Стеклами, независимо от их химического состава, называют ам- форные тела, полученные путем переохлаждения расплава.

При охлаждении вязкость расплава постепенно увеличивается и стекло приобретает механические свойства твердого тела. Процесс перехода переохлажденного расплава в стеклообразное состояние называется стеклованием, температурная область перехода — интер­валом стеклования, а его среднее значение — температурой стекло­вания Т_с. Ниже Т_с стекла становятся хрупкими.

Для стекол, как и для жидкостей, характерно отсутствие в струк­туре дальнего порядка. Стекла построены из тех же структурных еди­ниц, что и кристаллы, только они образуют не упорядоченную кри­сталлическую структуру, а нерегулярную, апериодическую сетку.

По химическому составу стекла обычно представляют собой слож­ные системы окислов. По строению они неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться такие неоднородности, как поры, ликвации, капли другой фазы.

При этом поры составляют до 60 % объема стекла. Поэтому электрическое поле в стеклах неоднородно, что приводит к сущест­венному снижению электрической прочности.

Реже стекла состоят лишь из одного окисла, например кварцевое стекло — из Si0₂. Окислы, которые сами способны образовывать стекла, называют стеклообразующими, например Si0₂, В₂0₃, Р₂0₅, Ge0₂ и др. По их названию часто именуют и сами стекла; например, Si0₂ — силикатные стекла, В₂О_э — боратные, Р₂0₅ — фосфатные, Ge0₂ — германатные.

Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные, которые, в свою очередь, подразделяются на стекла: 1) щелочные (оконные, бутылочные и т. п.); 2) щелочные, но с боль­шим содержанием окислов тяжелых металлов (РЬО, ВаО); стекла с большим содержанием РЬО называют флинтами, а с большим содер­жанием ВаО — кронами; 3) бесщелочные — кварцевое стекло, пред­ставляющее собой чистую окись кремния Si0₂. Последние два вида используют в качестве электроизоляционных и оптических стекол. У них высокие значения вири малые — tg5.

Кроме стеклообразующих окислов, в состав стекол для улучше­ния тех или иных технологических или эксплуатационных свойств вводят также окислы-модификаторы. Введение окислов щелочных металлов Na₂0 и К₂0 сильно снижает вязкость и температуру раз­мягчения Г_р стекла (например, у кварцевого стекла ~ 1740 °С, а у щелочного свинцово-алюмосиликатного Т_р«580 °С). Снижение Г_р и вязкости расплава существенно улучшает условия труда, уменьшает энергетические затраты и в целом снижает стоимость изделий. Одна­ко при этом резко ухудшаются электрические свойства — на не­сколько десятичных порядков снижается удельное сопротивление, существенно возрастают диэлектрические потери, снижается элек­трическая прочность. Г_р стекол также снижается при введении оки­слов щелочноземельных металлов (MgO, СаО, ВаО) и окиси свинца РЬО.

Отрицательное действие Na₂0 и К₂0 на электрические свойства (р и tg5) стекол, в известной мере, нейтрализуется введением оки­слов тяжелых металлов (РЬО, ВаО). Эти окислы повышают также значения е стекла (при содержании РЬО до 80 % е доходит до 16) и понижают tg5 до 10~⁴. Введение ТЮ₂ также нейтрализует вредное влияние Na₂0 и К₂0 и приводит к значительному повышению р.

Для улучшения тех или иных свойств стекол в них вводят и мно­гие другие окислы. Например, MgO повышает химостойкость, ZnO — прочность на разрыв, А1₂0₃ — химостойкость и стойкость к резким колебаниям температуры (термоударам).

Силикатные стекла неустойчивы к парам щелочных металлов. Более высокой стойкостью к этим парам обладают фосфатные и осо­бенно боратные стекла с содержанием Si0₂ менее 30 % и повышен­ным содержанием А1₂0₃ и окислов щелочноземельных металлов (СаО, ВаО). Стекла силикатно-боратные, содержащие окислы ще­лочноземельных металлов, а также А1₂О_э, являются стойкими к дей­ствию паров ртути.

Некоторые окислы окрашивают стекла в тот или иной цвет. На­пример, окись кобальта СоО окрашивает стекла в синий цвет, окись меди CuO — в голубой, окись хрома Сг₂О_э — в зеленый, окись мар­ганца Мп0₂ — в фиолетовый или коричневый и т. д. Стеклами, про­зрачными для УФ-лучей, являются кварцевое стекло и увиолевые стекла — стекла на основе В₂О_э и Р₂0₅ с содержанием Fe₂0₃ менее 0,02 %.

Электрические свойства электротехнических стекол в значитель­ной мере определяются количественным содержанием в них окислов щелочных металлов (Na₂0, К₂0), тяжелых металлов (РЬО, ВаО) и ряда других окислов, а также наличием пор, ликваций и капель дру­гой фазы. В зависимости от химического состава электрические ха­рактеристики стекол колеблются в широких пределах: е = 3,8—16,2; р = 10⁶—Ю¹⁵Ом м; tg8 = (2—100)-10"⁴ (при 20 °С); у кварцевого стекла е = 3,8; р = 10¹⁵ Ом м; tg5 = 2-Ю^-4. Электропроводность стекол обу­словлена главным образом ионами щелочных металлов (Li⁺, Na⁺, К⁺), а в некоторых случаях — ионами щелочноземельных металлов (Mg⁺⁺), а также анионами (F~, ОН"). Поверхностная электропровод­ность стекол обусловлена сконденсировавшейся на их поверхности водяной пленкой и переходом в нее (выщелачиванием) прежде всего катионов щелочных металлов. С увеличением влажности воздуха и температуры возрастает количество сконденсировавшейся из воздуха влаги, ее степень диссоциации, усиливается процесс выщелачивания ионов, в результате p_s и U_p снижаются.

Электрическая и механическая прочность стекол зависят от де­фектности структуры и, в первую очередь, от числа и размеров пор. В неоднородном поле пробой носит преимущественно тепловой ха­рактер и Е_пр имеет величину, примерно равную 40 кВ/мм. В однород­ном поле у образцов, переплавленных в вакууме, меньше пор, поэтому Е_пр может достигать 500 кВ/мм.

Из тепловых свойств электротехнических стекол большое значе­ние имеют: Т_р (особенно при переработке стекла в изделия), которая от химического состава и колеблется в пределах от 1740 °С (кварц) до 300 °С (щелочное боратное стекло), и температурный коэффициент линейного расширения (TKJIP), значение которого находится в пре­делах (5,5-150)-10"⁷, К"¹.

TKJIP является важной характеристикой, так как определяет стойкость стекол к резким изменениям температуры. Чем меньше TKJIP, тем более стойко стекло к термоударам. Эта характеристика очень важна при спайке стекол с металлами и другими материалами. При спайке стекла с металлом для хорошей герметизации и высокой надежности спая, особенно к термоударам, необходимо, чтобы TKJIP стекла и металла были примерно одинаковыми. Названия сте­кол: вольфрамовое, молибденовое, титановое, платинитовое и т. д. — указывают, что TKJIP данного стекла близок к значению TKJIP соот­ветствующего металла.

