сти их облучают на воздухе до доз 10— 15 Мрад.

Т а б л и ц а 84. Изменения физико-механических свойств стеклоармированного листового полиэтиленового материала

марки А СП М после работы в качестве мембраны под избыточным давлением 1 кгс/см2

П р и м е ч а н и е . Скорость растяжения 100 мм/мин.

Облученный полиэтилен применяется при изготовле­ нии полых волноводов в качестве конструкционного ма­ териала [849]. Волноводы выпускаются с токопроводя­ щим покрытием внутренней поверхности. Объем таких волноводов в 15, а масса в 100 раз меньше, чем эти же показатели для соответствующих изделий из меди, что обусловливает их возрастающее применение вместо ме­ таллических волноводов. Одним из примеров успешного использования облученного полиэтилена в волноводных линиях является его применение в конструкции амери­ канского телевизионного спутника «телестар» [850].

Облученный полиэтилен находит применение для из­ готовления диэлектрических волноводов. Заготовки та­ ких волноводов получают непрерывным экструдированием профилей и их последующим облучением. В качестве исходного полимера для таких волноводов используется полиэтилен низкой плотности марки 17602-006. Темпе­ ратура расплава при экструзии профильных изделий должна поддерживаться в интервале 140—145 °С. По­ глощенная доза излучения при радиационной обработке

337

Заготовок волноводов составляет 30—50 Мрад. В рабо­ тах [854, 855] изложены теория, методы расчета и пара­ метры диэлектрических волноводов в зависимости от свойств материала и формы их сечения. Перспективно применение облученного полиэтилена для изготовления диэлектрических элементов, входящих в конструкции различных антенн (волноводно-щелевых, стержневых, спиральных, бегущей волны и т. д.), а также многих других устройств СВЧ-техники [856].

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ ОСНОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ СХЕМ ИЗ ОБЛУЧЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

Значительный объем в производстве современной ра­ диоаппаратуры занимает промышленный выпуск печат­ ных схем различных конструкций и назначений [857, 861]. Для получения высококачественных изделий очень важно правильно выбрать электроизоляционный мате­ риал для изолирующих оснований. Эти основания одно­ временно выполняют ряд функций (электрическая изо­ ляция токоведущих частей схемы, несущая опора, на ко­ торой в определенном порядке размещаются печатные проводники и навесные элементы радиосхемы), и поэто­ му к материалам предъявляются специфические требо­ вания, зависящие от условий применения схем в аппара­ туре, методов их изготовления и конструктивного испол­ нения [857].

Определяющими электрофизическими характеристи­ ками изоляционных оснований печатных плат являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлект­ рических потерь, поверхностное и объемное электриче­ ское сопротивление, электрическая прочность. Эти пока­ затели существенно изменяются в зависимости от ус­ ловий и режимов эксплуатации аппаратуры, что накла­ дывает ограничения на выбор материалов.

Наряду с общими требованиями высокой тепло- и морозостойкости, низкой гигроскопичности и малого влагопоглощения, грибостойкости, стойкости к клима­ тическому старению, действию солнечной радиации и ионизирующих излучений, а также достаточной меха­ нической прочности, которые обычно предъявляются к большинству изоляционных материалов, особое значе-

338

ййе в данном случае приобретают и другие показатели. К таким показателям необходимо отнести коэффициент теплопроводности, температурные коэффициенты линей­ ного и объемного расширения, усадку при изготовлении и эксплуатации схемы, высокую формо- и размероустойчивость, исключающую коробление изделий, отсутствие ползучести под нагрузкой и способности к растрескива­ нию, легкость механической обработки, химическую стойкость к технологическим средам, используемым для травления проводникового слоя, инертность по отноше­ нию к материалам проводников, наносимых на основа­ ние печатных плат.

Материал должен допускать металлизацию напыле­ нием, осаждением или фольгированием. Поэтому одним из главных показателей, от которого в значительной ме­ ре зависит надежность узла, построенного на печатных схемах, является адгезия изоляционного материала к электропроводящему слою (не менее 800 гс/см). Проч­ ность сцепления металлической фольги с основанием должна обеспечивать высококачественное проведение всех технологических операций, а также эксплуатацион­ ную надежность аппаратуры. Необходимо учитывать и потребность в нанесении защитного изоляционного лака на поверхность схемы после ее изготовления.

Использование пайки для крепления проводников и элементов монтажа возможно при устойчивости изоля­ ционного материала к действию расплавленных припоев (250—260 °С) или местному перегреву, возникающему при прикосновении нагретого паяльника в процессе мон­ тажа или ремонта схемы.

Для многослойных печатных схем необходимы высо­ копрочные эластичные материалы, обладающие всеми перечисленными свойствами.

