Шпаргалка по метрологии / 11

8. Электропроводность твердых и жидких диэлектриков, зависимость проводимости от температуры.

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связанна со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоции- рованных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей; иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости.

Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.

Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малой удельной проводимостью.

Полярные жидкости по сравнению с неполярными всегда имеют повышенную удельную проводимость, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой удельной проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей дает заметное повышение их удельного объемного сопротивления.

Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации.

Электропроводность твердых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть

разнородных ионов: .

В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости логарифма удельной проводимости объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии диссоциации.

Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом.

В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большой удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами.

В анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным осям.

В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) удельная проводимость мала и определяется в основном примесями.

26. Слюда и слюдяные материалы, их основные свойства и применение.

Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды отметим невысокий tgd, менее чем 10^-2; высокое удельное сопротивление, более 10¹² Ом×м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм;  термостойкость, температура плавления более 1200°С.

Слюды, семейство широко распространенных породообразующих минералов, имеющих важное промышленное значение. Представляют собой гидроксил- и фторсодержащие алюмосиликаты; в четырех самых распространенных видах – мусковите, биотите, флогопите и лепидолите – присутствует калий. Состав мусковита, известного также как белая или калиевая слюда, – KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH,F)₂, биотита, или черной слюды, – K(Mg,Fe²⁺)₃(Al,Fe³⁺)Si₃O₁₀(OH,F)₂. Биотит непрозрачен и поэтому в отличие от других слюд не имеет промышленного значения. Флогопит (янтарная, или магнезиальная слюда) имеет формулу KMg₃(Si₃Al)O₁₀(F,OH)₂. Лепидолит – это литиевая слюда K(LiAl)₃(SiAl)₄, O₁₀(F,OH)₂. Все эти минералы характеризуются весьма совершенной спайностью в одном направлении (параллельно базису); спайные листочки упругие. Слюды нередко хорошо различаются по цвету. Мусковит варьирует от бесцветного до белого, иногда

Месторождения флогопита второго типа приурочены к массивам щелочных ультраосновных пород. Поскольку те и другие геологические обстановки относительно редки, флогопит значительно менее распространен, чем мусковит и биотит. Лепидолит встречается чаще всего в гранитных пегматитах, обогащенных литием, где с ним ассоциируют амблигонит и сподумен. Он присутствует также в некоторых литийсодержащих гранитах.

В коммерческом отношении термином «слюда» обозначают мусковит и маложелезистый флогопит. К листовой слюде относят светлые прозрачные разновидности, которые расщепляются на «книжки» разной толщины, пригодные для штамповки изделий нужных форм. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам слюды используются в радиоэлектронике, электромашиностроении, электротермии (во время Второй мировой войны слюда была незаменима в этих областях и входила в первую пятерку стратегических минералов). Мелкочешуйчатая слюда под торговым названием «скрап» идет на изготовление теплоизоляционных материалов в теплоэнергетике и стройиндустрии и служит сорбентом в сельском хозяйстве. В годы войны лепидолит использовался как рудный минерал лития, а также в производстве непрозрачного стекла. Главные поставщики листовой слюды – Индия и Бразилия. По валовому производству слюды лидируют США (2/3 объема ее добычи приходится на Северную Каролину). Литиевая слюда добывается в Намибии. Главный производитель флогопита Мадагаскар. В России месторождения листового мусковита расположены в Иркутской области и Карелии, а флогопита – в Забайкалье, Якутии, на Таймыре и Кольском п-ове.

10. Влияние влажности на удельное сопротивление пористых диэлектриков. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков, методы увеличения поверхностного сопротивления.

У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление вновь уменьшается.

Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.

При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика. Вода обладает, как указывалось, значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связанно с природой материала, на поверхности которого она находится, удельную поверхностную проводимость обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находиться в

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата.

По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость и соответственно удельную поверхностную проводимость .

24. Термоактивные пластмассы, их основные свойства и применение.

Композиционные порошковые пластмассы, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственные смолы – пространственные или линейные полимеры) и наполнителей (древесная музыка, очесы хлопчатника, каолин, кварцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно и т.д.). Кроме того, в массу добавляют красители и для получения наилучших технологических свойств – пластификаторы.

