1 .4 Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы (ДМ). Основные понятия и определения. Поляризация. Механизмы поляризации. Классификация диэлектриков по виду поляризации. Диэлектрическая проницаемость газов, жидкостей, твёрдых тел. Электропроводность диэлектриков (газов, жидкостей, твёрдых тел). Потери в диэлектриках: характеристики и виды потерь. Пробой диэлектриков (газа, жидкости, твёрдого тела). Классификация ДМ по функциям. Газообразные диэлектрики и жидкие диэлектрики. Неполярные ВЧ ДМ. Слабополярные НЧ ДМ. Полярные НЧ ДМ. Электроизоляционные лаки и эмали. Клеи. Компаунды. Волокнистые ДМ. Слюдяные материалы.

Активные диэлектрические материалы: сегнетоэлектрики, электрооптические кристаллы, пьезоэлектрики, пьезокерамика, пироэлектрики, электреты, жидкие кристаллы.

Литература [1,13,41,44,52,57 - 59].

К ДМ относятся материалы, способные к поляризации, т.е. упорядоченному смещению электрических зарядов в диэлектрике под воздействием электрического поля. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов. Способность ДМ к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью (ε). Различают следующие механизмы поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, миграционную, резонансную и спонтанную (самопроизвольную). Поляризованность ДМ определяется температурой, напряжённостью электрического поля (Е), агрегатным состоянием материала, его структурой и другими факторами. Механизмы поляризации могут быть мгновенными и замедленными, линейными и нелинейными. При линейных механизмах поляризации ε - постоянная величина (не зависит от Е), а при нелинейном в достигает максимума при определённых значениях Е.

Диэлектрическая проницаемость зависит от агрегатного состояния вещества. В газах, характеризующихся малой плотностью, ε близка к единице, поляризация - электронная или дипольная (если молекулы газа полярные).

Для неполярных жидкостей ε определяется электронной поляризацией. Она невелика (не более 2,5) и близка к значению квадрата преломления света. Полярные жидкости содержат дипольные молекулы и имеют преимущественно дипольно-релаксационную поляризацию (ε пределах 3,5 - 5). У этих жидкостей ε=f(T) носит сложный характер, a ε=γ(f) до резонансной частоты постоянна.

Неполярные твёрдые ДМ ( полистирол и т.п. ) имеют только электронную поляризацию (ε от 1,9 до 6,0). Твердые ДМ - ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц - обладают электронной и ионной поляризацией (ε лежит в широких пределах). Температурный коэффициент е в большинстве случаев положителен, но для ряда материалов (ТiО₂, СаТiO₃ ) имеет отрицательное значение.

Поляризационные процессы протекают во времени и создают токи смещения. В технических ДМ их называют абсорбционными. При постоянном напряжении они протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном U - протекают в течение всего времени нахождения ДМ в электрическом поле. Находящееся в ДМ небольшое количество электронов приводит к возникновению слабых сквозных токов I_ск (сквозная электропроводность). Сопротивление Rm диэлектрика (изоляции) при постоянном напряжении U будет определяться

Rиз = U / Iск.

Для твёрдых ДМ различают значения удельного объемного сопротивления р и удельного поверхностного сопротивления p_s, которые характеризуют электропроводность материала.

Электропроводность газов определяется наличием ионов или свободных электронов. Под действием внешних факторов в газах возникает ударная ионизация. Зависимость I=f(U) имеет три характерных участка (Закон Ома, рекомбинация, ударная ионизация). Электропроводность жидкостей определяется строением её молекул. В неполярных - электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в полярных - не только примесями, но и вызывается диссоциацией молекул самой жидкости. Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика (ТД ионного строения), так и ионов случайных примесей, а у некоторых ДМ может быть вызвана наличием свободных электронов. Вид электропроводности устанавливается экспериментально, по закону Фарадея (m = k·I·t). Собственная электропроводность ТД и её изменение от температуры определяется структурой и составом ДМ (кристаллы с ионной решеткой, анизотропные кристаллы, кристаллы с молекулярной решеткой, пористые ДМ).

Качество ДМ определяется в первую очередь потерями энергии, затрачиваемой на нагрев ДМ, находящегося в электрическом поле. При воздействии постоянного поля качество ДМ оценивается величинами ρ и ρ_s; а в переменных полях - углом диэлектрических потерь δ или тангенсом этого угла tgδ, которые определяются по векторной диаграмме реального диэлектрика. Диэлектрические потери по особенностям и физической природе делят на обусловленные поляризацией, сквозной электропроводностью, неоднородностью структуры и ионизационные. Потери зависят от температуры, частоты поля.

