Матведответ

изделия благодаря большой текучести полиимндов, малая объемная усадка и стабильность свойств при переработке.

1.1.1.1.1.1.1.1.6064. Синтетические лаки, эмали и компаунды.

Лаки представляют собой коллоидные растворы каких-либо пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях.

К пленкообразующим веществам относятся смолы, растительные масла и др. В качестве растворителей пленкообразующих веществ применяют легкоиспаряющиеся (летучие) жидкости: бензин, толуол, спирты, ацетон и др. В состав лака могут еще входить пластификаторы и сиккативы. Пластификаторы – вещества, придающие лаковой пленке эластичность; к ним относятся касторовое масло, жирные кислоты льняного масла

идр. Сиккативы представляют собой жидкие или твердые вещества, вводимые в некоторые лаки, чтобы ускорить их высыхание.

По своему назначению электроизоляционные лаки делятся на пропиточные, покровные и клеящие. Пропиточные лаки применяют для пропитки обмоток в электрических машинах и аппаратах с целью цементации (соединения) витков обмотки друг с другом, а также с целью устранения пористости в изоляции обмоток. Пропиточный лак, проникая в поры изоляции обмоток, вытесняет оттуда воздух и после своего отвердевания делает обмотку влагостойкой. При этом повышается электрическая прочность изоляции обмотки

иее коэффициент теплопроводности. Одной из главных характеристик пропиточных лаков является их пропитывающая способность. Чем меньше вязкость лака, тем больше его пропитывающая способность. К пропиточным лакам относятся лаки БТ-980, БТ-988, БТ-987 (черные масляно-битумные пропиточные лаки горячей сушки), лаки КО-964 и КО-923 (пропиточные лаки с высокой нагревостойкостью и водостойкостью). Покровные лаки применяют для создания на поверхности уже пропитанных обмоток влагостойких или маслостойких лаковых покрытий. К покровным лакам также относятся эмальлаки, применяемые для эмалирования обмоточных проводов, а также лаки, применяемые для изоляции листов электротехнической стали и других деталей. (152, ГФ-95 , МЛ-2).

Клеящие лаки применяют для склеивания различных электроизоляционных материалов: листочков слюды (в производстве слоистой слюдяной изоляции), керамики, пластмасс и др. Основное требование, предъявляемое к лакам, состоит в том, чтобы эти лаки обладали хорошим прилипанием (адгезией) и образовывали бы прочный шов.

Все лаки по способу сушки делятся на две группы: лаки воздушной (холодной) и лаки печной (горячей) сушки. У лаков воздушной сушки отвердевание пленки лака происходит при комнатной температуре. К ним относятся шеллачные, эфироцеллюлозные и некоторые другие.

У лаков печной сушки отвердевание пленки возможно лишь при температурах значительно выше комнатной (от 100°С и выше). В лаках печной сушки применяют термореактивные пленкообразующие вещества (глифталевые, резальные и другие смолы), отвердевание которых обусловлено процессами полимеризации, требующие повышенных температур. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими механическими и электрическими характеристиками.

Электроизоляционные эмали представляют собой лаки с введенными в них мелкораздробленными веществами - пигментами, в качестве которых применяют неорганические вещества, преимущественно оксиды металлов (оксид цинка, железный сурик и др.). Электроизоляционные лаки являются покровными материалами. Ими покрывают лобовые части обмоток электрических машин и аппаратов с целью защиты их от смазочных масел, влаги и других воздействий. Основой многих электроизоляционных эмалей являются масляно-глифталевые лаки, характеризующиеся высокой клеящей способностью и повышенной нагревостойкостью. На масляно-глифталевых лаках изготавливают эмали нескольких марок: СПД - эмаль горячей сушки (105°С), покрытия из этой эмали имеют серый цвет и обладают стойкостью к минеральным маслам и к электрическим искрам; СВД - эмаль холодной сушки, образует покрытия серого цвета, стойкие к минеральным маслам; КВД ~ эмаль холодной сушки, образует покрытия красно-коричневой окраски, стойкие к электрическим дугам. Эмали на эпоксидных лаках отличаются хорошим прилипанием (адгезией) и повышенной нагревостойкостью (до 155°С). Большой интерес представляют электроизоляционные эмали на основе кремний-органических лаков, отличающиеся очень высокой нагревостойкостью (до 180-200°С).

