Виды связи, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы

ВОПРОСЫ НА ЭКЗАМЕН

Дефекты кристаллов

Изображенные на рис. 1.5 модели кристаллических решеток соответствуют идеальным кристаллам при температуре, близкой к абсолютному нулю. Структура реальных кристаллических тел в большей или меньшей степени отличается от этих идеальных мо­делей за счет обязательного присутствия в них того пли иного ко­личества несовершенств, или дефектов кристаллической решетки.

Дефекты кристаллического строения оказывают большое влия­ние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и даже химические. Рассмотрим основ­ные виды дефектов.

Рис 1.11. Основные виды точечных дефектов:

а - —вакансия; б - атом замещения; в - атом внедрения; е — нарушение стехиометрического состава

 

Точечные (нульмерные) дефекты имеют размеры порядка диа­метра атома. Основной причиной их возникновения является переход атомов за счет теплового движения из узлов кристаллической решетки в междоузлие. Точечные дефекты обязательно присутствуют в любом кристалле, и при увеличении температуры количество их увеличивается.

Точечный дефект, представляющий собой незаполненное место в узле кристаллической решетки, называют вакансией (рис. 1.11,а). Другие типы точечных дефектов образуются за счет заме­щения собственного атома в узле кристаллической решетки атомом примеси (рис. 1.11,б) или в результате внедрения атома примеси в междоузлие (рис. 1.11, в).

В кристаллах химических соединений кроме названных причин к появлению точечных дефектов приводит избыток одного из ком­понентов относительно стехиометрического состава соединения (рис. 1.11,г).

В процессе кристаллизации твердого тела с уменьшением тем­пературы количество вакансий в кристалле уменьшается, но проис­ходит это не мгновенно. Поэтому для уменьшения количества вакан­сий охлаждение кристалла должно происходить достаточно мед­ленно.

Линейные (одномерные) дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Такие несовершенства, представляющие собой нарушение кристаллической структуры вдоль некоторой линии, называют дислокациями.

Различают краевые и винтовые дислокации. Краевые дислока­ции возникают за счет образования в кристалле дополнительной полуплоскости (ABCD, рис. 1.12, а). Причиной возникновения вин­товых дислокаций является смещение части кристаллической ре­шетки не менее чем на один период (рис. 1.12,б). В реальных кристаллах присутствуют смешанные формы краевых и винтовых дисло­каций.

Рис. 1.12. Виды дислокаций: а - краевая; б - винтовая

Образование дислокаций проис­ходит за счет термических и механи­ческих напряжений в процессе кри­сталлизации, при пластической де­формации, термической обработке и др.

Дислокации существенно ухуд­шают свойства веществ. Например, в металлах наличие дислокаций резко снижает механическую проч­ность, а в полупроводниках значи­тельно увеличивает проводимость. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалла изменяется химическая активность вещества, что используется на практике для обна­ружения этого вида дефектов (§2.1).

Поверхностные (двухмерные) дефекты малы только в одном из­мерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или блоками вещества (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема блочной структуры кристалла

 

Важным видом поверхностных дефектов является сама поверх­ность кристалла, представляющая собой естественное нарушение его кристаллической структуры. Свойства поверхностных слоев кри­сталла существенно отличаются от его объемных свойств.

Объемные (трехмерные) дефекты кристалла имеют существен­ные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам отно­сятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или иной кристаллической модификации. Такие дефекты возникают при изменении условий роста кристалла.

Итак, дефекты кристаллов существенно искажают свойства ве­ществ. Для получения совершенных монокристаллических тел с ми­нимальным количеством дефектов необходимо тщательно контроли­ровать процесс кристаллизации и избегать попадания посторонних примесей.

 

Сплавы и их свойства

Чистые металлы в современной промышленности имеют ограни­ченное применение, поскольку в большинстве случаев они не обла­дают требуемым комплексом электрофизических, магнитных, меха­нических и других свойств. Сплавы металлов получили в технике гораздо более широкое применение. Изменяя состав и способ из­готовления, можно получить сплавы почти с любыми заданными свойствами: например, с высокой механической прочностью в соче­тании с малой плотностью, с высоким удельным электрическим со­противлением, магнитные, немагнитные и т. д.

