Газообразные диэлектрики

Проводники и диэлектрики

Проводники

К проводникам относятся все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.)
К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей.
К газообразным относятся ионизированные газы.
Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС.
ЭДС-электронно-движущая сила.

Свойства проводников:

  1. Электрические
    • Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость
    • Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
  2. Физические
    • плотность
    • температура плавления
  3. Механические
    • Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках
  4. Химические
    • Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии
    • Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Диэлектрики

Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

Диэлектрики бывают

  • твердые-все неметаллы;
  • жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
  • газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

Свойства диэлектриков:

  1. Электрические свойства
    • Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
    • Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
  2. Физико-химические свойства
    • Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
    • Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до — 120
    • Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
  3. Химические
    • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
    • Способность склеиваться
    • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
  4. Механические
    • Защита металлических проводников от коррозии
    • Радиационная стойкость
    • Вязкость(для жидких диэлектриков)
    • Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
    • Предел прочности, твердости
    • Обработка инструментом

Диэлектрики

ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма).

Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10 8 -10 17 Ом·см, металлов — 10 -6 -10 -4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.

Реклама

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н2S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

где pi — дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N — число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = εϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)

где ε — диэлектрическая проницаемость, ε — электрическая постоянная. Величины ϰ и ε — основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.

Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Еsinωt, где ω — частота переменного поля, Е — амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Еe iωt , тогда D = De iωt , причём D = ε(ω)Ε. Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω. Абсолютная величина

определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε» = tgδ — разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε» = 0, ε’ = ε.

В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε» ). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε» связаны соотношением (2)

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.

Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).

Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς — электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Епр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Епр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах — металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Епр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Епр близка к Епр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = εϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Екркр порядка 10 8 В/см). Т.к. Епр 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).

Применение диэлектриков. Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций, звуковых колебаний) в электрические и наоборот (смотри Пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики — как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики, будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.

Лит.: Фрелих Г. Теория диэлектриков. М., 1960; Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. М., 1960; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1966. Вып. 5: Электричество и магнетизм; Калашников С. Г. Электричество. 5-е изд. М., 1985.

Газообразные диэлектрики

Газообразные диэлектрики — раздел Химия, Строение и свойства металлов и сплавов Воздух Используется Практически В Подавляющем Большинстве Электротехнических .

Воздух используется практически в подавляющем большинстве электротехнических машин, аппаратов, трансформаторов и приборов, даже в устройствах, заполненных жидким диэлектриком. Так, маслонаполненный трансформатор имеет выводы (изоляторы), часть которых находится в окружающей воздушной среде, и воздух является частью системы изоляции. Газообразные диэлектрики работают обычно в сочетании с твердыми.
Отрицательной особенностью воздуха как диэлектрика является низкая электрическая прочность. На электрическую прочность газов влияет их химический состав.
В таблице 11 показаны отношения электрической прочности некоторых газов к электрической прочности воздуха и температура кипения этих газов.

Таблица 11 Электрическая прочность и температура кипения газов

Повышенную электрическую прочность имеют так называемые электроотрицательные газы, отличающиеся тем, что их молекулы способны присоединять к себе (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь таким образом в малоподвижные отрицательные ионы. Для осуществления ударной ионизации этими ионами требуется большая,

напряженность электрического поля, чем при ионизации электронами. К электроотрицательным относятся в частности, газы, содержащие в своих молекулах атомы фтора, брома и хлора. Хотя условия применения газов весьма различны, требования к ним как к электроизоляционным материал могут быть обобщены следующим образом. Важно, чтобы газы были химически инертными, не взаимодействовали с соприкасающимися с ними твердыми материалами. Желательно, чтобы при ионизации газы не образовывали особо активных химических веществ, способных разрушать твердые материалы, вызывать коррозию материалов. Это требование носит, в известной степени, относительный характер например, при ионизации воздуха образуются озон, окислы азота, а он все же широко используется. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используются при повышенном давлении. В связи с этим важно, чтобы они имели достаточно низкую температуру сжижения, так как она повышается с увеличением давления. Воздух является охлаждающей средой в случаях, когда тепло с поверхности нагретых частей отдается в окружающую среду.

В Высоковольтных герметизированных устройствах (конденсаторы, трансформаторы, кабели) газы применяются обычно под давлением. Исключение составляют некоторые вакуумные устойства.

Воздух под давлением в основном используется в так называемых образцовых (стабильных и не имеющих диэлектрических потерь) конденсаторах на сравнительно невысокие напряжения – до 1 кВ, в редких случаях на напряжение 10-35 кВ. Более широкое применение находит азот под давлением – газ, инертный в химическом отношении и при ионизации не выделяющий агрессивных продуктов. Азот имеет неблагоприятную особенность – в зависимости его электрической прочности от давления при относительно невысоком давлении наступает насыщение – напряжение практически перестает расти с увеличением давления. Давление, вызывающее это насыщение, зависит от однородности электрического поля.

«Пробой газов»

Внешней изоляцией во-многих видах электротехнических кон-
струкций: в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи — служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с Епр большинства жидких и твердых диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и
отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

Uλ,— падение напряжения на длине свободного пробега λ.

Если поле достаточно однородно, то можно положить Uλ = Еλ, где Е — напряженность поля. Отсюда

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов и молекул, связанное с переходом, электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже ионизация
молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы. Условием, определяющим возможность ионизации, является

причем W включает в себя и энергию теплового движения, обычно
небольшую при нормальной температуре.

Энергию ионизации Wи обычно характеризуют ионизационным
потенциалом

Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах от 4 до 25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью.

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при, одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион. Присоединение, «прилипание» электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону. Она колеблется у разных газов от 0,75 до 4, 5 эВ. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте — отрицательные ионы не возникают. При разряде в воздухе образуются положительные ионы

Скорость электрона (км/с), прошедшего без столкновений разность потенциалов U (вольт), определяется выражением

Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.

Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, должны вызывать ионизацию газа. В действительности при энергиях до сотни и тысячи электронвольт соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами объясняется тем, что электроны имеют значительно большую подвижность, чем ионы. Кроме того, отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газa, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим электроном нейтральной частицы, то условия для отщепления электрона оказываются неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону при ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции. В явлениях разряда в газе, находящемся между металлическими электродами, положительные ионы
высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее, как указывалось выше, в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения — испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особенно быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рис. 21 представлена схема, поясняющая, почему рост
электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины.

Рисунок 21 Схематическое изображение распространения стримера
при пробое газа

На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 3•10 8 м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ, показанной на рис. 21, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину
большой стрелки CD, показанной на том же рисунке.

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода
к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов — здесь достигает определенного значения (близкого к 10 12 ионам в 1 см 3 ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются

положительным пространственным зарядом в головную часть полотельного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность

подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10 -7 — 10 -8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса

где Unp — пробивное напряжение при данном импульсе,

Uпр50 — пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении, частотой 50 Гц

Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях может доходить до 1,5.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле. Однородное поле можно получить между
плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ниш. В таком поле пробой
наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при известном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения (измерение высоких напряжений при помощи шаровых разрядников).

Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния между электродами показана на рис.22.

Рисунок 22 Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. 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; она достигает 70 МВ/м при h = 5 мкм.

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. Поэтому для расчета пробивных напряжений воздуха применяется формула

где Unp — пробивное напряжение при данных температуре и давлении,

Unp — пробивное напряжение при нормальных условиях
(t = 20° С и р = 0,1 МПа),

δ — относительная плотность воздуха, рассчитанная по соотношению:

при нормальных условиях δ = 1

При больших давлениях и соответственно повышенной плотности газа расстояние между молекулами становится меньше; тем самым уменьшается длина свободного пробега электронов, и, для того, чтобы произошел пробой, должна быть увеличена напряженность поля

Рисунок 23 Зависимость электрической прочности газа от давления

При уменьшении давления вначале наблюдается падение электрической прочности, как видно из рис.23; когда же давление доходит до некоторого предела, ниже атмосферного давления, и разряжение достигает высоких степеней, электрическая прочность вновь начинает возрастать. Это возрастание объясняется уменьшение числа молекул газа в единице объема при сильном разряжении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электродов. Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты. Газы при больших давлениях применяют в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения. Химический состав газа заметно влияет на величину электрической прочности.

Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличается от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы, и т. д.

Особенностью пробоя газа 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.

В случае электродов игла—плоскость и положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис. 24).

Рисунок 24 Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле

Это объясняется следующим образом. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется «облако» из положительно заряженных ионов — молекул, с орбит которых сорваны электроны. При положительной полярности на игле этот объемный заряд служит продолжением иглы и сокращает протяженность разрядного промежутка. Положительный объемный заряд отталкивается и уходит от положительно заряженной иглы, однако более подвижные электроны, обусловливающие процесс ионизации, все время успевают его восстанавливать, т. е. получается картина «прорастания» положительного объемного заряда, связанного с иглой, в сторону отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем в случае противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует иглу с отрицательной полярностью от плоскости, заряженной положительно.

При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным, напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами. Этого не наблюдается при промышленной частоте, где зависимость практически линейная.

Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным разрядом (перекрытием), возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На разрядное напряжение влияют форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота поля, состояние поверхности диэлектрика,
давление воздуха.

Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При частоте 50 Гц повышение относительной влажности воздуха с 60 до 80—90%, например, снижает почти вдвое разрядные напряжения керамических изоляторов бочоночного типа.

В настоящее время для высоковольтных конструкций наиболее широкое применение имеет элегаз. Впервые был изучен Б. М. Гохбергом, который и дал ему это название сокращенно от слов «электрический газ». Элегаз обладает рядом положительных свойств. Химически он достаточно инертен, в частности не реагирует с медью и алюминием. Нижний предел его рабочей температуры определятся условиями сжижения (давлением), верхний составляет 130—150° С.

Установлено, что превышение электрической прочности элегаза над прочностью воздуха не постоянно, оно зависит от расстояния между электродами и однородности электрического поля. Эта закономерность представлена на рис. 25, из которого видно, что электрическая прочность элегаза особенно сильно превосходит таковую воздуха, в сильно неоднородных полях при больших расстояниях между электродами.

Рисунок 25 Зависимость пробивного напряжения элегаза при различных расстояниях между электродами от давления. Плоские электроды диаметром 105 мм с закругленными краями. Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами в миллиметрах.

При нормальной температуре элегаз может быть сжат до 2 МПа, а уже при давлении 0,3—0,4 МПа электрическая прочность элегаза практически соответствует электрической прочности среднего по качеству трансформаторного масла.

Элегаз с успехом может быть использован в герметизированных распределительных устройствах, конденсаторах, трансформаторах, выключателях и в газонаполненных высоковольтных кабелях. Во многих высоковольтных конструкциях, например в кабелях, приходится применять распорки из твердого материала между жилой и оболочкой —стальной трубой; их наличие обычно снижает разрядные напряжения элегаза на 10—20%. Газонаполненные (элегазовые) кабели просты по своей конструкции, благодаря малой емкости имеют малые зарядные токи. Трансформаторы с элегазовым заполнением взрывобезопасны. Элегаз за счет повышенной плотности обладает хорошей охлаждающей способностью, хотя теплопроводность и удельная теплоемкость не велики по сравнению с воздухом.