Компаунды - это электроизоляционные составы, изготовляемые из нескольких исходных веществ: смол, битумов. В момент применения компаунды представляют собой жидкости, которые постепенно отвердевают,

превращаясь в монолитный твердый диэлектрик. В отличие от лаков и эмалей компаунды не содержат летучих растворителей. При сушке слоя лака растворители испаряются и, улетучиваясь, образуют в пленке лака сквозные поры и капилляры. Это приводит к снижению влагостойкости изоляции, пропитанной лаком. Отсутствие в компаундах растворителей обеспечивает монолитность компаунду после его отвердевания. Согласно своему назначению компаунды разделяются на пропиточные, заливочные и обмазочные. Пропиточные компаунды применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью цементации витков обмотки и защиты их от влаги; заливочные - для заливки полостей (свободных пространств) в кабельных муфтах и воронках, а также в корпусах электрических аппаратов -трансформаторах тока, дросселей и т.п.

Компаунды могут быть термореактивными материалами, не способными размягчаться после своего отвердевания, или термопластичными, могущими размягчаться при последующем нагреве. К термопластичным относятся компаунды на основе битумов. воскообразных диэлектриков (парафин, церезин), термопластичных полимеров (полистирол и др.). Например, для пропитки обмоток электрических машин широко применяется битумный пропиточный компаунд № 225, который получают в результате сплавления битума, канифоли и льняного масла, взятых в определенном соотношении. В твердом состоянии компаунд № 225 представляет собой массу твердого цвета с блестящей поверхностью. Основные характеристики компаунда № 225: плотность 950 кг/м3, температура размягчения 98 – 112 °С, холодостойкость -25°С, v = 1010-1012 Ом·м; ЕПР = 18-20 МВ/м. Из заливочных битумных компаундов наиболее широкое применение получили компаунды МБ-70; МБ-90; МБМ-1 и МБМ-2. Первые два компаунда изготовляют на основе нефтяных битумов, взятых в разных соотношениях. Последние два изготовляют на основе битумов, но. для повышения их холодостойкости в них вводится еще трансформаторное масло.

Большой практический интерес представляют термореактивные компаунды. К ним относятся компаунды МБК, являющиеся одновременно пропиточными и заливочными, компаунды на основе эпоксидных смол и др. Компаунды МБК изготовляют на основе эфиров метакриловой кислоты с введенными в них отвердителями, пластификаторами или без них. В отвердевшем виде компаунды МБК имеют следующие основные характеристики: v = 1011-1024 Ом·м; = 3,2–5,2; tg = 0,03–0,09; ЕПР = 10-15 МВ/м.

Основные характеристики эпоксидных отвержденых компаундов: плотность 1200 - 1700 кг/м3, v = 1012-1013

Ом·м; = 3,8–5,0; tg = 0,02-0,05; ЕПР = 10-25 МВ/м.

1.1.1.1.1.1.1.1.6165. Бумаги и картоны

Из древесины хвойных пород (ель, сосна) путем ее химической переработки получают целлюлозу, или клетчатку, которая является сырьем для изготовления различных электроизоляционных бумаг и картонов. Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные и крепированные.

Кабельная бумага составляет основную изоляцию кабелей высокого напряжения. ЕЕ после намотки на кабель пропитывают электроизоляционным маслом. При намотке на кабельную жилу ленты из бумаги подвергают механическому натяжению. Поэтому кабельная бумага должна обладать достаточно высокой механической прочностью при растяжении. Кроме того, в готовом кабеле в процессе его укладки намотанная бумага может подвергаться изгибам и поэтому должна обладать значительной прочностью на перегибы. Кабельные бумаги, маркируемые буквами К (К-080, К-120) и КВ (КВ-030, КВ-045), выпускаются двухслойными, а бумаги, маркируемые буквами КМ (КМ-120, КМ-170), состоят из трех и четырех слоев. Цифры показывают толщину бумаги в микронах. Многослойные бумаги по сравнению с двухслойными обладают большей гибкостью, эластичностью и имеют меньшую воздухопроницаемость, а, следовательно, и большую электрическую прочность.

Конденсаторная бумага, пропитанная жидким диэлектриком, применяется в бумажных конденсаторах. После пропитки нефтяным конденсаторным маслом прочность конденсаторных бумаг повышается и находится в пределах от 250 до 300 МВ/м. Конденсаторные бумаги содержат минимальное количество токопроводящих частиц (неметаллических и др.), что обеспечивает высокий уровень электрических характеристик. Пропиточная бумага предназначается для изготовления слоистой электроизоляционной пластмассы - гетинакса.

Намоточная бумага применяется для изготовления электроизоляционных намоточных изделий: цилиндров и изоляционных трубок для трансформаторов и электрических аппаратов. Для изготовления электроизоляционных цилиндров бумага должна быть покрыта электроизоляционным лаком с одной стороны. Микалентная бумага применяется для изготовления гибкой слюдяной ленты, для чего на полотно микалентной бумаги наклеивают листочки слюды. Микалентная бумага должна обеспечивать гибкость микаленты, повышать ее механическую прочность на разрыв и быть одновременно тонкой, чтобы не снижать электрических характеристик микаленты. Чтобы была возможна хорошая и быстрая пропитка лаками, эта бумага должна также обладать большой пористостью.