Наполнитель удешевляет пластмассу и в то же время улучшает механические характеристики изделия. В ряде случаев при введении наполнителя (например, кварцевой муки, талька и др.) наблюдается улучшение электрических свойств диэлектриков. При массовом производстве изделий одинаковой формы и размеров применение пластических масс обеспечивает высокую производительность труда.

В качестве связующего вещества используют феноло-формальдегидные, крезоло-формальдегидные, анилино-формальдегидные, карбамидо-формальдегидные и другие смолы. На основе этих смол с разными наполнителями выпускаются более 60 марок порошков, обладающих различными свойствами, для производства деталей радиоэлектронной аппаратуры.

Феноло-формальдегидные смолы получают посредством нагревания в закрытом котле водяного раствора фенола и формальдегида в присутствии катализатора. В результате реакция поликонденсации выделяется и осаждается на дне котла коричневая масса, которая и является синтетической смолой.

Феноло-формальдегидные смолы могут быть изготовлены как термореактивными, так и термопластичными. Если в реакции участвует не менее одного моля формальдегида на

Прессование изделий из пластмасс обычно производят на гидравлических прессах, обеспечивающих создание достаточно большого давления. Если требуется одновременно нагрев и давление, то пластины пресса или сама пресс-форма снабжаются электронагревательным устройством.

Формовка путем прессования используется обычно при изготовлении изделий из термореактивных пластмасс.

Литье под давлением применяют для получения изделий из термопластичных пластмасс. Материал подогревают и размягчают вне пресс-формы и затем вдавливают в нее. Этот способ допустим и для термореактивных материалов при малых количествах засыпаемого в бункер пресс-порошка.

Наилучшими электрическими свойствами среди композиционных пластмасс обладают материалы на основе анилино-формальдегидной смолы. Аминопласты ценны тем, что позволяют придавать им любую яркую окраску, тогда как феноло-формальдегидные пластмассы из-за темно-коричневого цвета самой смолы окрашивают только в коричневый или черный цвет. Коричневый краситель вводят, как правило, в пресс-порошки с повышенными электрическими характеристиками.

Применение композиционных пластмасс в радиоэлектронике в качестве электроизоляционных и чисто конструкционных материалов очень широко: из них изготавливают корпусы радиоприемников, телевизоров, измерительных приборов, наушники, ламповые панельки, клеммные щитки, головки кнопок, рукоятки, штепсельные разъемы и др. Изготовление таких изделий обычной механической обработкой было бы весьма трудоемко, прессование же из пластмассы позволяет получить их за одну технологическую операцию.

Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя

22. Полярные термопластичные линейные полимеры. Их основные свойства и применение.

У полярных линейных полимеров из-за асимметрия строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами, особенно на высоких частотах. Наиболее распространенными материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамидные смолы.

Поливинилхлорид (ПВХ) – твердый продукт полимеризации газообразного винилхлорида, представляющего собой этилен, в молекуле которого один атом H замещен атомом Cl.

Благодаря Сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы, в качестве которых используют органические полярные жидкости с высокой точкой кипения. Пластификатор раздвигает молекулярные цепи, ослабляет взаимодействие между ними, благодаря чему макромолекулы приобретают возможность перемещаться друг относительно друга; иными словами, пластификатор играет роль своеобразной «молекулярной смазки». Введение полярного пластификатора ухудшает электрические свойства полимера.

Полиэтилентерефталат (лавсан) – это термопластичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Он обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размягчения. Это – дипольный диэлектрик.

Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок и для других целей. При повышенных температурах он быстро

бывает желтым, изредка – розоватым или зеленоватым, биотит – от зеленого до черного, флогопит – от желтого до коричневого, реже встречается бесцветный минерал. Спайные листочки флогопита на просвет отличаются золотистыми и красновато-коричневыми оттенками. Лепидолит, как правило, розовый и сиреневый (чаще всего он образует скролуповатые или чешуйчатые агрегаты, либо изогнутые розетки, а не пластинчатые выделения, свойственные прочим слюдам). Однако лепидолит бывает иногда белым, желтоватым, серым, и тогда его можно отличить от мусковита только по окрашиванию пламени в красный цвет (испытание на литий).

