Диэлектрики Классификация Стекла А В Шишкин АЭТУ НГТУ

Диэлектрики Классификация Стекла А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ

1. Классификация диэлектриков n n n Диэлектрик – вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрики по способу использования подразделяются на активные с управляемыми свойствами, и электроизоляционные. Активные диэлектрики по их электрофизическим свойствам, определяющим применение, можно разделить на: n сегнетоэлектрики – позволяющие управлять своей диэлектрической проницаемостью; n пьезоэлектрики – преобразующие механическую энергию в электрическую и обратно; n пироэлектрики – преобразующие тепловую энергию в электрическую и обратно; n электреты – источники электрического поля; n активные элементы оптических устройств – активные среды лазеров, жидкие кристаллы и др. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 2

1. 2. Электроизоляционные материалы n n n Электроизоляционные материалы – диэлектрические материалы, которые предназначены для электрической изоляции. Назначение электрической изоляции – прежде всего воспрепятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательными для работы конкретной электрической цепи. Однако основное свойство любого диэлектрика – поляризуемость в электрическом поле – позволяет использовать электроизоляционные материалы в качестве конденсаторных, т. е. для создания конденсаторов с заданными емкостными характеристиками. Благодаря исключительно малой электропроводности, а следовательно, пренебрежимо малой электронной составляющей теплопроводности, диэлектрики выполняют роль не только электроизоляторов, но и теплоизоляционных материалов. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 3

1. 2. 1. Классификация электроизоляционных материалов n n n По агрегатному состоянию: газообразные, жидкие и твердые. К группе твердых также относят твердеющие материалы, которые вводятся в электрическую изоляцию в жидком или пластичном состоянии, но в работающей изоляции являются твердыми. По структуре твердые электроизоляционные материалы можно классифицировать как кристаллические и аморфные. По химическому составу электроизоляционные материалы делятся на органические и неорганические. По электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы подразделяют на неполярные и полярные. Диэлектрики подразделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых сравнительно легко диссоциируют, и гомеополярные, для которых диссоциация на ионы не характерна. По происхождению: природные, применяемые без химической переработки; искусственные, получаемые путем химической переработки природного сырья; синтетические, получаемые методом химического синтеза. По технологическому признаку: электрокерамические, полимерные, лаки, компаунды, материалы на основе слюды и др. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 4

2. Газообразные диэлектрики n n Наиважнейшим газообразным диэлектриком является воздух, который часто входит в состав электрических устройств независимо от нашего влияния и играет в них роль электрической изоляции в дополнение к специально созданной твердой или жидкой. Азот используется для заполнения газовых конденсаторов и других целей там, где окисляющее действие кислорода разрушает материалы. Гексафторид серы SF 6: электрическая прочность примерно в 2, 5 раза выше, чем у воздуха; тяжелее воздуха примерно в 5, 1 раза, обладает низкой температурой кипения, нетоксичен; с успехом используется в конденсаторах и т. п. Его преимущества сказываются в основном при высоких давлениях. Многие перфторированные углеводороды (перфторуглероды, все атомы водорода заменены атомами фтора, Cx. Fy) при нормальных условиях являются газами (например, CF 4, C 2 F 6, C 3 F 8, C 4 F 10 и др. ) или жидкостями (например, C 7 F 8, C 7 F 14, C 8 F 16, C 14 F 24 и др. ). Электрическая прочность перфторированных углеводородов (газов и паров) превышает прочность воздуха в 6 10 раз. У них низкая по сравнению с жидкими диэлектриками плотность, более высокая нагревостойкость и стойкость к старению. Применение этих материалов позволяет снижать вес электрических устройств и увеличивать термический диапазон их работы при улучшении 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 5 электрических характеристик.

3. Жидкие диэлектрики n n Трансформаторное масло (нефтяное минеральное масло, представ-ляющее смесь различных углеводородов, Eпр = 20 50 МВ/м) используется для заливки силовых трансформаторов, масляных выключателей высокого напряжения. Трансформаторное масло выполняет следующие роли: n повышает электрическую прочность изоляции, заполняя поры (волокнистой изоляции) и промежутки между проводами, обмотками, трансформаторным баком; n улучшает теплоотвод; n способствует гашению электрической дуги, образующейся при разрыве контактов. Для пропитки бумажных конденсаторов, особенно силовых, служит конденсаторное масло, увеличивающее бумажного диэлектрика и его электрическую прочность, что позволяет уменьшать габариты, массу и стоимость конденсатора. Eпр = 20 МВ/м. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 6