Крепированная бумага применяется для изолирования отводов и мест соединений в обмотках трансформаторов и других маслонаполненных электрических аппаратах. Эта бумага на поверхности имеет креп (гофрировку), нанесенный перпендикулярно направлению полотна бумаги. Благодаря этому крепированная бумага обладает гибкостью и хорошо растягивается в продольном направлении (удлинение 60%), что позволяет надежно изолировать отводы обмоток и сильно изогнутые соединительные провода, например в трансформаторах.

Элетроизоляционные картоны изготовляют тем же способом, что и бумаги, но они имеют большую толщину (от 0,1 до 6,0 мм). Картоны, предназначенные для работы на воздухе, изготовляют из смеси целлюлозы и хлопкового волокна. Они проходят дополнительную обработку стальными вальцами для уплотнения и полировки. В некоторые из картонов вводят клеящие вещества на основе канифоли и крахмала с целью уменьшения гигроскопичности и получения более плотной структуры. Плотность картонов для работы на воздухе составляет 950 - 1250 кг/м3, разрушающее напряжение при растяжении (8,5-13)·105 Н/м2, электрическая прочность изменяется от 8 до 13 МВ/м, в зависимости от толщины. Картоны, применяемые в маслонаполненных машинах и аппаратах (трансформаторах и др.), изготовляют из смеси сульфатной целлюлозы и хлопкового волокна без дополнительной обработки на вальцах они имеют несколько рыхлую структуру, поэтому хорошо пропитываются маслом. Их плотность 900-1200 кг/м3, разрушающее напряжение при растяжении (4-б)·105 Н/м2 (в поперечном направлении), электрическая прочность в пропитанном виде

38 - 60 МВ/м.

1.1.1.1.1.1.1.1.6266. Слоистые пластмассы – материалы для печатных плат.

Слоистые пластмассы представляют собой материалы со слоистой структурой. Эти пластмассы состоят из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага, хлопчатобумажная или стеклянная ткань) и связующего вещества. Наиболее широко применяются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

Гетинакс - листовой слоистый материал, в котором наполнителем являются листы пропитанной бумаги толщиной 0,10-0,12 мм. Процесс производства гетинакса заключается в пропитке бумаги бакелитовыми лаками и последующей разрезке ее на листы определенных размеров. Гетинакс используют для изготовления разного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований. Он легко поддается механической обработке - режется, пилится, сверлится. Основные характеристики гетинакса: v = 108-109 Ом·м; = 6-8; tg = 0,04-0,08; ЕПР = 5-25 МВ/м.

Текстолит отличается от гетинакса тем, что наполнителем в нем является хлопчатобумажная ткань. Текстолит выпускается марок А, Б и Г— на основе бязи и миткаля и марки ВЧ (для высоких частот) — на шифоне. Электрические характеристики текстолита несколько ниже по сравнению с гетинаксом, однако, у текстолита выше сопротивление раскалыванию (вдоль слоев) и ударная вязкость. Текстолит легче поддается механической обработке, но следует учитывать, что он значительно дороже гетинакса. Основные характеристики текстолита

(низкочастотного): v = 107-109 Ом·м; = 6-7; tg = 0,04-0,08; ЕПР = 12-20 МВ/м.

Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что наполнителем в нем является электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Он обладает повышенной влагостойкостью и нагревостойкостью и лучшими электрическими и механическими характеристиками по сравнению с текстолитом и гетинаксом, но хуже обрабатывается. Стеклотекстолит изготовляют нескольких марок: СТ — на основе бесщелочных тканей со связующим – фенолформальдегидной смолой, СТЭФ и СТЭФ-1 на смеси эпоксидной и кремнийорганической

смол, СТК — кремнийорганическом связующем. Основные характеристики стеклотекстолита СТ: v = 109-1010

Ом·м; = 5-7; tg = 0,07-0,09; ЕПР = 12-20 МВ/м; СТЭФ, СТЭФ-1: v = 1011-1012 Ом·м; = 5-6; tg = 0,006-0,012; ЕПР = 18-30 МВ/м; СТК: v = 1011-10124 Ом·м; = 6 – 7; tg = 0,008-0,014; ЕПР = 15-25 МВ/м.

Кроме описанных слоистых пластмасс в виде листов изготовляют также слоистые намотанные электроизоляционные изделия в виде цилиндров, трубок, прессованных стержней и различных фасонных деталей. Дпя этих изделий применяют бумагу, покрытую с одной стороны клеящим лаком, а также лакированные хлопчатобумажные и стеклянные ткани.