Металлические сплавы — это кристаллические тела, по­лученные при сплавлении металлов с другими металлами и неме­таллами. Важнейшими электротехническими сплавами являются сплавы меди — бронзы и латуни, сплавы алюминия, магнитные сплавы железа с никелем и кобальтом и др. Составляющие части сплава называют компонентами. Сплавы могут быть двухкомпонентными и многокомпонентными. Обязательным условием образования сплава является получение однородного жидкого рас­твора соединившихся компонентов (рис. 3.1). Например, железо со свинцом или свинец с цинком не образуют сплава, так как в жид­ком виде они не смешиваются и не дают однородного раствора. Но в большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор. При затвердевании сплаву образуют три типа соединений: 1) твердый раствор, 2) химическое соединение, 3) механическое соединение (смесь).

При образовании твердых растворов атомы растворяющегося элемента и атомы растворителя образуют общую кристаллическую пространственную решетку. Растворителем называют тот ме­талл, кристаллическая решетка которого сохраняется при образо­вании твердого раствора. Если два металла, образующие твердый раствор, имеют одинаковые по типу кристаллические решетки, то растворителем называют тот из них, концентрация которого пре­вышает 50 атомных процентов.

Различают два вида твердых растворов: твердые растворы за­мещения и твердые растворы внедрения (рис. 3.2).

В твердых растворах заме­ щения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя. Примером рас­твором замещения являются медно-цинковые и медно-кадмиевые сплавы, сплавы крем­ния с германием, железоникелевые сплавы.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного элемента разме­щаются между атомами растворителя, например атомы бериллия в кристаллической решетке меди (бериллиевые бронзы), атомы углерода в железе, фосфора в меди и т. д.

Структура твердых растворов видна под микроскопом в виде однородных зерен, подобных зернам чистых металлов.

Химические соединения имеют совершенно новую кристалличе­скую решетку, отличающуюся от кристаллических решеток исход­ных компонентов. Соответственно и физико-химические свойства химических соединении резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

Широкое применение химические соединения металлов нашли в производстве высокоомных материалов, диэлектрических материалов для конденсаторов, в полупроводниковом производстве, при изготовлении сверхпроводников.

При образовании механического соединения (смеси) исходные компоненты не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию. Атомы каждого компонента кри­сталлизуются самостоятельно с образованием собственной кристал­лической решетки. В результате образуется механическая смесь различных кристаллов. Для механических смесей в ряде случаев характерна более низкая температура плавления, чем для их ком­понентов. Это обстоятельство позволяет использовать механические смеси, в частности, при разработке составов припоев. Механические смеси образуют, например, олово с цинком, алюминий с бериллием и т. д.

Сплавы цветных и черных металлов

Сплавы цветных металлов широко используют в современном приборостроении и радиоэлектронике. Они обладают высокой тепло- и электропроводностью, немагнитны, коррозионноустойчивы, хоро­шо обрабатываются резанием и давлением. Наиболее широко при­меняют сплавы на основе меди и алюминия.

Медные сплавы по составу можно разделить на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называют медные сплавы, в которых основным ле­гирующим элементом является цинк. По сравнению с чистой медью латуни прочнее, пластичнее, хорошо обрабатываются резанием, кроме того, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди.

В обозначениях марок сложных латуней буквы, стоящие после Л (латунь), указывают на наличие легирующих элементов, например: О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, К - кремний, А - алюминий и т. д. Цифры после букв показывают процентное содержание меди и легирующих добавок. Например, марка ЛС591 расшифровывается так: латунь свинцовая, содержащая в среднем 59% меди и 1% свинца.

Бронзами называют сплавы меди с алюминием, кремнием, оловом и другими элементами, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом. Бронзы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Они лучше обрабатываются резанием, чем латуни. Сочетание высоких упругих свойств, высокой тепло- и элек­тропроводности, коррозионной стойкости с немагнитностью способ­ствуют широкому применению бронз.

