ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
1. Газообразные и жидкие диэлектрики
К пассивным относятся электроизоляционные, конструктивные и конденсаторные диэлектрические материалы, органические полимерные диэлектрики, композиционные порошковые пластмассы, слоистые диэлектрики, электроизоляционные лаки и компаунды, неорганические стекла и ситаллы, керамика.
Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. Они имеют высокое удельное сопротивление (r» 1×1018 Ом×м), малую диэлектрическую проницаемость (e» 1), малый тангенс диэлектрических потерь (tg d» 1×10-6). Недостатком газов является низкая электрическая прочность, которая сильно зависит от давления и химического состава газа. Газы, содержащие галогены (фтор, хлор и др.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют по сравнению с воздухом более высокую электрическую прочность.
Жидкие диэлектрики подразделяются на минеральные (нефтяные) масла, синтетические жидкости, растительные масла. Электрические свойства жидких диэлектриков очень высоки. Примеси и загрязнения (вода, газы, мельчайшие механические частицы) даже в небольших количествах сильно снижают их. Электрическая прочность жидких диэлектриков на высоких частотах ниже, чем на низких.
Основное назначение жидких диэлектриков - это повышение электрической прочности изоляции, вследствие заполнения пор в волокнистой изоляции и промежутков между деталями силовых трансформаторов, отвод тепла от обмоток и сердечников трансформаторов, гашение дуги в выключателях, заливка и пропитка бумажных конденсаторов, пропитка изоляции силовых кабелей и их изоляция.
Нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное) сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при высокой степени очистки обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Трансформаторное масло применяется для заливки силовых трансформаторов. Конденсаторное масло имеет более высокую степень очистки и применяется для пропитки бумажных и пленочных конденсаторов. При пропитки бумаги повышается диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность, уменьшаются габариты, масса и стоимость конденсатора. Кабельные масла используют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Это повышает электрическую прочность изоляции и улучшает отвод тепла. Синтетические жидкие диэлектрики превосходят нефтяные масла по своим свойствам. Они имеют более высокие значения Епр и e. Применяются для пропитки конденсаторов (совтол) и заливки трансформаторов (совтол).
Кремнеорганические жидкости обладают малыми потерями (tgd < 3×10-4), низкой гигроскопичностью и высокой нагревостойкостью (до 250 °C). Применяются для пропитки пористой изоляции и защиты слюдяных и керамических материалов. Фторорганические жидкости негорючи и взрывобезопасны, имеют малые диэлектрические потери (tgd» 5×10-4) и гигроскопичность, высокую нагревостойкость. Обладают высокой дугостойкостью и лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнеорганические жидкости.
2. Органические полимерные диэлектрики
Полимеры - это высокомолекулярные соединения, которые получают в результате объединения друг с другом молекул более простых по своему составу веществ - мономеров. Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. При полимеризации увеличивается молекулярная масса, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость.
Полимеры подразделяют на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, так что отношение длины к ее поперечным размерам очень велико (около 1000). Молекулы пространственных полимеров развиты в различных направлениях более равномерно и образуют общую сетку.
Линейные полимеры сравнительно гибки и пластичны; многие из них при повышении температуры размягчаются, становятся пластичными, а затем расплавляются. После охлаждения их свойства восстанавливаются, они способны растворяться в соответствующих растворителях и при новом повышении температуры размягчаются, то есть линейные полимеры являются термопластичными материалами, сохраняющими линейное строение молекул и при нагреве.
Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, многие из них при повышении температуры химически разрушаются (сгорают, обугливаются и т.п.) еще до достижения температуры плавления. При нагреве у этих материалов происходит необратимое изменение свойств, они запекаются (отверждаются), приобретают пространственное строение. Смолы, которые невозможно вернуть в эластичное состояние повторным нагревом, называются термореактивными. По применению полимерные материалы подразделяют на высокочастотные и низкочастотные.