Теплопроводность элегаза составляет 0,0136 мкВт/(м • °С) при 70 0 С; удельнаятеплоемкость при 20° С равна 0,598 кДж/(кг ∙°С). Высокая охлаждающая способ элегаза имеет большое значение для высоковольтных кабелей, трансформаторов и других устройств. Применение элегаза в высоковольтных выключателях определяется его высокими дугогасящими свойствами; обусловленными особенностями диссоциации при высоких температурах. Уже известно на практике применение элегаза в выключателях на рабочее напряжение 750 кВ. Весьма перспективно

применение элегаза в комплектных распределительных устройства на разные напряжения.

Говоря о применении элегаза следует иметь в виду его сравнительно высокую стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. Такая смесь обычно применяется в устройствах с большим заполняемым газом объемом, а также для работы при низких окружающих температурах. Пробивное напряжение смеси, содержащей до 40 % азота, очень мало отличается от пробивного напряжения чистого элегаза.

Каждый электрик должен знать:  Принцип действия позисторов

В конденсаторостроении применение элегаза ограничивается главным образом высоковольтными (до 500 кВ) образцовыми новыми конденсаторами. На качестве изоляции образцовых конденсаторов положительно сказываются высокая электрическая прочность элегаза под давлением, высокое удельное сопротивление, чрезвычайно малое значение tgδ, большая стабильность диэлектрической проницаемости. Ее малая

величина в данном случае — фактор отрицательный (у всех газов относительная диэлектрическая проницаемость практически равна единице независимо от давления).

В высоковольтной технике разряд в воздухе между двумя шарами часто используется для измерения высоких напряжений. При этом важно, чтобы искровому разряду не предшествовала корона, искажающая электрическое поле в промежутке между шарами. Между двумя шаровыми электродами одинакового диаметра пробой без короны происходит при условии, что расстояние между шарами в 3—4 раза меньше диаметра шара. В этом случае в учетом изменения плотности воздуха и при сохранении чистой поверхности шаров пробивное напряжение между ними оказывается настолько стабильным, что по расстоянию искрового промежутка можно судить о величине пробивного напряжения. На этом принципе основано применение шаровых разрядников для измерений высоких напряжений.

«Пробой жидких диэлектриков»

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие

примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.

Представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и для газов, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега
электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Под влиянием электрического поля капельки воды — сильно полярной жидкости — поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Электрическая прочность чистого масла не зависит от температуры в пределах до 80° С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости. Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Епр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению
с водой. Твердые загрязнения (сажа, обрывки волокон и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет Епр ≈ 4 МВ/м; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20—25 МВ/м.

«Нефтяныеэлектроизоляционные масла»

Основные области применения нефтяных электроизоляционных масел следующие: маслонаполненные трансформаторы, масляные выключатели, высоковольтные силовые кабели, бумажно – масляные конденсаторы, высоковольтные изоляторы (вводы). В трансформаторах, выключателях и
конденсаторах масло является средой, пропитывающей волокнистую изоляцию заполняющую пространство между отдельными конструктивными элементами, создающими масляные промежутки, разделенные слоями твердого материала (масляно-барьерная изоляция). В кабелях масло играет
в основном роль пропитывающего материала. В зависимости конструкции высоковольтных вводов масло играет роль пропитывающего и заливочного материала (бумажно-масленная изоляция) или только заливочного (вводы с сердечниками и с твердой бумажно-смоляной изоляции). В трансформаторах, масляных выключателях и низковольтных конденсаторах масло обычно заливается в металлические кожухи. В конденсаторах на высокие напряжения наряду с форфоровыми кожухами (покрышками) в последнее время начали применять стеклопластиковые и винипластовые

В трансформаторах по сравнению с другими областями применения особенно- велика охлаждающая роль масла. В маслянных выключателях масло является средой, в которой при разрыве цепи погашается электрическая дуга. Вследствие теплового воздействия дуги происходит интенсивное разложение масла с образованием большого количества газообразных продуктов. Фактически дуга создается в газовом пузыре, окруженном маслом. Температура в середине дуги в масле около 2000° С, вблизи электродов она достигает значений около 3000° С. Такая высокая температура вызывает сильное химическое разложение и обугливание масла (образование копоти), ионизацию и увеличение давления как следствие сильного газообразования. На разложение и ионизацию масла может расходоваться до 90 % всей энергии, выделяемой дугой. В силовых кабелях на напряжения до 35 кВ нефтяные масла применяют для пропитки бумажной изоляции; масла малой вязкости применяются с добавкой канифоли в количестве от 10 до 35% в зависимости от марки кабеля. Кабели на рабочие напряжения 110 кВ и выше делаются маслонаполненными. Вдоль всей длины кабеля или внутри жилы (в одножильном кабеле), или между жилами (в трехжильном кабеле) проходят каналы, заполненные
маловязким маслом, находящимся все время под избыточным давлением. Таким образом, при возникновении опасности образования внутри изоляции пустот, например, вследствие изменений температуры происходит подпитка изоляции из масляного канала. Основной изоляцией маслонаполненных кабелей является бумажная изоляция, пропитанная маслом, заполняющим канал. Без подпитки кабели на напряжения 110 кВ и выше надежно работать не могут, так рабочие напряженности электрического поля в них таковы, что вызывают в пустотах ионизацию, постепенно разрушающую основную изоляцию.

Для масляных трансформаторов (силовых и измерительных), для выключателей и изоляторов применяется одинаковое масло, а для конденсаторов и кабелей (особенно в высоковольтных) применяются масла с улучшенными электрическими параметрами, что достигается обычно более тщательной очисткой их.

По своему происхождению нефтяные электроизоляционные масла разного назначения принципиально не отличаются друг от друга, но удовлетворение специфических требований работы в том или ином изделии заставляет прибегать к разным режимам технологии получения масел, а иногда и отбирать масла определенного месторождения (например, для высоковольтных кабелей).

Нефтяные электроизоляционные масла получают путем фракционной вакуумной перегонки нефти. Свойства нефтей разных месторождений отличаются друг от друга, также как и продукты из перегонки. Это отличие определяется как составом и структурой основных углеводородов нефти, так сопутствующими примесями. Большинство электроизоляционных нефтяных масел получают путем очистки от вредных примесей фракций нефти, выкипающих при температуре 300—400° С. Основными углеводородами нефтяных масел являются: парафиновые, нафтеновые, ароматические.

Парафиновые углеводороды являются насыщенными, отличающимися значительной химической инертностью, хотя способными окисляться кислородом воздуха при повышенной температуре. Они бывают разной структуры. Наиболее простая структура парафиновых углеводородов может быть представлена полена такой формулой:

При достаточно большом значении n (около 30) углеводороды этого типа становятся твердыми (парафин).

Нафтеновые углеводороды (также насыщенные) содержат в структуре молекулы не менее одного кольца, почему их часто называют также циклопарафиновыми. Циклическое строение влияет положительно на химическую стабильность масел.

Ароматические углеводороды отличаются наличием в молекуле бензольных ядер (колец). В электроизоляционных маслах ароматические углеводороды обычно бывают в виде примесей к одной из двух вышеуказанных групп.

Ненасыщенные углеводороды в электроизоляционных маслах обычно отсутствуют.
К вредным примесям, снижающим стабильность масел, в частности стойкость против окисления, относятся разные ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, смолисто- битумные вещества, органические кислоты. Твердые углеводороды (парафин, церезин) вызывают нежелательное повышение температуры застывания масла; поэтому масла парафинистые с большим содержанием твердых углеводородов подвергаются специальной операции депарафинизации. Для удаления вредных примесей дистиллят из малосернистой нефти обычно подвергают кислотно-щелочной очистке, сущность которой заключается в следующем (последовательно): обработка серной кислотой (удаление нестойких примесей), обработка раствором едкого натра (нейтрализация остающейся в масле серной кислоты), промывка водой (удаление продуктов нейтрализации кислоты щелочью — натровых мыл), сушка и очистка центрифугами. Иногда применяют дополнительную контактную очистку масла адсорбентами, т. е. поверхностно-активными минеральными веществами (глина кил, силикагель), обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной поверхностью (до 1000 м 2 на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом, при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно соединения, состоящие из дипольных молекул. Этим достигается повышение качества масла, в частности снижение органической кислотности без разрушения основных углеводородов. Снижение кислотности уменьшает проводимость. Получение масел с пониженными диэлектрическими потерями (кабельные, конденсаторные
с tg б при 20° С в пределах 0,0002—0,0005) требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов и вакуумной обработки при 60—70° С для сушки и дегазации.

Для применений, требующих глубокой очистки масла, кислотно-щелочной способ непригоден. Серная кислота кроме удаления из масла нежелательных примесей может растворять и уносить из масла такие составные части, которые повышают его стабильность. Для получения электроизоляционных масел из сернистой нефти применяют обычно так называемую селективную очистку, заключающуюся в обработке дистиллята растворителем, способным избирательно (селективно) удалять из масла раствори
примеси, не влияя на основные углеводороды.

«Синтетические жидкие диэлектрики»

Трансформаторное и другие электроизоляционные масла нефтяного происхождения обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их tg δ мал, электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие аппараты применяться не могут.
Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением ε.

Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов
путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила [молекула которого С12Н10 (или Н5С5—С5Н5) состоит из двух фенильных остатков], имеющие общий состав С12Н10-пС1п. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования п от 3 до 6.

Из числа применяемых хлорированных дифенилов отметим совол,
по составу близкий к пентахлордифенилу С12Н5С15.

1— совол после первой перегонки, 2 — после второй перегонки, 3 — после обработки адсорбентом силикагелем, 4 — после обработки адсорбентом — специальной глиной

Рисунок 26 Зависимости tg δ совола разной степени очистки от температуры при частоте 50 Гц

На рис.26 изображены зависимости tg δ совола различной степени очистки от температуры; наличие примесей существенно сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенных температурах, но практически не влияет на tg δ в области дипольного максимума потерь. Значение ε совола при 50 Гц и 20° С близко к 5, а при 90° С — к 4,1. Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0° С. Coвол — прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м 3 . Благодаря высокой температуре застывания (+5° С) и значительной вязкости в области рабочих температур совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями, например гексахлорбутадиеном С12С = СС1 — СС1 = СС12; так, гексол — смесь 20% совола и 80% С4С16 — имеет ε около 3 и температуру застывания ниже минус 60° С.

Благоприятными свойствами обладают и смеси хлорированных дифенилов с другими хлорированными соединениями, применяемые для пропитки конденсаторов. Эти смеси, обозначаемые КЖ-30, КЖ-40 и КЖ-50, имеют соответственно значения ε, равные 6,0; 5,9 и 5,8, и температуры застывания минус 30, минус 45 и минус 50° С. Хлорированные дифенилы негорючи. Однако их недостатком является высокая токсичность как самих жидкостей и их паров, так и — в еще большей степени — газов, которые образуются при воздействии электрической дуги на хлорированные дифенилы. Поэтому, например, в Японии применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом.

Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам Si, различают полиметилсилоксановые (ПМС), полиэтилсилоксановые (ПЭС) и полиметилфенилсилоксановые (ПМФС) жидкости. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20° С значение ε от 2,5 до 3,3 и tg δ 0,0001—0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250° С длительно и до 350° С кратковременно.

Фторорганические жидкости имеют весьма малый tg δ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Отдельные фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200° С и выше.

Характерными свойствами фторорганических жидкостей являются малая
вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке
пористой изоляции), высокий температурный коэффициент объемного расширения (значительно больший, чем у других электроизоляционных жидкостей), сравнительно высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями.