1.1.1.1.1.1.1.1.6367. Слюдяные материалы

Слюда – природный минерал с характерным слоистым строением, позволяющим расщеплять кристаллы слюды на тонкие листочки толщиной до 0,006 мм. Тонкие листочки слюды обладают гибкостью, они упруги и имеют большое разрушающее напряжение при растяжении. Склеивая листочки слюды клеящими смолами или лаками, получают твердую (миканиты) или гибкую (микаленты) слюдяную изоляцию для обмоток электрических машин. Из довольно большой группы природных слюд в качестве электроизоляционных материалов применяют только мусковит и флогопит, так как они отличаются хорошей расщепляемостью и хорошими электрическими характеристиками.

Мусковит – калиевая слюда. Цвет кристаллов мусковита преимущественно серебристый, иногда с зеленоватым или красноватым оттенком. Тонкие листочки (0,05-0,06 мм) этой слюды прозрачны. Мусковит обладает химической стойкостью: на него не действует ни один из растворителей и щелочей, Серная и соляная кислота разлагают мусковит только при нагревании.

Основные характеристики мусковита: плотность 2700 – 3000 кг/м3, v = 1012 – 1014 Ом·м; = 6 – 8; tg = 0,0003- 0,0005; ЕПР = 120-190 МВ/м (при толщине листочков 0,01мм).

Флогопит — калиево-магнезиальная слюда. Цвет кристаллов флогопита изменяется от черного до янтарного. Тонкие (0,006-0,01 мм) листочки слюды флогопита полупрозрачны. Они имеют меньшее разрушающее напряжение при растяжении и менее упруги по сравнению со слюдой мусковит. Флогопит обладает и меньшей химической стойкостью. Основные характеристики флогопита: v = 1011-1013 Ом·м; = 5-7; tg =0,002-0,008; ЕПР = 95-180 МВ/м (при толщине листочков 0,01мм).

Миканиты — твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков слюды с помощью клеящих смол (шелачной, глифталевой и др.) или лаков на основе этих смол. Для этого листочки природной слюды раскладывают на столах в один слой, сбрызгивают клеящим лаком, накладывают второй слой и тоже сбрызгивают лаком и так далее, пока не будет набран лист требуемой толщины. Полученный лист подвергается прессованию.

Микалента - рулонный материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Микаленту получают наклеиванием в один слой листочков слюды на тонкую (0,02-0,03) микалентную бумагу или стеклянную ткань. Миканиты и микаленты используют для изоляции вращающихся электрических машин. Кроме того, большое значение имеет применение слюды в радиотехнике и электронике. Следует отметить конденсаторную слюду – прямоугольные пластинки мусковита, применяемые в качестве диэлектрика в слюдяных конденсаторах; телевизионную слюду – прямоугольные пластинки мусковита, образующие диэлектрическую основу фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках; слюдяные детали для электронных приборов – штампованные фасонные детали (пластинки сложных очертаний с отверстиями), служащие для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных лампах и других электронных приборах.

1.1.1.1.1.1.1.1.6468. Электроизоляционная керамика

Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд и др.) Все электрокерамические материалы по назначению делят на три группы: изоляторная, конденсаторная и сегнетоэлектрическая керамика. Все электрокерамические материалы негигроскопичны и атмосферостойкие.

Электрокерамический фарфор является одним из широко применяемых электрокерамических материалов. Из него изготовляют различные конструкции изоляторов высокого и низкого напряжения. Исходная электрофарфоровая масса состоит из глинистых веществ (42 - 50%), кварца (20 - 25%), калиевого полевого шпата (22 - 30%) и измельченных бракованных фарфоровых изделий (5 - 8%). Для изготовления изоляторов из тестообразной массы в измельченные компоненты вводят 20 —22% воды. После этого тестообразную фарфоровую массу подвергают вакуумной обработке с целью извлечения из нее воздушных включений. После этого формируют изоляторы прессованием в гипсовых или стальных формах. Затем изделия подвергают сушке,

покрывают их жидкой глазурной суспензией (глазурью) и проводят обжиг. Основные характеристики электрофарфора: плотность 2300 - 2500 кг/м3, v = 1011-1012 Ом·м; = 6-7; tg = 0,025-0,03 (при 50 Гц); ЕПР = 30-32 МВ/м.

Стеатит - другой электрокерамический материал. Он отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 250°С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от температуры 100°С. Стеатит материал более дорогой по сравнению с электрофарфором, так как для его изготовления используется более дорогое сырье. Основные характеристики стеатита: плотность 2300 –3000 кг/м3, v = 1013-1014 Ом·м; = 7-

8; tg = 0,0006-0,004 (при 50 Гц); ЕПР = 35-40 МВ/м.

