Материалы и компоненты электронной техники

Методические указания к изучению
дисциплины
«Материалы и компоненты
электронной техники»
для студентов заочной формы обучения
по специальностям:
1- 36 04 021 «Промышленная электроника»
1- 39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств»
Разработал:
доцент каф. К и Т РЭС, к.т.н.
Ю.Г. Грозберг
2013 г.
2
ВВЕДЕНИЕ
Цели и задачи изучения предмета. Значение предмета и его связь с другими специальными предметами.
Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением
новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих
инженерных решений при создании электротехнического оборудования и электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов отводится значительное место.
Программой предмета «Материалы и компоненты электронной техники» предусматривается
изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах.
Дисциплина «Материалы и компоненты электронной техники» относится к группе общепрофессиональных дисциплин в подготовке инженеров по специальностям 1- 36 04 02
«Промышленная электроника», 1 – 39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование
РЭС» и входит в блок предметов, связанных с разработкой и проектированием электротехнических устройств и изделий радио-и промышленной электроники.
1. Цель и задачи дисциплины.
1.1. Основной целью преподавания дисциплины является:
дать студентам основы электротехнического материаловедения, привить навыки выбора
материалов для конкретных применений в электротехнических устройствах, изделиях радио-и
промышленной электроники.
1.2. Задачи изучения дисциплины
Определяются требованиями к подготовке инженеров по радиоэлектронике и включают
приобретение следующих компетенций:
– изучение студентами основ материаловедения, классификации материалов и их основных свойств, принципов подбора материалов для конкретных применений;
– привитие студентам навыков научного подхода к выбору и использованию материалов
при производстве электротехнических изделий;
– ознакомление студентов с методами и средствами измерения характеристик электротехнических материалов.
– ознакомление с основными электротехническими материалами;
– усвоение студентами механических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств основных конструкционных и электротехнических материалов, применяемых при производстве электротехнических изделий;
– изучение влияния внешних факторов на электрофизические параметры материалов;
– ознакомление с новыми электроматериалами и перспективами их применения.
Для достижения поставленной цели и решения поставленных задач в результате изучения дисциплины «Материалы и компоненты электронной техники» студенты должны:
 иметь представление:
– об особенностях применения электротехнических материалов в устройствах и аппаратах для передачи, распределения и преобразования электроэнергии;
– о существующих направлениях и перспективах разработки новых материалов для систем электроснабжения;
 знать:
3
– механические, электрические и тепловые свойства проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов;
– принципы подбора материалов для электротехнических изделий;
– принципиальные пути управления свойствами материалов;
 уметь:
– определять и анализировать параметры и характеристики электротехнических материалов с целью получения оптимальных режимов работы электрооборудования;
– выбирать электротехнические и конструкционные материалы для конкретных условий
эксплуатации;
 уметь анализировать:
– возможность улучшения свойств существующих материалов;
– возможность изменения свойств и характеристик материалов в различных условиях эксплуатации;
 приобрести навыки:
– в исследовании основных электрофизических параметров электротехнических изделий;
– в использовании материалов для конкретного применения в изделиях электронной техники;
 владеть:
– методами измерения характеристик электротехнических материалов;
 иметь опыт:
– работы с измерительными приборами;
– исследования основных электрофизических параметров электротехнических материалов.
2. Место дисциплины в учебном процессе
Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной
дисциплины:
– высшая математика (дифференциальное и интегральное исчисление);
– физика (молекулярная физика, термодинамика, электростатика, электромагнетизм,
волновая оптика, элементы атомной физики, квантовой механики и квантовой статистики).
– химия (строение атома, строение молекул, поляризация молекул и ионов, строение
твердого вещества, органические и неорганические соединения, группы периодической системы).
Рассматриваемая дисциплина является базовой для изучения курсов «Электрические
машины», «Электрические аппараты», «Конструирование РЭС», «Технология РЭУ и моделирование технологических систем», Типовые компоненты и датчики КДС».
Раздел 1. Электротехнические материалы
Тема 1. Классификация и основные свойства электротехнических материалов
Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические,
конструкционные и специального назначения.
Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами
по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.
Практически, различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических
или магнитных полей, так и их совокупности. По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые
нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.
По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.
4
Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при
нормальной температуре.
Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического
поля. Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная
проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные
с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.
Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным
свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и
вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).
Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ <
10-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить,
что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м.
Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов,
а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10-5—108 Ом·м.
При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных,
так и активных свойств этих материалов.
Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки
электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей
(от корпуса, от земли). Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы
этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики,
пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей в лазерной технике, электреты и др.
Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства.
Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или
композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу
между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно
диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства
полупроводников.
Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.
Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.
Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит
листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из матери-
5
алов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с
принципиально новыми характеристиками.
Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая
роль которого в настоящее время широко признана во многих областях техники и промышленности. Успехи материаловедения позволили перейти от использования уже известных к целенаправленному созданию новых материалов с заранее заданными свойствами.
Стихийными материаловедами были еще древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь
технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.
Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к свойствам
и сочетанию свойств у материалов. Соответственно растет количество и номенклатура материалов. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электротехнике для
различных целей, составляет несколько тысяч.
Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.
Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами:
 специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);
 высокая электропроводность;
 высокая теплопроводность;
 пластичность;
 отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).
Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций,
натрий, калий, магний и титан.
Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.
Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частичек - электронов. В ядре атома находятся
положительно заряженные частицы - протоны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.
Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он превращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке
электронов — положительно.
Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, движущиеся по более близким к ядру орбитам.
Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в металлах всегда имеются электроны,
подвергающиеся воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие
электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какомулибо ядру, а блуждают по всему металлу, вращаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.
Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными
или «электронный газ») и объясняются указанные выше характерные признаки металлов.
В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, лишены металлического блеска,
имеют низкую тепло- и электропроводность. Электросопротивление неметаллов с повышением температуры понижается.
Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и
представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упо-
6
рядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в
узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Основными типами кристаллических решёток являются:
1) Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)
2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах
куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Feγ)
3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде
графита);
плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;
б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо
(Fe): t<911°С – ОЦК - Feα; 911< t <1392°С – ГЦК - Feβ; 1392< t >1539°С – ОЦК - Feσ.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи
термической обработки.
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.
Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие
точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).
Рисунок 2 - Точечные дефекты
Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.
7
Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует
процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.
Основными линейными дефектами являются дислокации.
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных
плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Рисунок 3 - Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации
ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций
образуются ямки.
Зонная теория твёрдого тела
Проводимость твёрдых тел в первую очередь определяется электронным строением атомов. При этом
энергетические уровни отдельных атомов образуют энергетические зоны: самая верхняя из заполненных зон называется валентной, ближайшая к ней незаполненная электронами – зона проводимости.
Плотность заполнения электронами зон и их перекрытие определяют электропроводность твёрдых тел.
Энергетические диаграммы
Согласно зонной теории твёрдого тела следует:
1) проводниками являются материалы, у которых валентная и зона проводимости перекрываются, что обеспечивает высокую электропроводность.
8
2) полупроводники – это материалы с узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена электронами за счёт внешних энергетических воздействий (температура, электрического поля, электромагнитного излучения).
3) диэлектрики – материалы с широкой запрещенной зоной, не позволяющая покидать валентную зону, что и определяется наличием примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны.
Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто применяются металлы. Концентрации свободных электронов в чистых металлах различаются незначительно. Поэтому их проводимость в основном определяется средней длиной свободного пробега электронов, которая, в
свою очередь, зависит от строения проводника, т.е. химической природы атомов и типа кристаллической решетки.
Физические, химические, механические и технологические свойства металлов.
Чтобы правильно выбрать материал для определённых целей, необходимо знать свойства
металлов. Так, например, для изготовления режущих инструментов требуются прочные, твердые и износоустойчивые металлические материалы.
Физические свойства металлов и сплавов определяются цветом, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепловым расширением, тепло- и электропроводностью, а также
магнитными свойствами.
Физические свойства металлов характеризуются определенными числовыми значениями, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
Физические свойства некоторых металлов
Металл
Символ
Цвет
Плотность,
кг/м3
Температура
плавления, °С
Алюминий
Вольфрам
Железо
Кобальт
Al
W
Fe
Co
2700
19300
7800
8900
658,7
3380
1539
1490
Магний
Mg
1700
650
0,047
Медь
Cu
8900
1083
0,017
Никель
Ni
8900
1452
0,070
Олово
Свинец
Титан
Sn
РЬ
Ti
7300
11400
4500
231,9
327,4
1668
0,124
0,220
0,470
Хром
Сr
7100
1550
0,150
Цинк
Zn
Серебристо-белый
Блестящий белый
Серебристо-белый
Серебристо-белый
Блестящий
серебристо-белый
Красный
Серебристо-белый
с сероватым оттенком
Серебристо-белый
Синевато-серый
Серебристо-белый
Блестящий
серовато-белый
Синевато-серый
Удел. электросопротивление
при 20 °С,
10-6 Ом∙м
0,029
0,053
0,100
0,062
7100
419,5
0,060
Отношение массы тела к его объему является постоянной величиной для данного вещества и
называется плотностью.
Плотность и удельный вес имеют большое значение при выборе металлических материалов
для изготовления различных изделий. Так, детали и конструкции в приборостроении, в авиа- и
вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малой плотностью. Из металлов, наиболее широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний и алюминий.
Все металлы как тела кристаллического строения переходят при определенной температуре
из твердого состояния в жидкое и наоборот. Температура, при которой металл переходит из
твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.
9
Температура плавления является важным физическим свойством металлов. Знание температуры плавления металлов и сплавов необходимо в металлургии, в литейном производстве,
при горячей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических материалов.
Способность металлов передавать теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым
называется теплопроводностью.
Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Эти же металлы являются и лучшими проводниками электрического тока.
Теплопроводность металлов имеет большое практическое значение. Из металлов и сплавов,
обладающих высокой теплопроводностью, изготовляют детали машин, которые при работе поглощают или отдают теплоту.
Металлы и сплавы с низкой теплопроводностью для полного прогрева нуждаются в медленном и длительном нагревании. Быстрый нагрев и быстрое охлаждение таких металлических материалов может вызвать образование трещин. Это необходимо учитывать при термической
обработке, горячей обработке давлением, литье в металлические формы и т. д.
Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, при охлаждении
- сжимаются. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расширения α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l0 при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1°С. Единица
измерения α - °С-1.
Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации
точных измерительных приборов и инструментов, изготовлении литейных форм, горячей обработке металлов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением.
Детали точных приборов и измерительных инструментов изготавливаются из материалов с
малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают из материалов с большим коэффициентом линейного расширения.
Электропроводностью называется способность металлов проводить электрический ток.
Высокой электропроводностью обладают те металлы, которые хорошо, т. е. без потерь на
тепло, проводят электрический ток.
Магнитные свойства. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля.
После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые
обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы. Перечисленные выше металлические материалы называют ферромагнитными. У остальных металлов и сплавов
магнитные свойства выражены крайне слабо, поэтому практически они считаются немагнитными.
Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Магнитной проницаемостью называют способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа 768°С, у никеля - 360° С, у кобальта - 1130° С.). Выше этой температуры металлы становятся
парамагнетиками (слабомагнитными материалами).
К химическим свойствам металлов следует отнести их способность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных
и высоких температурах.
Рассмотренные выше физические свойства металлов обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением вещества. Так, например, нагрев металлов или прохождение через
металлы электрического тока не сопровождается химическими изменениями их. При химических же явлениях происходит превращение металлов в другие вещества с иными свойствами.
Многие металлы подвергаются химическому изменению под воздействием внешней среды,
т. е. разрушаются от коррозии. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распростране-
10
ния коррозии металлов в данной среде и в данных условиях: чем эта скорость меньше, тем
металл более коррозионностоек.
Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель,
титан и их сплавы. Титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным металлам.
Прочность — это способность материала сопротивляться действию внешних сил без разрушения.
Упругость — это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и
размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.
Пластичность — это способность материала изменять свою форму и размеры под действием
внешних сил, не разрушаясь, и сохранять полученные деформации после прекращения действия
внешних сил.
Механическими свойствами металлов называется совокупность свойств, характеризующих
способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).
К механическим свойствам металлических материалов относятся: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость, усталость, ползучесть и износостойкость.
Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого,
более твердого тела.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают
на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление).
Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.
Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстровозрастающим (ударным)
нагрузкам.
Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться
различным методам горячей и холодной обработки. К технологическим свойствам металлов и
сплавов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими
инструментами, прокаливаемость.
Обрабатываемость металлов характеризуется их механическими свойствами: твердостью,
прочностью, пластичностью.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных
условиях.
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под
действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных
кислотных, щелочных сред.
Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при
высокой температуре.
Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие
металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.
Красноломкасть - склонность металла к переходу в хрупкое состояние с повышением температуры.
При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.
11
Понятие сплава, их классификация и свойства.
В технике металлами называют все металлические материалы. К ним относятся простые
металлы и сложные металлы - сплавы.
Простые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. Например, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей
свинца, висмута, сурьмы, железа и других элементов.
Сплавы — это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла
(основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь — сплав меди с
цинком. Здесь основу сплава составляет медь.
Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты,
вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических
свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты.
По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные
(тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси
других элементов.
Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.
Способность металлов к взаимному растворению создает хорошие условия для получения
большого числа сплавов, обладающих самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств,
которых нет у простых металлов.
Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д.
Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо - мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широкое применение в
технике имеют сплавы железа с углеродом — стали и чугуны.
На современном этапе развития техники наряду с увеличением количества сплавов и усложнением их состава большое значение приобретают металлы особой чистоты. Содержание основного компонента в таких металлах составляет от 99,999 до 99,999999999%
и более. Металлы особой чистоты нужны ракетостроению, атомной, электронной и другим новым отраслям техники.
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
1) механические смеси;
2) химические соединения;
3) твердые растворы.
1) Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они в твердом состоянии
не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы - механические смеси (например, свинец - сурьма, олово - цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компонентов. При этом кристаллы каждого компонента в
сплаве полностью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свойства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.
2) Твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента.
Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
К таким сплавам относятся латуни, медноникелевые, железохромистые и др.
Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонентов. Так, например, твердость и электросопротивление у
твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и
обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.
12
3) Химические соединения, подобно твердым растворам, являются однородными сплавами. При их затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от
решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при
строго определенном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава
химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротивлением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химическое
соединение железа с углеродом — цементит (Fe3C) тверже чистого железа в 10 раз.
Диаграммы состояния сплавов
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава
изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры.
По диаграмме состояния можно судить о структурных превращениях, происходящих в любом
сплаве данной системы при нагревании и медленном охлаждении. Имея диаграмму состояния, можно заранее определять технологические и
механические свойства всех сплавов данной системы. Она позволяет также установить температуры начала и конца кристаллизации сплавов,
что имеет большое практическое значение. Кроме
того, диаграмма состояния позволяет выбрать из
данной системы сплавы определенного состава,
наиболее удовлетворяющие требованиям практики.
Существуют различные типы диаграмм состояния: двойных сплавов, тройных сплавов и т. д.
Для примера рассмотрим диаграмму состояния сплавов, компоненты которых полностью
растворимы в жидком и твердом состоянии. Такими сплавами, образующими твердые растворы, являются сплавы системы медь - никель (Сu - Ni).
Сплавы в отличие от простых металлов плавятся обычно не при постоянной температуре, а в
некотором интервале температур.
Чёрные и цветные металлы
Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун). Все остальные металлы
и сплавы составляют группу цветных металлов.
Наибольшее распространение в технике получили черные металлы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки
черных металлов, их высокой прочностью.
Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с
углеродом. В зависимости от содержания углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.
Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях,
когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими материалами.
Однако цветные металлы имеют ценные свойства, которые делают их применение в технике
неизбежным. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и
применяются в электропромышленности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому
удельному весу широко применяются в самолетостроении и т. д.
Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили
сплавы меди, алюминия, магния и титана.
Цветные металлы условно подразделяются на:
13
а) легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью;
б) легкоплавкие (ртуть, цезий, олово, свинец, цинк и др.), имеющие низкую температуру
плавления; самую низкую температуру плавления имеет ртуть ( — 38,87° С).
в) тугоплавкие, имеющие температуру плавления более высокую, чем железо (т. е. выше
1539° С). Самый тугоплавкий металл — вольфрам. Его температура плавления 3380° С. Высокую температуру плавления имеют также тантал (2996° С), ниобий (2468° С), молибден (2610°
С), ванадий (1919° С) и др. Из тугоплавких металлов и сплавов изготавливают детали, работающие при высоких температурах. Особенно возросла роль тугоплавких металлов в связи с
развитием новых отраслей техники — электроники, ядерной энергетики, ракетной и космической техники. Тугоплавкие металлы применяют также как легирующие добавки к сталям;
г) благородные (золото, серебро, металлы платиновой группы), обладающие высокой устойчивостью против коррозии;
д) урановые металлы (уран, торий и д.р.) - актиноиды, используемые в атомной технике;
е) редкоземельные (РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды), применяемые в качестве присадок к сплавам других элементов;
ж) щелочноземельные (натрий, калий, литий), не находящие применения в свободном состоянии (за исключением особых случаев, например в качестве теплоносителей в ядерных реакторах).
Раздел 2. Проводниковые материалы
Тема 2. Основные свойства проводниковых материалов
Основным параметром проводниковых материалов является удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, сечением S и длиной l определяется по формуле:
с. 14 книги:
(Ом.м)
Удельное сопротивление металлов, применяемых в электротехнике (при t=20ºC)
Металл
Металл
, мкОм·м
, мкОм·м
Алюминий
0,028
Олово
0,12
Висмут (при t=0ºC)
1,065
Платина
0,105
Вольфрам
0,055
Рений
0,21
Железо
0,098
Ртуть
0,958
Золото
0,024
Свинец
0,205
Индий
0,09
Серебро
0,016
Кадмий
0,076
Тантал
0,135
Кобальт
0,062
Титан
0,42
Медь
0,0172
Хром
0,14
Молибден
0,057
Цинк
0,059
Никель
0,973
Цирконий
0,41
Ниобий
0,18
Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников
В чистых металлах правильной структуры причиной, ограничивающей длину свободного пробега
электронов, является тепловое колебание атомов кристаллической решетки. С ростом температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов, что
усиливает рассеяние электронов и вызывает возрастание удельного сопротивления. У чистых металлов
при нагревании на 100º электросопротивление увели-
14
чивается на 45-50%. У сплавов оно увеличивается меньше.
У ряда металлов при очень низкой температуре Tсв наступает состояние сверхпроводимости.
При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления в 1,5-2 раза.
Рисунок 3 – График зависимости удельного сопротивления металлических проводников от температуры
В области линейной зависимости удельного сопротивления от температуры справедливо выражение
,
где и
– удельное сопротивление, и температурный коэффициент удельного сопротивления при нормальной температуре (t=20ºC);
– удельное сопротивление при температуре T.
Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление
Причинами уменьшения проводимости металлов являются не только тепловые колебания, но
и дефекты структуры кристаллов. Наибольшее рассеяние электронов происходит на примесях,
которые всегда присутствуют в проводнике в виде загрязнения или легирующих элементов.
Кроме того, удельное сопротивление повышают собственные дефекты структуры – вакансии,
атомы внедрения, дислокации. При деформации металл происходит искажение кристаллической решетки, что также приводит к увеличению сопротивления.
В качестве термостабильных проводниковых материалов используются сплавы, в которых
удельное сопротивление определяется в основном неоднородностью структуры и в меньшей –
тепловыми колебаниями.
Увеличение сопротивление также проявляется при получении металлических пленок, используемых в микроэлектроники в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов и д.р. Причинами этого являются изменение структуры при осаждении
пленок и размерный эффект (возрастание роли поверхностных процессов над объемными).
Контактные явления
При соприкосновении двух разных разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Это объясняется разными уровнями энергии электронов, т.е. различной работой
выхода. При контактировании металлов происходит переход электронов из области с большим
значением энергии в область, где эта энергия меньше.
В результате металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Возникающая
контактная разность потенциалов составляет от десятых долей до нескольких вольт. Обычно
электрический потенциал контакта не влияет на прохождение электрического тока. Контактные явления используются для создания термопар.
Классификация проводниковых материалов:
1) По агрегатному состоянию
Твердые проводники – в основном металлы и металлические сплавы.
Жидкие проводники – электролиты и расплавленные металлы. При нормальной температуре в
качестве жидкого проводника может быть применена ртуть (-39 ºС) и галлий (29,8 ºС).
Газы и пары при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками,
однако если напряженность поля выше некоторой критической, газ становится проводниковым,
обладающим электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.
2) По величине проводимости
 материалы высокой проводимости;
 материалы высокого электрического сопротивления;
 сверхпроводящие материалы.
3) По химическому составу
 чистые металлы;
 сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);
 неметаллические материалы;
 контактные материалы.
15
Тема 3. Материалы высокой проводимости
Важнейшими твердыми проводниковыми материалами в электромонтаже являются металлы и
их сплавы, среди которых особую группу составляют металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м.
Металлы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил кабелей,
обмоток электрических машин и трансформаторов, контактов и т.п.
По классической электронной теории металлов в узлах кристаллической решетки размещены
ионы, а внутри решетки находится электронный газ, состоящий из коллективизированных (свободных) электронов. Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под действием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками
с электронной проводимостью.
Наряду с высокой электрической проводимостью чистые металлы обладают хорошей пластичностью, ковкостью, высокой теплопроводностью. Сплавы обладают меньшей пластичностью, чем чистые металлы, но они более упруги и имеют более высокую механическую
прочность.
Важными характеристиками проводников являются ТКЛР, разрушающее напряжение при
растяжении, удлинение при разрыве, твердость, температура плавления, удельная теплоемкость
и др.
Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электропроводностью самым замечательным материалом для проводов было серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1,4·10-8 Ом·м, теплопроводность 418 Вт/(м·К). Однако этот
материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит,
не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их
и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после
серебра.
К широко распространенным материалам с высокой проводимостью относят медь и алюминий.
Медь
Медь (не более 4,7·10-3 % массы земной коры) – мягкий материал красноватого оттенка,
удельное сопротивление при 20 ºС – 1,7·10-8 Ом·м, температурный коэффициент сопротивления
-4,3·10-3 1/К, плотность при 20 ºС – 8,89 т/м3 прочность при растяжении 200 МПа, теплопроводность ~ 400 Вт/(м·К), температура плавления 1083 ºС.
Достоинствами меди являются:
 малое удельное сопротивление;
 достаточно высокая механическая прочность;
 удовлетворительная стойкость к коррозии;
 хорошая технологичность (обрабатываемость);
 относительная легкость пайки и сварки.
Из меди изготовляют тонкую проволоку круглого и прямоугольного сечения. При холодной
протяжке получают твердотянутую (твердую) медь МТ, которая имеет высокий предел прочности при растяжении, малое удлинение при разрыве, хорошую твердость и упругость при изгибе.
16
При отжиге меди получают мягкую (отожженную) медь ММ, которая обладает пластичностью, имеет меньшую, чем у МТ, твердость и небольшую прочность, но достаточно большое
удлинение при разрыве и, что очень важно, более низкое удельное сопротивление.
Различают твердую МТ и мягкую ММ медь. Твердую медь используют для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, а мягкую медь – в основном в качестве токопроводящих жил кабелей и проводов.
Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому ее надо расходовать не только экономно, но и заменять другими материалами. Чаще всего для замены меди используют алюминий.
Алюминий
При меньшем дефиците, чем медь, относительной доступности и дешевизне алюминий стал
вторым по значению проводниковым материалом, поскольку обладает достаточно большой
проводимостью и стойкостью к коррозии.
Алюминий (7,5 % массы земной коры) – это серебристо-белый металл, отличающийся малой
твердостью и другими невысокими механическими свойствами. Удельное сопротивление при
20 ºС – 2,8·10-8 Ом·м, плотность при 20 ºС – 2,7 т/м3, температурный коэффициент сопротивления 4·10-3 1/К, теплопроводность ~ 200 Вт/(м·К), температура плавления 660 ºС, прочность при
растяжении 80 МПа. Он относится к легким металлам (почти в 3,5 раза легче меди).
Поскольку сопротивление алюминиевого провода при одинаковых длине и сечении в 1,63 раза выше, чем медного, то для получения провода с таким же электрическим сопротивлением,
как у меди, необходимо в 1,63 раза увеличивать его сечение (иначе говоря, брать более толстый
алюминиевый провод). Практически это означает, что диаметр алюминиевого провода будет
примерно в 1,3 раза больше медного, поэтому замена меди на алюминий не всегда возможна.
Из алюминия изготовляют тонкую фольгу, мягкую (АМ), полутвердую (АПТ) и твердую (АТ)
проволоки, а также шины прямоугольного сечения. Кроме того, алюминий применяют для
экранов, электродов и корпусов конденсаторов.
На воздухе алюминий очень быстро окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида (Al2O3)
с большим электрическим сопротивлением, противостоящей дальнейшему проникновению
кислорода воздуха вглубь металла. В то же время пленка создает большие переходные сопротивления в местах контакта алюминиевых проводов и значительно затрудняет пайку алюминия
обычными методами.
В местах контакта алюминия с другими металлами при их увлажнении возможна гальваническая коррозия, приводящая к его разрушению. Это вызвано тем, что при наличии воды или влаги возникает местная гальваническая пара с достаточно высоким значением эдс. Во избежание
образования гальванических пар места контакта алюминия тщательно защищают от влаги,
например, покрывают их лаками или герметиками.
Алюминиевые провода и токоведущие детали можно соединять горячей или холодной сваркой, а также пайкой с применением специальных припоев и флюсов.
Другие металлические проводники
В качестве проводникового материала можно использовать и железо (сталь). Это относительно
дешевый и доступный материал, имеющий значительно более высокое удельное сопротивление
по сравнению с алюминием и медью (для чистого железа оно составляет около 0,1 Ом-мм2/м.).
Если рассматривать сталь, т.е. железо с добавками углерода и других элементов, то еще выше.
Кроме того, на переменном токе сопротивление стали выше, чем на постоянном.
В качестве проводника обычно используют мягкую сталь с содержанием углерода 0,100,15%, которую применяют для шин, рельсов электрического транспорта (метро, железные дороги, трамвай). В линиях электропередачи часто используют сталеалюминевый провод, представляющий собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой
проволокой. Сердечник определяет главным образом механическую прочность, а алюминий –
электрическую проводимость.
Недостатком обычной стали является малая стойкость к коррозии, поэтому поверхность
стальных проводов защищают слоем более стойкого материала, чаще всего цинком.
17
В качестве проводниковых материалов для линий электрического транспорта, пластин
коллекторов электрических машин, токоведущих пружин и других контактных деталей используют бронзы. Это сплавы на основе меди, но превосходящее ее по механической прочности,
упругости, сопротивлению, истиранию и коррозионной стойкости.
Благородные металлы
К благородным относятся наиболее химически стойкие металлы:
Платина – обладает наибольшей химической стойкостью, применяется для изготовления
термопар и контактных сплавов.
Золото – используется как контактный материал.
Серебро – металл, обладающий наименьшим сопротивлением и высокой пластичностью.
Применяется для изготовления контактов, радиочастотных кабелей, в припоях, в качестве защиты медных проводов.
Тугоплавкие металлы
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления выше 1700ºС – вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений. В основном используются в
качестве нагревательных элементов. Т.к. при нагревании на воздухе до высоких температур интенсивно окисляются с образованием летучих соединений, предназначены для работы в вакууме или защитной среде.
Контактные материалы
Место контакта характеризуется:
 высокими плотность тока и энерговыделением;
 микропробоями, переходящими в дугу (размыкание контактов выключателя), что приводит к расплавлению и деформации материала в области контакта;
 трением при движении одной части контакта о другую.
Поэтому материалы для контактов должны обладать особыми свойствами:
 высокой электро- и теплопроводность;
 стойкостью против коррозии, электрической эрозии и уноса материала;
 не свариваться;
 иметь высокую износостойкость на истирание.
Для слаботочных контактов обычно используют благородные или тугоплавкие металлы и
сплавы на основе этих металлов.
Вольфрам лучше всех противостоит дуговым разрядам, практически не сваривается, (благодаря высокой температуре плавления), не изнашивается (благодаря высокой твердости). Однако
вольфрам не стоек против коррозии и окисления, лучше всего работает в вакууме, в атмосфере
водорода или азота.
Для сильноточных контактов используют т.н. псевдосплавы, получаемые методами порошковой металлургии.
Псевдосплав – спеченная смесь двух порошков, один из которых является более тугоплавким. При этом более легкоплавкая компонента является более тепло- и электропроводной. Используют следующие псевдосплавы: серебро-окись кадмия, серебро-графит, серебро-никель,
серебро-вольфрам, медь-гранит, медь-вольфрам.
Для мощных цепей контакты делают накладными, на медь укрепляют пластины из Ag+W, либо Cu+W псевдосплава.
Для мощных размыкающих контактов с большими токами дуги (до 100 АК) используют медьграфит контакты. Они хуже свариваются, однако сильно изнашиваются под действием дуги.
Псевдосплав с большим количеством графита (более 5%) используется щеток в скользящих
контактах.
Сверхпроводники
У многих металлов и сплавов при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю
(-273ºС), наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления практически до нуля. Это
явление получило название сверхпроводимости. Эффект сверхпроводимости обнаружен мини-
18
мум у 27 металлов. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для
всех материалов.
Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переходом энергии
из электрического вида в тепловой вид. Согласно классической электронной теории движение
носителя заряда происходит в электрическом поле равноускоренно до столкновения с дефектом
структуры или с колебанием решетки. После столкновения, если оно неупругое, как столкновение двух пластилиновых шариков, электрон теряет энергию, передавая ее решетке из атомов
металла. В этом случае принципиально не может быть сверхпроводимости. Оказывается,
сверхпроводимость появляется только при учете квантовых эффектов. Если учесть, что электрон может поляризовать ближайший к нему атом решетки, т.е. чуть-чуть притянуть его к себе
за счет действия кулоновской силы, то этот атом решетки чуть-чуть сместит следующий электрон. Образуется как бы связь пары электронов. При движении электрона, второй компонент
пары, как бы воспринимает энергию, которую передает электрон атому решетки. Получается,
что если учесть энергию пары электронов, то она при столкновении не меняется, т.е. потери
энергии электронов не происходит! Такие пары электронов называются куперовскими парами.
Сверхпроводимость была обнаружена в экспериментах при сверхнизких температурах, вблизи абсолютного нуля температур. По мере приближения к абсолютному нулю колебания решетки замирают.
Сверхпроводимость обнаружили по двум явлениям: во-первых, по факту исчезновения электрического сопротивления, во-вторых, по диамагнетизму. Первое явление понятно – если пропускать определенный ток I через проводник, то по падению напряжения U на проводнике
можно определить сопротивление R = U/I. Исчезновение напряжения означает исчезновение
сопротивления как такового.
Второе явление требует более подробного рассмотрения. Если рассуждать логически, то отсутствие сопротивления тождественно абсолютной диамагнитности материала. Действительно,
представим себе небольшой опыт. Будем вводить сверхпроводящий материал в область магнитного поля. Согласно закону Джоуля-Ленца, в проводнике должен возникать ток, полностью
компенсирующий изменение магнитного потока, т.е. магнитный поток через сверхпроводник
как был нулевым, так и остается нулевым. В обычном проводнике этот ток затухает, т.к. у проводника есть сопротивление. Только после этого в проводник проникает магнитное поле. В
сверхпроводнике он не затухает. Это означает, что протекающий ток приводит к полной компенсации магнитного поля внутри себя, т.е. поле в него не проникает. С формальных позиций
нулевое поле означает, что магнитная проницаемость материала равна нулю
, т.е. тело
проявляет себя абсолютным диамагнетиком.
В сверхпроводниках протекание тока не сопровождается потерями энергии, т.к. нет сопротивления. Кроме того, внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводник, а огибает его. Т.е.
они являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью
и поэтому выталкиваются из магнитного поля.
Состояние сверхпроводимости разрушится:
1) повышением температуры;
2) сильным внешним магнитным полем;
3) большой плотностью тока.
Возможное применение сверхпроводимости:
 линии электропередач без потерь;
 получение сверхсильных магнитных полей;
 электрические машины со сверхпроводящими обмотками;
 измерительные приборы высокой точности;
 сверхпроводящий индуктивный накопитель.
Явление выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положено в основу транспорта
на магнитной подушке.
Существует даже несколько проектов компьютеров на сверхпроводниках. Актуальность проблемы микроминиатюризации с помощью полупроводников заключается в том, что даже малое
19
выделение энергии в очень малом объеме может привести к значительным перегревам и остро встает проблема отвода тепла.
Эта проблема особенно актуальна для суперкомпьютеров. Оказывается, в микрочипах локальные тепловые потоки могут достигать значений киловатт на квадратный сантиметр. Убрать
тепло обычными путями, с помощью обдува воздухом не удается. Предложили убрать корпуса
микросхем и обдувать непосредственно микрокристалл. Здесь возникла проблема слабой теплопередачи в воздух. Следующим шагом предложили залить все жидкостью и отводить тепло
кипячением жидкости на этих элементах. Жидкость должна быть очень чистой, не содержать
микрочастиц, не вымывать ничего из многочисленных элементов компьютера. Пока эти вопросы полностью не решены. Исследования проводятся с фторорганическими жидкостями.
В сверхпроводниковых компьютерах таких проблем нет, т.к. нет потерь. Однако само охлаждение оборудования до криогенных температур требует немало затрат. При этом, чем ближе к
абсолютному нулю – тем больше затраты. Причем зависимость нелинейная, она даже сильнее,
чем обратно пропорциональная зависимость.
Температурную шкалу в криогенной области условно делят на несколько областей по температурам кипения сжиженных газов: гелиевая (ниже 4,2 К), водородная 20,5 К, азотная 77 К. Поэтому сверхпроводящие материалы, работающие при гелиевых температурах, хотя были
открыты более 80 лет назад, до сих пор не нашли применения в энергетике.
Можно отметить, что очередные попытки разработать действующее криогенное устройство
предпринимаются после каждого из прорывов в технологии. Прогресс в технологии привел к
тому, что появились сплавы, которые обладали лучшими характеристиками по критическим
индукции и температуре. Так в начале 70-х годов был бум по исследованию станнида ниобия
Nb3Sn. У него Bс=22 Тл, а Тс=18 К. «Простые» сверхпроводники получили название сверхпроводников первого рода, а «сложные» - сверхпроводников второго рода.
Новые интерметаллические соединения не обладают пластичностью металлов, поэтому попутно решался вопрос, как делать протяженные элементы типа проводов из хрупких материалов. Разработали несколько вариантов, в том числе создание композитов типа слоеный пирог с
пластичными металлами, например медью, нанесение интерметаллов на медную подложку и
т.п., что пригодилось при разработке сверхпроводящей керамики.
Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти
сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в
системах, содержащих вещества с переменной валентностью, возможна сверхпроводимость,
причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие
из двух разных оксидов. Здесь не удалось найти сверхпроводимость. И только в тройных системах BaO-La2O3-CuO в 1986 г была обнаружена сверхпроводимость при температуре 30-35 К.
за эту работу Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию в следующем, 1987 г. Интенсивные исследования родственных составов в течение года привели к обнаружению сверхпроводимости в системе BaO-Y2O3-CuO при температуре 90 К. В 1999 году в Японии введен в
пробную эксплуатацию сверхпроводящий кабель, соединяющий две станции метро. Кабель
сделан по технологии «сэндвича», т.е. хрупкая керамика в нем находится между двумя слоями
упругой и пластичной меди. Изоляцией и одновременно, хладоагентом, является жидкий азот.
Припои и флюсы
Припои – это специальные сплавы, применяемые при пайке металлических частей в качестве
связующего вещества.
Пайка является основным типом неразъемного соединения проводниковых материалов в
электронике. Получаемый электрический контакт обладает малым переходным сопротивлением
и хорошей механической прочностью.
Припои делятся на легкоплавкие (мягкие) и тугоплавкие (твердые). К мягким относят припои
с температурой плавления до 300 ºС, а к твердым – с температурой плавления выше 300 ºС.
В марке припоев буквы обозначают: П (на первом месте) – припой, О – олово, Су – сурьма, С
– свинец, А – алюминий, Ср –серебро, М – медь, Кр – кремний, Ви – вимут, Зл – золото, К –
кадмий. Цифры, стоящие за буквами, указывают процент содержания массы основного металла
в припое.
20
Наиболее широко распространены мягкие оловянно-свинцовые припои, обладающие
большой жидкотекучестью, имеющие удельную проводимость около 10 % от проводимости
стандартной меди. Эти припои позволяют спаивать медь, латунь, сталь, цинк, обеспечивая при
этом достаточно высокую прочность паяных швов. Существуют мягкие припои с добавками
алюминия и серебра. Более легкоплавкими являются припои, в состав которых входят висмут и
кадмий.
Среди твердых припоев выделяют медно-цинковые (ПМЦ) и медно-серебряные (ПСр), которые отличаются малым удельным сопротивлением, прочностью и коррозионной стойкостью
паяных швов.
Припои на алюминиевой основе с добавками меди, кремния и олова применяют, когда требуется достаточная механическая прочность и стойкость к атмосферной коррозии при пайке алюминиевых проводов и деталей из него и его сплавов.
Для повышения надежности пайки применяют флюсы. Они предназначены для очистки поверхностей металлов перед пайкой от оксидов и других загрязнений и предохранения поверхностей металлов от окисления в процессе пайки.
По действию, оказываемому на металл, флюсы делятся на бескислотные (канифоль) и кислотные.
Активные или кислотные флюсы изготовляют на основе активных веществ; соляной кислоты,
хлористых и фтористых соединений металлов и т.п. Они интенсивно растворяют оксидные
пленки на поверхности металла, однако даже небольшой остаток этих флюсов после пайки вызывает интенсивную коррозию спая и основных металлов. Применяют такие флюсы, когда возможны очистка и полное удаление их остатков. Обычно такие флюсы используют для пайки
алюминия.
Если к канифоли добавить активаторы – небольшие количества солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина и др., то образуются активированные флюсы, высокая активность которых позволяет вести пайку без
предварительного удаления оксидов после обезжиривания.
Тема 4. Материалы высокого электрического сопротивления
К материалам высокого электрического сопротивления относятся проводниковые материалы
со значением в нормальных условиях не менее 0,3 мкОм·м. Кроме того, данные материалы
обладают малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления.
Эти свойства позволяют создавать из них изделия, сопротивление которых практически не
зависит от температуры: термостабильные резисторы для измерительных приборов, реостатов и
нагревательных элементов.
Основными представителями такой группы материалов являются сплавы: манганин, константан, нихром, фехраль, хромаль.
Манганин – светло-оранжевый сплав на основе меди, содержащий 2-3% никеля и 12-13%
марганца. Достоинствами манганина являются очень малая зависимость его удельного сопротивления
от
температуры
и
небольшая
термо-эдс
в
контакте
с
медью
(
).
Применяется для изготовления реостатов, нагревательных приборов. Из-за высокой термо-эдс
в паре с медью и железом константан используется для изготовления термопар.
Поскольку в составе константана много дорого и дефицитного никеля, он не находит широкого применения.
В нагревательных элементах, резисторах и реостатах применяют жаростойкие проводниковые
материалы, которые представляют собой сплавы на основе никеля, хрома, железа и некоторых
других компонентов. Эти сплавы не окисляются при высоких температурах, поскольку такие
металлы, как хром, никель и алюминий, при нагреве образуют на поверхности оксидную пленку большой плотности, которая препятствует доступу кислорода к сплаву. Применяют их в виде лент и проволок.
Нихромы (хромоникелевые сплавы – X20H80) –
.
21
Они применяются для изготовления электронагревательных элементов, т.к. обладают хорошей стойкостью при высокой температуре.
Фехрали и хромали – сплавы системы Fe-Cr-Al
Нихромы более технологичны, имеют высокую рабочую температуру, но в них, как и в константане, велико содержание дорогого и дефицитного никеля. Фехрали и хромали немного дешевле нихромов и отличаются доступностью, однако менее технологичны, более тверды и
хрупки.
По составу родственными являются материалы, используемые для термопар. Это хромель –
спав никеля и хрома (90% Ni + 10% Cr), алюмель – сплав никеля (94%) с алюминием, кремнием и марганцем, копель – сплав меди с кобальтом и никелем. Используются также константан
и платина.
Тема 5. Неметаллические проводниковые материалы
Неметаллическими материалами, обладающими свойствами проводников и используемыми в
качестве проводниковых материалов, являются природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки. Из них изготавливают щетки электрических машин, электроды
для прожекторов, микрофоны, содержащие угольный порошок, угольные высокоомные резисторы.
Исходным сырьем для производства электроугольных изделий являются графит, сажа и антрацит.
Природный графит – кристаллическая модификация углерода – непрозрачный, мягкий электропроводный материал.
Свойства графита:
 с увеличением температуры прочность графита повышается;
 на воздухе горит при температуре выше 600ºС;
 ни при каких температурах не взаимодействует с серной, соляной кислотами и царской
водкой (смесь концентрированных азотной (63 %) (1 объём) и соляной (3 объёма) кислот. За
счёт выделения атомарного хлора растворяет большинство металлов, в том числе золото, поэтому и названа алхимиками царской водкой, так как золото считалось «царём металлов».
Сажа – углерод с примесью смолистых веществ.
Для получения стержневых электродов сажу и графит смешивают со связующим материалом,
в качестве которого используют каменноугольную смолу, а иногда и жидкое стекло («силикатный клей»).
Антрацит – блестящий, черного цвета ископаемый уголь, горит слабым пламенем, почти без
дыма. Угольные порошки для микрофонов получают дроблением антрацита.
Композиционные проводящие материалы
Проводящие композиционные материалы – механические смеси порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. Свойства:
 большое удельное электрическое сопротивление, слабо зависящее от температуры;
 возможность управления электрическими свойствами с изменением состава;
В качестве органических связующих используют фенольные или эфирные смолы – эпоксидную, кремнийорганическую. В качестве неорганических – полимеры, порошкообразное вещество, неорганические эмали.
Кермет – композиция в виде порошка от светло- до темно-серого цвета. В состав кермета
входят окись кремния и порошок хрома.
Контактол – токопроводящие пасты, клеи, эмали, служащие для получения электрических
контактов. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют контактолы, содержащие серебро, никель, палладий, золото.
22
Тема 6. Материалы для подвижных контактов
Материалы для подвижных контактов в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, свариванию, коррозии и механическому износу. Интенсивность эрозии, сваривания и коррозии зависят в первую очередь от природы материала и величины разрываемого
тока.
Электрическая эрозия – это разрушение контактных материалов (КМ), связанное с расплавлением и переносом металла в газообразном и жидком (в виде мелких капель) состояниях с
одной контактирующей поверхности на другую под действием электрических разрядов. Особенно существенно эрозия проявляется в цепях постоянного тока, образуя на контактирующих
поверхностях наросты и кратеры. Чем выше значения удельной теплоемкости, температуры и
удельной теплоты плавления и температуры сублимации КМ, тем ниже их эрозия.
Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при
которых возникает дуговой разряд. С ростом напряжения минимальный ток дугообразования
падает почти по параболической кривой (рис. 2.1).
U, B
Pd
300
200
Ag
Pt
Cu
Ta
W
100
Ag2О
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
I, A
Рис. 2.1 Зависимость минимального тока I дугообразования от рабочего напряжения U
для различных контактных пар
Дугообразование зависит от природы КМ и окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей и индуктивности цепи. Самый высокий минимальный ток дугообразования имеет вольфрам (см. рис. 2.1).
Сваривание КМ происходит под действием высоких значений температуры и силы контактного
нажатия и может приводить к деформированию контактирующих поверхностей с частичным расплавлением или даже к потере способности их к размыканию. Поэтому очень важно, чтобы КМ обладали
высокой стойкостью к свариванию, которая присуща вольфраму.
Коррозия – это химическое взаимодействие КМ с окружающей средой, в результате которого на их поверхности образуются оксидные, сульфидные, карбонатные и другие пленки с
низкой электропроводностью. Толщина такой пленки зависит от многих факторов и обычно составляет 10–6–10–5 мм; ее удельное электрическое сопротивление не менее 103 Ом  м . Распределение тока по контактирующим поверхностям неравномерно, так как структура поверхностей
неоднородна.
Структура поверхностей электрического контакта состоит из четырех основных видов
контактных участков (пятен) (рис. 2.2):
1) контактные пятна с металлическим контактом (1), через которые протекает электрический ток без заметного переходного сопротивления;
2) контактные пятна, покрытые адгезионными и хемосорбированными мономолекулярными пленками – это квазиметаллические контакты (2), легко пропускающие электрический
ток благодаря туннельному эффекту;
23
3) контактные пятна, покрытые электроизолирующими относительно толстыми пленками оксидов и сульфидов (3), не пропускающими электрический ток;
4) не контактирующие участки (4).
3
1
4
4
3
2
4
Рис. 2.2 Схема контактной поверхности:
1 – металлические пятна (участки); 2 – квазиметаллические пятна; 3 – пятна из изолирующих
толстых пленок оксидов и сульфидов; 4 – неконтактирующие участки
Соприкосновение контактирующих частей происходит только на участках 1, 2, 3, образующих истинную контактную поверхность. На участках 4 соприкосновения контактной пары
не происходит. Общая площадь электрического контакта слагается из суммы площадей всех
пятен (1+2+3+4) и представляет собой кажущуюся контактную поверхность, образующуюся
при смятии выступов шероховатости контактных поверхностей под действием контактного
давления.
Электрический ток фактически проходит только через участки (пятна) 1 и 2 истинной
контактной поверхности. В сильных электрических полях в результате пробоя толстых пленок
оксидов и сульфидов (участки 3) и воздушных прослоек (участки 4) они также становятся проводниками электрического тока. Однако при этом образуются искровые и микродуговые разряды, которые интенсивно разрушают поверхности контактов. Состояние контактирующих
поверхностей непосредственно влияет на переходное (контактное) сопротивление и температуру нагрева контактов при протекании через них электрического тока. Высокой коррозионной
стойкостью обладают золото Аu, платина Pd и их сплавы с иридием Ir, родием Rh и некоторыми другими металлами; они не имеют вообще или имеют очень тонкие оксидные пленки с высокой электропроводностью. Контакты из этих металлов работают при нажатии силой в 0,15–
0,25 Н, в то время как для металлов с относительно толстыми оксидными пленками (например,
у вольфрама) необходимо усилие до 10 Н, чтобы разрушить оксидные пленки при ударе контактов.
Механический износ происходит в результате удара контактных поверхностей и последующего
нажатия, а также их трения. Чтобы свести к минимуму механический износ, КМ должны обладать высокими значениями износостойкости, ударной вязкости и твердости. Благородные металлы лучше
применять в виде гальванических покрытий, так как у них износостойкость и твердость намного выше,
чем у этих же металлов в массиве.
Подвижные контакты по условиям работы разделяют на контакты скользящие и разрывные.
Скользящие контакты нужны для перехода электрического тока от неподвижной части
электротехнического устройства к подвижной, например в реостатах – от обмотки к движку, в
электрических машинах – от щеток к коллектору, у электрифицированного транспорта – от
контактного провода к токосъемнику. Основные недостатки этих контактов – механический из-
24
нос, возможность дугообразования, а также электрическая эрозия и коррозия контактирующих поверхностей.
Разрывные контакты обеспечивают периодическое замыкание и размыкание электрической цепи. Например, в различных типах реле, выключателей, контакторов, электромеханических преобразователей. Основными сложностями при работе этих контактов является возможность дугообразования,
что вызывает сваривание контактирующих поверхностей, их электрическую эрозию и коррозию, а
также механический износ.
Материалы для скользящих контактов
Материалы для скользящих контактов должны обладать низкими значениями удельного
сопротивления и падения напряжения на контактах, высокими значениями минимального тока
и напряжения дугообразования, высокой стойкостью к истиранию (износостойкостью), электрической эрозии и коррозии. Скользящие контакты, в свою очередь, можно разделить на металлические и электротехнические угольные.
К металлическим скользящим контактам относятся коллекторные пластины электрических машин, которые изготавливаются из твердой меди, бронз и других материалов. В ряде случаев используют пружинные металлические контакты, применяемые в основном в переключателях, потенциометрах,
реостатах. Для изготовления пружинных металлических скользящих контактов используют специальные сорта бронз: кадмиевые, бериллиевые и хромистые (БрКд1, БрБ2, БрХ0,5), – обладающие высокой
упругостью, стойкостью к истиранию и низким значением удельного сопротивления. Например, сплав
Сu–Cd (Cd~l%), образует твердый раствор, который в три раза более стоек к истиранию, чем медь. Для
изготовления скользящих контактов применяют также латуни (например, ЛС 59-1, ЛМц 58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.
Электротехнические угольные материалы обладают относительно высокой электро- и
теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения, большим напряжением дугообразования, высокой химической стойкостью, многие из них – высокой нагревостойкостью. Эти материалы широко используют для изготовления угольных электродов различного применения,
щеток для электрических машин и автотрансформаторов, угольных порошков для микрофонов.
Щетки выпускают следующих марок: УГ (угольно-графитные), Г (графитные), ЭГ (электрографитированные), М и МГ (медно-графитные). Удельное давление для всех щеток составляет 20–
30 кПа при коэффициенте трения по меди не более 0,3. Падение напряжения при номинальном
токе составляет от 0,3 В (щетки МГ) до 3 В (щетки ЭГ).
Основным сырьем для производства электроугольных изделий являются природный
графит и сажи. Для получения монолитного изделия графит и сажу смешивают со связующим
веществом – каменноугольной смолой (побочный продукт коксования каменного угля) или
жидким стеклом, прессуют и подвергают обжигу при температуре 2200–2500°С. Этот процесс
называют графитированием. В результате графитирования увеличивается размер кристаллитов,
повышается электропроводность и снижается твердость.
Природный графит – мягкое кристаллическое вещество темно-серого цвета, представляющее собой одну из двух аллотропных форм углерода; имеет слоистое строение. В направлении слоев электропроводность носит металлический характер. Для поликристаллических образцов
удельное сопротивление ρ≈8 мкОм м , ТКρ=  1103 К–1. Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности, образуя сухую смазку.
Известен искусственный графит, получаемый путем термической перекристаллизации
углей при температуре 2200–2500°С.
Сажи представляют собой угольный порошок высокой степени дисперсности (частицы
сферической формы достигают 10–300 нм); они имеют более мелкокристаллическую структуру,
чем графит (их иногда называют коллоидным углеродом). Графитовая структура в сажах еще
не вполне сформирована. Сажи получают при неполном сгорании многих органических ве-
25
ществ. В зависимости от способа получения и исходного сырья различают ряд марок саж.
Удельное сопротивление саж в насыпном виде в зависимости от температуры прокаливания и
давления изменяется в широком интервале от 0,01 до 400 Ом  м .
Материалы для разрывных контактов
Разрывные контакты по величине коммутируемого тока подразделяют на слаботочные
(токи от долей до единиц ампера) и сильноточные (токи от единиц до тысяч ампера). Для изготовления слаботочных разрывных контактов используют благородные и тугоплавкие металлы.
Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на
их основе, например сплавы систем: золото-серебро (Аu–Ag), платина-рутений (Pt–Ru), платина-родий (Pt–Rh), серебро-кадмий (Ag–Cd), серебро-палладий (Ag–Pd), серебро-магний-никель
(Ag–Mg–Ni). Контакты из серебра и его сплавов применяют в коммутирующих устройствах,
работающих в бездуговом режиме. Их недостаток – возможность образования сульфидных
пленок. Золото и платину в чистом виде используют для изготовления прецизионных контактов. Золото в основном используют в виде сплавов с серебром Ag, платиной Pt, никелем Ni,
цирконием Zr; платину – в виде сплавов с иридием Ir, никелем Ni, серебром Ag и золотом Аu. У
этих сплавов высокая твердость, хорошая эрозионная и коррозионная стойкость. Достоинством
контактов на основе золота и платины является стойкость к образованию сернистых пленок,
недостатком – склонность к дугообразованию.
Из тугоплавких металлов применяют вольфрам и молибден. Достоинством вольфрама
является его высокая стойкость к дугообразованию и практическое отсутствие свариваемости.
Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка, поэтому требуется высокое контактное давление. Недостатком молибдена является образование оксидных пленок, которые
имеют рыхлую структуру и могут внезапно полностью нарушать контактную проводимость. У
вольфрама, легированного молибденом, повышены твердость и удельное сопротивление и понижены Тпл и коррозионная стойкость.
Для изготовления разрывных контактов также широко используют медь, сплавы и биметаллы на ее основе.
В производстве сильноточных разрывных контактов широко применяют композиционные материалы, представляющие собой смесь двух фаз, одна из которых обеспечивает высокую
электро- и теплопроводность контактов, другая – в виде тугоплавких включений придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Сильноточные
разрывные контакты из композиционных материалов получают методом порошковой металлургии. В качестве контактных материалов хорошо себя зарекомендовали композиции на основе меди и серебра: серебро–оксид кадмия, серебро–оксид меди, медь–графит, серебро–никель,
серебро–графит. Применяют также тройные композиции: серебро–никель–графит, серебро–
вольфрам–никель. В этих композициях медная и серебряная фазы обеспечивают электро- и
теплопроводность контактам, а включения из оксида кадмия и оксида меди, а также вольфрама,
никеля и графита повышают износо- и термостойкость и препятствуют свариванию контактов.
В качестве электроконтактных композиций в мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях нашли применение Сu–W, в высоковольтных масляных выключателях
Сu–Мо, в вакуумных камерах Сr–Сu–W, Fe–Сu–Bi. В порядке уменьшения стойкости к свариванию материалы располагаются в следующем порядке: графит, вольфрам, композиции: W–Мо,
W–Сu (Ag), карбид вольфрама– серебро (WC–Ag), Ag–Cd, металлокерамика Ag–CdO (CuO), Ag
(Сu) – графит и т.д.
Для изготовления сильноточных разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют также твердую медь, что существенно
удешевляет электротехнические устройства.
26
Примеры решения контрольных задач
Необходимые теоретические сведения и расчетные формулы
Характерная особенность проводников - сильно выраженная электропроводность – обусловлена высокой концентрацией свободных носителей заряда. Их основные параметры: удельные электропроводность σ (См/м) и сопротивление ρ (Ом·м), температурный коэффициент
сопротивления αρ (К-1), скорость дрейфа Vд (м/с), подвижность µ (м2/(В·с), длина свободного
пробега λ (м) носителей заряда. Они связаны следующими соотношениями:
1
;

