4. Электроизоляционные лаки и компаунды
Лаки и компаунды относятся к твердеющим электроизоляционным материалам. Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющих основу лака в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку. По применению электроизоляционные лаки подразделяют на пропиточные, покрывные и клеящие.
Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и волокнистой изоляции. Поры заполняются высохшим лаком, имеющим более высокие электрическую прочность и теплопроводность, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.
Покрывные лаки, образуя механически прочную, гладкую, влагостойкую пленку на поверхности твердой изоляции повышают напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции.
Клеящие лаки применяют для склеивания твердых электроизоляционных материалов.
По режиму сушки различают лаки горячей сушки (обычно более 100°С) и лаки холодной (воздушной) сушки.
Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ, не содержащие летучего растворителя. При применении находятся в жидком состоянии. Отвердевают в результате охлаждения или химических реакций взаимодействия с отвердителеми в горячем или холодном состоянии. По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточные и заливочные. По свойствам компаунды подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные компаунды обладают более высокой нагревостойкостью. К числу термореактивных компаундов относятся компаунды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение в радиотехнике получили эпоксидные компаунды, которые отличаются высокой механической прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой композиции на основе эпоксидных смол и отвердителей (различных химических соединений являющихся катализаторами отвердения).
Компаунды широко применяют для пропитки и заливки отдельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Их используют для герметизации и опресовки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
5. Неорганические стекла и ситаллы
Cтекла - неорганические аморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
Стекла получаются при быстром охлаждении расплавленной стекломассы для уменьшения вероятности перехода в кристаллическое состояние. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел (SiO2, B2O3, GeO2, P2O5). Наибольшее распространение получили силикатные стекла (т.е. на основе SiО2) благодаря химической устойчивости, дешевизне и доступности сырьевых компонентов.
Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы.
Б е с щ е л о ч н ы е с т е к л а (отсутствуют окислы натрия и калия). Стекла этой группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготовить изделие. В эту группу входит кварцевое стекло (плавленный кварц). Кварцевое стекло имеет наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения aiиз всех известных веществ вообще. Благодаря высокой нагревостойкости и химической инертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое применение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала. По электрическим свойствам кварцевое стекло относят к хорошим высокочастотным диэлектрикам (e = 8, r³ 1016 Ом× м; tgd = 2 ×10-4 на частоте 106 Гц.).
Щ е л о ч н ы е с т е к л а б е з т я ж е л ы х о к и с л о в или с незначительным их содержанием. Эта группа стекла состоит из двух подгрупп: натриевые; калиевые и калиево-натривые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Введение окисла щелочных металлов существенно ухудшает электрические свойства стекол: возрастают диэлектрические потери и увеличивается диэлектрическая проницаемость, что связано с усилением ионно-релаксационной поляризации, одновременно наблюдается уменьшение удельного сопротивления, так как возрастает количество ионов, участвующих в процессе электропроводности.
Щ е л о ч н ы е с т е к л а с в ы с о к и м с о д е р ж а н и е м т я ж е л ы х о к и с л о в (например, силикатно-свинцовые и бариевые) характеризуются высоким значением e и малыми потерями даже при значительной добавке щелочных окислов.
Диэлектричекая проницаемость стекол увеличивается с повышением температуры.
По техническому назначению стекла можно подразделить на следующие основные типы:
электровакуумные, применяемые для изготовления баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов. Температурные коэффициенты линейного расширения стекла и соединяемых с ним материалов должен быть приблизительно одинаков, чтобы при изменении температуры избежать растрескивания стекла, а также нарушения герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Для высокочастотных приборов используют стекла с низкими диэлектрическими потерями;
изоляторные стекла - используются в качестве герметизированных вводов в корпуса различных приборов;
лазерные стекла - используются в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах;
стекловолокно - волокно, изготавливаемое из тонких стеклянных нитей (диаметром 4 - 7 мкм), обладает высокой нагревостойкостью, значительной механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами;
световоды - это жгуты, скрученные из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стекол разного состава, с различными коэффициентами преломления, используемые для передачи света между источником и приемником излучения.
Бесщелочные стекла типов С41-1 (алюмосиликатное), С48-3 (боросиликатное) и плавленный кварц применяются для изготовления подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем.
С и т а л л ы - это стеклокристаллические материалы, полученные путем кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. В состав стекол, склонных к кристаллизации, вводят вещества, образующие зародыши кристаллизации. Этим стимулируется процесс кристаллизации стекла по всему объему. Размер кристаллов составляет 0.05 - 1 мкм.
Ситаллы отличаются от стекол своим кристаллическим строением, а от керамики - значительно меньшим размером кристаллических зерен.
Как правило, ситаллы обладают более высокими электроизоляционными свойствами (в частности более низким tgd), чем аморфные стекла того же состава, а по сравнению с керамикой обладают более высокой электрической прочностью. Ситаллы отличаются повышенной механической прочностью (примерно в 10 раз прочнее прокатного стекла), высокой твердостью, высокой температурой размягчения (до 1350 °С) и термостойкостью (300 - 700 °С).
По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко используются в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов, деталей СВЧ. Достоинством ситалловых конденсаторов является повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
6. Керамика
Керамическими материалами называют неорганические материалы, изделия из которых получают путем обжига при высокой температуре.
В радиотехнике и радиоэлектронике используют керамику в качеcтве полупроводниковых, магнитных (ферриты), сегнето- и пьезоэлектрических материалов.
Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства.
В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз: кристаллической, стекловидной и газовой.
Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений. Особенности кристаллической фазы во многом определяют диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическую прочность. Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики: плотность, степень пористости гигроскопичность в основном определяется количеством стекловидной массы.
Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.
По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика более стойка к действию высоких температур, воды и активных химических реактивов, негорюча, не имеет остаточных деформаций и не стареет при длительном воздействии электрической и тепловой нагрузок.
Изделия из керамики получают по специальной технологии. Исходные компоненты очищаются от примесей, тщательно измельчаются, перемешиваются в однородную массу (шихту). Из полученной массы различными способами - обточкой, прессовкой, отливкой в формы, выдавливанием через отверстие - получают изделия нужной конфигурации. Отформованные изделия сушат, и затем обжигают (при температуре 1300° - 1400°С). Необходимые эксплуатационные свойства изделию придаются на завершающей стадии их изготовления - при обжиге смеси, отдельные компоненты которой не обладают нужными свойствами.