Фторорганические жидкости способны обеспечивать значительно более
интенсивный отвод тепла потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода тепла используется испарение жидкости с последующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров, в особенности под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.

1 — кремнийорганическая жидкость, 2 — нефтяное трансформаторное масло, 3 —фторорганическая жидкость (С4F9)3N (температура кипения 178° С), 4 — фторорганическая жидкость (C4F9)2О (температура кипения 101° С)

Рисунок 27. Превышение температуры обмоток над температурой бака малогабаритного трансформатора в функции нагрузки трансформатора для различных заполняющих жидкостей

На рис. 27 представлены зависимости разности температур обмоток и бака малогабаритного трансформатора от его нагрузки для различных заполняющих бак жидкостей. Видно преимущество с точки зрения теплоотвода фторорганических жидкостей перед нефтяным маслом, и тем более перед кремнийорганической жидкостью. Переход кривой 4 через максимум объясняется достижением температуры кипения жидкости при повышении нагрузки.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.

Тема 3.5 «Высокомолекулярные органические и элементоорганические диэлектрики»

В электроизоляционной технике применяются как природные полимеры, так и синтетические, получаемые методом химического синтеза. Сейчас преимущественное значение имеют многообразные синтетические полимеры, обладающие весьма ценными и разнообразными свойствами, часто на практике называемые смолами; природные смолы хотя еще и применяются, но уже не имеют такого большого значения, как синтетические.

Синтетические полимеры могут быть получены двумя принципиально различными способами: полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация — такая химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения элементарного химического состава вещества. При полимеризации происходит сшивка ряда молекул мономера в одну молекулу полимера — высокомолекулярного соединения. Обычной предпосылкой для возможности процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода, которые под влиянием тех или иных факторов (повышенные температура и давление, радиационное облучение, катализаторы и инициаторы) разрываются и обеспечивают сшивку с соседними молекулами. Таким путем из газообразных и жидких мономеров могут быть получены твердые полимеры, называемые полимеризационными.

Поликонденсация — это химическая реакция между разнородными низкомолекулярными соединениями, сопровождающаяся обычно выделением побочных продуктов, как, например, воды, водорода, аммиака, хлористого водорода и других, способных в той или иной мере сказываться на свойствах конечного продукта. Поликонденсация — реакция необратимая.

Продукты полимеризации могут быть получены более чистыми, поэтому они, как правило, обладают более высокими электроизоляционными свойствами, чем продукты поликонденсации. Исключение могут составлять сильнополярные продукты полимеризации.

Полимеры могут классифицироваться по их поведению при нагревании. Некоторые материалы при нагревании плавятся, при охлаждении снова затвердевают, но при повторных нагревах опять плавятся — не теряют способности плавиться. При этом обычно они способны растворяться в определенных растворителях. Такие материалы называют термопластичными (термопластами). К ним относятся, как правило, продукты полимеризации с линейными молекулами. Другой вид материалов — термореактивные — реактопласты. Они при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают, после чего уже не плавятся при повторном нагревании и даже часто не размягчаются. Одновременно теряется способность растворяться в растворителях. Способность переходить в неплавкое состояние при нагревании объясняется наличием в молекулах термореактивного полимера двойных связей или реакционноспособных (функциональных) групп атомов, которые производят поперечную сшивку линейных молекул, создавая сетчатую, пространственную молекулярную структуру, придающую всей молекуле большую жесткость, неподвижность. Иногда для поперечной сшивки добавляют тот или иной побудитель или ускоритель этого процесса.

«Полимеризационные синтетические полимеры»

Полистиролизготовляется сейчас из синтетического стирола, благодаря чему он стал недефицитен и дешев (раньше применялся натуральный стирол из каменноугольной смолы). Различают полистирол блочный, получаемый при полимеризации непосредственно в среде стирола по радикальному механизму, и эмульсионный, получаемый в виде порошка по ионному механизму из водностирольной эмульсии. Полистирол растворяется в бензоле, толуоле, ацетоне, благодаря чему из него могут быть получены лаки. Из блочного полистирола путем механической обработки могут быть изготовлены различные детали приборов и аппаратов. Эмульсионный полистирол перерабатывается в изделия преимущественно методом литья. Полистирол бесцветен и прозрачен, имеет низкую влагопроницаемость, обладает очень хорошими электроизоляционными свойствами (особенно блочный), благодаря чему получил широкое применение в высокочастотной технике для получения установочных высокочастотных деталей сложной конфигурации и для пленочной изоляции высокочастотных кабелей и конденсаторов. Недостатком обычного аморфного полистирола является низкая теплостойкость.

Ударопрочный полистирол представляет собой смесь полистирола с синтетическими каучуками— бутадиеновым или бутадиен-стирольным. Электрические свойства у эмульсионного полистирола ниже, чем у блочного, из-за остатков полярного эмульгатора.
Ударопрочный полистирол имеет весьма широкое применение как конструкционный диэлектрик (аккумуляторные баки, корпуса и детали разных приборов и аппаратов).

Полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен. Широко применяется в электроизоляционной технике (кабельные изделия) полиэтилен, продукт полимеризации газа этилена.

Известны три промышленных способа полимеризации этилена, при которых получаются: полиэтилен низкой плотности — 920—930 кг/м3; полиэтилен высокой плотности (960 — 970 кг/м3); полиэтилен средней плотности (940 -960 кг/м3).
Полиэтилен — не неполярный диэлектрик, практически не гигроскопичен, отличается большой гибкостью. Его электрические параметры стабильны и мало изменяются в широких диапазонах температуры и частот, но имеет невысокую температуру размягчения полиэтилена.

Полиэтилен при обычной температуре обладает значительной химостойкостью и не растворяется в большинстве органических растворителей. Однако при повышенной температуре полиэтилен заметно окисляется на воздухе, что сопровождается повышением tg δ и снижением механической прочности. Действие прямой солнечной радиации ускоряет старение полиэтилена. Небольшая добавка сажи ослабляет вредное действие солнечных лучей без заметного влияния на электрические параметры полиэтилена. Старение полиэтилена замедляют стабилизаторы. Наличие трех разновидностей полиэтилена и возможность их смещения друг с другом, а также с другими полимерами, например с полипропиленом или полиизобутиленом, позволяет получать изоляцию с разными ценными свойствами. Применяется полиэтилен в виде пленок, изделий сложной формы, изоляции проводов и кабелей. В сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие качество полиэтиленовой изоляции, вследствие чего для силовых кабелей он применяется при сравнительно невысоких напряжениях.

Полиизобутилен в зависимости от степени полимеризации может быть получен в виде вязкой жидкости, в вазелиноподобном состоянии или в виде твердого веществах различной эластичностью.

Электрические свойства полиизобутилена близки к свойствам полиэтилена. Применяется полиизобутилен как добавка к различным заливочным компаундам, а также в смеси с полиэтиленом для изоляции проводов и кабелей. Такая смесь обладает большей эластичностью и морозостойкостью, чем чистый полиэтилен.

Из газа пропилена получают термопластичный, линейный неполярный полимер — полипропилен. Из полипропилена могут быть получены пленки, волокна, ткани, бумаги и фасонные детали методом литья под давлением. Полипропилен практически негигроскопичен.

Область применения полипропилена примерно та же, что и полиэтилена; следует, однако, учитывать значительно более низкие холодостойкость и гибкость по сравнению с полиэтиленом.

Поливинилхлорид — твердый полимер, сравнительно хрупкий, с низкой холодостойкостью (до —10° С), но высокой водо и влагостойкостью, низкой газопроницаемостью.

Нагревостойкость поливинилхлорида может быть несколько повышена добавлением специальных стабилизаторов. Против вредного действия солнечного света, ускоряющего старение, также помогает введение некоторых стабилизирующих материалов (двуокись титана, сажа).

Поливинилхлоридный пластикат применяется для изготовления пленок, липких изоляционных лент, электроизоляционных трубок, широко используемых в различных низковольтных схемах, изоляции телефонных и различных монтажных проводов, для получения внешних оболочек кабелей. При воздействии электрической дуги поливинилхлорид выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги.

Полиметилметакрилат из-за хорошей прозрачности часто называют органическим стеклом. Это полярный термопластичный диэлектрик с малой гигроскопичностью и значительной химостойкостью; применяется как конструкционно-изоляционный материал, в том числе для изготовления корпусов приборов, шкал, линз и пр. Из-за довольно высоких дугогасящих свойств, применяется в выключающей аппаратуре. Листовое органическое стекло хорошо поддается механической обработке, легко сваривается и склеивается.

Фторопласты. Большую группу составляют фтороуглеродистые полимеры, одним из важнейших представителей которых является фторопласт-4.

Фторопласт -4 — диэлектрик неполярный, термопластичный. Благодаря замене всех атомов водорода, имеющихся в структуре полиэтилена, атомами фтора, обеспечивающими большую энергию связи, этот продукт обладает исключительно высокой нагревостойкостью. Его рабочая температура доходит до 250° С и выше (в зависимости от продолжительности службы); он исключительно холодостоек (сохраняет эластичность при температуре до минус 100° С). При температуре, превышающей 400° С, фторопласт-4 довольно быстро разлагается. Фторопласт – 4 очень влагостоек, имеет очень малый tg δ в широком
частотном диапазоне, негорюч, не смачивается водой. Вполне тропикостоек, не растворяется ни в одном органическом растворителе. По химостойкости он превосходит благородные металлы: золото и платину, что позволило широко использовать его при изготовлении химической аппаратуры.
При медленном охлаждении имеет мелкокристаллическую решетку, которая разрушается при температуре около 3270С (температура плавления). Высокие электрические параметры мало зависят от температуры. Фторопласт-4 имеет исключительно низкий коэффициент трения.
Существенным недостатком фторопласт -4 является связанная с его термопластичностью и малой твердостью хладотекучесть: при комнатной температуре под нагрузкой около 3 МПа материал «течет» — в нем происходят пластические деформации. Из него делают пленки (можно получить толщиной менее 10 мкм), применяющиеся для производства конденсаторов и изоляции всевозможных обмоток, а также изделия сложной формы. Применяется фторопласт-4 и для изоляции проводов и кабелей. В последнее время его стали применять в комбинации со стеклотканями для изготовления механически прочных нагревостойких материалов.

Вследствие сложности технологии производства и переработки фторопласта-4 изоляция на его основе является сравнительно дорогой, поэтому был разработан ряд его разновидностей.
Фторопласт-40 имеет большую твердость, чем фторпласт-4 (у него почти отсутствует хладотекучесть). Технология переработки фторопласта-40 значительно лучше, он подвергается обычным методам прессования при повышенной температуре.

Фторопласт-42 растворим в некоторых органических растворителях, благодаря чему из него могут изготавливаться лаки, а также пленки и волокна. Фторопласт-40 и фторпласт-42 обладают значительной химостойкостью, тропикостойки. Фторопласт-40 применяется для покрытия проводов, а фторопласт-42 используется в виде лака для влагозащитных покрытий. Температура разложения фторопласта-40 и фторопласта-42 ниже, чем у фторопласта-4.

Суспензия порошка фторопласта-40 в спирте, так называемый фторопласт-4Д, применяется для изолирования проводов, а также для нанесения электроизоляционных покрытий.

Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) обладает значительно большими
диэлектрическими потерями, чем фторопласт-4. Нагревостойкость его ниже; нижний предел рабочей температуры доходит до —195° С.

