Электрорадиоэлементы и радиоматериалы

Бурное развитие радиоэлектроники и электронной техники
потребовало
разработки
новых
электрорадиоматериалов
с
высокостабильными электрическими и магнитными свойствами.
В то же время использование таких материалов ускорило технический
прогресс и открыло широкие возможности для дальнейшего развития
электрорадиотехники. Появилась очень надежная аппаратура, имеющая
небольшие размеры и незначительное потребление электроэнергии.
Развитие вакуумной электроники (позволило создать генераторы и
усилители электромагнитных колебаний в широкой полосе частот,
преобразователи тепловой, световой и механической анергии в
электрическую. Прогрессу этой области науки и техники способствовали
достижения в разработке новых газовых, жидких и твердых диэлектриков с
малыми значениями диэлектрических потерь, а также новых видов пластмасс
и керамики.
Успехам
полупроводниковой
электроники,
появлению
полупроводниковых диодов и транзисторов способствовали достижения в
области полупроводниковых материалов.
Молекулярная электроника позволила создать радиосхемы в твердом
теле — микросхемы. Квантовая электроника, использующая достижения
физики в области квантовых явлений внутри атома вещества, способствовала
исследованию свойств материалов при воздействии энергии высокой
плотности и осуществлять новые виды химических реакций.
Рост объема продукции электронной и радиотехнической
промышленности во всем мире сопровождается непрерывным увеличением
номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии
их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не
применявшихся в технике, электрорадиоматериалов. В настоящее время в
электронной технике применяется более 2 тыс. разнообразных материалов.
Выбор материала для изготовления той или иной детали определяется
комплексом его физикоимических «свойств, а также экономическими
показателями. По поведению в электрическом поле все вещества делятся на
диэлектрики, полупроводники и проводники. Формальными признаками
такого деления служат: величина удельного сопротивления (ρ), знак
температурного коэффициента удельного сопротивления ( ) и тип
электропроводности. К диэлектрикам относятся вещества с удельным
сопротивлением больше
ом*м, имеющие отрицательный знак
температурного коэффициента удельного сопротивления и ионную или
электронную электропроводность. К полупроводникам относятся вещества
со значениями удельного сопротивления от
до
ом•м, отрицательным
знаком коэффициента
и электронной проводимостью. К проводникам —
вещества, имеющие удельное сопротивление от
до
ом*м,
положительный знак коэффициента
и электронную электропроводность.
По поведению в магнитном поле все вещества делятся на
диамагнетики, парамагнетики и магнетики. Основным критерием такого
деления служит величина магнитной проницаемости μ. Диамагнетики и
парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице (у
диамагнетиков μ<l, у парамагнетиков μ››1), у магнетиков μ> 1 и зависит от
напряженности -внешнего магнитного поля.
В небольшой по объему брошюре невозможно подробно изложить все
сведения о существующих электрорадиоматериалах, поэтому в форме,
доступной широкому кругу читателей, автор приводит только краткие
электрические (для изоляционных материалов) и механические (для
конструкционных) характеристики и области применения некоторых,
наиболее часто используемых современных электрорадиоматериалов.
Характеристика современной электрорадиоаппаратуры
Конструктивно радиоаппаратура в большинстве случаев все еще
выполняется из дискретных элементов (отдельных деталей, используемых
для монтажа навесным методом). Однако в настоящее время все большее
развитие получает микросхемотехника, т. е. конструирование приборов из
интегральных схем. Это позволяет значительно уменьшить вес и размер
прибора, потребление им электроэнергии, а также повысить его надежность в
работе.
Дискретные
элементы
и
детали.
Любой
современный
радиоэлектронный прибор состоит из множества элементов и деталей,
выполняющих различные функции в устройстве. Важнейшие из них —
токопроводящие и изоляционные элементы, резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности, трансформаторы, постоянные магниты и элетреты,
электровакуумные и полупроводниковые приборы.
Токопроводящие элементы (монтажные провода, всевозможные
кабели, волноводы, токопроводящие части переключателей, разъемов ,и др.)
изготовляются из материалов (проводников), имеющих высокую
проводимость. Однако они должны обладать гибкостью, механической
(прочностью, тепло- и антикоррозийной стойкостью.
Изоляционные элементы (различные прокладки, обмотки, оплетки,
каркасы, изоляторы и т. л., предназначенные для изоляции токоведущих
частей аппаратуры между собой и от корпуса) изготовляются из
диэлектриков, т. е. материалов с высоким удельным сопротивлением.
Резисторы — детали, предназначенные для частичного рассеяния
мощности в электрической цепи или для выделения напряжения,
пропорционального протекающему току. Основной характеристикой
резисторов является их номинальное значение сопротивления.
В зависимости от материала, применяемого для изготовления
резисторов, их подразделяют на проволочные (изготовленные из сплавов
металлов
с
высоким
удельным сопротивлением);
углеродистые
(сопротивление обеспечивается пленкой углерода, нанесенной на
изоляционное основание); металлопленочные или металлоокисные
(сопротивление обусловлено наличием пленки сплава или окислам металла);
композиционные (рабочим элементом является смесь нескольких компонентов, один из которых проводящий); полупроводниковые (в качестве
элемента сопротивления используется полупроводниковый материал).
Проволочные резисторы конструктивно представляют собой
электроизоляционный каркас, на который намотана тонкая и достаточно
прочная проволока из сплава с высоким удельным сопротивлением.
Перспективным направлением в изготовлении проволочных резисторов
является использование микропровода в стеклянной изоляции, который
после нагрева до температуры 600—700°С наматывается на керамический
или пластмассовый каркас.
Недостаток проволочных резисторов — их значительная
индуктивность и собственная емкость. Однако они характеризуются высокой
стабильностью электрических параметров, небольшим температурным
коэффициентом сопротивления, очень малым уровнем шумов и высокой
точностью.
Углеродистые резисторы изготавливаются двух видов:
общего назначения — типов ВС (для работы при температурах от —
60 до + 100°С и в условиях тропической влажности), ОВС (повышенной
надежности) и ВСЕ (повышенной нагревостойкости до 155оС);
специального назначения — типов УЛИ (имеют мощность рассеяния
от 0,1 до 1 Вт, сопротивление от 1 Ом до 1 МОм, рабочее напряжение 200—
700 В), УЛМ (углеродистые, лакированные, мало-габаритные; изготовляются
сопротивлением от 10 Ом до 1 МОм с точностью от ±5 до ±120%), УНУ
(углеродистые, незащищенные, ультравысокочастотные, предназначенные
для работы при температурах от —60 до + 125°С в условиях тропической
влажности),
УНУ-Ш
(углеродистые,
незащищенные,
ультравысокочастотные, шайбовые, предназначенные для работы при
температурах от —60 до +70ОС), УВ (углеродистые, водоохлаждаемые,
предназначенные для (поглощения высокочастотной энергии; выпускаются
мощностью от 5 до 50 кет с номинальным сопротивлением от 47 до 510 Ом).
Металлопленочные резисторы имеют повышенную нагревостойкость,
малый уровень шумов, хорошие частотные характеристики. В СССР
выпускаются металлопленочные резисторы следующих типов: МТ — с
повышенными нагревостойкостью и механической прочностью: ОМЛТ — с
повышенной надежностью; МЛТ — нагревостойкие, МУН — ультра
высокочастотные,
незащищенные,
МГЦ
—
герметизированные,
прецизионные.
Наибольшее распространение из металлооксидных получили
резисторы со слоем из двуокиси олова. По свойствам они близки к
металлопленочным. Отечественная промышленность изготовляет следующие
типы
металлооксидных
резисторов:
МОУ
(металлооксидные
ультравысокочастотные) с номинальной мощностью рассеяния от 0,1 до 200
Вт и сопротивлением от 4,3 до 150 Ом; МОН (металлоокисные, низкоомные);
СП262 — переменные, обладающие повышенной тепло- и влагостойкостью,
с номинальной мощностью рассеяния от 0,5 до 1 Вт и сопротивлением от 47
Ом до 47 кОм. Кроме того, для изготовления микромодулей выпускаются
миниатюрные резисторы, не превышающие по длине 8 мм, типов GCHM,
СКНМ и СПБ-6 сопротивлением от 10 Ом до 5,1 кОм с допуском от 5 до
20%.
Композиционные резисторы изготовляются из смеси графита или
сажи (проводящий (компонент) со смолой эпоксидной, кремнийорганической
и др. и имеют сопротивление от долей ома до
ом. Они выпускаются
разной формы. Достоинство этих резисторов — простота и дешевизна, но
величина их сопротивления зависит от приложенного напряжения и
мощности. Кроме того, они подвержены старению и имеют значительный
уровень собственных шумов и большие диэлектрические потери.
Композиционные резисторы выпускаются двух типов: объемные
(получаются прессованием) и поверхностные (изготовляют нанесением
суспензии на изоляционное основание).
Наиболее распространены резисторы типов: КЛМ (композиционные
лакированные), КИМ (композиционные изолированные малогабаритные),
ОП (композиционные переменные), СПО (композиционные переменные с
повышенной надежностью) и др.
Полупроводниковые резисторы выпускаются на основе кремния
(низкоомные с предельной рабочей температурой до 350°С) и на основе
оксидных полупроводников (сопротивлением10—500 Ом я предельной
рабочей температурой + 250°С).
В настоящее время получили распространение резисторы,
сопротивление которых можно изменять в зависимости от величины
энергетического воздействия: терморезисторы (величина сопротивления
зависит от температуры), фоторезисторы (величина сопротивления зависит
от освещенности), варисторы (величина сопротивления зависит от
приложенного напряжения). Эти резисторы изготовляются из различных
полупроводниковых материалов.
Конденсаторы — это накопители электрического заряда, состоящие в
общем случае из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком.
Основными характеристиками любого конденсатора являются: емкость,
сопротивление изоляции, потери энергии, электрическая прочность,
реактивная мощность. При определенной конструкции величина емкости
конденсатора и другие его характеристики зависят в основном от выбранного
диэлектрика.
Промышленность выпускает следующие типы конденсаторов:
бумажные
и
металлобумажные;
пленочные
(полистирольные,
фторопластовые,
полиэтилентерефталетные)
и
пленочно-бумажные;
слюдяные; керамические (высокочастотные, термостабильные, постоянной
емкости,
подстроечные,
термокомпенсирующие,
низкочастотные,
высокочастотные); стеклянные и стеклопленочные; стеклоэмалевые и
стеклокерамические; с газообразным диэлектриком (воздушные постоянной
и переменной емкости, газонаполненные, вакуумные).
Величину емкости конденсатора можно регулировать изменением
перекрывающей площади обкладок. В последнее время появились
конденсаторы — вариконды и варикапы, емкость которых изменяется в
зависимости от величины приложенного к ним напряжения.
Катушки индуктивности по назначению делятся на четыре основные
группы: контурные (для колебательных систем радиоаппаратуры); катушки
связи; вариометры (катушки с переменной индуктивностью); дроссели
высокой частоты. Конструктивно катушки индуктивности выполняются без
магнитного сердечника и с сердечником. По типу намотки они бывают
однослойные и многослойные. Многослойные катушки изготавливают с
беспорядочной намоткой (в навал), рядовой многослойной и перекрестной
(сотовой) намоткой, типа «универсаль» и др.
Основные характеристики катушек индуктивности — величина
индуктивности, добротность, собственная емкость. Собственная емкость
катушки снижает величину добротности, поэтому ее стараются уменьшить
различными способами (секционированием обмоток, применением
переменного шага намотки и др.).
Трансформаторы (применяются для преобразования напряжения сети
в напряжение требуемой величины, а также передачи электромагнитной
энергии из одной цепи в другую без непосредственного электрического
контакта. Низкочастотные трансформаторы состоят из магнитного
сердечника, каркаса, первичной и вторичной обмоток. Высокочастотные
трансформаторы иногда выполняются без магнитного сердечника.
Обмотка трансформатора выполняется из медного провода. Каркасы
изготовляются из электрокартона, гетинакса, бакелитовых трубок,
пластмассы, керамики, магнитодиэлектриков и ферритов.
Постоянные магниты и электреты. Постоянные магниты
применяются в электрорадиотехнике для создания магнитного поля. Они
изготовляются из магнитных материалов, способных длительное время
сохранять состояние намагниченности.
Электреты — это электрические аналоги постоянных магнитов. Они
изготовляются из твердых диэлектриков путем поляризации их сильным
внешним электрическим полем при повышенной температуре. Электреты
применяются в микрофонах, дозиметрах радиации, измерителях тмосферного
давления и влажности и др.
Электровакуумные приборы состоят из баллона (корпуса), обычно
стеклянного или металлического, в котором размещаются электроды,
изолированные между собой изоляторами. Существует несколько
разновидностей
электровакуумных
приборов:
выпрямительные,
предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный
(кенотроны, ртутные выпрямители, газотроны и др.), приемно-усилительные
лампы — для усиления переменных токов, преобразования частоты и
детектирования (диоды, триоды, тетроды, пентоды, отражательные
клистроны, митроны, ЛБВ, ЛОВ и др.), генераторные и мощные
усилительные лампы — для генерирования колебаний и усиления
переменных токов (мощные триоды, тетроды, пентоды, магнетроны,
пролетные клистроны и др.); электронно-лучевые приборы — для
преобразования электрических сигналов в видимые изображения
(электроннолучевые трубки осциллографов, приемные телевизионные трубки
и др.); фотоэлектрические приборы — для преобразования энергии светового
излучения в электрическую (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители,
передающие телевизионные трубки и др.).
Полупроводниковые
приборы.
Специфические
свойства
полупроводников привели к созданию ряда полупроводниковых приборов,
которые не только успешно заменяют электровакуумные лампы, но имеют,
ряд преимуществ перед ними (простота и надежность, малое потребление
электроэнергии, небольшие габариты и т. д.).
В настоящее время промышленность выпускает большое количество
разных типов полупроводниковых приборов, которые широко применяются
для выпрямления, модуляции, генерирования и усиления колебаний,
переключения и т. д.
Кроме перечисленных дискретных элементов, выпускается множество
других радиодеталей, действие которых основано на использовании тех или
иных
электрических
и
магнитных
свойств
различных
электрорадиоматериалов.
В последние годы быстро начало развиваться новое направление в
конструировании и производстве электронного оборудования —
микроэлектроника. Микроминиатюризация аппаратуры идет по трем
направлениям: созданию микромодулей (объемных и
плоских),
интегральных схем и функциональных устройств.
Интегральная схема — это часть электронного устройства,
выполняющая одну из его функций. Все элементы интегральной схемы
изготовляются на .поверхности или в объеме одной подложки.
С использованием интегральных схем решаются задачи значительного
уменьшения веса и габаритов приборов, а также резкого повышения их
надежности.
При изготовлении таких устройств используется уникальная оптика,
точнейшие механизмы перемещения, химические реакции и фотохимические
явления и т. п. Применяются десятки сверхчистых веществ, содержащих
примеси не более одной части на 10—100 млн. частей основного материала.
В последние годы начала развиваться новая область науки —
квантовая электроника, использующая специфические свойства атомов и
молекул усиливать и генерировать электромагнитные колебания в
оптическом диапазоне. Появились лазеры-генераторы и мазеры—усилители
колебаний в оптическом диапазоне, которые вносят коренные изменения в
принципы построения электронной аппаратуры и значительно расширяют ее
возможности.