Бронзы маркируют буквами Бр, после которых ставят буквы, обозначающие вид легирующих добавок. Цифры, стоящие за буква­ми, указывают в процентах среднее содержание добавки. "Содержа­ние меди в бронзах не указывается. Например, марка БрОЦСО-6-3 обозначает оловянно-цинково-свинцовую бронзу, содержащую около (6% олова, 6% цинка, 3% свинца (остальные 85% меди).

Алюминиевые сплавы широко используют в приборостроении, радоэлектронике, в различных областях техники, где требуется сочетание прочности, легкости и коррозионной стойкости.

Наиболее широко применяемой группой алюминиевых сплавов являются дюралюмны. Это сплавы системы алюминий-медь-магний. Для повышения коррозионной стойкости дополни­тельно вводят марганец. Сплавы этого типа Д1, Д16 имеют в соста­ве кроме алюминия: 3,8-4,8% меди, 0,4-0,8% магния, 0,4-0,8% марганца (Д1) и 3,8-4,8% меди, 1,2-1,8% магния, 0,3-0,9% марганца (Д16). Дюралюмин хорошо формуется в горячем и холод ном состояниях, что позволяет изготовлять из него детали для приборов методом штамповки.

Основными сплавами черных металлов являются железоуглеро­ дистые сплавы, которые при содержании углерода менее 2,14% на­зывают сталями, а при большем содержании углерода — чугунами.

Легированной называют сталь, в которую при изготовле­нии дополнительно введены легирующие элементы, резко улучшаю­щие ее свойства: кремний и марганец в большом количестве, а так­же хром, никель, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден и др.

В группу легированных входят стали с особыми физическими свойствами: магнитные и немагнитные, стали с высоким электриче­ским сопротивлением и др.

 

Припой

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Т_пл<300°С и твердые Т_пл≥300°С (табл. 9.1).

 

Эти группы при­поев существенно различаются по удельному сопротивлению и ме­ханическим свойствам: например, мягкие припои имеют предел прочности при растяжении σ_Р=16-100 МПа, а твердые - до 500 МПа. В последнее время мягкие припои подразделяют на низ­котемпературные с Т_пл<145°С и легкоплавкие с Т_пл<300°С.

Особую группу твердых припоев составляют электровакуумные припои, применяемые при пайке узлов электронных приборов, ра­ботающих в вакууме при высоких температурах.

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово - О, свинец - С, алюми­ний - Л, серебро - Ср, сурьма - Су, медь - М, цинк - Ц, вис­мут - Ви, кадмий - К и т. д.).

Если в припой входит драгоценный или редкий металл, его обо­значение присутствует в названии марки припоя даже при малых количествах этого металла в сплаве.

Твердые припои. В электровакуумной промышленности твердые припои применяют для пайки различных узлов электронных ламп, электровакуумных устройств и т. д. Такие припои, называемые электровакуумными.

По допустимой температуре прогрева Т_пр эти припои делят на две группы: для приборов с Т_пр=450°С и для приборов с Т_пр=700°С.

Припои для приборов с Т_пр=450°С представляют собой сплавы систем Ag—Cu—Sn и Ag—Cu—In. Такие припои используют часто в порошке, поскольку им свойственна хрупкость.

Припои для приборов с Т_пр=700°С представляют собой сплавы на основе меди, золота и отчасти палладия и никеля.

Флюсы. Флюсы являются вспомогательными материалами для получения ка­чественной и надежной пайки. Флюс должен отвечать следующим требованиям: хорошо смачивать поверхности металла и припоя; защищать спаи­ваемые поверхности и припой от окисления, образуя при пайке жидкую или газообразную защитную зону; снижать поверхностное натяжение расплавлен­ного припоя для улучшения смачивании им основного металла.

 

Контактолы

Контактолы обладают высокой прочностью и эластичностью, хоро­шими антикоррозионными свойства, низкой плотностью. Удельное сопро­тивление контактолов выше, чем у мягких припоев, в 5-100 раз и более. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют кон­тактолы, содержащие серебро, палладий, никель, золото, посереб-еный никель и др.