(1.1)
1 Δρ
αρ = 
;
ρ ΔT
(1.2)

  en
Vä
,
E
(1.3)
где e – заряд электрона; n – концентрация носителей тока; Е – напряженность электрического поля.
Закон Ома в дифференциальной форме для плотности тока в проводнике
j
e
n

E
=E


(1.4)
Энергия, выделяемая в проводнике при протекании по нему тока,
2
U

t 2
Q

U

J
t

J

R

t
R
(1.5)
Из классической теории проводимости электронного газа
2mV

 2 e T ,
e n
ñ
ð
(1.6)
где VT – тепловая скорость; λср – средняя длина свободного пробега; me – масса носителей тока.
Квантово-механическая теория электропроводности металлов дает
1
h
 3 3
ρ
=
 
  2 2
8π
e n3lñð
(1.7)
Сопротивление протеканию электрического тока связано с рассеиванием носителей заряда на тепловых колебаниях атомов, дефектах структуры, примесях. При температурах, близких к 0 К, тепловые колебания практически отсутствуют, поэтому рассеивание электронов
происходит только на структурных дефектах и примесях и удельное сопротивление металла
можно представить в соответствии с правилом Маттисона в виде
ρ
=
ρ
(
T
)
+
ρ+
ò
å
ïë
ä
å
ôρ
ïð
è
ì,
(1.8)
27
где ρтепл(Т) – зависящее от температуры ρ бездефектного металла; ρдеф и ρприм – вклад в ρ,
обусловленный дефектами и примесями (ρост).
Ряд металлов и сплавов при температуре ниже критической переходят в сверхпроводящее состояние. При этом их сопротивление скачком уменьшается на 12–18 порядков.
Для чистых непереходных металлов αρ =4·10–4 K–1. Переходные и ферромагнитные материалы имеют повышенное αρ (~10–2 K–1).
Согласно правилу Линде, изменение на 1 ат. % концентрации примеси увеличивает ρост
на ∆ρост=b·(∆Z)2, где ∆Z – разность валентностей основного металла и примеси, b – постоянный
для данной пары коэффициент.
Глубина проникновения переменного электрического поля в проводник
2
1



,
0 

f




0




(1.9)
где ω и f – соответственно угловая скорость и частота, µ – относительная магнитная проницаемость
материала;
µ0
–
магнитная
постоянная
–7
(4π·10 Гн·м).
Задача 1
Проволока диаметром 4 мм и длиной 1000 м имеет при нормальной температуре сопротивление 2,25 Ом. Определите, из какого материала она изготовлена, и какое сопротивление
она будет иметь при 150ºC.
Дано
d=4 мм
l=1000 м
R=2,25 Ом
T0=20ºC
T=150ºC
-?
R-?
Решение
Определяем удельное сопротивление металлической проволоки
Рассчитанное сопротивление имеет алюминий. Температурный коэффициент алюминия
Находим сопротивление для заданной температуры
Задача 2
Определить время, в течение которого электрон пройдет расстояние l=1 км по медному
проводу, если его ρ=0,017 мкОм·м , U=220 В. За какое время он прошел бы это расстояние,
двигаясь без соударений?
Решение
Из закона Ома получаем
σ=en
V
ä
E
Концентрация электронов (1 электрон на атом) в меди:
nd
NA
,
A
где NA - число Авогадро, d - плотность материала, A - атомная (или молярная) масса вещества.
2
3
6
,
0
2

1
0
2
8
3
n
=
8
9
2
0

=
8
,
4
5

1
0
ì
3
6
3
,
5
4

1
0
28
E
U
2
2
0

4
V




9
,
6

1
0
c
ä

6 
1
9
2
8
3


e

n


e

n

l
0
,
0
0
1
7

1
0

1
,
6

1
0

8
,
4
5

1
0

1
0
A
Сравним эту величину с тепловой скоростью носителей.
Так как
2

m

v
8
e
T
ρ
=
;l
»
3
,
9

1
0
ì
;
ñ
ð
2
e

n
l
ñ
ð
То
2
6
1
9
2
8
ρ

e

n

l
0
,
0
0
1
7

1
0

(
1
,
6
1
0
)

3
,
9

1
0
ñ
ð
5
v
==
=
7
,
8

1
0
ì
/
ñ
,
T
3
1
2

m 2

9
,
1

1
0
Время дрейфа по проводнику:
3
l
1
0
6
τ
==
=
1
0
c
4
V
9
,
6

1
0
ä
При отсутствии столкновений электрон двигался бы равноускоренно под действием силы F=e·E , тогда E 
U
;
l
и
2
3

3
1
2

l2

l

m
2

1
0
9
,
1
1
0

4


  

2
,
2
6

1
0
c
ï
ð
1
9
ae

U
1
,
6

1
0

2
2
0
Задача 3
Требуется изготовить проволоку, которая выдерживает растяжение F =50 H без пластической деформации, причем ее сопротивление должно быть ≤0,02 Ом·м. Определить и сравнить
наименьший допустимый диаметр проволоки. Какая экономически более выгодна, если цена
алюминия в 1,5 раза ниже цены меди? (Для отожженных Сu и Al: σт(Си)=70 МПа;
σт(Al)=35 МПа).
Решение
F
Наименьший D min , при котором отсутствует пластическая деформация,
4

F F
4

F

 2
;D

.
T
m
i
n


D



T
R
Наименьший D min , при котором обеспечивается требуемое R при заданной l ,
l
4
l
R


 


;
R2
S 

D

D
m
in
R
Для меди
4
l

R
29
4

5
0
F

3
D


0
,
9
5
1
0
ì
;
6
3
,
1
4

1
0

7
0

6

0
,
0
0
1
7

1
0
R 4

3
D


1
,
0
4
1
0
ì
3
,
1
4

0
,
0
2
Выбираем 1,04 мм. Для алюминия
4

5
0
F

3
D


1
,
3
5
1
0
ì
;
6
3
,
1
4

3
5

1
0

6
4

0
,
0
2
8

1
0

3
D


1
,
3
3
5

1
0
ì
3
,
1
4

0
,
0
2
R
Выбираем 1,35 мм.
Выражение для расчета стоимости одного метра проволоки
d
2
C

C



Dl

0
m
i
n
4
Тогда
2
1
,
5

8
9
0
0

1
,
0
4
C
C
d
D

C
u
0
C
u
C
uC
u

 2


2
,
9
3
.
2
C
2
7
0
0

(
1
,
3
5
)
A
l C
0
A
ld
A
lD
A
l
2
Задача 4
Определить температурный коэффициент линейного расширения  l ; и удлинение нихромовой проволоки, если известно, что при повышении температуры от 20 до 1000°С электрическое сопротивление проволоки изменяется от 50 до 56,6 Ом. Длина проволоки в холодном
состоянии l=50 м. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихрома принять
равным 15·10–5 К–1.
Решение
По определению температурный коэффициент сопротивления проволоки:
R

R
5
6
,
6
5
0

4
1
2
1


=
=
1
,
3
5

1
0
Ê
R
R

T
T
5
0

1
0
0
0

2
0




1
2
1
Между температурным коэффициентом сопротивления проводника  R , удельного сопротивления материала   и линейного расширения  l существует следующая зависимость:


 
R
l
Тогда

5

5
1






1
5

1
3
,
5

1
0

1
,
5

1
0
K


l

R
Отсюда удлинение нихромовой проволоки:

5

l

l




T

5
0

1
,
5
1
0

9
8
0

0
,
7
3
5
ì
.
l
Контрольные задачи
30
Задача 1.
Два отрезка проволоки длинной по 5 м имеют одинаковое электрическое сопротивление.
Насколько отличается по весу отрезок алюминиевой проволоки от медной, если сечение последней 6 мм2?
Задача 2.
Сопротивление манганинового провода при нормальных условиях 500 Ом, при температуре
280 ºС – 500,8 Ом. Определите температурный коэффициент манганина.
Задача3.
Длина свободного пробега электронов в меди при Т = 20ºС равна 35·10-6 мм, плотность меди
d = 8950 кг/м3, атомная масса М = 63,54. Найти удельное сопротивление меди.
Задача 4.
Для отопления помещения используют электрокамин, включаемый в сеть напряжением 220 В.
Помещение теряет в сутки 2∙103 МДж теплоты. Требуется поддерживать температуру в нем
неизменной. Найти: а) сопротивление нагревательного элемента; б) длину нихромовой проволоки диаметром 1,8 мм, используемой для намотки спирали нагревательного элемента; в) мощность нагревателя. Удельное электрическое сопротивление нихрома 1,07 Ом·мм²/м.
Задача 5.
Из медной ленты шириной 1,7 см и толщиной 0,4 мм необходимо изготовить шунт сопротивлением 0,75 Ом. Какой длины должна быть медная лента, если удельное сопротивление меди
0,018 мкОм∙м?
Задача 6.
К алюминиевой проволоке длиной 60 м и диаметром 1 мм приложено напряжение 36 В.
Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за 120 с, если удельное сопротивление алюминия равно 0,028 Ом·мм2/м?
Задача 7.
Катушка из манганиновой проволоки имеет сопротивление 17 Ом. Масса проволоки 0,3 кг.
Определить длину и диаметр намотанной в один слой на катушку проволоки.
Задача 8.
На баллоне электрической лампы накаливания написано: 220 В, 99 Вт. Для измерения сопротивления нити накала в холодном состоянии на лампу подали напряжение 4 В, при этом сила
тока была 42 мА. Оценить температуру накала нити лампы из вольфрама, работающей в номинальном режиме.
Задача 9.
Один спай термопары помещен в печь с температурой 520°С, другой находится при температуре 18°С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1,97 мВ. Чему равна термоЭДС, если
второй спай термопары поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Относительную удельную термоЭДС во всем температурном диапазоне считать постоянной.
Задача 10.
При включении в электрическую цепь проводника диаметром 2 мм и длиной 1400 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2,68 мВ при токе 0,56 А. Определить
удельное сопротивление материала проводника.
Раздел 3. Электроизоляционные и диэлектрические материалы
Тема 7. Основные свойства диэлектриков
Диэлектрики – это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.
Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств – большого сопротивления прохождению электрического тока и способность поляризоваться.
31
По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные
материалы (пассивные) и активные диэлектрики.
Электроизоляционные материалы – это диэлектрические материалы, предназначенные для
создания электрической изоляции токоведущих частей.
По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие и
газообразные.
По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.
Электрические характеристики
К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость, электропроводность, диэлектрические потери и электрическая прочность.
Диэлектрическая проницаемость
В диэлектрике носители электрического заряда прочно связаны с атомами или ионами и в
электрическом поле могут лишь смещаться. При этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Различают следующие виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная и спонтанная (самопроизвольная).
Рисунок 3.1 – Электронная поляризация атомов водорода
а – в отсутствии внешнего поля, б – при наличии поля
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется
диэлектрической проницаемостью. Она может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком:
C
εr 
,
C0
где С – емкость конденсатора с диэлектриком; С0 - емкость того же конденсатора в вакууме.
На рис. 3.2 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых равна S
2
(м ), а расстояние между ними h (м). В конденсаторе, изображенном на рис. 3.2, а, между электродами вакуум, а на рис. 3.2, б - диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U
(В), то напряженность электрического поля равна Е = U/h (В/м).
Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q0 (Кл).
Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах
конденсатора при подаче напряжения U
32
В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи (рис.
3.2, б).
Поэтому на поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды: отрицательный
у положительного электрода, и наоборот. Для компенсации этих поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд. Суммарный полный заряд Q в конденсаторе с диэлектриком равен
Q=Q0 + Qд = εrQ0,
где εr - относительная диэлектрическая проницаемость.
Электрическая емкость конденсатора с вакуумом и с диэлектриком между электродами равна
C0 
Q0
U
C
Q
U
Емкость С0 (Ф) называют геометрической емкостью конденсатора.
При этом емкость плоского конденсатора определяется по формуле
S
,
h
где ε0 = 8,84·10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.
Емкость цилиндрического конденсатора
C  0 εr
C  ε 0 ε r 2π
I
Ind2 /d 1
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации.
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших
расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице.
Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется
числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно
электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем
большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.
В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение диэлектрической
проницаемости имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие
только электронной поляризацией.
Диэлектрики подразделяются на полярные - εr>2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - εr≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в
конденсаторах.
К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие
только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным
(дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов
поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).
Электропроводность
По назначению электроизоляционные материалы не должны пропускать электрический ток
под действием приложенного напряжения. Однако идеальных непроводников не существует, и
33
все практически применяемые диэлектрики обнаруживают свойства электропроводности.
Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных ионов и электронов,
которые могут передвигаться под воздействием электрического поля.
Проводимость изоляции Gиз (См), определяется как отношение тока утечки через изоляцию
Iиз к величине приложенного постоянного напряжения: Gиз= Iиз/U
Величина, обратная Gиз, называется сопротивлением изоляции Rиз
1
U
Rиз 