Развивается и такое важное направление, как криогенная электроника,
основу которой заложила физика низких температур, изучающая свойства
веществ при их глубоком охлаждении. В этих условиях, когда тепловые
колебания атомов сильно ослаблены, можно создать высокочувствительные
приемные устройства, повысить надежность аппаратуры и т. п
Началось развитие оптоэлектроники — нового этапа использования
возможностей света для передачи большого объема информации с высокой
скоростью. Совмещение же в схемах электрических и оптических связей дает
много вариантов решения различных важных задач в области радио- и
вычислительной техники,
Диэлектрические материалы
Основные свойства диэлектриков, их классификация н
применение
При воздействии на диэлектрик внешнего электрического поля он
проявляет
электрические
свойства,
характеризующие
его
электроизоляционные качества. Основными электрическими свойствами
диэлектрика являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические
потери.
Электропроводность — свойство материала проводить не
изменяющийся во времени электрический ток под действием не
изменяющегося во времени электрического поля. Численно она
характеризуется удельной проводимостью v или обратной величиной
удельным сопротивлением р. Чем больше Р, тем лучше электроизоляционные
свойства данного материала.
Поляризация — это ограниченное смещение связанных зарядов или
ориентация дипольных молекул под влиянием электрического поля.
Способность диэлектриков поляризоваться оценивается по величине
диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность,
рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике, находящемся в
электрическом поле. Способность диэлектрика рассеивать энергию в
электрическом поле характеризуется углом диэлектрических потерь дг а
также тангенсом этого угла .При конструировании высоковольтных,
высокочастотных устройств стремятся подбирать материалы с малыми
величинами угла потерь и диэлектрической проницаемости, так как в
противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может достигнуть
недопустимо больших значений.
Пробой — это явление, при котором в диэлектрике образуется канал
высокой проводимости, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные
качества. Значение напряжения, при котором происходит пробой, называется
пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля
— электрической прочностью диэлектрика.
Кроме электрических свойств, важное значение для диэлектриков
имеют их физико-механические и химические свойства: прочность,
пластичность, эластичность, хрупкость, вязкость, нагревостойкость,
морозостойкость, теплопроводности тепло Ю вое расширение, радиационная
и химическая стойкость, растворимость и др.
При выборе электроизоляционного материала для конкретного вида
применения надо учитывать как его электрические, так и физикомеханические и химические свойства, а также стабильность этих свойств три
воздействии различных факторов.
Основная область .применения диэлектриков — изготовление
электроизоляционных деталей. Однако некоторые из них применяют и для
получения активных элементов схем. Например, сегнетоэлектрики
используют для генерации и модуляции сигналов, в качестве элементов
памяти; пьезоэлектрики — в преобразователях электрических колебаний в
механические и наоборот и т. д.
Разнообразие свойств и областей применения диэлектриков
затрудняет их классификацию. Обычно они подразделяются по их
агрегатному состоянию (газообразные, жидкие, твердые) и химической
природе (органические и неорганические). Но в настоящее время появилось
много новых материалов на основе кремнийорганических соединений
(жидкости, эластомеры, пластмассы), элементоорганических соединений,
пластмассы с органической связкой, содержащие минеральные наполнители,
неорганические каучуки и т. д.
В данной брошюре в основу классификации диэлектрических
материалов .положены особенности их строения и области применения.
Пластмассы
Пластмассы (пластики) — это материалы, из которых изделия
изготовляются методами, основанными на использовании их пластических
деформаций. В электротехнике и радиотехнике они широко применяются в
качестве электроизоляционных и конструкционных материалов.
Пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и
наполнителя. В качестве связующего используются полимеры —
органические высокомолекулярные соединения (смолы), в качестве
наполнителя — хлопчатобумажные, асбестовые, стеклянные волокна, слюда,
ткань, «кварцевая мука» и др. Наполнитель улучшает механические свойства
пластмассы и снижает ее стоимость. Для повышения химической стойкости
пластмассы в нее добавляют стабилизатор и антиокислитель. Улучшение
пластичности достигается добавлением пластификатора. Могут вводиться и
другие добавки —краситель, отвердитель и т. д. Если пластмасса состоит
только из одного связующего материала (смолы), то понятна кислолимер» и
«пластмасса» становятся тождественными.
По назначению пластмассы можно подразделить на конструкционные
(условное обозначение К); электроизоляционные, обладающие высокими
диэлектрическими свойствами (Э, Э1, Э2, цифра 2 означает более высокие
электроизоляционные свойства этого типа пластмассы); теплостойкие (Т —
выдерживает интервал температур 120 -:- 150°С, Т1 — 150 -:- 200°С, Т2 —
свыше 200°С); фрикционные (Ф) — с высоким коэффициентом трения;
антифрикционные (АФ) — с малым коэффициентом трения; химически
стойкие (ХС), тепло- и звукоизоляционные (ТИ); тропикостойкие (ТР).
Практически используемые в технике пластмассы можно
подразделять на следующие: без наполнителя, с газовоздушным
наполнением, с наполнителем в виде порошка, волокон, листов.
Полимерные
материалы
(смолы).
Полимеры
—
это
высокомолекулярные органические вещества, в молекуле которых от сотен
до тысяч атомов связанных друг с другом главными валентностями в
линейном или пространственном направлениях. Размеры и вес молекул
высокомолекулярных соединений в сотни и тысячи раз больше размеров и
веса молекул ннзкомолекулярных веществ. Высокомолекулярные вещества
могут быть получены из низкомолекулярных реакциями полимеризации или
поликонденсации. В зависимости от расположения молекул полимеры
подразделяются на аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры в
зависимости от температуры могут находиться в трех состояниях:
стеклообразном, высокоэластичном и пластически текучем. Кристаллические
полимеры имеют более высокие механические -свойства и характеризуются
скачкообразным переходом из твердого состояния в жидкое. Они имеют
определенную температуру плавления.
Полимерные материалы выпускаются в виде порошка или твердых
крупинок (гранул), листов, пленок, лент, прутков, профилей и фасонных
заготовок, пригодных для склеивания, сварки и других методов термической
и механической обработки. Кроме электротехнических целей, некоторые из
них могут применяться в качестве антикоррозийных покрытий
металлических деталей радиоэлектронной аппаратуры.
Полиэфирные смолы — продукт поликонденсации различных спиртов
и кислот (или их ангидридов). Они многочисленны и разнообразны по
свойствам. В настоящее время выпускаются полиэфирные смолы типов: МН1, ПН-2, ПН-3, ПН-4, ПН-1С, ПН-6, ПН-7, ПН-62, ПНС609-22М, ПНМ-2, ПН1М, ЛНМ-8, ПН-10, ПН-10/40, ПНЦ, ЭСП-6, ПН-11, ПН-2ГО, ПН-2Н, ЗСП-2,
ЗСП-3, ЗСП-4, ПНТ-2, НПС-609-21М, ПН-69, ПН-100, СКПС-3, ЗСП-7.
Первые два типа смол (МН-1 и ПН-2) общего назначения. Чаще всего
они используются в качестве связующего. В затвердевшем состоянии они
прозрачны и имеют хорошие физические и электрические характеристики.
Однако их теплостойкость не превышает 80—130°С (по Вика). Применяются
также в качестве связующего для стеклопластиков, использующихся при
повышенных температурах.
Смолы типов ПН-1С, ПН-6, ПН-7, ПН-62 и ПНС609-22М обладают
пониженной горючестью, что достигается благодаря введению в их состав до
25% хлора или 10% брома. Для получения прозрачных материалов
используются в качестве связующего смолы типов ПНМ-2, ПН-1М, ПНМ-8.
Стеклопластики, изготовленные из этих смол, пропускают до 90% дневного
света. Повышенную химическую стойкость имеют смолы ПН-10 и ПН-10/40.
Особенностью смол ПН-11, ПН-2ГО, ПН-2Н, ЗСП-3, ЗСП-4, ПН-62, ПНТ-2 и
НПС609-21М является отсутствие в них летучих мономеров, что улучшает
условия труда при производстве и переработке этих смол. Смолы ПН-69, ПН100, СКПС-3 и ЗСП-7 имеют повышенную эластичность. В отверделом
состоянии они морозостойкие, выдерживают большие ударные нагрузки и
вибрации. В основном полиэфирные смолы применяют в качестве
связующих при изготовлении стеклопластиков, которые широко
используются в электрорадиотехнике.
Производство и обращение с полиэфирными смолами требуют
соблюдения особых правил безопасности. Их пожарная опасность
определяется природой мономеров, входящих в состав смолы. Компонентом
многих из них является стирол, который легко воспламеняется при
температуре 31°С (температура взрываемости смеси с воздухом 27—56°С).
Кроме того, пары стирола обладают наркотическим и раздражающим
действием. Допустима концентрация паров — 5 мг/мд. Некоторые смолы
(ПНМ-2, ПНМ-8, ПН-1М) содержат метилметакрилат, который вызывает
раздражение кожи и слизистой оболочки глаз.
Лаборатории, в которых проводится работа с полиэфирными смолами,
должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией. Хранить эти
смолы следует в герметически закрытой таре при температуре не выше 20°С,
Гарантийный срок хранения 6 месяцев.
Эпоксидные смолы представляют собой вязкую жидкость, которая
может длительное время храниться, не изменяя свойств. При добавлении в
смолу отвердителя она отвердевает в весьма толстом слое без выделения
побочных (продуктов, образуя монолитную водонепроницаемую изоляцию.
Эпоксидные смолы растворяются во многих органических растворителях
(ацетоне, толуоле и т. д.), Особенности их — хорошая прилипаемость к
металлу.
Применение эпоксидных смол самое разнообразное — в качестве
изоляции, как конструкционный материал, связующее при изготовлении
стеклопластиков, для коррозийных и влагостойких покрытий.
В настоящее время выпускается несколько видов эпоксидных смол:
диановые смолы ЭД-5 (с низкой вязкостью), ЭД-В (вязкая), ЭД-П
(высоковязкая), ЭД-Л (твердая); азотосодержащие смолы ЭА, ЭАФ-400;
полиэпоксидные смолы ЭН-6, Э11 (имеют более стабильные
диэлектрические свойства и более высокую теплостойкость — до 200оС), 5Н,
ЭН-6 (основное применение в качестве связующего для теплостойких
стеклопластиков, а также при изготовлении цоколевочной мастики);
алифатические эпоксидные смолы (АЭС) Э-181, ДЭГ-1, ДЭГ-19, ТЭГ-1, ДЭГ17,
ДЭГ-Ж,
ЭФГ,
ЭТФ-10,
УП-563,
УП-599;
эпоксидные
кремнийорганические смолы (ЭКС), содержащие до 6% кремния, ТФЭ-9, Т111, МФХИ-6, Т-10. Эти смолы — модификация смол ЭД-5, ЭД-6. Они
имеют очень высокие физико-механические и диэлектрические свойства.
Применяются как в качестве изоляции, так и для склеивания металлов.
Работа с эпоксидными смолами и материалами на их основе также
требует соблюдения мер «предосторожности. Попадание смолы или ее пыли
на тело может вызвать заболевание (дерматит, экзему). Поэтому при
обработке изделий из эпоксидной смолы нужно, чтобы помещение было
оборудовано вентиляцией, на руки следует надевать резиновые перчатки или
смазывать их защитными пастами, кремами. По окончании работы руки и
лицо следует вымыть теплой водой с мылом.
Полиарилаты - представляют собой сложные гетероцепные
полиэфиры на основе двухатомных фенолов и ароматических дикарбоновых
кислот. Они выпускаются следующих марок: Д-3 — гранулы или
мелкодисперсный порошок, Д-4 — мелкодисперсный или комкообразный
белый порошок, Д-4Б — гранулы, Ф-1 и Ф-2, Д-4 — порошок.
Полиарилаты применяются в электротехнике и радиотехнике для
изготовления корпусов катушек индуктивности и других деталей,
электроизоляции, в машиностроении, приборостроении, а также для
изготовления антифрикционных материалов. Например, из Д-4А
изготовляются термостабильные изделия, которые могут -работать при
температуре до 200°С в течение 5000 ч. Он используется также в качестве
связующего для стеклопластиков и т. д. Большую ценность представляют
изготавливаемые из «полиарилатов электроизоляционные пленки типов Д4П, Ф-2П, ДФ-55П, Д-4Э. Они имеют толщину 20, 50 и 100 мкм, предел
прочности — до 900 кГ/см2.
Особенность
полиарилатов
—
незначительное
изменение
диэлектрических свойств от воздействия ионизирующих и ультрафиолетовых
излучений в широком диапазоне температур — от 60 до 2000С.
Обработка полиарилатов имеет свои особенности. Перед
формированием они должны тщательно высушиваться при температуре
100—120° С в течение 4—6 ч. Допустимое содержание влаги 0,1—0,2%.
Переработка высушенных полиарилатов приводит к появлению дефектов —
раковин.
Полиимиды — новый класс термостойких высокомолекулярных
соединений, исходным сырьем которых служат диангидриды ароматических
тетракарбоновых кислот и ароматические диамины Они применяются не
только в качестве связующих Из них изготовляются пленки, обладающие
высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. Например,
пленка типа ПМ имеет коэффициент трения 0,08—0,1, усадку при 200°С—
0,3%. Она металлизируется, что позволяет использовать ее в печатных
схемах и магнитных лентах. Пленка из полиимида устойчива к
радиационному облучению. На основе полиимидов выпускаются также
изоляционные лаки ПАК-1, ПАК-1/20, ПАК-2 и СП-12, которые, «роме
изоляционных свойств, обладают хорошими физическими и электрическими
свойствами. Провода с изоляцией на основе лаков СП-12 и,ПАК-1/20
выдерживают нагрев до 250—300°С.
Полиимид ПМ-67 имеет высокую стойкость к окислению и
ионизирующему излучению; может длительно эксплуатироваться при
температуре 250°С, не теряя свойств. Он устойчив к действию
растворителей, масел, но разрушается при длительном кипячении в воде и
под действием водяных паров.
Фенилон — аморфный полимер, который быстро кристаллизуется
(при температурах 340—360°С. Он растворяется в концентрированной
серной и хлорсульфановой кислотах, диметилацетамиде и других (подобных
растворителях.
Промышленностью выпускаются следующие марки фенилона ВА —
предназначен для получения волокна и электроизоляционной бумаги,
превосходящей по качеству лучшие образцы «тряпичной», с температурой
эксплуатации 200—250°С; ВБ-1, ВБ-2 и ВБ-3 (цифра означает удельную
вязкость) — для получения волокна; С — порошок розового цвета,
предназначенный для изготовления различных деталей, которые могут
работать в течение 2000 ч три температуре от —60 до + 250°С.
Пластмасса из фенилона имеет предел прочности при растяжении
800—1200 кг/см², теплостойкость +270°С, морозостойкость — 70°С,
электрическую прочность 27 кв/мм, удельное объемное сопротивление (при
температуре 20оС 1,3ом*см ɛ = 5,5, tg δ = 1*10², Изделия из пластмасс
на основе фенилона сохраняют свои электрические свойства после
длительного пребывания в условиях (повышенной влажности и высокой
температуры (до 250оС)» Они обладают хорошими антифрикционными
свойствами (в условиях сухого трения его износостойкость в 3—4 раза выше,
чем у капрона).