Серебросодержащие контактолы —пасты (марок К-8, К-13, К-17 и др.) обладают высокой удельной проводимостью (р=1-6 мкОм·м), хорошей адгезией к различным материалам (при отрыве σотр=4-18 МПа). Они обладают высокой стабиль­ностью свойств при климатических и механических воздействиях и широко применяются для монтажа элементов схем различного назначения.

Контактолы-пасты, содержащие палладий (ма­рок КП-1, КП-2 и др.), обеспечивают высокую стабильность кон­тактных соединений (ρ=10-20 мкОм·м) практически со всеми металлами, применяемыми для изготовления контактов, а также с рядом полупроводниковых материалов (σотр=15—30 МПа).

Контактолы-клеи (ТПК-1, ЭНКС-2 и др.) используют для соединения металлизированных поверхностей, поверхностей, покры­тых тонкими металлическими и лакосажевыми пленками, пленками композиционных материалов; применяют также для создания электрического и теплового контакта с полупроводниковыми мате­риалами.

 

Поляризация диэлектриков

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. Электроизоляционными называют материалы, применяе­мые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры. Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подраз­ деляют на твердые, жидкие и газообразные. В особую группу мож­ но выделить твердеющие материалы, которые в исходной состоя­ нии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твер­ дые вещества, например лаки, компаунды.

По химической основе диэлектрические материалы подразделя­ ют на органические, неорганические и элементоорганические — промежуточные по своему составу между первыми двумя.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих в своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравне­ нию с неорганическими, но они, за небольшим исключением, менее нагревостойки.

Поляризация — это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля. Положитель­ные заряды смещаются в направлении вектора напряженности по­ля E, отрицательные — в обратном направлении (рис. 10.1).

Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного вектор­ной сумме дипольных электрических мо­ментов молекул диэлектрика µ .

Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицатель­ные заряды взаимно компенсируются, некомпенсированные элект­рические заряды останутся только на поверхности диэлектрика.

Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов.

Если увеличивать напряженность электрического поля, то по­верхностная плотность электрических зарядов будет также возра­стать, следовательно, будет увеличиваться и поляризованность диэлектрика. Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Та­кие диэлектрики называют линейными. К ним относят все при­меняемые в современной радиоэлектронике электроизоляционные материалы. У некоторых диэлектриков, в частности у сегнетоэлектриков, прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они в последнее время находят все более широкое применение, поскольку позволяют управлять элект­рическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т. д.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость ε.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассмат­ривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q0 конденсатора, между обкладками которого вакуум, и Q _д , который обусловлен поляризацией диэлектрика:

                                       (10.4)

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же кон­фигурации электродов, при том же напряжении:

                            (10.5)

Из выражения (10.5) следует, что относительная диэлектриче­ская проницаемость любого вещества больше единицы (равна еди­нице только в вакууме).

Относительная диэлектрическая проницаемость (в дальнейшем будем называть ее просто диэлектрической проницаемостью) без­размерная величина, которая количественно определяет способ­ность диэлектриков поляризоваться н образовывать электрическую емкость. Величина ε газов близка к единице. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, ε. которых в определен­ных условиях может иметь весьма высокое значение — порядка десятков тысяч.

 

Основные виды поляризации

Различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную (спонтанную) и др.

Электронная поляризация представляет собой смешение центра заряда электронного облака относительно центра по­ложительно заряженного ядра под действием внешнего элект­рического ноля (рис. 10.2).

Смещению противодействует кулоновское притяжение элек­тронов к ядру. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков.

Ионная поляризация возникает вследствие упругого смешения связанных иоинов из положения равновесия на расстояние, мень­шее постоянной кристаллической решетки (рис. 10.3). С повыше­нием температуры поляризованность возрастает, поскольку тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действую­щие между ними силы взаимодействия. Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упа­ковкой ионов.

 

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего элект­рического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего элект­рического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис. 10.4).