Высокочастотные полимеры представляют собой неполярные высокомолекулярные соединения, которые характеризуются электронной поляризацией, малой величиной диэлектрической проницаемости (e = 2.2 ¸ 2.5) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgd = (2¸5)×10-4), высоким удельным сопротивлением (r = 1018¸1020 Ом×м), высокой электрической прочностью (Епр = 40¸60 кВ/мм). Вследствие высокой электрической симметрии молекул электрические свойства этих полимеров практически не зависят от температуры и частоты. К высокочастотным полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, политетрафторэтилен (фторо-пласт-4), полистирол. Высокочастотные пластмассы, как правило, состоят из чистых смол, так как наполнители ухудшают их диэлектрические свойства. Они применяются для изготовления изоляции высокочастотных кабелей, изоляции обмоточных и монтажных проводов, каркасов катушек индуктивности, в качестве конструкционных материалов. Из полистирола изготавливается пленка для конденсаторов, называемая стирофлексом. Особенностью фторопласта-4 является высокая для органических веществ нагревостойкость (до 250°C). Высокая энергия связи атомов фтора и углерода, симметричная структура молекул, склонность к кристаллизации обуславливает ценные химические и физические свойства фторопласта. По химической стойкости он превосходит золото и платину, негорюч, практически негигроскопичен, не смачивается водой и другими жидкостями. Фторопласт-4 является одним из лучших диэлектриков применяемых в радиотехнике на СВЧ.
К низкочастотным относятся полярные полимеры, у которых из-за асимметричного строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Полярные материалы обладают большей величиной диэлектрической проницаемости (e = 2.8¸6) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgd = 2×10-3 ¸ 6×10-2), меньшей величиной удельного сопротивления (r = 1015¸1018 Ом×м). К этим материалам относятся поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), полиэтилентерефталат (лавсан), фторопласт-3, полиамидные смолы. Они используются для изоляции проводов и защитных оболочек кабелей, как конструкционные материалы для электро- и радиотехнических изделий, работающих на низких частотах, в качестве диэлектрика конденсаторов (лавсан) и для их герметизации (полиуретан) и др.
3. Композиционные порошковые пластмассы и слоистые диэлектрики
Композиционные порошковые диэлектрики, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственной смолы - пространственного или линейного полимера) и наполнителей (древесной муки, очесов хлопчатника, каолина, кварцевого песка, стекловолокна и т.д.) с добавками красителей и пластификаторов. Наполнитель улучшает электрические и механические свойства изделия. В качестве связующего вещества используют формоальдегидные, эпоксидные, кремнеорганические и другие смолы. Среди композиционных пластмасс наилучшими электрическими свойствами обладают пластмассы на основе анилиноформоальдегидной смолы, наилучшими декоративными аминопласты (пластмассы на основе карбамидных смол), им можно придавать любую яркую окраску, в то время как фенолформоальдегидные пластмассы окрашивают только в коричневый или черный цвет. Кремнеорганические смолы используют для получения нагревостойких (до 300°C ) пластмасс.
Из композиционных пластмасс изготавливают корпуса промышленной и бытовой радиоаппаратуры, измерительных приборов, ламповые панельки, электротехническую арматуру и др. Слоистые пластики являются разновидностью композиционных пластмасс, в которых в качестве наполнителя используют листовые слоистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.
Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенолформоальдегидной смолой. Для производства используется прочная и нагревостойкая бумага. Пропитанную бумагу собирают в пакеты и прессуют при температуре 160°C. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал. Слоистое строение гетинакса обусловливает анизотропию свойств. Гетинакс является сильнополярным диэлектриком. Его диэлектрическая проницаемость e = 6 ¸ 7, а тангенс угла диэлектрических потерь tgd = 0.04 ¸ 0.08 (на частоте 106 Гц).
Для изготовления печатных плат радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. Это гетинакс, облицованный с одной или с двух сторон медной фольгой толщиной 0.035 ¸ 0.05 мм. Разный температурный коэффициент линейного расширения у гетинакса и фольги вызывает отслаивание фольги при значительных изменениях температуры. Текстолит - пластик, изготавливаемый из пропитанной ткани. Он на много дороже, но имеет лучшие механические свойства. Стеклотекстолиты состоят из бесщелочного стеклянного волокна и фенолформоальдегидной, кремнеорганической или эпоксидной смолы. Они обладают более высокими электроизоляционными свойствами, чем гетинакс или текстолит. Выпускается фольгированный стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы. Он обладает большей нагревостойкостью.