3. 1. Жидкие диэлектрики (продолжение) n n Кабельные масла (нефтяные) используются в производстве силовых электрических кабелей для пропитки бумажной изоляции с целью повышения ее электрической прочности и улучшения теплоотвода. Недостатком нефтяных масел является их пожароопасность. В тех случаях, когда требуется полная пожаро- и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и конденсаторы применяться не могут. В этих случаях применяются синтетические жидкие диэлектрики, например, хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости и др. Кремнийорганические жидкости обладают малыми потерями tg = (1 3) 10 4, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Различают полиметил- (ПМС), полиэтил- (ПЭС), полифенилсилоксановые (ПФС) и другие кремнийорганические жидкости. Основным их недостатком является высокая стоимость. Преимущества фторорганических жидкостей (например, (С 4 F 9)3 N, (C 4 F 9)2 O) по сравнению с кремнийорганическими: полная негорючесть, высокие дугостойкость, нагревостойкость и более интенсивный теплоотвод, малые tg и гигроскопичность. Недостатки – высокая летучесть, что требует герметизации аппаратов, а также высокая стоимость. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7

4. Электроизоляционное стекло n n Основная масса стекол принадлежит к числу оксидных и в зависимости от химического состава подразделяется: n по виду оксида-стеклообразователя (силикатные Si. O , 2 боратные B 2 O 3, фосфатные P 2 O 5, германатные Ge. O 2, алюминатные Al 2 O 3, алюмосиликатные Al 2 O 3 Si. O 2, боросиликатные B 2 O 3 Si. O 2, алюмоборосиликатные Al 2 O 3 Si. O 2 B 2 O 3 и др. ); n по содержанию оксидов щелочных металлов (бесщелочные, не содержат оксидов щелочных металлов, но могут содержать оксиды щелочноземельных металлов Mg. O, Ca. O, Ba. O и др. ; малощелочные; многощелочные). Производятся также: n n галогенидные стекла, главным образом на основе Be. F 2 (фторбериллатные стекла); халькогенидные на основе элементов VIb подгруппы (S, Se, Te). 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8

4. 1. Важнейшие свойства стекол n n n Для производства электротехнических изделий из стекол важны их физические параметры. Вязкость расплава в значительной степени определяет технологич-ность стекла и возможные методы формования из него изделий. По характеру зависимости вязкости от температуры в пределах интервала выработки стекла делятся на «длинные» и «короткие» . Чем больше интервал температур, которому соответствует изменение вязкости от 102 до 106 Па с, тем «длиннее» стекло. Поверхностное натяжение расплава играет существенную роль в производстве стеклоизделий, особенно при осветлении стекломассы, ее формовании и горячей обработке. Исходя из влияния на поверхностное натяжение, оксиды бывают: n n n поверхностно-активные (V 2 O 5, Cr 2 O 3, Mo. O 3, WO 3); поверхностно-неактивные (Si. O 2, Ti. O 2, Zr. O 2, Sn. O 2, Mg. O, Al 2 O 3, Ca. O, Ba. O, Zn. O, Li 2 O, Na 2 O и др. ); промежуточные (K 2 O, Pb. O, B 2 O 3, P 2 O 5). 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 9

4. 1. 1. Свойства стекол (продолжение) n n Смачивающая способность расплава важна для процессов эмалирования и пайки. Мерой ее служит краевой угол смачивания угол между подложкой и касательной к поверхности капли расплава, проведенной в краевой точке соприкосновения капли с подложкой. Чем меньше , тем лучше смачивание расплавом материала подложки (металла, керамики, стекла). С явлением смачивания тесно связано явление адгезии стекла к металлу. Адгезия стекла к окисленной поверхности металла значительно выше, причем, чем меньше кислорода в оксиде металла, тем прочнее его связь со стеклом и меньше газопроницаемость спая. С конструкционной точки зрения важны механические свойства. Промышленные стекла в интервале выработки, естественно, не должны кристаллизоваться, а электровакуумные стекла, кроме того, не должны кристаллизоваться при обработке на газовой 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 10 горелке и при пайке.

4. 1. 2. Свойства стекол (продолжение) n n n Из тепловых свойств для электротехнических стекол наибольшее значение имеют температура размягчения, термический коэффициент линейного расширения и стойкость стекла к термоударам, или термостойкость стекла, т. е. разность температур, которую стекло выдерживает без разрушения при резкой смене температуры поверхности где k константа; в временное сопротивление; – коэффициент термического расширения; E модуль упругости; – толщина; а коэффициент температуропроводности; – время изменения температуры. Чем толще образец, тем ниже его стойкость к термоударам. Химическая стойкость характеризует сопротивляемость стекол разрушающему воздействию различных реагентов: воды, кислот, щелочей. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 11