Хорошие электроизоляционные и физико-химические свойства
фенилона позволяют применять изделия, изготовленные на его основе в
самых различных областях — для получения электроизоляционной бумага и
волокна; при изготовлении микровыключателей, плат и других элементов
электрооборудования; в качестве заменителей баббита и бронзы.
Лак из фенилона может применяться в качестве пропиточного и
покровного
электроизоляционного
материала
для
изделий,
эксплуатирующихся при температурах до 220° С в течение 2000 ч и до 250° С
в течение 1000 ч.
Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир в виде гранул
размером 4X4X2,5 мм от прозрачного до белого цвета. В СССР он
выпускается под названием «смола лавсан». Основное назначение — сырье
для изготовления пленок, которые применяются главным образом в электрои радиотехнике в качестве изоляции, подложки для магнитной ленты (для
записи звука и изображения), (кино-, фото- и рентгеновских пленок, лент
ЭВМ. Она используется и как упаковочный материал, а также для
изготовления нетускнеющей металлической нити.
Пленки из полиэтилентерефталата (пленка ПЭТФ) в 3—4 раза
прочнее ацетатных; теплостойкость их 100°С. Они отличаются большой
стабильностью размеров при изменениях влажности и температуры, стойки к
действию слабых щелочей, концентрированной соляной кислоты, смазок,
масел, жиров, эфиров. Склеиваются клеем из 4%-ного раствора смолы ТФ-60
в метиленхлориде. При сварке этих пленок получается шов пониженной
прочности.
Отечественная промышленность выпускает несколько типов пленок
ПЭТФ: аморфную шириной 210 мм, толщиной 120—800 мкм для изоляции;
электроизоляционную для трансформаторов и дросселей, работающих при
температурах от —150 до +155°С; конденсаторную для электролитических и
других конденсаторов; электротехническую для электрических машин;
металлизируемую пленку для записи звука и изображения и др.
Фенолформальдегидные смолы получают при конденсации водного
раствора фенола с формалином. В зависимости от соотношения
реагирующих компонентов образуются два типа этих смол: наволочная
(«арболит) и резольная (бакелит).
Бакелитовая
смола
широко
применяется
для
получения
пластмассовых изделий, электроизоляционных лаков и антикоррозийных
покрытий. Карболит, разработанный русскими химиками еще в 1914 г., в
настоящее время применяется в новых рецептурах для изготовления пресспорошков путем смешения с различными наполнителями.
Фенолформальдегидные пресс-материалы (фенопласты) делятся на
группы: общего назначения (О), специальные электроизоляционные (Э),
высокочастотные (В), влагохимостойкие (Вх), ударопрочные (У),
крупноволокнистые (В), жаростойкие (Ж).
Особенность фенопластов — стабильность свойств, недостаток —
малая дугостойкость. Допустимые рабочие температуры для фенопласта с
неорганическими наполнителями (кварц, асбест и др.) длительно—130—
150°С, кратковременно — 215°С, для фенопласта с органическими
наполнителями (древесина, бумага, текстиль и др.) длительно—100— 120° С,
кратковременно — 135° С.
Мочевино-формальдегидные смолы получают конденсацией мочевины
с формальдегидом в присутствии щелочей. На основе мочевиноформальдегидных смол получают карбамидные пластмассы — аминопласты,
из которых изготовляют прессовочные композиции, литые и слоистые
пластмассы.
Аминопласты пригодны для производства различных деталей
радиоаппаратуры и других изделий народного потребления, не
подвергающихся постоянному воздействию атмосферы, переменной
влажности и т. п. Их удельное объемное электрическое сопротивление 10й
ом*см, электрическая прочность 14—16 кв/мм, tg δ =0,022 при частоте
гц.
Анилино-формальдегидные смолы по своей структуре аналогичны
фенолформальдегидным, но изделия из них менее гигроскопичны и хрупки.
Они обладают ударной вязкостью, поэтому их можно прессовать без
наполнителя. Изделия из них имеют малые диэлектрические потери в
большом интервале частот.
Полиформальдегид — твердый термопластичный полимер. Имеет
высокую механическую прочность, не зависящую от температуры в пределах
от 20 до 120°С и влажности. Химостоек, дугостоек, температура плавления
180°С. Объемное электрическое сопротивление
—
ом*см; tg δ =
0,001—0,004; ɛ = 3,7; Еnp = 20 кв/мм. Полиформальдегид применяется для
изготовления радиодеталей с повышенной механической прочностью.
Полиамидные смолы — термопластичные полимеры, обладающие
высокой механической прочностью и эластичностью. Они широко
применяются для изготовления искусственных волокон, гибких пленок и
пластмасс. В нашей стране из этих смол особенно широкое распространение
получили капрон, нейлон (анид) и энант, из которых изготовляют волокна с
разрывной прочностью до 60 кГ/мм². Причем нагрев их до 200°С в течение 3
ч не изменяет существенно их прочности. При -50°С их прочность несколько
увеличивается, эластичность сохраняется. Они стойки против щелочей,
бензина и др. Растворяются лишь в крезоле, муравьиной кислоте и феноле.
Нейлон имеет белее высокую температуру плавления (255°C) чем
капрон (215°С); потеря прочности происходит при 230°С. Длительное
воздействие света сильно снижает его прочность. Растворяется нейлон в
концентрированных растворах соляной, серной и азотной кислот.
Полиэфирное волокло лавсан имеет более высокие механические и
электрические
характеристики.
Лавсан
более
химостоек,
мало
гигроскопичен, его прочность на 10—15%, а температура плавления на 30—
35% выше, чем у капрона.
Кремнийорганические смолы используются главным образом для
получения термостойких кремнийорганических пластмасс и покрытий. В
качестве наполнителя чаще всего применяется кварцевая мука, маршалит,
двуокись титана, тальк, асбест, стеклянное, кремнеземное и кварцевое
волокно, а также ткани из этих волокон.
Главное достоинство кремнийорганических пластмасс — высокая
термостойкость, хорошие электроизоляционные свойства в широком
интервале температур и при высокой влажности. Из .них обычно делают
пресс-материалы и стеклотекстолит. Пресс-материалы используются при
изготовлении электро- и радиодеталей, предназначенных для работы в
интервале температур от —60 до +400°С (длительное время) и до 3000°С
(кратковременно). Особенность таких прессматериалов — дугостойкость и
способность сохранять электрические свойства, даже при температурах,
вызывающих пиролиз связующего.
Стеклотекстолиты выпускаются в основном в виде листов. Они
обладают хорошими электроизоляционными качествами, а также высокой
нагревостойкостью. Применяются в качестве электроизоляционного
материала для изготовления деталей, работающих в интервалах температур
от —60 до +300°С в течение 1000 ч и более. Промышленностью выпускаются
следующие марки кремнийорганических пластмасс: прессматериалы К-41,5,
КМК- 218, КМК-218Л, К-71, МФК-20, КПЖ-9, МАР-1, ТП-110, КМС-9, КФ-9
и КФ-Ю; стеклотекстолиты СМФ-50М, СТК-41 и СТЭК-45.
Эфиры целлюлозы (простые и сложные) — производные всем
известного в природе полимера целлюлозы. Наиболее распространенные
простые
эфиры
целлюлозы:
этил,
карбоксиметил,
метил
и
оксиэтилцеллюлоза, а сложные—нитраты, ацетаты, ацетобутираг и
пропионаты целлюлозы. Основное применение эфиров целлюлозы —
получение пластмасс (целлулоида и этролов), а также пленок и лаков.
Целлулоид представляет собой пластмассу, состоящую из нитрата
целлюлозы и камфары (пластификатор), фосфорнокислого «натрия,
красителей. Они могут применяться для изготовления различных деталей
радиоаппаратуры. Выпускаются следующие типы целлулоида: технический
прозрачный целлулоид в виде листов размеров 1330X600 мм, толщиной
0,15— 5 мм, белый технический — листы размером 1335Х630Х (0,65 -:-2)
мм; авиационный — прозрачные листы размером 1250Х550Х (1 -:-3) мм;
галантерейный — прозрачные и непрозрачные листы размером 1330X550X
(0,5-:-5) мм.
Целлулоид имеет хорошие, электроизоляционные свойства. Основной
недостаток — высокая горючесть. Поэтому при его обработке следует
соблюдать меры противопожарной безопасности.
Этролы — термопластичные массы, основу которых (связующее)
составляют эфиры целлюлозы (нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы и др.)
Промышленность выпускает следующие марки ацетилцеллюлозных этролов:
2ДТ-55 (цветной), 2ДТ-55 (черный), 2ДТ-43, Д-30, А-М и Э-М, АС и Э-С, АТ, Э-Т, О-М, О-С, О-Т (буквы обозначают: А — автмобильный, Э —
экструзионный, О — огнестойкий, Н — нетоксичный, М — мягкий, С —
средний, Т — твердый).
Удельное
объемное
электрическое
сопротивление
ацетилцеллюлозного
этрола
ом*см,
диэлектрическая
проницаемость при частоте 60 гц — 5,7, при
гц — 4-5; тангенс угла
диэлектрических потерь при частоте 60 гц — 0,009-0,072, при
гц — 0,050,07; электрическая прочность —24-32 кв/мм. Эти этролы устойчивы к
действию воды, водных растворов солей, нефтепродуктов, минеральных
масел и простых эфиров. Нестойки к концентрированным кислотам и
щелочам, растворяются в ацетоне, этилацетате, метиленхлориде.
Их хорошо склеивают клеи на основе эпоксидных смол. Применяются
в электрорадиотехнике, приборостроении и других областях.
Этролы из ацетобутиратцеллюлозы обладают всеми достоинствами
ацетилцеллюлозных этролов, а по морозостойкости, теплостойкости и
водостойкости превосходят их. Они трапикостойки. Электрические свойства
примерно такие же, как и у ацетилцеллюлозных.
Ацетопропионатцеллюлозные и трипропионатцеллюлозные этролы
отличаются более высокой механической прочностью, отсутствием
неприятного запаха. Р1з них изготовляются корпуса радиоаппаратуры и
других электроприборов.
Смолы на основе этилена и его производных. Этилен — газообразное
вещество, получаемое из природного газа, продуктов крекинга нефти и пр.
Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Это диэлектрик с
хорошими физико-химическими и электроизоляционными свойствами. Он
имеет малые диэлектрические потери (при
гц и 20°С tg δ = 2*
), ɛ =
2,3 (при тех же условиях), электрическую прочность 36 кв/мм, удельное
объемное электрическое сопротивление
ом*см, температуру плавления
110—140°С. Прозрачен для видимых и ультрафиолетовых лучей, стойкий к
действию кислот и щелочей. Полиэтилен широко используется для
изготовления различных электро- и радиотехнических деталей, а также
бытовых изделий. Свыше 10% выпускаемого полиэтилена используется для
электроизоляции проводов.
Физико-химические и электрические данные полипропилена
примерно такие же, как и у полиэтилена, но температура плавления
несколько выше — 160—-170°С, а при —10°С он теряет эластичность.
По химической стойкости и гигроскопичности полиизобутилен
близок к полиэтилену, но обладает более высокой хладостойкостью —
«эластичен при температуре — 80°С Полиизобутилен чаще всего
.применяется в смеси с .полиэтиленом и другими полимерами. Полученные
таким образом материалы используются для изоляций морских кабелей и
других специальных проводов.
Поливинилхлорид (полихлорвинил) имеет худшие электрические
свойства, чем полиэтилен, но его tg δ при температуре 20°С и частоте 106 гц
равен 0,08, т. е. в 100 раз выше, чем у полистирола. Он стоек к действию
воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта, поэтому
применяется для изоляции проводов, изготовления аккумуляторных бачков и
др.
СЭП - сополимер этилена обладает высокими электрическими
показателями — ρ =
ом*см, ɛ =2,1-2,4 (в диапазоне частот
гц), tg
δ =(2 -:- 4)* при
гц, Епр =28 -:- 35 кв/мм — и механической прочностью,
стойкостью к агрессивным химическим средам, тепло- и морозостойкостью.
По прочности, теплостойкости и эластичности он приближается к
полиэтилену. Области применения те же, что и полиэтилена.
Фторопласт-4 (торговая марка фторлон-4) — белый или сероватый
мягкий материал с хорошими электроизоляционными свойствами: в
диапазоне частот от 50 до
гц он имеет ɛ = 1,9 -:- 2,2, tg δ = 0,0001—
0,0003, ρ =
ом*см. При температуре 80°С сохраняет эластичность.
Рабочая температура от —269 до +260° С. Он имеет высокую химическую
стойкость, превосходя в этом отношении золото и платину, не горюч,
негигроскопичен. Склеивать его можно только после обработки поверхности
раствором металлического натрия в безводном аммиаке (такой раствор
чрезвычайно ядовит и взрывоопасен).
Изделия из фтороеласта-4 применяются в особо ответственных
местах, где резко меняется температура, а также требуется высокая
химическая стойкость. Недостаток фторопласта-4 — хладотекучесть, а также
высокая стоимость и сложность обработки. Кроме того,1при температуре
+415°С он разлагается, выделяя газообразный ядовитый фтор. Поэтому в
практике большее распространение получили фторопласте к 20 фторопластЗМ. Они имеют худшие по сравнению с фторопластом-4 характеристики, но
более просты в обработке. В отличие от фторопласта-3 фторопласт-ЗМ при
повышенных температурах не кристаллизуется, что позволяет применять его
при более высоких температурах — до 150°С (фторопласт-3 до + 125°С).
В последние годы в СССР разработаны и применяются новые виды
фторопласта: фторопласт-4М (Ф-4М), фторопласт4Д, фторлон-40 (Ф-40) и
фторлон-42 (Ф-42).Особенность фторопласта Ф-4М в том что вязкость его
расплава значительно меньше, чем у фторопласта Ф-4. Это «позволяет
обрабатывать его любым способом. Фторопласт-4Д (Предназначен для
изготовления изделий, которые трудно получить из фторопласта-4
(сплошную изоляцию (провода и др.), а также для получения суспензий.
Изделия из фторопласта-4Д то диэлектрическим характеристикам, тепловой
и химической стойкости не уступают изготовленным из фторопласта-4. Из
него методом экструзии получают фторопластовый уплотнительный
материал ФУМ, каландрированную сырую ленту для изоляции проводов и
др. Водные суспензии фторопласта-4Д применяются для создания покрытий
па металлах (электроизоляционных, но не антикоррозийных), пропитки
материалов, получения лакотканей, создания антифрикционного лака ФБФ74Д.
Фторлон-40 выпускается в виде белых гранул или порошка. Он
теплостоек до 225°С не горюч, химически стоек, мало меняет свойства в
агрессивных средах и при высоких температурах.
Фторлон-42 — белый волокнистый порошок. Из него изготовляются
лаки, прочные пленки и волокна, стойкие к агрессивным жидкостям.
Полистирол — термопластичный «полимер. В практике наибольшее
распространение получил блочный и суспензионный полистирол.
Суспензионный полистирол (окрашенный и неокрашенный)
изготовляется методом суспензионной полимеризации в виде гранул
размером 3—4 мм. Из него изготовляются изделия широкого потребления.
Полистирол марок ПОС и СН-20 хороший диэлектрик (у ПОС tg δ = 0,0004),
поэтому используется для изготовления различных радиодеталей.