Облученный полиэтилен является весьма перспектив­ ным материалом для использования его в высокоча­ стотных печатных схемах, применяемых в радиолокаци­ онной технике, счетно-решающих устройствах, бортовой радиоаппаратуре и т. д. [848, 859, 861]. Сравнение его технических характеристик со свойствами применяемых в отечественной и зарубежной технике высокочастотных изоляционных материалов для печатных плат [860J сви­ детельствует о больших достоинствах этого пластика (табл. 85). Показатели свойств американского высоко-

339

не более чем на 25%), Мрад

частотного фольгированного материала «кустом СР» приведены ниже:

Высокая радиационная стойкость печатных плат на основе облученного полиэтилена позволяет широко ис-

Рис. 10. Печатные платы с изоляционным основанием из облучен­ ного полиэтилена (вверху) и фторопласта (внизу) после облучения до поглощенных доз 100 и 10 Мрад соответственно.

пользовать его в условиях действия излучений. Как по­ казано на рис. 10, изготовленная на основе облученного полиэтилена печатная плата сохраняет высокую меха­

342

ническую прочность при поглощенной дозе излучения 100 Мрад, а печатная плата на основе фторопласта пол­ ностью разрушается при дозе в 10 раз меньшей. Облу­ ченный полиэтилен может использоваться в виде листов, на которые наносится схема из проводящего материала непосредственно в процессе изготовления платы либо в виде металлизированной с одной или обеих сторон пла­ стины, на которой схема получается избирательным уда­ лением части проводящего слоя. Нанесение на пластины из облученного до поглощенных доз 50—80 Мрад поли­ этилена слоя меди химическим методом с последующим усилением его путем гальванического наращивания в кремнийфтористоводородном электролите дает возмож­ ность получать высококачественные печатные схемы обычным фотохимическим способом. Сплошь металлизи­ рованные листовые материалы для печатных плат про­ изводятся только нанесением металлической фольги (медной, алюминиевой и др.) на литые, прессованные или экструдированные заготовки из облученного поли­ этилена. Применяемые материалы и методы фольгирования дают прочное сцепление фольги (до 2,0 кгс/см) с изоляционным основанием.

Из фольгированных медью листовых материалов оте­ чественного и зарубежного производства, используемых для изготовления печатных плат в радиотехнике микро­ волнового диапазона, наиболее известны «термопол», «полигид», «теллит», «кустом», свойства которых описа­ ны в гл. II.

При изготовлении печатных плат из этих материалов применяют фоторезисты холодной сушки [861]. Для уда­ ления фоторезиста используются растворители — кетоны (метилэтилкетон), ацетон и др. Травление фольги про­ изводится в хлорном железе при комнатной температу­ ре. Содержание меди в растворе для травления не долж­ но превышать 15 г/л. Лабораторные испытания печатных плат, полученных на основе фольгированною и металли­ зированного гальваническим методом облученного поли­ этилена высокой плотности, показывают их высокую стойкость к действию различных эксплуатационно-кли­

343

85 °С. При этом не наблюдается повреждения подложек и проводников печатных плат.

Высококачественные гибкие фольгированные мате­ риалы, обладающие малыми диэлектрическими потеря­ ми, применяются в микроволновой радиоаппаратуре, ис­ пользуемой при исследовании космоса [862]. Предъяв­ ляемые к таким материалам требования (е = 2,5 и менее, t g 6 = 5,0-ІО-4, высокая тепло- и влагостойкость) могут быть удовлетворены только высокочастотными диэлек­ триками [863]. Для таких областей применения перспек­ тивен облученный полиэтилен [862, 864]. Достоинства гибких печатных плат рассмотрена в работе [865]. Раз­ работка новых методов изготовления гибких печатных плат фотоселективным осаждением, осуществленная американской фирмой «Western Electric» [866], расши­ ряет возможности использования облученного полиэти­ лена. По новой технологии изоляционная пленка протя­ гивается через ряд ванн с раствором двуххлористого олова и затем облучается УФ-лучами. Полученный рису­ нок схемы проявляется при обработке пленки хлористым палладием. Печатные схемы на основе облученного по­ лиэтилена использовали в американском телевизионном спутнике «телестар» [850]. Они применяются также в конструкциях аппаратуры управляемых ракет, самоле­ тов, приборов связи, компьютеров и т. д.

ОБЛУЧЕННЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН В ИСТОЧНИКАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Облученный полиэтилен широко применяется за ру­ бежом в конструкциях различных типов преобразовате­ лей химической энергии в электрическую (в электрохи­ мических батареях, сухих элементах, аккумуляторах). Весьма эффективно его использование в малогабарит­ ных конструкциях бортовых источников электропита­ ния, обладающих повышенной радиационной стойкостью (до поглощенной дозы 100 Мрад и выше) [867]. Основ­ ное назначение этих источников состоит в обеспечении энергией электронной аппаратуры управляемых ракет с автономными двигателями, а также оборудования кос­ мических аппаратов, работающего в естественных и ис­ кусственных поясах радиации. Разработка электрохи­

344