Классификация стекол производится следующим образом: напри­мер, С38-1, где С — стекло, 38 — среднее значение TKJIP в интерва­ле температуры от 20 до 300 °С, умноженное на 10~⁷, 1, 2 и т. д. — по­рядковый номер разработки. Рассмотрим некоторые марки стекол:

С5-1 — кварцевое стекло, образует вакуумно-плотный спай с мо­либденом;

С37...С40 — стекла вольфрамовые, образуют вакуумно-плотные спаи с вольфрамом и сплавом Н30К13Д (Ni — 30 %, Со — 13 %, Си -1 %, остальное Fe);

С47...С52 — стекла молибденовые, образуют вакуумно-плотные спаи с молибденом и сплавом ковар Н29К18 (Ni — 29 %, Со — 18 %, остальное Fe; см. гл. 13.5.2);

С66-2 и С72-4 — стекла титановые, образуют вакуумно-плотные спаи с титаном;

С87...С90 — стекла платинитовые, образуют вакуумно-плотные спаи с платинитом (сплав Н43: Ni — 43 %, Fe — 57 %) в виде стерж­ней, покрытых медной оболочкой, и феррохромникелевыми сплава­ми;

С93...С95 — стекла платинитовые, образуют вакуумно-плотные спаи со сплавом Н47ХР (Ni — 47 %, Сг ~1 %, В ~1 %, остальное Fe);

Стекло №1 Львовского завода образует вакуумно-плотный спай со сплавом Н47ХР.

Типы стекол. В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических стекол.

Электровакуумные стекла используют для изготовления балло­нов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов и т. п. При этом необходимо выполнить одно из важных требова­ний — значения ТКЛР у спаиваемых друг с другом стекла и металла должны быть примерно равными.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изо­ляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станцион­ных — опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности под­весных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко ис­пользуют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и германиевых транзисторах и др. Некоторые марки этого вида стекла, например боросиликатные (С37-1, С37-2, С38-1, С39-1 и др.) и алюмосиликат- ные (С39-2, С41-1, С48-3 и др.), используют для изготовления сплошных изоляционных подложек интегральных микросхем. Стек­ла марок С89-1, С88-3, С48-2, С38-1 и другие применяют для изго­товления стеклянной изоляции литых микропроводов диаметром 5—200 мкм и толщиной изоляции 1—35 мкм.

Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качест­ве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Е_пр и е, а у стекол для высокочастот­ных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tg5.

Стеклоэмали — это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью соз­дания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, кор­розии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых ре­зисторов представляет собой борно-свинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РЬО — 27 %, Н₃В0₃ — 70 %, Мп0₂ — 3 %; Г_р ~ 600 °С, для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок. Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, на­гретого до определенной температуры, посыпают порошком стекло- эмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1—0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно на­носить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стой­кости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее TKJIP и TKJIP материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий на­зывают глазурью (см. гл. 7.11).

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочно­го алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электриче­скими характеристиками, большей химстойкостью и большей (на 20—25 %) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4—7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстоли- тов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах. Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики — световодов.

Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложен­ных в пучки световедущих волокон диаметром 20—30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5—6 мм. Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким образом, чтобы коэф- фициет преломления света п_х сердцевины был больше коэффициента пре­ломления света п₂ оболочки (п_х> п₂). Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов (ТФ), ба­ритовых флинтов (БФ) и сверхтяжелых кронов (СТК), а для изготовления оболочек — стекла типа крона (К) или легкого крона (JIK). Стекла указан­ных типов изготавливают на основе чистого кварца.

Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина — оболочка и выходит из противополож­ного торца. Качество световода (потери световой энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на всех этапах его производства.

В настоящее время световоды широко используют в качестве оптоволо­конных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

В менее ответственных случаях, например для освещения, используют более дешевые полимерные волокна из полиметилметакрилата, полистирола и др.

Ситаллы — это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специаль­
ного состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30—95 %, а размер кристаллитов 0,01—2 мкм, усадка при кристалли­зации достигает 2 %. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».

При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристал­лизации. В зависимости от природы введенной добавки и последую­щей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоси- таллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500—700 °С) происходит образова­ние центров кристаллизации, на второй (при 900—1100 °С) — кристаллиза­ция самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют ТЮ₂, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-зе- мельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Au, Си и другие, выде­ляющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образую­щие центры кристаллизации.

Особую область применения имеют фотоситаллы. Если подвергнуть за­готовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через тра­фарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облучен­ная часть поверхности. Эта закристаллизованная часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и про­травить кислотой и т. д. до тех пор, пока изделие не примет нужную форму.

Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у сте­кол того же состава, а по сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая Е_пр. ТКЛР = (1—120)10"⁷ К"¹, Т_р = 900-1300 °С, е = 5-7, р = 10^ю—10¹² Ом м; tg8 = (1-80)10-³; Е_пр = 20-80 кВ/мм; ин­тервал рабочей температуры от —50 до 700 °С.

Ситаллы классифицируют следующим образом: СТ-50-2, где СТ — ситалл, 50 — ТКЛР = 5010^-7, 2 — номер разработки.

Используют ситаллы марки СТ-38-1 в СВЧ-приборах в качестве подложек аттенюаторов, опор для крепления разрядников; марки СТ-50-2 — для изготовления стержней электровакуумных ламп; мар­ки СТ-50-1 — для изготовления подложек тонкопленочных и гиб­ридных интегральных схем.

7.11. КЕРАМИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Керамикой называют неорганические материалы, полученные пу­тем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных ми­нералов и окислов металлов. Необходимым компонентом многих видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала — «керамикос» (от греч. — глиняный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электриче-

8-Колесов
скими и механическими свойствами и различного назначения: ке­рамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочас­тотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т. п. Керамические материалы облада­ют свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферро­магнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керамика, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и те­пловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна (кристаллиты); вторая фаза — это стекловидная (амфорная) про­слойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в со­став керамики; третья фаза — это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2—6 %, а у пористой (имеющей поры, сооб­щающиеся между собой и поверхностью изделия) — 15—25 %. Объ­ем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок и т. п. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров и меньше. По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и неплотной упаковкой решетки ионами, что опре­деляет виды поляризации и диэлектрических потерь керамики.

Электрические свойства керамики формируются всеми тремя фазами. При этом диэлектрическая проницаемость связана в основ­ном с процессами, протекающими в кристаллических зернах, элек­тропроводность — в амфорной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического соста­ва и размера кристаллических зерен. Кристаллическая фаза влияет также на значение TKJIP, амфорная фаза — на температуру спекания керамической массы.

Процесс производства керамических изделий проходит в три ос­новных этапа: 1) приготовление керамической массы путем очистки от примесей ее составных компонентов, тщательного их измельче­ния и перемешивания с водой в однородную массу; 2) формирова­ние изделия заданной конфигурации и размеров методом формова­ния, прессования, выдавливания, пластического штампования или литья (если масса в виде сухого порошка — его прессованием); 3) сушка, глазурирование и обжиг.