Gиз Iиз
Различают объёмную (сквозную) проводимость твердых диэлектриков, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твёрдой изоляции
с окружающей газообразной или жидкой средой.
Соответственно вводятся понятия объёмного тока утечки Iv и поверхностного тока утечки
Is, а также объёмного сопротивления изоляции Rv и поверхностного сопротивления изоляции
Rs.
Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности
пользуются значениями удельных объёмного ρv и поверхностного ρs сопротивлений.
S
,
h
где S - площадь электрода, м2, h - толщина образца, м
ρ v  Rv
2(a b)
,
h
где b - длина электродов на поверхности диэлектрика, м
a - расстояние между электродами на поверхности диэлектрика, м.
Удельное сопротивление твердых диэлектриков зависит от многих факторов: температуры,
влажности, приложенного напряжения и напряженности электрического поля.
При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов,
как правило, существенно уменьшается. Иными словами, температурные коэффициенты удельных сопротивлений электроизоляционных материалов отрицательны.
Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить удельное сопротивление диэлектриков. Это объясняется тем, что растворимые в воде примеси диссоциируют
на ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции
становятся более тяжелыми при увлажнении.
С повышением приложенного к изоляции напряжения сопротивление изоляции может
уменьшаться. Зависимость Rиз от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объемных электрических зарядов, плохим контактом между электродами и изоляцией;
изменением под действием электрического поля формы и размеров включений влаги и др.
Для повышения ρs диэлектриков применяют различны приемы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т.п.
Удельное сопротивление диэлектрика является параметром, определяющим ток утечки в
нем. Токи утечки в диэлектрике обуславливают потери мощности, как и в проводнике: это так
называемая мощность диэлектрических потерь при постоянном токе, определяемая по формуле
Р = UIиз
ρ s  Rs
34
При подсчете диэлектрических потерь, ведущих к нагреву диэлектрика, обычно учитывается только объемный ток утечки. Поверхностный ток утечки создает потери мощности на поверхности. Рассеяние энергии происходит при этом в основном в окружающую среду, на нагрев
диэлектрика поверхностная утечка в большинстве случаев не влияет.
Диэлектрические потери
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, поглощаемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле.
Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными процессами поляризации.
Способность диэлектрика рассеивать энергию характеризует угол диэлектрических потерь, а
также тангенс этого угла.
Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ
между током и напряжением в емкостной цепи.
Эквивалентная схема
В случае идеального диэлектрика вектор тока опережает
вектор напряжения на угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем
меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tg δ.
Мощность, рассеиваемая в диэлектрике определяется
P  U2  ω  C tgδ
Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с
рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.
Механические характеристики
Все материалы подвергаются различным механическим нагрузкам либо при монтаже, либо
при эксплуатации. Характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние нагрузки
без изменения первоначальных размеров и формы.
К основным механическим характеристикам материалов относятся:
- прочность при растяжении, сжатии и изгибе;
У ряда материалов (стекло, керамические материалы, некоторые пластмассы) разрушающее
напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти
характеристики одного порядка.
- ударная вязкость при динамическом изгибе - как правило, эта характеристика важна для
хрупких материалов (фарфор, асбестоцемент и др.).
- прочность на разрыв – для гибких материалов – бумага, лакоткань, пленки;
- упругость, пластичность и твердость.
Тепловые характеристики
Характеризуют поведение диэлектрика при нагревании и определяют его допустимую рабочую температуру. К тепловым характеристикам относятся нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость, теплоемкость, температуру плавления и
размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкости и тропикостойкость.
Нагревостойкость – это способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.
Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости Y, A-G и
соответствующая им максимальная рабочая температура Y = 90°С, G – выше 180°С.
Теплопроводность – характеризует способность материала переносить теплоту от более
нагретых частей материала к менее нагретым.
35
Характеризует процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой изоляции, а также отвод теплоты из толщи диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь. Коэффициент теплопроводности k
Тепловое расширение - оценивают температурным коэффициентом линейного расширения
или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или Кельвина (1/°С или
1/K).
Холодостойкость - способность материалов противостоять действию низких температур.
При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но
механические ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.
Теплоемкость - это количества теплоты, необходимое для нагрева тела до определенной
температуры. Определяет время нагрева или охлаждения электроизоляционных конструкций.
Температура плавления (Тпл) и температура размягчения (Тр) определяются у материалов
соответственно кристаллического и аморфного строения.
Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву и
характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпевать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.
Температура вспышки паров жидких диэлектриков — это температура, при которой пары
и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но
продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика
представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.
Тропикостойкость определяется у электроизоляционных материалов, предназначенных для
электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение
ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95%) и низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т. п.
Физико-химические характеристики
К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят химостойкость, влагостойкость и водостойкость изоляции, стойкость материалов к воздействию излучений высоких
энергий, кислотное число и вязкость жидких материалов.
Химостойкость – стойкость к разрушению при контакте с газами, водой, маслами, кислотами, щелочами и д.р.
Влагостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при наличии влаги в окружающей среде.
Водостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства в процессе
выдержки его в воде – атмосферные осадки, изоляция деталей в насосах, на кораблях.
Светостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием светового облучения – изменение структуры материала, ухудшение механический
свойств, ускорение старения.
Радиационная стойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства
под действием ионизирующего излучения.
Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для
нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика.
Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость диэлектрика, так как кислоты под действием электрического
поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более активно разрушать другие
материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.
При заливке полостей и пропитке изоляционными компаундами, использовании смол и лаков важно бывает знать их вязкость.
Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее текучесть. Чем больше вязкость, тем жидкость более
36
густая, т. е. обладает плохой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче заполняются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемую изоляцию.
Тема 8. Пробой диэлектриков
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.
Минимальное, приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют
пробивным напряжением Uпр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика и характеризуется электрической прочностью. Электрической прочностью
называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика. Т.е электрическая прочность характеризует способность материала противостоять электрическому пробою.
Uпр
Eпр 
h
Электрическая прочность измеряется в Вольт/метрах и кратных единицах кВ/мм, МВ/см и
т.д.
Различают следующие виды пробоя:
- электрический - диэлектрик разрушается в следствии ударной ионизации электронами;
- тепловой – разогрев материала до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и т.п. - возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за
счет потерь, превышает количество рассеиваемой энергии в данных условиях;
- электрохимический (электрохимическое старение) – обусловлен медленными изменениями
химического состава и структуры диэлектрика под длительным действием электрического поля
и окружающей среды, приводящими к понижению его электрической прочности;
- поверхностный – пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика.
Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности
молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. В противоположность этому пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением
изоляции.
Газообразные диэлектрики
К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух.
Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы.
Как диэлектрики воздух имеет следующие положительные свойства:
- быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя;
- отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени;
- малые диэлектрические потери.
Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:
- невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они
применяются в сочетании с твёрдыми диэлектриками;
- невысокая электрическая прочность;
- способность увлажнятся;
- образовывать окислы и поддерживать горение;
- низкая теплопроводность.
Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления,
относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а
также от полярности электродов.
37
Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае,
когда в ней имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа - атомы и молекулы – нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают
свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.
Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами
и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия
электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой
Пробой газа в однородном и неоднородном полях имеет некоторые отличия. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает
практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.
Пробой газа в однородном поле
Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглёнными краями,
а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле
пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения,
зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.
При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при
малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых
расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10-5 см. При нормальных условиях, т.е. при
давлении 0.1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между
электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии между электродами 6 мм - 70 МВ/м.
Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С
уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение
уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное
напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших
давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.
Пробой газа в неоднородном поле
Неоднородное поле возникает между двумя остриями, остриём и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между
ними, превышающими радиус сферы и т.д.
Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах густота силовых линий
очень велика, а значит напряженность имеет повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.
Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. Корона - это
ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок
электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды
азота.
38
При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при
малом расстоянии между электродами, т.к. ударная ионизация затрудняется вследствие малой
общей длины пробега свободных зарядов.
Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между линиями электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы и т.д. Особенностью пробоя газов в неоднородной поле является
возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряжённость поля достигает
критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.
В неоднородном электрическом поле прочность воздуха зависит от полярности электродов.
Наиболее ярко эффект полярности электродов сказывается при несимметричных электродах, а
именно: стержень-плоскость.
Тема 9. Неорганические диэлектрические материалы.
Волокнистые материалы.
Волокнистые материалы состоят из частиц удлиненной формы – волокон, отличающихся
большой величиной отношения длины к диаметру. Их можно разделить на природные и синтетические. К природным волокнам относятся материалы растительного (хлопок, лен, пенька,
джут, бумага, дерево), животного (шелк, шерсть) и минерального (асбест) происхождения.
Синтетические волокна получают из полиамидов, полиэфиров (например, полиэтилентерефталата), полистирола и других полимеров путем вытягивания их из расплавов или растворов.
К синтетическим волокнам относятся также ацетатный и медноаммиачный шелк и стеклянные волокна. К преимуществам многих волокнистых материалов можно отнести их достаточно высокую гибкость и механическую прочность, легкую обрабатываемость и дешевизну, к
недостаткам, из-за высокой пористости, – гигроскопичность и низкую электрическую прочность и теплопроводность. Особенно гигроскопичными являются целлюлозосодержащие материалы. Для улучшения свойств волокнистой электрической изоляции, ее обычно пропитывают
жидкими или воскообразными диэлектриками или лакируют. Когда требуются волокнистые
материалы высокой нагревостойкости, используют стеклянные волокна и асбест.
Электроизоляционные бумаги. Из древесины путем химической переработки получают
техническую целлюлозу, которая и является сырьем для изготовления конденсаторной, кабельной и другой электроизоляционной бумаги.
Конденсаторная бумага является наиболее тонкой и высококачественной электроизоляционной бумагой. В процессе ее изготовления волокна ориентируются в одном направлении, в
результате чего прочность вдоль волокон выше, чем поперек. Конденсаторную бумагу выпускают следующих марок: КОН – обычная, СКОН – специальная улучшенного качества, МКОН –
с малыми диэлектрическими потерями, ЭМКОН – с высокой электрической прочностью и малыми потерями, АНКОН – адсорбентная, с малыми диэлектрическими потерями и повышенной
электрической прочностью. В зависимости от плотности известны следующие марки бумаги:
МКОН-08, КОН-1, КОН-2, СКОН-3 и другие; цифра указывает плотность бумаги (0,8800 кг/м3, 1- 1000 кг/м3; 2- 1200 кг/м3; 3 -1300 кг/м3). Бумагу КОН-2 используют для изготовления конденсаторов, работающих при постоянном напряжении, КОН-1 – при переменном. Конденсаторная бумага в зависимости от марки имеет номинальную толщину от 4–30 мкм.
Для повышения ε И Епр бумагу пропитывают соответствующими диэлектрическими материалами. У непропитанной конденсаторной бумаги Епр составляет 35–40 кВ/мм (при
h=0,01 мм), после пропитки нефтяным конденсаторным маслом Eпр возрастает до 250–
39
300 кВ/мм. Бумага, в том числе и пропитанная, подвержена электрическому старению при
длительном воздействии электрического поля. При старении все электрические характеристики
ухудшаются, и завершается процесс старения электрохимическим пробоем. Поэтому для конденсаторной бумаги следует брать большой (до 10 раз) запас электрической прочности, т.е. рабочая напряженность электрического поля должна быть в несколько раз меньше (до 10 раз), чем
Епр бумаги, соответственно непропитанной или пропитанной. Рабочую напряженность для бумажного конденсатора после пропитки нефтяным конденсаторным маслом принимают равной:
при постоянном напряжении 25–35 кВ/мм и переменном (50 Гц) – 12–15 кВ/мм; при этом для
бумаги, хорошо просушенной перед пропиткой маслом, ε=3,7; tgδ=(2–3)·10–3 при 50 Гц.
При температуре 110–120°С бумага заметно окисляется и механическая прочность ее
снижается, а при 150–160°С бумага быстро разрушается.
Кабельную бумагу применяют для изоляции силовых кабелей и арматуры для них. Для
изоляции силовых кабелей, рассчитанных на напряжение до 35 кВ и обмоточных проводов для
трансформаторов рассчитанных на напряжение до 150 кВ, используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, М и П. Для изоляции кабелей, рассчитанных на напряжение от 110 до
500 кВ, используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, В, М, С и У. Буквы обозначают виды кабельной бумаги: К – обычная (однослойная), М – многослойная, П –прочная к
разрушающему механическому воздействию, В – высоковольтная, С – стабилизированная, У –
уплотненная. При маркировке бумаги, кроме букв, проставляют цифры, указывающие номинальную толщину в микрометрах.
Недостатком бумажной изоляции силовых кабелей являются пустоты (зазоры) между
отдельными слоями бумаги, оставшиеся после пропитки изоляции масляно-канифольным компаундом. В этих зазорах возникают частичные электрические разряды, которые, так же как и в
конденсаторной бумаге, приводят к электрохимическому пробою. Поэтому из-за электрического старения кабельной изоляции рабочую длительную напряженность электрического поля бумажно-масляной изоляции принимают равной 3–4 кВ/мм (для масло- и газонаполненного
кабеля до 10–12 кВ/мм).
Электротехнический картон, так же как и электроизоляционную бумагу, изготавливают
из растительных волокон, но в отличие от электробумаги электрокартон имеет большую толщину – от 0,1 до 3 мм. При малой толщине (0,1–0,8 мм) электрокартон выпускают в виде рулонов, при большой – в листах. Его Eпр=7,5–11 кВ/мм.
Текстильные электроизоляционные материалы. К ним относятся хлопчатобумажные
ткани и волокна, шелк натуральный и синтетический, стеклоткань и стекловолокно.
Хлопчатобумажное и шелковое волокно в виде пряжи применяют для обмоток и оплеток
проводников и электрических шнуров, а также для производства тканей. Хлопчатобумажную
пряжу изготавливают из длинных волокон хлопчатника. Натуральный шелк получают из коконов червя-шелкопряда. Каждый кокон состоит из одной нити длиной ~2000 м и диаметром
0,01–0,015 мм. Пряжа из натурального шелка позволяет обеспечить меньшую толщину изоляции и лучшую ее устойчивость к влажности, чем хлопчатобумажная. Искусственный шелк получают в результате переработки целлюлозы. Изоляция проводов из ацетатного шелка по
электрическим свойствам превосходит изоляцию из натурального шелка.
К пропитанным волокнистым электроизоляционным материалам относятся лакоткани,
лакобумаги, электроизоляционные ленты. Получают эти материалы путем пропитки электроизоляционными лаками или специальными составами волокнистых материалов (тканей, бумаги,
ленты) природных и синтетических, растительного и животного происхождения, органических
и минеральных.
40
При пропитке поры волокнистых материалов заполняются пропитывающим электроизоляционным составом, в результате чего повышается электрическая прочность и теплопроводность, снижается гигроскопичность. В ряде случаев повышается нагревостойкость.
В качестве пропитывающих составов используют лаки масляные, битумно-масляные,
полиэфирноэпоксидные, кремний-органические и др. Поверхности самоклеящих тканей и лент
(предварительно пропитанных электроизоляционным лаком) покрывают специальным клеящим
составом.
Лакоткани получают путем пропитки хлопчатобумажной или шелковой ткани масляным или масляно-битумным лаком. При пропитке масляным лаком получают лакоткани желтого цвета марок ЛХ (хлопчатобумажные) толщиной 0,15–0,25 мм и Епр=35–50 кВ/мм и ЛШ
(шелковые) толщиной 0,04–0,16 мм и Епр=55–90 кВ/мм. Следовательно, лакоткани ЛШ хотя и
тоньше, чем лакоткани ЛХ, однако Епр у них в 1,5–2 раза выше.
Лакоткани, пропитанные масляно-битумными лаками черного цвета малостойки к действию органических растворителей, но более стойки к тепловому старению. К лакотканям относятся также электроизоляционные трубки, полученные путем пропитки лаками плетеных
трубок.
Лакобумаги являются фактически заменителями лакотканей. Они дешевле, имеют повышенные электроизоляционные свойства, однако механические свойства у них хуже.
Электроизоляционные лаки. Эмали и компаунды
Лаки, эмали и компаунды – это многокомпонентные материалы, находящиеся при изготовлении изоляции в жидком виде, а в готовой изоляции – в твердом состоянии. Следовательно,
они являются твердеющими материалами.
Лаки – это смолы, битумы, высыхающие растительные масла или их смеси, составляющие лаковую основу, разбавленные органическими растворителями. В некоторые из них также
вводят пластификаторы и сиккативы (катализаторы химических процессов отверждения). При
высыхании лака растворитель улетучивается, и на поверхности образуется лаковая пленка,
обеспечивающая механические и электроизоляционные свойства, стойкость к атмосферным
воздействиям.
По назначению лаки подразделяются на: пропиточные, покровные и клеящие. На практике один и тот же лак может быть использован в качестве пропиточного и покровного или покровного и клеящего.
Пропиточные лаки. Их применяют для пропитки пористой и волокнистой изоляции (бумаги, ткани, изоляции обмоток аппаратов и электромашин). После пропитки увеличиваются
электрическая прочность и теплопроводность изоляции, снижается гигроскопичность, у конденсаторной бумаги, кроме того, увеличивается диэлектрическая проницаемость, а, следовательно, емкость конденсаторов. При пропитке органической волокнистой изоляции возрастает
также нагревостойкость, так как уменьшается окисляющее влияние кислорода воздуха. К пропиточным лакам относятся лаки кремнийорганические (КО-921, КО-810), масляно-битумные
(БТ-980, БТ-987), масляно-глифталевые (ГФ-95). Буквы указывают на химическую природу основного компонента лака, первая цифра – назначение лака (9 – электроизоляционный), последующие цифры – порядковый номер лака в соответствующей группе.
Покровные лаки. Они служат для образования на поверхности лакируемых изделий гладкой, блестящей, механически прочной и влагостойкой пленки. Часто покровные лаки используют
для покрытия предварительно уже пропитанной пористой (волокнистой) изоляции.
Некоторые покровные лаки, так называемые эмаль-лаки, наносят не на поверхность
твердого диэлектрика, а непосредственно на поверхность металла, образуя электроизоляционный слой (и одновременно осуществляя антикоррозионную защиту). Эмаль-лаки служат,
41
например, для производства изоляции эмалированных проводов, листов электротехнической
стали. При внесении в покровный лак пигмента – мелкодисперсного неорганического наполнителя, являющегося одновременно и красителем, – получается эмаль.
В качестве покровных лаков применяют кремнийорганический лак (КО-928, КО-938 В),
полиуретановый (УЛ-1), масляный (МЛ-1), полиамидный (АД-9113), полиимидный (ПАК-1).
Применяют также эмаль-лаки на поливинилацеталевой основе (ВЛ-941).
Клеящие лаки. Применяют для склеивания листов твердых диэлектрических материалов, например, в производстве миканитов – листочков расщепленной слюды. Используют эти
лаки также для склеивания твердых диэлектриков с металлами. Основные требования, предъявляемые к клеящим лакам, – высокая адгезия к склеиваемым материалам, хорошие механические
и электрические свойства.
К клеящим лакам относятся: клей на основе фенолоформальдегидной смолы (БФ-2, БФ4, БФ-6), полиуретановый клей (ПУ-2), эпоксидный горячего отверждения (ЭП, ЭПР), холодного отверждения (ВС), эпоксиднокремнийорганический холодного отверждения (К-400).
Качество лаковых пленок определяется в основном свойствами лаковой основы – химическим составом пленкообразующего вещества. Поэтому в зависимости от природы пленкообразующего вещества электроизоляционные лаки подразделяются на: смоляные, масляные,
битумные, масляно-смоляные, масляно-битумные, эфироцеллюлозные. Все лаки содержат тот
или иной летучий растворитель в количестве, необходимом для создания требуемой вязкости.
Битумные лаки дешевле по сравнению с масляными, пленки на их основе менее гигроскопичны, они менее эластичны, при нагреве размягчаются, подвержены действию растворителей. Поэтому в качестве электроизоляционных лаков используют не битумные, а маслянобитумные лаки, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между лаками чисто масляными и битумными. Присутствие высыхающих масел придает образующимся
пленкам большую гибкость и нагревостойкость. Они становятся менее подверженными действию растворителей.
Наиболее распространенным масляно-смоляным лаком является масляно-глифталевый
лак, широко применяемый для пропитки обмоток масляных трансформаторов и защиты печатного монтажа радиоблоков. Он отличается повышенной нагревостойкостью (130°С), пониженной гигроскопичностью. Это маслостойкий полимер.
Электроизоляционные лаки по режиму сушки подразделяются на лаки горячей (выше
70°С) и холодной (20°С) сушки. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими
электрическими и механическими свойствами.
Компаунды - это электроизоляционные пропиточные и заливочные составы, состоящие
из смеси различных смол, битумов, масел и не содержащие растворителя. В момент применения при нормальной или повышенной температуре компаунды находятся в жидком состоянии.
Затем компаунды затвердевают в результате охлаждения или происходящих химических процессов. По механизму отверждения компаунды делятся на термопластичные (на основе битумов, церезина), работающие при низких температурах, и термореактивные (на основе
метакриловой кислоты, полиуретанов, эпоксидных смол), используемые для работы при повышенных температурах.
Компаунды в зависимости от назначения подразделяются на пропиточные и заливочные.
Особую группу составляют порошкообразные компаунды, применяемые для напыления изоляции. Компаунды производят на основе синтетических смол, битумов, воскообразных диэлектриков. Для улучшения механических свойств в них вводят пластификаторы, отвердители и
наполнители (кварцевую муку, тальк).
В электро- и радиотехнике компаунды применяют для пропитки обмоток электрических
машин, трансформаторов и дросселей, заливки радиосхем и приборов, герметизации различных
узлов, изготовления литой изоляции.
42
Тема 10. Неорганические стекла
Стеклами, независимо от их химического состава, называют амфорные тела, полученные путем переохлаждения расплава.
При охлаждении вязкость расплава постепенно увеличивается, и стекло приобретает механические свойства твердого тела. Процесс перехода переохлажденного расплава в стеклообразное состояние называется стеклованием, температурная область перехода – интервалом
стеклования, а его среднее значение – температурой стеклования Тс. Ниже Тс стекла становятся
хрупкими.
Для стекол, как и для жидкостей, характерно отсутствие в структуре дальнего порядка.
Стекла построены из тех же структурных единиц, что и кристаллы, только они образуют не
упорядоченную кристаллическую структуру, а нерегулярную, апериодическую сетку.
Стекла по своему строению неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться такие
неоднородности, как поры, ликвации, капли другой фазы. Поры составляют до 60% объема
стекла. Поэтому электрическое поле в стеклах неоднородно, что приводит к существенному
снижению электрической прочности.
По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов.
Реже стекла состоят лишь из одного окисла, например кварцевое стекло – из SiO2. Окислы, которые сами способны образовывать стекла, называют стеклообразующими, например
SiO2, В2О3 и др. По их названию часто именуют и сами стекла; например, SiO2 – силикатные
стекла, В2О3 – боратные, Р2О5 – фосфатные, GeO2 – германатные.
Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные, которые, в
свою очередь, подразделяются на:
1) щелочные;
2) щелочные, но с большим содержанием окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО) – стекла с большим содержанием РbО называют флинтами, а с большим содержанием ВаО – кронами;
3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую окись кремния SiO2.
Вторую и третью группы используют в качестве электроизоляционных и оптических
стекол. У них высокие значения ε и ρ и малые tgδ.
Кроме стеклообразующих окислов, в состав стекол для улучшения тех или иных технологических или эксплуатационных свойств вводят также окислы-модификаторы. Введение
окислов щелочных металлов Na2O и К2О сильно снижает вязкость и температуру размягчения
Тр стекла (например, у кварцевого стекла Тр≈1740°С, а у щелочного свинцовоалюмосиликатного Тр≈580°С). Снижение Тр и вязкости расплава существенно улучшает условия труда, уменьшает энергетические затраты и в целом снижает стоимость изделий. Однако
при этом резко ухудшаются электрические свойства – на несколько десятичных порядков снижается удельное сопротивление, существенно возрастают диэлектрические потери, снижается
электрическая прочность. Тр стекол также снижается при введении окислов щелочноземельных
металлов (MgO, CaO, ВаО) и окиси свинца РbО.
Отрицательное действие Na2O и К2О на электрические свойства (ρ и tgδ) стекол, в известной мере, нейтрализуется введением окислов тяжелых металлов (РbО, ВаО). Эти окислы
повышают также значения ε стекла (при содержании РbО до 80% ε доходит до 16) и понижают
tgδ до 10–4. Введение TiO2 также нейтрализует вредное влияние Na2O и К2О и приводит к значительному повышению ρ.
Для улучшения тех или иных свойств стекол в них вводят и многие другие окислы.
Например, MgO - повышает химическую стойкость, ZnO – прочность на разрыв, А12О3 – химическую стойкость и стойкость к резким колебаниям температуры (термоударам).
43
Силикатные стекла неустойчивы к парам щелочных металлов. Более высокой стойкостью к этим парам обладают фосфатные и особенно боратные стекла с содержанием SiO2 менее
30% и повышенным содержанием А12О3 и окислов щелочноземельных металлов (СаО, ВаО).
Стекла силикатно-боратные, содержащие окислы щелочноземельных металлов, а также А12О3,
являются стойкими к действию паров ртути.
Некоторые окислы окрашивают стекла в тот или иной цвет. Например, окись кобальта
СоО окрашивает стекла в синий цвет, окись меди СuО – в голубой, окись хрома Сr2О3 – в зеленый, окись марганца МnО2 – в фиолетовый или коричневый. Стеклами, прозрачными для УФлучей, являются кварцевое стекло и стекла на основе В2О3 и Р2О5 с содержанием Fe2O3 менее
0,02%.
Электрические свойства
Свойства электротехнических стекол в значительной мере определяются количественным содержанием в них окислов щелочных металлов (Na2O, K2O), тяжелых металлов (РbО,
ВаО) и ряда других окислов, а также наличием пор, капель другой фазы. В зависимости от химического состава электрические характеристики стекол колеблются в широких пределах:
ε=3,8–16,2; ρ=106–1015 Ом·м; tgδ=(2–100)·10–4
ρ=1015 Ом·м; tgδ=2·10–4. Электропроводность стекол обусловлена главным образом ионами щелочных металлов (Li+, Na+, К+), а в некоторых случаях – ионами щелочноземельных металлов
(Mg++), а также анионами (F–, ОН–). Поверхностная электропроводность стекол обусловлена
сконденсировавшейся на их поверхности водяной пленкой и переходом в нее (выщелачиванием) прежде всего катионов щелочных металлов. С увеличением влажности воздуха и температуры возрастает количество сконденсировавшейся из воздуха влаги, ее степень диссоциации,
усиливается процесс выщелачивания ионов. В результате всего удельное поверхностное сопротивление ρs и пробойное напряжение Up снижаются.
Электрическая и механическая прочность стекол зависят от дефектности структуры и, в
первую очередь, от числа и размеров пор. В неоднородном поле пробой носит преимущественно тепловой характер и Епр имеет величину, примерно равную 40 кВ/мм. В однородном поле у
образцов, переплавленных в вакууме, меньше пор, поэтому Епр может достигать 500 кВ/мм.
Тепловые свойства
Из тепловых свойств электротехнических стекол большое значение имеют: Тр (особенно при
переработке стекла в изделия), которая от химического состава колеблется в пределах от 1740°С
(кварц) до 300°С (щелочное боратное стекло), и температурный коэффициент линейного расширения
(ТКЛР), значение которого находится в пределах (5,5–150)·10–7, К–1. ТКЛР является важной характеристикой, так как определяет стойкость стекол к резким изменениям температуры. Чем меньше
ТКЛР, тем более стойко стекло к термоударам. Эта характеристика очень важна при спайке
стекол с металлами и другими материалами. При спайке стекла с металлом для хорошей герметизации и высокой надежности спая, особенно к термоударам, необходимо, чтобы ТКЛР стекла
и металла были примерно одинаковыми. Названия стекол: вольфрамовое, молибденовое, титановое, платинитовое и т.д. – указывают, что ТКЛР данного стекла близок к значению ТКЛР соответствующего металла.
Классификация стекол
Производится следующим образом: например, С38-1, где С – стекло; 38 – среднее значение ТКЛР в интервале температуры от 20 до 300°С, умноженное на 10–7; 1,2 и т.д. – порядковый
номер разработки. Рассмотрим некоторые марки стекол:
С5-1 – кварцевое стекло, образует вакуумно-плотный спай с молибденом;
С37...С40 – вольфрамовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с вольфрамом
и сплавом Н30К13Д (Ni–30%, Со–13%, Сu–1%, остальное Fe);
44
С47...С52 – молибденовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с молибденом и сплавом ковар Н29К18 (Ni–29%, Со–18%, остальное Fe);
С66-2 и С72-4 – титановые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с титаном;
С87...С90 – платинитовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи с платинитом
(сплав Н43: Ni–43%, Fe–57%) в виде стержней, покрытых медной оболочкой, и феррохромникелевыми сплавами;
С93...С95 – платинитовые стекла. Они образуют вакуумно-плотные спаи со сплавом
Н47ХР (Ni–47%, Сr–1%, В–1%, остальное Fe);
Стекло №1 Львовского завода образует вакуумно-плотный спай со сплавом Н47ХР.
Типы стекол
В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических
стекол.
Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных
ламп, различных электронных приборов. При этом необходимо выполнить одно из важных требований
– значения ТКЛР у спаиваемых друг с другом стекла и металла должны быть примерно равными.
Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в
том числе штыревых и подвесных, станционных – опорных и проходных (вводы), телеграфных,
антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко используют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и
германиевых транзисторах и др. Некоторые марки этого вида стекла, например боросиликатные
(С37-1, С37-2, С38-1, С39-1) и алюмосиликатные (С39-2, С41-1, С48-3) используют для изготовления сплошных изоляционных подложек интегральных микросхем. Стекла марок С89-1,
С88-3, С48-2, С38-1 и другие применяют для изготовления стеклянной изоляции литых микропроводов диаметром 5–200 мкм и толщиной изоляции 1–35 мкм.
Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Eпр и ε, а у стекол для
высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tgδ.
Стеклоэмали – это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего
вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых резисторов представляет собой борносвинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РbО – 27%,
Н3ВО3 – 70%, МnО2 – 3%;Tр≈ 600°С. Для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок.
Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, нагретого до определенной температуры, посыпают порошком стеклоэмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1–0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно
наносить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят
стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.
Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химической стойкостью и большей (на 20–25%) механической прочностью при растяжении, чем
45
щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4–7 мкм) волокна используют
для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных
тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах.
Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики – световодов, которые в настоящее время широко используются в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.
Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложенных в пучки световедущих волокон диаметром 20–30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5–6 мм Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким
образом, чтобы коэффициент преломления света n1 сердцевины был больше коэффициента преломления света n2 оболочки (n1>n2). Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов (ТФ), баритовых флинтов (БФ) и
сверхтяжелых кронов (СТК), а для изготовления оболочек – стекла типа крона (К) или легкого
крона (ЛК). Стекла указанных типов изготавливают на основе чистого кварца.
Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль
благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина–оболочка и выходит из противоположного торца. Качество световода (потери световой
энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на
всех этапах его производства.
Ситаллы– это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем
направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов
может составлять 30–95%, а размер кристаллитов 0,01–2 мкм. Усадка при кристаллизации достигает 2%. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».
При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для
образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.
Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой
стадии термообработки (при 500–700°С) происходит образование центров кристаллизации, на
второй (при 900–1100°С) – кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют TiO2, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочноземельных металлов.
Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют
коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под
влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.
Особую область применения имеют фотоситалл. Если подвергнуть заготовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через трафарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облученная часть поверхности. Эта закристаллизованная
часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и
протравить кислотой и т.д., до тех пор, пока изделие не примет нужную форму
Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у стекол того же состава, а по
сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая Eпр. ТКЛР=(1–120)·10–7 К–1,
Tр=900–1300°С, ε=5–7, ρ=1010–1012 Ом·м; tgδ=(1–80)·10–3; Епр=20–80 кВ/мм; интервал рабочей
температуры от минус 50 до плюс 700°С.
Ситаллы классифицируют следующим образом: СТ-50-2, где СТ–ситалл, 50–
ТКЛР=50·10–7, 2 – номер разработки.
46
Ситаллы марки СТ-38-1 используют в СВЧ-приборах в качестве подложек аттенюаторов, опор для крепления разрядников; марки СТ-50-2 – для изготовления стержней электровакуумных ламп; марки СТ-50-1 – для изготовления подложек тонкопленочных и гибридных
интегральных схем.
Тема 11. Керамические диэлектрики
Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым
компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло
и название материала – «керамикос» (от греч. – глиняный).
Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного
назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости.
Керамические материалы обладают свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферромагнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими
диэлектриками керамика, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической
(остаточной) деформации.
Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза – это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество
щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза – это поры, объем которых у
плотной керамики составляет 2–6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой
и поверхностью изделия) – 15–25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер
зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров.
По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и неплотной упаковкой решетки ионами, что определяет виды поляризации и диэлектрических потерь керамики.
Электрические свойства керамики формируются всеми тремя фазами. При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном с процессами, протекающими в кристаллических
зернах, электропроводность – в амфорной фазе, диэлектрические потери – как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен. Кристаллическая фаза влияет
также на значение ТКЛР, амфорная фаза – на температуру спекания керамической массы.
Процесс производства керамических изделий проходит в три основных этапа:
1) приготовление керамической массы путем очистки от примесей ее составных компонентов, тщательного их измельчения и перемешивания с водой в однородную массу;
2) формирование изделия заданной конфигурации и размеров методом формования,
прессования, выдавливания, пластического штампования или литья (если масса в виде сухого
порошка – его прессованием);
3) сушка, глазурирование и обжиг.
Глазурь представляет собой стекловидную массу, состоящую из 66–72,2% SiO2, 11,7–
17,2% А12О3, остальное – окислы щелочных и щелочноземельных металлов. Температура ее
размягчения должна быть ниже температуры обжига. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает изделие тонким (0,1–0,3 мм) плотным блестящим стекловидным слоем. Глазурь не
только улучшает внешний вид изделия и придает ему желаемую окраску, но также защищает
47
его от загрязнения, проникновения внутрь влаги. Заполняя трещины и другие поверхностные
дефекты, глазурь повышает механическую прочность изделия на 15–20%. В радиотехнической
и электронной промышленности для глазурирования применяют различные эмали с Тр=560–
570°С.
Обжиг – ответственная и самая дорогая операция. При высокой температуре (примерно
1300–1400°С) в результате сложных химических и физико-химических процессов, протекающих между составными частями керамической массы, и получается керамика. При обжиге происходит усадка – значительное (до 20%) уменьшение размеров изготавливаемого изделия.
Низкочастотная установочная керамика - применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных (с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до
1500 кВ постоянного тока) изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также
для изготовления различных установочных деталей, используемых в цепях низкой частоты:
плавкие предохранители, ламповые патроны, детали штепсельных розеток, вилок. В отличие от
других видов керамики обладает более низкими электрическими и механическими свойствами,
но имеет преимущество: из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.
Основным представителем низкочастотной установочной керамики является электротехнический фарфор. В состав обычного электрофарфора входят: глины ~50% (каолин – очень
чистая высококачественная светлая глина и огнеупорная глина), кварц SiO 2 (~25%) и полевой
шпат (~25%), представляющий собой безводные алюмосиликаты, содержащие катионы щелочных (Na+,K+) и щелочноземельных (Са2+) металлов. Полевой шпат является главным поставщиком окислов Na,К,Fe,Mg,Ca. Na2O снижает температуру обжига и вязкость стеклофазы
фарфора, но существенно ухудшает его электрические свойства.
Кристаллическая структура электрофарфора состоит из муллита 3Al2O3·2SiO2 с неплотной упаковкой решетки ионами и кварца SiO2 – с плотной упаковкой решетки ионами. В промежутке между кристаллитами находится стекловидная масса, образованная главным образом в
результате плавления полевого шпата. Электротехнический фарфор содержит примерно 70%
SiO2, 25% А12О3 и 5% других окислов (К2О, Na2O, CaO, Fe2O3).
Электрофарфор
имеет
плотность
2300–2500 кг/м3,
ТКЛР=(3–6)·10–6 К-1, σс=400–500 МПа, σр=35–55 МПа, σн=80–100 МПа, σуд=1,8–2,2 кДж/м2.
Электрические свойства при нормальной температуре и низких частотах удовлетворительны:
ε=5–7; ρ≈1011–1012 Ом·м (при 20°С) и ρ≈107–108 Ом·м (при 100°C); tgδ≈(25–35)·10–3 (при 20°С)
и tgδ≈0,12–0,15 (при 100°C); Eпр=25–30 кВ/мм. Изменяя состав фарфора, можно улучшать его
основные параметры. В настоящее время широко распространен электрофарфор с повышенным
содержанием кварца и глинозема (А12О3).
С повышением температуры электрические свойства электрофарфора существенно
ухудшаются, главным образом за счет стеклофазы. Электрические и механические свойства
также значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения при
температуре 100°С и выше. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших
20–30 лет, наблюдаются потускнение глазури и краев шапки, т.е. в местах, наиболее подверженных действию короны, и появление на глазури микротрещин.
К низкочастотной установочной керамике относится также высоковольтная стеатитовая керамика (марки ТК-21, СПК-2), изготовленная на основе минерала талька
3MgO·4SiO2H2O (70–85%), глинистых веществ (до 10%) и окиси бария ВаО (до 15%). Основными кристаллическими структурами этой керамики являются клиноэн-статит MgOSiO2 и муллит 3Al2O3·2SiO2. Тальк практически не содержит вредных примесей в виде окислов щелочных
металлов и железа. Однако глины обычно содержат большое количество Na2O, K2O и Fe2O3, которые ухудшают электрические свойства стеатитовой керамики. Поэтому содержание глин
ограничивается несколькими процентами.
48
Высоковольтная стеатитовая керамика в сравнении с электротехническим фарфором
имеет повышенные механические и электрические свойства: σс=500–700 МПа, σр=45–60–МПа,
σи=100–160 МПа, σст=2,2–2,6 кДж/м2, ε=5–7,5; ρ=1012 Ом·м (20°С) и ρ10 Ом·м (100°С);
tgδ=0,002–0,003, Епр=25–30 кВ/мм, ТКЛР=(3–8)·10–6 К–1. Поэтому она применяется там, где
необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных
высоковольтных изоляторов. Технология изготовления изделий из стеатитовой керамики сложнее и требует более высокой температуры обжига, чем из электрофарфора. Однако усадка этих
изделий меньше.
Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов
относится термо- и дугостойкая керамика, имеющая очень низкие значения ТКЛР и способная многократно выдерживать большие термоудары. Эта керамика используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, дугогасительных камер,
высоковольтных выключателей, пирометрических защитных трубок. Термо- и дугостойкой керамикой являются плотные и пористые материалы на основе алюмосиликата магния (кордиерита 2MgO·2Al2O3·5SiO2) – кордиеритовая керамика. В кордиеритовой керамике, кроме
кордиерита (до 60%), содержатся кристаллы муллита 3Al2O3·2SiO2, клиноэн-статита MgOSiO2,
12
корунда А12О3 и небольшое количество стекла. Его ТКЛР=(0,5–2)·10–6 К–1
Ом·м (при
20°С), Епр=10–20 кВ/мм.
Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высокими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (ε=900–9800), относительно большими диэлектрическими потерями (tgδ=2·10–3–5·10–2) и небольшими значениями электрической
прочности (Епр=4–15 кВ/мм). Применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов
(f≤10 кГц) и конденсаторов, используемых в цепях постоянного тока, а также разделительных и
блокировочных конденсаторов.
Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова
и небольших добавок окислов цинка и марганца. Основу керамики марок Т-900, М-900 и Т1000 составляют титанаты стронция SrTiO3 и висмута Bi4Ti3O2.
Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу
керамических материалов, применяемых в радиоэлектронике, и охватывает ряд керамических
материалов с повышенными электрическими и механическими свойствами. Используют ее для
изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих механическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов,
опорных плит, подложек, изолирующих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами. Некоторые виды этой керамики применяют при изготовлении конденсаторов.
Высокочастотная установочная керамика имеет высокое электрическое сопротивление,
низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и частоты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойства в зависимости
от химического состава имеют следующие значения: ε=5–9,8, ρ=1014–1017 Ом·м, tgδ=(1–20)·10–4
при 1 МГц; Епр=20–45 кВ/мм.
К этой группе относятся следующие материалы:
Стеатитовая керамика. Кристаллическая фаза состоит из мелкозернистого клиноэнстатита MgOSiO2, амфорная фаза – из бесщелочного бариевого стекла. Керамика характеризуется высокой механической прочностью (σс до 800 МПа, σр до 75 МПа, σи до 200 МПа, σуд до
4 кДж/м2) и высоким электрическим сопротивлением (ρ=1014–1017 Ом·м). Используется для изготовления проходных изоляторов, подложек, изолирующих колец, опорных плит. Наиболее
широко применяют марки СПК-5, СК-1, СНЦ, Б-17.
Форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза образована форстеритом 2MgOSiO2.
Характерной ее особенностью являются: низкие диэлектрические потери (tgδ=(1–2)·10–4), высо-
49
кое электрическое сопротивление (ρ=1014–1015 Ом·м) при нормальной и высокой температуре, повышенные значения ТКЛР ((8–10,6)·10–6 К–1).
Применяется для получения вакуумно-плотных согласованных металлокерамических
спаев (с медью и ее сплавами), например в радиолампах. Выпускают нескольких марок: Ф-58,
ЛФ-11, КВФ-4.
Шпинельно-форстеритовая керамика. Кристаллическая фаза содержит кристаллы
шпинели MgOAl2O3 и форстерита 2MgOSiO2. Характеризуется высокими электроизоляционными и механическими свойствами и малыми значениями tgδ. Применяют для получения согласованных металлокерамических вакуум плотных спаев. В радиотехнике применяют марку
Ш-15.
Цельзиановая керамика. Кристаллическую фазу образует цельзиан BaOAl2O3·2SiO2.
Керамика характеризуется малыми значениями tgδ (при нормальной и повышенной температуре), ТКЕ и ТКЛР и высокими значениями ρ и Епр. Электропроводность преимущественно электронная; ионная составляющая появляется лишь при температурах выше 600°С. Используют ее
(из-за малых значений ТКЛР) для изготовления каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью.
Виллемитовая керамика. Кристаллическую фазу образует виллемит 2ZnOSiO2. Этот
вид керамики используют для изготовления высокочастотных установочных деталей.
Глиноземистая керамика (глинозем – безводный оксид алюминия А12О3). В зависимости от содержания оксида алюминия А12О3 в глиноземистой керамике ее называют: глиноземистым фарфором, ультрафарфором, корундовой керамикой и т.д. Отличается от других видов
керамики наибольшей механической прочностью, твердостью, химической стойкостью, повышенной стойкостью к термоударам, а также хорошими электроизоляционными свойствами.
Широкое применение в электро- и радиотехнике нашли ультрафарфор марки УФ-46, корундовая керамика марки КМ-1, из которых изготавливают крупногабаритные и механически
прочные изоляторы, корпуса мощных предохранителей. Ультрафарфор марок УФ-53, УФ-61
используют для вакуумно-плотных спаев с металлами, для изготовления плат и подложек.
Корундовая высокоглиноземистая керамика представляет особый интерес. Корунд
(α-А12О3) – одна из кристаллических модификаций оксида алюминия (алюминоксида) А1 2О3,
обладающая высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами. Готовые изделия из этого материала содержат до 95–99,7% кристаллического корунда α- А12О3, остальное
– стеклофаза, располагающаяся в виде тонких прослоек, соединяющих кристаллиты α-А12О3.
Содержание пор в этой керамике минимальное (~1%), их присутствие отрицательно влияет на
свойства материала.
Разработана беспористая оптически прозрачная керамика поликор (за рубежом – люкалос) с высокими значениями коэффициента пропускания света (0,9 на 1 мм толщины), электрических и механических характеристик. Поликор содержит 99,7–99,9% Аl2О3 и 0,3–0,1% окиси
магния MgO, которая вводится для торможения роста кристаллитов. Рост кристаллических зерен и появление закрытых пор снижают прозрачность такой керамики. Характеристики поликора приведены в табл. 3.1.
Кроме поликора, созданы материалы марок: 22 ХС, ЦМ-332 (микролит) и др. Достоинством
этих марок корундовой керамики считаются их особо высокая нагревостойкость и сохранение высоких значений электрических характеристик до температуры 400°С и механических – до 1600°С.
К недостаткам следует отнести сложность технологии изготовления изделий: очень высокая температура обжига – 1800–2060°С (в водородной среде или вакууме), малая пластичность исходной
массы, трудность получения изделий сложного профиля.
50
Таблица 3.1
Электрические свойства прозрачной корундовой керамики
Среднее
КриTKJIP·106
СодержаПлотМарка
сталв интервание А12О3,
ность,
материала
личнос
ле темпе%
кг/м3
ть, %
ратур 20700°C, К–1
Поликор
22 ХС
99,7–99,9
95,14
99
89
3970
3780
7,5
7,5
ε при
температуре
20°C и
частоте
1 МГц
ρ при
температуре
100°С,
Ом·м
10,5
9,3
1015
1014
tgδ при
температуре
20°C и
частоте
1 МГц
Епр
при
частоте
50 Гц
и
h≈1 мм
,
кВ/мм
1·10–4 28–30
5·10–4
50
Прозрачная корундовая керамика применяется в качестве нагревостойких диэлектрических подложек микросхем, в том числе микроволновых подложек в запоминающих устройствах, линз в инфракрасных головках ракет, лазерных устройствах, колб металлогалогенных
ламп. Сочетание высокой оптической прозрачности и высокой нагревостойкости дает возможность использовать этот материал для ламп накаливания высокой яркости. В последние годы разработана высоконагревостойкая керамика на основе других окислов металла (CaO, MgO, ZrO2, BeO2,
ThO2) и нитридов (Si3N4, BN, AlN).
Высокочастотная конденсаторная керамика
Отличается высоким удержанием кристаллической фазы и низким содержанием бесщелочной аморфной фазы. Как правило, стеклофаза не образуется, но могут присутствовать несколько кристаллических фаз с различными значениями ε и ТКε. У большинства материалов
этой группы, имеющих высокие значения ε, основной составной частью кристаллической фазы
является рутил (двуокись титана TiO2).
Рутил – это высокотемпературная кристаллическая модификация ТiO2, которая имеет в
направлении главной кристаллографической оси ε=173. Однако в результате беспорядочного
расположения кристаллитов рутила и наличия других добавок керамика имеет ε меньше указанного значения (ε≈80).
Кроме рутила TiO2 в кристаллическую фазу многих видов высокочастотной конденсаторной керамики входят соединения титаната кальция (перовскит) СаО·ТiO 2, образующие перовскитовую керамику (марки Т-150, М-130), или титаната стронция SrO·TiO2, образующие
стронциевую керамику (марка М-300). У этих видов керамики ε=180–230. Используются они
для изготовления высокочастотных конденсаторов, к которым не предъявляют требований стабильности емкости. В состав конденсаторной керамики также вводят оксиды олова и металлов
II и III групп периодической системы элементов. В зависимости от химического состава электрические свойства высокочастотной конденсаторной керамики имеют следующие значения:
ε=14–250; ρ=1010–1011 Ом·м (при 100°С), tgδ=(3–5)·10–4 (при 1 МГц и 20°С); Eпр=6–35 кВ/мм,
ТКε колеблется в пределах от минус 1300·10–6 до плюс 30·10–6 К–1.
Керамика на основе рутила при длительном воздействии предельного рабочего напряжения и повышенной температуры стареет, в результате электропроводность и диэлектрические потери возрастают, а электрическая прочность снижается. Однако ее вполне успешно
можно использовать в области относительно слабых электрических полей и ограниченных рабочих температур. На значительно более жесткие эксплуатационные режимы рассчитана безру-
51
тиловая конденсаторная керамика: титано-циркониевая, станнатная, лантановая. Преимуществом этих марок керамики является более высокая стойкость к длительному воздействию постоянного напряжения.
Для получения титано-циркониевой керамики используют составы на основе системы
ZrTiO3–TiO2 с добавкой небольшого количества окисла магния MgO или твердые растворы титаната-цирконата кальция CaTiO3–CaZrO3 (Т-80, ТЦ-750, ТЛ-470). Изделия из керамики системы CaTiO3–CaZrO3 могут эксплуатироваться при более высоких температурах, чем из системы
ZrTiO3–TiO2; они имеют ε=20–30; tgδ=(3–4)·10–4.
В станнатной керамике кристаллической фазой являются твердые растворы станната
кальция CaSnO3, титаната кальция CaTiO3 и цирконата кальция CaZrO3. Кроме того, в состав
керамической массы вводят небольшое количество глины и окисла цинка. Станнатная керамика
имеет небольшие значения ε (12–30) и tgδ ((15–80)·10–4).
Лантановую керамику получают на основе системы LaAl2O3–CaTiO3. Она имеет значительно более высокие значения ε (40–150), чем станнатная керамика, и небольшой tgδ (5·10–4).
Лантановая керамика применяется для изготовления контурных, разделительных и термокомпенсирующих конденсаторов. У термокомпенсирующих конденсаторов емкость с повышением
температуры снижается.
Асбестовые и слюдяные материалы
Слюда – это природный кристаллический минерал с хорошими электрическими свойствами и высокой нагревостойкостью. Ее характерной особенностью является слоистая структура и анизотропия свойств. Кристаллиты слюды легко расщепляются по плоскостям спайности
на пластинки толщиной 0,5–5 мкм и более.
Известно несколько десятков разновидностей слюды. Все они по химическому составу
являются водными алюмосиликатами. В электроизоляционной технике применяют два вида
слюды:
мусковит,
состав
которого
приблизительно
выражен
формулой
–
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O, и флогопит - К2О·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O. Фактически состав слюд
может существенно изменяться; в них могут входить и другие окислы (Fe2O3, TiO2, Cr2O3, MnO,
CaO, Na2O).
Слюда мусковит бывает бесцветной или имеет красноватый, бурый, зеленый или другие
оттенки. Флогопит чаще имеет более темную окраску: янтарную, золотистую, коричневую до
почти черной. Слюда электротехнического назначения не должна содержать пятен (загрязнений) и воздушных включений. Мусковиты по электрическим свойствам лучше, чем флогопиты
(табл. 3.2), у них более высокие механическая прочность, твердость, гибкость и упругость. Однако у флогопитов более высокая нагревостойкость и, что очень важно для изоляции коллекторных пластин электромашин, практически одинаковая с медью истираемость.
52
Таблица 3.2
Электрические свойства слюды
tgδ·104 при частоте
Вид слюды
Мусковит
Флогопит
Фторфлогопит
ρ при темпе- ε при частоте
ратуре 20°С, 1 МГц и темОм·м
пературе 20°С
1012–1014
1011–1012
1012–1014
6,1–8,4
5–7
6,1–7,5
Епр при толщине
0,025–0,05 мм,
50 Гц 1 кГц 1 МГц
кВ/мм
4–80
6–150
–
2–10
3–60
–
1–6
2–40
3
100–250
70–150
100–400
При нагревании кристаллизационная вода начинает выделяться у мусковита при температуре 500–600°С, у флогопита при 800–900°С. Слюда при этом вспучивается в результате расслаивания, теряет прозрачность, электрические и механические свойства резко ухудшаются.
При температуре 1260–1330°С слюда плавится. У некоторых видов флогопита с повышенным содержанием кристаллизационной воды электрические и механические свойства ниже
и заметно ухудшаются при нагреве до температуры 150–250°С.
Слюдяную руду очищают от посторонних примесей, вручную расщепляют на отдельные
пластинки, у которых обрезают дефектные края, и получают так называемую щепаную слюду.
Щепаную слюду применяют для производства миканитов, а из лучших сортов мусковита готовят конденсаторную слюду. Конденсаторную слюду используют для изготовления слюдяных
конденсаторов постоянной емкости типов: КСО (конденсатор слюдяной опрессованый), КГС
(конденсатор герметизированный слюдяной), СГМ (слюдяной герметизированный малогабаритный). В настоящее время в производстве конденсаторов вместо слюды широко используют
синтетические полимеры (полистирол, политетрафторэтилен).
Кроме слюды природной, в электроизоляционной технике получила распространение
слюда синтетическая – фторфлогопит, отличающаяся от флогопита тем, что в ее кристаллической решетке гидроксильные группы ОН– замещены ионами фтора F–. Фторфлогопиты имеют
более высокую нагревостойкость (до 1000°С), обладают более высокими электрическими свойствами (см. табл. 4.4), химически более устойчивы.
Микалексы представляют собой прессованную массу, в которой связующим являются
легкоплавкие стекла (борно–свинцовые или борно–баритовые), а наполнителем – порошкообразный мусковит. Прессование производится при температуре размягчения стекла около 600°С
и давлении 50–70 МПа, при этом стекло химически взаимодействует с поверхностью слюды.
Электрические свойства ми
–8,5; ρ=1010–1011 Ом·м; tgδ=(3–10)·10–3 при 1 МГц;
Епр=10–20 кВ/мм.
Выпускают микалексы в виде листов или стержней разного сечения, из которых методом
механической обработки (точения, фрезерования, сверления) изготавливают детали нужных
форм и размеров. Применяют микалексы для изготовления держателей мощных радиоламп,
каркасов катушек индуктивности, плат переключателей, панелей воздушных конденсаторов.
При использовании в качестве наполнителя синтетической слюды образуется материал
под названием новомикалекс. Его электрические свойства: ε=7,5–8; ρ=1010–1012 Ом·м; tgδ=(8–
15)·10–4 при 1 МГц; Епр=30 кВ/мм.
Миканиты представляют собой композиционный материал листового или рулонного
строения, полученный путем склеивания отдельных пластинок щепаной слюды с помощью
клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или