Производство фторопласта-3 и технология его переработки проще и дешевле, чем фторопласта-4. Фторопласт-3 находит применение в кабельном производстве.

«Поликонденсационные синтетические полимеры»

Поликонденсационные полимеры бывают двух типов: продукты пространственной конденсации и продукты линейной конденсации. Первые могут быть термопластичными и термореактивными. Их применяют как связующее для производства пластмасс, в качестве лаковых основ, в производстве слоистых пластиков. Отличаются малой растяжимостью. Вторые — линейные высокомолекулярные соединения имеют высокий предел прочности при растяжении, большое удлинение при разрыве. Способны вытягиваться в тонкие нити; из них можно получать пряжу,ткани, пленки.

Фенолформальдегидные полимеры. Поликонденсационным полимером первого типа является фенол (крезол) формальдегидный, на практике называемый бакелитовой смолой. Путем поликонденсации фенола (С6 Н5 ∙ОН) или крезола (СН3 ∙C6 Н4 ∙СН) с формальдегидом (СН2О) при воздействии тепла в присутствии щелочного катализатора, например аммиака, получается олигомер, называемый резольной смолой, термореактивной, обладающей большой скоростью перехода в неплавкое и нерастворимое состояние при сравнительно невысокой температуре. Скорость отверждения (переход в неплавкое состояние) фенолформальдегидной смолы в зависимости от температуры показана на рис.28.

Рисунок 28 Зависимость скорости отверждения фенолформальдегидной смолы от температуры.

В исходной смоле остаются непрореагировавший свободный фенол (крезол), остатки воды, катализатор. Поэтому в исходном состоянии — в стадии А (резол) смола обладает невысокими электрическими параметрами. Она является в этой стадии смесью сравнительно низкомолекулярных соединений, имеет невысокую температуру плавления (порядка 55—70° С), хорошо растворят
в спирте, ацетоне. При нагревании (или длительном хранении при комнатной температуре) смола переходит в стадию В (резитол), представляющую собой смесь продуктов с разными значениями молекулярных масс, частично полимеризованных.

Резитол не плавится, а только размягчается при нагревании, в спирте не растворяется, в ацетоне только набухает. Дальнейшее нагревание приводит к получению конечной стадии С (резит), в которой продукт состоит из высокомолекулярных соединений, неплавких и нерастворимых,

с пространственной структурой (трехмерный полимер). При отвержении- переходе в стадию С происходит дальнейшая поликонденсация с выделением воды и ряда продуктов.

В стадии С полимер твердый, хрупкий, мало гигроскопичен, имеет более высокие электроизоляционные свойства.
Анилинформальдегидный полимер получается при поликонденсации анилина (C6H5-NH2) с формальдегидом. От фенолформальдегидного полимера отличается отсутствием способности полного отверждения при высокой температуре; даже после длительного воздействия анилинформальдегидный полимер сохраняет способность к размягчению, хотя и не плавится.

Существенным преимуществом анилиновых полимеров являются: слабо выраженная дипольная поляризация и отсутствие добавочной конденсации при отверждении, что обеспечивает им большую чистоту и более высокие электроизоляционные свойства по сравнению с фенолформальдегидными и позволяет применять их на повышенных частотах. Анилинформальдегидный полимер после термообработки менее хрупок, чем фенолформальдегидный.

К числу полимеров пространственной конденсации относятся меламинформальдегидные и карбамидформальдегидные (мочевиноформальдегидные). Первые — продукт конденсации меламина (C3H6N6) с формальдегидом, вторые— продукт конденсации карбамида (мочевины) (NH2)2∙СО с формальдегидом.

Отличительной особенностью является большое выделение газообразных продуктов, в частности азота, при воздействии электрической искры и дуги, в силу чего не образуются проводящие науглероженные мостики. Имеют меньшую нагревостойкость и большую влагопроиницаемость. Обладают невысокими электроизоляционными свойствами. Применяются в производстве пластмасс и лаков.

Сложные полиэфиры. Глифталевые (алкидные) полимеры получают путем пространственной поликонденсации глицерина С3Н5(ОН)3 и фталевого ангидрида (окисленного нафталина).
Для их перевода в неплавкое состояние требуется более высокая температура, чем для фенолформальдегидных олигомеров. Даже при температурах выше 150° С скорость отверждения глифталей остается довольно низкой, поэтому в готовой изоляции они обычно не полностью переведены в неплавкое состояние.

Основное их применение — производство электроизоляционных лаков разных назначении и производство слюдяных изоляционных материалов.Сложным полиэфиром является полиэтилентерефталат (лавсан). Из него могут быть изготовлены высокопрочные пленки, волокна, бумага, пряжа, ткани, а также лаки. Пленки широко применяются для изготовления композиционных материалов в сочетании с волокнистыми подложками и слюдяными бумагами, в конденсаторном производстве и являются основой магнитофонных лент.

Полиэтилентерефталат обладает малой гигроскопичностью.

Сложным полиэфиром угольной кислоты является поликарбонат — термопластичный полимер. При длительном нагревании при 80—130° С поликарбонат кристаллизуется, что придает ему определенную жесткость и повышает теплостойкость. Поликарбонат имеет высокие электрические и механические свойства, химо- и влагостоек. Ценным свойством поликарбоната является высокая стабильность электрических свойств при нагревании до 100—120° С.

Каждый электрик должен знать:  Выбор равномерной подсветки перфорированного металла

Из поликарбоната получают пленки для конденсаторов, для изоляции трансформаторов, различных аппаратных катушек, а также детали сложной формы. Особенно ценно его применение в выключающей аппаратуре благодаря высокой дугостойкости. Поликарбонат высокопрозрачный материал.

Полиамидные полимеры. Представителями этой группы полимеров являются анид и найлон. Полиамиды имеют высокие механические свойства, большую упругость, малый коэффициент трения, большую износостойкость при трении. Полиамиды хорошо перерабатываться в изделия методом литья под давлением с учетом высоких механических свойств, поэтому из них изготавливают различные изоляционно-конструкционные и чисто конструкционные детали: каркасы, втулки и пр., а также шестерни в различных приборах и аппаратах.

Из полиамидных смол изготавливаются очень прочные нити и ткани, применяющиеся в электроизоляционной технике взамен шелковых, а также пленки.

Кремнийорганические полимеры — полиорганосилоксаны. Эти полимеры получают по довольно сложной технологии, основными видами которой являются реакции гидролиза и поликонденсации. Отличительными свойствами полиорганосилоксанов являются: высокая нагревостойкость, стойкость против действия озона и солнечной радиации.

Эпоксидные полимеры.Называются также эпоксисмолами. Эпоксидные полимеры отличаются высокими механическими свойствами, хорошей короностойкостыо. На их основе, в частности, в сочетании с полиэфирами, изготовляют лаки разных назначений, пропиточные и заливочные составы без растворителей; слюдосодержащие материалы, в том числе ленточные, для высоковольтных электрических машин; литую изоляцию для разных высоковольтных приборов и аппаратов, трансформаторов тока и напряжения; клеи различных назначений.

«Природные смолы»

Шеллак получают очисткой гуммилака, который выделяется некоторыми видами насекомых на ветвях тропических деревьев. Свежий шеллак, поступающий в продажу в виде чешуек от светло — желтого до темно-коричневого цвета, плавится при температуре около 100° С. При длительном воздействии высокой температуры температура плавления повышается, шеллак даже может фактически потерять способность плавиться. Одновременно снижается и растворимость шеллака. В свежем виде он хорошо растворяется в спирте. Благодаря хорошей склеивающей способности шеллак применяется в производстве клееной слюдяной изоляции.

Канифоль (гарпиус) получают из смолы (живицы) некоторых хвойных деревьев(сосны). Растворяется в спирте, скипидаре, бензине, нефтяных и растительных маслах и некоторых других растворителях. Применяется в производстве некоторых электроизоляционных лаков и пропитывающих составов, а также как добавка к нефтяному маслу для увеличения вязкости при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей.

Копалы — ископаемые смолы, добываемые преимущественно в Африке и Юго-Восточной Азии. Раньше благодаря растворимости в растительных маслах они довольно хорошо применялись в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вытеснены синтетическими полимерами.

Янтарь также ископаемая смола, обладающая очень высокими электрическими параметрами. Янтарь очень мало гигроскопичен. Хорошо полируется. Его температура плавления выше 300° С. Раньше применялся главным образом для изготовления изоляционных деталей электроизмерительных приборов. В настоящее время янтарь (как диэлектрик) успешно заменяется фторопластом -4 и полистиролом.

Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Тема 3 Газообразные диэлектрики

Название Тема 3 Газообразные диэлектрики
Дата конвертации 17.04.2013
Размер 43.16 Kb.
Тип Документы
Тема 3.3 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;

— образовывать окислы и поддерживать горение;

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.

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.

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.

Что такое танталовый конденсатор

Конденсатор – радиодеталь, состоящая из электродов и диэлектрика, который их разделяет. Предназначен он для накопления в себе электроэнергии. Основная характеристика конденсатора – его емкость, которая определяется как разность между потенциалами. Танталовые конденсаторы появились более пятидесяти лет назад. От других видов их отличает, что в качестве диэлектрика здесь является оксид тантала (Та2О5).

Они отличаются от своих алюминиевых аналогов большой температурный режим работы, высокая надежность и длительный срок службы. Постепенно они совершенствовались, что увеличило их емкость. Разработчики старались увеличить емкость этих радиодеталей и одновременно уменьшить их физический размер.

В статье подробны подробным образом рассмотрены все тонкость танталовых конденсаторов и конденсаторов в принципе. В качестве бонуса в статье присутствует видеоролик и скачиваемый файл на данную тему.

Что такое тантал и какие у него особенности

Танталовые конденсаторы имеют в 3 раза лучшее соотношение емкость-размер по сравнению с алюминиевыми конденсаторами. Это связано в тем, что тантал имеет диэлектрическую постоянную 26, а алюминий – 8.4. Лучшее значение диаэлектрической константы имеют керамические конденсаторы, от 12 до 400К. В число других преимуществ танталовых компонентов входят возможность выдерживать обратное напряжение в размере 10% от номинального, низкие термические параметры и отсутствие коррозии электролита.

Оксидные конденсаторы

Как известно, высокие удельные характеристики оксидных конденсаторов достигаются благодаря высокоразвитой поверхности исходного электрода из вентильного металла, на котором после формовки образуется необходимый слой соответствующего оксида. В алюминиевых конденсаторах высокоразвитая поверхность электрода образуется относительно просто в результате травления поверхности специальной алюминиевой фольги. В отличие от алюминия, повышенная химическая стойкость тантала вызывает технологические трудности, когда его подвергают травлению, чтобы получить развитую поверхность фольгового электрода. Кроме того, технология травления танталовой фольги экологически далеко не безопасна.

Поэтому в традиционном базовом конструктивно-технологическом решении наиболее массовых типов танталовых конденсаторов высокоразвитая поверхность электрода реализована в виде внутренней поверхности спрессованного из специальных танталовых порошков объемно-пористого тела, в центре которого расположен проволочный анодный вывод конденсатора. До недавнего времени совершенствование конденсаторов этого вида в части улучшения их массогабаритных характеристик основывалось на применении все более мелкодисперсных танталовых порошков, имеющих все более развитую поверхность и, соответственно, все более высокий исходный удельный заряд. Если в конце прошлого века наиболее распространенными были порошки с удельным зарядом порядка нескольких тысяч микрокулон на грамм, то в современных танталовых порошках удельный заряд уже превышает 100 тыс. мкКл/г.