Глазурь представляет собой стекловидную массу, состоящую из 66—72,2 % Si0₂, 11,7—17,2 % А1₂0₃, остальное — окислы щелочных и щелочноземельных металлов, вводятся окислы и других металлов. Температура ее размягчения должна быть ниже температуры обжига. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает изделие тонким (0,1—0,3 мм) плотным блестящим стекловидным слоем. Глазурь не только улучшает внешний вид изделия и придает ему желаемую ок­раску, но также защищает его от загрязнения, проникновения внутрь влаги. Заполняя трещины и другие поверхностные дефекты, глазурь повышает механическую прочность изделия на 15—20 %. В радио­технической и электронной промышленности для глазурирования применяют различные эмали (см. гл. 7.10) с Г_р = 560—710 °С.

Обжиг — ответственная и самая дорогая операция. При высокой температуре (примерно 1300—1400 °С) в результате сложных химиче­ских и физико-химических процессов, протекающих между состав­ными частями керамической массы, и рождается керамика. При об­жиге происходит усадка — значительное (до 20 %) уменьшение размеров изготавливаемого изделия.

Низкочастотная установочная керамика применяется для изготов­ления разнообразных низковольтных и высоковольтных (с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока) изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также для изготовления различных установочных деталей, исполь­зуемых в цепях низкой частоты: плавкие предохранители, ламповые патроны, детали штепсельных розеток, вилок и т. п. В отличие от других видов керамики обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но имеет преимущество: из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Основным представителем низкочастотной установочной кера­мики является электротехнический фарфор. В состав обычного электрофарфора входят: глины -50 % (каолин — очень чистая высо­кокачественная светлая глина и огнеупорная глина, которые яв­ляются водными алюмосиликатами с химическими формулами А1₂О_э 2Si0₂ 2Н₂0, Al₂0₃-2Si0₂-4H₂0 и др.), кварц Si0₂ (-25 %) и поле­вой шпат (-25 %), представляющий собой безводные алюмосилика­ты, содержащие катионы щелочных (Na⁺,K⁺) и щелочноземельных (Са²⁺, Mg²⁺) металлов, например Na₂0 А1₂О_э 6Si0₂, СаО А1₂О_э 2Si0₂. Полевой шпат является главным поставщиком окислов Na, К, Fe, Mg, Са и др. Na₂0 снижает температуру обжига и вязкость стеклофазы фарфора, но существенно ухудшает его электрические свойства.

Кристаллическая структура электрофарфора состоит из муллита 3Al₂0₃-2Si0₂ с неплотной упаковкой решетки ионами и кварца Si0₂ — с плотной упаковкой решетки ионами. В промежутке между кристаллитами находится стекловидная масса, образованная глав­ным образом в результате плавления полевого шпата. Электротехни­ческий фарфор содержит примерно 70 % Si0₂, 25 % А1₂О_э и 5 % дру­гих окислов (К₂0, Na₂0, CaO, Fe₂0₃ и пр.).

Электрофарфор имеет плотность 2300—2500 кг/м³, TKJIP = (3— - 6)10~⁶ К-¹, с_с = 400-500 МПа, о_р = 35-55 МПа, а_и = 80-100 МПа, а_уд= 1,8—2,2 кДж/м². Электрические свойства при нормальной температуре и низких частотах удовлетворительны — е = 5—7; р~10^п-10¹² Ом м (при 20 °С) и р - 10⁷—10⁸ Ом м (при 100 °С);

8* 227 tg5 - (25-35)-10-³ (при 20 °C) и tg5 - 0,12-0,15 (при 100 °C); E_np = 25- 30 кВ/мм. Изменяя состав фарфора, можно улучшать его основные параметры. В настоящее время широко распространен электрофарфор с повышенным содержанием кварца Si0₂ и глинозема А1₂0₃.

С повышением температуры электрические свойства электро­фарфора существенно ухудшаются главным образом за счет стекло- фазы. Электрические и механические свойства также значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения при температуре 100 °С и выше. У подвесных изоляторов ЛЭП пере­менного тока, проработавших 20—30 лет, наблюдаются потускнение глазури и краев шапки, т. е. в местах, наиболее подверженных дейст­вию короны, и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамике относится также высо­ковольтная стеатитовая керамика (марки ТК-21, СПК-2), изготов­ленная на основе минерала талька 3Mg0-4Si0₂-H₂0 (70—85 %), гли­нистых веществ (до 10 %) и окиси бария ВаО (до 15 %). Основными кристаллическими структурами этой керамики являются клиноэн- статит (метасиликат магния) Mg0-Si0₂ и муллит 3Al₂0₃-2Si0₂. Тальк практически не содержит вредных примесей в виде окислов щелоч­ных металлов и железа. Однако глины обычно содержат большое количество Na₂0, К₂0 и Fe₂0₃, которые ухудшают электрические свойства стеатитовой керамики. Поэтому содержание глин ограни­чивается несколькими процентами.

Высоковольтная стеатитовая керамика в сравнении с электротех­ническим фарфором имеет повышенные механические и электриче­ские свойства: а_с = 500—700 МПа, а_р = 45—60 МПа, а_и = 100— 160 МПа, а= 2,2-2,6 кДж/м², е =5-7,5; р=10¹² Ом-м (20 °С) и Ю¹⁰ Ом-м (100 °С); tg8 = 0,002-0,003, Е_пр = 25-30 кВ/мм, ТКЛР = = (3—8)-10~⁶К^-1. Поэтому она применяется прежде всего там, где не­обходима повышенная механическая прочность, а также при изго­товлении высокочастотных высоковольтных изоляторов. Технология изготовления изделий из стеатитовой керамики сложнее и требует более высокой температуры обжига, чем из электрофарфора. Однако усадка этих изделий меньше.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики, к этой группе материалов относится термо- и дугостойкая керамика, имеющая очень низкие значения TKJIP и способная многократно выдерживать большие термоудары. Эта керамика используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных уст­ройств, дугогасительных камер, высоковольтных выключателей, пи­рометрических защитных трубок и др. Термо- и дугостойкой кера­микой являются плотные и пористые материалы на основе алюмосиликата магния (кордиерита 2Mg0-2Al₂0₃-5Si0₂) — кордиери- товая, керамика. В кордиеритовой керамике, кроме кордиерита (до 60 %), содержатся кристаллы муллита 3Al₂0₃-2Si0₂, клиноэн- статита Mg0 Si0₂, корунда а-А1₂О_э и небольшое количество стекла. Его ТКЛР — (0,5—2)10~⁶ К"¹, р = 10¹² Ом-м (при 20°С), Е_пр= 10- 20 кВ/мм.

Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высо­кими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (е = 900—9800), относительно большими диэлектрическими потеря­ми (tg5 = 210^-3—510^-2) и небольшими значениями электрической прочности (Е_пр = 4—15 кВ/мм). Она применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (/<10 кГц) и конденсаторов, ис­пользуемых в цепях постоянного тока, а также конденсаторов разде­лительных и блокировочных.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов строн­ция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и марганца. Основу СВТ (Sr—Bi—Ti) керамики марок Т-900, М-900 и Т-1000 составляют титанаты стронция SrTi0₃ и висмута Bi₄Ti₃0₁₂.

Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в радио­электронике, и охватывает ряд керамических материалов с повышен­ными электрическими и механическими свойствами. Используют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих механическую на­грузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов кор­пусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проход­ных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирующих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами и т. п. Некоторые виды этой керамики применяют при изготовлении конденсаторов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое элек­трическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и часто­ты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойст­ва в зависимости от химического состава имеют следующие зна­чения: е = 5-9,8, р = 10¹⁴-10¹⁷ Ом м, tgS = (1—20) 10"⁴ при 1 МГц; Е_пр = 20-45 кВ/мм.

К этой группе относятся следующие материалы:

Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелко­зернистого клиноэнстатита Mg0Si0₂, амфорная фаза — из бесще­лочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой меха­нической прочностью (а_с до 800 МПа, а_р до 75 МПа, а_и до 200 МПа, а_уд до 4 кДж/м²) и высоким электрическим сопротивлением (р = = 10¹⁴—10¹⁷ Ом м). Используется для изготовления проходных изоля­торов, подложек, изолирующих колец, опорных плит и т. п. Наибо­лее широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.

Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgO Si0₂. Характерной особенностью ее являются низкие диэлектрические потери (tg5 = (1—2)10^-4), высокое электро­сопротивление (р = 10¹⁴—10¹⁵ Ом м) при нормальной и высокой тем­пературе, повышенные значения ТКЛР (ТКЛР = (8—10,6)10~⁶ К^-1)- Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных ме­талл окерамических спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58, ЛФ-11, КВФ-4 и др.

Шпинелъно-форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза со­держит кристаллы шпинеля MgO А1₂0₃ и форстерита 2Mg0Si0₂. Ха­рактеризуется высокими электроизоляционными и механическими свойствами и малыми значениями tg5. Применяют для получения согласованных металлокерамических вакуумно-плотных спаев. В ра­диотехнике применяют марку Ш-15.

Целъзиановая керамика. Кристаллическую фазу образует цельзиан Ba0Al₂0₃-2Si0₂. Керамика характеризуется малыми значениями tg8 (при нормальной и повышенной температуре), ТКе и TKJIP и высо­кими значениями р и 7Г_пр. Электропроводность преимущественно электронная; ионная составляющая появляется лишь при температу­рах выше 600 °С. Используют ее (из-за малых значений TKJIP) для изготовления каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью.

Виллемитовая керамика. Кристаллическую фазу образует вилле- мит 2Zn0 Si0₂. Этот вид керамики используют для изготовления вы­сокочастотных установочных деталей.

Глиноземистая керамика (глинозем — безводный оксид алюминия А1₂О_э). В зависимости от содержания оксида алюминия А1₂О_э в глино­земистой керамике ее называют: глиноземистым фарфором, ультрафар­фором, корундо-муллитовой, корундовой керамикой и т. д. Отличается от других видов керамики наибольшей механической прочностью, твер­достью, химстойкостью, повышенной стойкостью к термоударам, а также хорошими электроизоляционными свойствами.

Широкое применение в электро- и радиотехнике нашли ультра­фарфор марки УФ-46, корундо-муллитовая керамика марки КМ-1, из которых изготавливают крупногабаритные и механически проч­ные изоляторы, корпуса мощных предохранителей и т. п. Ультра­фарфор марок УФ-53, УФ-61 используют для вакуумно-плотных спаев с металлами, для изготовления плат и подложек.

Корундовая высокоглиноземистая керамика представляет особый интерес. Корунд (а-А1₂0₃) — одна из кристаллических модификаций оксида алюминия (алюминоксида) А1₂О_э, обладающая высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами. Готовые изделия из этого материала содержат до 95—99,7 % кристаллическо­го корунда а-А1₂О_э, остальное — стеклофаза, располагающаяся в виде тонких прослоек, соединяющих кристаллиты а-А1₂О_э. Содер­жание пор в этой керамике минимальное (~1 %), их присутствие отрицательно влияет на свойства материала. Разработана беспорис­тая оптически прозрачная керамика поликор (за рубежом — люкалос) с высокими значениями коэффициента пропускания света (0,9 на 1 мм толщины), электрических и механических характеристик (табл. 7.3). Поликор содержит 99,7—99,9 % А1₂О_э и 0,3—0,1 % окиси магния MgO, которая вводится для торможения роста кристаллитов. Рост кристаллических зерен и появление закрытых пор снижают прозрачность такой керамики. Кроме поликора, созданы материалы марок: 22 ХС, ЦМ-332 (микролит) и др. Достоинством этих марок корундовой керамики считаются их особо высокая нагревостойкость и сохранение высоких значений электрических характеристик до температуры 400 °С и механических — до 1600 °С. К недостаткам следует отнести сложность технологии изготовления изделий: очень высокая температура обжига — 1800—2060 °С (в водородной среде или вакууме), малая пластичность исходной массы, трудность полу­чения изделий сложного профиля.

Таблица 7.3Электрические свойства прозрачной корундовой керамики

Марка материала	Содержание <Х-А1203 %	Крис­таллич­ность, %	Плот­ность, кг/м	Среднее TKJIP10^6в интервале температур 20-700 °С, К"^1	8 ПрИ темпера­туре 20 °С и частоте 1 МГц	р при темпе­ратуре 100°С, Омм	tg5 при темпера­туре 20 °С и частоте 1 МГц	Ещ при частоте 50 Гц и h~ 1 мм, кВ/мм
Поликор	99,7-99,9			7,5	10,5	10^15	МО"^4	28-30
22 ХС	95,14			7,5	9,3	ю^14	5-Ю"^4

Прозрачная корундовая керамика применяется в качестве нагре- востойких диэлектрических подложек микросхем, в том числе мик­роволновых подложек в запоминающих устройствах, для изготовле­ния окон, подверженных высоким температурам и давлениям, линз в инфракрасных головках ракет, лазерных устройствах, колб металло- галогенных ламп. Сочетание высокой оптической прозрачности и высокой нагревостойкости дает возможность использовать этот ма­териал для ламп накаливания высокой яркости.

За последние годы была разработана высоконагревостойкая ке­рамика на основе других окислов металла (СаО, MgO, Zr0₂, Be0₂, Th0₂ и др.) и нитридов (Si₃N₄, BN, A1N).

Высокочастотная конденсаторная керамика отличается высоким содержанием кристаллической фазы и низким содержанием бесще­лочной аморфной фазы. Как правило, стеклофаза не образуется, но могут присутствовать несколько кристаллических фаз с различными значениями е и ТКе. У большинства материалов этой группы, имею­щих высокие значения е, основной составной частью кристалличе­ской фазы является рутил (двуокись титана ТЮ₂).

Рутил — это высокотемпературная кристаллическая модифика­ций ТЮ₂, которая имеет в направлении главной кристаллографиче­ской оси е =173. Однако в результате беспорядочного расположения кристаллитов рутила и наличия других добавок керамика имеет е меньше указанного значения (е ~ 80).