Выпускается также ударопрочный полистирол марок ПОСУ-2, УП-1Э, УП1Л и УП, который имеет хорошие диэлектрические свойства, химически
стоек к кислотам и щелочам, растворим в ароматических и хлорированных
углеводородах, устойчив к действию раствора солей и влаги, а минеральные
и растительные масла оказывают на него слабое действие. Размягчение и
ухудшение физических свойств происходит при действии бензина, керосина,
кетонов, этилового спирта, хлорной воды. Особенно вредно на него
действуют окислители. Его теплостойкость по Вика 75—85°С.
Ударопрочный полистирол можно окрашивать в различные цвета.
Изделия из полистирола марки УП обладают повышенным блеском и более
высокой теплостойкостью то сравнению с изделиями, изготовленными из
остальных марок. Из листов полистирола марок ПС-СУ-2, УП-1Э и УП-1Л
методом вакуумного формирования изготовляют корпуса радиоприемников и
телевизоров, телефонные аппараты и др. Из гранул ударопрочного
полистирола методом литья изготовляют радио- и электродетали.
Разработан новый сополимер стирола — САМ. Как и полистирол, он
отличается высокими диэлектрическими свойствами: удельное объемное
электрическое сопротивление 1*
ом*см, ɛ = 2,5 -:- 2,6 (при
гц), tg δ =
(З -:- 4)•
(при
гц), пробивное напряжение 30—35 кв/мм,
теплостойкость по Вика +130°С.
Диэлектрические свойства стирола САМ сохраняются в диапазонах
частот от 50 до 1010 гц и при температурах от —40 до +100°С. Сочетание
хороших диэлектрических свойств с повышенной теплостойкостью
позволяет использовать его в электротехнической, радиотехнической и
других отраслях промышленности. Он может применяться для тех же целей,
что и полистирол, но при более высоких температурах.
Газонаполненные (вспененные) пластмассы можно разделить на
два вида: с закрытыми, не сообщающимися друг с другом ячейками —
пенопласты и с сообщающимися ячейками — поропласты.
Главное достоинство обоих видов газонаполненных пластмасс —
легкость, прекрасные электро-, тепло- и звукоизоляционные свойства.
Пенопласты имеют лучшие электроизоляционные свойства, малое
влагопоглощение.
Поропласты лучше глушат звуки и колебания. Транспортировка
газонаполненных пластмасс в готовом виде невыгодна, поэтому перевозят
обычно компоненты и на месте применения их вспенивают.
В последние годы эти пластмассы начали применяться в
радиоэлектронике в качестве звуко-, термо- и электроизоляционного
материала, для герметизации радио- и электротехнических деталей,
изготовления пористых труб и листов, всепененных кабельных покрытий.
Отечественная промышленность выпускает газонаполненные пластмассы на
основе полиуретана, фенол- и мочевино-формальдегидных смол,
полистирола, поливинилхлорида. Осваивается их производство и на основе
полиэтилена, эпоксидных смол, поливи-нилформаля и желатина.
Слоистые пластики — разновидность пластмасс, в которых в
качестве наполнителя используются листовые волокнистые материалы
(бумага, ткань и т. п.). Основными из них являются: стеклопластики,
гетинакс, текстолит и древесно-слоистый пластик.
Стеклопластики — это пластмассы с наполнителем из стеклотканей и
стекловолокно. В качестве связующего используются самые разнообразные
органические и элементоорганические полимеры (в зависимости от
назначения стеклопластика). Отечественные стеклопластики изготовляются
на основе фенол-формальдегидных, эпоксидных, тюлиэфирмалоинатных,
полиэфиркрилагных и кремнийорганических смол. В последние годы
разработан метод изготовления стеклопластиков на основе капрона и
полиамида П-68. В качестве связующего чаще используют фенольные смолы,
реже (из-за высокой стоимости) — кремнийорганические.
В электротехнической и радиотехнической промышленности
стеклопластики применяются для изготовления пазовой изоляции
электромашин, деталей и корпусов -приборов, плат и т. д.
Промышленность выпускает стеклопластики в виде прессматериалов
и стеклотекстолитов. Прессовочные материалы изготавливаются следующих
типов: СВАМ — стекловолокпистый анизотропный пресс-материал;
стеклошион конструкционный электротехнический (СШ) — выпускается в
виде листов; АГ-4С и АГ-4НС в виде ленты (АГ-4НС имеет лучшие физикомеханические свойства и меньшую стоимость за счет более дешевого
наполнителя) и др.
Стеклотекстолит — листовые слоистые стеклопластики. Предел
прочности отдельных марок достигает 3000 кГ\см². Электротехнический
листовой стеклотекстолит выпускают следующих марок: СТ, СТ-Б, CT-I, CTII, СТЭФ, СТЭФ-1 и СТК (удельное объемное сопротивление 5* (
-:) ом*см, tg δ = 0,03 при 50 гц, Епр = 10 -:- 12 кв/мм, а СТЭФ — 20 кв/мм).
Кроме электротехнического, выпускается также конструкционный
стеклотекстолит КАСТ, КАСТ-В, КАСТ-Г и др.
Стеклопластики можно обрабатывать механическими способами, но
при этом инструмент быстро изнашивается. Кроме того, следует помнить,
что образующаяся пыль вредно действует на кожный покров и дыхательные
органы.
Гетинакс — спрессованная нагревостойкая бумага, пропитанная
смолой. Он обладает высокой механической и электрической -прочностью
(25—30 кв/мм). Работает при температуре от -60 до +150°С. Наиболее
распространены марки гетинакса: А и Б — для работы в трансформаторном
масле с повышенной электрической прочностью; В и Д — для работы в
воздухе и в масле, с повышенной механической прочностью; Г — для работы
з условиях повышенной влажности; Вс — светопроницаемый — для работы
на воздухе, Ав, Бв, Вв, Гв, Дв — для работы в радио- и телефонных
установках, имеют малый tg δ.
Текстолит изготовляется так же как и гетинакс, но вместо бумаги
используется ткань, поэтому он прочнее и дороже гетинакса. Применяется
там, где имеет место трение (детали переключателей и др.). Выпускается
пяти марок: А — с повышенными электрическими свойствами маслостойкий;
Б и Г —- с высокими механическими свойствами; Вч — с повышенной
водостойкостью и низким tg δ при высокой частоте; СТ — с повышенной
нагревостойкостью.
Древесно-слоистый пластик изготовляется из фанерного шпона.
Основное применение — конструкционный материал.
Каучуки и материалы на их основе
Основная отличительная особенность каучука и резины —
эластичность, т. е. способность удлиняться на сотни процентов относительно
своего первоначального размера. Поэтому их называют эластомерами.
Натуральный каучук получают из млечного сока (латекса) особых
растений — каучуконосов. Чистый каучук при температуре 50°С
размягчается и становится липким. Он неустойчив к действию кислорода,
окисляясь, превращается в смолистую неэластичную массу. Для устранения
указанных недостатков каучук подвергается вулканизации, т. е. нагреву
после введения в него серы. При этом получается резина.
Резина бывает мягкая и твердая. При добавлении в каучук 1—3% серы
получают мягкую резину, а 30—35% — твердую (эбонит). Ускорение
процесса вулканизации, а также окрашивание резины достигаются
добавлением в каучук катализатора, красителя и т. п.
Резина широко применяется в электропромышленности для изоляции
проводов и кабелей. К недостаткам резиновой изоляции следует отнести ее
низкую нагревостойкость, малую стойкость к действию масел, бензина,
света, особенно ультрафиолетовых лучей, озона. Ее нельзя непосредственно
накладывать на медь, так как сера, вступая в реакцию с медью, образует
сернистую медь.
Если чистый каучук имеет ρ = 1016 ом*см, ɛ = 2,4, tg δ = 0,002, то у
резины эти параметры зависят от количества содержащейся в ней серы и
других добавок. У наиболее часто применяющихся сортов резины ρ =
ом•см, ɛ = 3 -:-7, tg δ = 0,02 -:- 0,10, Епр = 20 -:- 30 кв/мм.
Синтетический каучук. Основным сырьем для получения
синтетического каучука служат спирт, нефть и природный газ. В СССР
наибольшее распространение получили синтетические бутадиеновые каучуки
марок СКБ, СКВ, СКБМ, СКД, СКС,
СКМС, СКН. По внешнему виду они желтоватого цвета с
характерным запахом, ,но также, как натуральный каучук, эластичны, имеют
хорошие электроизоляционные свойства; применяются для изготовления
электроизоляционных резин.
Выпускаются также изопреновый каучук марки СКИ, бутил-каучук
(имеет очень высокие диэлектрические свойства), метилвинйлпиридиновый
каучук МВП (для нагревостойких, маслобензостойких резинотехнических
изделий), карбоксилатные и этиленпроп'иленозые каучуки (для специальных
резинотехнических изделий), кремнийорганические каучуки СКТ и СКТН,
СКТЭ, СКТВ, СКТУ (СКТ применяется в качестве уплотнителей, стойких к
действию кислорода и озона, а СКТЭ, СКТВ «и СКТУ — для 'изготовления
термостойких прокладок и других .изделий, стойких к высоким
температурам), фторкаучуки отличаются высокой химической стойкостью,
огнестойкостью и малой проницаемостью для воздуха.
Эскапон — это твердый «полимер, полученный из синтетического
каучука без применения вулканизирующих агентов типа серы. В СССР он
получен еще в 1939 г. Однако исследования последних лет привели к
созданию новых высококачественных электроизоляционных материалов из
эскапона, которые находят самое широкое применение в различных отраслях
электро- и радиопромышленности.
Твердый эскапон имеет хорошие электроизоляционные качества в
большом диапазоне частот и температур (ρ =
ом*см, tg δ = 0,0006 при
частоте 106 гц, ɛ = 2,7, Епр = 35 кв/мм. По твердости и механической
прочности он приближается к металлам.
Отечественная промышленность выпускает следующие марки
твердого эскапона: ЭСТ и ЭМ (светло-желтые), ЭП и ЭЖ (желтые), ЭТП и
ЭС (серые), ЭСП (светло-коричневый), ЭБ (белый), ЭЧ (черный), ЭКор
(коричневый), ЭКС (светло-красный), ЭК (красный), ЭЗС (светло-зеленый),
ЭЗ (зеле-ный), ЭГ (голубой), ЭСНГ (си-ний), ЭТСин (темно-синий).
Кроме твердого эскапона, советским ученым удалось получить новый
тип пленочных эскапоновых материалов, отличающихся высокой
эластичностью, механической прочностью, нагревостой'костью и хорошими
диэлектрическими свойствами, а также эскапоновых компаундов, смол и
лаков.
Эскапоновые ком-паунды (ЭКБ-1, ЭКС-1) нашли применение при
изготовлении эскапоновых лаков, липкой ленты, а также для пропитки
обмоток электрических машин. Эскапоновые лаки ЛЭ-19, ТЭ-1, ЛЭ-2
позволяют получить стеклоэскапоновую лакоткань с высокими
электрическими характеристиками и высокой химической стойкостью. С
помощью лаков ЛЭ-17 и ЛЭ-96 изготовляется эскапоновая лакофольга.
Алюминиевая фольга с толщиной эскапоновой пленки 3 мкм может успешно
применяться в конденсаторах, Наша промышленность выпускает липкие
стеклоэсканжовые ленты марок ЛСЭК-19, ЛСЭК-195 и ЛСЭЛ, которые
широко
используют
в
электромашиностроении,
а
также
в
радиолюбительской практике для изоляции мест соединений.
Слюда и материалы на ее основе
Природная слюда — ценный электроизоляционный материал с
высокой влаго-, химо- и нагревостойкостью. Она прочная, гибкая, имеет
хорошие электроизоляционные данные: ρ =
-:ом•см, tg δ = 5•
(при частоте 50 гц и температуре + 20°С), Плавится слюда лишь при
температуре 1250—1300°С. Характерной ее особенностью является
способность легко расцепляться на параллельные пластины.
Существует много разновидностей природной слюды. В
электротехнике же применяются в основном два вида: мусковит и флогопит.
Мусковит
(бывает
белый,
зеленоватый,
красноватый)
по
электроизоляционным и физико-химическим данным лучше флогопита.
Флогопит обычно темного цвета.
Недостатком природной слюды является то, что ее трудно .получить в
виде больших листов. Поэтому из отходов, образующихся при ее обработке,
делают листовые материалы — слюдиниты. Кроме того, из отдельных
лепестков слюды с помощью клеющего лака делают большие листы,
названные миканитами. Миканит бывает коллекторный, прокладочный,
формовочный, гибкий. Разновидность гибкого миканита — микалента. Ее
толщина 0,13 и 0,17 мм. Она выпускается в рулонах шириной не менее 400
мм, которые затем разрезаются на ролики шириной 12 и 35 мм. Маркируется
микалента начальными буквами материалов. Например, ММЧ-П —
микалента на мусковите и черном маслянобитумном лаке. II — означает
пониженную электрическую .прочность, I — нормальную.
Микалекс — твердый материал, получающийся путем горячего (при
600°С) прессования размельченной природной слюды и легкоплавкого
стекла. Выпускается в виде листов и стержней, которые потом
обрабатываются
механическим
способом.
Он
имеет
хорошие
электроизоляционные свойства, малые диэлектрические потери, высокую
нагрево- и влагостойкость. Применяется для изготовления держателей
мощных ламп, панелей конденсаторов, катушек индуктивности, плат,
переключателей и др.
Синтетическая слюда. Высокая стоимость и ограниченные запасы
природной слюды заставили искать пути создания синтетической слюды. В
последние годы в этой области достигнуты значительные результаты.
Получаемая в СССР синтетическая слюда во многих случаях значительно
превосходит по температурной устойчивости и диэлектрическим свойствам
природную. Она может работать практически в самых тяжелых
температурных условиях, вплоть до температуры красного каления.
Пробивное напряжение у синтетической слюды значительно выше. Ее
диэлектрические потери очень малы (при температуре 20°С для
фторфлогопита tg δ = 1•
). Причем резкий рост tg6 начинается .при
достижении температуры 600°С, а у природной — 300°С. При температуре
600°С синтетическая слюда имеет удельное объемное сопротивление такое,
как природная при 450°С.
Единственный параметр, по которому синтетическая слюда уступает
природной, — гибкость; синтетическая слюда более хрупкая.
Слюдокерамика. Исходным материалом для слюдокерамики служит
измельченная мелкокристаллическая синтетическая слюда. В качестве связки
используется 85%-ный раствор ортофосфорной кислоты. Изделие нужной
формы прессуется, сушится и затем обжигается.
Свойства слюдокерамики зависят от режимов прессования и обжига.
По свойствам она относится к числу рядовых диэлектрических материалов,
применяемых в радиоэлектронике. Преимущество — стойкость к высоким
температурам (средняя термическая стойкость 700°С), что позволяет
применять ее в качестве каркасов катушек в вакуумных реле, изоляционных
втулок и т. д.
Прессмика получается горячим прессованием измельченных
синтетических слюд. Это плотный материал с гладкой поверхностью светлосерого (почти белого) цвета. Он легко обрабатывается. По свойствам
прессмика ближе всех других слюдяных материалов стоит к слюде, так как в
ней отсутствуют примеси. Она применяется для изготовления деталей
радиоэлектронной аппаратуры, работающих при 400°С, в вакуумной технике,
в конденсаторах.