ткани. Подложка наклеивается с одной или обеих сторон, увеличивая прочность материала на
разрыв и затрудняя отслаивание пластинок слюды при изгибе материала.
53
Классифицируют миканиты с помощью двух или трех букв и цифры. Первая буква
обозначает тип миканита: К–коллекторный, П–прокладочный, Ф–формовочный, М–микафолий,
Г–гибкий, Л–микалента. Вторая буква характеризует вид слюды: М–мусковит, Ф–флогопит, С–
смесь мусковита и флогопита. Третья и дальнейшие буквы и цифры указывают на вид клеящего
вещества и дополнительные характеристики материала.
Миканиты К и П являются твердым материалом, из которых изготавливают изоляционные прокладки, не подвергающиеся изгибу. При ударе они издают характерный звенящий звук.
Коллекторный миканит (К) изготавливают из слюды флогопит, как более легко истирающийся. В качестве связующего используют шеллак, глифталиевую или другую смолы в минимальном количестве – до 4%. Миканит К имеет хорошие механические свойства и малую
усадку. Применяют в качестве изоляции медных коллекторных пластин (междупластинная изоляция) электрических машин.
Прокладочный миканит (П) производят из слюды мусковит, флогопит и их смеси. В качестве связующего используют шеллак, глифталевую или кремнийорганическую смолы. Содержание слюды в миканите П составляет 80–97%; применяют для изготовления различных
электроизоляционных прокладок, шайб.
Формовочный миканит (Ф) изготавливают в виде листов толщиной от 0,1 до 0,5 мм с
содержанием слюды 80–95%, остальное связующее – шеллак, глифталевая или кремнийорганическая смолы. При нормальной температуре миканит Ф тверд, однако при нагревании размягчается и становится способным принимать заданную форму, которая при охлаждении
сохраняется. Применяют для изготовления коллекторных манжет (изоляция коллектора от вала
в электромашинах), каркасов катушек, фланцев, трубок и других фасонных изделий.
Микафолий (М) – разновидность формовочного миканита; изготавливают его из флогопита или мусковита. В качестве связующего используют глифталевый, шеллачный, полиэфирный или кремнийорганический лаки. Содержание слюды в нем не менее 45–50%. Имеет с одной
стороны подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Выпускается в листах или рулонах
толщиной от 0,15 до 0,30 мм. У микафолия из флогопита Епр≥13 кВ/мм, а из мусковита Епр≥15–
16 кВ/мм. Применяют для изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напряжения,
где требуются большие усилия при намотке.
Гибкий миканит (Г) получают на основе мусковита или флогопита в виде листов толщиной от 0,15 до 0,50 мм. В качестве связующего применяют масляно-битумные, масляноглифталевые или кремнийорганические лаки. Содержание слюды (без подложек) составляет
75–90%. Выпускают также гибкие миканиты на подложке, т.е. оклеенные с обеих сторон бумагой; содержание слюды в них – не менее 50%. Эти миканиты обладают гибкостью и применяются в качестве изоляции обмоток секций, гибких прокладок, пазовой изоляции электрических
машин и аппаратов.
Микалента (Л) – разновидность гибкого миканита. Получают из крупных пластин слюды, склеенных в один слой с перекрытием примерно на одну треть. Имеет с одной или с обеих
сторон подложки из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Микалента выпускается толщиной
0,10; 0,12; 0,15 и 0,17 мм и шириной от 10 до 35 мм. Является одним из основных видов изоляции электрических машин высокого напряжения. Хранят в закрытой металлической таре, заполненной насыщенным паром соответствующего лакового растворителя. При пересыхании
микаленту необходимо выдержать в парах лакового растворителя.
Нагревостойкие миканиты производят на основе природной и синтетической смолы. В
качестве связующего используют неорганические вещества – фосфорнокислый аммоний (аммофос), алюмофосфаты. Этот вид миканитов выпускают в листах толщиной от 0,2 до 1,0 мм,
нагревостойкостью в несколько сот градусов (до 850°С).
Слюдиниты (за рубежом – самика) и слюдоспласты получают с помощью бумагоделательных машин, отсюда и другое название – слюдяные бумаги. В отличие от миканитов их про-
54
изводство максимально механизировано и практически исключает ручной труд. Получают
слюдиниты и слюдопласты из измельченной специальным способом очищенной исходной (нещепаной) слюды мусковит или флогопит, или их отходов. При измельчении слюды образуются
пластинки (чешуйки) толщиной до 1 мкм, длиной и шириной порядка десятых долей миллиметра. Из массы измельченной слюды и воды с помощью бумагоделательной машины получают слюдинитовую бумагу толщиной от 10 до 150 мкм для производства слюдинитов или
толщиной от 40 до 200 мкм – для слюдопластов. Полученный материал пропитывают связующим веществом на основе эпоксидной, кремнийорганической или другой смол. Слюдиниты используют и в сухом виде, т.е. без пропитки электроизоляционными лаками в качестве
связующего. Такие слюдиниты легко разрушаются при соприкосновении с водой и имеют невысокую электрическую прочность (Епр=15–20 кВ/мм). В ряде случаев полученную слюдинитовую бумагу отпрессовывают. К слюдинитам и слюдопластам с одной или обеих сторон
наклеивают подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки, получая коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий слюдинит или слюдопласт, в том числе слюдинитофолий и слюдопластовые ленты. Слюдопласты, как правило, имеют более высокую механическую
прочность и большую короностойкость, чем слюдиниты.
Асбест – это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты
тончайших кристаллитов, нагревостойкий материал, с невысокими электроизоляционными
свойствами, достаточно эластичный, с высокой механической прочностью, обладает прядильной способностью
Длина волокон колеблется от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. В
электроизоляционной технике из множества асбестовидных минералов получил применение
хризотиловый (или серпентинный) асбест, представляющий собой водный силикат магния
3MgO·2SiO2·2H2O с содержанием до 3% различных примесей в виде окислов железа, алюминия, кальция.
Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, шнуры, ткани, бумаги, картон и другие изделия.
При температуре 450–700°С он теряет кристаллизационную воду и разрушается. Асбест относительно гигроскопичен и растворяется даже в слабых кислотах. При пропитке асбеста олифой,
парафином, битумами и смолами его гигроскопичность и влагопоглощаемость снижаются.
Электроизоляционные свойства асбеста невысокие: ρ=108–1010 Ом·м; Епр=2–6 кВ/мм, поэтому в
высоковольтной и высокочастотной технике его не применяют.
Известны материалы на основе асбеста, главные из которых – электронит и асбестоцемент.
Электронит – пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – каучук. Выпускают электронит в листах толщиной от 0,1 до 6 мм. При толщине 0,5 мм
его Епр>7 кВ/мм. Применяется электронит в низковольтной аппаратуре в качестве втулок, прокладок.
Асбестоцемент – неорганическая пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – портландцемент. Изготавливают из асбестоцемента доски толщиной
от 4 до 40 мм, длиной 1200 и шириной 700–900 мм, трубы, муфты и другие фасонные изделия.
У асбестоцемента неплохие механические свойства и высокая нагревостойкость (у непропитанного – более 220°С), искро- и дугостойкость. Благодаря последнему свойству он широко используется в производстве искро- и дугогасительных камер и перегородок.
Недугостойкие изделия из асбестоцемента, работающие в условиях окружающей атмосферы, в том числе для сильноточной аппаратуры, пропитывают обычно мазутом, каменноугольным пеком или битумом.
У пропитанного асбестоцемента водопоглощаемость до 2%, Епр=2–3 кВ/мм; ρ=108–
10
10 Ом·м.
55
Минеральные диэлектрики
К минеральным диэлектрикам относятся мрамор, тальк, мел и др. Все они в электроизоляционной технике имеют ограниченное применение из-за низких электроизоляционных
свойств.
Мрамор – минерал зернисто-кристаллического строения, состоящий в основном из карбоната кальция СаСО3. Размер кристаллических зерен колеблется в широких пределах (от сотых долей миллиметра до 7 мм). Чем мельче зерно, тем выше механическая прочность, лучше
электроизоляционные свойства, меньше гигроскопичность. Мрамор стоек к действию воды,
щелочей, масел, органических растворителей, но растворяется в кислотах, даже слабых, с выделением СО2. Он малостоек к термоударам. Во влажной среде электроизоляционные свойства
его значительно ухудшаются. Для повышения влагостойкости изделия из мрамора пропитывают парафином, битумом или стиролом с последующей его полимеризацией или лакируют.
Нагревостойкость мрамора длительная – до 100–110°С и кратковременная –до 250°С. Водопоглощаемость за 24 ч 0,15–0,4%. Его электрические свойства: ε=8–10; ρ=105–109 Ом·м, tgδ=(5–
10)·10–3 при 50 Гц; Епр=2,5 кВ/мм.
Тальк – минерал белого цвета или окрашенный в светлые тона, очень мягкий – легко
режется ножом; его химическая формула –
2
2O. Температура плавления находится в пределах от 1200 до 1600°С, обладает относительно высокой кислотостойкостью.
В электротехнической промышленности тальк используют при изготовлении высоковольтной стеатитовой керамики и в качестве наполнителя для кабельных резин. В кабельной
технике в качестве наполнителя также применяют и другие минералы: мел и каолин.
Тема 12. Органические диэлектрические материалы (полимеры)
Термопласты, или термопластичные полимеры, представляют группу диэлектриков,
обладающих хорошими электрическими свойствами, что обеспечивает их широкое использование в электро- и радиотехнике. Макромолекулы их имеют строение линейное или разветвленное. В большинстве случаев термопласты – это аморфные или аморфно-кристаллические
полимеры, нерастворимые в воде, однако, как правило, растворимые в близких по природе органических растворителях; они слабо гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам
(кислотам и щелочам). Ряд из них имеет достаточно низкую температуру стеклования, поэтому
при комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше
температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием
внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом
состоянии из них изготавливают изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в
пластическое состояние.
Все термопласты, за редким исключением (например, политетрафторэтилен и полиимиды), горючи, а изделия из них пожароопасны. Для снижения горючести и повышения тем самым пожаробезопасности электро- и радиоаппаратуры в полимеры в ряде случаев вводят
антипирирующие добавки.
Антипирен – это вещество, которое при температуре горения разлагается с выделением
большого количества негорючих газообразных продуктов, снижающих концентрацию кислорода в зоне горения до величины гашения пламени.
В большинстве случаев термопласты используют в производстве изделий без наполнителей, поэтому их часто называют смолами, которые могут быть природными и синтетическими.
56
В электроизоляционной технике термопласты применяют как самостоятельно,
например изоляция проводов и кабелей, каркасы катушек индуктивности, пленки для производства конденсаторов, волокнистые материалы, так и в виде составной части клеев, лаков, компаундов, пластмасс. Используют их и как конструкционные материалы. Все термопласты по
своему поведению в электрическом поле подразделяются на две большие группы: термопласты
неполярные и полярные. Для снижения температуры стеклования Тс, увеличения термо- или
светостойкости в термопласты вводят небольшие количества соответствующих добавок (стабилизаторов, пластификаторов), в некоторых случаях – красители.
Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления ρ, электрической прочности Епр и низкие диэлектрические потери tgδ. Значения диэлектрической проницаемости ε и tgδ у них мало зависят от температуры и частоты в широком
интервале (табл. 3.3). Это позволяет использовать неполярные термопласты в области ВЧ и
СВЧ.
Таблица 3.3
Свойства синтетических полимеров (смол)
Епр
при
tgδ104
ε при
чапри
Предел
Водо- частостоте
Относиρ при частопрочнопоглоте
50 Гц
тельное
темпете
сти при
щение 1 МГ
и
Полимеры (смолы)
удлинение
ратуре 1 МГц
растяза 30
при
толпри разры20°С, и темжении,
сут при темпещине
ве, %
Ом·м пераМПа
20°С, % ратуре
~1
туре
20°С
мм,
20°С
кВ/м
м
1
2
3
4
5
6
7
8
Неполярные термопласты
0,005–
1015–
Полиэтилены
10–33
200–800
2,2–2,4
2–4 45–60
0,01
1016
1014–
Полипропилен
30–35
200–800
0,03 2,0–2,2
2–5 30–35
1016
1014–
Полиизобутилен
2–4,4
550–1000
0,05 2,2–2,3
3–5 16–23
1015
10|4–
Полистирол
35–41
1,5
0–0,07 2,5–2,6
1–3 25–35
1016
1015–
Политетрафторэтилен
14–35
250–500
–
1,9–2,2
2–2,5
40
1018
57
1
2
3
4
Полярные термопласты
Политрифторхлорэтилен
30–40
Поливинилхлорид
40–60
Полиамиды
54–108
Полиимиды
160–180
Полиэтилентерефталат
150–200
Поликарбонаты
65–80
Полиуританы
50–60
Полиметилметакрилат
76
Поливинилформаль
60–70
Феноло- и крезолоформальдегидные
49–56
Анилиноформальдегидные
60–70
Карбамидоформальдегидные
56–92
Меламиноформальдегидные
56–92
Глифталевые
21–28
Эпоксидные (диановые)
20–50
5
6
Продолжение табл. 3.3
7
8
1014–
100
1015
1012– 150–
5–100
0,4–0,6 3,5–4,5
1013
180
1011– 220–
100–150 1,4–3,3 4–6
1012
300
0,8 (при
65
3,5
1015
6–16
1000°С)
1013–
70
0,5
3,1–3,5
20–200
1015
1014–
50–110
0,2
3,0
6–20
1015
200–
500–1000
0,2
4,5–5,0 1012
300
11
10 – 200–
3
0,2
2,8–3,7
1012
300
11
10 –
5–10
0,5–3,0
3,3
200
1014
Реактопласты
150–
1,0–1,5
0,1–0,2 4,5–5,0
–
300
0,01–
1012–
–
3,5–3,6
20–60
0,08
1013
1010–
–
0,5–0,7 6,6–7,7
300
1011
1010–
0,6–0,9
0,3–0,6 3,5–7,6
500
1011
0,08–
–
6,0
1012
–
0,10
1012–
–
0,25 3,6–4,0
40–180
1014
70–200
–
2,5–2,7
20–25
35–45
20–25
160–
200
30
30
26
18–35
26
12–16
20
12–16
12–16
–
16–18
Следовательно, неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε=2–2,6;
ρ=1014–1018 Ом·м; tgδ~104; Епр≈до 60 кВ/мм при толщине пленок ~ 1 мм; у пленок толщиной
0,02–0,1мм Епр имеет значения до 250 кВ/мм. На значения электрических характеристик, особенно ρ, сильно влияет присутствие ионогенной примеси. Чем выше степень чистоты и меньше
влажность неполярного полимера, тем лучше его электрические свойства. Этим можно объясПолиэтилен (ПЭ) – бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного
этилена; имеет общую химическую формулу (–СН2–СН2–). Фактически строение молекул ПЭ
более сложно, чем это отображено формулой. В молекулярной цепи, хотя и в малом количестве,
имеются боковые ответвления в виде –СН3, –С2Н5 и более сложных групп, двойные связи (не
только в цепи, но и в ответвлениях), карбонильные группы в значительной мере и определяют
электрические свойства ПЭ. Температура стеклования имеет примерно такие же значения, что и
температура хрупкости. ПЭ пожароопасен, горит голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.
58
В зависимости от условий полимеризации различают полиэтилен высокого давления
(ПЭВД), низкого давления (ПЭНД) и среднего давления (ПЭСД). ПЭВД получают при давлении 1470–2500 атмосфер (147–250 МПа) и температуре 180–270°С. Для получения ПЭНД и
ПЭСД используют катализаторы. Полимеризация протекает при давлении и температуре, равными соответственно для ПЭНД 3–5 атмосфер (0,3–0,5 МПа) и 70–80°С, для ПЭСД 34–39 атмосфер (3,4–3,9 МПа) и 160–180°С. ПЭВД является полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а
ПЭНД и ПЭСД – полиэтиленами высокой плотности (ПЭВП).
Выпускают различные марки полиэтилена, отличающиеся плотностью, наличием или
отсутствием стабилизаторов. Кроме того, отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета.
ПЭ при комнатной температуре не растворим в органических растворителях и лишь при температурах выше 70°С набухает и с трудом растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. К действию растворителей и масел ПЭНД более стоек, чем ПЭВД. ПЭВД имеет
сравнительно низкую плотность (910–930 кг/м3), содержит в молекулярной цепи до 36 боковых
ответвлений на каждую тысячу атомов углерода, которые затрудняют процесс кристаллизации.
Поэтому ПЭВД содержит всего 50–65% кристаллической фазы. Его молекулярная масса равна
(8–50)·104, Тпл=105–108°С, σр=10–17 МПа, σи=11,8–16,7 МПа, относительное удлинение при
разрыве δ=500–800%, твердость по Бринеллю 13,7–24,5 МПа.
ПЭНД имеет плотность, равную 950–960 кг/м3, содержит до 6,0 боковых ответвлений на
каждую тысячу углеродных атомов, степень кристалличности составляет 75-85% Его молекулярная масса равна (8–350)·104, Тпл=120–125°С, σр=22–30 МПа, σи=19,6–34,3 МПа, δ=300–800%,
твердость по Бринеллю 44–60 МПа.
ПЭСД имеет плотность 960–970 кг/м3, содержит по 2,5 боковых ответвлений на каждую
тысячу углеродных атомов. Меньшее число дефектов (числа боковых ответвлений) в молекулярной цепи, чем у ПЭВД, облегчает кристаллизацию, поэтому он имеет более высокую плотность (960–970 кг/м3) и степень кристалличности (80–90%), чем ПЭВД. Молекулярная масса
равна (30–40)·104, Тпл=127–130°С, σр=27–33 МПа, σи=24,5–39,2 МПа, δ=200–800%, твердость по
Бринеллю 60–64 МПа.
С повышением плотности ПЭ увеличиваются его температура плавления, разрушающие
напряжения при растяжении σр и изгибе σи, модуль упругости и твердость; эластичность при
этом снижается. Изделия из ПЭ при длительной статической нагрузке деформируются: из
ПЭНД – при нагрузке, равной 2,45 МПа (25 кгс/см2), а из ПЭВД – при нагрузке 4,9 МПа
(50 кгс/см2). Изделия из ПЭ, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут
растрескиваться.
ПЭ обладает высокой водостойкостью. Водопоглощение за 30 суток при 20°С составляет
у ПЭВД – 0,02%, ПЭНД – 0,005% (при 70°С – 0,04%), ПЭСД менее 0,01%. Пленки из ПЭВД
имеют низкую проницаемость по отношению к водяным парам, но высокую к газам. У ПЭВД
диэлектрические потери несколько ниже, а стойкость к старению несколько выше, чем у ПЭНД
и ПЭСД. Однако ПЭНД обладает несколько лучшими физико-механическими свойствами, чем
ПЭВД. Стоимость ПЭВД ниже, чем ПЭНД и ПЭСД.
Нагревостойкость ПЭ при кратковременном воздействии тепла ограничивается ухудшением механических характеристик, а при длительном воздействии в условиях доступа воздуха –
окислением. Нагревостойкость ПЭ составляет 80–90°С. Для повышения нагревостойкости в ПЭ
вводят различные стабилизаторы. В некоторых случаях уже готовые изделия (например, кабели, электроизоляционные трубки, муфты, пленки) подвергают ионизирующему облучению.
При облучении происходит частичная сшивка молекулярных цепей ПЭ благодаря наличию в
них небольшого количества двойных связей (дефекты строения) и образованию пространственной структуры. Облученный ПЭ более тверд и имеет нагревостойкость, ограниченную тепловым старением, – до 105°С, а кратковременную нагревостойкость – до 200°С. Облученные в
59
деформированном состоянии изделия из ПЭ обладают интересной способностью – при умеренном нагреве восстанавливают форму и размеры, существовавшие до облучения.
Полиэтилен широко используют в производстве разнообразных проводов и кабелей, в
том числе высокочастотных и силовых. В настоящее время ПЭ является одним из крупнотоннажных материалов в кабельной промышленности. Перерабатывается ПЭ в изделия методом. экструзии при 150–230°С.
Полипропилен (ПП) – бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света
– получают путем полимеризации газообразного пропилена в присутствии катализатора. Общая
химическая формула ПП:
(CH
)n
2  CH
|
CH
3
Как и ПЭ, полипропилен огнеопасен. Молекулярные цепи имеют высокую регулярность,
что облегчает их кристаллизацию. Поэтому ПП обладает высокой степенью кристалличности –
90–95%, плотность его равна 900–910 кг/м3, молекулярная масса (8–20)·104, Тпл=160–170°С,
твердость по Бринеллю 59–64 МПа, удельная ударная вязкость σуд=78,5 кДж/м2. Существенный
недостаток ПП – низкая морозостойкость.
ПП в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении,
большую твердость и жесткость. Его «длительная» нагревостойкость не более 105°C. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, при температуре 80°С и выше
растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. Устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел даже при повышенных температурах. Меньше,
чем ПЭ, подвержен растрескиванию под воздействием агрессивной среды. Пленки из ПП наряду с
высокой нагревостойкостью, прозрачностью и механической прочностью имеют низкую газо- и
паропроницаемость.
При повышенных температурах в присутствии кислорода ПП окисляется; физикомеханические и электрические свойства при этом ухудшаются. ПП также окисляется под действием прямого солнечного света. В помещении или на открытом воздухе в отсутствие прямых
солнечных лучей свойства ПП не изменяются в течение длительного времени. Для увеличения
стойкости к тепловому и световому старению в ПП вводят стабилизаторы. Наиболее перспективной областью его применения является конденсаторостроение.
Полиизобутилен (ПИБ) - бесцветный продукт полимеризации изобутилена в присутствии катализаторов. Общая химическая формула
CH3
– (CH2 
|
C
|
)n
CH3
ПИБ, как и ПЭ, огнеопасен. Производят его в виде низко-, средне- и высокомолекулярных продуктов. Высокомолекулярный ПИБ имеет молекулярную массу (20–25)·104; устойчив к
действию кислот, в том числе концентрированной HNO3 и щелочей. Его плотность равна 910–
930 кг/м3, морозостойкость составляет –50°С. ПИБ растворим в алифатических, ароматических
и хлорированных углеводородах, в сероуглероде, нерастворим в полярных жидкостях: спиртах,
кетонах, сложных эфирах. Под действием солнечных лучей и кислорода его свойства ухудшаются. Для повышения стойкости ПИБ к ультрафиолетовым лучам в него вводят активные
наполнители – сажу, графит (до 150%).
Электрическая прочность ПИБ заметно ниже, диэлектрические потери несколько выше,
чем у ПЭ.
60
Полиизобутилен в отличие от многих других полимеров имеет чрезвычайно низкую
влаго- и газопроницаемость. Существенные его недостатки – низкая механическая прочность и
высокая хладотекучесть. Поэтому в чистом виде его применяют редко. Для увеличения твердости в ПИБ добавляют наполнители. Высокомолекулярный ПИБ применяют в композиции с полистиролом для изготовления изоляционных лент; вводят в состав кабельного ПЭ, для
повышения гибкости, стойкости к растрескиванию и снижению влагопроницаемости. Низкомолекулярный ПИБ используют для пропитки бумажных конденсаторов; вводят в состав некоторых клеев.
Полистирол (ПС) - твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола). Общая химическая формула
(CH
)n
2  CH
|
C
6H
5
где С6Н5 – бензольный заместитель.
В зависимости от способа полимеризации ПС выпускают блочный, суспензионный и
эмульсионный. Кроме того, используя катализаторы, получен изотактический ПС кристаллического строения, обладающий более высокой температурой плавления (230–240°С) и более высокими механическими показателями, чем аморфный ПС. Однако изотактический ПС трудно
перерабатывается в изделия, поэтому его производство ограничено.
Блочный ПС обладает высокой влагостойкостью – его водопоглощение за 24 ч равно 0%,
в то время как у суспензионного ПС оно составляет 0,01–0,02%, а у эмульсионного – 0,07%.
Блочный ПС – это бесцветный, прозрачный материал, пропускающий до 90% видимого света. В
ультрафиолетовой и инфракрасной областях его прозрачность ниже. Показатель преломления
света у него достаточно высок, благодаря чему его применяют для изготовления оптических
стекол. Электрические характеристики эмульсионного ПС ниже, чем блочного и суспензионного.
Полистирол имеет плотность 1050–1070 кг/м3 и молекулярную массу, равную (5–30)·104,
Тс=80–90°С, твердость по Бринеллю 137–196 МПа. С увеличением молекулярной массы электрические свойства ПС улучшаются – ρ и Епр возрастают, tgδ уменьшается. Пожароопасен, горит с образованием сильнокоптящего пламени.
Полистирол – один из первых синтетических материалов, используемых в электро- и радиотехнике. Это хороший диэлектрик Его электрические свойства практически не зависят от
влажности окружающей среды, температуры в пределах от минус 80 до плюс 90°С и частоты в
интервале от 102–109 Гц. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и
спиртов, растворяется в четыреххлористом углероде, бензоле.
Недостатки ПС – относительно невысокая нагревостойкость, а главное – низкая удельная ударная вязкость (σуд=16–22 кДж/м2), относительно хрупок, а при старении хрупкость увеличивается. Для повышения нагревостойкости в ПС вводят до 30% кварцевой или слюдяной
муки, белой сажи или талька, армируют стеклянным волокном. Для снижения хрупкости в ПС
вводят до 8% каучука (получают привитой сополимер). Полученный материал называют ударопрочным полистиролом (марки УПС, УПМ, УПП). Он имеет высокую удельную ударную вязкость (σуд=30–60 кДж/м2) и высокие показатели других физико-механических свойств.
Перспективным материалом на основе стирола является его сополимер с акрилонитрилом и бутадиеном, получивший название пластик АБС (от начальных букв, образующих его
трех компонентов). АБС-пластик отличается от ПС более высокими нагревостойкостью (выше
на 10%) и удельной ударной вязкостью (до 70 кДж/м2), хорошей способностью металлизироваться; практически водонепроницаем, имеет хорошую термостабильность, повышенную хи13
мическую стойкость, неплохие электрические свойства (ε=
–1014 Ом·м; tgδ=8·10–3).
АБС-пластик легко перерабатывается в изделия всеми характерными для термопластов спосо-
61
бами. В электро- и радиотехнике применяется для изготовления корпусов приборов и отдельных деталей.
Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, панели электронных ламп, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко
применяют ПС в производстве конденсаторов. Для этих целей используют пленку (стирофлекс) толщиной от 6 до 200 мкм (обычно не толще 40–50 мкм), ориентированную в двух перпендикулярных направлениях. Такая пленка менее дефектна и обладает высокими
электрическими свойствами.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) – продукт полимеризации тетрафторэтилена; имеет
общую химическую формулу
(–CF2–CF2–)..
Его плотность равна 2150–2240 кг/м3, молекулярная масса (14–50)·10–4, степень кристалличности 80–85%. При нагревании ПТФЭ практически не плавится, а при 415°С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30–40 МПа, σуд – до
100 кДж/м2. Полимер молочно-белого цвета, отечественное название – фторопласт-4, за рубежом (США) – тефлон. ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, практически негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к действию кислот и
щелочей – на него не действуют никакие кислоты, в том числе смесь HNO 3 и НСl («царская
водка»). Обладает высокой нагревостойкостью – до 260°С и выдерживает кратковременный
нагрев до 300°С. Тс=–120°С, а длительная рабочая температура имеет интервал от минус 269 до
плюс 260°С.
Недостатки ПТФЭ – невысокая стойкость к радиационному излучению (он деструктирует) и хладотекучесть – под действием небольших статических нагрузок начинает деформироваться при комнатной температуре и ниже.
ПТФЭ – хороший диэлектрик; его электрические свойства остаются практически неизменными в пределах от минус 60 до плюс 200°С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ
включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве
ВЧ-изоляции, а также в производстве термо- и влагостойких конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, в том числе тонкой (эмалевой) изоляции проводов, пластин,
дисков, прокладок и других уплотнительных деталей. Монолитные заготовки и изделия изготавливают методом, имеющим много общего с порошковой металлургией.
Для полярных термопластов характерны повышенные значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, которые существенно зависят от
температуры и частоты напряжения. Значения ρ и Епр у них ниже, чем у неполярных материалов.
Эти полимеры являются низкочастотными диэлектриками и применяются в электроустановках, работающих при постоянном напряжении или в области низких частот. Для них
характерны следующие значения электрических характеристик: ε=3–6, ρ=1011–1014 Ом·м,
tgδ≈10–2; Eпр≈ 40 кВ/мм при h≈1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1 мм Епр имеет значения
180 кВ/мм и выше. У слабополярных термопластов значение ρ выше, a tgδ ниже.
Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ)– продукт полимеризации трифторхлорэтилена белого
цвета; общая химическая формула
(–CF2–CFCl–)n
Плотность его составляет 2090–2160 кг/м3, степень кристалличности 40–70%, молекулярная масса (2–36)·10–4, Тпл кристаллической фазы около 215°С, Тс аморфной фазы 50°С.
Практически нехладотекуч, негорюч; отечественное название – фторопласт-3. В сравнении с
фторопластом-4 имеет более низкую нагревостойкость, но более высокие эластичность и
62
удельную ударную вязкость. Может эксплуатироваться без нагрузки в интервале температур
от минус 195 до плюс 190°С, под нагрузкой в пределах от минус 60 до плюс 70°С. При температуре около плюс 300°С разлагается и окрашивается от темно-коричневого до черного цвета.
ПТФХЭ – слабополярный диэлектрик. Показатели его электрических характеристик несколько ниже, чем у фторопласта-4, однако выше радиационная стойкость и более простая технология переработки. Электрические свойства выше плюс 120°С существенно ухудшаются.
Применяют ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, а также для изготовления сложных по форме радиотехнических деталей, панелей ламп, гнезд и т.п.
Поливинилхлорид (ПВХ) – полупрозрачный с желтоватым оттенком твердый продукт
полимеризации винилхлорида; общая химическая формула
(–СН2–СНСl–)n
Имеет широкое молекулярно-массовое распределение. Его плотность 1350–1360 кг/м3,
молекулярная масса (5–10)·104, степень кристалличности может достигать 10%, Tc=78–105°С,
Tт=180–220°С. При температуре 130–150°С начинается медленное, а при 170°С более быстрое
разложение ПВХ, сопровождающееся выделением хлористого водорода НСl. Практически негорюч (горит только в пламени с выделением НСl и Сl2), стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Растворим при нагревании в тетрагидрофуране,
циклогексаноне, ацетоне. Его электрические свойства зависят от температуры и частоты
напряжения.
В связи с высоким значением Tс при комнатной температуре ПВХ находится в стеклообразном состоянии. В таком виде он выпускается под названием винипласт. Это листовой или
трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Для снижения Тс и придания ПВХ большей гибкости и эластичности его пластифицируют, для чего в него
вводят до 50% соответствующего пластификатора. Пластфицированный ПВХ имеет Тс около
минус 40°С° и используется для изготовления изоляции проводов, защитной оболочки кабелей.
При содержании дибутилфталата в количестве 8–40 мас.% Епр ПВХ увеличивается на 15–18%.
При меньшем и большем содержании пластификаторов Eпр ниже, чем у ПВХ непластифицированного.
Для улучшения свойств ПВХ его в отдельных случаях подвергают дополнительному
хлорированию. Такой материал называется перхлорвинилом (ХПВХ). Он содержит до 61,5–66%
хлора (в ПВХ хлора 56,8%), растворим во многих растворителях: ацетоне, хлорбензоле, толуоле, ксилоле. Обладает повышенной адгезией к различным материалам, поэтому широко применяется для производства лаков, эмалей и клеев. Полимер эксплуатируется при температурах до
85°С. Имеет более низкую холодостойкость, чем ПВХ.
Полиамиды (ПА) – продукты поликонденсации, для которых характерным является
наличие в химических звеньях макромолекул амидной группы
 N  C
|
||
N
O
Это полярная группа, которая в основном и определяет весь комплекс электрических
свойств. В зависимости от степени чистоты исходных продуктов ПА имеет окраску от бесцветной до желто-коричневой. Полимер горит с запахом прелых овощей. Наиболее распространенными отечественными видами полиамидов являются капрон (полиамид-6), имеющий общую
химическую формулу
[–NH(CH2)5CO–]n
и найлон (анид, полиамид-6,6) с общей химической формулой
[–NH(CH2)6NH–OC(CH2)4CO–]n.
ПА имеют плотность 1120–1140 кг/м3, молекулярную массу (8–25)·10–3, Тпл=210–215°С,
Тхр=–30°С, у некоторых видов до минус 70°С Они плавятся без разложения, отличаются высо-
63
кой прочностью при ударных нагрузках (σуд=98–157 кДж/м2) и эластичностью. Растворяются
только в концентрированных серной, соляной, азотной и муравьиной кислотах, фенолах и амидах. Растворы щелочей разрушают их. ПА устойчивы к действию жиров, масел, продуктов перегонки нефти, спиртов. При нагревании на воздухе происходит окислительная деструкция,
которая резко возрастает под действием солнечного света и УФ-лучей. Физико-механические и
электрические свойства при этом резко ухудшаются. ПА хорошо поддаются обработке резанием и горячим прессованием.
Электрические свойства ПА в значительной степени зависят от температуры, частоты
напряжения и содержания влаги. Используют их для изготовления искусственных волокон,
пластмасс, различных установочных и несущих элементов радиоаппаратуры. Входят ПА в состав некоторых компаундов, лаков и эмалей. В приборостроении применяют также и наполненные ПА. Для улучшения ряда физико-механических показателей, уменьшения водопоглощения
и ТКЛР в ПА вводят такие наполнители, как тальк, аэросил, стеклянные волокна, графит. Из
наполненных ПА изготавливают детали с жесткими размерами допусков, работающие в интервале температуры от минус 60 до плюс 120°С.
Полиимиды (ПИ) – группа полимеров, имеющих в химических звеньях молекулярных
цепей имидную группу
|
0C N C0,
|
|
которая и определяет электрические свойства. Это слабополярный диэлектрик с хорошими
электрическими характеристиками. По химическому строению ПИ делятся на алифатические и
ароматические, линейные и трехмерные. Плотность их равна 1430 кг/м3. Высокой степенью
кристалличности (60% и более) обладают некоторые алифатические ПИ. Большинство ароматических ПИ – аморфные вещества с различной степенью упорядочности. Молекулярная масса
их достигает до 200·103, σуд=50–80 кДж/м2, Тс≈500°С. Материал негорюч, может иметь окраску
от светло-золотистой (почти бесцветной) до темно-красной. Нагревостойкость длительная – до
200–250°С и кратковременная – до 500°С. Стоек к действию озона и облучению электронами
высокой энергии. Нестоек к действию щелочей и некоторых органических веществ.
ПИ используют в производстве некоторых видов пластмасс, лаков, эмалированных проводов. Пленки из ПИ применяют в качестве обмоточной изоляции электрических машин, в
производстве кабелей, обмоточных проводов, печатных схем, конденсаторов. Они сохраняют
гибкость при температурах вплоть до криогенных (минус 195°С). Кроме пленок из одного полиимида, выпускают также пленки на основе ПИ, покрытые с одной или обеих сторон ПТФЭ.
Монолитные изделия из ПИ получают по технологии, имеющей много общего с порошковой
металлургией.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - сложный полиэфир этиленгликоля (двухатомного
спирта) и терефталевой кислоты с общей химической формулой
(
CH
CH
O
C
2
2
||
O
C O)n
||
O
Его получают путем поликонденсации, отечественное название лавсан, в Англии – терилен, в США – дакрон. ПЭТФ способен кристаллизоваться; в аморфном состоянии совершенно
прозрачен, в закристаллизованном утрачивает прозрачность. Его плотность равна 1380 кг/м3,
молекулярная масса (5–8)·10–4, Тпл=235–265°С, Тс=80–90°С, Тхр=–80°С. Малогидрофилен (водопоглощаемость 0,5%). Нерастворим в обычных, широко применяемых органических растворителях: ацетоне, ксилоле, диоксане, этилацетоне и т.п. Растворяется в дихлорэтане, фенолах,
64
муравьиной кислоте. При длительном воздействии концентрированной щелочи и концентрированной серной кислоты разрушается; при повышенных температурах легко окисляется.
Плохо горит, образуя коптящее пламя.
Обычно ПЭТФ используют в виде пленок и волокон. Механические свойства его подобны механическим свойствам ПА и мало изменяются в широком интервале температур. При содержании кристаллической фазы до 70% обладает повышенной механической прочностью и
нагревостойкостью (265°С). Наибольшую механическую прочность имеют пленки толщиной
около 6,5 мкм.
ПЭТФ – слабополярный диэлектрик. Пленки из него обладают хорошими электрическими свойствами, электрическая прочность при микронных толщинах достигает 103 кВ/мм. В
электроизоляционной технике ПЭТФ-пленки используют для межслойной изоляции в обмотках
трансформаторов, дросселей и подобных изделиях, работающих в интервале температуры от
минус 60 до плюс 150°С. Применяют пленки также в производстве конденсаторов, которые в
сравнении с бумажными обладают более высокой рабочей температурой (до 150°С ) и меньшими габаритами.
Полиуретаны (ПУР) – высокомолекулярные соединения, содержащие в химических
звеньях молекулярной цепи уретановую группу
 N C O
|
||
H
O
В зависимости от природы исходных компонентов и строения образующихся макромолекул ПУР могут быть термопластичными и термореактивными, пластичными и хрупкими,
мягкими и эластичными.
Из ПУР изготавливают эластичные, устойчивые к старению волокна и пленки, лаки,
клеи (например, ПУ-2), компаунды высоко- и низкочастотные, обладающие высокой тепло-,
водо- и атмосферостойкостью. Лаки используют для эмалирования проводов; клеи пригодны
для склеивания металлов, пластиков, силикатных и органических стекол, керамики, резины и
многих других материалов; компаунды применяют для пропитки и заливки (герметизации) высоковольтных трансформаторов, полупроводниковых выпрямителей, конденсаторов и других
изделий. Компаунды стойки к циклическим температурным ударам. Колебания температуры от
минус 60 до плюс 60°С не нарушают герметичности за счет образования трещин. Провода эмалированные ПУР более технологичны при монтаже, так как ПУР проявляют свойства флюса, и
поэтому не требуется предварительная зачистка эмалевой изоляции, пайку можно производить
путем погружения незачищенного конца провода в расплавленный припой либо непосредственно обработкой паяльником.
Широкое применение нашли полиуретановые эластомеры. Они масло- и бензостойкие,
обладают высокой стойкостью к истиранию и высокой эластичностью, сочетающейся с относительно большой прочностью.
Изделия из ПУР могут работать в условиях высокой влажности в температурном интервале от минус (30–40)°С до плюс (110–120)°С без существенного ухудшения механических
свойств.
Реактопласты или термореактивные полимеры (смолы) – это такие материалы, которые при
нагревании претерпевают необратимые изменения свойств в результате сшивания молекулярных цепей поперечными химическими связями. Материал при этом отверждается – переходит
из расплавленного состояния в твердое.
65
При небольшом числе поперечных связей образуются мягкие эластичные продукты
(например, резины). По мере же увеличения числа связей повышаются жесткость и твердость
полимерного материала, а при образовании очень частой сетки из поперечных связей получается совершенно твердый материал, который и является реактопластом. При повторном нагревании он уже не плавится, в растворителях не растворяется. Реактопласты имеют
пространственное («сшитое») строение молекул, и в данном случае весь блок полимера можно
рассматривать как одну гигантскую молекулу.
Поперечные химические связи в реактопластах могут образовываться как без добавления других веществ – в результате только химического взаимодействия функциональных групп
самого материала, так и при помощи специальных веществ – отвердителей, вводимых в материал. Обычно отверждение происходит при высоких температурах (80–160°С) и очень быстро.
Однако, уже известны системы полимер–отвердитель, в которых сшивание молекулярных цепей происходит и при низких температурах. В первом случае имеет место горячее отверждение,
во втором – холодное отверждение.
Реактопласты содержат функциональные полярные группы и поэтому являются полярными диэлектриками. Электрические свойства их примерно такого же порядка, что и у полярных термопластов: ε=3,5–7,7; ρ=109–1014 Ом·м; tgδ≈10–3–10–1; Enp≈до 20 кВ/мм (в тонких
пленках Епр=80 кВ/мм и выше). В реактопласты для улучшения тех или иных свойств вводят
специальные добавки (стабилизаторы, пластификаторы, твердые наполнители); для придания
желаемого цвета их окрашивают.
Фенолоформальдегидные смолы (ФФ) – продукт поликонденсации фенола С6Н5ОН и
формальдегида СН2О. ФФ полимер имеет сложное пространственное строение, структурный
элемент которого содержит неуравновешенные полярные группы, которые обусловливают его
полярность.
ФФ применяют в производстве пресс-порошков, волокнитов, слоистых пластмасс, компаундов, клеев и лаков. Они хорошо совмещаются с такими полимерами, как ПВХ, ПА, каучуки. Изделия, полученные на их основе, отличаются высокими показателями механической
прочности, теплостойкости, водо- и кислотостойкости, а клеи – хорошей адгезией к разнообразным материалам (металлам, стеклам, древесине).
При поликонденсации фенола с формальдегидом образуются как термореактивные, так и
термопластичные продукты. Термореактивные продукты называют резольными (или резолами),
а термопластичные – новолачными (или новолаками). Если в реакции смолообразования на
моль фенола приходится не менее одного моля формальдегида и берется щелочной катализатор
(например, аммиак), то образуется смола, называемая бакелитом. В начальной стадии (стадии
А) бакелит представляет собой олигомер, называемый резолом. Резол имеет цвет от светложелтого до красного, плавится при температуре 55–80°С и легко растворяется в спирте и ацетоне. Если резольный олигомер нагреть до 140–160°С, то через 1–3 мин в результате процессов
сшивания он затвердеет, перейдя в бакелит стадии С, называемый резитом. В готовых изделиях бакелит находится в виде резита. Повышение давления, так же как и температуры, ускоряет
процесс отверждения резола.
Резит – это реактопласт с очень густой сеткой поперечных химических связей. При повторном нагревании он не плавится, в растворителях не растворяется, имеет высокие нагревостойкость, механическую прочность и твердость, малую эластичность и невысокую
влагостойкость.
Если при получении ФФ смолы фенола взять в избытке, а катализатор кислотный
(например, НСl), то образуется смола типа новолака. Это термопластичная смола, представляющая собой смесь олигомеров линейного строения, цвета от светло-коричневого до темно-
66
коричневого. При нагревании смола плавится (при 100–120°С), в растворителях (спирте,
ацетоне) растворяется. Применяют новолачные смолы в производстве клеев типа БФ и пресспорошков. Новолаки отверждают обычно при температуре 160–180°С, при этом образуются неплавкие и нерастворимые продукты (реактопласты).
Длительная нагревостойкость ФФ полимера составляет 120°С. Разрушающее напряжение при статическом изгибе σи=50–100 МПа, σуд=10–20 кДж/м2. Отрицательным качеством является его склонность к образованию трекингов, т.е. когда под действием поверхностных
электрических разрядов на поверхности изделия возникают (токопроводящие) науглероженные
следы. Полимер горюч, при горении выделяется запах фенола и формальдегида.
Карбамидоформальдегидные (мочевиноформальдегидные) (КФ) и меламиноформальдегидные (МФ) смолы получают путем поликонденсации формальдегида СН2О соответственно с карбамидом (мочевиной) (NH2)2CO и меламином C3H6N6 и их производными.
Олигомерные продукты КФ и МФ широко применяют в качестве связующих в производстве слоистых пластиков, пресс-порошков, клеев и лаков. Изделия, полученные на основе
КФ и МФ смол, имеют достаточно высокую механическую прочность, теплостойкость, хорошую адгезию; они бесцветны и прозрачны, что позволяет окрашивать их в различные цвета, в
том числе светлые тона. Изделия, полученные на основе МФ смолы, кроме того, обладают высокой водостойкостью.
Эпоксидные смолы (ЭП) - очень большая группа материалов, для которых характерно
наличие в молекулах эпоксидных групп :
H2C
CHO
Эти группы полярные, поэтому ЭП смолы – полярный диэлектрик.
К ним относятся смолы марок ЭД-24, ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-14, ЭД-8, ЭД-4. Если
ЭД-24 имеет молекулярную массу 350–400 и представляет собой жидкость с невысокой вязкостью, то ЭД-4 имеет молекулярную массу (15–70)·103 и при комнатной температуре представляет собой твердый продукт.
Все ЭП смолы в исходном состоянии растворяются в ацетоне и ряде других полярных
растворителей и представляют собой олигомеры. Каждая молекула олигомера имеет не менее
двух эпоксидных групп. В таком виде ЭП олигомеры могут длительно храниться без изменения
свойств. Если к ним добавить отвердитель (обычно 10 мас.%), то произойдет отверждение и образуется трехмерный («сшитый») полимер. Отверждение происходит за счет процессов полимеризации без выделения побочных низкомолекулярных продуктов (например, воды) и
сопровождается небольшой (0,5–2%) усадкой. В зависимости от типа отвердителя ЭП смолы
могут отверждаться при комнатной температуре («холодное отверждение») либо при нагревании до 80–150°С («горячее отверждение»). В качестве отвердителей холодного отверждения
используют алифатические амины и горячего – ангидриды кислот малеиновой, фталевой.
Отвердители ангидридного типа дают возможность получать полимеры с более высокими электрическими и механическими характеристиками и с большей нагревостойкостью по сравнению
с отвердителями аминами; к тому же они менее токсичны, чем амины.
ЭП смолы широко применяют в электро- и радиотехнике в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов. Ценятся ЭП смолы из-за высокой адгезии к различным
материалам (металлам, неорганическим стеклам, керамике, пластмассам). Благодаря этому
свойству их используют для изготовления клеев, лаков и различных компаундов. Пленки из ЭП
смол отличаются высокой механической прочностью, химической стойкостью и стойкостью к
атмосферным воздействиям.
67
Компаунды – это ЭП смолы, модифицированные пластификаторами (5–15 мас.%),
ненасыщенными полиэфирами, каучуками и другими соединениями. Компаунды изготовляют
без наполнителей и с наполнителями (до 100% от массы полимера).
Пластические массы– это композиционные материалы, состоящие обычно из связующего
(полимера), наполнителей и других ингредиентов и находящиеся при эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Основными образующими их компонентами являются
связующее и наполнители.
Связующее образует непрерывную фазу – матрицу, которая объединяет в единое целое
все составные части пластмассы и в значительной мере обусловливает комплекс ее эксплуатационно-технических характеристик. В качестве связующего обычно используют органические
смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при
нагреве и одновременном воздействии давления формоваться – деформироваться и приобретать
заданную форму. Формование термопластов не сопровождается изменением химического состава полимера и, следовательно, его свойств. При формовании реактопластов протекают химические процессы отверждения олигомеров, в результате чего образуется трехмерный
(«сшитый») полимер, имеющий другую структуру и свойства.
Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим. Наполнители – в основном инертные вещества. По своей природе они разделяются на органические и
неорганические, которые, в свою очередь, делятся на наполнители порошкообразные, волокнистые и листовые.
К органическим порошкообразным наполнителям относятся: древесная мука, лигнин и
другие дисперсные полимеры; к волокнистым – хлопковые и льняные очесы, линтер, сульфатная целлюлоза, синтетические волокна, текстильная и бумажная крошка; к листовым – бумага,
ткань.
К неорганическим порошкообразным наполнителям относятся: молотые слюда и горные
породы, тальк, каолин, кальцит, кварцевая мука, ферромагнитный порошок; к волокнистым –
стекловолокно, длинноволокнистый асбест, базальтовое волокно; к листовым – слюда, стеклоткань.
Наполнители улучшают механические характеристики пластмассы, увеличивают нагревостойкость и существенно удешевляют материал. Однако при этом гигроскопичность и электрические свойства могут ухудшаться, поэтому в пластмассы, от которых требуются высокие
электроизоляционные свойства, наполнители обычно не вводят.
Кроме наполнителя, в пластмассы для придания им желаемых свойств вводят пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества, красители, антипирены и другие специальные добавки. Таким образом, пластмасса обычно является многокомпонентной системой.
Пластификаторы применяют для улучшения технологических и эксплуатационных
свойств пластмасс. Они понижают температуру стеклования и температуру хрупкости, расширяют интервал высокоэластического состояния полимера.
Отвердители вводят в композиции на определенной стадии переработки в целях создания (или увеличения) поперечных (боковых) химических связей между молекулами полимера.
Смазывающие вещества (парафин, воск, силиконовые жидкости используют в целях
увеличения текучести и предотвращения прилипания пластмасс к оборудованию во время их
изготовления и переработки в изделия.
Стабилизаторами являются вещества, повышающие стойкость полимеров к воздействию тепла, света или кислорода воздуха. Поэтому различают термостабилизаторы, фотостабилизаторы, антиоксиданты – стабилизаторы против термоокислительной деструкции.
68
Путем подбора полимеров в качестве связующего, наполнителей и других ингредиентов получают пластмассы с разнообразными свойствами. Пластмассы с небольшим содержанием добавок (смазок, стабилизаторов, красителей) называют ненаполненными, а с большим (до
65%), в том числе с наполнителями, – наполненными.
В электро- и радиотехнике они используются в качестве как электроизоляционных, так и
конструкционных материалов, что обусловлено достаточно высоким уровнем их электрических
и механических свойств, стойкостью к воздействию высоких и низких температур, химо- и влагостойкостью, эластичностью, небольшой плотностью и легкостью переработки в изделия. В
зависимости от физического состояния полимера (связующего) в момент формообразования
различают следующие основные методы переработки пластмасс:
1) переработка в вязкотекучем состоянии – литье под давлением, экструзия, горячее
прессование, выдавливание;
2) переработка в высокоэластическом состоянии – горячая штамповка, пневмо- и вакуумформовка, обработка резанием;
3) переработка в стеклообразном состоянии – разделительная штамповка, обработка резанием.
Существует метод изготовления изделий непосредственно из жидкого мономера – путем
его полимеризации в специальной форме.
Пресс-материалы с порошкообразным наполнителем чаще всего являются исходными материалами для изготовления из пластмасс многих изделий самой разнообразной формы, в
которых наполнитель применяют в порошкообразном виде. Пресс-порошки представляют собой навески всех компонентов, высушенных, тонко измельченных и тщательно перемешанных.
В зависимости от назначения изделий к пресс-порошкам предъявляются различные требования.
Различают следующие основные группы пресс-порошков.
Пресс-порошки общетехнического назначения производят на основе новолачных ФФ
олигомеров и древесной муки. Предназначены для изготовления ненагруженных армированных
и неармированных изделий технического назначения широкого потребления (ламповые патроны, штепселя, розетки, вилки, рукоятки, корпуса проигрывателей). Электрические свойства изделий этой группы ухудшаются при работе во влажной атмосфере.
Жаростойкие пресс-порошки изготовляют на основе новолачных ФФ олигомеров и неорганических наполнителей (слюды, асбеста) и применяют для изготовления радиодеталей и
электроустановочных изделий, работающих в условиях высоких температур.
Электроизоляционные пресс-порошки получают на основе резольных ФФ олигомеров и
древесной муки и применяют для изготовления армированных и неармированных деталей электротехнического назначения, эксплуатация которых допустима в среде масла и бензина.
Высокочастотные пресс-порошки производят на основе резольных ФФ олигомеров и
неорганических наполнителей (слюды, кварцевой муки). Используют для изготовления ненагруженных и слабоармированных деталей радиотехнического назначения, работающих на воздухе при повышенной влажности (даже в условиях тропического климата).
Безаммиачные (не выделяющие при разложении аммиак) пресс-порошки изготавливают
на основе резольных олигомеров, полученных путем совместной поликонденсации фенола и
анилина с формальдегидом, и древесной муки. Используют их в производстве деталей слаботочной радиоаппаратуры, соприкасающихся или находящихся рядом с серебряными контактами.
Ударопрочные пресс-порошки производят на основе новолаков, совмещенных с каучуком, и наполнителя из древесной муки и применяют для изготовления деталей общетехнического назначения, армированных деталей сложной конфигурации.
69
Влагохимстойкие пресс-порошки приготавливают на основе новолаков, совмещенных с ПВХ, и органического или неорганического наполнителей (древесной муки, графита, каолина). Предназначены для изготовления радиотехнических деталей, крышек и пробок аккумуляторных бачков.
Пресс-материалы с волокнистым наполнителем обеспечивают изделиям более высокие механические характеристики, чем песс-порошки. Поэтому в ряде областей используют
пресс-материалы с волокнистым наполнителем. Из волокнистых материалов наиболее широко
применяются хлопковая целлюлоза, длинноволокнистый асбест и стеклянное волокно. Прессматериалы, в которых в качестве наполнителя использована хлопковая целлюлоза, называют
волокнитами, длинноволокнистый асбест – асбомассами и фаолитами, стеклянное волокно –
стекловолокнитами.
Пресс-материалы с листовым наполнителем имеют слоистую структуру, поэтому и
называются слоистыми пластиками. К ним относятся гетинаксы, текстолиты, стеклотекстолиты,
асботекстолиты, стекловолокнистые анизотропные материалы (СВАМ) и древесно-слоистые
пластики (ДСП). В электро- и радиотехнике наиболее применимы первые три слоистых пластика.
При изготовлении СВАМ и ДСП в качестве листового наполнителя используют шпон
стеклянный и древесный, соответственно. Стеклянный шпон изготавливают из ориентированных стеклянных волокон (наполнитель) и связующего – ФФ олигомера. Для изготовления древесного шпона используют березу или бук.
Слоистые пластики представляют собой пластмассы, в которых наполнителем является
листовой волокнистый материал (бумага, ткань, нетканый материал) с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств. В зависимости от назначения различают: конструкционные, электроизоляционные и декоративные слоистые пластики. Производят
слоистые пластики листового строения, профильные и в виде трубок и цилиндров. Последние
называют намотанными изделиями.
Рассмотрим электроизоляционные пластики. Они обладают высоким уровнем механических свойств в широком интервале температур. В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут
изменяться в широких пределах (ε=6–8; ρ=108–1014 Ом·м; tgδ=(2–10)·10–2; Eпр=8–33 кВ/мм при
h=1 мм), а сами пластики длительно эксплуатироваться при температурах до плюс 180°С.
Наиболее распространенные виды этого материала – гетинакс и текстолит с различными наполнителями. Все эти материалы получают методом горячего прессования или намотки листовых
волокнистых материалов, предварительно пропитанных или лакированных термореактивным
связующим.
Гетинакс - получают путем прессования бумаги в два или несколько слоев, пропитанной олигомерами феноло- или крезолоформальдегидных смол, или других реактопластов, или
их смесями. Прессование производится при температуре 150–160°С, давлении 6–10 МПа и времени выдержки под давлением из расчета 2–5 мин/мм толщины. При этой температуре олигомер расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными ее листами и
затвердевает (переходит в стадию резит).
Гетинакс производят в зависимости от числа слоев толщиной от 0,2 мм до 50 мм, его
плотность 1350–1450 кг/м3. Материал имеет заметную анизотропию свойств. Например, объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50–100 раз, а Епр в 5–8 раз ниже, чем поперек слоев.
Недостатком его, так же как и других пластмасс на основе ФФ смол, является низкая трекингостойкость.
70
Сравнительно новые материалы – гетинакс на основе полиэтилентерефталатной бумаги и эпоксидной смолы и гетинакс, облицованный с обеих сторон слоем полиэтилентерефталатной бумаги, пропитанной эпоксидной смолой. Отличительные особенности гетинакса на основе ПЭТФ-бумаги – высокие показатели влагостойкости, механических и электрических
свойств, хорошая перерабатываемость методом штамповки. Известен гетинакс, изготовленный
на основе стеклянной бумаги – стеклогетинакс.
Фолъгированный гетинакс производят для изготовления печатных схем низкочастотных
цепей радиоаппаратуры. Он представляет собой листовой материал, покрытый с одной или с
обеих сторон фольгой из электролитической меди (99,9%) толщиной 5;18;25;35;50;70;105 мкм.
Чем тоньше медная фольга, тем более плотный металлический рисунок можно получить.
Текстолит - представляет собой слоистый пластик, изготовленный из двух или большего числа слоев ткани, предварительно пропитанной олигомером ФФ смолы или другого реактопласта. В качестве наполнителя могут использоваться ткани хлопчатобумажная, стеклянная
(стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.
Наиболее распространенным является текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. В
сравнении с гетинаксом у него более высокие значения удельной ударной вязкости, стойкости к
истиранию и сопротивлению раскалывания. Электрические свойства примерно такие же, как и
у гетинакса, исключение составляет электрическая прочность, которая заметно ниже. Однако
стоимость текстолита в несколько раз выше стоимости гетинакса, так как при его изготовлении
используют дорогой наполнитель – хлопчатобумажную ткань. Поэтому его целесообразно применять лишь в изделиях, подвергающихся ударным нагрузкам или истиранию (детали переключателей).
В производстве электротехнического стеклотекстолита используют стеклоткань, полученную из алюмоборсиликатного стекла с содержанием окислов щелочных металлов не более
0,5%. В качестве связующего используют кремнийорганические лаки или композиции на основе кремнийорганических и эпоксидных смол. Изготавливают также фольгированный стеклотекстолит, который в сравнении с фольгированным гетинаксом имеет более высокую стойкость к
повышенным температурам и влажности. Электрическая прочность стеклотекстолита почти в
три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.
Резины - представляют собой вулканизированную многокомпонентную систему на основе каучуков. Из-за своей высокой эластичности резины относятся к классу эластомеров.
Отличительной особенностью эластомеров является высокая эластичность и широкий температурный интервал между Tс и Tт. При этом Тт находится намного выше максимально допустимой рабочей температуры, а Тс – ниже минимальной рабочей температуры. К эластомерам
принадлежат такие материалы, как полиуретаны, некоторые виды кремнийорганических полимеров, смесь ПЭ (90%) и ПИБ (10%), пластифицированный ПВХ. Вулканизация каучуков заключается в частичном разрыве двойных связей макромолекул и сшивании их атомами серы (–
S–) с образованием за счет боковых химических связей пространственной структуры. Процесс
вулканизации протекает при температуре 138–200°С. Каучуки вулканизируют, чтобы устранить
их пластичность и повысить эластичность (упругость). У технических резин относительное
удлинение при разрыве составляет 150–500% и сохраняется до минус (40–60)°С.
При изготовлении резины в ее состав, кроме каучука, вводят вулканизирующие агенты
(серу или тиурам, а чаще их смесь), ускорители вулканизации, наполнители (мел, тальк, каолин,
окись цинка), которые улучшают механические свойства и удешевляют резину (наполнители
дешевле каучуков в 20–75 раз), мягчители (стеарин, парафин) – для улучшения технологиче-
71
ских свойств, антиокислители, красители и другие ингредиенты, которые составляют вместе
до 65% и более (остальное каучук).
В зависимости от количества серы, вводимой в каучук, различают резину мягкую и
твердую. Мягкая резина содержит 1–3% серы и обладает высокой эластичностью. Твердая резина (эбонит) содержит 30–35% серы – это твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам, но невысоким относительным удлинением при разрыве (2–6%).
Резина широко используется в производстве проводов и кабелей, диэлектрических перчаток и других изделий. Существенный недостаток резины – низкая стойкость к действию озона, кислорода, света (особенно ультрафиолетового), тепла, электрических разрядов. Под
действием указанных факторов резина стареет и в результате термоокислительного структурирования становится хрупкой и растрескивается. Если старение резины вызвано термоокислительной деструкцией, то она размягчается и становится липкой. Этот вид старения обычно
наблюдается в резинах с относительно высоким содержанием натурального каучука или его
синтетического аналога и небольшой частотой боковых химических связей из-за низкого содержания серы (1–1,5%). При непосредственном контакте резины с медью свободная сера химически взаимодействует с последней, образуя сернистую медь CuS. Поэтому в таких случаях
медная жила провода предварительно покрывается слоем оловянно-свинцового припоя либо
используется тиурамовая резина, для изготовления которой берут не чистую серу, а ее соединение –тиурам [(СН3)2 N-CS-S]2.
Тиурамовая резина – это электроизоляционная резина, не содержит свободной серы и
поэтому может непосредственно накладываться на медную жилу провода; кроме того, она более нагревостойка (65°С), чем «сернистая» резина (55°С).
В кабельной технике используют также резины, содержащие сажу. Эти резины имеют
черный цвет и обладают сравнительно высокой стойкостью к действию солнечного света (его
УФ-спектра), хорошими механическими, но очень низкими электроизоляционными свойствами.
Поэтому такие резины используют только в качестве шланговой изоляции кабелей.
В производстве резин используют смеси каучуков натурального и синтетического.
Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) каучуконосных деревьев, произрастающих в странах с тропическим климатом. В чистом виде НК представляет собой полимер изопрена (метилдивинила)
(
CH
CH