Кроме рутила ТЮ₂ в кристаллическую фазу многих видов высо­кочастотной конденсаторной керамики входят соединения титаната кальция (перовскит) СаОТЮ₂, образующие перовскитовую керамику (марки Т-150, М-130), или титаната стронция Sr0Ti0₂, образую­щие стронциевую керамику (марка М-300). У этих видов керамики е = 180—230; используются они для изготовления высокочастотных конденсаторов, к которым не предъявляют требований стабильности емкости. В состав конденсаторной керамики также вводят оксиды олова и металлов II и III групп периодической системы элементов. В зависимости от химического состава электрические свойства высо­кочастотной конденсаторной керамики имеют следующие значения: е = 14-250; р = 10¹⁰-10^п Ом м (при 100 °С), tg8 = (3—5) 10 ⁴ (при 1 МГц и 20 °С); Е_пр = 6—35 кВ/мм, ТК£ колеблется в пределах от -1300-Ю-⁶ до +30-Ю^-6 К-¹.

Керамика на основе рутила при длительном воздействии предель­ного рабочего напряжения и повышенной температуры стареет, в ре­зультате электропроводность и диэлектрические потери возрастают, а электрическая прочность снижается. Однако ее вполне успешно мож­но использовать в области относительно слабых электрических полей и ограниченных рабочих температур. На значительно более жесткие эксплуатационные режимы рассчитана бесрутиловая конденсаторная керамика: титано-цирконовая, станнатная, лантановая и др. Преиму­ществом этих марок керамики является более высокая стойкость к длительному воздействию постоянного напряжения.

Для получения титано-цирконовой керамики используют составы на основе системы ZrTi0₃—ТЮ₂ с добавкой небольшого количества окисла магния MgO или твердые растворы титаната-цирконата каль­ция CaTi0₃-CaZr0₃ (Т-80, ТЦ-750, ТЛ-470). Изделия из керамики системы СаТЮ₃—CaZr0₃ могут эксплуатироваться при более высо­ких температурах, чем из системы ZrTi0₃-Ti0₂; они имеют £ =20-30; tg5 = (3—4)10~⁴.

В станнатной керамике кристаллической фазой являются твер­дые растворы станната кальция CaSn0₃, титаната кальция CaTi0₃ и цирконата кальция CaZr0₃. Кроме того, в состав керамической массы вводят небольшое количество глины и окисла цинка. Стан­натная керамика имеет небольшие значения £ (£ = 12—30) и tg5 (tg5 = (15—80)10~⁴).

Лантановую керамику получают на основе системы LaAl₂0₃-CaTi0₃; она имеет значительно более высокие значения £ (£ = 40—150), чем станнатная керамика, и небольшой tg5 (tg5 = 5-Ю^-4). Лантановая ке­рамика применяется для изготовления контурных, разделительных и термокомпенсирующих конденсаторов. У термокомпенсирующих конденсаторов емкость с повышением температуры снижается.

7.12. СЛЮДА И МАТЕРИАЛЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ

Слюда — это природный кристаллический минерал с хорошими электрическими свойствами и высокой нагревостойкостъю. Ее харак­терной особенностью является слоистая структура и анизотропия свойств. Слюда легко расщепляется по плоскостям спайности кристал­литов на пластинки толщиной 0,5— 5 мкм и более.

Известно несколько десятков разновидностей слюды. Все они по химическому составу являются водными алюмосиликатами.

В электроизоляционной технике применяют два вида слюды: мус­ковит, состав которого приблизительно выражен формулой — К₂0 ЗА1₂О_э 6Si0₂ 2Н₂0, и флогопит — К₂0 6MgO А1₂0₃ 6Si0₂ 2Н₂0. Фактически состав слюд может существенно изменяться; в них могут входить и другие окислы (Fe₂0₃, ТЮ₂, Сг₂О_э, МпО, СаО, Na₂0).

Слюда мусковит бывает бесцветной или имеет красноватый, бу­рый, зеленый или другие оттенки. Флогопит чаще имеет более тем­ную окраску: янтарную, золотистую, коричневую до почти черной. Главное — слюда электротехнического назначения не должна содер­жать пятен (загрязнений) и воздушных включений. Мусковиты по электрическим свойствам лучше, чем флогопиты (табл. 7.4), у них более высокие механическая прочность, твердость, гибкость и упру­гость. Однако у флогопитов более высокая нагревостойкость и, что очень важно для изоляции коллекторных пластин электромашин, — практически одинаковая с медью истираемость. Коллекторный ми­канит (см. ниже) на основе флогопита истирается одновременно с медью, поэтому не требуется производить «продораживания» кол­лектора.

Таблица 7.4 Электрические свойства слюды

Вид слюды	р при тем­пературе 20 °С, Ом м	е при частоте 1 МГц и температуре 20 °С	tgS lO^4 при частоте	ещ при толщи­не 0,025—0,05 мм, кВ/мм
50 Гц	1 кГц	1 МГц
Мусковит Флогопит Фторфлогопит	10^12-10^1410^11—10^1210^12-10^14	6,1-8,4 5-7 6,1-7,5	4-80 6-150	2-10 3-60	1-6 2-40 3	100-250 70-150 100-400

При нагревании кристаллизационная вода начинает выделять­ся у мусковита при температуре 500—600 °С, у флогопита при 800—900 °С. Слюда при этом вспучивается в результате расслаива­ния, теряет прозрачность, электрические и механические свойства резко ухудшаются. При температуре 1260—1330 °С слюда плавится. У некоторых видов флогопита с повышенным содержанием кристал­лизационной воды электрические и механические свойства ниже и заметно ухудшаются при нагреве до температуры 150—250 °С.

Слюдяную руду очищают от посторонних примесей, вручную рас­щепляют на отдельные пластинки, у которых обрезают дефектные края, и получают так называемую щепаную слюду. Щепаную слюду применяют для производства миканитов, а из лучших сортов мускови­та готовят конденсаторную слюду. Конденсаторную слюду используют для изготовления слюдяных конденсаторов постоянной емкости ти­пов: КСО (конденсатор слюдяной опрессованый), КГС (конденсатор герметизированный слюдяной), СГМ (слюдяной герметизированный малогабаритный). В настоящее время в производстве конденсаторов вместо слюды широко используют синтетические полимеры (полисти­рол, политетрафторэтилен и др.). Производят из слюды и другие изде­лия: микалексы, слюдиниты, слюдопласты и т. п.

Кроме слюды природной, в электроизоляционной технике полу­чила распространение слюда синтетическая — фторфлогопит, отли­чающаяся от флогопита тем, что в ее кристаллической решетке гидроксильные группы ОН" замещены ионами фтора F~. Фторфло- гопиты имеют более высокую нагревостойкость (до 1000°С), облада­ют более высокими электрическими свойствами (см. табл. 7.4), хи­мически более устойчивы.