Новомикалексы и микапластик появились в связи с тем, что
микалексы на основе природной слюды перестали удовлетворять новым
повышенным требованиям радиотехники. Эти материалы представляют
собой синтетическую слюду на стеклосвязках. Изготавливают их методом
обычного и литьевого прессования. В первом случае получаются пластины,
во втором — готовые детали.
Новомикалексы и микапластик при температуре 510°С сохраняют
высокие электроизоляционные свойства, имеют стабильные размеры, низкие
диэлектрические потери. Они инертны к воде, маслу и органическим
растворителям.
В СССР выпускаются новомикалексы марок 203 и 71, микапластик
марки 203. Они весьма, перспективны, чему способствует коэффициент их
термического расширения, близкий к коэффициенту расширения стали и
многих других сплавов. Поэтому возможна запрессовка в новомикалексы 203
и 71 вводов из титана, тантала, стали и других металлов « работа их при
повышенных температурах.
Пенослюда — радиопрозрачный и теплоизоляционный пористый
материал (поры закрытые, размером 1-2 мм). Получается путем спекания
порошка синтетической слюды, стекла и пенообразователя. Она может
работать при температуре 700°С и выше, существенно не изменяя свои
диэлектрические свойства.
Диэлектрическая проницаемость пенослюды 1,15-1,35, tg δ = 0,0050,0007 при температуре 20°С и частоты 106 гц. Объемный вес — 0,15-0,30
г/ . Прочность на сжатие — 4-6 кг/см². Пенослюда хорошо приклеивается к
металлу с помощью кремнийорганических лаков. Она может использоваться
в качестве тепло- и электроизоляционного материала, для заливки блоков
радиоаппаратуры и др.
Керамика
Основные
достоинства
керамики—исключительно
высокая
нагревостойкость (доходящая для некоторых видов до 1000°С и более);
постоянство параметров при резком изменении климатических и
эксплуатационных условий; возможность сравнительно просто создавать
вакуум-плотные герметические конструкции, выдерживающие большие
перепады температур и механические нагрузки.
Сырьем для керамики служат глина и каолины, позволяющие
получать крупногабаритные изделия, кварцевый песок, тальк, магнезит,
кальцит, волластонит, циркон, глинозем» двуокись титана, углекислый барий
и стронций, а также и другие продукты, предназначенные для ускорения
процесса сушки изделия, полевой шпат и пегматиты — снижающие
температуры спекания.
При спекании в результате газовыделения в керамике остаются поры.
Если они закрыты, то материал относится к плотной керамике, если открыты
— к пористой. Последняя имеет .худшие электрические и физикомеханические показатели.
Фарфор был одним из первых видов керамики. Он получается из
специальных сортов глины, кварца и полевого шпата. Однако он имеет
сравнительно большие диэлектрические потери, увеличивающиеся при
повышении температуры. Это затрудняет его использование в аппаратурах
высоких частот.
Дальнейшее улучшение керамики шло по пути совершенствования
фарфора, а затем создания совершенно новых ее видов. В настоящее время
создано большое количество различных видов керамики. Появившиеся
радиофарфор и ультрафарфор имеют хорошие электрические и механические
свойства: у радиофарфора tg δ = 0,003, а у ульграфарфора tg δ = 0,001.
Алюминоксид обладает высокой нагревостойкостью (до 1600°С),
высоким удельным сопротивлением и малым tg δ.
Стеатит (С-4, Б-17, С-15 и др.) — высокочастотная керамика на
основе талька. Из-за малой усадки при обжиге успешно применяется в
качестве установочной изоляции в радиоаппаратуре. Она имеет хорошие
механические свойства.
Конденсаторная керамика подразделяется на высокочастотную (ɛ>
12) и низкочастотную (ɛ >900). Применяется для производства
конденсаторов,
Цельзианоеая керамика (ЦМ-3, ЦМ-4 и др.) отличается очень низким
температурным
коэффициентом
линейного
расширения,
малыми
диэлектрическими потерями в диапазоне температур до 300—400°С. Ее
рекомендуется применять для изготовления каркасов катушек индуктивности
высокой стабильности, изоляторов, конденсаторов большой реактивной
'мощности я др.
Стекла
Особое место среди материалов применяемых в радиоэлектронной
аппаратуре, занимает неорганическое стекло и материалы на его основе,
которые используются в качестве электроизоляционных, установочных и
декоративных деталей.
Силикатное стекло представляет собой термопластичный материал.
Сырьем для его изготовления служат: кварцевый песок, слюда, поташ,
известняк, доломит, сульфат натрия, бура, борная кислота, сурик, полевой
шпат и др.
Электрические свойства обычных технических стекол при 20° С
следующие: ρ =
-:ом*см, ɛ =3,8 -:-16,2; tg δ = 0,0002 -:- 0,01.
Наилучшие электрические свойства имеет кварцевое стекло.
В зависимости от состава и режима обработки механические свойства
стекла меняются в широких пределах; его прочность на сжатие — от 6000 до
21 000 кГ/см², на растяжение — от 100 до 300 кГ/см²; температура
размягчения — в пределах 400 — 1600°С (наиболее теплостойкое кварцевое
стекло); температурный коэффициент линейного расширения — от 0,55*
до 15*
.
Обычные стекла прозрачны для лучей видимого спектра. Стекла,
содержащие окислы железа, поглощают ультрафиолетовые лучи, а кварцевые
пропускают. Добавляя некоторые оксиды металлов, получают различную
окраску стекла.
В
зависимости от назначения
различают шесть
типов
электротехнических стекол: конденсаторные — применяются в
конденсаторах, используемых в импульсных генераторах, колебательных
контурах высокой частоты и др.; установочные, из которых изготавливают
установочные детали — изоляторы и др.; ламповые — для баллонов ламп;
стеклоэмали — легкоплавкое непрозрачное стекло, которым покрывают
изделия; стекло с наполнителем (микалекс); стекловолокно — из него
изготавливают стеклоткани, а также стеклосветоводы.
Ситаллы — новый перспективный материал от белого до коричневого
цвета, занимающий промежуточное место между обычными стеклами и
керамикой. Температура размягчения— 1000— 1450°С, предел прочности на
изгиб 1500—2600 кГ/см², ρ =
-:ом* см, ɛ = 6-:-7, tg δ = 0,01 при
частоте 1 кгц.
Ситаллы используются в качестве изоляторов и других установочных
изделий, а также при изготовлении интегральных схем (фотоситаллы).
Органическое стекло также находит применение. Например,
полиметилметакрилат марки ЛПТ (небьющееся стекло) обладает ценными
свойствами: высокой прозрачностью, способностью окрашиваться в любые
цвета, высокой прочностью, стойкостью и смазочным маслам, бензину, воде
и к старению. Он широко применяется в радиотехнической промышленности
и других областях для изготовления радиодеталей и шкал
электроизмерительных приборов. Его tg δ = 0,02-:-0,03 (при
гц), ρ =
:ом*см, ɛ = 2,2-:-3,2 (при 10° гц), теплостойкость по Вика 105—116°С,
предел прочности при статическом изгибе 800—1400 кГ/см².
Пропитывающие и лакокрасочные материалы.
Компаунды
Пропитывающие и лакокрасочные материалы, а также компаунды
предназначены главным образом для повышения электрических
характеристик твердых электроизоляционных материалов и предохранения
проводников от окисления.
Пропитывающие
материалы.
Пропитка
пористых
электроизоляционных
материалов
осуществляется
с
»помощью
трансформаторного, конденсаторного и кабельного масла. Наилучшие
электроизоляционные характеристики имеют конденсаторное масло: tg δ = 2(при 50 гц и 20°С); ɛ = 2,2; ρ =
ом*см. Кроме того, применяют и
другие пропитывающие вещества, например, для пропитки низковольтных
бумажных конденсаторов (рабочая температура не выше 45°С) используется
парафин.
Церезин — имеет примерно такие же электрические характеристики,
что и парафин. Температура плавления его несколько выше. У
синтетического церезина температура плавления еще выше, но хуже
электрические характеристики.
Битумы (асфальты) — вязкое или твердое вещество черного цвета.
Тем-пеоатура размягчения природных битумов 200—220°С, искусственных
— 50— 125°С; tg δ =(5-:- 15) •
; ɛ = 2,8; ρ =
ом*см.
Канифоль — природный продукт, поручающейся после отгонки
скипидара из смолы хвойных деревьев. Он имеет tg δ = 5*
(при 50 гц и
20°С), ɛ = 2,8 -:- 3,0.
Компаунды — это смеси веществ, обладающие высокими
электроизоляционными, влагозащитными и герметизирующими свойствами.
В отличие от лаков компаунды не содержат или .почти не содержат
улетучивающихся растворителей, поэтому изоляционный материал из них
после отвердения тверже, так как в нем нет пор. Компаунды бывают
пропиточные и заливочные.
По механическим свойствам заливочные компаунды делятся на
жесткие и эластичные, плотные и пористые По составу они бывают
смоляные, масляно-смоляные, смоляно-каучуковые. Кроме того, они могут
быть с наполнителем (кварц, асбест и др.) и без наполнителя.
Основное применение компаундов — пропитка обмоток
трансформаторов, дросселей и других электрических устройств.
Электрические характеристики компаундов зависят от веществ, входящих в
его состав, и колеблются в пределах: tg δ =0,0046 -:- 0,012, ρ =1*
-:1*
ом • см, Епр = 18 -:- 52 кв/мм.
Промышленность выпускает следующие марки компаундов Д-2, Д-49,
пенокомпаунд ПЭД, ЭЗК-10 {основу составляют эпоксидные смолы), Д-36,
Д-38, ЭЗК-5, ЭЗК-8, Д-127, Д-129, Д-130, Д-134 (эпоксидно-тиоколовые); Д97 (эпоксидно-полиэфирный); 10-Н (Экпоксидно-кремнийорганический);
ПЭК и ПЭКЛ (жидкие каучуки, модифицированные смолами); К-31
(полиуретановый); К-33 {кремнийорганическая смола со стиролом), КГМС
(полиэфирная смола со стиролом).
Лакокрасочные материалы — это растворы пленкообразующих
веществ (смол, высыхающих масел, битумов, эфиров целлюлозы) в
растворителях с различными добавками наполнителей, отвердителей и др.
Они предназначены для создания на поверхностях изделий твердых
изолирующих пленок толщиной 100—250 мкм, а также защиты от окисления,
увлажнения или придания декоративного вида.
Лакокрасочные материалы, содержание добавки в виде красящих
пигментов (минеральных красок), называют эмалями. Материалы, не
содержащие пигментов, называются лаками.
Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые материалы — это вещества, занимающие по
своему удельному электрическому сопротивлению промежуточное место
между проводниками и изоляционными материалами. Они обладают рядом
специфических особенностей. В отличие от металлов полупроводниковые
материалы
имеют отрицательный температурный коэффициент
электрического сопротивления. У них различают два типа проводимости —
электронную и электронно-дырочную. Некоторые полупроводники обладают
фотопроводимостью. На границе металл — полупроводник имеют место
выпрямляющие свойства.
Эти, а также ряд других особенностей определили направление
практического использования полупроводниковых материалов. Из них
изготовляется множество различных элементов радиоэлектронной
аппаратуры, получивших название полупроводниковых приборов:
терморезисторы, нелинейные резисторы (варисторы), тензорезисторы,
транзисторы, выпрямители, стабилизаторы и др. Они применяются также для
создания усилителей, генераторов, источников электроэнергии, источников
холода. В последние годы все больший интерес проявляется к явлению
рекомбинационного свечения при низком напряжении постоянного тока
полупроводниковых
электронно-дырочных
переходов
в
видимой,
инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Появились генераторы
световых колебаний, индикаторы для микроминиатюрной аппаратуры и др.
Свойствами полупроводников обладает ряд материалов как
природных, так и синтетических, органических и неорганических, простых и
сложных по химическому составу.
Простые материалы, к которым относятся германий, кремний, селен,
бор, фосфор, мышьяк и др., более изучены и широко применяются в
промышленности. Они обеспечивают большую надежность изготовляемых
из них полупроводниковых приборов.
Германий представляет собой серый порошок, получаемый в
результате переработки минерального сырья. Для практического применения
порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в
слитки. В дальнейшем особо чистый германий получают методом зонной
плавки или же выращиванием монокристаллов вытягиванием из расплава.
В производстве полупроводниковых приборов используются в
основном следующие марки германия: германий электронный, легированный
сурьмой ГЭС 0,004, ГЭС 0,3/0,2, ГЭС 0,4/0,3, ГЭС 1,0/0,5, ГЭС 2,0/0,5, ГЭС
3,0/0,7, ГЭС 10/1,0, ГЭС 27/1,5; германий электронный ГЭ 40/3,0; германий
дырочный, легированный галлием ГДГ 1,0/0,6 и ГДГ 5,0/1,0.
Проводимость германия сильно зависит от примесей и колеблется от
0,003 до 40 ом-см. Он очень хрупок в интервале температур до 400°С.
Германий используется для изготовления транзисторов, диодов,
гензодатчиков, фототранзисторов, фотодиодов, оптических фильтров,
счетчиков ядерных частиц и др. Полупроводниковые приборы на его основе
нормально работают в диапазоне температур от -60 до +70°С.
Кремний — наиболее распространенный элемент земной коры.
Технология получения чистого кремния примерно такая же, как и германия.
Верхний предел его рабочей температуры выше, чем у германия, и доходит
до 120—200°С. Из кремния изготовляются такие же полупроводниковые
приборы, как и из германия, для чего используются следующие марки:
кремний электронный, легированный фосфором КЭФ 0,02, КЭФ 0,06, КЭФ
0,3/0,1, КЭФ 1/0,15, КЭФ 4,5/0,4, КЭФ 7,5/0,5; кремний электронный КЭ
15,0/0,5, КЭ 50,0/0,3, КЭ 70/0,3, КЭ 100/0,3, КЭ 150/0,3; кремний дырочный,
легированный бором КДБ 0,02, КДБ 1,25/0,2, КДБ 4,5/0,4, КЛБ 7,5/0,5;
кремний дырочный КД 20/0,5 и КД 40/0,2.
Кремний и германий непрозрачны для видимых лучей света. Но они
хорошо пропускают инфракрасные лучи (кремний — с длиной волны 1,2-:10 мкм, германий — 2 -:- 25 мкм).
Селен бывает нескольких модификаций. Так как во многих случаях в
образце присутствует одновременно несколько модификаций, то изучение
свойств селена представляет значительные трудности. Его удельное
сопротивление изменяется в очень больших пределах. Серый
кристаллический гексагональный селен можно считать дырочным
полупроводником, широко использующимся для изготовления выпрямителей
и фотоэлементов. Аморфный селен является диэлектриком.
В последние годы, кроме простых полупроводниковых материалов,
находят применение полупроводниковые химические соединения элементов
различных групп таблицы Д. И. Менделеева, соответствующие формулам
AɪvBɪv, AɪɪɪBv, AɪɪBvɪ и многофазные полупроводниковые материалы.
Соединения AɪvBɪv. Представитель этой группы материалов карбид
кремния (SiC).
На основе карбида кремния изготовляются варисторы, нагревательные
элементы для высокотемпературных электрических печей, поджигатели для
игнитронов, высокотемпературные выпрямители, рассчитанные на рабочую
температуру 500—600°С.