CH
)n
2 C 
2
|
CH
3
Это неполярный диэлектрик (ε=2,4; ρ=1014 Ом·м; tgδ=0,002, Eпр=40 кВ/мм). При вулканизации НК из-за влияния атомов серы усиливаются полярные свойства материала, показатели
электрических свойств понижаются (ε=3–7; ρ=1013 Ом·м; tgδ=0,02–0,1; Епр=20–30 кВ/мм).
К синтетическим каучукам (СК), наиболее широко используемым в электроизоляционной технике, относятся: изопреновый (СКИ-30), бутадиеновый (СКВ), бутадиен-стирольный
(СКС), бутилкаучук (БК), хлорпреновый (наирит), бутадиен-нитрильный (СКН). Первые четыре
вида каучуков являются неполярными диэлектриками и по своим электрическим свойствам
близки к НК; последние два – диэлектрики полярные, с пониженными электроизоляционными
свойствами (ε=8–10; ρ=108 Ом·м; tgδ=0,3; Епр=12–22 кВ/мм). Резины на их основе более стойкие
к действию масел, бензина, окислителей, тепловому старению, менее газопроницаемы.
Бутадиеновый каучук (–СН2–СН=СН–СН2–)n – продукт полимеризации бутадиена (дивинила). При температуре 200–300°С без вулканизирующих агентов в результате дополнительной полимеризации по месту двойных связей бутадиен переходит в твердый продукт, по
механическим свойствам похожий на эбонит, но более стойкий к действию температуры, кислот и органических растворителей. На основе эскапона изготовляют лаки, лакоткани.
72
Получают бутадиеновый каучук и стереорегулярный. У нас он известен как СКД, в
ФРГ – Буна ЦБ. У него высокая морозостойкость (до минус 65°С).
Бутадиен-стирольный каучук – продукт совместной полимеризации бутадиена
СН2=СН–СН=СН2 и стирола СН2=СН2С6Н5. У нас известны его марки СКС-30, СКС-30 АРКМ15, СКС-30 АРПД, в ФРГ – Буна С-3, буна С-4. По электроизоляционным свойствам каучук
СКС-30 АРПД не уступает НК, но имеет более низкие прочностные свойства, поэтому в резиновых смесях его применяют совместно с НК.
Бутилкаучук получают путем совместной полимеризации изобутилена и небольшого количества изопрена. На его основе производят резины, стойкие к действию озона, кислорода и
кислот; газопроницаемость у них ниже в 10–20 раз (важная особенность), чем у резин на основе
НК, но меньше эластичность.
Хлорпреновый каучук получают путем полимеризации хлорпрена. Отечественное название наирит, в ФРГ, США, Японии – неопрен. Это полярный диэлектрик. На его основе производят масло и бензостойкие резины.
Бутадиен-нитрильный каучук – продукт совместной полимеризации бутадиена и акрилонитрила. Каучук, вулканизированный тиурамом, более нагревостойкий. Известны следующие
марки: СКН-40, СКН-26 и СКН-18. В ФРГ выпускают Пербунан, Буна Н, Буна НН.
Кремнийорганические каучуки, в отличие от рассмотренных, у которых в основе строения молекулярных цепей находятся атомы углерода, имеют остов макромолекул, построенный
из чередующихся атомов кремния и кислорода:
|
|
O Si O Si
|
|
Это линейные полимеры, полученные путем поликонденсации. Недостатком является
низкая прочность на раздир. Кремнийорганические резины применяют для изготовления различных изоляторов, кабелей, прокладок, шайб, трубок и других изделий.
Тема 13. Жидкие диэлектрики
Жидкие диэлектрики в сравнении с газообразными обладают рядом преимуществ: у них
примерно в три раза и более выше электрическая прочность, в три раза больше теплоемкость, в
тридцать раз выше теплопроводность. Электрические свойства в значительной мере зависят от
степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси заметно ухудшает их электрические
характеристики. Особенно существенно на электрическую прочность жидких диэлектриков
влияет нерастворенная полярная примесь, например вода.
Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повышении электрической
прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении
электрической дуги в масляных выключателях.
Наиболее распространенными жидкими диэлектриками являются: нефтяные масла –
трансформаторное, конденсаторное и кабельное; синтетические жидкости – полихлордифенил
(совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические. Растительные технические масла –
касторовое, льняное, конопляное и тунговое – в настоящее время в электроизоляционной технике применяются ограниченно.
Нефтяные электроизоляционные масла - получают путем ступенчатой перегонки
нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фракции – солярового масла.
73
Обработка заключается в тщательной очистке от химически нестойких соединений и полярной примеси. Очистка достигается путем последовательной обработки серной кислотой, щелочью, промывки водой и сушки. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно поглощают остатки воды и полярную примесь.
Нефтяные масла – это слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового,
ароматического и нафтеново-ароматического рядов с небольшим содержанием присадок,
улучшающих их стойкость к термоокислительному старению, а также температурновязкостные характеристики.
Нефтяные масла имеют желтый цвет (от почти бесцветного до темного). Чем глубже
очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопичность масел увеличивается. Поэтому масла всегда гигроскопичны и имеют пониженные электрические свойства. Химический состав, а, следовательно, свойства и
стабильность масла зависят от месторождения нефти.
Нефтяное трансформаторное масло - получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах.
В трансформаторах нефтяное масло выполняет две основные функции: во-первых, заполняя поры волокнистой изоляции и промежутки между проводами обмоток, а также токопроводящими
частями и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции;
во-вторых, улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях трансформаторное масло способствует
еще и быстрому гашению электрической дуги.
Нефтяное трансформаторное масло подразделяют на:
– свежее – поступившее от завода-изготовителя; оно может иметь отклонение от нормативных показателей по влаго- и газосодержанию;
– чистое, сухое – это масло «свежее», дополнительно прошедшее обработку (осушивание); оно соответствует всем нормируемым показателям и готово к заливке в оборудование;
– регенерированное – отработанное, прошедшее очистку с помощью физических, химических и физико-химических методов до требований нормативно-технической документации и
пригодное к дальнейшему применению;
– эксплуатационное – залитое в оборудование и по показателям соответствующее нормам на эксплуатационное масло;
– отработанное – слитое из оборудования по истечению установленного срока службы
или утратившее в процессе эксплуатации качества, установленные нормативно-технической
документацией.
По электрофизическим свойствам нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном
токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические потери
(tg δ). Механизм пробоя масла объясняет теория теплового пробоя, которая учитывает решающее влияние на образование газоразрядного канала проводимости нерастворенной в масле полярной, полупроводящей и проводящей примеси. Чистое масло имеет относительно высокие
значения Епр. Электрическую прочность электроизоляционных масел обычно характеризуют
величиной пробивного напряжения Unp в стандартной измерительной ячейке с расстоянием
между электродами 2,5 мм.
В зависимости от степени очистки масла и частоты измерительного поля при 20°С ε
=2,2–2,3; tgδ=10–4, ρ=1010–1013 Ом·м, Епр=10–28 кВ/мм. У чистого сухого масла Епр при нагре-
74
вании от 60 до 80°С практически не изменяется, а выше 80°С снижается в результате образования пузырьков газа из легких фракций масла и, как следствие этого, увеличения неоднородности электрического поля.
Эксплуатационно-технические характеристики трансформаторного масла нормируются
стандартом. В табл. 3.4 приведены предельно допустимые значения основных характеристик
нефтяного трансформаторного масла, подготовленного к заливке, а также находящегося в эксплуатации (в электрооборудовании).
Таблица 3.4
Предельно допустимые значения показателей качества трансформаторного масла, подготовленного и залитого в электрооборудование.
Показатель
Значение показателей качества трансформаторного масла
до залива в электрооборудование
после залива в электрооборудование
Пробивное напряжение, кВ, не менее,
для трансформаторов, аппаратов и вводов напряжением до 15 кВ
30
25
15–35 кВ
35
30
60–150 кВ
60
55
220–500 кВ
60
55
750 кВ
70
65
1150 кВ
70
70
Тангенс угла диэлектрических потерь,
%, не более, при 90°С до 500 кВ
2,2
2,6
750 кВ
0,5
0,7
1150 кВ
0,5
0,5
Температура вспышки в закрытом тиг135
135
ле, °С, не ниже
Газосодержание, % объема, не более
(для герметичного электрооборудова0,1
0,2
ния)
Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и tgδ, и изменяет электрическую прочность. Содержание воды (влаги) в трансформаторном масле ухудшает его эксплуатационные свойства. Масло способно поглощать воду при 20°С ~0,1%, а при 60°С ~0,2%. При
дальнейшем добавлении вода осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05% нерастворенной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20%, но особенно сильно
снижается при поглощении воды, когда масло загрязнено органическими волокнами. Масло
может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации вследствие химических процессов старения и возможного соприкосновения его с воздухом, всегда
содержащим влагу.
Один из важнейших показателей, указывающих на развитие процессов окисления в
трансформаторном масле, – кислотное число (к.ч.). Величина к.ч. непрерывно возрастает
75
вследствие накопления в масле кислых продуктов, образующихся под воздействием молекулярного кислорода, т.е. в результате термоокислительной деструкции. Резкое повышение содержания кислых продуктов в масле указывает на необходимость его замены или регенерации.
Кислотное число масла перед заливкой в трансформатор не должно превышать 0,02 мг КОН/1 г
масла для электрооборудования с Upa6 до 500 кВ и 0,01 мг КОН/1 г – свыше 500 кВ с ингибирующей присадкой. Предельно допустимое значение к.ч. масла составляет 0,25 мг КОН/1 г.
При достижении к.ч. этого значения трансформаторные масла заменяют (или регенерируют).
Нефтяные масла представляют собой горючую жидкость. Степень их огнеопасности, зависящая от содержания в масле легко испаряющихся горючих веществ, оценивается температурой вспышки, которая у трансформаторного масла должна находиться в пределах 135–
150°С, но не ниже 135°С.
Температура застывания масла – очень важная характеристика для масел, используемых в масляных выключателях и контактных устройствах для регулирования напряжения под
нагрузкой, эксплуатируемых на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. С понижением температуры вязкость масла существенно возрастает, надежность работы электроаппарата
резко снижается.
В соответствии с требованиями МЭК (Международной электротехнической комиссии)
все отечественные трансформаторные масла имеют температуру застывания не выше минус
45°С.
Рассмотрим процессы, происходящие при старении нефтяного трансформаторного масла.
При эксплуатации маслоналивного электрооборудования под воздействием кислорода воздуха
(или другого окислителя) в масле протекают глубокие необратимые химические процессы, приводящие к ухудшению всего комплекса его эксплуатационно-технических характеристик. Эти
процессы существенно ускоряются под действием теплового и электрического полей. Химические процессы старения вызывают, с одной стороны, деструкцию молекул масла и образование
низкомолекулярных ионогенных продуктов (перекисей, органических кислот, воды и др.), увеличивающих ионную проводимость масла, с другой – процессы структурирования («осмоления»)
окисленных молекул с образованием коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов – шлама. Коллоидные частицы совместно с ионогенной примесью снижают удельное сопротивление масла и увеличивают диэлектрические потери. Шлам и другие нерастворенные в масле
продукты старения, а также частицы примесей, внесенные в него извне, образуют мелкодисперсную фазу, которая увеличивает неоднородность электрического поля в масле, существенно снижает его электрическую прочность, а также увеличивает tg
примеси, размер частиц которых составляет от 2 до 10 мкм.
Таким образом, старение ухудшает рабочие параметры масла. Поэтому при получении
масла, его хранении и перед заливкой в электрооборудование, а также в процессе эксплуатации
следует производить систематический контроль в соответствии с РД 34.43.105–89 («Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел»).
Нефтяное конденсаторное масло. Конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами и обезгаживания в вакууме. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла: ε =2,1–2,3, tgδ не более 2·10–3 при
20°С и частоте 1 кГц; ρ не менее 1012 Ом·м при 20°С и 1011 Ом·м при 100°С, Eпр не ниже
20 кВ/мм, температура застывания минус 45°С.
Конденсаторное масло используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, а, следовательно, возрастают
емкость конденсатора и его рабочее напряжение или же при тех же параметрах емкости и рабочего напряжения снижаются габариты, масса и стоимость конденсатора.
76
Для пропитки бумажных конденсаторов используют также вазелиновое масло, которое по электрическим свойствам близко к нефтяному конденсаторному маслу, но имеет более
высокую температуру застывания (минус 5°С).
Нефтяное кабельное масло. Кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на
напряжения до 110 кВ и выше. В первом случае для пропитки бумажной изоляции используют
масло с кинематической вязкостью не более 37 мм2/с (при 20°С) и не более 9,6 мм2/с (при
50°С). Для повышения вязкости до указанных значений в масло добавляют канифоль или синтетический загуститель.
Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа), рассчитанных на
напряжение от 110 до 500 кВ, используют особо тщательно очищенное нефтяное масло, имеющее значение tgδ не более 0,003 (при 50 Гц и 100°С), Епр не менее 20 кВ/мм (при 50 Гц и 20°С),
кинематическую вязкость при 20°С не более 800 мм2/с и при 50°С не более 50 мм2/с; температура застывания должна быть не выше минус 30°С, а температура вспышки не ниже
плюс 200°С.
Нефтяные электроизоляционные масла являются наиболее доступными и недорогими
жидкими диэлектриками, обладающими при хорошей очистке достаточно высокими электроизоляционными характеристиками – малой величиной tgδ и высокой Епр. Недостатки нефтяных
масел: пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность (достаточно высокая у окисленных масел). Для пропитки бумажных
конденсаторов желательно иметь жидкий диэлектрик с более высоким значением Епр.
Синтетические жидкие диэлектрики
Некоторые свойства рассматриваемых ниже жидких синтетических диэлектриков лучше,
чем у нефтяных масел. Наиболее широко распространенными из них являются полихлордифенил, кремнийорганические и фторорганические жидкости.
Кремнийорганические жидкости – вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О и имеют линейное строение. Кремний-кислородная
связь называется силоксановой и имеет высокую термическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (вплоть до 250°С).
Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в органических растворителях
(например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Они нетоксичны, не вызывают коррозии
металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (–70°С ). Их можно
отнести к неполярным диэлектрикам. При 20°С и 100 Гц ε =2,4–2,8, tgδ =(1–3)·10–4, ρ =1011–
1012 Ом·м, Епр=14–18 кВ/мм. Их используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.
Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптящим пламенем), значительно (в несколько десятков раз) дороже нефтяных масел.
Фторорганические жидкости – вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти соединения могут быть газообразными (например, CF4, C2F6, C3F8, C4F8,
C4F10), жидкими (например, C5F8, C8F16, C14F24) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (–
CF2–CF2–). Эти соединения пожаробезопасны (полностью негорючи), абсолютно негигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).
Фторорганические жидкости – неполярные диэлектрики: при 20°С и 100 Гц ε=2,2–2,5;
tgδ=(1–2)·10–4; ρ=1012-1014 Ом·м, Епр=12–19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и
77
кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают рабочее напряжение.
Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высокая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел).
Растительные масла
К ним относятся касторовое масло и «высыхающие» масла – тунговое, льняное и конопляное.
Молекула масел представляет собой триглицерид жирных кислот – химическое соединение глицерина
и трех жирных кислот. Жирные кислоты имеют цепочку, состоящую преимущественно из 18 углеродных атомов. Растительные масла – слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую
нагревостойкость (до 240°С), используется главным образом как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов.
Высыхающие масла применяют в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе
электроизоляционных), эмалях и красках. Так как каждая жирная кислота триглицерида этих
масел содержит несколько двойных связей, они легко полимеризуются, образуя плотные влагои коррозионностойкие пленки. В полимеризации участвуют жирные кислоты, имеющие две и
особенно три двойные связи. Таких кислот в высыхающих маслах содержится до 85–90%. В качестве катализатора полимеризации («высыхания») используют сиккативы, например, оксид
свинца РbО. Высыхание этих масел является процессом, связанным не с испарением жидкой
фазы (растворителя), а с химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация.
Тема 14. Активные диэлектрики
Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых
можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия:
напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры,
светового потока и др. В этом их принципиальное отличие от обычных (пассивных) диэлектриков.
Из активных диэлектриков изготавливают активные элементы электронных приборов.
Особенностью свойств этих материалов являются такие явления, как сегнетоэлектричество,
электретный, пьезоэлектрический и электрооптический эффекты, инжекционные токи, послужившие основой для разработки диэлектрических приборов.
Сегнетоэлектрики в отличие от обычных (пассивных) диэлектриков обладают регулируемыми электрическими характеристиками. Так, например, диэлектрическую проницаемость
сегнетоэлектриков с помощью электрического напряжения можно изменять в широких пределах. Характерная особенность сегнетоэлектриков заключатся в том, что у них наряду с электронной, ионной и релаксационными видами поляризации, вызываемыми внешним
электрическим полем наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, под действием
которой эти диэлектрики приобретают доменную структуру и характерные сегнетоэлектрические свойства.
Самопроизвольная поляризация проявляется в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур ниже точки Кюри Тк вследствие изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры, что, в свою очередь,
вызывает у сегнетоэлектриков:
– необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до десятков тысяч);
– нелинейную зависимость поляризованности, а, следовательно, и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля;
78
– резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;
– наличие диэлектрического гистерезиса.
Указанные выше свойства были детально изучены у сегнетовой соли (натриево-калиевая
соль винной кислоты NaKC4H4O6·4Н2О), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называют сегнетоэлектриками. Важнейшим для практического применения сегнетоэлектриком является титанат бария.
В настоящее время известно около 500 материалов, обладающих сегнетоэлектрическими
свойствами. В зависимости от структуры элементарной ячейки и механизма спонтанной поляризации различают ионные и дипольные сегнетоэлектрики.
Ионные сегнетоэлектрики. К ним относятся: титанат бария ВаТiO3 (Tк=120°С), титанат
свинца РbТiO3 (Tк=493°С), титанат кадмия CdTiO3 (Тк=223°С), метаниобат свинца PbNb2O6
(Tк=575°С), ниобат калия KNbO3 (Tк=435°С), иодат калия KJO3 (Тк=210°С). Все химические соединения этой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, изделия из них получают по керамической технологии. Они представляют собой в
основном кристаллы с преимущественно ионной связью.
Элементарная ячейка титаната бария при высоких температурах имеет форму куба
(а=4,01·10–10 м); в узлах куба расположены ионы бария, в середине граней – ионы кислорода,
образуя кислородный октаэдр, в центре которого размещен ион титана (рис. 3.3,а).
Ba2+
O2–
Ti4+
а
б
в
г
Рис. 3.3. Элементарная ячейка (а, б) титаната бария и ее проекция (в, г) при температурах
выше (а, в) и ниже точки Кюри (б, г)
В результате интенсивного теплового движения ион титана равновероятно находится
вблизи каждого иона кислорода, поэтому электрический момент ячейки ввиду ее симметричности равен нулю, и диэлектрик находится в параэлектрическом состоянии (термин аналогичен
термину «парамагнетик»).
При температурах равной и ниже некоторой, называемой точкой Кюри (Тк), ион титана,
благодаря ослаблению энергии теплового движения, оказывается преимущественно вблизи одного из ионов кислорода, смещаясь на 1·10–11 м. В этом же направлении смещаются и ионы бария (на 5·10–12 м).
Ион кислорода, находящийся напротив О2–, к которому сместился Ti4+, сдвигается в противоположном направлении (на 4·10–12 м). В результате этих смещений ионов кубическая решетка незначительно деформируется в тетрагональную (с параметрами элементарной ячейки
а=3,99·10–10 м, с=4,036·10–10 м), а кислородный октаэдр несколько искажается (см. рис. 4.1, б,г).
Хотя все эти смещения ионов, в том числе и иона титана, сравнительно малы, они очень важны
и приводят к образованию значительного электрического дипольного момента р0. Возникает
спонтанная поляризация и происходит фазовый переход диэлектрика из параэлектрического
состояния в сегнетоэлектрическое.
79
Таким образом, самопроизвольная поляризация ионных сегнетоэлектриков возникает
в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур в результате смещения
иона Ti4+ в объеме элементарной ячейки из центрального положения и деформации последней.
Дипольные сегнетоэлектрики. Их представителями являются сегнетова соль
NaKC4H4O6·4Н2О (Tк=24°С), триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3 ·H2SO4 (ТК=49°С), нитрит
натрия NaNO2 (Тк=163°С), дигидрофосфат калия КН2РО4 (Тк=–151°С). Химические соединения
этой группы обладают низкой механической прочностью и растворимы в воде, благодаря чему
из водных растворов этих соединений можно выращивать крупные монокристаллы. Атомы в
этих соединениях несут на себе заряд, но связаны между собой преимущественно ковалентной
связью.
Дипольные сегнетоэлектрики в элементарной ячейке содержат атом (ион) или группу
атомов (ионов), имеющих два положения равновесия, в каждом из которых образуется электрический дипольный момент р0. При температурах выше точки Кюри в результате хаотического
теплового движения эти два положения равновесия равновероятны, поэтому спонтанная поляризация отсутствует, и диэлектрик находится в параэлектрической фазе.
При Т≤Тк одно из положений становится предпочтительным и в элементарной ячейке
возникает дипольный момент; происходит спонтанная поляризация, и диэлектрик переходит из
параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое (осуществляется фазовый переход). На
рис. 3.4 схематически показано строение элементарной ячейки NaNO2.
О2–
p0
Na+
p0
N5+
а)
б)
Рис. 3.4. Схематическое изображение элементарной ячейки кристалла NaNO2
При Т>Тк ион N5+ в результате хаотического теплового движения равновероятно находится в «верхнем» (а) и «нижнем» (б) положении. При Т≤ТК энергия; теплового движения иона
N5+ уменьшается, и он остается в «верхнем» или «нижнем» положении; возникает дипольный
момент р0 определенной направленности. Произошла спонтанная поляризация.
В результате спонтанной поляризации в ионных и дипольных сегнетоэлектриках элементарные ячейки с одинаково направленными электрическими моментами образуют небольшие объемы, называемые доменами. Следовательно, домен – это совокупность элементарных
ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляризованности Рс (Рс=Σpo). Векторы Рс отдельных доменов имеют различную направленность, поэтому суммарная поляризованность (или
просто поляризация) Р всего образца сегнетоэлектрика равна нулю (Р=0).
Если монокристаллический образец поместить в электрическое поле и повышать его
напряженность, то векторы дипольньх моментов отдельных доменов начнут ориентироваться в
направлении силовых линий поля, и тем в большем количестве, чем больше будет напряженность электрического поля; поляризованность Р образца начнет возрастать. Когда векторы поляризованности всех доменов сориентируются по полю, наступит состояние технического
насыщения и весь монокристалл станет однодоменным. При этом Р будет равна РН, а диэлектрическая проницаемость примет максимальное значение. Если теперь поменять полярность
80
электрического поля, то произойдет переполяризация – изменится направление вектора Рс на
противоположное. Техническое насыщение нужно отличать от спонтанной поляризованности
Рс, которая всегда присутствует в доменах.
Изменение знака спонтанной поляризации под действием электрического поля является
важной особенностью сегнетоэлектриков.
Зависимость поляризованности Р и диэлектрической проницаемости ε от напряженности
электрического поля Е имеет сложный вид (рис. 3.5).
С увеличением напряженности поля ε изменяется от начального значения εн до максимального εМ (при Е=Emax) и далее уменьшается, приближаясь к значению εн в области сильных
полей. Весь процесс изменения Р и ε от Е можно разбить на три участка (см. рис. 3.5).
81
Р,ε
εм
P
ε
εн
I
0
II
III
Еmax
Е
Рис. 3.5. Зависимость поляризованности Р и диэлектрической проницаемости ε сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля Е
Участок I – область слабых электрических полей с напряженностью Е меньшей коэрцитивной силы Ес. На этом участке поляризация осуществляется за счет обратимого смещения
стенок доменов. Зависимость Р от Е линейная, ε от Е практически не зависит, т.е. сегнетоэлектрик ведет себя аналогично обычному диэлектрику.
Участок II – область приближения Е к Ес характеризуется поляризацией образца путем
необратимого смещения стенок доменов. Значения Р и ε на этом участке максимально зависят
от Е. Небольшие изменения напряженности электрического поля приводят к резкому изменению поляризованности и диэлектрической проницаемости и при Eмакс диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения ε=εМ. Этот участок характеризуется
коэффициентом эффективной нелинейности Кэф.
Коэффициент Кэф является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используемых в
варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах переменного напряжения. Например,
вариконды работают на участке II ε(Е), когда Кэф максимален. В зависимости от природы материала Кэф изменяется от 1 до 50 (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Материалы
ВК–1
ВК–2
ВК–3
ВК–4
ВК–5
ВК–6
ВК–7
TК,°С
75±10
75±10
25±10
105±10
75±10
200
–10
Свойства сегнетокерамики для варикондов
Емакс,
εН
tgδ
Кэф
кВ/м
2000
6–8
150–200
0,02
2000
15–20 120–150
0,01
10 000
1–2
50–100
0,03
1800
10–16 250–300
0,015
2000
35–50
80–100
0,01
400
20–50 500–600
0,03
3000
–
–
0,001
На участке III, в самом его конце, поляризация образца практически заканчивается полностью, при
этом поляризованность достигает технического насыщения Рн, а гистерезисная петля становится предельной петлей диэлектрического гистерезиса. Если на этом участке снять внешнее электрическое поле (Е=0),
образец сохранит остаточную поляризованность Ро (рис. 3.6).
82
Р
РН
Рс
+Р0
B C
–EС
+EС
EН
E
–Р0
B` C`
Рис. 3.6. Предельная петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектрика
Остаточная поляризованность Р0 всегда меньше спонтанной поляризованности Рс, так
как после снятия напряжения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется. У монодоменного образца Р0=Рс. Отношение Р0 к Рн является коэффициентом прямоугольности петли
гистерезиса Кппг. Коэффициент Кппг является важной характеристикой сегнетоэлектриков с
ППГ, которые можно использовать в запоминающих устройствах ЭВМ (твердотельного интегрального исполнения). Значение Кппг у этих сегнетоэлектриков должно быть больше 0,9.
На участке III диэлектрическая проницаемость снижается, так как увеличивается Е. С
дальнейшим ростом напряженности поля Р образца слегка возрастает (см. рис. 3.6, отрезок ВС)
за счет обычных видов поляризации (электронной, ионной, дипольной), а ε продолжает снижаться, приближаясь к значению εн, в области сильных электрическим полей.
При циклическом изменении электрического поля зависимость поляризованности от
напряженности поля примет вид петли гистерезиса (см. рис. 3.6), аналогичной для ферромагнетиков.
Из предельной петли диэлектрического гистерезиса можно определить остаточную поляризованность Р0 (при Е=0), коэрцитивную силу Ес и другие характеристики. Величины Рн и Ен являются соответственно значениями поляризованности и напряженности поля, указывающими начало
участка насыщения (отрезок ВС) предельной петли диэлектрического гистерезиса. Экстраполяция
отрезка ВС до пересечения с осью Р дает величину, приближенно равную спонтанной поляризации
Рс. По значению коэрцитивной силы Ес сегнетоэлектрические материалы подразделяют на сегнетомягкие (Ес≤0,1 МВ/м) и сегнетотвердые (Ес≤1 МВ/м).
Площадь петли гистерезиса характеризует величину энергии электрического поля, затрачиваемую на переориентацию доменов, и численно равна диэлектрическим потерям данного
образца сегнетоэлектрика за один период изменения электрического напряжения.
Спонтанная поляризация наблюдается в диапазоне частот от постоянного напряжения до
СВЧ. Диэлектрическая проницаемость титаната бария, начиная с частоты примерно 107 Гц, снижается, а диэлектрические потери возрастают (рис. 3.7). В слабых электрических полях при комнатной температуре величина ε BaTiO3 лежит (в зависимости от марки материала) в пределах 500–
20000, tgδ равен 0,02–0,03.
ε
tgδ
0,1
1000
0,01
500
0,001
10
4
10
6
10
x
f, Гц
104
106
10x
f, Гц
Рис. 3.7. Зависимость ε и tgδ титаната бария от частоты в слабых полях
83
На рис. 3.8 показана температурная зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария, из которой видно, что спонтанная поляризация данного материала проявляется
только при температурах ниже 120°С (точка Кюри). Две аномалии на кривой, лежащие ниже
точки Кюри, имеют место вследствие частичного смещения иона титана внутри элементарной
ячейки и вызванного этим дополнительного изменения структуры.
ε
6000
2
4000
2000
–200
1
–100
0
100
Т,°С
Рис. 3.8. Зависимость диэлектрической проницаемости ε титаната бария от температуры при
Емакс=5,6 кВ/м (1) и Емакс=110 кВ/м (2)
В зависимости от температуры ВаТiO3, имеет следующие типы структур: кубическую –
свыше +120°С, тетрагональную – при +120°С и ниже, ромбическую – при 0°С и ниже, ромбоэдрическую – ниже минус 80°С. В данном случае, кроме основного фазового перехода (перехода
из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое) наблюдается еще два фазовых перехода.
Путем изменения состава сегнетоэлектрика можно изменять значения диэлектрической
проницаемости и точки Кюри в широких пределах. Например, при изменении соотношения
компонентов твердого раствора BaTiO3 и SrTiO3 ε при Tк изменяется от 2000 до 12000, а точка
Кюри – от 120°С (ВаТO3 – 100%) до 250°С (SrTiO3 –100%).
Сегнетоэлектрики используют для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, варикондов – конденсаторов, емкость которых изменяется с изменением напряженности электрического поля, и других активных элементов электрических схем. Для
изготовления этих элементов используют сегнетокерамику – керамику, полученную на основе
сегнетоэлектриков.
Сегнетокерамика для изготовления малогабаритных конденсаторов должна иметь максимально
высокое значение диэлектрической проницаемости с малой ее зависимостью от температуры,
низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность и наименьшую зависимость ε и tgδ от напряженности электрического поля (малую нелинейность). Последнее требование хорошо выполняется при работе конденсаторов в слабых электрических полях (рис. 3.5,
участок I).
Среди используемой конденсаторной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов:
– СМ–1, изготовленный на основе титаната бария с добавкой оксидов циркония и висмута, имеет сглаженную зависимость ε от температуры и предназначен для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения;
– Т–7500 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор SrTiO 3
и СаТiO3 в ВаТiO3 и предназначен для изготовления низковольтных и высоковольтных конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в узком интервале температур)
84
Известны и другие сегнетокерамические материалы для конденсаторов, кристаллической фазой которых являются твердые растворы в системах, например ВаТо3–BaSrO3. Эти материалы имеют большие значения ε и более сглаженную зависимость ее от температуры.
Сегнетокерамика для изготовления варикондов должна обладать резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды (от слов «вариация» и «конденсатор») являются нелинейными конденсаторами и по
своему функциональному действию аналогичны варикапам; их емкость от напряженности поля
изменяется вследствие изменения ε (см. рис. 3.5).
В производстве варикондов наиболее широкое применение получили материалы ВК–1,
ВК–2 и ВК–4 (табл. 3.6) и др.
Таблица 3.6
Характеристики варикондов
Номинальная
Номинальная
Номинальная
Тип вариемкость
Тип вариемкость
Тип вариемкость
конда
(U=5 В,
конда
(U=5 В,
конда
(U=5 В,
f=50 Гц), пФ
f=50 Гц), пФ
f=50 Гц), пФ
ВК1–0
100
ВК2–1
470
ВК4–М
10 и 22
ВК1–1
510 и 1500
ВК2–2
2200
ВК4–0
68
ВК1–2
2700 и 5100
ВК2–3
6800
ВК4–1
220
ВК1–3
6800 и 12 000 ВК2–4
10 000
ВК4–2
1500
ВК1–Б
0,15 и 0,2мкФ ВК2–3Ш
6800
ВК4–3
4700
ВК2–5М
10 и 22
ВК2–5
0,15 мкФ
ВК4–4
6800
ВК2–0
100
ВК2–Ш
0,15 и 0,22 мкФ ВК4–Б
100 000
В серийном производстве вариконды изготавливают либо в виде одиночных дисков, либо это диски, собранные в цилиндр, с номинальными значениями емкости от 10 пФ до
0,22 мкФ. Высокие нелинейные свойства позволяют использовать вариконды в самых различных схемах: для стабилизации напряжения, умножения частоты, преобразования синусоидального напряжения в импульсное.
Сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом и применяются для изготовления
пьезоэлектрических преобразователей. Ряд из них обладают электрооптическими свойствами и используются для модуляции лазерного излучения электрическим полем, приложенным к кристаллу, а также
другими свойствами. Некоторые сегнетоэлектрики, так называемые сегнетоэластики, обладают при
определенной температуре спонтанной деформацией, знак которой может быть изменен при внешних
воздействиях.
Пьезоэлектрики
При поляризации, вызванной приложенным электрическим полем, все диэлектрики несколько изменяют свои геометрические размеры – образец деформируется. Это явление называется электрострикцией. Величина деформации образца (Δl/l) обычно очень мала,
пропорциональна квадрату напряженности поля и не зависит от его направления.
85
l/2Δl
l/2Δl
l
G
E
G
б)
а)
Рис. 3.9. Схематическое изображение состояния зарядов и геометрических размеров образца диэлектрика, не обладающего пьезоэффектом: под действием электрического напряжения (наблюдаются поляризация и электрострикция) (а); механического напряжения (б)
Если к диэлектрику ионного строения симметричной формы (например, NaCl) приложить электрическое поле, то его положительные ионы сместятся по полю, а отрицательные –
против поля; возникнет поляризация и деформация (электрострикция) образца (рис. 3.9,а). Если
же этот образец (из-за своей симметричной формы, не обладающий пьезоэффектом) подвергнуть механической деформации, например растяжению, то число зарядов (ионов) одного и другого знака, сместившихся в одном направлении, будет одинаковым, поэтому заряд на
противоположных гранях образца не образуется (рис.3.9,б). Следовательно, явление электрострикции необратимо, т.е. у большинства веществ деформация образца, вызванная механическим напряжением, не приводит к его поляризации.
Однако существуют такие диэлектрики, которые поляризуются в отсутствие электрического
поля под действием механического напряжения. Это явление было открыто в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри и получило название пьезоэлектрический эффект (от греч. «пьезо» – «давить») - это
явление, когда под действием механического напряжения (или деформации) происходит электрическая поляризация диэлектрика и образование на его поверхности электрических зарядов.
Такой эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом называют пьезоэлектриками.
Различают прямой и обратный пьезоэффекты (рис. 3.10).
G
+U
-U
Рис. 3.10. Иллюстрация прямого (а) и обратного (б) пьезоэффектов
Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют возникновение поляризации диэлектрика и образование на его поверхности электростатических зарядов в результате воздействия механического напряжения.
При обратном пьезоэффекте происходит механическая деформация кристалла под
действием приложенного электрического поля. При этом величина механической деформации
(Δl/l) будет пропорциональна напряженности электрического поля Е, а его знак зависит от
направления поля Е. Не следует смешивать обратный пьезоэлектрический эффект с явлением
электрострикции. При электрострикции между деформацией и напряженностью поля существует квадратичная зависимость, и деформация не зависит от направления поляризующего по-
86
ля. При обратном пьезоэффекте зависимость между напряженностью поля и деформацией
линейна и, что очень важно, изменение знака деформации (растяжение, сжатие) следует за изменением направленности поля. Электрострикция возникает у всех диэлектриков, в том числе
газообразных и жидких, пьезоэффект – только в анизотропных кристаллах, не имеющих центра
симметрии.
Для характеристики пьезоэффекта у пьезоэлементов определенной конструкции, наряду
с пьзомодулем, часто используют коэффициент электромеханической связи к, который определяется:
для прямого пьезоэффекта
k W
э W,
для обратного пьезоэффекта
k W
M W,
где
W – вся
энергия,
затрачиваемая
на
деформацию
(W=WM+Wэ);
Wэ – электрическая энергия, генерируемая пьезоэлементом; WМ – энергия механической деформации.
Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука). Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических
сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).
В настоящее время известно свыше тысячи соединений, обладающих пьезоэффектом.
Однако на практике в качестве пьезоэлектриков используют ограниченное число материалов,
которые подразделяют на монокристаллические пьезоэлектрики, пьезокерамику (поликристаллические) и полимерные пьезоэлементы.
Монокристаллические пьезоэлектрики. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц – природный или выращенный искусственно. Природный кварц прозрачный и бесцветный. Механическая нагрузка в 1 кгс/см2 на пластину кварца обусловливает
возникновение разности потенциала в 0,06 В. Из монокристалла кварца под строго определенным углом к кристаллографическим осям выпиливают пластины. Затем поверхности пластин
шлифуют, полируют и наносят на них металлические электроды методом напыления металла в
вакууме, химического осаждения или вжигания. Пластина кварца с нанесенными на нее электродами и держателем представляет собой резонатор (электромеханический преобразователь) с
очень малым tgδ (≈10–4) и высокой механической добротностью QМ (для обычных образцов
QМ=104–106, а для лучших кристаллов до 107).
Если на резонатор подать переменное напряжение, то при частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных механических частот кварца, наступает механический резонанс, и в пластине возникают очень сильные механические колебания строго
определенной частоты (см. рис. 3.8). Такие кварцевые пластины являются мощным излучателем
волн сверхзвуковой частоты и используются в качестве стабилизаторов частоты.
Кроме монокристаллического кварца, в различных пьезопреобразователях используют
монокристаллические пьезоэлектрики: сульфат лития, сегнетова соль, ниобат и танталат лития,
– имеющие более высокие, чем кварц, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи. Фильтры из LiNbO3 и LiTaO3 имеют большую широкополосность при меньших габаритах,
чем из кварца, а механическая добротность сохраняет у них высокие значения (106) до СВЧ–
диапозона, тогда как у кварца она снижается до значения 105 выше 100 МГц.
Пьезокерамика. Обычная керамика на основе сегнетоэлектриков – сегнетокерамика изотропна и поэтому не обладает пьезоэффектом. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектрических свойств ее поляризуют – выдерживают в сильном (Е=2–4 МВ/м) постоянном
электрическом поле при температуре 100–150°С в течение одного часа. После снятия поля в ке-
87
рамике сохраняется остаточная поляризация, так как векторы спонтанной поляризованности
части доменов остаются ориентированными в направлении, близком к направлению электрического поля. Эта направленность доменов закрепляется свободными зарядами противоположных
знаков. Керамика становится текстурированной – из изотропного состояния превращается в
анизотропное; у нее появляется пьезоэффект. Поляризованная сегнетокерамика и называется
пьезокерамикой.
Широкое применение для изготовления пьезопреобразователей нашла пьезоэлектрическая керамика, изготовленная в основном из твердых растворов цирконата – титаната свинца
(ЦТС) PbZrO3–PbTiO3. Ее преимущество перед монокристаллами – возможность изготовления
активных элементов сложной формы и любых размеров. Недостаток заключается в том, что изза высоких значений ε, И tgδ пьезокерамику трудно, а часто невозможно применять на частотах
свыше 10 МГц. На ВЧ и СВЧ можно использовать только монокристаллические пьезоэлектрические материалы: кварц, турмалин, ниобат и танталат лития и некоторые другие. Используют
пьезокерамику для изготовления малогабаритных микрофонов, датчиков давлений, деформаций, вибраций, детонаторов, линий задержки.
Полимерные пьезоэлектрики. У некоторых полимерных материалов в виде пленок,
ориентированных (текстурированных) путем вытяжки и поляризованных в постоянном электрическом поле, наблюдается пьезоэффект. Практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ) (–CH2–CF2–)n. Пленки ПВДФ при вытяжке на 300–400% ориентируются
с образованием особой конформации полимерных цепей. Такие пленки после поляризации в
сильном электрическом поле приобретают пьезоэффект; они имеют близкие по своим значениям к пьезокерамике пьезомодули d (≈10–12–10–11 Кл/Н) и коэффициент электромеханической
связи к (≈0,12–0,15). Относительно низкая плотность (примерно в четыре раза меньше, чем у
керамики) и высокая гибкость пленок делают полимеры перспективным материалом в производстве пьезоэлектрических преобразователей.
Электрооптические материалы
Электрооптические материалы применяют в производстве активных элементов (модуляторов)
приборов, предназначенных для изменения основных параметров излучения в оптическом диапазоне с
помощью внешнего электрического поля. Принцип действия этих материалов основан на электрооптическом эффекте, заключающемся в изменении диэлектрической проницаемости, показателя преломления ( n   ) И рассеяния света под действием электрического напряжения. В холестерических
жидких кристаллах электрооптический эффект наступает не только под воздействием электрического
поля, но также теплового поля и давления.
В качестве технической характеристики электрооптического эффекта материалов используют полуволновое напряжение U  2 , представляющее собой величину приложенного
напряжения, при котором фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°. Значение
U  2 зависит от длины волны  проходящего света и для различных диэлектриков составляет
единицы и десятки киловольт. Чем ниже U  2 , тем меньшие значения напряжения требуются
для модуляции света данным кристаллом и тем больший практический интерес он представляет. В зависимости от вида электрооптического эффекта, протекающего в материалах, различают
электрооптические материалы с линейным, квадратичным и динамическим электрооптическими эффектами.
Материалы с линейным электрооптическим эффектом имеют линейную зависимость
значений ε и п от напряженности электрического поля. К ним относятся кристаллы, не имеющие центра симметрии – это пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики. Кристаллы с линейным электрооптическим эффектом широко используют в качестве модуляторов лазерного излучения.
Наиболее широкое применение на практике получили кристаллы дигидрофосфата калия
88
КН2РО4 (область прозрачности 0,2–1,35 мкм, U  2 =10 кВ при λ=0,546 мкм), ниобата лития
LiNbO3 (область прозрачности 0,4–0,5 мкм, U  2 =3 кВ при λ=0,546 мкм), танталата лития
LiTaO3 (область прозрачности 0,3–0,6 мкм, U  2 =1,5 кВ при λ=0,546 мкм). Наряду с перечисленными сегнетоэлектрическими кристаллами используют также некоторые кристаллы, имеющие кубическую структуру типа сфалерита: теллурид кадмия CdTe (область прозрачности 2–
28 мкм, U  2 =53 кВ при λ=0,546 мкм); сульфид цинка ZnS (область прозрачности 0,4–12 мкм,
U  2 =12 кВ при λ=0,546 мкм); хлористая медь CuCl (область прозрачности 0,4–20 мкм,
U  2 =6 кВ при λ=0,546 мкм). Эти кристаллы ввиду слабой зависимости ε от длины волны излучения применяют в модуляторах СВЧ–диапозона.
У материалов с квадратичным электрооптическим эффектом значения ε и λ не зависят от
знака приложенного напряжения, но зависят от квадрата напряженности электрического поля.
К ним относятся кристаллы, имеющие центр симметрии, а также изотропные среды (например,
жидкости). Практический интерес могут представлять кристаллы группы перовскитов: титанат
бария ВаТО3 (область прозрачности 0,4–4,5 мкм, U  2 =0,5 кВ при λ=0,546 мкм), танталатниобат калия KTa0,65Nb0,35O3, а также некоторые жидкости: нитробензол, сероуглерод и др. Значения U  2 у этих материалов значительно ниже, чем у материалов, обладающих линейным
электрооптическим эффектом. Однако их существенным недостатком являются технологические трудности выращивания оптически однородных кристаллов, что препятствует их широкому использованию.
В последнее время в качестве электрооптического материала начали применять оптически прозрачную сегнетокерамику. Наибольший интерес представляет система ЦТСЛ Pb(ZrxTi1–
x)O3+La2O3 В зависимости от содержания лантана точка Кюри изменяется от 200°С до комнатной температуры и ниже. Эта керамика в сегнетоэлектрической фазе проявляет линейный электрооптический эффект, а в параэлектрической фазе вблизи точки Кюри – ярко выраженный
квадратичный электрооптический эффект.
Материалы с динамическим электрооптическим эффектом обладают беспрерывным хаотическим изменением показателя преломления света при воздействии на них внешнего электрического поля, а у некоторых также теплового поля и давления. Этот класс материалов
представляют жидкие кристаллы.
Жидкие кристаллы - по своим свойствам находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллическим и жидким изотропным, обладая анизотропией физических
свойств, присущих твердым кристаллам, и текучестью, характерной для жидкостей.
Жидкокристаллическое состояние существует в определенном интервале температур.
Это состояние иногда называют мезофазой (от греч. «мезос» – промежуточный). Определяющую роль в образовании жидкокристаллического состояния играют боковые (вдоль всей длины
молекулы) дисперсионные межмолекулярные связи.
Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф. Райнитцером, однако практическое применение получили лишь недавно. В настоящее время известно более
3000 жидких кристаллов как низкотемпературных (Tпл≈–20°С), так и высокотемпературных
(Тпл≈400°С) с шириной области существования мезофазы от 100 до 0,01°С. Все они являются
органическими соединениями, молекулы которых имеют обычно удлиненную, нитевидную
форму.
В зависимости от закономерностей в расположении молекул жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.
Нематические (от греч. «немоc» – нить) жидкие кристаллы (НЖК) образованы из нитевидных молекул, ориентированных параллельно друг другу. В равновесном состоянии молеку-
89
лы преимущественно сориентированы вдоль оптической оси кристалла (рис. 3.11,а). Межмолекулярные связи у них слабые, поэтому структуру жидкого кристалла легко можно изменять под влиянием внешнего энергетического воздействия.
Рис. 3.11. Структуры жидких кристаллов: нематические (а); смектические (б); холестерические
(в)
Смектические (от греч. «смектос» – мыло) жидкие кристаллы (СЖК) образованы из нитевидных параллельно ориентированных молекул, упакованных в слои (см. рис. 3.11,б). СЖК
образуют большую степень упорядочения, чем НЖК. Слоистая структура СЖК обуславливает
анизотропию не только оптическую, но и механическую (смещение слоев относительно друг
друга).
Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) состоят из молекул, обладающих высокой
оптической активностью и образующих слоистое строение (см. рис. 3.11,в). В каждом таком
слое все молекулы, располагаясь в плоскости, повернуты на небольшой угол (меньше градуса)
по отношению к молекулам предыдущего слоя. Поэтому получается спиральная структура с
шагом порядка длины волны видимого света. Если изменять шаг спирали внешним энергетическим воздействием, например температурой, ХЖК изменяют окраску.
Жидкие кристаллы, так же как и сегнетоэлектрики, имеют доменное строение – области
с одинаковым направлением осей молекул. Поэтому у некоторых из них в переменном электрическом поле наблюдается петля диэлектрического гистерезиса. Так как у жидких кристаллов по
сравнению с сегнетоэлектриками время переориентации диполей велико, петля гистерезиса
наблюдаются лишь при очень низких частотах (f<1 Гц).
Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется под действием внешнего энергетического воздействия: электрического или магнитного поля, температуры, давления. В результате изменяются оптические, электрические и другие свойства. Это явление
положено в основу принципа работы некоторых приборов. Практическое применение получили
НЖК и ХЖК; у первого оптические свойства изменяются под действием приложенного электрического поля, а у второго – теплового поля, давления.
Если НЖК поместить между двумя стеклянными пластинами, с нанесенными на их
внутренние поверхности прозрачными электродами из закиси олова SnO2 (или In2O3, CdO) и
расстоянием между пластинами 5–50 мкм, и подать напряжение 3–5 В, то в жидком кристалле
возникнут ориентационные эффекты – молекулы выстроятся параллельно полю. При дальнейшем повышении напряжения до некоторого порогового значения (15–20 В) доменная структура
разрушается, и возникает динамический эффект – в НЖК образуются микроскопические вихри,
которые сильно рассеивают падающий свет; НЖК теряет прозрачность и становится молочнобелым. Если в НЖК добавить краситель, то при напряжении, когда возникают микроскопические вихри, молекулы красителя, увлекаемые жидкостью, поворачиваются и рассеивают свет
определенного цвета. Выполнив прозрачные электроды в виде определенных цифр, букв или
других знаков, получают их изображение в отраженном или проходящем свете.
Управляющее поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой
2
(f=10 –104 Гц). Время установления динамического рассеяния 1–10 мс, а его исчезновение после снятия напряжения 20–200 мс. Так как жидкие кристаллы имеют высокое удельное сопротивление (ρ=106–1010 Ом–м), потребляемая ими мощность питания не превышает 1 Вт/м2
(газоразрядный и люминофорный индикаторы потребляют 103 Вт/м2, а светодиодный –
90
105 Вт/м2). Жидкокристаллические индикаторы вследствие своей простоты, дешевизны и,
самое главное, экономичности перспективны, особенно в малогабаритных устройствах – часах,
карманных ЭВМ.
ХЖК используют в производстве чувствительных индикаторов температуры для медицины, электроники и других областей науки. В настоящее время промышленностью выпускаются композиции со световыми переходами в интервале 3–5 градусов и рабочими
температурами 23–41°С. В качестве ХЖК используют производные холестерина и их смеси.
Люминофоры
Люминесценция – это последовательность двух процессов: первый – поглощение энергии извне и перевод части атомов из нормального состояния в возбужденное; второй – возвращение системы в нормальное состояние, сопровождаемое испусканием световых квантов
(фотонов). В зависимости от источника возбуждения (свет, электронный пучок, электрическое
поле и т.д.) различают несколько видов люминесценции и соответственно люминофоров. Люминофоры подразделяют на:
–фотолюминофоры (источник возбуждения – свет);
катодолюминофоры (источник возбуждения – катодный пучок электронов);
электролюминофоры (источник возбуждения – электрическое поле);
радиолюминофоры (источник возбуждения – радиоактивное излучение);
хемилюминофоры (источник возбуждения – химические реакции).
В качестве люминофоров обычно используют полупроводниковые материалы с большой
шириной запрещенной зоны: сульфиды цинка, кальция, стронция (ZnS, CaS, SrS), оксиды щелочноземельных металлов (ZnO, CaO) и некоторые оксидные соединения (CaWO4, Zn2Si04). Для
создания уровней ловушек люминофоры легируют металлами в количестве обычно 0,001–3%,
которые обусловливают не только появление свечения, но и его цвет и длительность послесвечения (табл. 4.7). Эти легирующие добавки называют активаторами.
Таблица 3.7
Цвет свечения люминофора в зависимости от природы активатора
Люминофор
Активатор
Цвет свечения
ZnS (Eg=3,6 эВ)
Ag
Синий
ZnS
Au
Голубой
ZnS
Cu
Зеленый
ZnS
Mn
Оранжевый
(Zn, Cd)S
Ag
Желтый
Zn2Si04
Mn
Зеленый
В светотехнике широко используют различные порошковые люминофоры, многие из которых имеют переменный химический состав, не отвечающий стехиометрическим отношениям
образующих компонентов (такие соединения называют бертоллидами); например, Zn0,6Cd0,4S,
Zn0,75Cd0,25S, ZnS0,85Se0,l5 и др.
Люминофоры на основе ZnS отличаются высокой яркостью и светоотдачей в видимой
области спектра. Сульфид цинка является основной составляющей промышленных сульфидных
люминофоров, из которых выделяют три основных типа: ZnS, твердый раствор ZnS–CdS и
твердый раствор ZnS–ZnSe.
Для экранов электронно-лучевых трубок применяют катодолюминофоры: ZnS–Ag, ZnS–Сu,
Zn2SiO4–Mn и др. Для светящихся красок используют фотолюминофор – ZnS, легированный Сu и
Со. В люминофоры постоянного действия вводят небольшие добавки радиоактивных веществ (три-
91
тия, урана). В светящихся экранах, переключаемых напряжением, используют электролюминофоры ZnS, Zn(S, Se), (Zn, Cd)S, в которые входят прозрачные связующие (смола или стекло).
Фотолюминофоры нашли широкое применение в производстве люминесцентных ламп,
работа которых основана на использовании ультрафиолетового излучения паров ртути, наполняющих колбу лампы, при прохождении электрического тока (электролюминесценция). УФлучи длиной волны 253,7 нм преобразуются фотолюминофором в видимый свет (фотолюминесценция), частота которого определяется свойствами фотолюминофора. Люминесцентная
лампа представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, на внутренней поверхности которой нанесен тонкий слой фотолюминофора. Внутрь вводится капля ртути (20–30 мг), которая
испаряется при работе лампы, и небольшое количество чистого аргона, служащего для предохранения вольфрамовых электродов от разрушения и облегчения зажигания лампы. Основным
фотолюминофором в производстве люминесцентных ламп является галофосфат кальция
Са5Р3О2(F, Сl), активированный сурьмой и марганцем (фотолюминесценция в области 570–
595 нм). Изменяя пропорции активаторов, можно получать люминесцентные лампы со световым потоком белого света, холодно-белого, тепло-белого и дневного света.
Электретами называют твердые диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние и создающие в окружающем пространстве электростатическое поле в отсутствие внешнего
энергетического воздействия. Это – формальные аналоги постоянных магнитов.
Электрическое поле электрета, в результате его специальной обработки, индуцируется
зарядами, созданными электризацией или остаточной поляризацией. Электретное состояние
обусловлено как гомозарядами, так и гетерозарядами (рис. 3.12).
Гомозаряды формируются в результате электризации за счет инжекции заряженных частиц со стороны электродов, т.е. за счет зарядов, перешедших из поляризующего электрода и
(или) воздушной прослойки. Это сторонние заряды. Гомозаряды внедряются в поверхностные
слои диэлектрика и имеют тот же знак, что и полярность электрода.
1'
–
1''
1
2
а)
+
б)
в)
Рис. 3.12. Схематическое изображение расположения зарядов в электрете: до поляризации (а); под
поляризующими электродами (б); спустя некоторое время после поляризации (в):
1 – гомозаряды (1'– из электрода, 1'' – из воздушной прослойки); 2 – гетерозаряды
Гетерозаряды образуются в результате поляризации за счет собственных связанных и
свободных зарядов диэлектрика под действием как релаксационных видов поляризации, так и
смещения носителей заряда в сторону электродов, захвата их ловушками и образования объемных приэлектродных зарядов. Гетерозаряды имеют противоположный знак полярности электрода.
Таким образом, в диэлектрике за счет захвата ловушками (дефектами структуры) носителей заряда, а также остаточной («замороженной») поляризации образуются поверхностные и
объемные заряды. При этом гомозаряды локализованы преимущественно на поверхностных ловушках электрета, а гетерозаряды распределены по всему его объему. Разность гомо- и гетерозарядов определяет результирующий поверхностный заряд электрета.
92
Важной характеристикой электретов является поверхностная плотность заряда σ.
Объясняется это тем, что основной эффект электретов заключается в создаваемом ими
внешнем поле, напряженность которого пропорциональна σ. Значение σ заметно изменяется
в первые часы и даже сутки после изготовления электрета, что обусловлено освоб ождением
зарядов с мелких ловушек и частичной дезориентацией диполей (рис. 3.12,в). При этом изменяется не только величина σ, но может измениться и его знак (рис. 3.13). Поэтому на
практике используют не начальное значение σ, а установившееся, которое называют поверхностной плотностью стабилизированного заряда σ. Эта характеристика у различных
диэлектриков составляет величину от 10 –6 до 10–4 Кл/м2 (табл. 3.8).
5
2
Q
10
,Кл
м
2
1,2
0,8
0,4
0
0,4
0,8
1,2
2
4
6
8
10
12
Недели
1
5
2
Q
10
,Кл
м
Рис. 3.13. Зависимость заряда электрета от времени: 1– сторона электрета, обращенная к минусу поляризующего напряжения, 2 – то же, к плюсу
Таблица 3.8
Электретные материалы
Материал
ε
ρ, Ом м
σ, мкКл/м
Смесь карнаубского воска,
канифоли и пчелиного вос3
1015
6–20
ка
Полиэтилентерефталат
3,2
1014
30
Поликарбонаты
3,5
1014
50
4
1012
30–80
Политетрафторэтилен
2
10
16
80
Керамика MgTiO3
15
1011
60
Керамика СаТiO3
150
1011
80–250
Полиметилметакрилат
Со временем заряд электрета изменяется в результате разрушения остаточной поляризации, вызванного релаксационными процессами, освобождения носителей заряда, захваченных
ловушками, и нейтрализации объемных зарядов за счет электропроводности. Гомозаряды сохраняются в течение более длительного времени, чем гетерозаряды. Это явление связано с носителями заряда, захваченными более глубокими ловушками, и наблюдается у диэлектриков с
очень высоким удельным сопротивлением ρ (см. табл. 3.8).
Поэтому время разряда электретов составляет многие годы и даже сотни лет. В настоящее время электретное состояние обнаружено более чем у 70 диэлектриков как органических (полярных и неполярных, природных и синтетических), так и неорганических. У неорганических
(керамических) и органических неполярных преобладают гомозаряды, у органических полярных – гетерозаряды.
93
К электретным материалам относятся:
1) природные диэлектрики – воск, парафин, канифоль, янтарь, шеллак, слюда;
2) синтетические полимеры – политетрафторэтилен, поливинилиденфторид, сополимеры
тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, полиэтилентерефталат, полистирол, полипропилен,
поликарбонаты, поливинилхлорид и др., обычно в виде пленок h = 10–50 мкм, площадью несколько см2 и часто покрытых с одной или обеих сторон металлическими электродами;
3) неорганические материалы – сера, сульфид кадмия CdS, сульфид цинка ZnS, стекла,
ситаллы;
4) керамические титаносодержащие материалы – Т–80 на основе TiO2, Т–150 на основе
СаТiO3, Т–900 на основе SrO–Bi2O3–TiO2, Т–1700 и СМ–1 на основе BaTiO3, MgTiO3, ZnTiO3,
SrTiO3 и некоторые другие (электрет на основе CaTiO3 имеет наибольший и наиболее устойчивый заряд);
5) органические соединения ароматического ряда, например нафталин С10Н8.
В зависимости от метода получения различают следующие типы электретов:
– термоэлектреты получают путем нагрева до температуры плавления кристаллических или размягчения аморфных тел, или до Tс для полимеров с последующим охлаждением в
сильном постоянном электрическом поле;
– электроэлектреты – воздействием сильным постоянным электрическим полем в течение нескольких часов;
– короноэлектреты – воздействием коронным разрядом в газовом промежутке между
поверхностью диэлектрика и электродом, обычно при пониженном давлении газа;
– фотоэлектреты – одновременным воздействием света и постоянным электрическим
полем;
– хемоэлектреты – электризацией в электрическом поле в процессе химических превращений, например в процессе полимеризации;
– радиоэлектреты – воздействием пучком заряженных частиц высокой энергии;
механоэлектреты – воздействием механическими нагрузками, сопровождающимися
контактной электризацией,
– трибоэлектреты – воздействием трением, сопровождающимся контактной электризацией.
Наиболее распространенным промышленным методом получения электретов считается
воздействие коронным разрядом (короноэлектреты).
Электреты используют в качестве датчиков сигналов или преобразователей. Это – электретные конденсаторные микрофоны, датчики давления, вибродатчики, тахометры. Используют
электреты также в дозиметрах проникающей радиации, гигрометрах, барометрах, фокусирующих и сортирующих системах, электрометрах, в фильтрах для газов и во многих других случаях.
Примеры решения контрольных задач
Необходимые теоретические сведения и расчетные формулы
Наиболее важными электрофизическими параметрами диэлектрических материалов являются относительная диэлектрическая проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь
tgδ, электрическая прочность Eпр, удельные объемное ρv и поверхностное ρs сопротивления. Поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля:
P