Микалексы представляют собой прессованную массу, в которой связующим являются легкоплавкие стекла (борно-свинцовые или борно-бариевые), а наполнителем — порошкообразный мусковит. Прессование производится при температуре размягчения стекла око­ло 600 °С и давлении 50—70 МПа, при этом стекло химически взаи­модействует с поверхностью слюды. Электрические свойства мика­лексов: е = 6-8,5; р = Ю¹⁰-10^п Ом м; tg5 = (3-10)-10"³ при 1 МГц; Е_пр = 10-20 кВ/мм.

Выпускают микалексы в виде листов или стержней разного сече­ния, из которых методом механической обработки (точения, фрезе­рования, сверления и т. п.) изготавливают детали нужных форм и размеров. Применяют микалексы для изготовления держателей мощ­ных радиоламп, каркасов катушек индуктивности, плат переключа­телей, панелей воздушных конденсаторов и т. п.

При использовании в качестве наполнителя синтетической слю­ды образуется материал под названием новомикалекс. Его электриче­ские свойства: £ = 7,5—8; р = Ю¹⁰—10¹² Ом м; tg5 = (8—15) 10"⁴ при 1 МГц; Е_пр = 30 кВ/мм.

Миканиты представляют собой композиционный материал лис­тового или рулонного строения, полученный путем склеивания от­дельных пластинок щепаной слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бу­маги или ткани. Подложка наклеивается с одной или обеих сторон, увеличивая прочность материала на разрыв й затрудняя отслаивание пластинок слюды при изгибе материала. Классифицируют миканиты с помощью двух или трех букв и цифры. Первая буква обозначает тип миканита: К — коллекторный, П — прокладочный, Ф — формо­вочный, М — микафолий, Г — гибкий, JI — микалента. Вторая буква характеризует вид слюды: М — мусковит, Ф — флогопит, С — смесь мусковита и флогопита. Третья и дальнейшие буквы и цифры указы­вают на вид клеящего вещества и дополнительные характеристики материала.

По нагревостойкости миканиты при использовании обычных клеящих веществ и органических подложек относятся к классу В (130 °С), при употреблении специальных клеящих веществ и неорга­нических подложек (стеклоткани, стеклосетки) — к классу F (155 °С) и Н (180 °С).

Миканиты К и П являются твердым материалом, из которых изготавли­вают изоляционные прокладки, не подвергающиеся изгибу. При ударе они издают характерный звенящий звук.

Коллекторный миканит (К) изготавливают из слюды флогопит, как бо­лее легко истирающийся. В качестве связующего используют шеллак, глиф- талиевую или другую смолы в минимальном количестве — до 4 %. Миканит К имеет хорошие механические свойства и малую усадку. Применяют в ка­честве изоляции медных коллекторных пластин (междупластинная изоля­ция) электрических машин.

Прокладочный миканит (П) производят из слюды мусковит, флогопит и их смеси. В качестве связующего используют шеллак, глифталевую или кремнийорганическую смолы. Содержание слюды в миканите П составляет 80—97 %; применяют для изготовления различных электроизоляционных прокладок, шайб и т. п.

Формовочный миканит (Ф) изготавливают в виде листов толщиной от 0,1 до 0,5 мм с содержанием слюды 80—95 %, остальное связующее — шеллак, глифталевая или кремнийорганическая смолы. При нормальной температуре миканит Ф тверд, однако при нагревании размягчается и становится способ­ным принимать заданную форму, которая при охлаждении сохраняется. Применяют для изготовления коллекторных манжет (изоляция коллектора от вала в электромашинах), каркасов катушек, фланцев, трубок и других фа­сонных изделий.

Микафолий (М) — разновидность формовочного миканита; изготавлива­ют его из флогопита или мусковита. В качестве связующего используют гли- фталевый, шеллачный, полиэфирный или кремнийорганический лаки. Со­держание слюды в нем не менее 45—50 %. Имеет с одной стороны подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Выпускается в листах или рулонах толщиной от 0,15 до 0,30 мм. У микафолия из флогопита Е_пр > 13 кВ/мм, а из мусковита Е_пр> 15—16 кВ/мм. Применяют для изоляции стержней якор­ных обмоток машин высокого напряжения, где требуются большие усилия при намотке.

Гибкий миканит (Г) получают на основе мусковита или флогопита в виде листов толщиной от 0,15 до 0,50 мм. В качестве связующего применяют мас­ляно-битумные, масляно-глифталевые или кремнийорганические лаки. Со­держание слюды (без подложек) — 75—90 %. Выпускают также гибкие мика­ниты на подложке, т. е. оклеенные с обеих сторон бумагой; содержание слюды в них — не менее 50 %. Эти миканиты обладают гибкостью и предна­значены в качестве изоляции обмоток секций, гибких прокладок, пазовой изоляции и т. п. электрических машин и аппаратов.

Микалента (JI) — разновидность гибкого миканита. Получают из круп­ных пластин слюды, склеенных в один слой с перекрытием примерно на одну треть. Имеет с одной или с обеих сторон подложки из бумаги, стекло­ткани или стеклосетки. Микалента выпускается толщиной 0,10; 0,12; 0,15 и 0,17 мм и шириной от 10 до 35 мм. Является одним из основных видов изо­ляции электрических машин высокого напряжения. Хранят в закрытой ме­таллической таре, заполненной насыщенным паром соответствующего лако­вого растворителя. При пересыхании микаленту необходимо выдержать в парах лакового растворителя.

Нагревостойкие миканиты производят на основе смолы природной и синтетической. В качестве связующего используют неорганические вещест­ва — фосфорнокислый аммоний (аммофос), алюмофосфаты и др. Выпуска­ют этот вид миканитов в листах толщиной от 0,2 до 1,0 мм, нагревостойко- стью в несколько сот градусов (до 850 °С).

Слюдиниты (за рубежом — самика) и слюдоспласты получают с помощью бумагоделательных машин, отсюда и другое название — слюдяные бумаги. В отличие от миканитов их производство макси­мально механизировано и практически исключает ручной труд. По­лучают слюдиниты и слюдопласты из измельченной специальным способом очищенной исходной (нещепаной) слюды мусковит или флогопит, или их отходов. При измельчении слюды образуются пла­стинки (чешуйки) толщиной до 1 мкм, длиной и шириной порядка десятых долей миллиметра. Из массы измельченной слюды и воды (пульпы) с помощью бумагоделательной машины получают слюди­нитовую бумагу толщиной от 10 до 150 мкм для производства слюди- нитов или толщиной от 40 до 200 мкм — для слюдопластов. Полу­ченный материал пропитывают связующим на основе эпоксидной, кремнийорганической или другой смол. Слюдиниты используют и в сухом виде, т. е. без пропитки электроизоляционными лаками в ка­честве связующего. Такие слюдиниты легко разрушаются при сопри­косновении с водой и имеют невысокую электрическую прочность (7^=15—20 кВ/мм). В ряде случаев полученную слюдинитовую бу­магу отпрессовывают. К слюдинитам и слюдопластам с одной или обеих сторон наклеивают подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки, получая коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий слюдинит или слюдопласт, в том числе слюдинитофолий и слюдопластовые ленты. Слюдопласты, как правило, имеют более вы­сокую механическую прочность и большую короностойкость, чем слюдиниты.