Соединения AɪɪɪBv. Интерметаллические соединения элементов III и
V групп таблицы Менделеева обеспечивают большие возможности в
получении основных параметров полупроводников (ширины запрещенной
зоны и подвижности носителей тока), чем простые полупроводники. Они
применяются для изготовления полупроводниковых диодов и триодов,
работающих в диапазоне высоких частот, преобразователей солнечной
энергии и др. Особый интерес, например, представляет арсенид галлия,
который используется при создание высокочастотных транзисторов,
детекторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн,
параметрических диодов, фотоэлементов, дозиметров рентгеновского
излучения, полупроводниковых лазеров. Солнечные батареи из него имеют
к.п.д. порядка 14%. Приборы из арсенида галлия по частотному пределу
превосходят германиевые, а по температурному — кремниевые. (Они
нормально работают до 450°С).
Из этой группы находят применение также Al Sb, Ga Sb, In Sb; Al As,
In As и др. Однако наибольшее распространение получили арсенид галлия и
антимонид индия. Особенность последнего — широкая область
фотопроводимости, что позволяет получать из него хорошие
высокочувствительные фотоэлементы для широкого спектра оптического
диапазона волн, включая и инфракрасный. Кроме того, его используют для
термоэлектрических генераторов и холодильников.
Соединения группы AɪɪBvɪ носят название сульфидов, селенидов и
теллуридов. Это соединения металлов с селеном, серой и теллуром (Cd S, Cd
Se, Cd Те, Pb S, Pb Te, Pb Se). Ocновное применение их — детекторы
инфракрасного излучения и в качестве люминофоров.
Окисные полупроводники ( , ZnO, CdO,
, NiO,
)
применяются главным образом для изготовления выпрямителей и
фотоэлементов, а также в качестве сердечников высокочастотных контуров.
Наибольшее распространение получили закись меди и окись цинка.
Многофазные полупроводниковые соединения (CuFe
, Си Ga
,
AgFe
, ZnSi
и др.) используются для изготовления термоэлементов
термогенераторов и холодильников.
Проводниковые материалы
Проводниками электрического тока могут быть как твердые тела, так
и жидкие, а при некоторых условиях и газы. К твердым проводниковым
материалам относятся металлы, к жидким — расплавленные металлы и
электролиты, к газообразным — сильно ионизированные газы.
По назначению твердые проводниковые материалы можно разделить
.на металлы и сплавы с малым электрическим сопротивлением, металлы и
сплавы с большим электрическим сопротивлением, металлы и сплавы с
особыми свойствами, благородные металлы, конструкционные материалы,
припои.
Основными свойствами проводниковых материалов являются:
электропроводимость, теплопроводность, термоэлектрон движущая сила,
механическая прочность и тепловое расширение.
Электропроводность материала характеризуется его удельным
сопротивлением, которое для металлических проводников колеблется от
0,016 до 10 ом • мм²/м, т. е. занимает всего три порядка. Величина удельного
сопротивления у всех чистых металлов небольшая. Наличие же примесей
приводит к ее увеличению. Удельное сопротивление сплавов, как правило,
выше удельного сопротивления его компонентов.
При высоких частотах сопротивление проводников больше, чем при
низких. Это явление, получившее название поверхностного эффекта,
объясняется тем, что высокочастотное поле проникает в проводник на малую
глубину и большая часть тока сосредоточена у поверхности проводника.
Поверхностный эффект проявляется тем сильнее, чем больше проводимость
и магнитная проницаемость проводникового материала.
С повышением температуры удельное сопротивление металлов
возрастает. Его зависимость от температуры характеризуется температурным
коэффициентом удельного сопротивления. Для чистых металлов в твердом
состоянии он примерно одинаков, около 0,004
.
Металлы с высокой проводимостью являются и хорошими
проводниками тепла. Их удельная теплопроводность примерно на два-три
порядка выше удельной теплопроводности диэлектрических материалов. При
повышении температуры удельная теплопроводность металлов уменьшается.
У сплавов она ниже, чем у компонентов, составляющих этот сплав.
При соприкосновении двух различных металлов возникает контактная
разность
потенциалов,
в
результате
которой
появляется
термоэлектродвижущая сила. Величина контактной разности потенциалов
для различных пар колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт.
Тепловое расширение материалов характеризуется температурным
коэффициентом линейного расширения. Очень важно учитывать значение
этих коэффициентов при сопряжении двух материалов (металла со стеклом,
керамикой и т. д.).
Металлы и сплавы с малым электрическим сопротивлением.
Металлы с малой величиной удельного сопротивления достаточно прочны.
Их можно паять и сваривать. Они выпускаются в виде полуфабрикатов
разных размеров, а также в виде проводов.
Из материалов этой группы наибольшее применение имеют медь,
алюминий, железо и их сплавы.
Медь по электропроводности занимает второе место после серебра.
Она обладает высокими механическими и технологическими свойствами,
хорошо
прокатывается,
паяется,
противостоит
коррозии.
Для
электротехнических целей используют относительно чистую техническую
медь марок МО и М1.
Сплавы меди. В технике применяются сплавы меди с оловом,
кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием и другими металлами.
Они получили название бронза. Бронза, хотя и имеет несколько большее
удельное сопротивление, чем техническая медь, но благодаря большой
прочности используется для изготовления токопроводящих пружин.
Сплав меди с цинком называется латунью. Особенность латуни —
высокое относительное удлинение при повышенном пределе прочности и
небольшом увеличении удельного сопротивления. Это позволяет
использовать ее для изготовления штамповкой различных токопроводящих
деталей.
Алюминий, так же как и медь, широко применяется в электротехнике.
Он обладает .несколько худшими механическими и электрическими
свойствами.
Алюминий выпускается следующих марок: AB0000 (примесей
0,004%), AB000 (0,01%), AB00 (0,03%), AB0 (0,07%), А00 (0,3%), АО (0,4%),
А1 (0,5%), А2 (1%), A3 (2%). Первые четыре марки предназначены для
изготовления корпусов и электродов конденсаторов, а также для
исследовательских и других специальных целей; А00 и АО — для
изготовления фольги, кабельных и токопроводящих изделий, алюминиевых
сплавов специального назначения; А1 — для кабельных и других
токопроводящих изделий; А2 — для сплавов на алюминиевых и других
основах, изготовления кабелей и других токопроводящих изделий; A3
используется для неэлектрических целей.
Алюминий активно окисляется, образуя тонкую оксидную пленку с
большим электрическим сопротивлением, что делает невозможным его пайку
обычным методом. В местах соединения алюминия с медью в условиях влаги
возникает гальваническая пара со значительной э.д.с. В результате
происходит сильная коррозия алюминиевого проводника, поэтому места
соединения алюминиевого и медного проводов нужно тщательно защищать
от влаги.
Сплавы алюминия подразделяются на литейные и деформируемые.
Литейные алюминиевые сплавы имеют большую жидкотекучесть и малую
усадку, что позволяет получить из них детали самой сложной конфигурации.
В тех случаях когда требуется изготовить детали повышенной
прочности или температуроустойчивости, алюминиевые сплавы подвергают
термической обработке.
Деформируемые алюминиевые сплавы бывают двух видов —
упрочняющиеся под влиянием термической обработки и неупрочняющиеся.
Наибольшей механической прочностью отличаются сплавы, содержащие
медь и магний (марки Д1, Д6 и Д16). Еще более прочные сплавы алюминия с
цинком, магнием и медью (марки В95 и др.), но они менее жаростойкие,
больше подвержены коррозии.
Деформируемые сплавы обозначаются буквами и цифрами.
Например; АМц (сплав алюминия с марганцем), АМг6 (сплав алюминия с 6%
магния). Буквой Д обычно обозначают сплавы типа дуралюмин (алюминиймедь-магний). АК — алюминиевый ковочный сплав. Д18П — сплав для
изготовления проволок. ПЛ — сплав для плакирования.
Металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением
делятся на две группы: 1) сплавы для изготовления прецизионных и
технических резисторов (эталонных резисторов, шунтов, обмоток
потенциометров, регулирующих и пусковых реостатов, нагрузочных
элементов); 2) жаростойкие металлы и сплавы для изготовления
нагревательных элементов эдектронагревательных приборов. Кроме того, к
высокоомным сплавам относятся сплавы для термопар и компенсационных
проводов.
Прецизионные сплавы чаще всего приготовляются на медной основе.
Это позволяет удовлетворить основные требования, предъявляемые к
прецизионным резисторам — иметь высокое удельное сопротивление,
малый, стабильный во времени температурный коэффициент сопротивления
(ТКС) и небольшую величину термоэлектродвижущей силы в паре с медью.
Манганин — основной сплав для изготовления прецизионных
резисторов (ρ = 0,44 ом * мм²/м температурный коэффициент 2*
,
термо-э.д.с. 1 мкв/град). В него входят: медь (86%), манганин (12%) и никель
(2%).
Манганин имеет хорошие механические свойства. Предел прочности
отожженного манганина 40-55 кг/мм². Он хорошо паяется, допускает
эмалирование. Манганин изготовляется в виде проволоки, лент, полос,
листов, микропроволоки. Проволоку выпускают двух марок: МНМц 3—12
(мягкая и твердая) и МНМцАЖ 3—12—0,3—0,3 (мягкая).
Константин — сплав меди (60%) и никеля (40%), у него более
высокая термо-э.д.с. в паре с медью; выпускается в виде проволоки и лент.
Его применяют для изготовления реостатов, термопар (для измерения
температуры) и нагревательных элементов (если рабочая температура не
превышает 400°С).
Хромо-никелевые сплавы (нихром). Для изготовления малогабаритных
резисторов применяют сплавы на никелевой основе марок Н80ХЮД, Н60ГХ
и Н63ГХ, имеющие электрическое удельное сопротивление в 3-4 раза
больше, чем манганин. Нихром используется также для изготовления
нагревательных элементов паяльников, плиток и т. д.
Хромо-алюминиевые сплавы (хромаль) применяются для изготовления
нагревательных элементов мощных приборов, промышленных печей. Они
дешевые, но хрупкие.
Медно-никелевые сплавы — основные сплавы для изготовления
технических сопротивлений.
Термоэлектродные сплавы предназначены для изготовления термопар
и компенсационных проводов. Основными термоэлектродными сплавами
являются никелевые и медно-никелевые (хромаль, алюмель, копель и др.).
К жаростойким металлам можно отнести вольфрам, молибден, тантал,
ниобий, титан, цирконий и рений. Чаще всего применяются первые три
металла.
Металлы и сплавы с особыми свойствами. К металлам и сплавам с
особыми свойствами относятся сплавы с особыми свойствами упругости и
теплового расширения, теплостойкие и коррозионностойкие, немагнитные,
термобиметалл и др.
Сплавы с малым коэффициентом теплового расширения при
колебаниях температуры от —60 до + 100°С используются для изготовления
деталей высокоточных приборов и устройств, а также термобиметалла.
Промышленность выпускает следующие марки этих сплавов: 36Н (36%
никеля, остальное железо), 32НКД (32% никеля, 3,2—4,2% кобальта, 0,6—
0,8% меди, остальное железо), 35 НКТ (35% никеля, 13—14% кобальта, 1,5%
титана, остальное железо).
Сплавы с определенными заданными коэффициентами теплового
расширения в интервале температур от —70 до + 500°С. Расширение этих
сплавов должно быть согласовано с расширением материалов, с которыми
они сопрягаются. Обычно используются для соединения элементов приборов
со стеклом, слюдой, керамикой и т. д., при изготовлении деталей
высокоточных измерительных приборов.
Промышленность выпускает сплавы с заданным коэффициентом
теплового расширения следующих марок: 29НК, ЗОНКД, ЗЗНК, 48НХ,
47НХ, 47НД, 47НХР, 42Н, 46Н, 48Н, 18ХТФ, 18ХМТФ (цифры обозначают
процент никеля, буквы — начальные буквы элементов, входящих в сплав.
Кроме того, в каждый сплав входит железо).
К сплавам с особыми упругими свойствами относятся сплавы с
высоким пределом упругости, с высоким неизменяющимся от температуры
модулем упругости, немагнитные сплавы с высокими упругими свойствами,
обладающие теплостойкостью и коррозийной устойчивостью. Эти сплавы
применяются для изготовления упругих чувствительных элементов (пружин,
мембран, барокоробок и др.), работающих в различных климатических
условиях при различных температурах (до 500°С). Выпускаются следующие
марки таких сплавов: 42НХТЮ, 44НХТЮ, 97НЛ, 41НХТА, 35НХМВ,
36НХТЮМ8, 10КНХМВ, 36 НХТЮ, 36НХТЮМ, 40КНХМВТЮ, 40 КХНМ
(расшифровка обозначений аналогична расшифровке предыдущих сплавов).
Термобиметалл представляет собой материал, состоящий из
нескольких слоев металлов с различными коэффициентами теплового
расширения. Слои металлов плотно соединены друг с другом сваркой. Слой с
наибольшим коэффициентом теплового расширения называют активным, а с
наименьшим— пассивным. Термобиметалл применяется для изготовления
элементов, чувствительных к изменению температуры приборов (тепловых
реле; термометров, реле времени и др.).
Для изготовления термобиметалла могут использоваться как чистые
металлы, так и сплавы, например, сплав, содержащий 36% никеля (инвар).
Он имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (в 12 раз ниже,
чем у железа) и используется в качестве пассивного слоя. В качестве
активного слоя могут использоваться сплавы системы железо—никель, в
которых никеля 20—25%. Коэффициент расширения этого сплава в 18—20
раз больше коэффициента расширения инвара.
Практически в качестве активных слоев используют следующие
марки металлов и сплавов: 19НХ, 24НХ, 20НГ, 75ГНД, 28НХТЮ, НПЗ, Л62,
Л90, в качестве пассивных — 36Н, 42Н, 50Н, 45НХ, 45НТЮ, в качестве
промежуточных — НП2, M1.
Благородные металлы. К благородным относятся химически
наиболее стойкие металлы: золото, серебро, платина, палладий.
Золото
обладает
высокими
электро-,
теплои
коррозиоустойчивостью. Оно имеет низкую твердость. Примеси повышают
твердость и удельное сопротивление золота. В промышленности оно
применяется в качестве контактного материала, используется как чистое
золото, так и его сплавы с никелем, платиной, цирконием, серебром и
платиной, серебром и медью, серебром и никелем, палладием и никелем.
Серебро широко используется для изготовления контактов в
различной аппаратуре, покрытия волноводов и других целей. Его
недостатком является то, что оно взаимодействует 'с сероводородом во
влажной среде, поэтому контакты из серебра нельзя применять рядом с
эбонитом и резиной. Серебро — мягкий металл, поэтому при частом
включении контакты из него быстро изнашиваются. В промышленности
применяются сплавы серебра с медью, прочность которых значительно
выше.
Платина и палладий имеют наибольшее удельное электрическое
сопротивление среди благородных металлов. Они химически весьма стойкие.
В чистом виде прочность их невысокая. Платина применяется для
изготовления термопар на рабочие температуры до 1600°С. Палладий и его
сплавы — в качестве контактных материалов.
Конструкционные материалы. Особенность конструкционных
материалов электрорадиоэлектронных приборов и устройств состоит в том,
что для них требования высокой механической прочности не являются
главными. Здесь большее значение могут иметь легкость, немагнитность,
наличие определенных электрических и физико-химических свойств,
высокая стабильность этих свойств и размеров в различных условиях,
возможность изготовления деталей очень малых размеров и др.