Керамические конденсаторные материалы отличаются от изоляторных керамических материалов большой величиной диэлектрической проницаемости ( = 14 – 250). Это позволяет изготовлять керамические конденсаторы большой емкости и сравнительно малых габаритовКерамические конденсаторы не обладают гигроскопичностью и поэтому не нуждаются в защитных корпусах и оболочках, которые необходимы для бумажных и слюдяных конденсаторов. Технология производства керамических конденсаторов значительно проще по сравнению с производством бумажных и слюдяных конденсаторов. Конденсаторные керамические материалы должны обладать большими значениями диэлектрической проницаемости. Для этого в них должны интенсивно протекать процессы поляризации. Наряду с этим конденсаторные материалы должны иметь высокий уровень остальных электрических характеристик: v = 1012-1013 Ом·м; tg = 0,005; ЕПР = 20-25 МВ/м. Этому требованию удовлетворяют материалы на основе соединений диоксида титана, диоксида олова или диоксида циркония, с одной стороны, и оксидов щелочных или щелочноземельных металлов - с другой. Сегнетокерамические материалы (сегнетокерамика) относятся к группе диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. Для них характерна резкая зависимость от температуры и напряженности электрического поля, наличие петли гистерезиса и пр. Первый керамический сегнетоэлектрик был синтезирован в 1943г. - это титанат бария. В настоящее время создано большое количество керамических сегнетоэлектриков; титанат кадмия, цирконат свинца и др. Керамические сегнетоэлектрики не поглощают влагу, не растворяются в воде и могут работать в достаточно широком интервале температур. Все сегнетоэлектрики обладают характерными сегнетоэлектрическими свойствами до определенной температуры. Так, титанат бария обладает сегнетоэлектрическими свойствами до температуры 120°С, а цирконат свинца - до 461°С. При превышении этих температур сегнетоэлектрики теряют свои характерные свойства и становятся обычными диэлектриками.

1.1.1.1.1.1.1.1.6569. Активные диэлектрики

Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может

быть изменено при внешних воздействиях, например электрическим полем.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий. Объем сегнетоэлектрика, как правило, разделен на домены - области с различным направлением векторов спонтанной поляризованности РS. В результате этого суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. Зависимость Р от напряженности электрического поля Е в сегнетоэлектриках нелинейна и при циклическом изменении Е имеет вид замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. В слабых полях не происходит изменения направления векторов спонтанной поляризованности, но с увеличением напряженности поля поляризованность Р линейно растет за счет упругих процессов поляризации (электронного, ионного) рис 37 (участок О-А).

На участке А-В начинается переориентация векторов спонтанной поляризации и поляризованность резко возрастает: Р = РСП + Е (где РСП – поляризованность за счет спонтанной поляризации, Е – упругая поляризация,– диэлектрическая восприимчивость). При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированы по полю наступает состояние технического насыщения. Некоторое нарастание поляризованности на участке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной поляризации. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика.

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то поляризованность нулю равна не будет. Если же прикладывать электрическое поле противоположного знака, то при некоторой

его напряженности ЕС произойдет переполяризация - изменение направления вектора РS на противоположное. Напряженность поля, при которой происходит изменение направления спонтанной поляризованности, называют коэрцитивной силой.

Наличие петли гистерезиса - основное свойство сегнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков.

По значению коэрцитивной силы сегнетоэлектрические материалы подразделяются на сегнетомягкие (ЕС < 0,1 МВ/м) и сегнетотвердые (ЕС > 1 МВ/м).

Другим характерным параметром сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда РS = 0. При этом изменяется симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а значения диэлектрических, упругих, электрооптических и других характеристик имеют резкие максимумы или минимумы.

Для понимания природы спонтанной поляризации необходимо знание атомной структуры и ее изменения при фазовых переходах. Рассмотрим в качестве примера возникновение спонтанной поляризации в титанате бария

(BaTiO3).

При температуре выше 120 °С (точка Кюри) титанат бария обладает кристаллической структурой типа перовскит

(рис. 38, a).

Элементарная ячейка имеет форму куба. Основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь ионы кислорода центрируют грани кубов, составленных из ионов бария. Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородного октаэдра.

При высокой температуре вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому» так что усредненное во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическим моментом (рис. 38, б, слева).