Время релаксации — это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля умень­шается вследствие теплового движения молекул в е≈2,72 раза от первоначальной. Этот вид поляризации свойствен всем поляр­ным диэлектрикам.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического по­ля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической ре­шетки. При этом виде поляризации возникают потери энергии и по­ляризация заметно усиливается с повышением температуры. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических кристаллических диэлектриках ионной структуры с неплотной упа­ковкой ионов.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в техничес­ких диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т. п. При внесении неоднородных ма­териалов в электрическое поле свободные электроны и ионы прово­дящихся и полупроводящих включений наминают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области. Процессы установления и снятия миграционной поляризации срав­нительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Этот вид поляризации обычно возможен лишь на низких час­тотах.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

Неполярные диэлектрики. Неполярным ди­электрикам свойственна электронная поляризация. Они применяются как высококачественные электроизоляционные мате­риалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относят полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4), бензол, воздух и др.

Полярные диэлектрики. В эту группу входят диэлектри­ки, содержащие электрические диполи, которые способны к пере­ориентации во внешнем электрическом поле. В полярных диэлектри­ках кроме электронной наблюдают и дипольно-релаксационную поляризацию. К ним можно отнести поливинилхлорид, эпоксидные смолы, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), полиэтилентерефталат (лавсап), полиметилметакрилат (органическое стекло) и др.

Диэлектрики с ионной структурой. В эту группу входят твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. Здесь выделяют две подгруппы материалов в зависимости от величины потерь электрической энергии, расходуемой на поляризацию:

Органические полимеры

Органические полимеры используют для изготовления электрический изоляции. Полимерами называются молекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров.

Полимеризация — это химическая реакция, при которой из ннзкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементар­ного химического состава вещества. Обычной предпосылкой для возможности осуществления процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода. Непрочная двойная или трой­ная связь под влиянием тех или иных факторов (повышенных температуры и давления, действия катализаторов, радиационного облучения) разрывается и сближающиеся молекулы соединяются друг с другом, образуя цепочку из одинаковых повторяющихся звеньев.

Например, из стирола (мономера) - органической бесцветной жидкости, имеющей состав С8H8 и строение молекулы

в результате реакции полимеризации получают твердое вещество-полистирол (полимер); его молекула имеет строение

Здесь n - степень полимеризации, т. е. число молекул моно­мера, объединяющихся в одну молекулу полимера. Для полисти­рола величина п может доходить до 6000 и более.

Поликонденсация — это химическая реакция между раз­нородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с вы­делением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденса­ции, как правило, обладают несколько пониженными электроизо­ляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, получен­ными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропро­водность материала.

По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом. От­ношение, длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может доходить до 1000 (например, у полистирола). Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что они имеют более компактную форму.

Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем рас­плавляются, например капрон, нейлон. Пространственные полиме­ры обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достиже­ния температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются). Линей­ные полимеры растворяются в подходящих по составу раствори­телях. Пространственные полимеры растворяются с трудом, многие из них практически нерастворимы.

По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термо пластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в гус­тые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов поль­зуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при производстве деталей методом литья под давлением. К этой группе следует отнести полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. В настоящее время термопластичные материалы со­ставляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротех­нической промышленностью полимерных материалов.

Термореактивные (термоотверждающиеся) ма­териалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значи­тельную механическую прочность и твердость, теряя при этом спо­собность плавиться и растворяться. К термореактивным диэлек­трикам относят резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.

 

Компаунды

Компаунды — это электроизоляционные материалы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и др. В момент примене­ния компаунды представляют собой жидкости, которые постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный твердый диэлектрик. Если компаунд в исходном состоянии тверд, его перед употребле­нием нагревают, чтобы получить массу достаточно низкой вязкости.

Наибольшее распространение получили синтетические компа­унды (эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.). В состав компаундов, кроме основы, входят обычно наполнители и пластификаторы.

Для обозначения компаундов используют буквенную маркиров­ку: Д - компаунды на основе диановых эпоксидных смол; ЭЗК — эпоксидно-заливочные компаунды; ЭПК — эпоксидно-пропиточные компаунды; ПЭ —полиэфирные компаунды; КП — компаунды про­питочные и т. д.