В качестве конструкционного материала применяются как чистые
металлы (черные и цветные), так и их сплавы. Применение черных металлов
в качестве конструкционного материала чаще всего обусловливается не
особыми их качествами, а дешевизной и хорошими технологическими
свойствами.
Из цветных металлов наиболее часто используются медь, алюминий,
никель, магний, олово, свинец, цинк и их сплавы.
Припои. Мягкоплавкие припои состоят в основном из олова и свинца,
соотношение количества которых определяет различные свойства припоя.
Для получения специальных свойств добавляют сурьму, серебро (для
повышения температуры плавления), висмут, кадмий (понижают
температуру плавления сплава).
Наибольшее применение получили оловянно-свинцовые припои
(ПОС), в качестве которых используются почти все сплавы системы олово—
свинец (от 2 до 90% олова). С увеличением содержания олова механическая
прочность шва увеличивается, становится выше прочности самого припоя.
При низких температурах (—30°С) припой становится хрупким, а при
высоких (+100°С) снижается его ударная вязкость. Примеси висмута и
сурьмы расширяют границы температур, при которых прочность шва не
изменяется.
ГОСТ ]949—54 предусматривает следующий сортамент оловянносвинцовых припоев: пруток (круглый диаметрами 8; 10; 12 и 15 мм и
трехгранный с размерами граней 10; 12; 14; 16 мм), проволока (диаметрами
0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6 мм), лента (толщиной 1; 1,5; 2; 2,5;3; 4; 5 мм),
трубка (с наружными диаметрами 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5 мм).
При производстве тонких монтажных работ целесообразно применять
трубчатый припой, заполненный флюсом. Это облегчает работу и улучшает
качество пайки, так как припой и флюс накладываются на место пайки
одновременно.
Особо легкоплавкие припои применяют, когда есть опасность
перегреть детали, которые паяюг. Такие припои имеют небольшую
прочность, хрупкие, но при использовании флюса ФИМ дают
удовлетворительные результаты.
Припои, содержащие серебро. Наличие в припое серебра повышает
прочность шва, его электропроводность, а также температуру плавления
мягкого припоя, что важно особенно при проведении ступенчатой пайки.
Припои для пайки алюминия. Пайка алюминия представляет
некоторую трудность вследствие быстрого образования на его поверхности
химически стойкой пленки окиси алюминия. Поэтому пайку следует
производить с применением активных флюсов, растворяющих эту окись.
Пайку алюминия и его сплавов обычно производят припоями на
алюминиевой основе, легированными медью и кремнием (АЛ2, 35А и 34А).
Для пайки алюминия, магния и их сплавов применяют припои на
оловянной, кадмиевой и цинковой основах. Наибольшую стойкость к
коррозии в соединениях алюминий—алюминий и алюминий—сталь дают
кадмиево- цинковые припои.
Тугоплавкие припои применяются для твердой пайки при производстве
радиотехнического оборудования и автоматических устройств. Имеется
много видов твердых припоев. Наибольшее применение получили медные,
медно-цинковые, серебряные и медно-фосфористые сплавы.
Чистая медь — простейший тугоплавкий припой, который дает
прочный и эластичный шов. Но технологически паять медью несколько
сложно, так как ее высокая температура плавления (1083°С) требует
сильного разогрева соединяемых деталей. Применяется для пайки железа,
стали, никеля.
Медно-цинковые припои имеют температуру плавления 800—950°С.
Этот припой хрупкий, поэтому ими можно паять изделия, которые не будут
подвергаться вибрации.
Медно-фосфористыми припоями можно паять медь и серебро без
применения флюса. Они дешевые, но предел прочности их невелик, поэтому
паять детали, работающие на изгиб, не рекомендуется. Для пайки черных,
металлов они непригодны.
Припои, содержащие серебро, позволяют паять как черные, так и
цветные металлы. Они дают прочный, эластичный и внешне красивый шов.
Ими паяют детали, работающие в тяжелых механических и климатических
условиях.
Флюсы для пайки металлов и сплавов. В качестве флюсов для
пайки и облуживания медных проводов и деталей из меди, латуни, бронзы
мягкими припоями применяется канифоль и ее растворы: спиртоканифольный (30%-ный раствор канифоли в этиловом спирте), глицериноканифолевый (6% канифоли, 14% глицерина и 80'% спирта).
Пайка железа, стали и их сплавов, меди и ее сплавов, цинка, нихрома,
никеля, серебра, нейзильбера, константам а, пермаллоя, бериллиевой и
алюминиевой бронз мягкими припоями осуществляется с помощью флюсов
ЛТИ-1 (70% этилового спирта, 20% канифоли, 8% соляной кислоты, 2%
тирэтаноламина) и ЛТИ-120 (60% этилового спирта, 25% канифоли, 5%,
диэтаноламина, 2% триэтаноламина).
Для пайки меди, латуни, бронзы, константана, серебра, платины
оловянно-свинцово-кадмиевыми и оловянно-свинцовыми припоями ПОС-61,
ПОС-40, ПОСК-50 и др. применяется флюс ВТС (62,5% вазелина, 6,25%
салициловой кислоты, 6,125% триэтаноламина, 2'5'% спирта).
Флюс ФИМ (16% ортофосфорной кислоты и З7% этилового спирта)
используется для пайки грубых деталей из черных металлов, меди, бронзы,
латуни, которые могут быть тщательно промыты.
Флюс КЭЦ (75% этилового спирта, 24% канифоли, 1% хлористого
цинка) — для пайки черных, цветных и благородных металлов и сплавов,
проводников и деталей из меди, бронзы, латуни, золотых сплавов.
Флюс-паста (16% канифоли, 4% хлористого цинка, 80% вазелина) —
для получения соединений повышенной прочности деталей черных и
цветных металлов, которые могут быть промыты.
Флюс ЛК-10 (60% спирта-ректификат а, 26% канифоли, 3%
хлористого цинка, 1% хлористого алюминия, 10% ингибитора, коррозии ПБ5) — для пайки меди и ее сплавов, оцинкованных и серебряных деталей
оловянно- свинцовыми и оловянно-свинцово-кадмиевыми припоями.
Флюс ЛМ1 (этиловый спирт, ортофосфорная кислота и канифоль) —
для пайки нержавеющей стали мягкими припоями.
Хлористый цинк (25% хлористого цинка, 75% воды) — для пайки
стали, серебра, медных и платино-иридиевых сплавов и других металлов.
После пайки нужно тщательно промыть шов. Этот флюс позволяет получить
герметичное и прочное соединение.
Флюс «Прима-1» (хлористый цинк, глицерин, этиловый спирт, вода)
— для пайки сплавов из платины, никеля и др. После пайки требуется
тщательное промывание шва.
В качестве флюсов для пайки алюминия и его сплавов припоями
«Авиа-1» и «Авиа-2» используются хлористые калий (40%), натрий (12%),
литий (15%), цинк (12%), магний (6%), натрий (7%). Остатки флюса следует
тщательно удалять.
Магнитные материалы
Магнитные
свойства
вещества
обусловлены
движением
электрических, зарядов в атомах и молекулах. Движущиеся электроны
создают магнитные моменты: от вращения по орбите — орбитальный, от
вращения вокруг своей оси—спиновый. Атом является нейтральным в
магнитном отношении, если вое действующие в нем магнитные моменты
взаимно скомпенсированы. Если же такой компенсации нет, то атом обладает
свойствами диполя.
Ферромагнетизм — свойство вещества намагничиваться во внешнем
ноле при относительно высокой температуре и частично сохранять
намагничивание при удалении поля. Это явление связано с образованием
внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки
Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах
макроскопических областей (доменов) электронные «спины» оказываются
ориентированными взаимно параллельно. Следовательно, особенностью
ферромагнетиков является наличие в них областей спонтанного
(самопроизвольного) намагничивания, внутри которых ферромагнетик
самопроизвольно намагничивается до насыщения без воздействия внешнего
магнитного поля. Поскольку направления магнитных моментов доменов
самые различные, то магнитный поток такого тела во внешнем пространстве
равен нулю.
При намагничивании ферромагнитного материала под влиянием
внешнего магнитного поля происходят процессы ориентации (поворота
векторов магнитных моментов в направлении внешнего поля) и смещения
границ доменов (рост тех доменов, магнитный момент которых составляет
наименьший угол с направлением поля и уменьшение размеров других
доменов). Когда рост доменов прекратится и все они будут ориентированы в
направлении поля, наступает магнитное насыщение.
В ферромагнитных монокристаллах при их намагничивании
наблюдается явление магнитострикции, т. е. изменение их линейных
размеров. Из трех основных ферромагнитных материалов (железо, никель и
кобальт) наибольшую магнитострикцию имеет никель.
Магнитное
состояние
вещества
характеризуется
кривой
намагничивания B=f(H), где В — магнитная индукция, Н — напряженность
магнитного поля внутри вещества.
Магнитной проницаемостью вещества (μ) называется отношение
координат основной кривой намагничивания, т. е. значения индукции В, к
значению напряженности магнитного поля Н в данной точке. У
ферромагнитных материалов магнитная проницаемость зависит от
температуры. При температурах выше определенного значения (точка Кюри)
области спонтанного намагничивания нарушаются, и материал перестает
быть магнитным.
Если намагничивать ферромагнитный материал до определенной
точки, а затем начать уменьшать напряженность поля, то величина индукции
будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а медленнее,
вследствие явления гистерезиса (отставания). При увеличении поля
противоположного направления материал может быть размагничен. Значение
индукции при Н=0 в процессе размагничивания материала, намагниченного
до насыщения, называется остаточной индукцией .
Чтобы уменьшить индукцию от значения
до нуля, нужно
приложить обратно направленную напряженность поля
, получившую
название коэрцитивной (задерживающей) силы.
Материалы с малым значением
и большой величиной магнитной
проницаемости называются магнитномягкими материалами. Материалы с
большим значением
и сравнительно малым значением магнитной
проницаемости называются магнитнотвердыми материалами.
При перемагничивании ферромагнитных материалов в переменных
магнитных полях наблюдаются потери энергии, приводящие к нагреву
материала. Они обусловлены потерями на гистерезис и динамическими
потерями, вызываемыми вихревыми токами. Потери на вихревые токи
больше у ферромагнетиков с меньшим удельным электрическим
сопротивлением.
Применяющиеся электрорадиотехничеокие магнитные материалы
можно разделить на магнитотвердые, магнитомягкие материалы с особыми
свойствами.
Магнитотвердые материалы по назначению делятся на три группы:
для постоянных магнитов, для гистерезисных двигателей и для магнитной
записи. По технологическому признаку их делят на семь групп: нековкие
сплавы, ковкие сплавы, сталь, магнитотвердые ферриты, сплавы
драгоценных металлов, микропорошковые композиции, магнитопласты и
магнитоэласты.
Нековкие сплавы бывают литые и металлокерамические типов альни
(Fe—Al—Ni), альниси (Fe—Al—Ni—Si), альнисити (Fe—Al—Ni— —Si—Ti)
и альнико (Fe—Al—Ni—Co). Железо, алюминий и никель их основные
компоненты, а титан и др. — лидирующие присадки.
Нековкие сплавы обозначаются начальными буквами настоящих или
условных названий, входящих в них элементов, кроме железа. Например
ЮНДК25БА означает сплав железа с алюминием (Ю), никелем (Н), медью
(Д), кобальтом (К) и ниобием (Б). Причем кобальта содержится 25%. Буква А
означает улучшенные свойства.
Механическая прочность литых деталей из альни и альнико
относительно невелика. Они твердые, хрупкие, почти не допускают
обработку резанием (только шлифование). Однако эти сплавы обладают в
2—3 раза большей магнитной энергией, чем кобальтовая сталь. В последние
годы в результате применения вакуумной металлургии получены сплавы с
еще большей магнитной энергией.
Металлокерамические сплавы альни и альнико, изготовляемые,
подобно керамике, спеканием порошков соответствующих элементов, по
химическому составу лишь незначительно отличаются от литых сплавов
альни и альнико. Преимущество их в том, что детали получаются более
прочными. Кроме того, металлокерамическая технология позволяет
автоматизировать производство деталей.
Основная область применения нековких сплавов — изготовление
магнитов массой от 100 г до нескольких килограммов для измерительных и
электронных приборов, автоматических и электроакустических устройств,
роторов тихоходных (литые) и быстроходных (металлокерамические)
электрических машин.
Ковкие сплавы. К ковким сплавам относятся сплавы систем Fe—Со—
Мо (комоль), Fe—V—Со (вако), Си—Ni—Fe (кунифе), Си—Ni— —Со
(кунико), Fe—Ni—Cr (нихром).
Сплав комоль выпускается в виде прутиков и листов. Изделия из него
изготавливаются горячими ковкой, штамповкой, резанием. В холодном
состоянии он хрупок. Применяется для активной части роторов
гистерезисных двигателей.
Сплав вако пластичен в горячем и холодном состояниях. Выпускается
в виде ленты и проволоки. Магнитные свойства у проволоки выше, чем у
ленты. Применяется для магнитной записи.
Сплав кунифе пластичен в холодном состоянии и хрупок в горячем.
Выпускается в виде проволоки, полос и лент. Применяется для изготовления
мелких фасонных магнитов и тонких магнитных стрелок.
Сплав кунико в холодном состоянии пластичен, в горячем — хрупок.
Выпускается в виде проволоки, полос и листов. Применяется для
изготовления мелких фасонных магнитов.
Сталь, закаливаемая на мартенсит (хромистая, вольфрамовая и
кобальтовая), выпускается в виде прутков, полос и листов. Так как эти
материалы обладают малой магнитной энергией (из-за малой величины
коэрцитивной силы), то применение их в настоящее время ограничено. Они
вытесняются ковкими сплавами. Сейчас используются только для
изготовления неответственных магнитов массового производства.
Магнитотвердые ферриты предназначены для изготовления
постоянных магнитов. Из этой группы наибольшее распространение
получили
бариевые
и
кобальтовые
ферриты.
Отечественной
промышленностью выпускаются пять марок магнитов на основе бариевого
феррита: 0,7БИ, 1БИ, 2БА, 2БА1 и ЗБА. На основе кобальтового феррита
выпускается магнит одной марки 1,5ФК. Все марки указанных магнитов
(кроме 1БИ) выпускаются в виде колец, дисков и брусков.
Основное достоинство магнитов из магнитотвердых ферритов —
стабильность магнитных характеристик во времени, высокая коэрцитивная
сила, дешевизна и др. Все это послужило причиной чрезвычайно широкого
распространения их в различных областях техники для создания постоянных
магнитных полей. Они применяются в динамических громкоговорителях,
магнитных муфтах, малогабаритных двигателях (2БА), телефонах и
микрофонах (1БИ); электр о раз рядных магнитных насосах (ЗБА и 2БА) и т.
д.
В силу высокого значения коэрцитивной силы эти магниты позволяют
использовать их в разомкнутых магнитных цепях при наличии сильных
размагничивающих полей.
Сплавы на основе драгоценных металлов. К этой группе магнитных
материалов относятся сплавы серебра и сплавы платины. Магнитные сплавы
серебра — сплавы сильманаль (серебро—марганец— алюминий) обладают
малой магнитной энергией (В*Н), поэтому малоперспективны.
Магнитные сплавы платины (платина—железо и платина—кобальт)
обладают очень большой коэрцитивной силой. Поэтому у них значение
магнитной энергии достаточно большое. Оба сплава платины пластичны,
легко обрабатываются. Но из-за высокой стоимости они применяются
ограниченно, только в качестве микроминиатюрных магнитов.