В результате удельные заряды танталовых конденсаторов выросли более чем на порядок. Однако анализ тенденций и направлений в сфере применения танталовых конденсаторов показывает, что указанный путь развития конденсаторов недостаточно эффективен и не может полностью удовлетворить современные требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Так, в последние годы существенно расширился диапазон рабочих частот преобразователей в источниках вторичного электропитания аппаратуры (ИВЭП) – традиционной области применения танталовых конденсаторов.

Танталовые конденсаторы теперь должны работать и в импульсных режимах, в частности как высокоэффективные накопители энергии для питания приемно-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР). Повысились требования к быстродействию вычислительных блоков аппаратуры, где танталовые низковольтные конденсаторы используются в качестве резервных источников питания. Если ранее традиционная область рабочих частот танталовых конденсаторов реально ограничивалась единицами и десятками килогерц, то сегодня спектр рабочих частот этих конденсаторов расширился до порядков сотен килогерц – единиц мегагерц.

Разновидности

Благодаря свойству быстро накапливать и отдавать электрическую энергию конденсаторы нашли широкое применение в качестве накопителей энергии в различных фильтрах и в импульсных устройствах. Конденсаторы различаются по следующим признакам: характеру изменения емкости, способу защиты от внешних воздействующих факторов, назначению, способу монтажа и виду диэлектрика. По характеру изменения емкости они делятся на конденсаторы постоянной емкости, подстроенные конденсаторы и конденсаторы переменной емкости. Емкость постоянных конденсаторов является фиксированной, т.е. в процессе эксплуатации не регулируется.

Емкость подстроенных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Подстроенные конденсаторы используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей, где требуется незначительное изменение емкости. Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры.

Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Такие конденсаторы применяют для плавной настройки колебательных конт> ров и в цепях автоматики. По способу защиты от внешних воздействующих факторов конденсаторы выполняются незащищенными (допускают эксплуатацию при повышенной влажности только, в составе герметизированной аппаратуры), защищенными; неизолированными с покрытием или без покрытия (не допускают касания шасси); изолированными (с изоляционным покрытием), уплотненными органическими материалами; герметизированными с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб, что исключает взаимодействие внутреннего пространства с окружающей средой.

В зависимости от способа монтажа конденсаторы выполняются для печатного и навесного монтажа, а также для использования в составе микромодулей и микросхем. У большинства оксидных, проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединена с корпусом, служащим вторым выводом. По назначению конденсаторы подразделяются на общего назначения (обычно низковольтные, без специальных требований) и специальные. Использование конденсаторов в конкретных цепях аппаратуры (низковольтные, высоковольтные, низкочастотные, высокочастотные, импульсные, пусковые, полярные, неполярные, помехоподавляющие, дозиметрические, нелинейные и др.) зависит от вида использованного в них диэлектрика. По виду диэлектрика конденсаторы делятся на группы: с органическим, неорганическим, оксидным и газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с органическим диэлектриком

Конденсаторы с органическим диэлектриком изготовляются намоткой конденсаторной бумаги, пленок или их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами. Они условно подразделяются на низковольтные (до 1000…1600 В, а для оксидных до 600 В) или высоковольтные (свыше 1600 В).

В свою очередь, низковольтные конденсаторы подразделяются на низкочастотные с рабочей частотой до 10 5 Гц (на основе полярных и слабополярных органических пленок: бумажные, металлобумажные, полиэтилентереф-талатные, комбинированные, лакопленочные, поликарбонатные и полипропиленовые) и высокочастотные с рабочими частотами до 107 Гц (на основе неполярных органических пленок: полистирольные, фторопластовые и некоторые полипропиленовые).

Высоковольтные конденсаторы подразделяются на высоковольтные постоянного напряжения (в качестве диэлектрика используются бумага, полистирол, фторопласт, лавсан и комбинированные) и высоковольтные импульсные (на основе бумажного и комбинированного диэлектриков).

Комбинированные конденсаторы обладают повышенной электрической прочностью по сравнению с бумажными Высоковольтные импульсные конденсаторы должны пропускать большие токи без искажений, т.е. должны иметь малую собственную индуктивность.

Пленочные конденсаторы

Выпускаются на основе синтетических пленок толщиной 1,4…30 мкм. В зависимости .от использованного диэлектрика они подразделяются на группы, из неполярных пленок (полистирольные, фторопластовые, полипропиленовые), из полярных пленок (полиэтилентерефталатные, т.е. лавсанполикарбонатные), комбинированные (ппенка и бумага) и лакопленочные. Каждый класс конденсаторов обладает определенным комплексом свойств, и в целом пленочные конденсаторы перекрывают широкий диапазон требований современной техники.

Пленочные конденсатооы отличаются более высокими электрическими и эксплуатаци энными характеристиками и меньшей трудоемкостью изготовления по сравнению с бумажными, поэтому производство их непрерывно растет. Конденсаторы выпускаются с фольговыми и металлизированными обкладками. Фольговые конденсаторы отличаются более высокими и стабильными электрическими характеристиками Конденсаторы с метал-пизированными обьладками отличаются от фольговых улучшенными удельными характеристиками. Это достигается за счет присущего таким конденсаторам свойстза самовосстановления, позволяющего повысить рабочие напряженности электрического поля.

Области применения фторопластовых и полистирольных конденсаторов почти не отличаются Фторопластовые конденсаторы применяют при повышенных температурах и более жестких требованиях к электрическим параметрам.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком

В качестве диэлектрика в них используются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика или слюда. Конденсаторы с такими диэлектриками подразделяются на низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. Низковольтные конденсаторы, в свою очередь, делятся на низкочастотные и высокочастотные (с частотой до сотен мегагерц и более) и предназначаются: для использования в резонансных контурах и цепях, где требуются малые потери и высокая стабильность емкости (высокочастотные!. В цепях фильтров блокировки и развязки, где малые потери и стабильность емкости не имеют особого значения, используются керамические конденсаторы с большими диэлектрическими потерями (низкочастотные).

К высокочастотным конденсаторам относятся слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и керамические; к низкочастотным – стеклокерамические и керамические. Высоковольтные конденсаторы выполняются с диэлектриком из керамики с большой диэлектрической проницаемостью и разделяются также на низкочастотные и высокочастотные. Они имеют конструкцию и выводы, рассчитанные на прохождение больших токов.

Помехоподавляющие конденсаторы разделяются на опорные с конструкцией дискового или трубчатого типа (один из выводов у них – опорная металлическая пластина с резьбовым соединением) и проходные коаксиальные и некоаксиальные); предназначены для подавления индустриальных, атмосферных и высокочастотных помех. Керамические конденсаторы являются самыми массовыми среди применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. К основным достоинствам керамических конденсаторов относятся:

  • возможность реализации широкой шкалы емкостей от долей пикофарады до единиц и десятков микрофарад;
  • возможность реализации заданного температурного коэффициента емкости (ТКЕ,;
  • высокая устойчивость к воздействиям внешних факторов (температура, влажность воздуха и т.п.) и высокая надежность;
  • возможность использования керамических кристаллов совместно с микросхемами или в составе микросхем;
  • простота технологии, делающая керамические конденсаторы массовых серий самыми дешевыми.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком

Оксидные конденсаторы (старое название – электролитические) разделяются на: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектриками в них используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде – металлической обкладке из некоторых металлов. В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Второй обкладкой конденсатора (катодом) служит электролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в оксидно электролитических (жидкостных! алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в танталовых объемно-пористых конденсаторах и полупроводник (двуокись марганца) в оксидно-полупроводниковых конденсаторах.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком – низковольтные, с относи!ельно большими потерями, но в отличие от других типов низковспьтных конденсаторов имеют несравнимо большие емкости (от единиц до сотен тысяч микрофарад). Они используются в фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтирующих и переходных цепях полупроводниковых, устройств на низких частотах.

Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы являются одними из самых массовых Они выпускаются на напряжения от 3 до 450 (500) В с диапазоном емкостей от десятых долей до сотен тысяч микрофарад и предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов, а также в импульсных режимах. Конденсаторь: К50-35 из группы общего назначения имеют униполярную (одностороннюю) проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде. Тем не менее это наиболее распространенные оксидные конденсаторы.

Неполярные конденсаторы выпускаются оксидно-электролитические (жидкостные) алюминиевые и танталовые, а также оксидно-полупроводниковые танталовые. Эти типы конденсаторов (алюминиевые, жидкостные и танталовые оксидно-полупроводниковые) широко применяются в источниках вторичного электропитания, в качестве накопительных и фильтрующих элементов в цепях развязок и переходных цепях полупроводниковых устройств в диапазоне частот пульсирующего тока от десятков герц до сотен килогерц. По частотным характеристикам они уступают конденсаторам на неорганической основе. Для расширения возможностей использования оксидных конденсаторов в более широком диапазоне частот необходимо снижать их полное сопротивление.

Это оказалось возможным при появлении совершенно новых конструктивных решений – четырехвыводных конструкций и плоской конструкции, позволяющих их эксплуатацию на значительно более высоких частотах. Импульсные конденсаторы К50-17 используются в электрических цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом, например в устройствах фотовспышек. Такие конденсаторы должны быть энергоемкими, иметь малое полное сопротивление и большое рабочее напряжение. Наилучшим образом этому требованию удовлетворяют оксидно-электролитическиг алюминиевые конденсаторы с напряжением до 500 В.

Пусковые конденсаторы К50-19 используются в асинхронных двигателях, в которых емкость включается только на момент пуска двигателя. При наличии пусковой емкости вращающееся поле двигателя при пуске приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Все это способствует повышению пускового момента, улучшает характеристики двигателя. В связи с тем, что пусковые конденсаторы включаются в сеть переменного тока, они должны быть неполярными и иметь сравнительно большое для оксидных конденсаторов рабочее напряжение переменного тока, несколько превышающее напряжение промышленной сети.

На практике используются пусковые конденсаторы емкостью порядка десятков и сотен микрофарад, созданные на основе алюминиевых оксидных пленок с жидким электролитом. В группу оксидных помехоподавляющих конденсаторов входят только проходные оксидно-полупроводниковые танталовые конденсаторы. Они, как и проходные конденсаторы других типов, выполняют роль фильтра нижних частот, но в отличие от них имеют гораздо большие значения емкостей, что дает возможность сдвигать частотную характеристику в область более низких частот.

Более подробно о танталовых конденсаторах можно узнать прочитав статью Маркировка конденсаторов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Способ получения керамики на основе титаната бария

Изобретение относится к области технологии получения керамики для изготовления диэлектриков конденсаторов, в т.ч. многослойных. Согласно предлагаемому способу шихту готовят из смеси двух порошков титаната бария BaTiO3 различной дисперсности, взятых в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0), причем первый составляющий основу шихты микрометрический порошок берут со средним размером частиц 1,8 мкм, а второй — нанометрический — со средним размером частиц 80 нм, обеспечивая их совместный помол в течение времени, необходимого для достижения оптимальной равномерности распределения в объеме основного компонента частиц дополнительного компонента. Микронный порошок получен методом твердофазного синтеза из эквимолярной смеси карбоната бария и диоксида титана, а нанометрический, обладающий узким распределением частиц по размерам в нано-области и близкой к сферической формой частиц, методом синтеза из эквимолярной смеси оксида бария и диоксида титана в среде сверхкритического водного флюида. Формование шихты ведут полусухим одноосным прессованием при давлении 40-100 МПа в присутствии временного технологического связующего в виде парафина, удаляемого до проведения обжига, проводимого в диапазоне температур 1250-1350°С в установленном режиме нагрева/охлаждения и изотермической выдержки. В результате получают наиболее плотную упаковку частиц шихты при формовании и повышенную активность шихты к спеканию, способствующие уплотнению структуры продукта, что позволяет за счет снижения массовой доли используемого дорогостоящего наноразмерного порошка, упрощения технологических процессов и их аппаратной составляющей уменьшить экономические затраты на производство керамики BaTiO3 и повысить качественные характеристики получаемого продукта. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 пр.

