Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Неорганические твердые диэлектрики

Большинство неорганических твердых диэлектриков имеют ионно-кристаллическое строение, отличаются высокой нагревостойкостью и электрической прочностью.

Слюда

Слюда - минерал ионно-кристаллического строения, обладающий способностью расщепляться на пластины. По химическому составу слюда представляет собой водные алюмосиликаты. Основные диэлектрические характеристики слюды:

- ε = 5…7;

- tgδ = (5…50). 10^-4;

- ρ = 10¹³ Ом·м;

- Е пр = 12 МВ/м.

Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: температура начала резкого ухудшения свойств составляет 700...900°С. Слюда применяется для конденсаторов, штампованных деталей электронных и осветительных ламп, для изоляции коллекторных пластин электрических машин.

Стекла

Стекла - материалы аморфного строения, состоящие из оксидов различных элементов. В качестве стеклообразующих оксидов используются SiO₂, B₂O₃, Al₂O₃, P₂O₅. Наибольшее распространение получили силикатные стекла на основе двуокиси кремния SiO₂, благодаря химической стойкости, дешевизне и доступности сырья.

При охлаждении расплава имеются две характерные точки: температура текучести Т _т, выше которой стекло проявляет текучесть, и температура стеклования Т _с, ниже которой проявляется хрупкость стекла. Для большинства силикатных стекол Т _т = 900...700 °С, Т _с=600...400°С. Интервал температур между Т _т и Т _с называют интервалом размягчения, когда стекло обладает пластичными свойствами.

Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло.

Формовку изделий осуществляют путем выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, прокатки, отливки и т.д. Изготовленные изделия подвергают отжигу для снятия внутренних напряжений. При отжиге изделие нагревают до 300...400°С и медленно охлаждают.

Группы силикатных стекол:

- щелочные стекла - это большинство обычных стекол, в которых помимо стеклообразующих оксидов содержатся оксиды щелочных металлов (Na₂O, K₂O), понижающие интервал размягчения стекла. Они отличаются пониженными электрическими свойствами, невысокой нагревостойкостью, но легко обрабатываются;

- бесщелочные стекла не содержат оксидов щелочных металлов. Стекла данной группы обладают более высокой нагревостойкостью и высокими электрическими свойствами;

- щелочные стекла с добавлением оксидов тяжелых металлов (PbO, BaO и др.) удовлетворительно обрабатываются, а по электрическим свойствам приближаются к бесщелочным стеклам.

Стекла - это неорганические диэлектрики с ионным типом поляризации. По механическим свойствам они обладают высокой прочностью на сжатие, но малой прочностью на растяжение, твердостью в сочетании с хрупкостью. Оптические свойства стекол характеризуются прозрачностью, коэффициентом преломления и т.д. Их электрические свойства зависят от состава и меняются в следующих пределах:

- ε = 3,8…16;

- tgδ = (1…100). 10^-4;

- ρ = 10⁶...10¹⁶ Ом·м;

- Е _пр = 30...150 МВ/м.

Наилучшими характеристиками обладает кварцевое стекло - материал на основе чистой двуокиси кремния SiO₂. Его получают при температуре выше 1700°С. Стекломасса обладает очень узким интервалом размягчения и даже при температурах выше 1700°С имеет высокую вязкость. Основу микроструктуры кварцевого стекла составляют кремний-кислородные тетраэдры [SiO₄]^4- (рис. 27), которые, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. В принципе, кварцевое стекло можно рассматривать как неорганический пространственный полимер.

Рис. 27. Кремний-кислородный тетраэдр [SiO₄]^4- микроструктуры кварцевого стекла

Свойства кварцевого стекла:

- высокие механические свойства (σ_сж = 2500 МПа, σ_раст = 60 МПа, что в 4-5 раз выше, чем у остальных стекол),

- высокая нагревостойкость (до 1000°С);

- низкий температурный коэффициент линейного расширения (α _l = 0,01 ^. 10^-6 К^-1),

- высокая химическая инертность;

- высокая прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра до λ = 4 мкм, радиопрозрачность.

Кварцевое стекло находит широкое применение во многих областях техники: в производстве лабораторной посуды (реакторы, тигли, лодочки, ампулы и т.д.), оптических линз, призм, баллонов ламп ультрафиолетового излучения, стабилизаторов частот и т.д.

Применение стекол:

Электровакуумное стекло применяется для изготовления баллонов и других деталей электровакуумных приборов. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (B₂O₃+SiO₂) или алюмосиликатных (Al₂O₃+SiO₂) с добавками щелочных оксидов. Для них важное значение имеет температурный коэффициент линейного расширения, который должен быть близок к α _l соответствующего металла. Электровакуумные стекла подразделяются на:

- платиновые - α _l = (8,5…9,2). 10^-6 К^-1;

- молибденовые - α _l = (4,6…5,2). 10^-6 К^-1;

- вольфрамовые - α _l = (3,5…4,2). 10^-6 К^-1.

Изоляторные стекла используются для герметизации вводов в металлических корпусах различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов, и др.). Для таких проходных изоляторов в полупроводниковых приборах применяют щелочное силикатное стекло.

Цветные стекла - обычные силикатные стекла с добавками, придающими стеклам соответствующую окраску: CaO - синюю, Cr₂O₃ - зеленую, MnO₂ - фиолетовую и коричневую, UO₃ - желтую, что используется при изготовлении светофильтров, эмалей и глазурей.

Лазерные стекла применяются в качестве рабочего тела в твердых лазерах. Центрами излучения являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектрической, прозрачной матрице. Наиболее часто применяют баритовый крон (BaO-K₂O-SiO₂), активированный ионами неодима Nd₃+.

Преимущество лазерных стекол перед монокристаллами - оптическая однородность, изотропность свойств, высокая технологичность, низкая теплопроводность, что важно для генерации импульсов высокой мощности.

Стекловолокно получают из расплавленной стекломассы вытяжкой через фильеру с быстрой намоткой на вращающийся барабан (d = 4...7 мкм). Из стекловолокна методом текстильной технологии ткут ткани, ленты, делают шланги. Преимущества стекловолокнистой изоляции состоят в высокой нагревостойкости, значительной прочности, малой гигроскопичности и хороших электроизоляционных свойствах.

Световоды используются в оптоэлектронике для передачи различной информации от источника к приемнику с помощью тончайших волокон. Отдельные волокна соединяются в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Чтобы предотвратить прохождение света из одного волокна в другое их покрывают светоизолирующей оболочкой из стекла с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Тогда световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевина), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (оболочка) под углом больше предельного, будет испытывать многократное полное внутреннее отражение и пойдет вдоль волокна практически без потерь энергии.

Специальные технологические приемы (осаждение пленок на подложку, ионное легирование, ионный обмен) позволяют изготовлять плоские световоды, которые являются основой оптических интегральных схем.