Микропорошковые композиции. Принцип получения этих материалов
основан на искусственном создании структуры сплавов, магнетизм которых
своим происхождением обязан наличию однодоменных магнитных частиц,
рассеянных в немагнитной матрице. В качестве исходного материала
используется железо и кобальт. Материалы эти перспективны, так как по
магнитным свойствам не уступают литым сплавам. Но в производстве они
дороги, поэтому не нашли широкого распространения.
Магнитол ласты — это материалы, состоящие из многодоменных
магнитных частиц, связанных синтетической смолой. Изделия из них
изготовляются прессованием и не нуждаются в дополнительной обработке.
Магнитные частицы могут быть из любого материала, но чаще из альни и
альнико. Магниты из магнитопластов применяются пока ограниченно — в
счетчиках электрической энергии, спидометрах, экспонометрах и др.
Магнитоэласты — материалы, состоящие из магнитотвердого
вещества и эластичной связки (каучука или термопластичной смолы).
Наибольшее практическое применение в качестве магнитотвердого вещества
нашел молотый феррит бария. Он дешевый, легко размельчается. По
механическим свойствам магнитоэласты приближаются к резине, а по
магнитным— к ферритам. Магнитоэласты применяются в качестве
корректоров отклоняющей системы телевизоров, в конвейерах поточных
линий для удержания небольших металлических изделий, для удаления
металлической пыли, содержащейся во взвешенном состоянии в газах и
жидкостях и т. д.
Магнитомягкие материалы по назначению можно разделить на две
группы: для работы в сильных токах (машино- и аппаратостроение) и для
работы в слабых токах (приборостроение, автоматика, проводная связь,
радио). К первой группе относятся в основном технически чистое железо и
электротехническая сталь. Ко второй — сплавы железа с кобальтом
(пермендюр), железо с никелем (пермаллой) и железа с алюминием и
кремнием (альсиферы), магнитомягкие ферриты, а также сплавы и ферриты с
прямоугольной петлей гистерезиса.
Технически чистое железо (содержит не более 0,04% углерода)
обладает низкой коэрцитивной силой и высокими магнитной
проницаемостью и индукцией насыщения. Из-за больших потерь на
вихревые токи применяется только в устройствах постоянного тока. Из него
изготовляются полюсные наконечники электромагнитов, магнитопроводы,
реле, сердечники и экранирующие корпуса измерительных приборов
магнитоэлектрической и электромагнитной системы.
Электротехническая сталь представляет собой сплавы железа,
содержащие от 0,8 до 5,0% кремния. Она выпускается в виде листов и лент
толщиной до 1 мм и применяется в устройствах, работающих на постоянном
и переменном токе. Из нее изготовляют генераторы, трансформаторы всех
систем, электромагнитные аппараты и приборы, дроссели, счетчики
электроэнергии, реле. Эта сталь чувствительна к деформациям; наклеп
ухудшает магнитные свойства, поэтому после резки, штамповки, ковки ее
следует обжигать.
Пермендюр — сплав железа с кобальтом. Он имеет индукцию
насыщения большую, чем технически чистое железо, на 10-12% при низких
(до 1,4 тл) и до 50% при более высоких индукциях. Учитывая это, а также
дефицитность кобальта пермендюр целесообразно применять только при
высоких значениях индукции. Следует также иметь в виду, что в переменных
магнитных полях сплавы железа с кобальтом имеют большие потери на
гистерезис и вихревые токи.
В настоящее время из пермендюра изготавливаются мембраны
телефонов, полюсные .наконечники для создания сильных полей, полюсные
системы вибраторов осциллографов и др. Промышленностью выпускаются
железо-кобальтовые сплавы, легированные ванадием, марок К-50Ф2 и ЭП207
и легированные хромом (КЗбХ, К-50Ф2) в виде холоднокатаных лент
толщиной 0,1—0,7 мм и горячекатаных листов толщиной 3—15 мм; ЭП207 в
виде холоднокатаных лент толщиной 0,2—0,25 мм; К35Х в виде
холоднокатаных лент и листов.
Изделия из этих сплавов после штамповки подвергаются обжигу.
Пермаллои — ковкие железо-никелевые сплавы с высокой
проницаемостью в слабых магнитных полях. По составу их принято делить
на низконикелевые (35-50% Ni) и высоконикелевые (72-80% Ni).
Низконикелевые
пермаллои
применяются для
сердечников
трансформаторов, дросселей, деталей реле и др., работающих с
подмагничиванием и для полюсных наконечников, магнитолу оводов,
сердечников и магнитных экранов, работающих в слабых постоянных
магнитных полях. Пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (марки
37НКДП) используются в магнитных усилителях и запоминающих
устройствах, а легированные кремнием и хромом (с малыми потерями на
вихревые токи) — для сердечников трансформаторов, катушек
индуктивности и др., работающих при высоких частотах.
Высоконикелевый пермаллой имеет низкое значение удельного
электрического сопротивления. Поэтому его применяют только для
магнитных экранов, сердечников реле и других деталей, работающих в
постоянных магнитных полях. Высоконикелевый пермалой, легированный
хромом, молибденом, медью, кремнием, марганцем (с повышенными
значениями начальной и максимальной проницаемостью, а также
электрического сопротивления), применяют в магнитных усилителях,
слаботочных трансформаторах, катушках индуктивности, трансформаторах и
других устройствах, работающих при низкой (из лент толстого проката) и
высокой (из лент микронного проката) частотах.
Пермаллои выпускаются в виде холоднокатаных лент длиной от 1 до
30 м и горячекатаных листов и прутков длиной от 0,25 до 1 м. Маркируется
пермаллой начальными буквами входящих в него элементов. Цифра перед
буквой обозначает процент содержания данного элемента. Буква П
обозначает прямоугольную петлю гистерезиса.
Альсиферы — сплавы железа с алюминием и кремнием. Они, так же
как и пермаллои, имеют высокую проницаемость в слабых магнитных полях.
У них высокое удельное электрическое сопротивление. Но в отличие от
пермаллоев они тверды и хрупки, легко размалываются в порошок, который
используется для изготовления магнитодиэлектриков. Применяются
альсиферы для изготовления методом литья магнитных экранов, корпусов
приборов и других фасонных изделий, работающих в постоянных магнитных
полях.
Магнитомягкие ферриты отличаются большим удельным
электрическим сопротивлением, поэтому потери на вихревые токи малы и их
можно применять в полях высокой частоты. По магнитным свойствам
магнитомягкие ферриты уступают ферромагнетикам и не могут с ними
конкурировать в области низких частот из-за большой коэрцитивной силы и
малых значений остаточной индукции и индукции насыщения. Кроме того,
их свойства сильно зависят от температуры и от воздействия внешних
постоянных магнитных полей. Поэтому при конструировании устройств
изделия из ферритов необходимо экранировать и принимать меры, не
допускающие больших колебаний температуры.
Магнитомягкие ферриты тверды и хрупки, совершенно не допускают
обработку резанием. Они хорошо шлифуются и полируются образивными
материалами. Склеиваются клеем БФ-4. Стайку можно осуществлять
оловянными припоями паяльником, являющимся одновременно излучателем
ультразвука. Коэффициент линейного расширения феррита
модуль
упругости на сжатие 15 000 кГ/мм². Верхний предел рабочей температуры у
большинства ферритов 110—180°С.
Из магнитомягких ферритов наибольшее распространение получили
марганец-цинковые и никель-цинковые. Их используют в радиотехнике для
магнитопроводов, работающих в слабых и сильных магнитных полях
высокой частоты и в импульсном режиме, а также для изготовления
магнитных усилителей, сердечников трансформаторов и катушек
индуктивности и т. д.
По принятой в СССР единой системе классификации марки ферритов
обозначаются следующим образом (слева направо): число, соответствующее
нормальному значению начальной магнитной проницаемости; буквы,
обозначающие частотный диапазон (Н — низкочастотный, ВЧ —
высокочастотный); буква, обозначающая состав феррита (М — марганеццинковый, Н — никель-цинковый); буква — режим работы (И —
импульсный, С — сильные поля); число — порядковый номер разновидности
феррита.
У ферритов высокочастотного диапазона после букв В'Ч стоит число,
обозначающее номер разновидности феррита. Состав феррита не
указывается. У феррита сверхвысокочастотного диапазона вначале стоит
число, соответствующее среднему значению длины волны в сантиметрах, на
которую
он
рассчитан,
затем
буквы
ВЧ,
обозначающие
сверхвысокочастотный диапазон, и затем число, обозначающее порядковый
номер разновидности феррита.
Из магнитомягких ферритов изготовляются кольцевые, броневые,
стержневые и Ш- и П-образные сердечники, а также сердечники
отклоняющих систем.
В практике целесообразно использовать ферриты марок: 6000НМ,
4000НМ, 3000НМ, 2000HM, 1500НМ и 1000НМ — для диапазонов частот до
нескольких сотен килогерц в слабых и сильных полях (величина
температурного коэффициента магнитной проницаемости изделий из этих
ферритов заводом не гарантируется); 2000НМ1, 1500HMI, 1500НМ2,
1500НМЗ, 1000НМЗ и 700НМ — для диапазона частот до 3 Мгц в слабых и
средних полях; 150ВЧ, 100ВЧ, 50ВЧ2, 30ВЧ2 и 20ВЧ — для диапазона
частот до 100 Мгц в слабых полях. Последние марки имеют малые потери и
небольшой
температурный
коэффициент
начальной
магнитной
проницаемости в широком интервале температур. Однако следует иметь в
виду, что у никель-цинковых ферритов, используемых в слабых полях, имеет
место эффект порогового поля, после приложения которого материал
переходит в состояние с низкой добротностью. Для возвращения в исходное
состояние необходимо материал нагревать до температуры Кюри. У
ферритов марок 150ВЧ, 100ВЧ и 50ВЧ2 величина порогового поля 2 э, у
30ВЧ2 — 6 э, у 20ВЧ — 8 э.
Марки ферритов 300НН, 200НН2, 150001, 60НН, 55НН, 35НН и
10BЧ1 используются в основном в мощных передающих устройствах для
перестройки частоты подмагничиванием; 4000НМС и 3000НМС, 2000НМ и
600HH — для сердечников выходных строчных трансформаторов
телевизоров, работающих при индукциях 1000—2000 гс; 1500НМ1,
1000НМЗ, 1100НМИ, 1000ННИ, 350ННИ, 300ННИ, 300ННИ1 — в качестве
сердечников импульсных трансформаторов.
Для СВЧ-диапазона наибольшее применение получили никелевые
ферриты 1СЧ, 1СЧ2, 1СЧЗ, 1СЧ4, 2СЧ4, ЗСЧ8, 4СЧ8, АСЧ9, 4СЧ10, 5СЧ для
миллиметрового и коротковолновой части сантиметрового диапазона;
магниевые ферриты 1СЧ1, 2СЧ, 2СЧ1, ЗСЧ, ЗСЧ1, ЗСЧ2, ЗСЧЗ, ЗСЧ4, ЗСЧ5,
ЗСЧ6, ЗСЧ7, ЗСЧ9, ЗСЧ15, 4СЧ, 4СЧ1, 4СЧ2, 4СЧЗ, 4СЧ4, 4СЧ6, 4СЧ11 для
средней части сантиметрового диапазона; магниевые ферроалюминаты типов
4СЧ6, 6СЧ1, 3СЧ1, 10СЧ, 20СЧ, 30СЧ2, 30СЧ4 и магниевые феррохромиты
10СЧ8, 15СЧ1, ЗОСЧ и 40СЧ для длинноволновой части СВЧ-диапазона.
Особое место занимают натриевые феррогранаты 10СЧ6, 30СЧЗ, 30СЧ6,
40СЧ2, 40СЧ4, 60СЧ, 80СЧ, они при относительно высокой намагниченности
имеют малые магнитные и электрические потери, что позволяет использовать
их в самых различных СВЧ-устройствах в широком диапазоне частот.
Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) —
ферромагнитные сплавы и ферриты специальных марок — применяются для
бесконтактной автоматики, телеуправления, автоматической телефонной
связи, импульсной радиосвязи, в вычислительной технике для изготовления
запоминающих
устройств,
сердечников
магнитных
усилителей,
переключающих дросселей и др.
Ферромагнитные сплавы (выпускаются марок 50НП, 65НП и
34НКМП) по сравнению с ферритами имеют лучшие магнитные свойства, но
изготовление их сложнее. Поэтому основным материалом для производства,
сердечников с ППГ служат ферриты.
Промышленное применение имеют марганец-магниевые ферриты
0,12ВТ; 0,1вВТ; 0,27В Т; 0,30ВТ; 0,37ВТ; 0,44ВТ; 0,7ВТ; 0,9ВТ; 1,ЗВТ;
1,5ВТ; 1,73ВТ; 2ВТ; 2,3ВТ. Изделия из них выпускаются в виде кольцевых
сердечников и трансфлюксоров.
Магнитные материалы с особыми свойствами (магнитострикционные материалы) благодаря эффекту магнитострикции позволяют
преобразовать колебания магнитного поля в механические, и наоборот. Из
них
изготовляют
сердечники
генераторов
ультразвука,
магнитострикционных и электромеханических фильтров и стабилизаторов
частоты.
Наилучшими материалами для сердечников генераторов ультразвука
являются металлы и их сплавы, а для сердечников фильтров и
стабилизаторов частоты — ферриты. Наибольшее применение получил
чистый никель, выпускаемый в виде листов и лент толщиной 0,1 мм и менее.
Из листа штампуют пластины и набирают сердечник. Затем сердечник
нагревают на воздухе до температуры 800°С и выдерживают при этой
температуре 10—15 мин до образования плотной оксидной пленки,
являющейся изоляцией и предохранителем от дальнейшего окисления.
Применяется и железо-алюминиевый сплав (альфер), пластины из
которого можно делать в 2—2,5 раза толще, так как его удельное
электрическое сопротивление в 12 раз больше, чем у никеля, а также железокобальтовый сплав (50% Со и 50% Fe), но он хрупок и дорог.
В нашей стране выпускается четыре марки магнитострикционных
ферритов 12СП, 15СП, 10СК и 12СК. Первые два типа работают с
использованием внешнего подмагничивающего поля, вторые два — в поле
остаточной индукции.
Преимуществом ферритового преобразователя перед кварцевым
является то, что он имеет значительно больший коэффициент связи и может
в ряде случаев заменить 2—4 кварца. Но по температурному коэффициенту
резонансной частоты он уступает кварцевому в 5—6 раз.
Термомагнитные материалы — материалы, обладающие сильной
зависимостью магнитной проницаемости от температуры. Они используются
в основное в качестве термокомпенсаторов измерительных приборов,
выполняемых в виде шунтов, ответвляющих на себя часть рабочего
магнитного потока. Кроме того, они могут использоваться в различных
термореле и сердечниках контурных дросселей, резонирующих при
определенной температуре.
В принципе в качестве термокомпенсаторов могут использоваться
ферриты с низкой температурой Кюри. Но они обладают малой магнитной
проницаемостью и поэтому термокомпенсаторы из них получаются
громоздкими. Чаще для этих целей используются специальные
ферромагнитные сплавы НЗЗЮ1 (термаллой), Н38Х14 (компенсатор),
Н32Х6Ю и ЭП279.