Эпоксидные компаунды представляют собой продукты модификации эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Эпоксидные компаунды отличаются хорошей прилипаемостью (адгезией) к металлам, керамике, пластмассам и к волокнистой изоляции. Они обладают повышенной механической прочностью и малой объемной усадкой (0,5—2,5%).

Эпоксидные компаунды применяют в качестве заливочных со­ставов для создания литой изоляции в различных типах трансфор­маторов, работающих в тяжелых условиях, блоков сопротивлений и т. д. Применение такой изоляции дает возможность исключить громоздкие фарфоровые и металлические детали, применявшиеся ранее для герметизации этих устройств.

Кремнийорганические компаунды изготавливают на основе кремнийорганических смол. Эти компаунды обладают ма­лой вязкостью, высокими пропитывающей способностью, нагревостойкостью (до 350°С) и холодостойкостью (до—60°С). Кремнийорганические компаунды (НК-1, КМ-9) нашли широкое применение в электронной промышленности, так как позволяют герметизиро­вать полупроводниковые приборы и интегральные схемы методом трансферного прессования и заливки в формы. Полученные этим способом однородные корпуса приборов сохраняют форму и элек­трофизические параметры в диапазоне температур от —60 до +350° С.

Полиэфирные компаунды изготавливают на основе ненасыщенных полиэфиров. Как правило, они дают значительную (порядка 6%) усадку при отверждении; в этом отношении они ху­же эпоксидных компаундов.

При создании высокотемпературного радио- и электротехниче­ского оборудования используют заливочные компаунды, получен­ные на основе алюмофосфатов, алюмосиликатофосфатов, мсталлометафосфатов и др. Рабочая температура этих компаундов дости­гает 1000° С и выше.

 

Газообразные диэлектрики

Воз­дух наиболее широко используется как электроизоляционный материал. Он также проникает во все поры твердых материалов и насыщает жид­кости.

Воздух в основе своей представляет собой смесь азота и кис­лорода с примесью других газов. Типовой состав сухого воздуха (в процентах по объему) следующий: азот (N2) - 78,08%; кисло­род (О2) - 20,95%; углекислый газ (СО2) - 0,03%; водород и инертные газы (Аг, Не, Ne, Кr, Хе) - 0,94%. Электрические свой­ства воздуха приведены в табл. 15.2.

Воздух с точки зрения диэлектрических потерь можно рассматри­вать как идеальный диэлектрик. Однако недостатком воздуха, как диэлектрика, является низкая электрическая прочность.

Газообразные вещества имеют малую плотность вследствие больших расстояний между молекулами. Ввиду этого поляризация всех газов незначительна, а диэлектрическая проницаемость всех газjв, в том числе b воздуха, близка к единице (1,000072—1,00138).

Диэлектрические потери в газах вызваны в основном электропроводностью, так как ори­ентация дипольных молекул газов при их по­ляризации не сопровождается диэлектриче­скими потерями. Все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и тангенс угла диэлектрических потерь у них ничтожно мал tgδ≈4·10^-6.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является воз­никновение частичного разряда в виде короны, сопровождаемого свечением и разрушением молекул газа. При дальнейшем повыше­нии напряжения корона перерастает в кистевой разряд, который затем переходит в искровой разряд. В случае большой мощности разряда образуется дуга (дуговой разряд) с образованием плаз­ мы. Дуговой разряд сопровождается, кроме того, химическими про­цессами образования озона и оксидов азота.

Применение газов в качестве электрической изоляции. В этим случае к газам предъявляют следующие требования: они должны быть химически инертными, при ионизации не образовывать особо активных веществ, способных разрушить твердые материалы или вызвать коррозию материала. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используют при повышенном давлении. Более широко в герметизированных устройствах используют азот, который обладает практически одинаковой с воздухом элек­трической прочностью, но он менее активен, чем воздух, содержа­щий кислород.