7.13. АСБЕСТ И МАТЕРИАЛЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Асбест — это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты тончайших кристаллитов. Материал нагрево- стойкий, с невысокими электроизоляционными свойствами, достаточ­но эластичный, с высокой механической прочностью, обладает прядиль­ной способностью.

Длина волокон колеблется от десятых долей миллиметра до не­скольких сантиметров. В электроизоляционной технике из множест­ва асбестовидных минералов получил применение хризотиловый (или серпентинный) асбест, представляющий собой водный силикат магния 3MgO 2Si0₂-2H₂0 с содержанием до 3 % и более различных примесей в виде окислов железа, алюминия, кальция.

Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, шнуры, ткани, бумаги, картон и другие изделия. При температуре 450—700 °С он теряет кри­сталлизационную воду и разрушается. Асбест относительно гигроско­пичен и растворяется даже в слабых кислотах. При пропитке асбеста олифой, парафином, битумами и смолами его гигроскопичность и влагопоглощаемость снижаются. Электроизоляционные свойства ас­беста невысокие: р = 10⁸—10¹⁰ Ом м; Е_пр = 2—6 кВ/мм, поэтому в вы­соковольтной и высокочастотной технике его не применяют.

Известны материалы на основе асбеста, главные из которых — электронит и асбестоцемент.

Электронит — пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим — каучук. Выпускают электронит в листах толщиной от 0,1 до 6 мм. При толщине 0,5 мм его Е_пр>7 кВ/мм. Нагревостойкость электронита — класс В (130 °С). Применяется он в низковольтной аппарату­ре в качестве втулок, прокладок и т. п.

Асбестоцемент — неорганическая пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим — портландцемент. Изготавливают из асбестоцемента доски толщиной от 4 до 40 мм, длиной 1200 и шириной 700—900 мм, трубы, муфты и другие фасонные изделия. У асбестоцемента неплохие механические свойства и высокая нагревостойкость (у непропи- танного — более 220 °С), искро- и дугостойкость. Благодаря последнему ши­роко используется в производстве искро- и дугогасительных камер и перего­родок.

Асбестоцементные доски (старое название АЦЭИД) в непропитанном состоянии имеют влагопоглощаемость 15—25 %, Е_пр =1,5 кВ/мм. Для улуч­шения электроизоляционных свойств, снижения гигроскопичности и влаго- поглощаемости АЦЭИД после механической обработки (сверления, фрезе­рования и др.), т.е подготовки из них деталей (например, деталей дугогасительной камеры), погружают для пропитки в горячее льняное мас­ло, затем, вынув из масла, прогревают при 150—200 °С без доступа воздуха до затвердевания (полимеризации) масла. Перед пропиткой асбестоцемент­ные изделия, в том числе АЦЭИД, высушивают при 175—200 °С. Дугостой- кие изделия можно пропитывать также парафином.

Недугостойкие изделия из асбестоцемента, работающие в условиях ок­ружающей атмосферы, в том числе для сильноточной аппаратуры, пропиты­вают обычно мазутом, каменноугольным пеком или битумом.

У пропитанного асбестоцемента водопоглощаемость до 2 %, Е_пр = 2-3 кВ/мм; р = 10⁸-10¹⁰ Ом м.

7.14. МИНЕРАЛЬНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К минеральным диэлектрикам относятся мрамор, тальк, мел и др. Все они в электроизоляционной технике имеют ограниченное применение из-за низких электроизоляционных свойств.

Мрамор — минерал зернисто-кристаллического строения, состоящий в основном из карбоната кальция СаС0₃. Размер кристаллических зерен ко­леблется в широких пределах (от сотых долей миллиметра до 7 мм). Чем мельче зерно, тем выше механическая прочность, лучше электроизоляцион­ные свойства, меньше гигроскопичность. Мрамор стоек к действию воды, щелочей, масел, органических растворителей, но растворяется в кислотах, даже слабых, с выделением С0₂. Он малостоек к термоударам. Во влажной среде электроизоляционные свойства его значительно ухудшаются. Для по­вышения влагостойкости изделия из мрамора пропитывают парафином, битумом или стиролом с последующей его полимеризацией или лакируют. Нагревостойкость мрамора длительная — до 100—110 °С и кратковре­менная — до 250 °С. Водопоглощаемость за 24 ч 0,15—0,4 %. Его электриче­ские свойства: в =8—10; р= 10⁵—10⁹ Ом м, tgS =(5—10) 10~³ при 50 Гц; Е_пр = 2,5 кВ/мм.

Тальк — минерал белого цвета или окрашенный в светлые тона, очень мягкий — легко режется ножом; его химическая формула — 3MgO 4Si0₂H₂0. Температура плавления находится в пределах от 1200 до 1600 °С, обладает от­носительно высокой кислотостойкостью.

В электротехнической промышленности тальк используют при изготов­лении высоковольтной стеатитовой керамики и в качестве наполнителя для кабельных резин. В кабельной технике в качестве наполнителя также приме­няют и другие минералы: мел и каолин.

7.15. АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры, свето­вого потока и др. В этом их принципиальное отличие от обычных (пассивных) диэлектриков.

Из активных диэлектриков изготавливают активные элементы электронных приборов. Особенностью свойств этих материалов явля­ются такие явления, как сегнетоэлектричество, электретный, пьезо­электрический и электрооптический эффекты, инжекционные токи и др., послужившие основой для разработки диэлектрических приборов. Ниже рассматриваются особенности строения и свойств некоторых активных диэлектриков, нашедших наиболее широкое применение.

7.15.1. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики в отличие от обычных (пассивных) диэлектриков обладают регулируемой диэлектрической проницаемостью, которую с помощью электрического напряжения можно изменять в широких пре­делах. Характерная особенность сегнетоэлектриков заключается в том, что у них наряду с электронной, ионной и релаксационными видами поляризации наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, под действием которой они приобретают доменную структуру и характерные сегнетоэлектрические свойства.

Самопроизвольная поляризация проявляется в отсутствие элек­трического поля в определенном интервале температур ниже точки Кюри Т_к вследствие изменения строения элементарной ячейки кри­сталлической решетки и образования доменной структуры, что, в свою очередь, вызывает у сегнетоэлектриков:

— необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до де­сятков тысяч);

— нелинейную зависимость поляризованное™, а следовательно, и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля;

— резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемо­сти от температуры;

— наличие диэлектрического гистерезиса.

Указанные выше свойства были детально изучены И.В.Курчато­вым и П.П.Кобеко у сегнетовой соли (натриево-калиевая соль вин­ной кислоты NaKC₄H₄0₆ • 4Н₂0), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называют сегнетоэлектриками. Важней­ший для практического применения сегнетоэлектрик — титанат ба­рия — открыл в 1944 г. Б.М. Вул. Ряд сегнетоэлектриков был открыт Г.А. Смоленским и др.

В настоящее время известно около 500 материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. В зависимости от структуры элементарной ячейки и механизма спонтанной поляризации разли­чают сегнетоэлектрики ионные и дипольные, иначе — сегнетоэлек- трики типа смещения и упорядочивающиеся соответственно.