4. 1. 3. Оптические свойства стекол n n n Стекла обладают прозрачностью в видимой области спектра. Введение в их состав примесей приводит к окрашиванию: Co. O дает синий цвет, Ni. O – красный, зеленый, Cr 2 O 3 – зеленый, Cu. O – голубой, Ce. O 2 – желто-коричневый, Mn. O 2 – фиолетовый и т. д. Глушение получению полностью непрозрачных стекол либо стекол, рассеивающих свет. Лучшие глушители – фториды Ca. F 2, Na 2 Si. F 6 и оксиды Ti. O 2, Zr. O 2, P 2 O 5. Примеси оксидов железа делают стекло непрозрачным в ультрафиолетовой области спектра. Высокой прозрачностью для ультрафиолетовых лучей обладают кварцевое стекло и увиолевые стекла на основе B 2 O 3 и P 2 O 5. Пропускание в инфракрасной области спектра у большинства силикатных стекол мало, для пропускания ИК-излучения используются халькогенидные или фторидные стекла. Для рентгеновского диапазона прозрачны стекла, содержащие B 2 O 3, Be. O, Li 2 O. Наоборот, стекла с высоким содержанием, например, Pb. O, Ba. O хорошо поглощают рентгеновские лучи и применяются в качестве защиты. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 12

4. 1. 4. Электросопротивление стекол n n n Электросопротивление технических стекол при невысоких температурах находится в пределах 109 1017 Ом м, но у некоторых стекол ~103 Ом м. Электропроводность стекол осуществляется главным образом ионами щелочных (Li+, Na+, K+), в некоторых случаях щелочноземельных (Mg 2+) металлов, а также анионами (F , OH ). При наличии в стекле ионов переменной валентности (V, Pb, Fe) может иметь место и электронная проводимость, тогда стекла становятся полупроводниками. Полупроводниковыми являются халькогенидные стекла. Для оценки изолирующих свойств стекол при повышенных темпера-турах используют показатель ТК-100 значение температуры, при которой составляет 106 Ом м и выше которой стекло перестает быть диэлектриком. В зависимости от состава стекол ТК-100 = 150 600 о. С. У закаленных стекол в 2 3 раза выше, чем у отожженных. Поверхностная стекла обусловлена конденсацией водяной пленкой, в которой растворены продукты разрушения стекла (прежде всего катионы щелочных металлов) и которая, особенно во влажной атмосфере, способна резко ухудшать 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 13

4. 1. 5. Диэлектрические свойства стекол n n Диэлектрическая проницаемость стекол меняется от 3, 75 (для кварцевого стекла) до 15 и выше. Слабосвязанные щелочные катионы или легко поляризуемые ионы (Pb, Ba и др. ) вызывают рост показателя (у стекол системы Pb. O-Bi 2 O 3 -B 2 O 3 достигает 40). Диэлектрическая проницаемость стекол повышается с ростом температуры и уменьшается с ростом частоты электрического поля. Тангенс угла диэлектрических потерь стекол находится в пределах tg = (2 3)· 10– 4. Электрическая прочность стекол Eпр зависит от химического состава так же, как и : наибольшую Eпр имеют боросиликатные стекла, наименьшую щелочные. Электрическая прочность также существенно зависит от толщины стекла, состояния поверхности, характера окружающей среды. При высокой удельной электропроводности (в частности, при высокой температуре) может происходить электролиз стекла: в объеме между впаянными электродами наблюдается разложение 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 14 стекла. Электролиз может привести к электрическому пробою

4. 2. Применение стекол Тип Область применения Требуемые свойства Конден- Диэлектрик конденсаторов, саторные применяе-мых в фильтрах, импульсных генераторах, колебательных контурах высокочастотных устройств Высокие , Eпр, малый tg Установочные детали, изоляторы (телеграфные, антенные, опорные и т. д. ), бусы, платы Высокие электроизоляционные свойства при высокой термо- и химической стойкости Ламповые Колбы (баллоны) и ножки осветительных ламп, различных электровакуумных приборов Спаиваемость с металлами (W, Mo и др. ), необходимые значения и температуры размягчения Порошковые Стеклянные припои, эмали, прессованные фасонные детали Низкая температура размягчения, необходимые значения Стекловолокно Текстильные материалы, световоды Низкие вязкость и поверхностное натяжение Ситаллы Платы, установочные детали, Высокие электроизоляционные А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 15 изоляторы и др. свойства, прочность, 18. 02. 2018

4. 3. Ситаллы и микалексы n n Ситаллы стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекла. Содержание кристаллической фазы в ситаллах, в зависимости от условий их получения, – от 30 до 95 %. Размер кристаллов обычно 1 2 мм. Если свойства стекла в основном определяются его химическим составом, то для ситаллов решающее значение приобретают структура и фазовый состав. Электроизоляционные показатели ситаллов, как правило, превосходят показатели стекол того же химического состава: ситаллы имеют более высокие значения , Eпр и более низкий tg. Фотоситаллы ситаллы, получаемые в результате кристаллизации специальных светочувствительных стекол, до термообработки подвергнутых ультрафиолетовому облучению. Микалекс композиционный материал, состоящий из стекла, наполненного слюдяным порошком. Применение изоляционные детали мощных приборов, где важна стойкость к воздействию высокой температуры (300 350 С) и дуговых разрядов. 18. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 16