При температуре ниже ТК = 120 °С, как показывает опыт, энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов. В результате нарушается кубическая симметрия в расположении заряженных частиц, и элементарная ячейка приобретает электрический момент (рис. 38, б, справа). Одновременно с этим искажается форма ячейки — она вытягивается по направлению оси, проходящей через центры ионов кислорода и титана, сблизившихся между собой, принимая тетрагональную симметрию. Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласовано, в одном направлении, а это в свою очередь, приводит к образованию доменов. Рассмотренная схема образования спонтанной поляризации BaTiO3 носит качественный характер. Тщательные исследования, выполненные с помощью дифракции нейтронов, показывают, что в действительности фазовый переход в сегнетоэлектрическую фазу обусловлен смещением из симметричных положений не только ионов титана, существенный вклад в электрический момент каждой ячейки вносит смещение кислородных ионов. При зарождении новой (сегнетоэлектрической) фазы смещение ионов может происходить в направлении любого из, ребер кубической элементарной ячейки. Поэтому в тетрагональной модификации BaTiO3 возможны шесть направлений спонтанной поляризованности. Подобного рода фазовые переходы, наблюдаемые в ионных сегнетоэлектриках, получили название переходов типа смещения. Однако появление спонтанной поляризации может происходить не только при смещении ионов, но и за счет упорядочения в расположении дипольных групп, занимающих в симметричной (параэлектрической) фазе с равной вероятностью несколько различных положений равновесия. Такой механизм образования сегнетоэлектрического состояния более характерен для дипольных кристаллов. В качестве типичных примеров можно указать кристаллы сегнетовой соли, нитрида натрия и др. Фазовые переходы, связанные со спонтанным упорядочением дипольных моментов, называют переходами типа «порядок-беспорядок».

В некоторых кристаллах электрические моменты соседних элементарных ячеек за счет соответствующего смещения ионов или упорядочения дипольных моментов оказываются ориентированными во взаимно противоположных направлениях. Такие вещества с антипараллельными электрическими моментами называют антисегнетоэлектриками. Они также имеют доменное строение, однако, спонтанная поляризованность каждого домена равна нулю. В параэлектрической фазе (т.е. выше температуры Кюри) антисегнетоэлектрики могут

обладать высокой диэлектрической проницаемостью. Примерами антисегнетоэлектриков являются цирконат свинца, ниобат натрия и др.

Диэлектрическая проницаемость вещества при температуре точки Кюри (ТК) максимальна, а при Т >ТК обычно подчиняется закону Кюри-Вейса:

= С/(Т– ),

где С – константа Кюри; – температура Кюри-Вейса. В сегнетоэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная поляризованность в точке Кюри изменяется скачком (рис 39,а). Для этого перехода характерно наличие температурного гистерезиса и выделение скрытой теплоты перехода.

При фазовом переходе второго рода (рис.39 ,6) при Т ТК РS плавно уменьшается до нуля, температурного гистерезиса нет, .

Имеются сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом, в которых нет определенной точки перехода, а наблюдается более или менее широкая область температур, где Ра постепенно уменьшается, а Е имеет размытый максимум (рис. 5.15 ,в) В этой области температур, называемой областью Кюри, существуют обе фазы – сегнето- и параэлектрическая.

Перечисленные выше особенности поляризации были впервые открыты у кристалла сегнетовой соли, а диэлектрики с такими свойствами получили название сегнетоэлектриков. Примеры сегнетоэлектриков: сегнетова соль NaKC4·4H2O (ТK = 24°С); нитрид натрия NaNO2 (ТK = 160°С); титанат бария BaTiO3 (TK=120°С); титанат свинца PbTiO3 (ТK = 490°С); ниобат калия КNbО3 (ТK = 435°С).

Применение сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью. Для этих целей используют следующие материалы. Материал Т-900–твердый раствор титаната стронция SrTiO3 и титаната висмута Bi4Ti3O12

(Тк = - 140°С), материал со слабо выраженной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости ( примерно равна 900 при комнатной температуре). Материал СМ-1, который изготовлен на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и висмута. Это материал со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Его применяют для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения. Материал Т-8000 - твердый раствор BaTiO3–BaZrO3 (ТK в области комнатной температуры, поэтому вблизи нее имеет максимум). Данный материал используют для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в нешироком интервале температур), в том числе и высоковольтных.

Благодаря основному отличительному свойству — петле гистерезиса — сегнетоэлектрики можно применять в запоминающих устройствах (ЗУ) ЭВМ. Использование сегнетоэлектриков открывает широкие возможности для твердотельного интегрального исполнения ЗУ. Так как основным требованием к материалам для ЗУ является прямоугольность петли гистерезиса, то соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками с ППГ. В отсутствие внешнего поля поляризованный сегнетоэлектрик имеет два стабильных состояния с поляризованностями +Ро и –Ро (рис.37). Одно из этих состояний (например +Ро) в запоминающей ячейке ЭВМ соответствует хранению единицы, а второе (–Ро) - нуля. Меняя направление записи, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. Считывание информации производится за счет подачи переключающих импульсов одного знака, или, без разрушения информации — оптическим путем, по сопротивлению тонкого поверхностного слоя и т.д. Степень прямоугольности петли гистерезиса материала для ЗУ характеризуется коэффициентом прямоугольности КППГ, равным отношению остаточной поляризованности Ро к поляризованности насыщения Рн:

КППГ = Ро/Рн, где Рн - значение поляризованности в начале участка насыщения петли гистерезиса, где две ее ветви сходятся вместе.