Широкое применение в герметизированных электрических ус­тановках получили газы с высокими молекулярной массой и плот­ностью, прежде всего элегаз (шестифтористая сера SF₆). Элек­трическая прочность элегаза примерно в 2,5 раза выше, чем возду­ха. Он применяется в образцовых конденсаторах, рассчитанных на напряжения до 500 кВ, в газонаполненных кабелях, в высоковольт­ных выключателях, рассчитанных на рабочее напряжение 750 кВ, где выполняет роль дугогасящего материала, а использование его в трансформаторах для электронных устройств позволяет снизить габариты и вес последних. К одному из недостатков элегаза сле­дует отнести его сравнительно высокую стоимость. В целях удешев­ления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом.

В газоразрядных приборах и осветительных лампах в основном применяют инертные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Наиболее широко применяют аргон, поскольку он обладает сово­купностью благоприятных свойств: относительно низким потенциа­лом ионизации, химической инертностью, невысокой теплопровод­ностью и более простой по сравнению с другими инертными газа­ми технологией получения и очистки.

 

ВОПРОСЫ НА ЭКЗАМЕН

Виды связи, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы

Ковалентная связь характеризуется образованием устойчивых электронных пар из электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам (рис. 1.1). Эти пары становятся общими для атомов, вхо­дящих в состав молекул. Электроны при движении по молекуляр­ной орбите чаще всего находятся между ядрами, где создается как бы избыток отрицательного заряда, что способствует сближению атомов.

   а)                          б)

Рис. 1.1. Упрощенная схема ковалентной связи и молекуле

водорода: а — изолированные атомы; б — молекула с ковалентной связью

 

Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (Н2, N2, СL2), то электронная пара в одинаковой степени принадле­жит обоим атомам. В подобном случае молекулу и существующую в ней ковалентную связь называют неполярным и или нейтральными. В неполярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если же двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, электронная пара может быть смещена к одному из ато­мов. В таких случаях ковалентную связь называют полярной, а молекулы с полярной связью, у которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают,— полярным или дипольными.

Вещества, образованные молекулами с ковалентной связью, ха­рактеризуются высокой твердостью. Они тугоплавки и химически инертны, что объясняется прочностью ковалентной связи. Ковалентная связь существует в молекулах алмаза, кремния и некоторых неорганических соединений.

Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи. Возникает она между атомами элементов, один из которых способен отдать электроны (донор), а другой способен принять эти электроны (акцептор).

Примером таких соединений могут служить соединения, образованные элементами третей и пятой групп периодической системы Д. И. Менделеева, например арсенид галлия GaAs.

Ионная связь вызывается силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами. Ионные соединения об­разуют элементы очень различные по свойствам, напри­мер типичные металлы и ти­пичные неметаллы. На рис. 1.3 показана ионная связь на при­мере ионных кристаллов хлори­стого цезия CsCl и титаната ба­рия ВаТiO3.

Рис. 1.3. Кристаллы с ионной связью: а – хлористого цезия, б – титаната бария

Рис. 1.4. Упрощенная схема строения металлического проводника

 

Молекулы веще­ства с ионной связью полярны. К веществам с ионной связью относится большинство солей и некоторые оксиды (Cu2O, ZnO, Fe2O3, NiO). Ионные соединения по механической прочности и химической стойкости уступают веществам, образованным с помощью ковалентной связи, т. к. ионная связь менее прочна, чем ковалентная.

Металлическая связь между атомами наблюдается в металлах. Атомы металлов способны отдавать внешние электроны, превраща­ясь в положительные ионы, или их вновь присоединять, превращаясь в нейтральные атомы. Таким образом, металл можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных, коллективизированных электронов (рис. 1.4).

Следовательно, металлическая связь определяется одновремен­ным наличием ковалентной связи между нейтральными молекула­ми и электростатическим притяжением между ионами и свободными электронами, что в итоге обеспечивает монолитность и прочность металла. Благодаря наличию свободных электронов металлы обла­дают высокой электро- и теплопроводностью. Высокая пластичность металлов объясняется отсутствием направленности металлической связи.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: