123

Рисунок 4.3 «Ароматические» полимеры - смолы: фенолоформальдегидная смола (а) и поликарбонат (б).

Некоторые из перечисленных полимеров составляют основу

композиционных материалов и компаундов, рассмотренных ниже.

4.4 Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластики

Композиционные порошковые пластмассы, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (полимеры) и наполнителей (древесная мука,

очесы

хлопчатника, каолин, кварцевый песок,

асбестовое

или

стеклянное

волокно и т. д.). Кроме того, в массу добавляют красители, а для получения

наилучших

технологических

свойств—

пластификаторы. Наполнитель

удешевляет

пластмассу

и

в

то

же

время

улучшает

механиче

характеристики

изделия.

В

ряде

случаев

при

введении

наполнителя

(например,

кварцевой

муки,

талька

и

.)дрнаблюдается

улучшение

электрических свойств диэлектриков. В качестве связующего вещества часто

используют

фенолоформальдегидные,

эпоксидные,

поликарбонатные,

кремнийорганические и другие смолы.

Из

композиционных

пластмасс

изготавливают

радиоаппаратуры,

измерительных приборов,

ламповые

панели,

клеммные

щитки,

головки

кнопок,

рукоятки,

термостойкие

штепсельные

разъемы,

каркасы моточных изделий.

являютсяслоистые

Разновидностью

композиционных

пластмасс

пластики, в которых в качестве

наполнителя

используют

листовые

волокнистые материалы. К слоистым

пластикам

относятся

гетинакс и

текстолит.

Текстолит получают горячей прессовкой ткани, пропитанной ФФС, или

другими смолами.

Для

производства

используется

хлопчатобумажная, или

искусственная ткань. Наиболее качественным наполнителем является стеклоткань. Стеклотекстолит обладает улучшенными диэлектрическими свойствами по сравнению с другими видами текстолита.

При изготовлении бакелизированного текстолита пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной. Лисмолыты бакелизированной ткани после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при повышенной температуре. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает. В результате волокнистая основа

124

связывается в прочный монолитный материал. Слоистое строение текстолита приводит к анизотропии свойств. Так, удельное объемное сопротивление

текстолита вдоль слоев в50—100 раз ниже, чем								поперек; электрическая
прочность вдоль слоев в5—8 раз ниже, чем поперек. Текстолит относится к
числу полярных диэлектриков, та как волокнистая основа и пропитывающее
вещество		обладают	полярными		свойствами. Его			электрическая		прочность
(перпендикулярно слоям) составляет около 30 МВ/м, e = 6—7, a tgd =0,04 —
0,081 (на частоте 106 Гц).
	Для	изготовления			печатных			схем	низкочастотных
радиоаппаратуры используют фольгированный текстолит, облицованный с
одной или с двух сторон					медной		фольгой толщиной0,035—0,05 мм.
Требуемый		рисунок печатной			схемы		получают		путем	избирательного
травления.
	Гетинакс — это пластик, аналогичный текстолиту, но его наполнителем
служит не ткань, а бумага. В настоящее время использование этого материла
в радиоаппаратуре ограниченно.
	Электроизоляционная			лакоткань			получается		пропиткой		ткани
электроизоляционным лаком и, в отличие от текстолита, обладает гибкостью.
	К композиционным материалам относятся такжеслюдосодержащие
материалы (см. подраздел 4.9).
	4.5 Электроизоляционные компаунды
	Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ(смол,
битумов, эфиров), которые путем несложных операций(охлаждение после
предварительного нагрева, химическое отверждение, или др.) переходят из
жидкого состояния в твердое состояние.
	По	функциональному		назначению компаунды					подразделяются		на
						обволакивающие).
пропиточные, заливочные и покровные (
	По составу компаунды подразделяются на битумные, воскообразные,
каучукоподобные,			полиэфирные,		эпоксидные,			кремнийорганические,

неорганические.
	По	физическим	свойствам компаунды			подразделяют		н
				.
термопластичные и термореактивные
	Термопластичные		компаунды		размягчаются	при	нагревании
отвердевают при охлаждении и служат в основном для пропитки волокнистой
изоляции или заливки их в промежутки между элементами изделий и узлов. К
их числу относятся битумные компаунды¾ группа нефтяных аморфных
термопластичных материалов, которые представляют собой сложные смеси
углеводородов.
	Термореактивные компаунды необратимо отверждаются в результате
происходящих в жидком состоянии химических реакций. Они, как правило,
обладают		более	высокой		нагревостойкостью	по	сравнению

125

термопластичными компаундами. К числу термореактивных относятся компаунды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол. Наиболее широкое распространение в электронной технике получили эпоксидные компаунды. Эти компаунды представляют собой композиции на

основе эпоксидных	смол (продукты	поликонденсации	хлорированных
глицеринов с двухатомными фенолами в щелочной среде) и отвердителей.
Кроме смолы и отвердителя в компаундах могут быть пластификаторы,
наполнители, разбавители и т. д.
Схема реакции	полимеризации	смолы показана	на рисунке4.4.