Ионные сегнетоэлектрики имеют структуру элементарной ячей­ки типа перовскита (минерал CaTi0₃). К ним относятся: титанат бария ВаТЮ₃ (Г_к= 120°С), титанат свинца РЬТЮ₃ (7; = 490^оС), ти­танат кадмия CdTi0₃ (Г_К = 223°С), метаниобат свинца PbNb₂0₆ (Г_К = 570°С), ниобат калия KNb0₃ (7; = 435⁰С), иодат калия KJ0₃ (Т_к = 210°С) и др. Все химические соединения этой группы нераство­римы в воде, обладают значительной механической прочностью, из­делия из них получают по керамической технологии. Они представ­ляют собой в основном кристаллы с преимущественно ионной связью. Для этой группы сегнетоэлектриков спонтанная поляриза­ция схематически показана на рис. 7.1 на примере элементарной ячейки BaTi0₃. Элементарная ячейка титаната бария при высоких температурах (при Т> Т_к) имеет форму куба (а = 4,ОЫО~¹⁰м); в уз-

Л Ж Л

ОВа 0 0

—К—Y

9—#—9

I N

JL^ 1Ч

N I ✓ ⁴ I '

v ¹ /

-Й-

а'

Рис. 7.1. Элементарная ячейка (а, а') титаната бария и ее проекция (б, б') при температурах выше (а, а') и ниже точки Кюри (б, б')

лах куба расположены ионы бария, в середине граней — ионы ки­слорода, образуя кислородный октаэдр, в центре которого размещен ион титана (см. рис. 7.1, а, а'). В результате интенсивного теплового движения ион титана равновероятно находится вблизи каждого иона кислорода, поэтому электрический момент ячейки ввиду ее симметричности равен нулю и диэлектрик находится в параэлектри- ческом состоянии (термин аналогичен термину «парамагнетик»). При температурах равной и ниже некоторой, называемой точкой Кюри (Г_к), ион титана благодаря ослаблению энергии теплового движения оказывается преимущественно вблизи одного из ионов кислорода, смещаясь на МО^-11 м. В этом же направлении смещаются и ионы ба­рия (на 5-10"¹² м).

Ион кислорода, находящийся напротив О^2-, к которому сместил­ся Ti⁴⁺, сдвигается в противоположном направлении (на 4-Ю^-12 м). В результате этих смещений ионов кубическая решетка незначительно деформируется в тетрагональную (с параметрами элементарной ячей­ки а = 3,99-10~¹⁰ м, с = 4,036-Ю^-10 м), а кислородный октаэдр несколь­ко искажается (см. рис. 7.1, 6_t б). Хотя все эти смещения ионов, в том числе и иона титана, сравнительно малы, тем не менее они очень важ­ны и приводят к образованию значительного электрического диполь­ного момента р₀. Возникает спонтанная поляризация и происходит фа­зовый переход диэлектрика из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое.

Таким образом, самопроизвольная поляризация ионных сегнето- электриков возникает в отсутствие электрического поля в опреде­ленном интервале температур в результате смещения ионов в объеме элементарной ячейки из равновесных положений и деформации по­следней.

Дипольными сегнетоэлектриками являются сегнетова соль NaKC₄H₄0₆ • 4Н₂0 (Г_к = 24°С), триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ х xH₂S0₄ (Г_К=49°С), гуанвдишлюминийсульфатгексагцдрат C(NH₃)2A1(S0₄)₂x х 6Н₂0 (Т_к> 200 °С), нитрит натрия NaN0₂ (7;= 163⁰С), дигидро- фосфат калия КН₂Ю₄ (Г_к = — 151°С) и др. Химические соединения этой группы обладают низкой механической прочностью и раство­римы в воде, благодаря чему из водных растворов этих соединений можно выращивать крупные монокристаллы. Атомы в этих соедине­ниях несут на себе заряд, но связаны между собой преимущественно ковалентной связью.

Дипольные сегнетоэлектрики в элементарной ячейке содержат атом (ион) или группу атомов (ионов), имеющих два положения рав­новесия, в каждом из которых образуется электрический дипольный момент р₀. При температурах выше точки Кюри в результате хаоти­ческого теплового движения эти два положения равновесия равнове­роятны, поэтому спонтанная поляризация отсутствует, и диэлектрик находится в параэлектрической фазе. При Т< Т_к одно из положений становится предпочтительным и в элементарной ячейке возникает дипольный момент; происходит спонтанная поляризация, и диэлек­трик переходит из параэлектрического состояния в сегнетоэлектри-

2-

I I I о--!--о I а

$ О о

® Na⁺ n⁵⁺ О-!--О

рис. 7.2. Схематическое изображение эле­ментарной ячейки кристалла NaN0₂

ческое (осуществляется фазовый переход). На рис. 7.2 схематически показано строение элементарной ячейки NaN0₂. При Т> Т_к ион N⁵⁺ в результате хаотического теплового движения равновероятно нахо­дится в «верхнем» (а) и «нижнем» (б) положении. При Т< Т_к энер­гия теплового движения иона N⁵⁺ уменьшается, и он остается в «верхнем» или «нижнем» положении; возникает дипольный момент Ро определенной направленности. Произошла спонтанная поляри­зация.

В результате спонтанной поляризации в ионных и дипольных сегнетоэлектриках элементарные ячейки с одинаково направлен­ными дипольными моментами образуют небольшие объемы, называемые доменами. Следовательно, домен — это совокупность элементарных ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляри­зованное™ Р_с (Р_с ZPo). Векторы Р_с отдельных доменов имеют различную направленность, поэтому суммарная поляризованность (или просто поляризация) Р всего образца сегнетоэлектрика равна нулю (Р = 0). Если монокристаллический образец поместить в электрическое поле и повышать его напряженность, то векторы Р_с отдельных доменов начнут ориентироваться в направлении сило­вых линий поля, и тем в большем количестве, чем больше будет напряженность электрического поля; поляризованность Р образца начнет возрастать. Когда Е станет равной Е_И, векторы спонтанной поляризованное™ Р_с всех доменов сориентируются по полю, на­ступит состояние технического насыщения и весь монокристалл станет однодоменным; при этом Р будет равна Р_н, а диэлектриче­ская проницаемость е примет максимальное значение е_м (рис. 7.3). Если теперь поменять полярность электрического поля, то произойдет переполяризация — изменится направление вектора Р_с на противоположное. Поляризованность при техническом насы­щении Р_н нужно отличать от спонтанной поляризованности Р_с, которая всегда присутствует в доменах. Величину Е_н удобнее из­мерять, используя предельную петлю диэлектрического гистерези­са (см. ниже).

Зависимость поляризованности Р и диэлектрической прони­цаемости е от напряженности электрического поля Е имеет слож­ный вид (см. рис. 7.3). С увеличением напряженности поля е из­меняется от начального значения е_н до максимального е_м (при Е = Е_И) и далее уменьшается, приближаясь к значению е_н в облас-

Дата добавления: 2015-08-09