1
)E
.
0(
(2.1)
94
Если диэлектрик изотропный, то векторы напряженности электрического поля и поляризованности совпадают по направлению, а электрическое смещение равно
D

P
.
0 E
(2.2)
Кроме пассивного сопротивления, связанного с наличием свободных носителей заряда,
диэлектрики обладают, в отличие от проводников, активным или емкостным сопротивлением,
которое зависит от частоты внешнего электрического поля:
h
x
,
c
2

f



S
0
(2.3)
где h – толщина диэлектрика; f – частота внешнего электрического поля; εo – диэлектрическая
проницаемость вакуума; ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S –
площадь электродов.
Емкость плоского конденсатора
Q
4



S
0
C

,
U
h
(2.4)
где Q – заряд на пластинах; U – разность потенциалов; S – площадь пластин; h – толщина диэлектрика.
Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, поскольку изменяется прочность межатомных связей. В связи с этим вводится температурный коэффициент ε:
1 d
   .
 dT
(2.5)
В инженерной практике чаще используют понятие температурного коэффициента емкости (ТКЕ) конденсатора на основе данного диэлектрика, поскольку она изменяется пропорционально ε.
Значение диэлектрической проницаемости многокомпонентных диэлектриков определяют по формуле Лихтенеккера, которая, например, для двух составляющих имеет вид
l
g


c

l
g


c

l
g

,
0
1
1
2
2
(2.6)
где l ...i и Cl ...i – относительные диэлектрические проницаемости и объемные концентрации компонентов (с1+с2=1).
Для температурного коэффициента диэлектрической проницаемости


c

c
,

1

2

0
1
2
(2.7)
В переменных электрических полях имеет место рассеяние мощности в диэлектрике изза необратимых явлений, в том числе вследствие протекания токов смещения. На практике используют величину tgδ, которая входит в выражение для величины потерь в образце диэлектрика
PU
 2
C
tg

,
(2.8)
где ω - угловая скорость электрического поля (ω=2·π·f).
При достаточно больших напряженностях поля (больше 106 В/м) в диэлектриках возможен пробой, т.е. утрата изоляционных свойств. Электрическая прочность рассчитывается как
U
Eïð= ïð ,
d
(2.9)
95
где Uпр – напряжение пробоя диэлектрика толщиной d.
Задача 1.
Между пластинами плоского конденсатора без воздушных промежутков зажат лист гетинакса толщиной h=1 мм. На конденсатор подано напряжение U=200 В. Определить поверхностную плотность заряда на пластинах конденсатора σ1 и на диэлектрике σД. Диэлектрическую
проницаемость материала принять равной шести.
Решение
Вследствие поляризации диэлектрика при подключенном источнике постоянного
напряжения на пластинах конденсатора удерживается дополнительный заряд σД, так что
σ1=σД+σ0, где σ0 – поверхностная плотность заряда на пластинах конденсатора в отсутствие диэлектрика. Тогда

1
2




U
8
,
8
5

1
0

6

2
0
0

52
0






E


1
0
Ê
ë
/
ì
,
1
0
3
h 1
0

1
2
8
,
8
5

1
0

5

2
0
0
62
σ
=
P
=




E



E


8
,
8
5

1
0
Ê
ë
/
ì
Ä
0
0
3
1
0
Задача 2.
Определите объемный ток утечки и соответствующую ему мощность, рассеваемую в диэлектрике плоского конденсатора при постоянном напряжении 500 В, если площадь каждой
пластины 100 см2, расстояние между ними 3 мм, а в качестве диэлектрика взят стеатит.
Дано
U=500 В
S=100 см2
h=3 мм
Iv -?
P -?
Решение
Стеатит – ε = 6,5 ρv = 10 Ом∙см
Определяем активное сопротивление диэлектрика
h
0,003
Rv  ρ v  109 2  0,3109 Ом
S
10
Объемный ток утечки
U
500
Iv 

 1,66106  1,66мкА
9
Rv 0,310
Мощность потерь
P  U  Iv  5001,66 850106  0,85мВт
11
Задача 3.
Между плоскими электродами площадью S=2·10–4 м2 размещены соединенные последовательно две пластины из различных диэлектрических материалов. Одна из них имеет диэлектрическую проницаемость ε1=2; удельную проводимость γ1=10–6 См/м; толщину h1=1 см. Для
другой: ε2=3; γ2=10–10 См/м; h2=2 см. В момент времени t=0 к электродам подключено постоянное напряжение U=5 кВ. Определить напряженность электрического поля в диэлектриках в
моменты времени t= 0 и t   . Найти напряженность электрического поля в диэлектриках
при t   , если к электродам приложено переменное напряжение U=20 В частотой f=50 МГц.
Решение
При постоянном напряжении в момент времени t=0 напряженность поля в обоих диэлектриках равна 0, так как поляризации еще не произошло.
96
При t   распределение постоянного напряжения между пластинами диэлектриков
определяется их активными сопротивлениями R1 и R2:
U1 R1
 ,
U2 R2
где

2

2
h
1
0
h
2

1
0

7
1
2
1
2
R



5

1
0
Î
ì
,
R



1
0
Î
ì
.
1
2

6

4

6

4


S
1
0

2

1
0


S
1
0

2
1
0
1
2
Отсюда следует, что U1<<U2. Так как U=U1+U2, то напряженность электрического поля
в диэлектриках:
U
U
5
1
2
E
1
0
0
Â
/ì;E

9
,
9
9
9
5

1
0
Â
/
ì;
1 
2
h
h
1
2
На переменном напряжении при t   распределение напряжения между диэлектриками определяется модулями полных сопротивлений слоев. Емкостные сопротивления слоев:

2
h
1
0
3
1
x



9

1
0
Î
ì
;
Ñ
1
6

1
2

4
2



f





S
2

3
,
1
4

5
0

1
0

8
,
8
5

1
0
2

2

1
0
0
1

2
h
2

1
0
4
2
x

 6 

1
,
2

1
0
Î
ì
.
Ñ
2
1
2 
4
2



f





S
2

3
,
1
4

5
0

1
0

8
,
8
5

1
0
3

2

1
0
0
2
Так как xc1<<R1 и xc2<<R2, то U1/U2=xc1/xc2 . Отсюда Е1 =857 В/м; Е2=571 В/м.
Контрольные задачи
Задача 1.
Определите удельное поверхностное сопротивление в диэлектрике плоского конденсатора
со сторонами пластины 1 см и 0.5 см толщиной диэлектрика h= 3 мм, если к нему приложено
напряжение U=1000В, а поверхностный ток утечки 210-10 А.
Задача 2.
Найдите потери мощности в кабеле, имеющем ёмкость С=10 пФ, если к нему приложено
напряжение U=300 В частотой f=10 кГц, а тангенс угла потерь tgδ = 410-4
Задача 3.
Кабель с изоляцией из полиэтилена имеет длину l= 20 м, диаметр жилы d= 0,7 мм, внешний диаметр изоляции dиз =7 мм. Определите потери мощности в изоляции при частоте f= 1 кГц
и напряжении между жилой и металлической оплеткой кабеля U=500 В (полиэтилен ε = 2,4; tgδ
= 2·10-4).
Задача 4.
Рассчитайте электрическую прочность Eпр диэлектрика толщиной h= 100 мкм, если взят
двойной запас прочности, а рабочее напряжение U= 2,5 кВ.
Задача 5.
В дисковом керамическом конденсаторе емкостью С= 330 пФ, включенном на переменное
напряжение U=220 В частотой f=2 МГц, рассеивается мощность Ра = 4·10-3 Вт. Определите реактивную мощность, тангенс угла диэлектрических потерь и добротность конденсатора.
97
Задача 6.
Две противоположные грани куба с ребрами а=20 мм из диэлектрического материала с
удельным объемным сопротивлением v=1010 Ом·м и удельным поверхностным сопротивлением s =1011 Ом покрыты металлическими электродами. Определить ток, протекающий через эти
грани куба при постоянном напряжении U0=2 кВ.
Задача 7.
Пленочный конденсатор из поликарбоната с диэлектрической проницаемостью ε = 3.1 теряет
за время 50 мин две трети сообщенного ему заряда. Полагая, что утечка заряда происходит
только через пленку диэлектрика, определить его удельное сопротивление.
Задача 8.
Прямоугольная трубка с внешними размерами 60×40 мм, внутренними размерами 30×30
12
мм, длиной l= 15 мм из диэлектрика с удельным объемным сопротивлением v= 10 Ом·м и
удельным поверхностным сопротивлением s =31014 Ом покрыта с торцов металлическими
электродами. Чему равно сопротивление между электродами?
Задача 9.
При комнатной температуре тангенс угла диэлектрических потерь ультрафарфора
tgδ 0 = 5 · 10− 4 , а при повышении температуры до 100 °С он возрастает в два раза. Чему равен
tgδ этого материала при температуре 200 °С? Во сколько раз увеличится активная мощность,
выделяющаяся в высокочастотном проходном изоляторе из этого материала, при изменении
температуры от 20 до 200 °С? Изменением диэлектрической проницаемости керамики пренебречь.
Задача 10.
При тепловом пробое диэлектрик толщиной h0=5 мм пробивается при напряжении U0=16
кВ на частоте f0= 50 Гц. При каком напряжении U частоты f= 100 Гц пробьется такой же диэлектрик толщиной h= 2 мм?
Раздел 4. Полупроводниковые материалы
Тема 15. Классификация и основные свойства полупроводников.
Среди полупроводниковых материалов выделяют элементарные полупроводники, полупроводниковые химические соединения и твердые растворы.
Электрические свойства полупроводников определяются зонной структурой и содержанием примесей. Выращивание крупных легированных монокристаллов кремния осуществляют
методом вытягивания из расплава на ориентированную затравку. Вырезаемые из этих кристаллов пластины служат основой для изготовления большинства приборов и интегральных микросхем методами планарной технологии.
Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные.
Несмотря на существенные различия в химическом составе, материалы этого класса имеют одно замечательное свойство – способность сильно изменять свои электрические свойства под
влиянием небольших внешних энергетических воздействий.
98
Поликристаллические полупроводниковые материалы имеют более простые технологии получения и более низкую стоимость, но ограниченную область применения. Монокристаллические позволяют получать дискретные приборы и интегральные микросхемы с минимальным разбросом параметров у всей партии, изготовленной из одного и того же слитка, а
физические процессы, протекающие в них, лучше поддаются расчетам.
Основу современной электроники составляют неорганические полупроводники. Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической
системы Д.И. Менделеева. Расположив элементы в порядке их следования в Периодической системе, можно выявить некоторые закономерности в изменении ширины запрещенной зоны: она возрастает в каждом периоде при переходе от элемента к элементу слева направо, но уменьшается в
каждой группе при движении сверху вниз. Рассмотрим упрощенную классификацию полупроводниковых материалов по составу и свойствам (рис. 4.1).
Полупроводники
Неорганические
Органические
Кристаллические
Аморфные
(стеклообразные)
Магнитные
Немагнитные
Прочие
Твердые растворы
AIVBIV
AIVBVI
AIIBVI
AIIIBV
Химические соединения
Прочие
Кремний
Германий
Элементы
Рис. 4.1. Классификация полупроводниковых материалов
Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода.
Углерод существует в двух аллотропных формах - алмаз и графит. Графит близок к проводникам, а
чистые алмазы являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойства полупроводников. Олово в нормальных условиях является хорошим
проводником, но при температуре ниже 13,2С оно переходит в -модификацию (серое олово), что
затрудняет получение кристаллов, представляющих практический интерес. Ведущее место среди
полупроводниковых материалов занимают кремний и германий.
Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов (InSb, Bi2Te3, ZnSiAs2, CuGe2P3). Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как
это имеет место в решетке алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название
алмазопоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес
представляют бинарные соединения типа АIIIВV и АIIВVI, которые в настоящее время являются
важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники. Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами образуют между собой изовалентные твердые растворы, в которых путем изменения состава можно плавно и в широких пределах
управлять важнейшими свойствами полупроводников (шириной запрещенной зоны Еg
(табл. 4.1) и подвижностью носителей заряда).
99
Таблица 4.1
Ширина запрещенной зоны Еg (в эВ) элементарных полупроводников (при 300К)
Элемент
Еg, эВ
Элемент
Еg, эВ
Бор
1,1
Мышьяк
1,2
Углерод (алмаз)
5,6
Сурьма
0,12
Кремний
1,12
Сера
2,5
Германий
0,665
Селен
1,8
0,08
Теллур
0,36
Олово (-мод.)
Фосфор
1,5
Йод
1,25
Это открывает дополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковых приборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристик различных компонентов электронной аппаратуры.
Свойства аморфных, органических и магнитных полупроводников изучены пока недостаточно, но интерес к ним возрастает. Он вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые
свойства сочетаются с эластичностью, позволяющей изготавливать рабочие элементы в виде
гибких лент и волокон.
Рассмотрим технологию очистки и получения монокристаллических слитков и эпитаксиальных слоев.
Глубина очистки полупроводникового материала должна быть такой, чтобы очищенный
материал имел удельное сопротивление, близкое собственному сопротивлению. Для этого требуется снизить в нем содержание случайных примесей до очень низкой концентрации, например у Ge и Si до 1019–1017 атомов на кубический метр. Один из эффективных методов глубокой
очистки полупроводниковых материалов – метод зонной плавки (рис. 3.2.) – состоит из следующих основных операций.
9
8
5
3
2
1
2
6
7
4
6
1
3
8
5
9
4
a)
б)
Рис. 4.2. Схема зонной плавки (а) и бестигельной зонной плавки (б):
1 – поликристаллический слиток; 2 – расплавленная зона; 3 – монокристалл; 4 – виток высокочастотного индуктора; 5 – подача инертного (и легирующего) газа; 6 – выход газа (к вакуумному насосу); 7 – лодочка (тигель); 8 – держатель;9 – кварцевая труба
100
Поликристаллический полупроводниковый материал, полученный после предварительной очистки, помещают в графитовую или кварцевую лодочку (тигель), которую затем
медленно перемещают сквозь виток высокочастотного индуктора либо виток индуктора перемещают вдоль лодочки с материалом (рис. 4.2,а). Зонная плавка проводится в вакууме или в
защитной (инертной) среде. Под действием тока высокой частоты материал под витком индуктора расплавляется и образуется узкая расплавленная зона шириной обычно не более 0,1 длины
слитка. Примеси, содержащиеся в полупроводниковом материале, лучше растворяются в жидкой фазе, чем в твердой. Поэтому при перемещении индуктора вдоль всей длины лодочки примеси вместе с расплавленной зоной будут также перемещаться в противоположный конец
слитка и там концентрироваться. Индуктор перемещают с определенной скоростью, примерно
равной 0,1–2 мм/мин. При повторении этой операции несколько раз (иногда несколько десятков
раз) полупроводник приобретет необходимую степень чистоты.
На практике обычно делают несколько витков у ВЧ индуктора и тем самым создают несколько расплавленных зон. Каждая зона захватывает определенное количество примесей и переносит их в конец слитка, который затем отрезают и направляют на повторную очистку. Длина
отрезанной части слитка обычно составляет 20–25 мм. Этим методом очищают германий.
Глубокую очистку полупроводников (например, кремния), которые в расплавленном состоянии химически взаимодействуют с материалом лодочки (тигля) – графитом, производят методом бестигельной зонной плавки (см. рис. 4.2,б). В этом случае слиток закрепляют в
вертикальном положении, а расплавленную зону, образовавшуюся под витком ВЧ индуктора,
перемещают вдоль слитка вниз или вверх, концентрируя примеси в одном из концов слитка.
Образовавшаяся узкая расплавленная зона удерживает между собой твердые части слитка за
счет сил поверхностного натяжения. Поэтому этот метод очистки можно применять только для
материалов, имеющих достаточно высокое поверхностное натяжение (кремний, германий).
Методы зонной плавки сочетают высокую производительность с глубокой очисткой материала. Эффективность процесса определяется шириной расплавленной зоны и скоростью ее
перемещения.
Из поликристаллического слитка, очищенного с помощью одного из рассмотренных методов зонной плавки, выращивают совершенные монокристаллы (нелегированные или легированные), производят эпитаксиальные слои или непосредственно используют в производстве
некоторых типов полупроводниковых приборов (например, солнечных батарей из кремния).
Для получения объемных монокристаллов используют следующие основные способы:
1) вышерассмотренные методы зонной плавки (тигельный и бестигельный);
2) метод вытягивания монокристалла из расплава;
3) метод гарниссажной плавки.
Эти методы применяют для получения как легированных, так и нелегированных монокристаллов из полупроводников как простых, так и химических соединений. Чтобы исключить
влияние воздушной среды, производство монокристаллов всеми перечисленными методами
осуществляют в вакууме, в защитной газовой среде или под флюсом.
Монокристаллические слитки можно получать непосредственно в процессе их очистки
методом зонной плавки. Для этого в образовавшуюся начальную расплавленную зону помещают затравку – кусочек кристалла данного полупроводника. По мере перемещения индуктора
расплавленная зона, затвердевая, будет повторять кристаллографическую структуру затравки.
Метод получения монокристаллов путем вытягивания их из расплава (метод Чохральского) заключается в следующем (рис. 4.3).
101
8
3
2
1
7
4
5
6
Рис. 4.3. Схема установки для вытягивания из расплава:
1 – растущий монокристалл; 2 – затравка; 3 – шток для вращения и вытягивания монокристалла; 4 – тигель с расплавом; 5 – нагреватель; 6– камера; 7– подача инертного газа; 8 – выход газа
(к вакуумному насосу)
Затравку из кусочка монокристалла закрепляют на конце штока, ориентируя его в нужном кристаллографическом направлении. Шток осуществляет два вида движения: поступательное (вверх – вниз) и вращательное вокруг собственной оси. Поликристаллический
полупроводник, предварительно подвергнутый глубокой очистке, помещают в тигель. Создав в
камере вакуум (или защитную среду), полупроводник расплавляют. Затем приводят в движение
шток, и затравку вводят в соприкосновение с поверхностью расплава. Когда затравка оплавится
и обеспечится ее смачивание расплавом, шток с затравкой начинают поднимать со скоростью
10–5–10–4 м/с. Одновременно шток вращают вокруг оси для лучшего перемешивания расплава и
выравнивания температуры, чтобы избежать преимущественного роста монокристалла в какуюлибо сторону. По мере подъема затравки, столбик расплава, тянущийся за ней, попадая в область более низких температур, остывает и направленно кристаллизуется. Кристаллизация происходит с той же ориентацией, которую имела затравка. Диаметр образующегося слитка можно
регулировать с помощью температуры: при небольшом понижении температуры диаметр слитка увеличивается, а при повышении – уменьшается.
Чтобы монокристаллы имели строго постоянный диаметр по всей длине, необходимо
температуру расплава поддерживать постоянной с точностью до десятых долей градуса.
Для очистки и направленной кристаллизации полупроводниковых химических соединеIII V
ний A B (GaP и InР, GaAs и InAs) получил распространение метод газовых транспортных реакций. Сущность метода заключается в том, что очищаемый твердый полупроводник,
взаимодействуя с определенным газообразным веществом, образует газообразные продукты.
Образовавшиеся газообразные продукты перемещаются в другую часть системы, в которой
иные условия равновесия (T и Р); там они разлагаются с выделением из газовой среды исходного твердого полупроводника, но уже в виде крупных кристаллов высокой степени чистоты.
Эпитаксиальные слои (структуры) – это тонкие (20–100 мкм) монокристаллические слои
полупроводника, осажденные на поверхности кристалла-подложки и сохранившие кристаллографическую ориентацию последнего. В качестве кристалла-подложки используют полупроводник
(реже
диэлектрик)
толщиной
200–300 мкм.
Сам
процесс
осаждения
полупроводникового материала получил название эпитаксии. Эпитаксиальные слои получают
из полупроводников как простых, так и химических соединений типа AIIIBV. Эпитаксия атомов
простых полупроводников происходит в результате их испарения или сублимации, или распыления в разряде и осаждения на подложке..
102
Тема 15. Элементарные полупроводники
Германий
Германий – один из первых полупроводниковых материалов, нашедший широкое применение в производстве дискретных полупроводниковых приборов. Массовая доля германия в
земной коре составляет 7·10-4%. Германий – очень рассеянный элемент, он есть везде и его нет
нигде. Важнейшие минералы германия – германит Cu3GeS4 (~10% Ge) и аргиродит Ag8GeS6
(~7% Ge). Однако они не образуют крупных скоплений. Поэтому основным сырьем для получения германия являются отходы переработки цинковых и полиметаллических руд (0,001–
0,1% Ge), а также продукты сгорания каменных (бурых) углей – золы и сажи (до 1% Ge). В результате хлорирования и солянокислотной обработки германийсодержащего сырья образуется
тетрахлорид германия GeCl4, который очищают методом дистилляции. Путем гидролиза очищенного GeCl4 получают двуокись германия GeO2:
GeCl4+2H2O=GeO2+4HC1
Из GeO2 германий восстанавливают водородом или парами цинка при температуре 600–
700°С
GeO2+2Н2=Ge+2Н2О
Образовавшийся порошкообразный германий обрабатывают смесью кислот и сплавляют
в поликристаллические слитки. Этот Ge непригоден для использования в полупроводниковой
технике из-за высокого содержания неконтролируемой примеси. Содержание примесей в нем
необходимо снизить до концентрации не более 1019 м–3. Для этого применяют метод зонной
плавки в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа с использованием графитовой лодочки (тигля).
Монокристаллический германий получают методом зонной плавки или вытягиванием из
расплава (метод Чохральского). Эпитаксиальные слои из Ge можно получать путем восстановления GeCl4 водородом.
Физико-химические и электрические свойства
Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокими твердостью и хрупкостью. Подобно кремнию он кристаллизуется в структуре алмаза,
элементарная ячейка которого содержит восемь атомов.
Постоянная решетки германия а=0,566 нм. Атомы в узлах решетки Ge удерживаются за
счет равноценных ковалентных связей. Число атомов Ge в единице объема составляет
4,45.1028 атом/м3. Кристаллический германий тверд, хрупок, серовато-белого цвета с характерным металлическим блеском. Его Тпл составляет 936°С. При комнатной температуре концентрация собственных носителей заряда составляет 2,5.1019 м–3, а удельное сопротивление,
обусловленное собственной электропроводностью, равно ~ 0,68 Ом·м. Таким образом, у Ge
концентрация собственных носителей заряда на три десятичных порядка больше, а собственная
удельная электропроводность на четыре десятичных порядка выше, чем соответствующие характеристики у Si. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной
температуре. При температурах ниже 5,4 К и давлениях выше 11 ГПа германий переходит в
сверхпроводниковое состояние. Для видимого света Ge непрозрачен. Однако, для ИК- лучей,
начиная с длины волны 1,8 мкм, Ge становится относительно прозрачным. При нагревании на
– GeO2. Из-за нестабильности свойств собственный окисел на поверхности германия, в отличие от собственного
окисла кремния, не может служить надежной защитой материала при проведении процессов
планарной технологии (фотолитографии и локальной диффузии).
103
При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной
серной кислотах. Активными растворителями германия в нормальных условиях являются:
смесь азотной и плавиковой кислот, раствор перекиси водорода и травители, содержащие в
своем составе окисляющие реагенты.
Германий обладает очень малым давлением насыщенного пара при температуре плавления, что облегчает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Даже
в расплавленном состоянии германий практически не взаимодействует с графитом и кварцевым
стеклом, что позволяет использовать их в качестве тиглей и лодочек при проведении металлургических процессов. Жидкий германий способен интенсивно поглощать водород, причем водород является электрически нейтральной примесью.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными
добавками электрически активных примесей. Процесс введения примесей в основной материал
называют легированием. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют элементы
V и III групп Периодической системы. В качестве акцепторной примеси используют элементы
III группы периодической системы Менделеева: галлий Ga, индий In, алюминий Аl. Для создания донорных уровней применяют элементы V группы: мышьяк As, сурьму Sb, висмут Bi, фосфор Р, а также элемент I группы – литий Li.
Данные элементы образуют с германием твердые растворы с весьма ограниченной растворимостью (доли атомного процента). Влияние примесей, создающих глубокие уровни, относительно слабо сказывается на электрической проводимости германия, но они могут играть
важную роль в процессах рекомбинации и фотопроводимости. В нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси.
В технологии изготовления микроэлектронных структур весьма распространенным процессом является диффузия электрически активных примесей в полупроводник. Ускоренная диффузия некоторых примесей может приводить к необратимым изменениям характеристик
полупроводниковых приборов в процессе их эксплуатации.
, Ом·м
p-Si
102
n-Si
1
n-Ge
10–2
p-Ge