Изобретение относится к области технологии керамических материалов, точнее к способам получения керамики на основе титаната бария BaTiO3, предназначенной для использования в области конденсаторостроения при изготовлении керамических диэлектриков различных конденсаторов, как низковольтных, так и высоковольтных, преимущественно многослойных керамических конденсаторов.

Основные требования, предъявляемые к материалам керамических диэлектриков, касаются их плотности, значений диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и термостабильности в определенном интервале рабочих температур.

Например, для многослойных керамических конденсаторов, получивших в настоящее время широкое применение благодаря малым габаритам и высоким электрофизическим показателям, стандартом RS-198C Альянса отраслей электронной промышленности EIA (Electronic Industries Alliance), США определено, что при создании диэлектрических слоев в конденсаторах класса II в наибольшей степени используется керамика на основе титаната бария и требованиями к такой керамике являются следующие значения ее эксплуатационных характеристик: диэлектрической проницаемости в диапазоне от 1000 до 4000 при комнатной температуре и тангенса угла диэлектрических потерь не более 0,025, причем в диапазоне частот электромагнитного поля 10 2 -10 6 Гц снижение емкости конденсатора с увеличением частоты не должно превышать 10%.

При большом разнообразии известных из уровня техники способов получения конденсаторной керамики на основе титаната бария BaTiO3 они имеют практически общую, ставшую традиционной, схему осуществления, включающую в себя этапы: подбора исходных компонентов — готовых коммерческих от сторонних производителей или подготовленных самостоятельно, имеющих микронный, субмикронный или нано- размер частиц; подготовки шихты путем смешивания исходных компонентов, помола, введения временного связующего в отдельных случаях и т.д.; формования шихты тем или иным способом и термообработки отформованных образцов. Отличия между ними, как правило, состоят в варьировании исходных компонентов шихты по составу, размеру и форме их частиц и выборе тех или иных мер/веществ, способствующих уплотнению получаемого материала: методов и режимов проведения синтеза исходного порошка титаната бария, видов формовки шихты, видов и режимов спекания, к примеру, путем обжига при заданной температуре с определенными скоростями нагрева/охлаждения и времени выдержки; горячим прессованием; искровым плазменным спеканием, микроволновым спеканием и др.

Известны способы получения керамики на основе титаната бария BaTiO3, когда в шихте помимо основного исходного компонента порошка титаната бария, примерно, от 88 до 95 масс %, содержится ряд добавок в виде титанатов и/или оксидов различных металлов, в т.ч. и редкоземельных (например, RU 2035435, 1995 г. и RU 2047584, 1995 г.).

В способе по первому аналогу шихту подготавливают путем сухого помола исходных компонентов в вибромельнице с резиновой футеровкой и стальными шарами в течение 2-4 ч до достижения удельной поверхности Sуд≥4000 см 2 /г. Полученную шихту формуют в присутствии технологического связующего в виде 10%-ного водного раствора поливинилового спирта (ПВС) методом прессования. Образцы в виде дисков обжигают в интервале температур 1340-1400°С.

В способе по второму аналогу при подготовке шихты предварительно методом твердофазного синтеза получают спеки титаната бария и титанатов отдельных добавок, которые затем измельчают. Измельченные спеки, взятые в заданном соотношении, смешивают с требуемым количеством оксидов других добавок и углекислого марганца и полученную смесь измельчают до удельной поверхности 10000-12000 см 2 /г. Шихту формуют и заготовки обжигают при температуре в пределах 1140-1160°С.

Недостатки этих аналогов — усложненный алгоритм осуществления способа и вероятность загрязнения шихты продуктами намола, — устранены в следующей группе известных из уровня техники способов получения конденсаторной керамики, в которых шихтой является 100%-ный чистый порошок титаната бария BaTiO3 с субмикронными или наноразмерными частицами.

Так, в способе получения керамики на основе 100% субмикронного порошка BaTiO3, описанном в статье A. Kholodkova, М. Danchevskaya, N. Popova, L. Pavlyukova, A. Fionov, Preparation and dielectric properties of thermo-vaporous BaTiO3 ceramics, Materiali in tehnologije / Materials and technology, 2015, V. 49 (№2), p. 5-9, шихта представляет собой чистый порошок BaTiO3 со средним размером частиц 156 нм преимущественно округлой формы, полученный синтезом в среде докритического пара воды из смеси оксида бария и диоксида титана. Шихту смешивают с технологическим связующим (ТС) на водной основе в виде 1 масс. % ПВС и формуют одноосным прессованием при давлении 100-200 МПа при комнатной температуре. Полученные заготовки обжигают на воздухе при температуре 1300°С в течение 1 ч. Плотность изготовленного материала составляет 86% от теоретической, но его значения диэлектрической проницаемости, а также диэлектрических потерь не соответствуют предусмотренным стандартом RS-198С. К тому же, использование временных связующих на водной основе требует хранения приготовленной шихты в герметичных емкостях, т.к. при высыхании связка теряет свои свойства.

В другом известном способе получения керамики на основе 100% субмикронного порошка BaTiO3 (статья А.А. Kholodkova, M.N. Danchevskaya, Yu.D. Ivakin, G.P. Muravieva, A.D. Smirnov, V.P. Tarasovskii, S.G. Ponomarev, A.S. Fionov, V.V. Kolesov, Properties of barium titanate ceramics based on powder synthesized in supercritical water, Ceramics International, 2020, V. 44, p. 13129-13138) сырьем для керамики служит порошок, полученный синтезом в среде сверхкритического водного флюида из смеси оксида бария и диоксида титана путем выдержки в течение 20 часов при температуре 400°С и давлении 26,0 МПа, и состоящий из кристаллов со средним размером 130 нм.

В подготовленную шихту вводят 5 масс. % парафина — неводного ТС — и методом одноосного полусухого прессования при комнатной температуре при давлении 150 МПа формуют заготовки. Отформованные заготовки нагревают со скоростью 200°/ч до заданной температуры обжига в интервале 1250-1350°С, обеспечивая одновременно в ходе нагрева до 900°С удаление парафина. Плотность полученной керамики составила 87,3% от теоретической. Диэлектрическая проницаемость керамики при комнатной температуре достигала 2819 на частоте 1 кГц, 2710 на частоте 100 кГц, 2630 на частоте 1 МГц. Тангенс угла диэлектрических потерь составил в этих условиях, соответственно, 0,0118, 0,0167 и 0,0252.

Недостатком такого способа является завышенная доля ТС в шихте и отсутствие в его алгоритме выделенной стадии для полного удаления ТС по окончании формования, что может привести к загрязнению готового материала углеродом.

Из статьи S. Shannigrahi, C.K.I. Tan, Comparison of Grain Structure, Electrical and Magnetic Properties of BaTiO3 and Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (Ceramics Sintered Using Microwave and Conventional Techniques, Technologies, 2015, V. 3. P. 47-57) известен способ изготовления керамики с использованием в качестве шихты коммерчески доступного наноразмерного порошка титаната бария, в который добавляют флюс, используемый как уплотнитель материала, — 2 масс. % LiF путем приготовления суспензии на основе этилового спирта и последующего выпаривания спирта на воздухе при ночной сушке при температуре 80°С, — и полиэтиленгликоль в качестве ТС. Полученную смесь отпрессовывают под давлением 10 МПа. Проводят ночную сушку отформованных заготовок в сушильном шкафу при температуре 80°С и спекают методом микроволнового обжига при температуре 1000°С в течение 2 ч. Диэлектрическая проницаемость полученной плотной керамики BaTiO3 составляет 1240 при комнатной температуре на частоте электромагнитного поля 100 кГц.

Недостатки этого способа, помимо денежных затрат на наноразмерный порошок, заключаются в завышенной продолжительности процесса в целом, и многостадийности подготовки шихты к формованию, обусловленной необходимостью введения повышающей уплотнение материала добавки (LiF), а полученное не достаточно высокое значение диэлектрической проницаемости готовой керамики может ограничить ее использование в качестве диэлектрика в современном конденсаторостроении.

Эти недостатки частично устранены в способе, при котором плотную керамику на основе титаната бария для диэлектриков многослойных керамических конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями изготавливают путем обработки коммерческого нанопорошка BaTiO3 (предпочтительный средний размер частиц 10-75 нм) в условиях искрового плазменного спекания в течение 2-5-10 минут (US 6905649 В2, 2005 г). Согласно описанию патента, наиболее предпочтительно использование исходного порошка BaTiO3 с определенным фазовым составом, полученного методом гидротермального синтеза из гидроксида бария и гидроксида титана. Порошок подвергали холодному одноосному прессованию в графитовой форме при давлении 200 МПа, затем спекали под вакуумом в установке искрового плазменного спекания под давлением 63 МПа путем пропускания импульсного постоянного тока силой около 2000 А и максимальным напряжением 10 В через графитовую пресс-форму с уплотненным порошком и нагрева до конечных температур спекания 900-1150°С с разной скоростью в зависимости от размера частиц исходного порошка. После этого изготовленную керамику оставляли охлаждаться, снимая давление для предотвращения образования трещин.

Такой способ позволяет получать керамику плотностью около 98-99% от теоретической с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью около 10000 при частоте 1 кГц и 25°С, однако из-за использования в качестве сырья дорогостоящего нанопорошка BaTiO3 и дорогостоящей технологии спекания является высокозатратным, использование которого, например, при изготовлении керамики для имеющих наибольшее распространение многослойных керамических конденсаторов второго класса экономически не целесообразно, т.к. обуславливает их значительное удорожание.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является способ получения керамики на основе титаната бария, в котором для снижения экономических затрат используют смесь двух порошков BaTiO3 различной дисперсности, взятых в соотношении, при котором первый компонент, составляющий основу шихты, имеет микрометрический размер частиц, а второй (дополнительный) — нанометрический размер частиц (статья L. Wu, М.-С. Chure, K.-K. Wu, W.C. Chang, M.-J. Yang, W.-K. Liu, M.-J. Wu, Dielectric properties of barium titanate ceramics with different materials powder size, Ceram. Int. 35 (2009) p. 957-960).

В прототипе методом высокотемпературного твердофазного синтеза получают порошок BaTiO3 в требуемом для осуществления способа 100% объеме. Для этого исходные компоненты: карбонат бария ВаСО3 и диоксид титана TiO2 в модификации рутила подвергли совместному помолу в водной среде, используя в качестве мелющих тел шары из диоксида циркония, полученную смесь высушили при 120°С и прокалили при 1000°С в течение 2 ч. Затем для получения двух порошков BaTiO3 различной дисперсности прокаленный объем исходного порошка делят на две части и подвергают дальнейшему измельчению. Первую часть порошка измельчают в шаровой мельнице шарами из диоксида циркония, вторую истирают в аттриторе также шарами из диоксида циркония. В результате получают порошки титаната бария со средним размером частиц 2 мкм и 40 нм, соответственно, смешав которые в соотношении 75-25 масс. % микронного BaTiO3 и 25-75 масс. % нанометрического, приготавливают шихту. Шихту формовали методом изостатического прессования при 200 МПа, а обжиг провели при 1250-1350°С, скорости нагрева 180°С/ч и изотермической выдержке — 2 часа. Плотность полученной керамики при этом составила около 90% от теоретической, диэлектрическая проницаемость — около 2200 при частоте 1 кГц и комнатной температуре. Завышенное содержание дорогостоящего наноразмерного компонента в шихте и вероятность загрязнения его в ходе приготовления порошка, в т.ч. при высокоэнергетическом помоле в аттриторе, а также достаточно высокая стоимость используемого оборудования являются недостатками прототипа, снижающими эффективность использования такого способа.

Задача, реализуемая изобретением, направлена на повышение эффективности способа получения керамики на основе титаната бария с диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь на рекомендованном стандартом RS-198C для второго класса конденсаторов уровне и относительной плотностью, обеспечивающей достижение указанных электрофизических характеристик.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в снижении экономических затрат на производство керамики титаната бария за счет снижения доли наноразмерного порошка, упрощения технологических процессов и их аппаратной составляющей, и в повышении качественных характеристик продукта.

Достигается заявляемый технический результат тем, что в способе получения керамики на основе титаната бария, включающем подготовку шихты путем смешивания между собой исходных компонентов в виде двух порошков титаната бария BaTiO3 различной дисперсности, взятых в определенном соотношении, при котором первый, составляющий основу шихты, компонент имеет микрометрический размер частиц, а второй (дополнительный) — нанометрический размер частиц, а также формование шихты и обжиг отформованных заготовок при температуре 1250-1350°С, осуществляемый в установленном режиме нагрева/охлаждения и изотермической выдержки, согласно изобретению, при подготовке шихты в качестве первого (основного) компонента берут порошок титаната бария BaTiO3 со средним размером частиц 1,8 мкм, полученный методом твердофазного синтеза из эквимолярной смеси карбоната бария и диоксида титана, и в качестве второго (дополнительного) компонента — порошок титаната бария BaTiO3 со средним размером частиц 80 нм, полученный методом синтеза эквимолярной смеси из оксида бария и диоксида титана в среде сверхкритического водного флюида, при этом основной и дополнительный исходные компоненты берут в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0), соответственно, и проводят их совместный помол в течение времени, достаточного для достижения оптимальной равномерности распределения в объеме основного компонента частиц дополнительного компонента, и при этом формование шихты ведут полусухим одноосным прессованием при давлении 40-100 МПа в присутствии временного, удаляемого до проведения обжига технологического связующего в виде парафина в количестве 3 масс. % на массу шихты.

В частных случаях исполнения изобретения:

— парафин вводят путем растворения его в четыреххлористом углероде CCl4 и перемешивания шихты в этом растворе при нагревании до полного испарения ССl4;

— удаление парафина обеспечивают путем предварительного прокаливания отформованной шихты при 300°С со скоростью нагрева 50°С/ч и выдержкой при конечной температуре 4 часа;

— совместный помол порошков ведут в планетарной мельнице в течение 30 минут с частотой 200 об/мин при массовом соотношении — порошковая смесь : изопропиловый спирт : мелющие тела — 1:1:2;

— обжиг ведут при температуре 1300°С со скоростью нагрева 200°С/ч и выдержкой при конечной температуре 1 ч, с последующим охлаждением до комнатной температуры.

В предлагаемом способе вводимый в шихту на основе микронного порошка титаната бария компонент нанопорошка титаната бария обладает узким распределением частиц по размерам в нано-области и формой частиц, близкой к сферической, что позволяет ей равномерно распределяться в объеме заготовки, обеспечивая наиболее плотную упаковку частиц шихты при формовании и способствуя уплотнению структуры продукта (в прототипе достижение такого узкого размерного распределения и правильной формы частиц проблематично).

К тому же для наноразмерного порошка, синтезированного в среде сверхкритического водного флюида, характерна более высокая активность шихты к спеканию по сравнению с нанопорошком, полученным, как в прототипе, твердофазным синтезом, в т.ч. прошедшим процедуру измельчения, из-за присутствия в его структуре следовых количеств дефектов в виде гидроксильных групп.

Приготовленная смесь микронного и наноразмерного порошков титаната бария в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0), соответственно, уже на стадии формования обеспечивает максимальное уплотнение и, как следствие, плотность керамики, превышающую таковую как в аналогах без внесения нанопорошка, так и в прототипе.

Приготовление шихты из смеси двух исходных порошков BaTiO3, один из которых, имеющий микрометрический размер частиц и составляющий основу шихты, является достаточно дешевым, а второй (дополнительный) компонент с нанометрическим размером частиц составляет наименьшую часть шихты (не более 5-15 масс. %), а также упрощение процесса подготовки шихты и используемого при этом оборудования способствуют в предлагаемом способе, по сравнению с прототипом, дальнейшему значительному снижению экономических затрат на получение диэлектрической керамики и улучшению ее качеств.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями, где:

на фиг. 1 дана микрофотография СЭМ микронного порошка BaTiO3, синтезированного твердофазным методом из смеси ВаСО3 и TiO2 при температуре 1100°С в течение 1 ч; на фиг. 2 — микрофотография ПЭМ нанопорошка BaTiO3, синтезированного в среде сверхкритического водного флюида при температуре 400°С и давлении 26,0 МПа в течение 20 ч;

на фиг. 3 — график зависимости диэлектрической проницаемости керамических образцов BaTiO3, изготовленных согласно изобретению из шихты на основе микронного порошка BaTiO3 с различным количеством нанопорошка BaTiO3, от частоты приложенного электромагнитного поля;

на фиг. 4 — график зависимости тангенса угла диэлектрических потерь керамических образцов BaTiO3, изготовленных согласно изобретению из шихты на основе микронного порошка BaTiO3 с различным количеством нанопорошка BaTiO3, от частоты приложенного электромагнитного поля;

на фиг. 5 — график зависимости относительной плотности керамических образцов BaTiO3, изготовленных согласно заявляемой методике из шихты на основе микронного порошка BaTiO3 с различным количеством нанопорошка BaTiO3, от содержания нанопорошка в исходной смеси; на фиг. 6 — график зависимости диэлектрической проницаемости керамических образцов BaTiO3, изготовленных согласно заявляемой методике из шихты на основе микронного порошка BaTiO3 от содержания привнесенной в него нанопорошка BaTiO3 при различных частотах приложенного электромагнитного поля.

Предлагаемый способ изготовления керамики титаната бария включает в себя подготовку шихты на основе двух порошков титаната бария различной дисперсности (первого (основного), со средним размером частиц 1,8 мкм, и второго (дополнительного) со средним размером частиц 80 нм), формование шихты и ее высокотемпературный обжиг.

Для приготовления шихты наноразмерный и микронный компоненты берут в различном соотношении масс. %: от 95,0:5,0 до 85,0:15,0, причем микронный порошок должен быть получен методом твердофазного синтеза из эквимолярной смеси карбоната бария и диоксида титана, а нанометрический — методом синтеза из эквимолярной смеси оксида бария и диоксида титана в среде сверхкритического водного флюида или каким-либо другим известным методом, но, в обязательном порядке, обеспечивающим те же характеристики порошка по структуре и фазовому составу.

Предпочтительно при приготовлении шихты использовать 5-15 масс. % наноразмерного компонента BaTiO3, вводимого в порошок с микронным размером частиц. При этом достигаются наиболее высокие значения диэлектрической проницаемости и низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь изготовленной керамики при наиболее выраженной стабильности этих свойств в диапазоне частот приложенного электромагнитного поля 100 Гц — 1 МГц. Вне указанного диапазона содержания наноразмерного компонента наблюдается нежелательное изменение диэлектрической проницаемости с частотой вследствие возможной неоднородности микроструктуры керамики.

Смесь порошков подвергают совместному помолу в течение времени, достаточного для достижения оптимальной равномерности распределения в объеме основного микронного порошка частиц нанометрического порошка и достижения равномерной дисперсности смеси.

После чего в шихту вводят парафин в количестве 3 масс. % на массу шихты в качестве временного ТС. Экспериментально установлено, что при использовании парафина в качестве связующего происходят главным образом объемная диффузия и диффузия по границам зерен, сопровождающиеся изменением формы и размера пор и общим снижением пористости и значительное уплотнение достигается уже при 1250°С.

Парафин вводят путем растворения его в четыреххлористом углероде CCl4 и последующего перемешивания шихты в данном растворе при нагревании до полного испарения CCl4 или каким-либо другим известным целесообразным образом.

Образцы керамики формуют в виде дисков методом полусухого одноосного прессования при давлении 40-100 МПа. Затем образцы подвергают термической обработке в корундовой засыпке с целью удаления временного технологического связующего, которую проводят при 300°С со скоростью 50°/ч, выдержкой при конечной температуре 4 ч и последующим охлаждением до комнатной температуры. Охлажденные образцы отделяют от засыпки, помещают на корундовую подложку и подвергают обжигу при 1250-1350°С со скоростью нагрева 200°/ч и выдержкой при конечной температуре 1 ч. Далее охлаждение проводят в течение 12 ч. до комнатной температуры.

Где: X — содержание наноразмерного компонента, Рформ — давление формования; T1 — температура обработки для удаления парафина; Т2 — температура обжига; ρотн — относительная плотность образцов керамики, tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь.

Навеску 9,00 г микронного порошка титаната бария смешивали с 1,00 г нанометрического титаната бария, что соответствует соотношению компонентов 90,0:10,0 масс. %, подвергали совместному помолу в планетарной мельнице в течение 30 минут с частотой 200 об./мин. при массовом соотношении (порошковая смесь : изопропиловый спирт : мелющие тела)=1:1:2. Затем в полученную шихту вводили парафин в качестве временного ТС в количестве 3 масс. % на массу шихты путем растворения его в четыреххлористом углероде CCl4 и последующем перемешивании шихты в данном растворе при нагревании до полного испарения CCl4. Формование проводили методом статического одноосного двустороннего прессования при величине давления 40 МПа. В результате получили образец в виде диска диаметром 13 мм и высотой 3 мм. После формования образец подвергали термической обработке в корундовой засыпке с целью удаления ТС, которую проводили при 300°С со скоростью нагрева 50°/ч. и выдержкой при конечной температуре 4 ч., охлаждение вели со скоростью 25°/ч до комнатной температуры в течение 12 ч. После охлаждения образец отделили от засыпки, поместили на корундовую подложку и подвергли обжигу при 1300°С при скорости нагрева 200°С/ч., выдержке при конечной температуре 1 ч. и скорости охлаждения до комнатной температуры 100°/ч. Полученный образец керамики имел относительную плотностью 95,7%. Затем образец отполировали, нанесли на его основания серебряные электроды и измерили его емкость и диэлектрические потери. Рассчитанная из этих данных диэлектрическая проницаемость составила 1853 на частоте 100 Гц, 1814 на частоте 1 кГц, 1723 на частоте 100 кГц, 1666 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,024.