Важнейшую роль в ней играют концевые группы смолы(эпокси-группы). Символом М обозначена молекулярная цепь, которая может быть весьма длинной и включать в себя углеводородные ,звеньяатомы кислорода, бензольные кольца и др.

OН

OН

R

CН2 ¾ CН¾ M ¾ CН ¾ CН2

NН2

NН ¾CН2 ¾ CН

¾ M¾ CН ¾ CН2 ¾ N

Н

O

O

+ R ®

R

CН2 ¾ CН¾ M ¾ CН ¾ CН2

NН2

NН ¾CН2 ¾ CН¾ M ¾ CН ¾ CН2 ¾ NН

O

O

R

OН

OН

Смола

Отвердитель

Полимер

Рисунок 4.4 - Схема реакции полимеризации эпоксидной смолы.

Под влиянием отвердителей эпоксидные смолы претерпевают такое химическое изменение, которое делает их ценными для практического применения. Отвердителями могут быть вещества из группы аминов или ангидридов. На рисунке дана обобщенная формула диамина, имеющего на концах молекулы группы NH2. Отверждение идет с отщеплением водорода от

диаминов "раскрытием" кольца в эпокси-группах и появлением у отвержденного компаунда сильно полярных гидроксильных групп— ОН, обеспечивающих значительную адгезию(приклеивание) его к полярным диэлектрикам и металлам. Эпоксидные компаунды обладают малой усадкой при затвердевании, большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и устойчивостью к повышенной температуре. Предельная эксплуатационная температура, как правило, составляет около

120°С.

126

Эпоксидные и другие термореактивные смолы накремнийорганической основе еще более термостойки. Их предельная эксплуатационная температура может достигать 250°С.

Компаунды широко применяют для обволакивания и заливки отдельных

узлов	электро- и	радиоаппаратуры:			трансформаторов,			дросселей
конденсаторов. Их		используют		также	для	герметизации		и	опрессовок
дискретных полупроводниковых				приборов и		интегральных микросхем.
Некоторые	разновидности		эпоксидных		компаундов		обладают		высокой

оптической однородностью и прозрачностью по отношению к излучению в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Благодаря этим свойства они находят применение в качестве оптических согласу (иммерсионных) сред при выводе излучения из светодиодов.

4.6 Неорганические стекла

Общие сведения. Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц. По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишьоксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел. К числу стеклообразующих окислов

относятся SiO2, В2О3, GeO2,		P2O5. Наибольшее распространение			получили
силикатные	стекла на	основеSiO2	благодаря	высокой	химической
устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для

придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикатных стекол вводят окислы различных металлов (наиболее часто — щелочных и щелочноземельных).

Стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия обладают при этом невысокой

механической	прочностью. В		процессе			охлаждения		расплава		сильно
изменяется вязкость стекломассы. Для любого стекла(подобно аморфным
полимерам, см. подраздел 4.2) на				температурной			зависимости		вязкости
различают	две	характерные		,точкисоответствующие температурам
текучести Тт	и стеклования Тс. Интервал температур между Тс и Тт называют
интервалом	размягчения, в		котором		стекло		обладает		пластичными
свойствами. Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Тс
= 400 — 600°С а Тт = 700 — 900°С .				изделия		подвергают		,	отжигучтобы
Изготовленные		стеклянные

устранить опасные механические напряжения в стекле, возникающие при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге изделие нагревают до

127

некоторой достаточно	высокой	температурыТ<Тт, а	затем медленно
охлаждают.
Звисимость свойств	стекол от	их химического	состава. Силикатные

стекла по составу и, в связи с этим, по электрическим свойствам(tgd и r) можно подразделить на три группы.

1) Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия¾ Na2O, K2O). В эту группу входит чистое кварцевое стекло (плавленый кварц). Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации.

2) Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. В эту группу входит большинство обычных натриевых и

калиево-натриевыех стекол (с		добавлением Na2O, K2O).					Они	отличаются
пониженной нагревостойкостью,			легко	обрабатываются			при	нагреве, но
имеют пониженные электрические свойства.
3) Щелочные стекла		с	высоким		содержанием тяжелых					окислов
(например, силикатно-свинцовые, бариевые). Эти							стекла, обладая
удовлетворительной обрабатываемостью, имеют повышенные электрические
свойства, приближающиеся при нормальной температуре к электрическим
свойствам стекол первой группы.
Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением
плавиковой кислоты HF, которая их растворяет; стойкость стекол к щелочам
значительно меньше.
Кварцевое	стекло получают			из	чистой	двуокиси			кремния		при
температурах	выше 1700°С.	Такая		стекломасса		обладает		очень		узким
интервалом размягчения и высокой вязкостью. Поэтому							из	нее	удается
получить изделия только простейшей конфигурации. Основу микроструктуры
кварцевого стекла составляют кремний-кислородные тетраэдры[SiО4]4-. Эти
тетраэдры, соединяясь друг другом через кислородные ионы, образуют
сплошные трехмерные сетки. Дальний порядок в расположении тетраэдров
отсутствует, что является признаком аморфного тела. В принципе кварцевое
стекло можно рассматривать как неорганический пространственный полимер.
Кварцевое стекло обладает рядом замечательных							свойств. Оно		имеет
наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения;
у остальных стекол по сравнению с кварцевым стеклом значение ТКl в 10—20
раз больше. Высокая механическая прочность в сочетании с малымТКl
обусловливают	высокую	стойкость			кварцевого		стекла	к		термоудару.

Благодаря высокой нагревостойкости и химической инертности к действию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое применение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала (реакторы, ампулы, лодочки, тигли и т. п.).

Кварцевое стекло отличается высокой прозрачностью для излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра вплоть до

128

длины волны порядка4 мкм. Поэтому оно является ценным оптическим

материалом. Из		него	изготавливают линзы, призмы,				оптические окна,
баллоны	ламп	ультрафиолетового излучения				и.	Подр	электрическим
свойствам	кварцевое		стекло	относится	к	хорошим			высокочастотным
диэлектрикам (e=3,8; r³ 1016 Ом×м; tgd=2×10-4 на частоте 106 Гц).
Для	улучшения		технологических			характеристик(понижения
температуры варки, расширения интервала размягчения) в состав стекол
вводят	окислы	щелочных		металлов. Это	приводит			к	разрыхлению

пространственной сетки стекла и образованию тупиковых ветвей(рисунок 4.5). Разрыхление кислородного каркаса (обрыв связей) вызывает понижение температуры размягчения стекла. При этом существенно ухудшаются электрические свойства стекол: снижается удельное сопротивление (рисунок

4.6, б), возрастают диэлектрические	потери. С	другой стороны, слабо
связанные щелочные ионы под	действием	теплового движения могут

срываться с мест закрепления и перемещаться из одной ячейкипрост ранственной сетки в другую. При этом усиливается ионно-релаксационная

поляризация,	что	сопровождается	увеличением	диэлектрической
проницаемости	(рисунок	4.6, а). Поскольку	ион натрия	имеет меньший

размер по сравнению с ионом калия, он более подвижен и оказывает большее отрицательное влияние на электрические свойства стекла.

e

				а)			б)
Рисунок 4.5 - Плоскостная			Рисунок 4.6 - Зависимости диэлектрической
модель натриевого стекла			проницаемости (а) и удельного
			сопротивления (б) щелочных стекол от
			содержания примеси (по массе)

Стекла, содержащие в больших количествах окислы тяжелых металлов (бария, титана, свинца) характеризуются малыми диэлектрическими потерями даже при значительной добавке щелочных окислов. Атомы многовалентного металла, встраиваясь в структурную сетку стекла, не образуют тупиковых ветвей. Поэтому увеличение их концентрации не приводит к возрастанию релаксационных потерь. Более того, становясь на месте существующих обрывов ветвей, такие ионы могут соединить оборванные концы и укрепить пространственную сетку. ТКe различных технических стекол находится в

129

пределах (30 - 500)×10-6 К-1. Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава, решающим оказывается влияние воздушных включений в толще стекла. В однородном электрическом поле Епр достигает 500 МВ/м.

Практическое применение.