10–4
10–6
1016
1018
1020
1022
1024
Nпр, м–3
Рис. 4.4. Зависимость удельного сопротивления кремния и германия от концентрации примеси при 20С
Между коэффициентами диффузии и растворимостью примесей в германии существует
определенная взаимосвязь: чем больше растворимость, тем меньше коэффициент диффузии.
Чем менее устойчиво состояние, тем выше скорость диффузии. Физическая сущность такого
явления вытекает из кинетики теплового движения дефектов в кристаллах.
104
Поскольку в германии полезные примеси III и V групп, специально вводимые в полупроводник для придания ему необходимых свойств, диффундируют очень медленно, а некоторые нежелательные примеси (особенно медь) диффундируют быстро, то при термообработке
германия надо принимать меры, исключающие проникновение вредных примесей.
Термообработка германия может приводить к существенному изменению его электрических свойств. Taк, если образец n-типа нагреть до температуры выше 550С, выдержать некоторое время, а затем быстро охладить (закалить), то можно наблюдать изменение типа
электропроводности полупроводника. Аналогичная термообработка германия р-типа приводит
к снижению удельного сопротивления без обращения типа электропроводности. Отжиг закаленных образцов при температуре 500–5500 С восстанавливает не только тип электропроводности, но и первоначальное значение удельного сопротивления.
Плавление германия сопровождается резким изменением его электрических свойств. В
расплавленном состоянии германий имеет удельное сопротивление (ρ=6,5·10–7 Ом·м), близкое к
удельному сопротивлению жидких металлов, например ртути. Благодаря этому облегчается индукционный разогрев германия токами высокой частоты при проведении процессов металлургической очистки и выращивания монокристаллов.
Применение германия
Промышленность выпускает разнообразные марки германия, отличающиеся по типу
электропроводности, природе легирующей примеси, величине удельного сопротивления, размерам слитка и другим параметрам. Маркировка монокристаллического германия для полупроводниковых приборов состоит из трех заглавных букв. Например, ГЭС, ГДГ, которые означают:
Г–германий, Э–электронная проводимость, С–легированный сурьмой, Д–дырочная проводимость, Г– легированный галлием. Кроме этих заглавных букв, проставляют еще цифры и прописные буквы, которые указывают номинал удельного сопротивления, величину его разброса,
группу по плотности дислокаций, кристаллографическую ориентацию и другие параметры.
На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов (особенно выпрямительных плоскостных диодов и сплавных биполярных транзисторов). Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны
на прямые токи от 0,3 до 1000 А при падении напряжения не более 0,5 В. Недостатком таких
диодов являются невысокие допустимые обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низкочастотными и высокочастотными, мощными и маломощными. Нанесение пленочной изоляции из SiО2 позволяет изготавливать германиевые транзисторы по планарной
технологии.
Германий используется также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов,
варикапов, точечных высокочастотных, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для
достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни
неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный
золотом. Примеси золота создают в германии неэффективные центры рекомбинации.
Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют
для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.
Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов, фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, счетчиков ядерных частиц.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов –60+70С. Невысокий верхний
предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.
105
Кремний
В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных
элементов в земной коре, где его содержится 29,5% (по массе). Многочисленные соединения
кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют
собой соединения кремния. Наиболее распространенным соединением этого элемента является
двуокись кремния SiО2.
Свободная двуокись кремния встречается в основном в виде минерала кварца. В ряде
месторождений чистота кварцевого песка достигает 99,9%. Кремний в свободном состоянии в
природе не встречается. В элементарном виде он впервые был получен в 1811 г. намного раньше германия, однако как материал полупроводниковой электроники нашел широкое применение лишь во второй половине прошлого столетия, после разработки эффективных методов его
очистки.
Физико-химические и электрические свойства
Кремний кристаллизуется в структуре алмаза с несколько меньшим, чем у германия, периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия, расстояния между
атомами в решетке (а=0,542 нм) обуславливают более сильную ковалентную химическую связь
и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону. Кристаллический кремний тверд,
хрупок, темно-серого цвета с характерным металлическим блеском.
В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является относительно инертным веществом. Он нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Хорошо растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой
кислот и в кипящих щелочах
этой температуры он начинает интенсивно окисляться с образованием двуокиси SiO 2. При
нагревании кремний легко взаимодействует с галогенами, а при температурах 1100–
способен непосредственно соединяться с азотом с образованием нитрида Si3N4. Кремний хорошо растворим во многих расплавленных металлах (Аl, Cа, Sn, Au, Аs и др.).
С рядом металлов (Сr; Мo, Fе, Cu, и др.) он образует устойчивые химические соединения
– силициды. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления (табл. 3.2) и в
расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Поэтому возникают
большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов. В результате реакции кремния с углеродом образуется карбид кремния SiC - очень устойчивое химическое вещество с полупроводниковыми свойствами.
Таблица 4.2
Основные свойства кремния и германия
Свойства
Кремний
Германий
3
Плотность при 20°С, Мг/м
2,329
5,327
°
Температура плавления, С
1417
936
Удельная теплота плавления, Дж/кг
1,6.106
4,1.105
Температурный коэффициент линейного расширения (при температуре 0–100°С), К–1
4,2.10–6
6,0.10–6
Коэффициент поверхностного натяжения (при
температуре плавления), Н/м
0,72
0,60
Собственное удельное сопротивление при 20°С,
Ом·м
2,3.103
0,68
Концентрация собственных носителей заряда при
20°С, м–3
3.1016
2,5.1019
106
Ширина запрещенной зоны при 20°С, эВ
Подвижность электронов при 20°С, м2/(В.с)
Подвижность дырок при 20°С, м2/(В.с)
Работа выхода электронов, эВ
Диэлектрическая проницаемость
1,12
0,145
0,05
4,3
12,5
0,72
0,390
0,19
4,8
16,0
Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия. Однако для
наблюдения собственной электропроводности при комнатной температуре содержание остаточных примесей в кремнии не должно превышать 1016 м–3.
Поведение примесей в кремнии подчиняется в основном тем же закономерностям, что и
в германии. Атомы элементов III и V групп Периодической системы, являясь соответственно
акцепторами и, донорами, создают мелкие уровни в запрещенной зоне.
Примеси элементов I, II, VI и VII групп вносят глубокие уровни в запрещенную зону и
сильно ограничивают время жизни неравновесных носителей заряда. По сравнению с германием кремний обладает более высокой предельной растворимостью мелких доноров и меньшей
растворимостью акцепторов, при этом большинство примесей имеет максимум растворимости
при температурах 1200–
В отличие от германия, акцепторный уровень которого располагается в нижней половине запрещенной зоны, в кремнии он располагается ближе к середине Eg. Поэтому при сравнимых температурах в германии оказывается большая концентрация заряженных вакансий. Это
и отражается на диффузии примесей, которая для элементов III и V групп происходит путем
последовательного перемещения по вакансиям. В кремнии большинство вакансий находится в
нейтральном состоянии, поэтому кулоновское взаимодействие между ними и примесными
ионами отсутствует.
Плавление кремния сопровождается некоторым увеличением его плотности (примерно
на 10%) и скачкообразным уменьшением удельного сопротивления (примерно в 30 раз). В расплавленном состоянии кремний имеет удельное сопротивление порядка 10 –4 Ом·м и ведет себя
подобно жидким металлам, т.е. характеризуется малой подвижностью и высокой концентрацией носителей заряда.
В в природе Si находится главным образом в виде кремнезема – двуокиси кремния SiO2
и различных силикатов. Технология получения из кремния монокристаллических слитков для
полупроводниковой техники заключается в последовательном проведении следующих операций. Сначала получают технический кремний путем восстановления кремнезема SiO 2 коксом С
в электрических печах
SiO2+2С=Si+2CO
Технический кремний содержит до 5% примесей, от которых избавляются путем предварительной очистки, а затем глубокой очистки. Предварительная очистка заключается в хлорировании
технического кремния при высоких температурах и получении тетрахлорида кремния SiCl4, представляющего собой прозрачную бесцветную жидкость. Из SiCl4 чистый кремний восстанавливают
парами цинка или водорода в защитной среде при ~1000°С. Чистый кремний можно получать также через промежуточное вещество – моносилан SiH4, путем термического разложения последнего.
Образовавшийся порошок кремния обрабатывают смесью кислот и сплавляют в поликристаллические слитки. Поликристаллические слитки кремния подвергают глубокой очистке методом бестигельной зонной плавки, для чего производят до 15–20 проходов витком ВЧ индуктора. Далее
выращивают монокристаллы по методу Чохральского, используя тигли из особо чистого кварца,
или методом бестигельной зонной плавки. Диаметр слитков, полученных методом Чохральского,
может достигать 60–80 мм (обычно слитки производят диаметром 25–40 мм и длиной 40–60 мм).
107
Диаметр слитков, полученных бестигельной зонной плавкой, обычно меньше и составляет до
30 мм.
Промышленность выпускает большое количество разнообразных марок монокристаллического кремния, которые отличаются по назначению, типу электропроводности, природе легирующей примеси, величине удельного сопротивления, размерам слитков и другим параметрам.
Например, монокристаллический Si, полученный методом Чохральского и предназначенный
для эпитаксиальных слоев, выпускают трех марок из четырнадцати групп. Маркировка состоит
из четырех букв: ЭКДБ, ЭКЭС, ЭКЭФ, которые означают: Э–эпитаксиальный, К–кремний, Д–
дырочная проводимость, Э–электронная проводимость, Б,С и Ф – легированные бором, сурьмой или фосфором, соответственно. Кроме этих букв, проставляют еще и цифры, указывающие
номинал удельного сопротивления (Ом·см) и номер партии. Буква в конце маркировки указывает диаметр слитка.
Поликристаллический кремний
При изготовлении больших интегральных микросхем все больнее распространение получает метод, основанный на использовании поликристаллического кремния. Особенность метода заключается в том, что на поверхность кремниевых пластин, покрытых, диэлектрической
пленкой SiО2, осаждается слой поликристаллического кремния, который может выполнять
функции резисторов, межсоединений, а такие контактных областей к эмиттеру и коллектору
транзистора. Чаще всего осаждение проводят по способу термического разложения силана SiH4.
Силановый способ позволяет получить плотную мелкозернистую структуру слоя при относительно невысоких температурах (700–
Нелегированные пленки поликристаллического кремния обычно характеризуется содержанием остаточных примесей 1018–1020 м-3 и удельным сопротивлением 104–106 Ом·м, что на несколько порядков превосходит удельное сопротивление нелегированного монокристаллического
кремния. Высокоомньй поликристаллический кремний в сочетании с окисным слоем из SiO2 используется для создания надежной диэлектрической изоляции между элементами интегральных
микросхем.
Для создания токопроводящих резисторов используют легированные слои поликристаллического кремния с удельным поверхностным сопро
Ом. Легирование
s
слоев осуществляют либо одновременно с их осаждением, либо в процессе последующей диффузии. В отличие от монокристаллов кремния поликристаллические слои в нормальных условиях
характеризуются
отрицательным
температурным
коэффициентом
удельного
сопротивления. При изготовлении больших интегральных микросхем межсоединения из поликристаллического кремния обеспечивают ряд технологических преимуществ по сравнению с
металлизацией поверхности алюминием. Они позволяют резко повысить плотность элементов и
быстродействие больших интегральных схем.
Применение кремния
Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем.
Освоение планарной технологии кремниевых приборов вызвало качественный скачек в полупроводниковом производстве. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся очень малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, нашли
особенно широкое применение в приемно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые
транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц.
108
Кремниевые выпрямительные плоскостные диоды могут выдерживать обратные
напряжения до 1500 В и пропускать ток в прямом направлении до 1500 A, существенно превосходя по этим параметрам германиевые диоды. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования
материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.
Кремниевые фотоэлементы служат для преобразования солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи). Они используются в системах энергоснабжения космических аппаратов.
Кроме того, кремний, как и германий, используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. Благодаря тому, что кремний имеет более
широкую запрещенную зону, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более
высоких температурах, чем германиевые. Верхний температурный предел работы кремниевых
приборов достигает 180–
Селен
Селен Se – химический элемент VI группы периодической системы Менделеева. Он существует в нескольких аллотропных модификациях: моноклинной и гексагональной, а также в
аморфном (стеклообразном) состоянии. При нагревании до температуры 180–220°С Se переходит в гексагональную модификацию. Наибольший интерес представляет селен гексагональный
и стеклообразный.
Гексагональный селен наиболее устойчив, серого цвета со слабым металлическим блеском.
Его плотность составляет 4,81 Мг/м3, а Тпл=219°С; всегда обладает (за счет примесей) дырочной
проводимостью; концентрация дырок равна 5.1022 м–3, их подвижность – 2·10–6 м2/(В.с); ширина за3
прещенной зоны Eg≈1,8
Ом·м. Электрические, оптические, тепловые и механические свойства монокристаллического гексагонального селена анизотропны.
Анизотропия электропроводности связана с анизотропией подвижности носителей заряда. В зависимости от направления кристаллографических осей подвижность носителей заряда и электропроводность селена изменяются в пять раз.
Стеклообразный селен получают путем быстрого охлаждения расплава Se, нагретого до
температуры выше Тпл, либо при вакуумной конденсации паров селена на подложках, имеющих
температуру не выше 50–60°С. Стеклообразный селен в массиве имеет черный цвет, а в тонких
пленках на просвет – красный. Его плотность 4,28 Мг/м3, ширина запрещенной зоны ≈2 эВ. По
величине удельного сопротивления он близок к диэлектрикам, ρ=1010 Ом·м.
По химическим свойствам селен является близким аналогом серы. При комнатной температуре не взаимодействует с кислородом воздуха. При нагревании на воздухе сгорает, образуя двуокись селена SeO2. Азотная кислота его также окисляет до SeO2. На селен не действуют
соляная и разбавленная серная кислоты. Щелочи его растворяют с образованием солей. При
температуре 200°С селен взаимодействует с кислородом, образуя ряд соединений (SeO, SeO2,
SeO3), с водородом – селенистый водород H2Se, с галогенами – соединения типа SeCl4. Селен
также образует соединения с азотом, фосфором, серой и многими металлами. С металлами II
группы периодической системы Менделеева селен образует химические соединения, входящие
в группу полупроводниковых соединений типа АIIBVI. Селен и все его соединения ядовиты.
Селен относится к редким и рассеянным элементам; собственных промышленных руд не
образует. Массовая доля селена в земной коре не превышает 6.10–5%. Основными источниками
получения Se являются анодные шламы, образующиеся при электролитическом рафинировании
меди, и отходы производства серной кислоты. При нагревании этих отходов и шлама селен возгоняется. Полученный Se содержит 1–2,5% примесей. Для предварительной очистки Se и отделения от него теллура используют химические методы, а для окончательной очистки –
109
дистилляцию в вакууме. В результате дистилляции можно получить особо чистый селен с
содержанием примесей 10–5–10–6%. Методы зонной плавки для очистки Se малоэффективны.
Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением
из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку (алюминиевую или стальную) можно
получать пленки толщиной 50–100 мкм. Эти пленки применяют в производстве полупроводниковых приборов. Для получения полупроводниковых приборов используют гексагональный селен.
Для изготовления полупроводниковых выпрямителей содержание примесей в селене
должно быть не более 8.10–3 %, а для синтеза полупроводниковых химических соединений типа
AII BVI - не более 10–5–10–6 %.
Селен, особенно стеклообразный, обладает высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра и поэтому применяется для изготовления фильтров, линз и окон оптоэлектронных устройств, работающих в этом спектральном диапазоне. Широко применяется селен в
производстве фоторезисторов и фотоэлементов. Стеклообразный Se широко используют при
электрофотографическом процессе получения изображения (в ксерографии).
Тема 16. Полупроводниковые соединения
Полупроводниковые соединения типа АIIIВV
Полупроводниковые химические соединения обладают самыми разнообразными электрофизическими свойствами и в ряде случаев превосходят простые полупроводники. Многие
полупроводниковые химические соединения имеют широкую запрещенную зону, что позволяет
существенно повысить верхний предел их рабочих температур. Например, если верхний предел
рабочей температуры у Ge составляет 70°С, у Si–120–200°С, то у арсенида галлия GaAs он равен 300–400°С, у фосфида галлия GaP–500°С, а карбида кремния SiC–600°С. Нижний предел
рабочих температур определяется энергией ионизации легирующей примеси, которая должна
быть значительной, до минус 60°С.
Соединения АIIIВV являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III-б подгруппы Периодической
таблицы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V-б подгруппы (азотом, фосфором,
мышьяком, сурьмой). Висмут и талий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения АIIIВV принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.
За исключением нитридов все соединения АIIIВV кристаллизуются в решетке цинковой
обманки кубического типа (сфалерит) – рис. 4.5. Для нитридов характерна структура гексагонального типа (вюрцит).
Рис. 4.5. Элементарная ячейка кристаллической структуры типа сфалерита (для соединения
AIIIBV белые кружки – атомы AIII, черные - BV)
Внутри каждой группы соединений AIIIBV с ростом суммарного атомного номера элементов, образующих химические соединения, температура плавления, твердость и ширина запрещенной зоны уменьшаются, а подвижность носителей заряда, особенно электронов,
возрастает. Высокая подвижность электронов – характерная особенность соединений AIIIBV.
110
Таблица 4.3
Основные свойства химических соединений AIIIBV
Груп
па
Ф
ос
фи
ды
А
рс
ен
ид
ы
А
нт
им
он
ид
ы
Н
ит
ри
ды
Соединени
е
AlP
GaP
InP
С
ум
ма
рн Поы стой янна
ат
я
ом рен шеты
ки,
й
нм
но
ме
р
28 0,544
46 0,545
64 0,588
Тем
пеПло
ратнос
тура
ть,
плав
Мг/
лем3
ния
˚С
Показате
ль
пре
лом
ления
Подвижность
м2/(В.с)
Температурный
коэффициент
линейного
расширения,
αl.106,К
Диэлектриче
ская
проницаемост
ь
(низкочастотн
ая)
Ширина
запрещенн
ой
зоны
при
20˚С,
эВ
–1
электронов
дырок
2,42
4,13
4,79
2550 3,4
1467 1070 -
5,30
4,75
9,8
10,0
12,1
2,45
2,2
1,35
0,008
0,019
0,46
0,003
0,012
0,015
0,566
0,565
0,606
3,60
5,32
5,69
1750 3,3
1238 943 -
5,20
6,00
5,20
10,9
13,8
14,55
2,16
1,43
0,356
0,028
0,95
3,30
0,045
0,046
AlSb
GaSb
InSb
64 0,614
82 0,610
100 0,648
4,22
5,62
5,78
1060 3,4
712 525 -
4,88
6,70
5,04
11,21
15,69
17,72
1,62
0,70
0,18
0,02
0,40
7,80
0,055
0,14
0,075
AlN
20
AlAs 46
GaAs 64
InAs 82
0,311 3,26 2400 2,2
4,03
8,5
5,88
0,008 0,498
GaN 38 0,319 6,09 1700 2,29 5,59
12,3
3,39
0,044 0,0003
0,519
InN
56 0,353 6,88 1200 2,56 5,5
1,95
0,0035- 0,569
0,0050
Примечание: В числителе – значения постоянной решетки а, в знаменателе – с.
На основе соединений (например, GaAs, GaP), имеющих широкую запрещенную зону
(большую, чем у Ge и Si), изготавливают полупроводниковые приборы с рабочей температурой
выше 300°С.
Соединения AIIIBV получают в виде монокристаллов или эпитаксиальных структур методом прямого или косвенного синтеза. При прямом синтезе исходными веществами являются
компоненты соединения AIIIBV, взятые в элементарном виде. Этим методом получают неразла-
111
гающиеся соединения – антимониды индия, галлия и алюминия. Например, для получения
антимонида индия InSb берут исходные очищенные индий In и сурьму Sb и сплавляют их в
кварцевом тигле в атмосфере высокочистого водорода. Образующееся химическое соединение
имеет стехиометрический состав. Монокристаллы из антимонидов получают путем горизонтальной зонной плавки с затравкой или вытягиванием из расплава по методу Чохральского. Легирование производят в процессе получения монокристаллов.
Методы косвенного синтеза применяют при получении разлагающихся соединений (арсенидов и фосфидов индия и галлия). В этом случае для синтеза химического соединения широко используют методы газовых транспортных реакций.
Все важнейшие электрофизические и оптические свойства соединений A IIIBV определяются в основном природой и концентрацией примесей. Поскольку элементы, образующие соединения AIIIBV, малорастворимые в их твердой фазе, легирование этих соединений и
получение р-n-переходов являются несложными процессами. Легирование обычно осуществляют одновременно с выращиванием монокристаллов и эпитаксиальных слоев.
Арсенид галлия
Из всех химических соединений AIIIBV арсенид галлия GaAs наиболее широко применяется в производстве полупроводниковых приборов. Это объясняется наличием у него широкой
запрещенной зоны (Eg=1,43 эВ), которая больше, чем у Ge и Si, и высокой подвижностью носителей заряда. Подвижность электронов у GaAs больше, чем у Ge и Si, a подвижность дырок
примерно такая же, как у кремния. Большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность
электронов позволяет на его основе создавать полупроводниковые приборы, работающие в области высоких температур и высоких частот. Рабочая температура p-n-переходов, полученных
на основе GaAs, может достигать 300–400°С.
Нелегированный GaAs обладает электронным типом проводимости; концентрация носителей заряда в нем 5.1021 м–3. Акцепторной примесью для GaAs являются
Li,Cu,Ag,Аu,Be,Mg,Zn,Cd,Cr,Mn,Fe,Co,Ni, энергия ионизации ΔЕА которых составляет от
0,028 эВ (Be) до 0,79 эВ (Cr). Свойства донорной примеси проявляют элементы: О,S, Se, Те –
энергия ионизации ΔЕД которых изменяется в пределах от 0,0058 эВ (Те) до 0,75 эВ (О). Элементы IV группы при большой концентрации являются нейтральной примесью.
В качестве основной акцепторной примеси применяется цинк, образующий энергетические уровни ΔЕА=0,031 эВ, а донорной примеси – теллур, создающий энергетические уровни
ΔЕД=0,0058 эВ. При легировании арсенида галлия Zn и Те концентрация носителей заряда повышается до 1023–1026 м–3. Для получения GaAs с высоким удельным сопротивлением (ρ=102–
107 Ом·м) его легируют железом или хромом до концентрации примерно 1023 м–3.
Арсенид галлия получают в виде монокристаллических слитков диаметром 18–25 мм и
длиной 25–50 мм и более. Цвет слитков серый с фиолетовым оттенком.
Применяют GaAs в производстве эпитаксиальных структур и дискретных полупроводниковых приборов: туннельных диодов и генераторов ВЧ-колебаний с частотой до 1011 Гц, фотоэлементов, дозиметров рентгеновского излучения.
Фосфид галлия
Фосфид галлия GaP в отличие от арсенида галлия имеет более широкую запрещенную
зону и меньшую подвижность носителей заряда (см. табл. 4.3). Обладает высокой химической,
термической и радиационной стойкостью. Большая ширина запрещенной зоны позволяет на основе GaP создавать светодиоды, дающие зеленое и красное свечение, а высокая термическая и
радиационная стойкость позволяют применять его для изготовления солнечных батарей. Высокая температура плавления GaP (1467°С) и большое давление паров (3,5 МПа) создают значительные трудности в получении монокристаллического GaP высокой степени чистоты.
112
Поликристаллический фосфид галлия имеет серый цвет. Его выпускают в виде слитков
диаметром 38 мм и длиной 50 мм и в виде шайб диаметром 38 мм и толщиной от 0,5 до 50 мм.
Поликристаллический GaP служит исходным материалом для получения монокристаллических
слитков.
Нелегированный фосфид галлия обладает дырочной проводимостью. Из-за большой ширины запрещенной зоны (Eg=2,2 эВ) собственная электропроводность не проявляется даже при
700°С. Акцепторной примесью для GaP являются: Сu,Be,Mg,Zn,Cd,C,Cr,Mn,Fe,Co,Ni – имеющие энергию ионизации ΔЕА в пределах от 0,053 эВ (С) до 1,125 эВ (Сr), а донорной примесью
– Li,Sn,О,S,Se,Те с энергией ионизации ΔЕД от 0,072 эВ (Sn) до 0,897 эВ (О). Свойства
нейтральной примеси проявляют Ge и Si. В качестве основной акцепторной примеси используют цинк, создающий энергетические уровни ΔЕА=0,0697 эВ, а донорной примеси – теллур, образующий энергетические уровни ΔЕД=0,0926 эВ, и сера, образующая энергетические уровни
ΔЕД=0,107 эВ. Предельная растворимость элементов Zn, Те и S равна соответственно 4,3·1026,
1,5·1025 и 6·1025 атом/м3.
Антимонид индия
Из всех соединений AIIIBV антимонид индия InSb является наиболее изученным, давно и
широко применяемым полупроводником. Он химически стоек, и технология его производства
сравнительно проста. Получают InSb сплавлением в стехиометрическом соотношении индия In
и сурьмы Sb. Полученный материал подвергают глубокой очистке методом зонной плавки,
производя 20–40 проходов расплавленной зоны со скоростью 25–30 мм/ч. Очистка монокристаллов происходит более эффективно, чем поликристаллических слитков, из-за скопления
примесей по границам зерен. Монокристаллы выращивают методом горизонтальной зонной
плавки с затравкой или вытягиванием из расплава по методу Чохральского. Изготовление высокочистых монокристаллов не представляет особых технологических трудностей, так как InSb
имеет низкую температуру плавления (Тпл=525°С) и ни один из образующих его компонентов
не взаимодействует с материалом используемых тиглей. Содержание в нем примесей не превышает 1019 м–3.
Основные свойства антимонида индия приведены в табл. 3.3, из которой видно, что InSb
от других соединений AIIIBV отличается малой шириной запрещенной зоны (Еg=0,18 эВ) и
очень высокой подвижностью электронов. Вследствие малой ширины Еg электропроводность
антимонида индия уже при температурах значительно ниже комнатной становится не примесной, а собственной. Поэтому в большинстве случаев полупроводниковые приборы на основе
InSb используют при глубоком охлаждении. Отличительной особенностью InSb является очень
малое время жизни неосновных носителей заряда; у образцов с собственной проводимостью
оно равно 0,36 мкс.
Акцепторной
примесью
для
антимонида
индия
являются
Сu,Ag,Аu,Mg,Zn,Cd,Si,Ge,Cr,Mn,Fe,Co, энергия ионизации ΔЕА которых изменяется в пределах от
0,008 эВ (Со) до 0,056 эВ (Сu), а донорной примесью – S, Se, Те, имеющие энергию ионизации
ΔЕД–0,0007 эВ. Промышленностью выпускаются монокристаллы InSb с электронной и дырочной
проводимостью и с концентрацией носителей заряда 1020–1024 м–3. В качестве легирующей добавки
применяют теллур, цинк и германий.
Антимонид индия используют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков Холла, оптических фильтров и термоэлектрических генераторов и холодильников.
Арсенид индия
Арсенид индия InAs, так же как и антимонид индия, имеет малую ширину запрещенной
зоны (Еg=0,356 эВ) и большую подвижность электронов. Поэтому свойства этих двух полупро-
113
водников во многом аналогичны. Высокая подвижность электронов позволяет получать на
его основе приборы повышенной чувствительности. Применяют InAs в производстве приборов
с гальваномагнитными эффектами, а также в оптоэлектронных устройствах, оптических фильтрах, источниках ИК-излучения, фотоприемниках и других полупроводниковых приборах. Основные характеристики InAs приведены в табл. 4.3.
Относительно невысокая температура плавления (Тпл=943°С) арсенида индия при давлении паров 3.104 Па не создает больших технологических трудностей при глубокой очистке и
получении монокристаллических слитков. Поэтому для этих целей используют те же методы,
что и при получении антимонида индия. Высокочистые монокристаллы InAs имеют электронную проводимость с концентрацией электронов порядка 1022 м–3. В промышленности при легировании InAs в качестве акцепторной примеси используют цинк, а донорной примеси – теллур
и олово.
Антимонид галлия
Кристаллы антимонида галлия GaSb обладают высокой чувствительностью к механическим напряжениям. Под действием давления 400 МПа удельное сопротивление его кристаллов
увеличивается в два раза. При таком же давлении удельное сопротивление кристаллов фосфида
индия InP и арсенида галлия GaAs изменяется всего лишь на 3%. Увеличение сопротивления
объясняется уменьшением подвижности электронов под действием механического напряжения.
Высокая чувствительность кристаллов GaSb к деформациям позволила использовать его в производстве тензометров. Применяют его также для изготовления туннельных диодов и микроволновых датчиков. Основные свойства антимонида галлия приведены в табл. 4.3.
Монокристаллы GaSb получают из поликристаллических слитков стехиометрического
состава выращиванием из расплава, используя обычные технологии полупроводниковой техники. В качестве акцепторной примеси применяют германий и цинк, а донорной примеси – теллур. Концентрация основных носителей заряда у легированного GaSb составляет 1023–1025 м–3.
Применение полупроводниковых соединений АIIIВV
Многообразие свойств полупроводников типа АIIIВV обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой
группе материалов вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках
и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе полупроводников типа АIIIВV характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в
электромагнитное излучение. Существенными преимуществами таких приборов являются малые габаритные размеры, простота конструкции, возможность внутренней модуляции излучения путем изменения управляющего напряжения, совместимость с элементами интегральных
микросхем по рабочим параметрам и технологическим операциям.
Благодаря этому полупроводниковые лазеры и светодиоды с успехом используются в
вычислительной, информационно-измерительной и оборонной технике, в космонавтике и технике связи, а также в бытовой аппаратуре. Арсенид галлия явился первым полупроводником, на
котором в 1962 г. создан инжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излучения с помощью р-n-перехода. Лазерный эффект возникает лишь в случае, если плотность тока через p-n-переход превышает некоторое значение.
Большой набор значений ширины запрещенной зоны у полупроводников типа А IIIВV
позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий
диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы. Арсенид галлия потенциально является одним из лучших фоточувствительных материалов
для применения в солнечных батареях. Антимонит индия имеет важное техническое значение
114
для изготовления приемников инфракрасного излучения, обладающих фоточувствительностью вплоть до =7 мкм.
Полупроводники АIIIВV позволяют создавать эффективные фотокатоды и эмиттеры вторичных электронов. Например, фотокатоды из арсенида галлия р-типа, активизированного
пленкой СsO2 для снижения работы выхода электронов, обладают квантовым выходом в ближней инфракрасной области спектра на несколько порядков выше, чем у фотокатодов из традиционных материалов.
Токовая неустойчивость в сильных электрических полях, обусловленная междолинными
переходами электронов, используется для создания генераторов СВЧ-колебаний (генераторов
Ганна), работающих в диапазоне частот 109–1010 Гц. Кроме арсенида галлия перспективными
материалами для этих целей являются InP, InAs и твердые растворы на их основе.
Арсенид галлия и антимонид индия применяются для изготовления туннельных диодов.
По сравнению с германиевыми диодами приборы из арсенида галлия характеризуются более
высокой рабочей температурой, а диоды из InSb обладают лучшими частотными свойствами
при низких температурах.
Прогресс в технологии арсенида галлия открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных микросхем. По сравнению с кремнием арсенид галлия является более сложным в технологическом
плане материалом. На нем трудно вырастить стабильный собственный окисел, он не допускает диффузионного легирования донорными примесями. Разложение при высоких температурах создает трудности при проведении операций отжига. Однако совершенствование
техники эпитаксии, освоение технологии ионного легирования, лазерного отжига, электронно-лучевой литографии, разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют
реализовать возможности арсенида галлия в повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем.
Твердые растворы на основе соединений АIIIВV
Твердые растворы позволяют существенно расширить (по сравнению с элементарными
полупроводниками и полупроводниковыми соединениями) набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых
приборах. Необходимыми условиями образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов
идентичности.
Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых замещение происходит
лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения (металлической или металлоидной).
Состав таких твердых растворов принято характеризовать символами Аx, В1-x,С и АСyD1-y, где
А и B обозначают элементы III группы, а C и D – элементы V группы.
Kaк и в бинарных соединениях АIIIВV, в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут быть получены электронно-дырочные
переходы.
Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления
шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их компонентного состава.
Изменение ширины запрещенной зоны у твердых растворов сопровождается соответствующим смещением спектров оптического поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствительности.
С изменением состава твердого раствора изменяются значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления, происходит смещение примесных энергетических уровней. В ряде систем при определенном соотношении между компонентами можно получить
115
качественно новое сочетание свойств. Так, в твердых растворах GaAs1-yPy и AlxGa1-xAs (с x
и y порядка 0,3…0,4) сочетаются достаточно широкая запрещенная зона (Eg>1,7 эВ) с высоким
квантовым выходом межзонной излучательной рекомбинации. Такие материалы используют
для создания эффективных электролюминесцентньх источников красного излучения (светодиодов и лазеров).
Твердые растворы GаxIn1-xP (с x=0,5…0,7) обладают эффективной люминесценцией в
желто-зеленой области спектра.
Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной
шириной запрещенной зоны. Для получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта необходимо выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим, кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием при выборе материалов
контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного расширения.
Полупроводниковые соединения типа АIIВVI
К соединениям типа АIIВVI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути (табл. 4.4). Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. В эту группу не входят окислы указанных металлов.
Таблица 4.4
Свойства сульфидов, селенидов и теллуридов
Соединение
ZnS
ZnSe
ZnTe
CdS
CdSe
CdTe
HgS
HgSe
HgTe
PbS
Bi2S3
Плотность,
Мг/м3
Температура
плавления,
°С
Показатель
преломления
ТКЛР
αl.106, К–
1
Диэлектричес
кая
проницаемость
Ширина запрещен
ной зоны при
20°С,
эВ
Подвижность,
м2/(В·с)
электронов
4,15
1830
2,23
6,5
8-8,5
3,6-3,7
0,016
5,42
1515
2,43
7,7
8,1-9,1 2,7-2,8
0,07
5,23
1295
3,12
8,3
10,0
2,1-2,3
0,034
5,68
1750
2,26
5,4
9,0
2,4-2,6
0,035
4,82
1258
2,44
9,51,6-1,8
0,08
5,68
1098
2,67
4,2
10,5
1,3-1,6
0,10
5,86
1450
2,63
9,6-11
2,0
0,005-0,02
8,10
800
31,0
0,2-0,6
1,0-1,8
8,26
670
3,80
4,8
26,0
0,02-0,1
1,0-3,0
8,42
1114
4,1
20-48 1,17;0,36*
0,061
7,61
720
17
1,3*
*Диэлектрическая проницаемость измерена оптическим методом.
дырок
0,0005
0,0015
0,010
0,005
0,005
0,006
0,01
0,062
0,02
Являясь алмазоподобными полупроводниками, соединения типа АIIВVI кристаллизуются
в структуре цинковой обманки кубического (сфалерит) или гексагонального (вюрцит) типа.
Важной особенностью полупроводников типа А IIВVI является то, что многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от условий получения и характера
легирования кристаллов. Так, сульфиды и селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками n-типа. В отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью. И лишь CdTe и НgТе могут иметь электропроводность как n-, так и р- типа, в
зависимости от условий изготовления и типа легирующих примесей.
116
Отсутствие инверсии типа электропроводности существенно ограничивает возможности практического использования полупроводников типа АIIВVI.
Проводимость соединений типа АIIВVI может быть изменена путем термообработки в
парах собственно компонентов. Например, удельная проводимость сульфида кадмия при термообработке в парах серы может измениться на десять порядков. Теллурид кадмия (в отличие
от CdS и ZnТе) может быть электронным и дырочным полупроводником. Например, термообработка при температуре 900С в парах кадмия под давлением больше 7·104 Па приводит к появлению электронной электропроводности. Если же давление паров кадмия при
термообработке меньше указанного значения, то получается материал р-типа.
Таким образом, химическая чистота является хотя и необходимым, но недостаточным
условием для получения кристаллов соединений типа А IIВVI с заданными свойствами. Требуется обязательно управлять степенью дефектности кристаллической решетки, т.е. концентрацией
вакансий.
Халькогениды цинка
Из всех халькогенидов сульфид, селенид и теллурид цинка (ZnS, ZnSe и ZnTe) имеют
наибольшую ширину запрещенной зоны (см. табл. 4.4). Из них наиболее широкое применение
получил ZnS.
Сульфид цинка ZnS обладает высоким удельным сопротивлением (=106–1012 Ом·м) и
большой шириной запрещенной зоны (Eg=3,6–3,7 эВ), какие обычно имеют диэлектрики. Нелегированный кристаллический ZnS проявляет электронную проводимость. При легировании ZnS
элементами I группы периодической системы Менделеева в нем образуется дырочная проводимость. В виде кристаллического порошка (реже в виде пленок) его широко используют в качестве люминофора в производстве осциллографических и телевизионных электронно-лучевых
трубок, люминесцентных, осветительных ламп. Люминофоры на основе ZnS отличаются высокой яркостью и светоотдачей в видимой области спектра. Вводя в ZnS активаторы, можно регулировать цвет свечения. Если в ZnS добавить CdS, то спектр люминесценции сместится в
область более длинных волн. Монокристаллы ZnS и спеченные поликристаллические блоки обладают высокой оптической прозрачностью в области ИК-спектра, что послужило причиной
для их использования в качестве входных окон и линз в оптико-электронных устройствах.
Наличие пьезоэлектрического эффекта у пленок ZnS позволило применять их в некоторых акустических устройствах. Селенид цинка ZnSe проявляет фоторезистивные, фото- и электролюминесцентные свойства, имеет высокую прозрачность в ИК-области. Оптическую керамику на
основе ZnSe применяют для изготовления входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Теллурид цинка ZnTe обладает электролюминесцентными и фоторезистивными свойствами.
Халькогениды кадмия
Наиболее изученными и широко применяемыми соединениями этой группы полупроводников являются сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe и теллурид кадмия CdTe, некоторые свойства которых приведены в табл. 4.4. Отличительная особенность этих
полупроводников – очень высокая чувствительность фототока к освещенности. Например, у
фоторезисторов на их основе под действием светового потока сопротивление уменьшается в
102–103 раз.
Сульфид кадмия CdS обычно имеет электронную проводимость из-за некоторого избытка атомов Cd относительно стехиометрического состава. Его удельное сопротивление в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры и концентрации примесей
изменяется в пределах от 103 до I010 Ом·м. Полоса основного поглощения монокристаллическо-
117
го CdS лежит вблизи 0,52 мкм. Его широко используют в оптоэлектронике для изготовления фоторезисторов, люминофоров, усилителей света.
Тип и величина электропроводности селенида кадмия CdSe и теллурида кадмия CdTe зависят от степени отклонения их состава от стехиометрического. Обычно они имеют электронную проводимость из-за избытка кадмия. Избыток Se (Те) приводит к появлению дырочной
проводимости. Область их применения та же, что и CdS.
Халькогениды ртути
Монокристаллы сульфида ртути HgS и селенида ртути HgSe обычно обладают электронной проводимостью из-за отклонения их состава от стехиометрического. Монокристаллы
теллурида ртути HgTe могут иметь как электронную, так и дырочную электропроводность. Однако преимущественно HgTe проявляет дырочную электропроводность из-за наличия вакансий
ртути. Сульфид ртути имеет высокую оптическую прозрачность в ИК-области спектра. Селенид
и теллурид ртути являются полупроводниками с очень узкой шириной запрещенной зоны (особенно HgTe) и высокой подвижностью электронов (см. табл. 4.4). Используют их в высокочувствительных приемниках излучения и датчиках Холла.
Рассмотрим более подробно применение соединений АIIВVI. Из всех соединений типа
АIIВVI по масштабам применения выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а второй широко используется
для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра. Именно на сульфиде цинка Г. Дестрио впервые наблюдал свечение в переменном
электрическом поле. До сих пор люминофоры из ZnS кристаллизуется в двух модификациях высокотемпературной гексагональной и низкотемпературной кубической. Точка фазового перехода лежит вблизи 1020С. Предпочтение отдают люминофорам с кубической структурой
ввиду повышенной яркости свечения. Однако практически почти всегда в сульфидных люминофорах имеется смесь обеих модификаций. Важной особенностью сульфида цинка является
то, что он образует непрерывный ряд твердых растворов с CdS, CdSe, ZnSe. При этом добавка
CdS стабилизирует гексагональную модификацию, а добавка ZnSe – кубическую.
Наиболее широкое распространение получили электролюминофоры, активизированные
медью, которые излучают в зеленой и голубой областях спектра. Чтобы повысить растворимость акцепторной примеси меди в состав люминофора вводят эквивалентное количество доноров (галогенов), которые выступают в качестве соактиваторов люминесценции.
Эффективные люминофоры с излучением в желтой области спектра получают при активации сульфида цинка марганцем.
Недостатком электролюминесцентных устройств на основе сульфида цинка является относительно высокая скорость деградации приборов, т.е. ухудшения их свойств с течением времени.
В сульфиде кадмия очувствляющими центрами являются скомпенсированные (т.е. ионизированные) акцепторы, в качестве которых могут выступать вакансии кадмия. Концентрация
последних возрастает при легировании донорами.
Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, используют пленки и спеченные порошкообразные соли CdSe.
Указанные полупроводники типа АIIВVI представляют интерес для создания приемников
далекого ИК-излучения. Особое внимание привлекают твердые растворы CdxH1-xTе, спектр фоточувствительности которых перекрывает атмосферное «окно прозрачности» в области 8–
14 мкм.
Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Высокая эффективность излучательной рекомбинации в полупровод-
118
никах типа АIIВVI позволяет использовать монокристаллы этих соединений в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком.
Полупроводниковые соединения типа АIVВVI
Среди полупроводниковых соединений типа А IVВVI (PbS, PbSe, PbTe) наиболее изученными являются халькогениды свинца. Как узкозонные полупроводники они применяются в качестве детекторов ИК-излучения. Все три соединения кристаллизуются в кубической структуре
типа NaCl. Химические связи в этих кристаллах не являются чисто ионными, но характеризуются ярко выраженной ионной составляющей.
Электрические свойства халькогенидов свинца во многом определяются отклонениями
от стехиометрии, которые при определенных условиях синтеза и термообработки соединений
достигает значений порядка 10-3 атомных долей.
Избыток атомов свинца вызывает электронную электропроводность, а избыток халькогена – дырочную. При термообработке кристаллов p-типа в вакууме или в присутствии паров
металлического свинца они приобретают электропроводность n- типа. Отжиг халькогенидов в
парах халькогена сообщает полупроводнику электропроводность p- типа. В случае очень большого количества избыточных атомов свинца в РbS возникают металлические мостики. Такие
образцы в электрическом отношении ведут себя как металлический свинец. Для них наблюдается сверхпроводимость при температуре ниже 7,2 К.
Семейство халькогенидов свинца отличается от большинства остальных полупроводников необычной температурной зависимостью ширины запрещенной зоны. У всех трех полупроводников – PbS, PbSe, PbTe – ширина запрещенной зоны возрастает с повышением
температуры, причем температурные коэффициенты Eg очень близки друг к другу.
Большой научный и практический интерес представляют твердые растворы на основе
теллуридов свинца и олова. Теллурид олова имеет такую же кристаллическую структуру
(а0=0,603 нм), что и PbTe. Поэтому система PbTe – SnTe характеризуется полной взаимной растворимостью. Одна из главных причин повышенного интереса к твердым растворам на основе
халькогенидов свинца связана с использованием этих материалов для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне «атмосферного окна» 8-14 мкм,
которое соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела при 300 К. Это значение
соответствует максимальной длине волны излучения для полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые соединения AIVBIV
Единственным полупроводниковым материалом бинарного химического соединения типа A BIV является карбид кремния SiC. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: кубической (β-SiC) и гексагональной (α-SiC).
Кубическая модификация кристаллизуется в структуре сфалерита при температурах ниже 2000°С, имеет плотность 3,1 Мг/м3 и называется низкотемпературной. Гексагональная модификация образуется при более высоких температурах, имеет плотность 3,2 Мг/м3 и
называется высокотемпературной. Она содержит большое число разновидностей, так называемых политипов, отличающихся размещением в решетке слоев атомов Si и их чередованием.
Для β-SiC Eg=2,39 эВ, для различных политипов α-SiC Eg=2,72–3,34 эВ.
Большие значения ширины запрещенной зоны SiC (Eg=2,39–2,72 эВ) позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°С. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны
наблюдается лишь при температурах выше 1400°С. Подвижность носителей заряда низка: для
электронов не более 0,1 м2/(В·с), а для дырок – 0,02 м2/(В·с).
IV
119
Карбид кремния имеет высокую твердость (немного уступает алмазу), высокую
термическую, химическую и радиационную стойкость. Заметно окисляется при температурах
выше 800°С. При комнатной температуре химически взаимодействует только с расплавленными щелочами, а также с расплавленной ортофосфорной кислотой Н3РО4 и смесью азотной и
фтористоводородной кислот (HNO3 и HF). Чистый карбид кремния стехиометрического состава
бесцветен. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет SiC зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется
примесью атомов, как чужеродных элементов, так и собственных, являющихся превышением
над стехиометрическим составом. Примеси элементов V группы (азот N, фосфор Р, мышьяк As,
сурьма Sb, висмут Bi), а также литий Li и кислород О придают карбиду кремния зеленую
окраску и электропроводность n-типа. Элементы III группы (бор В, алюминий А1, галлий Ga,
индий In) и элементы II группы (бериллий Be, магний Mg, кальций Са) придают голубую и черную окраску и электропроводность р-типа. Избыток кремния от стехиометрического состава
SiC создает электропроводность n-типа, а избыток углерода – р-типа.
Поликристаллический SiC получают в электрических печах путем восстановления двуокиси кремния SiO2 углеродом С:
SiO2+3С=SiC+2CO↑
Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки.
Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов), в которых сопротивление нелинейно снижается с ростом приложенного электрического напряжения. Для этих целей изготавливают многофазные материалы на основе
порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, игнитронные поджигатели и
волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC – светодиоды и солнечные элементы.
Монокристаллический SiC используют для изготовления светодиодов. Светодиоды на
основе SiC по сравнению со светодиодами на основе химических соединений типа A IIIBV обладают очень высокой надежностью и стабильностью работы. Они могут выдерживать 100кратные токовые перегрузки, циклические перегревы до 400°С, обладают исключительно высокой радиационной стойкостью. Монокристаллический карбид кремния можно использовать для
изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов, фоторезисторов и других изделий.
Эпитаксиальные слои и твердые растворы на основе карбида кремния можно получать
всеми известными методами, используемыми в полупроводниковой технологии.
Неорганические стеклообразные полупроводники обладают чисто электронной проводимостью и отличаются от кристаллических полупроводников тем, что в них отсутствует
примесная электропроводность, т.е. примеси в них не могут быть ни акцепторами, ни донорами.
Однако примеси могут влиять на отклонение от стехиометрического состава и тем самым приводить к изменению их электрофизических свойств. Эти полупроводники окрашены и непрозрачны в толстых слоях. Они подразделяются на кислородсодержащие стекла и
бескислородные халькогенидные стекла.
Кислородсодержащие стекла получают сплавлением оксидов металлов с переменной
валентностью (Ti,V,Fe,Co,Ni,Сu), например ванадийфосфатные стекла типа V2O5–P2O5–ZnO.
120
Оксиды металлов, образующие эти стекла, имеют одновременно не менее двух разновалентных состояний одного и того же элемента, что и обуславливает их электронную проводимость.
Бескислородные халькогенидные стекла получают путем сплавления халькогенов
(S,Se,Те) с элементами III, IV и V групп периодической системы Менделеева.
Контрольные вопросы
Вопрос 1.
Материалы для светодиодов типа OLED. Свойства и характеристики.
Вопрос 2.
Полупроводниковые материалы для космического применения. Какие характеристики являются ключевыми?
Вопрос 3.
Чем можно объяснить, что многие полупроводниковые соединения группы А IIВVI проявляют электропроводность лишь одного типа, независимо от характера легирования?
Вопрос 4.
Стеклообразные полупроводники. Применение в компонентах электронной техники.
Вопрос 5.
С какой целью производят выращивание эпитаксиальных слоев кремния на монокристаллических подложках при изготовлении интегральных схем? В чем преимущества и недостатки
эпитаксиальной технологии?
Вопрос 6.
Привести характеристики и примеры использования сверхпроводящих полупроводников.
Вопрос 7.
Почему для формирования областей р-типа в кремниевых планарных приборах в качестве
диффундирующей акцепторной примеси в подавляющем большинстве используют бор, хотя
алюминий и галлий имеют более высокие коэффициенты диффузии в кремнии?
Вопрос 8.
Почему для изготовления большинства полупроводниковых приборов требуются монокристаллические материалы и не могут быть использованы поликристаллические образцы?
Вопрос 9.
Получение монокристаллов кремния. Последовательность операций и оборудование.
Вопрос 10.
Получение монокристаллов германия. Последовательность операций и оборудование.
Раздел 5. Магнитные материалы
Тема 17. Магнитные свойства и классификация магнитных материалов
Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, т.е. проявляют определенные магнитные свойства.
Объясняется это тем, что любой материал под действием внешнего магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагничивается. Поскольку магнитное поле образуется при
движении электрического заряда, естественно полагать, что магнитные свойства материалов проявляются в результате движения электронов, входящих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обладают также и ядра атомов. Однако их влиянием на магнитные свойства
атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра на три десятичных порядка меньше
магнитного момента электрона. Каждый электрон атома осуществляет два вида движения: орбитальное и спиновое, создавая соответственно орбитальный магнитный момент Морб и спиновой
магнитный момент Мсп. Полный магнитный момент атома Мат представляет векторную сумму
орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов данного атома
121
z
z
1
1
M