Размерное распределение частиц порошков определяли методом лазерной дифракции на анализаторе Analysette 22 NanoTec (Fritsch GmbH, Германия). Внесение наноразмерного порошка, синтезированного в среде сверхкритического водного флюида, в порошок, синтезированный твердофазным методом, проводили путем смешивания этих компонентов в планетарной мельнице Pulverisette 6 (Fritsch GmbH, Германия). Термообработку отформованных образцов проводили в электропечи сопротивления Nabertherm НТС 03/15 (Nabertherm GmbH, Германия). Анализ методом просвечивающей электронной микроскопии проводили с помощью микроскопа JEOL JEM-1011, методом сканирующей электронной микроскопии — с помощью микроскопа JSM-6390LA (JEOL Ltd., Япония). Гидростатическое взвешивание образцов керамики проводили на весах AND GH — 300 (A&D Ltd., Япония). Расчет диэлектрической проницаемости и нахождение тангенса угла диэлектрических потерь проводили на основании результатов емкостных измерений с металлизированными образцами полученной керамики на прецизионном измерителе LCR Agilent Е 4980 А.

Навеску, 9,85 г микронного порошка титаната бария смешивали с 0,15 г нанопорошка титаната бария, состоящего из частиц размером 50-100 нм, со средним размером 80 нм (содержание наноразмерного компонента 1,5 масс. %). По методике, представленной в Примере 1, был изготовлен образец керамики, с относительной плотностью 81,3%. Диэлектрическая проницаемость образца составила 1443 на частоте 100 Гц, 1250 на частоте 1 кГц, 1142 на частоте 100 кГц, 1103 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,231.

Навеску 9,75 г микронного порошка титаната бария смешивали с 0,25 г нанометрического титаната бария (содержание наноразмерного компонента 2,5 масс. %). По методике, представленной в Примере 1, был изготовлен образец керамики с относительной плотностью 83,0%. Диэлектрическая проницаемость составила 1867 на частоте 100 Гц, 1678 на частоте 1 кГц, 1498 на частоте 100 кГц, 1442 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,082.

Навеску 9,50 г микронного порошка титаната бария смешивали с 0,50 г нанометричесмкого титаната бария (содержание наноразмерного компонента 5,0 масс. %). По методике, представленной в Примере 1, был изготовлен образец керамики с относительной плотностью 89,4%. Диэлектрическая проницаемость составила 1629 на частоте 100 Гц, 1581 на частоте 1 кГц, 1492 на частоте 100 кГц, 1441 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,025.

Навеску 8,50 г микронного порошка титаната бария, смешивали с 1,50 г нанометрического титаната бария (содержание наноразмерного компонента 15,0 масс. %). По методике, представленной в Примере 1, был изготовлен образец керамики с относительной плотностью 92,4%. Диэлектрическая проницаемость составила 1724 на частоте 100 Гц, 1557 на частоте 1 кГц, 1436 на частоте 100 кГц, 1386 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,134. Несмотря на величину последнего показателя (превышающего стандартный) такая керамика применима для изделий с достаточно высокой требовательностью к плотности и диэлектрической проницаемости, для которых частотная зависимость tgδ не является существенной.

Навеску 7,50 г микронного порошка титаната бария, смешивали с 2,50 г нанометрического титаната бария (содержание наноразмерного компонента 25,0 масс. %). По методике, представленной в Примере 1, был изготовлен образец керамики с относительной плотностью 88,0%. Диэлектрическая проницаемость составила 2110 на частоте 100 Гц, 1836 на частоте 1 кГц, 1674 на частоте 100 кГц, 1616 на частоте 1 МГц. Тангенс угла потерь в этом диапазоне частот не превышал 0,183.

Приведенные примеры (см. таблицу) наглядно показывают преимущества введения полученного методом синтеза в среде сверхкритического водного флюида нанопорошка титаната бария с узким размерным распределением и округлой формой частиц в шихту более крупного микронного титаната бария. Благодаря повышенной плотности керамики на основе шихты с содержанием 5-15 масс. % наноразмерного компонента были достигнуты наибольшие значения диэлектрической проницаемости (не менее 1440) при низких диэлектрических потерях (не более 0,025), мало изменяющиеся в диапазоне частот приложенного поля от 100 Гц до 1 МГц.

1. Способ получения керамики на основе титаната бария, включающий подготовку шихты путем смешивания исходных компонентов в виде двух порошков титаната бария BaTiO3 различной дисперсности, взятых в определенном соотношении, при котором первый составляющий основу шихты компонент имеет микрометрический размер частиц, а второй (дополнительный) — нанометрический размер частиц, а также формование шихты и обжиг отформованных заготовок при температуре 1250-1350°С, осуществляемый в установленном режиме нагрева/охлаждения и изотермической выдержки, отличающийся тем, что в нем при подготовке шихты в качестве первого (основного) компонента берут порошок титаната бария BaTiO3 со средним размером частиц 1,8 мкм, полученный методом твердофазного синтеза из эквимолярной смеси карбоната бария и диоксида титана, и в качестве второго (дополнительного) компонента — порошок титаната бария BaTiO3 со средним размером частиц 80 нм, полученный методом синтеза эквимолярной смеси оксида бария и диоксида титана в среде сверхкритического водного флюида, при этом основной и дополнительный исходные компоненты берут в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0) соответственно и проводят их совместный помол в течение времени, достаточного для достижения оптимальной равномерности распределения в объеме основного компонента частиц дополнительного компонента, и при этом формование шихты ведут полусухим одноосным прессованием при давлении 40-100 МПа в присутствии временного, удаляемого до проведения обжига технологического связующего в виде парафина в количестве 3 масс. % на массу шихты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что парафин вводят путем растворения его в четыреххлористом углероде CCl4 и перемешивания шихты в этом растворе при нагревании до полного испарения CCl4.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление парафина обеспечивают путем предварительного прокаливания отформованной шихты при 300°С со скоростью нагрева 50°С/ч и выдержкой при конечной температуре 4 часа.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совместный помол порошков ведут в планетарной мельнице в течение 30 минут с частотой 200 об/мин при массовом соотношении порошковая смесь : изопропиловый спирт : мелющие тела 1:1:2.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обжиг ведут при температуре 1300°С со скоростью нагрева 200°С/ч и выдержкой при конечной температуре 1 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры.

ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ

XV международная конференция, 8 — 11 июня 2020, Санкт-Петербург, Россия

Итоги проведения конференции (2020)

В работе конференции приняли участие 158 человек. В программу было включено 246 докладов (109 произносимых, 137 стендовых). На секциях были представлены доклады участников из следующих стран: Азербайджан, Болгария, Бразилия, Германия, Казахстан, Республика Беларусь, США, Франция, Швейцария, Швеция, Россия.

По результатам работы конференции вынесено следующее решение.

Фотографии с открытия конференции

Важная информация

Адрес оргкомитета

191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, РГПУ им. А.И. Герцена, кафедра общей и экспериментальной физики, проф. Ю.А. Гороховатскому

Ученые придумали новый диэлектрик-«невидимку»

МОСКВА, 25 ноя — РИА Новости. Ученые Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского (КФУ) рассчитали свойства искусственного диэлектрика, который сможет поглощать электромагнитное излучение в различных диапазонах. Результаты исследования опубликованы в журнале «Journal of Communications Technology and Electronics».Радиопоглощающие материалы применяют в военной сфере, чтобы сделать самолеты и другую технику «невидимой» для радиолокатора. Их также используют для покрытия изнутри специальных помещений – «безэховых камер», предназначенных для испытаний радиоизлучающих устройств. Находят применение эти материалы и в других целях – в технике сверхвысоких частот.Требования к качеству радиопоглощающих покрытий постоянно возрастают. Уровень поглощения электромагнитного излучения зависит от диэлектрической проницаемости. «Естественные» материалы не всегда имеют необходимую проницаемость, поэтому на практике широко применяются искусственные композиционные материалы. Например, частички железа или короткие отрезки тонкого провода, намешанные в отвердевший пластик.

«Совместно с Игорем Михайловичем Лагуновым мы построили теорию искусственного диэлектрика на основе тонких проводящих квадратиков, распределенных в связующей среде. Расчет характеристик такого композита показал его применимость в качестве эффективного радиопоглотителя», — прокомментировал профессор кафедры экспериментальной физики Физико-технического института КФУ Владимир Пономаренко.

Как отмечает Пономаренко, исследование проведено на основе разработанного нового метода решения задач дифракции на периодических структурах, с применением математических вычислительных методов и компьютерного моделирования. Численные расчеты показали, что при одной и той же толщине радиопоглотитель на основе резистивных квадратов имеет почти вдвое меньший уровень отражения в широком диапазоне частот по сравнению с известным аналогом.© Фото : Андрей Черногородов / Пресс-служба Крымского федерального университетаВладимир Пономаренко и Игорь Лагунов

© Фото : Андрей Черногородов / Пресс-служба Крымского федерального университетаВладимир Пономаренко и Игорь ЛагуновПо мнению ученых, результаты исследования открывают возможности для создания новых, более совершенных радиопоглощающих покрытий с малым удельным весом для военной техники, безэховых камер и других применений. По словам Пономаренко, за счет масштабирования структур диэлектрика можно менять диапазон его радиопоглощения.

Следующий этап – разработка технологии изготовления радиопоглощающих материалов и создание образцов для специальных производственных предприятий.

Ученые придумали новый диэлектрик-«невидимку»

Ученые Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского (КФУ) рассчитали свойства искусственного диэлектрика, который сможет поглощать электромагнитное излучение в различных диапазонах. Результаты исследования опубликованы в журнале «Journal of Communications Technology and Electronics».

Радиопоглощающие материалы применяют в военной сфере, чтобы сделать самолеты и другую технику «невидимой» для радиолокатора. Их также используют для покрытия изнутри специальных помещений — «безэховых камер», предназначенных для испытаний радиоизлучающих устройств. Находят применение эти материалы и в других целях — в технике сверхвысоких частот.

Требования к качеству радиопоглощающих покрытий постоянно возрастают. Уровень поглощения электромагнитного излучения зависит от диэлектрической проницаемости. «Естественные» материалы не всегда имеют необходимую проницаемость, поэтому на практике широко применяются искусственные композиционные материалы. Например, частички железа или короткие отрезки тонкого провода, намешанные в отвердевший пластик.

«Совместно с Игорем Михайловичем Лагуновым мы построили теорию искусственного диэлектрика на основе тонких проводящих квадратиков, распределенных в связующей среде. Расчет характеристик такого композита показал его применимость в качестве эффективного радиопоглотителя», — прокомментировал профессор кафедры экспериментальной физики Физико-технического института КФУ Владимир Пономаренко.

Как отмечает Пономаренко, исследование проведено на основе разработанного нового метода решения задач дифракции на периодических структурах, с применением математических вычислительных методов и компьютерного моделирования. Численные расчеты показали, что при одной и той же толщине радиопоглотитель на основе резистивных квадратов имеет почти вдвое меньший уровень отражения в широком диапазоне частот по сравнению с известным аналогом.

По мнению ученых, результаты исследования открывают возможности для создания новых, более совершенных радиопоглощающих покрытий с малым удельным весом для военной техники, безэховых камер и других применений. По словам Пономаренко, за счет масштабирования структур диэлектрика можно менять диапазон его радиопоглощения.

Следующий этап — разработка технологии изготовления радиопоглощающих материалов и создание образцов для специальных производственных предприятий.

Видео дня. Любимого сына Елизаветы II подозревают в педофилии

Каждый электрик должен знать:  Двигатели для привода станков-качалок производства ОАО «ВЭМЗ»
Добавить комментарий