Электровакуумные стекла. Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширенияТКl. Значения ТКl стекла и соединяемых с ним материалов, под ергаемых

периодическим	и	сильным		перепадам	температуры, должны				быть
приблизительно	одинаковыми.		В	противном	случае		при		изменении
температуры	может	произойти		растрескивание		стекла		и	нарушени
герметичности. Электровакуумные стекла подразделяют и маркируют по
численным значениям ТКl. Так			как	стекла— это	материалы с			низким

значением ТКl, то в стекла удается впаивать только тугоплавкие металлы или металлические сплавы, у которых ТКl соизмеримо. Поэтому часто название стекла соответствует не примесному составу (как, например, у свинцового), а указывает на температурное сродство с тем, или иным металлом (например,

платиновое, молибденовое, вольфрамовое).

По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (В2О3 + SiO2) или алюмосиликатных (Al2O3 + SiO2) материалов с добавками щелочных окислов. ТКl возрастает при увеличении содержания щелочных окислов.

В

обозначении марки электровакуумного стекла после буквы"С"

указывают значение ее ТКl (умноженное на 107К-1) и серию разработки.

Изоляторные

стекла.

Стекла

легко

металлизируются и используются в качестве

герметизированных вводов

в

металлических

корпусах различных приборов (конденсаторов,

диодов,

транзисторов

и

.др, рисунок

4.7).

Рисунок 4.7- Стеклянные

Обычно

в

качестве

материала

таких

и

подобных

проходных

изоляторов

используют

изоляторы 1 со слоем

щелочное силикатное стекло.

вожженного серебра 2,

припаянные к

Цветные стекла. Обычные силикатные

металлической крышке 3.

стекла

прозрачны для излучения в видимой

части

спектра.

Некоторые

добавки

придают

стеклам

соответствующую

окраску: СаО — синюю, Сr2О3 — зеленую,

МnО2 —

фиолетовую и

коричневую, UO3 — желтую

и .т д., что

используется

при изготовлении

цветных стекол, светофильтров, эмалей и глазурей.

Лазерные стекла. Традиционно в качестве рабочих тел твердотельных

лазеров

(исключая

полупроводниковые)

используются

диэлектрические

кристаллы

иттрий-алюминиевого

гранатаY3Al5O12, алюмината

иттрия

YAlO3,

легированные

неодимом Nd3+,

рубин

Al2O3

¾ Cr3+, а

также

130

гадолиний-скандий-галлиевый гранат с примесями хрома и неодима ГГСГ¾Cr¾Nd.

Стекла также могут быть использованы в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах. Генерирующими центрами являются активные ионы, равномерно распределенные в прозрачной матрице стекла. Как правило, в стеклах отсутствуют ограничения в растворимости активирующих добавок.

В качестве лазерных стекол используют силикатные, фосфатные, фтор-

берилатные, боратные, фторфосфатные, германатные					и	другие стекла,
активированные		редкоземельными элементами и неодимом. Примером
наиболее	часто	применяемых материалов на основе силикатного стекла
является	баритовый крон(ВаО — K2O — SiO2), активированный ионами
неодима Nd3+.
Основные		преимущества	стекол, используемых		в	лазерах, перед
монокристаллами заключаются в их высокой технологичности, дешевизне,
оптической однородности, изотропности				свойств. Из	стекла	сравнительно
легко изготовить		однородные	стержни	большого размера, что		необходимо

для достижения высокой выходной мощности лазерного излучения. Однако отсутствие дальнего порядка вызывает уширение лини люминесценции активированного стекла. Следствием этого является снижение степени монохроматичности выходного излучения и увеличение пороговой мощности оптической накачки. К тому же стекла по сравнению с монокристаллами обладают невысокой теплопроводностью, что создает дополнительные трудности для осуществления непрерывного режима генерации. Поэтому лазеры на стекле больше подходят для генерации импульсов с высокой энергией излучения.

Стекловолокно. Из расплавленной стекломассы методом вытяжки через фильеру с последующей быстрой намоткой на вращающийся барабан можно получать тонкие волокна, обладающие хорошей гибкостью и повышенной механической прочностью. Весьма тонкие стеклянные волокна(диаметром

4—7 мкм) имеют настолько высокую гибкость, что из них	могут быть
сотканы стеклянные ткани. Преимуществами волокнистой	стеклянной

изоляции перед изоляцией из органических волокон являются высокая нагревостойкость, значительная механическая прочность, относительно малая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Для производства стекловолокна используют щелочные алюмосиликатные, бесщелочные и малощелочные алюмоборосиликатные стекла.

Световоды. Тонкие стеклянные волокна используют для передачи света между источником и приемником излучения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели(жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью тончайших волокон получила название

волоконной	оптики, которая	является	важной	составной	частью
оптоэлектроники. Волоконные		устройства имеют ряд		преимуществ	перед