М

М


ат
орб
сп
В отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент атома Мат не равен нулю только
при наличии у него незаполненной электронной оболочки. В заполненных электронных оболочках не
только орбитальные, но и спиновые магнитные моменты электронов полностью скомпенсированы.
Для характеристики магнитных свойств вводят следующие величины:
В – магнитная индукция (плотность магнитного потока), Тл;
Н – напряженность магнитного поля, А/м;
М – намагниченность материала под действием магнитного поля, А/м – это векторная
сумма магнитных моментов атомов Мат, находящихся в единице объема V магнитного материала:
1 z
M 
М
а
т
V 1
μ – относительная магнитная проницаемость (или магнитная проницаемость) – величина
безразмерная;
кт – магнитная восприимчивость (величина безразмерная).
Магнитная индукция В материала является векторной суммой магнитных индукций
внешнего (намагничивающего) поля Во и внутреннего поля Ввн:
 
B

B

B


Н

М

(
Н

М
)
0
в
н
0
0
0
где Во=μ0·Н – магнитная индукция поля в вакууме; Ввн=μ0·М – магнитная индукция внутреннего поля; μ0 – магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной, μ0=4π·10–7,
Гн/м.
Между намагниченностью материала М и напряженностью магнитного поля Н существует зависимость:
Mkm H
где кт – магнитная восприимчивость, характеризующая способность материала изменять свой
магнитный момент под действием внешнего магнитного поля. В вакууме кт=0.
Магнитная проницаемость μ характеризует способность материала намагничиваться. μ
показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного в данном материале, больше,
чем в вакууме.
Кроме относительной магнитной проницаемости μ, в электротехнике пользуются также
абсолютной магнитной проницаемостью μа, имеющей размерность Гн/м.
По магнитным свойствам все материалы разделяются на три основные группы: диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики).
Позже в самостоятельные группы были выделены еще два вида магнитных материалов: антиферромагнитные (антиферромагнетики) и ферримагнитные (ферримагнетики). Диа-, пара- и антиферромагнетики относят к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнетики – к
сильномагнитным материалам.
На практике под магнитными материалами понимают материалы, обладающие свойствами ферромагнетика или ферримагнетика.
Диамагнетики
Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнитным полем в электронных
оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента. Поэтому он присущ всем материалам
независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. В чистом виде диамагнетизм
122
можно наблюдать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома Мат равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками.
Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молекулы которых в отсутствие
внешнего магнитного поля не имеют результирующего магнитного момента. В них существует
только магнитный момент, наведенный внешним магнитным полем.
Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагниченности направлен против вектора
внешнего намагничивающего поля. По этой причине они подвергаются слабому выталкивающему
действию последнего. Магнитная восприимчивость кт диамагнетиков отрицательная (кт<0) и по абсолютному значению очень мала. В большинстве случаев кт не зависит от температуры и напряженности
магнитного поля. Магнитная проницаемость μ у них немного меньше единицы (μ<1).
Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак, ряд металлов
(Сu,Ag,Аu,Zn,Pb,Hg), металлоиды (Р,S,Si), вещества неорганические (стекла, мрамор, вода) и
органические (воск, нефть). Значения кт и μ некоторых диамагнетиков приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Значения магнитной восприимчивости кт
диамагнетиков и парамагнетиков
Вещество
km
μ=1+km
Диамагнетики
Висмут
–1,7.10–4
0,99983
. –5
Вода
–0,88 10
0,9999912
Медь
–0,94.10–5
0,9999906
. –5
Кремний
–0,3 10
0,999997
Водород
–0,208.10–8
0,9999999979
Парамагнетики
СаО
5,8.10–3
1,0058
. –4
Платина
2,93 10
1,000293
Алюминий
2,14.10–4
1,000214
. –7
Воздух
3,65 10
1,000000365
Парамагнетики
Парамагнетизм наблюдается у материалов, атомы (ионы) которых имеют нечетное число
электронов (кроме Сu,Ag,Sb,Bi).
Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля
уже обладают собственным магнитным моментом, который обусловлен нескомпенсированными в атомах спиновыми магнитными моментами электронов. Но поскольку взаимодействие
между магнитными моментами атомов (ионов или молекул) равно нулю или очень мало, их
магнитные моменты расположены беспорядочно (рис. 5.1,а), и результирующая намагниченность М материала равна нулю.
123
а)
б)
в)
г)
Рис. 5.1. Схемотехническое изображение магнитных моментов атома в отсутствие внешнего
магнитного поля в парамагнетиках (а), ферромагнетиках (б), антиферромагнетиках (в) и ферримагнетиках (г)
При приложении магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т.е. проявляется положительная
намагниченность (кт>0), вследствие чего они втягиваются в области с максимальной напряженностью магнитного поля. По абсолютному значению кт очень мала и не зависит от напряженности
магнитного поля, но зависит от температуры. Магнитная проницаемость μ немного больше единицы (μ>1). Значения кт и μ некоторых парамагнетиков приведены в табл. 5.1.
Парамагнетизм проявляется у щелочных металлов (Na,К); переходных металлов
(Ti,V,Cr,Мn), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку; редкоземельных элементов
(лантаноидов) от церия Се до лютеция Lu, имеющих недостроенную 4f-электронную оболочку.
Однако переходные металлы Fe,Co и Ni имеют большие значения кт и μ и являются типичными
ферромагнетиками. Элементы Мn, Сr, их оксиды и некоторые соединения Мn, хотя и имеют
значения кт и μ того же порядка, что и парамагнетики, по внутренней магнитной структуре они
ближе к ферромагнетикам. На основании этого выделены в самостоятельную группу и названы
антиферромагнетиками.
Ферромагнетики
Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, как и у
парамагнетиков, магнитные моменты атомов (ионов) обусловлены некомпенсированными в них
спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг другу (рис. 5.1,б) с образованием
магнитных доменов.
Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене некомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Доменная
структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной
(спонтанной) намагниченности, которая происходит при температурах ниже некоторой так
называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк=768°С, никеля Тк=358°С, кобальта
Тк=113°С.
124
Разделение всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодно. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так,
что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. Домены имеют размеры
около 0,001–10 мм3 при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В доменных границах происходит постепенное изменение направления вектора
намагниченности от одного домена к направлению вектора намагниченности в соседнем домене. Характерная особенность ферромагнетиков – их доменное строение, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию.
Магнитная восприимчивость кт и магнитная проницаемость μ ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 106) и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и
температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются даже в слабых магнитных полях.
В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченности всего образца ферромагнетика равна или близка нулю. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов
начинают ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим намагничиванием и его
необходимо отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов.
При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше Тк, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки, начнет
изменять параметры решетки, в результате разрушается спонтанная намагниченность, домены
перестают существовать – материал перейдет из ферромагнитного состояния в парамагнитное
(некоторые редкоземельные элементы переходят в антиферромагнитное состояние), и величина
инице (рис. 5.2).
μ
Т
Тк
Рис. 5.2. Зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнетиков от температуры Т
Для характеристики изменения магнитной проницаемости μ при изменении температуры
на один Кельвин пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμ,
К–1
1 d
TK 
 dT
К ферромагнетикам относятся три переходных металла (железо, кобальт и никель), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку, и сплавы на их основе; шесть редкоземельных
металлических элементов (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий), имеющих
очень низкие значения Тк (табл. 5.2), что затрудняет их практическое применение; сплавы системы Мn–Сu–Аl (сплавы Гейслера) и соединения MnSb, MnBi и др., в которых атомы марганца
находятся на расстояниях, больших, чем в решетке кристалла чистого марганца.
Таблица 5.2
125
Точка Кюри Тк (точка Нееля Тн) ферромагнитных лантаноидов и сплавов на основе
марганца
Вещество
Точка Кюри
Вещество
Точка Кюри
(точка Нееля), ˚С
(точка Нееля), ˚С
Гадолий
17
Эрбий
–253(–188)
Тербий
–54(–43)
Тулий
–251(–213)
Диспрозий
–188(–94)
Сплав Гейслера
200
Гольмий
–253(–140)
Сплав марганца с 340
50% висмута
Примечание. Ниже Тк. материал находится в ферромагнитном состоянии, между Тк, и Тн,
– в антиферромагнитном, выше Тн – в парамагнитном.
Антиферромагнетики – это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным
моментом, обусловленным, как у пара- и ферромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми
магнитными моментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные моменты атомов под действием обменного взаимодействия приобретают не параллельную ориентацию, как
у ферромагнетиков, а антипараллельную (противоположную) (см. рис. 5.1,в) и полностью компенсируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, и их
магнитная восприимчивость кт близка по величине к кт парамагнетиков.
Для антиферромагнетиков, как и для ферромагнетиков, существует определенная температура, называемая точкой Нееля Тн при (и выше) которой антиферромагнитный порядок разрушается, материал переходит в парамагнитное состояние.
К антиферромагнетикам относятся: Mn, Cr, CuO, NiO, FeO, Cr2O3, NiCr, MnO, Mn2O3,
MnS, VO2 и довольно большое количество других соединений.
Ферримагнетики – имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы
атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они
имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно (рис. 5.1,г).
В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.
Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материалы получили от ферритов – первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов
доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри.
К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков они имеют меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции и в ряде случаев высокое значение удельного
сопротивления (=10–3–1010 Ом·м).
Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое
образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно.
Ферриты представляют собой сложные системы окислов металлов с общей химической
формулой MeO·Fe2O3, где МеО – окисел двухвалентного металла. Ферриты – это ферримагнитная керамика. Высокое удельное сопротивление практически исключает возникновение в ферритах вихревых токов при воздействии на них переменных магнитных полей, что, в свою
очередь, позволяет применять ферриты в качестве магнитных материалов в диапазоне радиочастот, включая СВЧ.
126
В электротехнике в качестве магнитных материалов широкое применение нашли
ферромагнитные и ферримагнитные материалы. Диамагнетики и парамагнетики используют в
качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.
Тема18. Магнитные свойства ферромагнетиков
Магнитная анизотропия
Монокристаллы ферромагнетиков обладают анизотропией магнитных свойств. В них
существуют кристаллические направления легкого и трудного намагничивания. Для намагничивания монокристалла до технического насыщения вдоль кристаллографического направления
легкого намагничивания затрачивается энергии меньше (насыщение достигается при меньших
значениях напряженности магнитного поля Н), чем для такого же намагничивания вдоль
направления трудного намагничивания.
Магнитная анизотропия проявляется в монокристаллических образцах, а в поликристаллических она не обнаруживается. Затраты энергии намагничивания монокристалла вдоль
направления легкого намагничивания намного меньше (у железа в 5–10 раз), чем при намагничивании поликристаллического образца металла. Поэтому у поликристаллических металлов
(например, у электротехнических сталей) методом прокатки создают преимущественную ориентацию отдельных кристаллитов (зерен) в заданном направлении. Например, у сталей зерна
ориентируют на ребро. В этом случае поликристаллический металл приобретает магнитную
текстуру. В результате магнитные характеристики металла в одном направлении улучшаются.
Магнитное текстурирование широко применяют на практике.
Магнитострикция
Явление намагничивания ферромагнитных материалов, сопровождающееся изменением их линейных размеров, называют магнитострикцией. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной λs называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным
удлинением образца (λs=Δl/l) при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное
значение
λs
невелико
–6
–4
(10 –10 ), и к тому же λs не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряженности магнитного поля Н λs изменяется и даже может измениться ее знак. Например, для α-Fe в
слабых магнитных полях (Н<32 кА/м) λs>0, в сильных (Н>32 кА/м) λs<0, а при Н≈32 кА/м λs=0.
При намагничивании, как правило, положительная продольная магнитострикция образца
соответствует его отрицательной поперечной магнитострикции, при этом объем материала почти
не изменяется. Поэтому магнитострикцию характеризуют не объемным изменением, а линейным
(Δl/l). В монокристаллах ферромагнетика проявляется анизотропия магнитострикции. Магнитострикция наблюдается и в поликристаллических материалах, причем наибольшая – у никеля (λs=–
3,7·10–5), у сплава никоси (сплав Ni–Co–Si) λs=2,5·10–5) и у ферритов (λs=2,6·10–5). Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов (Tb,Dy,Но,Er,Tm) и их соединений. Например, у поликристаллического тербия λs=3·10–3, а у монокристаллического – λs=2·10–2.
Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменение состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты
широко применяют в приборостроении (реле, вибраторы, фильтры, преобразователи).
Причины, приводящие к образованию доменов
Ферромагнетики в ненамагниченном состоянии самопроизвольно (спонтанно) разбиваются на множество доменов, намагниченных до насыщения. Магнитные моменты этих доменов
дезориентированы друг относительно друга, поэтому суммарная (результирующая) намагниченность М образца равна или близка нулю. Спонтанное деление объема ферромагнетика на
множество доменов объясняется тем, что многодоменная структура ферромагнетика наиболее
127
устойчива и ей соответствует минимум полной свободной энергии системы, которая, в
свою очередь, состоит из следующих основных видов: магнитостатической, обменной, магнитной анизотропии, магнитострикции. В образовании многодоменной структуры особенно важны
первые два вида энергии.
При намагничивании ферромагнетика (например, монокристалла) до насыщения он будет представлять собой постоянный магнит, состоящий из одного домена и создающий внешнее
магнитное поле (рис. 5.3,а; стрелкой обозначен магнитный момент домена). Такой образец обладает максимальной магнитостатической энергией. Если этот же монокристалл будет состоять
из двух доменов с противоположной ориентацией спиновых магнитных моментов (см.
рис. 5.3,б), то магнитостатическая энергия уменьшится в два раза, так как часть магнитного потока, выходящего из одной области, замкнется на другую. При возникновении в монокристалле
четырех доменов (см. рис. 5.3,в) магнитостатическая энергия уменьшится в четыре раза и т.д.
Еще более энергетически выгодной будет доменная структура, изображенная на рис. 5.3,г. В
результате образования граничных доменов в виде трехгранных призм, называемых замыкающими доменами, магнитостатическая энергия становится равной нулю.
NNNN
SSSS
NN
SS
SS
NN
б)
а)
N
S
S
N
N S
S N
в)
г)
Рис. 5.3. Уменьшение магнитостатической энергии, обусловленное разделением монокристалла
ферромагнетика на магнитные домены
Процесс деления монокристалла на домены имеет определенный предел. При увеличении числа доменов возрастает протяженность границы между доменами и соответственно возрастает обменная энергия, необходимая для их образования. Поэтому на каком-то этапе
деление доменов становится энергетически невыгодным и прекратится в силу того, что энергия,
необходимая для образования доменных границ, станет больше того выигрыша в энергии, который происходит за счет уменьшения магнитостатической энергии в результате деления доменов.
Механизм технического намагничивания и магнитный гистерезис
Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления спонтанной намагни-
128
ченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении магнитного поля самым выгодным направлением технической намагниченности домена будет та его ось
легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость намагниченности М или магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для предварительного размагниченного образца, а также зависимость
магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н и предельная петля магнитного гистерезиса. На рис. 5.4 представлены кривые зависимости В и μ от напряженности магнитного поля Н для образца предварительно размагниченного ферромагнетика.
μм
B, μ
В
Вs
μн
I
II
III
IV
Hs
H
Рис. 5.4. Основная кривая намагничивания (зависимость В от Н) и зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н
На кривых этих зависимостей можно выделить четыре характерных участка.
I участок – это область самых слабых магнитных полей (Н→0) – характеризуется линейной зависимостью В от Н и постоянным значением μ. На этом участке происходит увеличение объема (рост) тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наименьшие углы с
направлением внешнего магнитного поля; их рост происходит за счет доменов, у которых эти
углы наибольшие. Рост доменов происходит путем обратимого смешения их границ. Поэтому
процесс намагничивания на этом участке называют процессом обратимого смещения границ
доменов. На этом участке суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, и
материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μн, которую экспериментально определяют в полях с Н≈0,1 А/м. Величина μн, является удобной характеристикой материала
сердечников высокочастотных катушек индуктивности, работающих, как правило, в полях с
невысокой напряженностью. После снятия внешнего магнитного поля границы доменов снова
возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.
II участок – область слабых магнитных полей – характеризуется крутым подъемом В и
Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μм. Величина μм является
удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов, работающих в полях повышенной напряженности (конец II–начало III участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов
необратим, т.е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в
исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому
процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ
доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением
129
легкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.
III участок – область средних полей – характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением
внешнего магнитного поля Н, поэтому его называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н=Нs намагниченность М материала достигает значения
намагниченности технического насыщения Ms (М→Ms) или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения BS(B→Bs). Магнитная проницаемость μ на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н
увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно.
IV участок – область сильных магнитных полей – характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряженности магнитного поля Н и приближением значения магнитной проницаемости μ к единице. Незначительное увеличение магнитной индукции
В на этом участке происходит в результате парапроцесса, который заключается в гашении
сильным полем дезориентирующего действия теплового поля. Абсолютно строгую ориентацию
всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения.
По мере повышения температуры, дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим
действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет
место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения Вs (В=Bs),
пара-процесс проявляется более отчетливо.
В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания
накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.
Магнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный образец подвергнуть
намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ рис. 5.5 и
в точке А при Н=Hs достигнет значения индукции технического насыщения, или индукции
насыщения Bs. Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВr и при Н=0
индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается Br; с
ней связано существование постоянных магнитов.
130
BБ
Bs
А
Br
-Н
-Нs
Б'
-Нс
Нс Нs
0
Н
-Br
–Вs
A'
-В
Рис. 5.5. Предельная петля магнитного гистерезиса
Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда Н=0, магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси
легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего поля.
Для достижения полного размагничивания образца к нему необходимо приложить поле
определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Hс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А' при Н=–Hs достигает значения индукции
технического насыщения (В=–Вs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения
положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей
магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных
материалов.
Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса – это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +HS до –Hs и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные параметры
материала: коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Вs остаточную индукцию Вr и др.
Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за
один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис. Из рис. 5.5 видно, что в координатах
В(Н) при Н<Hs (или В<Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.
Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания происходят в них аналогичным образом.
Коэрцитивная сила Нс является важной технической характеристикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других
дефектов. Чем больше значения этих величин и меньше однородность структуры, тем больше Нс и
меньше μ. Объясняется это тем, что поверхность зерен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решетки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты
при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Нс возрастает, а μ снижается. С уменьшением размера зерен их суммарная
удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или
холодной деформации (прокатке, волочению), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно большой Нс и малой μ.
131
Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую структуру с небольшой
суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно с небольшой Нс и с высокой μ.
Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического
состава магнитных материалов, то такие характеристики, как коэрцитивная сила Нс, магнитная
езиса, являются структурночувствительными. Поэтому чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжении,
примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше μ, а материал соответственно легче
намагничивается и перемагничивается.
Магнитные потери. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном
поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называют удельными магнитными потерями Р, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и
динамические потери. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и
частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).
Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Для каждого материала они пропорциональны площади петли
гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь Р , Вт/кг, расходуемая
на гистерезис единицей массы материала, определяется формулой
n
P
r  f B
м
где η – коэффициент, зависящий от природы материала; Вм – максимальная магнитная индукция в течение цикла; п – показатель степени, имеющий значение в зависимости от В в пределах
от 1,6 до 2; f – частота.
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно
меньшей коэрцитивной силой (узкой петлей гистерезиса). Для этого путем отжига снимают
внутренние напряжения, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерно.
Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в
материале магнитный поток. Эти потери зависят от электрического сопротивления магнитного
материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому на высоких частотах магнитные материалы с низким
электрическим сопротивлением не применяют. Мощность потерь РВТ, Вт/кг, расходуемая на
вихревые токи единицей массы, в общем виде определяется формулой
2
P
 f2B
В
Т
м
где ζ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала (в частности, от его удельного сопротивления), а также его формы.
Для листовых образцов магнитного материала РВТ равна, кг/Вт:
2 2 2
1
,6
4
h
f B
м
P

В
Т
d

где Вм – максимальная магнитная индукция в течение цикла, Тл; f – частота переменного тока, Гц; h – толщина листа,
– удельное электрическое сопротивление, Ом·м; d – плотность
3
материала, кг/м .
Поскольку величина РВТ зависит от квадрата частоты, на высоких частотах в первую
очередь необходимо учитывать потери на вихревые токи. Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечников (магнитопроводов). Для этого их собира-
132
ют из отдельных, электроизолированных друг от друга листов ферромагнетика с относительно высоким удельным сопротивлением или прессуют магнитный материал, находящийся в
порошкообразном виде, с диэлектриком так, чтобы отдельные частицы ферромагнетика были
разделены друг от друга прослойкой из диэлектрика (магнитодиэлектрики), или используют
ферриты – ферримагнитную керамику, имеющую высокое удельное сопротивление (того же
порядка, что у полупроводников и диэлектриков).
При уменьшении толщины листового металлического магнитного материала потери на
вихревые токи снижаются, однако возрастают потери на гистерезис, так как при уменьшении
толщины листа измельчается зерно и, следовательно, увеличивается коэрцитивная сила. С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.
Таким образом, толщина листового магнитного материала непосредственно зависит от
частоты переменного тока, при которой работает изделие, и каждой частоте соответствует
определенная толщина листа, при которой полные магнитные потери минимальны.
Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), – это свойство
магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля.
Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывание и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их
необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.
Мощность потерь Рмп, вызванную магнитным последействием, нельзя рассчитать аналитически. Она определяется как разность между удельными магнитными потерями Р и суммой
потерь на гистерезис Р и вихревые токи РВТ:
P

Р

(Р
P
)
мп
r
ВТ
При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной
индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых
токов, препятствующих изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений
и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δМ.
Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс
угла магнитных потерь tgδM. На рис. 5.6 представлена эквивалентная последовательная схема
I
Ua=I.r1
UL
Ua
Δм
L
r1
UL=IωL
φ
замещения и
Рис. 5.6 Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с магнитным сердечником
векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r1, эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в
обмотке и электрической изоляции.
Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из
векторной диаграммы получим
133
r
1
tg
м 1 
L Q
где ω – угловая частота; L – индуктивность катушки; Q – добротность катушки с испытуемым
магнитным материалом.
Уравнение (5.15) показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной,
обратной добротности катушки.
Индукцию, возникающую в магнитном материале под действием магнитного поля, можно представить в виде двух составляющих: одна совпадает по фазе с напряженностью поля
Вм1=ВM.cosδ,
другая отстает на 90° от напряженности поля и равна
Вм2=Вм·sinδ
При этом Вм1 связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а Вм2 – с необратимыми.
Тема19. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и
магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых
Нс<4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых Нс>4 кА/м – к магнитотвердым.
Для магнитомягких материалов характерным является малое значение коэрцитивной
силы. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких
напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных
границ. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это
легконамагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы применяют в производстве
сердечников катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин, работающих в постоянном и переменном магнитных полях.
Рассмотрим основные магнитомягкие материалы.
Низкоуглеродистые кремнистые стали представляют собой сплавы железа, включающие 0,8–4,8% кремния. Введение кремния повышает удельное электрическое сопротивление
стали, и снижает потери на вихревые токи. Чем больше содержание кремния, тем лучше магнитные характеристики, однако при этом повышается хрупкость материала. Кремнистая сталь
прокатывается в виде тонких листов толщиной 0,05–1,0 мм. Она характеризуется следующими
основными параметрами: µн=300...900, µм=(2...35)·103, Нс=10...30 А/м.
Карбонильное железо получают путем термического разложения пентакарбонила железа
Fe(CO)5, результатом чего является порошок, состоящий из частиц чистого железа и оксида углерода, имеющих сферическую форму диаметром от 1 до 8 мкм. Из этого порошка путем прессования изготовляют высокочастотные сердечники, характеризуемые следующими основными
параметрами: µн=(2,5...3)·103, µм=20·103, Нс=4,5…6,2 А/м.
Пермаллои представляют собой пластичные железоникелевые сплавы с содержанием
никеля 45–80%.Чем выше содержание никеля, тем больше µ и меньше Нс. Пермаллои обладают
высокой пластичностью, поэтому они легко прокатываются в тонкие листы толщиной до 1 мкм.
Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои добавляют молибден, хром, кремний
или медь. Пермаллои характеризуются следующими основными параметрами: µн=(2...14)·103,
µм=(50...270)·103, Нс=2...16 А/м.
Альсиферы представляют собой хрупкие нековкие сплавы, содержащие от 5 до 15%
алюминия, от 9 до 10% кремния, остальное – железо. Из этих сплавов изготовляют литые сер-
134
дечники, работающие на частотах до 50 кГц. Альсиферы имеют следующие основные параметры: µн=(6…7)·103, µм=(30...35)·103, Нс=2 А/м.
Ферриты представляют собой соединения оксида железа (Fe2O3) с оксидами других металлов (ZnO, NiO). Ферриты получают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Основным
достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются потери в области высоких частот. Марганцево-цинковые ферриты имеют параметры µн=(1...6)·103, Нс=12...80 А/м и граничную частоту до
1,6 МГц, никель-цинковые – µн=10...150, Нс=560...800 А/м и граничную частоту до 250 МГц.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из
мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, соединенных друг с другом каким-либо
органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных магнитомягких
материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния. В качестве диэлектриков применяют эпоксидные и
бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло. Диэлектрик соединяет частицы магнитомягкого материала, одновременно изолируя их друг от друга, благодаря чему повышается удельное
электрическое сопротивление магнитодиэлектрика, что резко снижает потери на вихревые токи
и позволяет использовать магнитодиэлектрики на частотах до 100 МГц.
Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько хуже, чем у ферритов, но
зато эти характеристики более стабильны. Кроме того, производство изделий из магнитодиэлектриков значительно проще, чем из ферритов.
Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с
большой коэрцитивной силой. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких
материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия
WM, которая пропорциональна произведению наибольших значений В и Н на кривой размагничивания. Намагничиваются они с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности.
Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических
машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации.
Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяют на пять
групп:
 литые высококоэрцитивные сплавы;
 металлокерамические и металлопластические магниты;
 магнитотвердые ферриты;
 сплавы на основе редкоземельных металлов;
 материалы для магнитной записи информации.
К группе литых высококоэрцитивных сплавов относятся железо-никель-алюминевые и
железо-никель-кобальт-алюминевые сплавы, легируемые медью, никелем, титаном и ниобием.
Магнитная энергия таких сплавов достигает 36 кДж/м, коэрцитивная сила – 110 кА/м.
Металлокерамические и металлопластические магниты создаются методами порошковой металлургии. Металлокерамические магниты получают путем прессования порошка, состоящего из измельченных тонкодисперсных магнитных сплавов, и последующего спекания при
высокой температуре. Из-за пористости материалов их магнитная энергия на 10–20% ниже, чем
у литых сплавов. Металлопластические магниты получают из порошка магнитного сплава,
смешанного с порошком диэлектрика. Процесс изготовления магнитов состоит в прессовании и
нагреве заготовок до 120–180°С для полимеризации диэлектрика. Из-за того, что около 30%
объема занимает неферромагнитный связующий диэлектрический материал, их магнитная
энергия на 40–60% меньше, чем у литых сплавов.
Из магнитотвердых ферритов наибольшее распространение получили бариевый феррит
и кобальтовый феррит. Магнитная энергия этих ферритов достигает 12 кДж/м.
135
Магнитотвердые материалы из сплавов на основе редкоземельных металлов весьма
перспективны, но еще недостаточно изучены и освоены в техническом отношении. Практически известны сплавы самария и празеодима с кобальтом, магнитная энергия которых достигает
80 кДж/м. Недостатками этих сплавов являются их высокая хрупкость и значительная стоимость.
В качестве материалов для магнитной записи информации применяют тонкие металлические ленты из нержавеющих сплавов и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. В технике магнитной записи наибольшее распространение получили полимерные
ленты с нанесенным слоем магнитного лака, состоящего из магнитного порошка, связующего
вещества, летучего растворителя и различных добавок, уменьшающих абразивность рабочего
слоя.
Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не являются характеристикой механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и,
наоборот, механически твердые, но магнитомягкие материалы.
Примеры решения контрольных задач
Необходимые теоретические сведения и расчетные формулы
К статическим магнитным характеристикам материалов относятся:
– напряженность магнитного поля Н (А/м) для линейного и кольцевого проводника с
током соответственно
I
H
,
2r
(5.1)
I
H
.
dñð
(5.2)
где I – постоянный ток в проводнике, А; r – расстояние от проводника до точки, в которой определяется напряженность магнитного поля, м; ω – число витков обмотки; dср–средний
диаметр кольцевого проводника.
– намагниченность Iм (А/м):
Iì 
M
,
V
(5.3)
где М – магнитный момент тела; V – объем тела, м3.
Зависимость намагниченности насыщения от температуры:
IìS
T

 1
 ,
Iì0
T
ê
(5.4)
где α - коэффициент, постоянный для данного материала; Тк – температура Кюри, К.
– магнитная восприимчивость χм,которая характеризует способность вещества изменять
свой магнитный момент под действием внешнего магнитного поля
ì 
M
.
H
(5.5)
Зависимость магнитной восприимчивости от температуры

CT
 
T
.
ì
C
136
(5.6)
где С – постоянная Кюри–Вейса; ТС – температура Кюри;
– магнитная индукция В (Тл):
B


HM
)
,
0(
(5.7)
где µ0 – магнитная проницаемость вакуума, µ0=4π·10–7 Гн/м.
– магнитная проницаемость – характеристика среды, в которой возникает магнитное
поле. Различают абсолютную µа и относительную µ магнитные проницаемости:
B
μ=
,Ã
í/ì
a
H
(5.8)
μ
B
μ
= a=
.
μ
μ

H
0
0
(5.9)
Связь магнитной проницаемости с магнитной восприимчивостью
M1M,
(5.10)
IM

.
M
0H
(5.11)
Динамические магнитные характеристики характеризуют поведение ферромагнетиков
в переменных магнитных полях:
– потери на гистерезис для каждого материала могут быть определены по площади статической петли гистерезиса. Потери на гистерезис за один цикл в единице объема вещества вычисляют по следующей эмпирической формуле:
n
Ý
ηB
r=
m
ax,
(5.12)
где η - коэффициент, зависящий от материала; Вmax - максимальная индукция, достигаемая в течение цикла; n - показатель степени 1,6..2,0.
Мощность, расходуемая на гистерезис, может быть представлена в виде
n
P

fB
V
,
r
m
a
x
(5.13)
где f – частота тока, Гц; V – объем ферромагнетика.
– потери на вихревые токи
2
P

f2B
V
,
f
m
a
x
(5.14)
где ξ - коэффициент, зависящий от удельного объемного сопротивления ρv и формы магнитного
элемента.
– потери на магнитное последействие значительны только при работе ферромагнетиков
в импульсном режиме.
Для расчета характеристик магнитных цепей используется закон о полной магнитодвижущей силе Fмд, вытекающий из условия непрерывности магнитного потока:
F

I

n

H

lH


l
.
.
.

H

l
, (5.15)

1
1
2
2
i
i
i
где Нi - напряженность магнитного поля на участке силовой линии li.
Энергия магнитного поля, создаваемая проводником с током и тороидальной или цилиндрической катушкой соответственно,
137
LI
W
,
2
2




V

H
B

H

V
0
W


,
2
2
2
(5.16)
(5.17)
где L – индуктивность проводника; V – объем однородного магнитного поля.
Задача 1
В сердечнике трансформатора суммарные удельные магнитные потери на гистерезис и
на вихревые токи при частотах 1 и 2 кГц составляют соответственно 2 и 6 Вт/кг (при неизменной максимальной индукции в сердечнике). Рассчитать магнитные потери на вихревые токи в
сердечнике на частоте 2 кГц.
Решение
Суммарные потери за 1 цикл перемагничивания линейно зависят от частоты:
P
P
f
n
2
aP
r
W






BB


m

f
.
m
f f f
Подставляя исходные данные, получим для двух частот:
n
2 3 2

B



B

1
0
3
;
m
m
1
0
n
2
3 6


B



B

2
1
0
3
;
m
m
1
0
1
0. Тогда
Вычитая из одного уравнения другое, получаем: B
m=
2
-6
22 
6
3
2
P



B

f

1
0

(
2
1
0
)

4
Â
ò
/
ê
ã
.
f
m
Задача 2
Диамагнитная восприимчивость меди χCu=–9,5·10–6. Определить намагниченность и магнитную индукцию в медном проводе при воздействии на него однородного магнитного поля
напряженностью Н=100 А/м. Укажите, как ориентированы векторы намагниченности и магнитной индукции друг относительно друга.
Решение
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

6

4
J



H

9
,
5

1
0

1
0
0


9
,
5

1
0
À
/
ì
.
C
u
Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукций собственного и внешних полей:
B

B

B



H


J



(
H

J
)
,
o
i
0
0
0

7

4

4
B

4



1
0

(
1
0
0

9
,
5

1
0
)

1
,
2
6

1
0
Ò
ë
.
Поскольку медь диамагнетик, векторы В и J антипараллельны.
Задача 3
Магнитная восприимчивость никеля при температурах 400 и 800оС равна соответственно
1,25·10–3 и 1,14·10–4. Определить температуру Кюри и магнитную восприимчивость никеля при
температуре Т=600оС.
Решение
138
Поскольку, как следует из условия задачи, магнитная восприимчивость падает с
увеличением температуры, точка Кюри лежит ниже 400оС. Известно, что при Т>ТС, χм подчиняется закону Кюри-Вейсса
C
,
TTC

где С – постоянная, зависящая от природы материала.
Для нахождения С решим систему уравнений
C

 ,


(
T

TC
)

,
T

T
T
1
T 
1
T
1 C
1
1 C
C
, T 2  (T2  TC )  C ,
T2  TC


T



T

T






и



T
1 1 T
2 2 C T
1
T
2

4

T


T
1
,
2
5

1
0
4
0
0
1
,
1
4

1
0
8
0
0
o
Ò

 

3
6
0
C
.
3

4

1
,
2
5

1
0
1
,
1
4

1
0

3
T
1
T
2
1
2
Ê
T
1T
2
Постоянная Кюри–Вейса

3
î
C



(
T

T
)

1
,
2
5

1
0

4
0
0

3
6
0

0
,
0
5
Ñ
.


T
Ê
11
Тогда при Т=600°С
C0
,
0
5

4

 

2
,
0
8

1
0
.
6
0
0
T

T
6
0
0

3
6
0
6
0
0Ê
Контрольные задачи
Задача 1.
Цилиндрическая катушка с ферритовым сердечником диаметром 42 мм имеет индуктивность 1,45 Гн и содержит 3000 витков. Определить ток в катушке, при котором магнитная индукция в сердечнике равна 0,68 Тл.
Задача 2.
Суммарные магнитные потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике трансформатора при частоте 1 кГц равны и составляют 4 Вт/кг. На какой частоте потери составят 1 Вт/кг,
если максимальная магнитная индукция увеличилась в два раза по сравнению с частотой 1 кГц.
Задача 3.
Магнитная катушка с длиной каркаса 0,15 метра и диаметром каркаса 2 см имеет индукцию в сердечнике 10 Тл. Определить ток в катушке, если 200 метров медного провода намотано
виток к витку в 4 слоя, а магнитная проницаемость сердечника равна µ = 545.
Задача 4.
Определить, сколько витков в два слоя необходимо намотать на магнитный сердечник
длиной 170 мм и диаметром 15 мм, чтобы получить индуктивность катушки L=120 мГн. Магнитную проницаемость сердечника считать равной 750.
Задача 5.
На ферритовый сердечник, изготовленный в виде тора со средним диаметром 65 мм и радиусом поперечного сечения 6,5 мм, намотана обмотка, содержащая 1070 витков. При пропускании по обмотке тока I = 0,7 А в сердечнике создается магнитный поток 8,95·10 -2 Вб. Найти
магнитную проницаемость феррита.
Задача 6.
139
Замкнутый железный сердечник длиной l=70 см имеет обмотку из N=2000 витков. По
обмотке течет ток I=3 А. Какой ток надо пропустить через обмотку, чтобы при удалении сердечника индукция осталась прежней?
Задача 7.
В сердечнике трансформатора суммарные удельные магнитные потери на гистерезис и
вихревые токи при частоте 1,5 кГц равны и составляют 3,98 Вт/кг. Определить суммарные
удельные потери в сердечнике при частоте 700 Гц, если максимальная магнитная индукция в
нем та же, что и при частоте 1,5 кГц.
Задача 8.
Найти индуктивность соленоида, в котором обмотка из 700 витков намотана на диэлектрическое основание длиной 60 мм. Площадь поперечного сечения основания 50мм2 . Как изменится индуктивность катушки, если в нее ввести цилиндрический ферритовый сердечник,
имеющий магнитную проницаемость µ = 490?
Задача 9.
Тороидальный сердечник из пермаллоя с внутренним диаметром 30 мм и наружным диаметром 50 мм имеет обмотку из 750 витков. При пропускании через обмотку тока 0,35 А в сердечнике создается магнитное поле индукцией 0,75 Тл. Определить магнитную проницаемость
сердечника.
Задача10.
Суммарные магнитные потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике трансформатора при частоте 2 кГц равны и составляют 3 Вт/кг. На какой частоте потери составят 2 Вт/кг, если максимальная магнитная индукция уменьшилась в полтора раза по сравнению с частотой 2
кГц.
Тренировочные тесты
1. В полиэтилен добавили сажу. Это приводит к:
1) уменьшению электропроводности;
2) увеличению диэлектрической проницаемости материала;
3) уменьшению диэлектрической проницаемости материала;
4) увеличению механической прочности диэлектрика.
2. Удельные диэлектрические потери зависят от:
1) теплоемкости ;
2) емкости конструкции;
3) частоты приложенного напряжения ;
4) твердости материала.
3. Из композиционного резистивного материала ЭКОМ изготовили нагреватель. При включении в сеть 220 В его мощность:
1) увеличивается по мере прогревания;
2) уменьшается по мере прогревания;
3) не меняется
4)сначала уменьшается, а потом увеличивается.
4. Электрическая прочность воздуха в равномерном поле при нормальных температуре и давлении составляет:
1) 30 кВ/мм;
2) 30 кВ/см;
3) 30 МВ/м;
140
4) 3000 В/м.
5. В порядке возрастания электрической прочности(при нормальных температуре и давлении)
материалы следует расположить так:
1) воздух, кремнийорганическая резина;
2) кабельное масло, кислород;
3) трансформаторное масло, элегаз;
4) стекло, гетинакс.
6. В результате замены жидкого диэлектрика на сегнетоэлектрик емкость устройства
1) уменьшилась;
2) не изменилась, но уменьшилось напряжение;
3) не изменилась, но увеличилось напряжение;
4) увеличилась.
7. Пробивная напряженность жидкого диэлектрика возрастает при
1) росте межэлектродного зазора;
2) уменьшении длительности импульса;
3) уменьшении давления в жидкости;
4) добавлении воды.
8. Удельная электропроводность уменьшается с ростом температуры у следующих материалов:
1) фарфор;
2) электролит;
3) полупроводник;
4) металлический проводник.
9. Потери на перемагничивание больше у материалов с:
1) высокой теплоемкостью;
2) высоким сопротивлением;
3) большой коэрцитивной силой;
4) малой индукцией насыщения.
10. Высокотемпературная сверхпроводимость в лучших керамических материалах происходит
при температуре :
1) ниже точки кипения гелия;
2) перехода от стримера к лидеру;
3) чуть больше точки кипения азота;
4) размягчения полимера.
11. Маркировка материала 12Х18Н9Т означает, что:
1) это электротехническая магнитомягкая сталь;
2) нихром;
3) сорт латуни с добавками хрома и никеля;
4) сталь с содержанием углерода 0.12%.
141
12. Поверхность детали частично покрыли цинком. Коррозия стали:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась;
4) усилилась на непокрытых участках.
Основная литература
1. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы. / Н.П. Богородицкий,
В.В. Пасынков, Б.М. Тареев – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Колесов, С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов. / С.Н.
Колесов, И.С. Колесов – М.: Высш. шк., 2004. – 520с.
3. Довгяло, Д.А., Учебно-методический комплекс «Радиоматериалы, основы микроэлектроники и компоненты электронной техники». / Д.А. Довгяло, Ю.Г. Грозберг – Новополоцк:
ПГУ, 2008. – 368 с.
4. Степанчук, К.Ф. Техника высоких напряжений. / К.Ф. Степанчук, Н.А. Тиняков – Мн.:
Выш. школа, 1982. – 367 с.
5. Лахтин Ю.М., Материаловедение: учебник для вузов. / Ю.М. Лахтин, В.В. Леонтьева –
М.: Машиностроение, 1990. – 528с.
6. Материаловедение и конструкционные материалы: уч. пособие для вузов./ под ред.
В.А. Белого. – Мн.: Выш. шк., 1989. – 460 с.
7. Горелик, С.С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учебник для вузов.
/ С.С. Горелик, М.Я. Дашевский – М.: Металлургия, 1988. – 584 с.
8. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники. / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин – М.:
Высш. шк., 1986. – 368 c.
9. Конструкционные и электротехнические материалы. / В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев,
С.Я. Попов и др.; под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990.– 296 с.
Дополнительная литература
10. Материаловедение микроэлектронной техники: учеб. пособие для вузов/ Под ред. В.М.
Андреева. – М.: Радио и связь, 1989. – 349 с.
11. Рез, И.С. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. / И.С. Рез,
Ю.М. Поплавко – М.: Радио и связь, 1989. – 288 с.
12. Таиров, Ю.В. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов: учеб.
пособие для вузов. / Ю.В. Таиров, В.Ф. Цветков – М.: Высш. шк., 1983. – 271 с.
13. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 кн.:
учебник для ПТУ. Кн. 1. Общая технология / И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов и др. – М.: Высш.
шк., 1989. – 233 с.
14. Шнаревич, Е.И. Диэлектрики интегральных схем. / Е.И. Шнаревич – М.: «Энергия»,
1975. – 120 с.
15. Комаров, Е.В Испытания магнитных материалов и систем. / Е.В. Комаров,
А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 376 с.
16. Бонч-Бруевич, В.Л. Физика полупроводников. Учебное пособие для вузов. / В.Л. БончБруевич, С.Г. Калашников – М.: Наука, 1990. – 668 с.
17. Кофанов, Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технология надежности РЭС:
учебник для ВУЗов. / Ю.Н. Кофанов – М.: Радио и связь, 1991. – 359 с.
142