Мусковит и биотит – самые распространенные виды слюд. Они встречаются как породообразующие минералы в гранитах и других изверженных породах; при этом мусковит входит в состав только кислых пород (гранитоиды и риолиты), а биотит – во все типы изверженных пород. Оба минерала присутствуют в пегматитах, но мусковит содержится в них в значительно больших количествах. Мусковит – распространенный минерал в высокотемпературных гидротермальных жилах и месторождениях замещения (грейзенах), особенно с оловянным, вольфрамовым и молибденовым оруденением. Тонкочешуйчатый мусковит (серицит) встречается в боковых породах среднетемпературных гидротермальных жил, где он отлагается восходящими рудоносными растворами. Мусковит довольно часто образуется в результате изменения минералов алюминия, кроме того, он широко распространен в песках, песчаниках и других скоплениях обломочного материала, поскольку необычайно устойчив к химическому воздействию. Слюдяные (биотитовые и мусковитовые) сланцы – наиболее распространенный тип метаморфических пород. Флогопит образуется на контакте гранитов с магнезиальными известняками и доломитами.

вызвана наличием свободных электронов.

Ионная электропроводимость сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; последнее с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность зависит от наличия примесей.

Удельная проводимость при температуре : , где - заряд носителя; - число носителей в единице объема (концентрация); - подвижность.

При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижностьне зависят от Е, т.е. скорость их перемещения пропорциональна напряженности поля:- соблюдается закон Ома.

Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов.

Чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры.

Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением

тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является решающим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков.

К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика.

С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т.п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойского изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде.

окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала производят в атмосфере нейтрального газа (азота).

Полиамидные смолы также имеют линейное строение молекул и являются термопластичными веществами. Они отличаются высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы лишь в незначительном числе растворителей (в крезоле и расплавленном феноле). Применяют их для изготовления искусственных волокон и пластических масс.

Полиамиды стареют под действием света, влаги, температурных изменений. Это проявляется в ухудшении пластичности, снижении механической прочности. Полиамидам присуща относительно высокая гигроскопичность, легкая деформируемость при повышенных температурах.

У всех полярных полимеров диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом частоты и сложным образом зависит от температуры. Диэлектрические потери определяются процессами дипольно-сегментальной и дипольно-групповой релаксации, следствием чего является наличие максимумов в температурной зависимости . При повышенных температурах, когда полимер находится в пластичном состоянии, существенную роль начинают играть потери, обусловленные электропроводностью.

Полярные полимеры, по сравнению с неполярными, характеризуются примерно на два порядка большим значением и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением. Поэтому они используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот. Следствием полярности является сильная зависимость удельного поверхностного сопротивления от важности окружающей среды.

используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Для производства используется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал.

Слоистое строение гетинакса приводит к анизотропии свойств.

Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.

Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Требуемый рисунок печатной схемы получают путем избирательного травления

Текстолит – пластик, аналогичный гетинаксу, но его изготавливают из пропитанной хлопчатобумажной ткани.

моль фенола, получается термореактивная смола – бакелит. При изготовлении бакелита используют щелочной катализатор, обычно аммиак. В результате в смоловарочном котле из фенола и формальдегида получается бакелит в стадии А (резол); он обладает плавкостью и легко растворяется в спирте.

При нагреве резол подвергается дополнительной полимеризации и через обладающую промежуточными свойствами стадию В (резитол) переходит в окончательную стадию С (резит). В отличие от бакелита в стадии А бакелит в стадии С неплавок и не растворяется ни в спирте, ни в других растворителях. Следовательно, бакелит является типичным термореактивным веществом.

Бакелит обладает повышенной механической прочностью. Однако он мало эластичен и не отличается высокой стойкостью к воздействию воды. Отрицательным свойством его является склонность к обугливанию – образованию на поверхности проводящих электрический ток следов при воздействии поверхностных электрических разрядов. Бакелит широко используют при изготовлении композиционных пластмасс.

Феноло-формальдегидные смолы, благодаря наличию в их молекулах гидроксильных групп – ОН, полярны. Электрические свойства бакелита в стадии А невысоки. При запекании смолы они улучшаются.

Крезоло-формальдегидные смолы имеют менее выраженные полярные свойства по сравнению с фенольными.

Кроме перечисленных смол для изготовления композиционных пластмасс применяют много других, в том числе и кремнийорганических смол.

Исходное сырье тщательно измельчается и перемешивается. Изготовленный таким образом пресс-порошок идет на формовку изделий.