Коэффициент КППГ всегда меньше единицы, так как с одной стороны имеется составляющая поляризованности, линейно зависящая от напряженности поля и Рн > РS, а с другой — при снятии напряжения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется и его остаточная поляризованность Ро меньше спонтанной РS. характерной для однодоменного образца.

Особенно жесткие требования предъявляются к материалам для матричных ЗУ, в которых КППГ должен быть больше 0,9. Этому требованию удовлетворяют лишь некоторые монокристаллы - титанат бария, гуанидиналюминийсульфата (ГАС), слоистого титаната висмута (СТВ). Их КППГ достигает 0,95, но после примерно 109 переключений он снижается. У керамики КППГ ниже и для лучших составов он равен 0,85 - 0,9. Коэффициент КППГ для ЗУ зависит не только от сегнетоэлектрического материала, но и от напряженности переключающего поля, размеров и формы ЗУ, типа электродов.

Второе требование к материалам для ЗУ - высокое быстродействие. Быстродействие определяется временем переключения (переполяризации) сегнетоэлектрика из одного состояния (например, –РS) в другое (+РS). Время переключения ячейки пропорционально толщине кристалла и при толщинах в несколько десятых долей миллиметра составляет несколько микросекунд. В сегнетокерамике процесс переполяризации в отдельных зернах происходит независимо, и время прорастания доменов определяется размерами зерен, которые можно уменьшить до нескольких микрометров. В этом случае достигается более высокое быстродействие ( 10 нс), хотя ухудшается прямоугольность петли.

Третье требование к материалам ЗУ — малая коэрцитивная сила ЕС Значением ЕС определяются напряжения переключения U = (2-3)ЕC·h (h - толщина элемента) и расход энергии на переключение.

Четвертое требование – большая остаточная поляризованность, так как с ее величиной связано значение импульса тока переполяризации или выходного сигнала при иных способах считывания. Кроме того, материал должен быть стабильным во времени.

Для ЗУ целесообразнее всего использовать сегнетокерамические материалы, имеющие, кроме того, значительно меньшую стоимость. Например, керамики - твердые растворы цирконата - титаната свинца и цирконата - титаната свинца с лантаном (ЦТС и ЦТСА).

Следующее применению сегнетоэлектриков - вариконды. Варикондами называют нелинейные диэлектрические конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения. Конструктивно вариконды выполняются в виде плоских керамических конденсаторов — дисковых или пленочных. Одна из основных характеристик варикондов – коэффициент нелинейности К, определяется как отношение максимального значения диэлектрической проницаемости при некоторой, максимальной для данного материала, напряженности электрического поля к начальному значению диэлектрической проницаемости: К= МАХ/ Н. Численное значение коэффициента нелинейности для различных марок варикондов может изменяться от 4 до 50 (в переменном поле). Материалы для варикондов – ВК-1–ВК-6 –керамические материалы на основе твердых растворов Ва(Ti,Sn)O3, Рb(Ti,Zr,Sn)О3.

Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости при воздействии как постоянного или переменного напряжения, так и нескольких напряжений, приложенных одновременно и различающихся по значению и частоте. Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных радиотехнических устройств - параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения и т.д.

Кристаллы сегнетоэлектриков используют для модуляции и преобразования лазерного излучения. Кристаллы ряда сегнетоэлектриков обладают сильновыраженным электрооптическим эффектом, под которым понимают изменение показателя преломления среды, вызванное внешним статическим электрическим полем. Если изменение показателя преломления пропорционально первой степени напряженности, то электрооптический эффект называют линейным (или эффектом Поккельса). Если же наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля, то электрооптический эффект называют квадратичным (или эффектом Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения. Модуляция светового потока проще всего осуществляется электрическим полем, приложенным к кристаллу, находящемуся между двумя скрещенными поляроидами. Действие такого модулятора основано на зависимости плоскости поляризации светового луча, проходящего через кристалл, от напряженности электрического поля.

Разнообразные конструкции электрооптических модуляторов света созданы на базе кристаллов ниобата лития (LiNbO3), дигидрофосфата калия KH2PO4 и дидейтерофосфата калия KD2PO4. Перспективным материалом является прозрачная сегнетокерамика системы ЦТСЛ - твердые растворы цирконата — титанат свинца с окисью лантана.

В сегнетоэлектриках электрооптический эффект усиливается с приближением к точке фазового перехода (точке Кюри). Таким образом, имеется возможность получения эффективной модуляции света небольшими напряжениями, если поддерживать температуру кристалла вблизи точки Кюри.

1.1.1.1.1.1.1.1.6670. Пьезоэлектрики

Поляризация диэлектриков может осуществляться не только при воздействии внешнего электрического поля, но и при механических напряжениях. Явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Возникающая поляризованность Р прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению :

Р = d .

Коэффициент пропорциональности d называют пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем. Пьезомодуль d численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезодиэлектрика при приложений к нему единицы давления. Изменение знака , т.е. замена растяжения сжатием, приводит к изменению знака переполяризации.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l в зависимости от напряженности электрического Е поля по линейному, закону:

l/l = = dE

(Т.к. Р = 0( — 1)Е ), - относительная деформация.

В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой. Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при изменении направления последнего (рис 40).

На рис. 40 показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля у него возникают синусоидальные деформации той же частоты.

Различают также продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформацию измеряют в направлении приложения электрического поля. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно.

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880 году.

Пьезоэффект широко используется в технике для преобразования механических смещений или напряжений в электрические сигналы (звукосниматели, приемники ультразвука, датчики деформаций и т.д.) или (обратный пьезоэффект) – электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и т.д.). Вещества с четко выраженными пьезоэлектрическими свойствами называют пьезоэлектриками, а материалы, предназначенные для использования их пьезоэффекта - пьезоэлектрическими материалами. Одно из важных мест среди них занимает монокристаллический кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния. Пьезосвойства существуют лишь у -кварца, устойчивого до температуры 573°С. Выше этой температуры изменяется тип структуры и пьезосвойства исчезают. Крупные природные прозрачные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. В кристаллах кварца принято различать 3 главные оси, образующие прямоугольную систему координат: Х – электрическая ось, проходящая через вершины шестиугольника поперечного сечения (таких осей имеется три); У – механическая ось, перпендикулярная сторонам шестиугольника поперечного сечения кристалла (таких осей имеется три); Z – оптическая ось, проходящая через вершины кристалла (рис. 41).

Пластинки, вырезанные перпендикулярно оптической оси Z, не обладают пьезоэффектом. Наибольший заряд создается в том случае, если пластинка вырезана перпендикулярно электрической оси X. Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Частота колебаний зависит от толщины пластинки и направления кристаллографического среза. Преимуществами кварцевых резонаторов являются малый tg и высокая механическая добротность (т.е. очень слабые механические потери). В лучших кристаллах кварца механическая добротность может составлять 106- 107. Это обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Если в таком резонаторе возбудить колебания на резонансной частоте, то их затухание будет происходить в течение длительного

времени. Кварцевый пьезоэлемент, поставленный во входную цепь электрического генератора, навязывает ему собственную резонансную частоту.

Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используют в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов (например, в радиолокационных станциях, в электронных часах и т.д.). Одно из главных требований к таким пьезоэлементам

заключается в минимальном уходе резонансной частоты при изменении температуры. Этому требованию лучше всего удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.

Ввиду ограниченных запасов природного кварца основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственно выращенными кристаллами.

Кроме кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития Li2SO4H2O сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, а также ниобат и танталат лития LiNbO3 и LiTaO3. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.

Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика. В обычном состоянии сегнетокерамика не проявляет пьезоактивности, поскольку является изотропной средой вследствие хаотического расположения кристаллических зерен и деления их на домены с разным направлением спонтанной поляризован нести. Однако, если подвергнуть сегнетокерамику воздействию сильного электрического поля, то поляризованность доменов получит преимущественную ориентацию в одном направлении. После снятия поля сохраняется устойчивая остаточная поляризованность. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.

Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы (например, полый цилиндр, являющийся частью гидролокатора). Основными материалами для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3–PbTiO3 (цирконат — титанат свинца или сокращенно ЦТС). Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов (полимеризаторы, стерилизаторы и др.) и в полупроводниковой технологии для эффективной отмывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, (высокочастотные), слуховые аппараты, детонаторы (для оружия), различные устройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций. Двойное преобразование энергии (электрической в механическую и наоборот) положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов. Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) по длине бруска. Переменное электрическое поле, подводимое к зажимам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. В свою очередь, механические колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения. Трансформаторы могут быть сконструированы для работы в диапазоне 10-500 кГц. На более высоких частотах их размеры оказываются слишком миниатюрными, а на более низких — большими. Коэффициент трансформации напряжения, пропорциональный отношению 2l/h может достигать значений 50 и более. Пьезокерамические трансформаторы предназначены для использования в схемах питания электронно-лучевых трубок, газоразрядных приборов» счетчиков Гейгера и для генерирования высоковольтных импульсовПреимуществами таких источников питания являются отсутствие магнитного поля, простота и надежность конструкции, малые массы и габаритные размеры.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNi2O6–PbNb2O6 и NaNbO3–KNbO3. Последние разработаны специально для высокочастотных преобразователей (10-40 МГц).

1.1.1.1.1.1.1.1.6771. Пироэлектрики

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры.

Уравнение пироэлектрического эффекта записывают в виде

-dPСП = pdT

где РСП – спонтанная поляризованность диэлектрика;