Если напряженность поля Е превышает некоторое критическое значение для данного ДМ, то наступает пробой диэлектрика. Различают пробивное напряжение U_np и соответствующее значение напряженности электрического поля Е_пр; Е_пр = =Unp/h. Пробой определяется агрегатным состоянием вещества; у газов - ударная ионизация, у жидкостей - примеси, у ТД наблюдается электрический, тепловой, электрохимический и поверхностный пробои.

По функциям ДМ делят на электроизоляционные и конденсаторные материалы - пассивные ДМ и управляемые воздействиями - активные ДМ. Газообразные диэлектрики - воздух, азот, водород, аргон, элегаз (SF₆). Жидкие диэлектрики имеют электрическую прочность на порядок больше, чем газообразные. К ним относят нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное), синтетические (совол, совтол, полиметилсилоксаны, фторорганические и др.), растительные (льняные и касторовое масло и др.), лаки и эмали, клеи.

Твердые пассивные ДМ подразделяют на неполярные высокочастотные полимеры (полиэтилен, полистирол, фторопласт-4 и др.), слабополярные низкочастотные полимеры (эбонит, эскапон, резина), полярные низкочастотные полимеры (ПВХ, полиметилметакрилат, полиэтилентерефталат, капрон, нейлон, фторопласт-3, силиконы и др.), компаунды (термопластичные и термореактивные), волокнистые ДМ (конденсаторная бумага, электрокартон и др.), слюду (мусковит, флогопит, искусственная).

Активные твердые диэлектрики позволяют создавать функциональные устройства для генерации, усиления, модуляции, запоминания и преобразования сигналов и информации. К активным диэлектрикам относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами.

Название «сегнетоэлектрики» происходит от названия «сегнетова соль» (NaKC₄H₄O₆ • 2Н₂О). Основные свойства сегнетоэлектриков: доменная структура, сильная зависимость ε от температуры (наличие точки Кюри) и напряженности электрического поля, относительно большие затраты энергии при поляризации (петля гистерезиса), сильная зависимость ε от tg δ и частоты. Для характеристики свойств материала при работе нелинейного элемента в различных условиях пользуются понятиями статистической ε_ст, реверсивной ε_p, эффективной ε_эф и дифференциальной ε_д диэлектрических проницаемостей.

Сегнетоэлектрики подразделяют на ионные кристаллы (ВаТiOз, РЬТiO₃, KNBO₃, LiNBO₃, LiТаОз, КIO₃), которые нерастворимы в воде, механически прочны, с более высокой Тк, и дипольные сегнетоэлектрики (сегнетова соль, триглицинсульфат, дигидрофосфат калия, нитрит натрия и др.), которые хорошо растворяются в воде и имеют небольшую температурную точку Кюри Тк.

Для изготовления конденсаторов используют материалы Т- 900 (Тк = -140 °С), СМ-1, Т-8000; для варикондов - твердые растворы системы Ba(Ti, Sn)Оз или Pb(Ti, Zr, Sn)O₃; с прямоугольной петлёй гистерезиса - триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ • H₂SO₄.

Кристаллы ряда сегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом - изменение показателя преломления среды (n) под воздействием внешнего электрического поля.

Если изменение n пропорционально Е, то эффект называют линейным (эффект Поккельса), а при n, пропорциональном Е², - называют квадратичным (эффект Керра). Этот эффект используют для модуляции лазерного излучения (LiNbOз, КН₂РО₄). Очень перспективна сегнетокерамика ЦТСЛ - цирконат -титанат свинца с окисью лантана.

К материалам нелинейной оптики относят кристаллы КН₂РО₄, LiNbO₃, LiIO₃ (иодит лития), B₂NaNb₅O₁₅ - барий-натриевый ниобат (БАНАН) и другие. В этих материалах при воздействии мощных световых лазерных пучков проявляются нелинейные оптические эффекты, в основе которых лежит нелинейная поляризация среды, т.е. зависимость показателя преломления от напряженности поля самой световой волны. Это позволяет осуществить генерацию гармоник лазерного излучения, смещение и преобразование частот оптических сигналов. Интерес представляет преобразование невидимого ИК - излучение (λ = 1,06 мкм) в видимый свет с длиной волны λ/2 = 0,503 мкм.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в веществах с ионной и ионно-ковалентной химической связью при отсутствии центра симметрии в структуре диэлектрика с высоким ρ. Суть его при прямом пьезоэлектрическом эффекте - в появлении поляризации диэлектрика под воздействием механических напряжений σ, Н/м². Заряд на поверхности диэлектрика q = d·σ, где коэффициент пропорциональности d называют пьезомодулем. При обратном – происходит изменение размеров пьезоэлектрика. Различают продольный и поперечный пьезоэффект.

В качестве материалов, использующих пьезоэффект, выделяют монокристаллические пьезоэлектрики (β - кварц, ионные сегнетоэлектрики), пьезополупроводники с ионно-ковалентной связью (CdS, ZnO, ZnS и др.), пьезоэлектрики на основе дипольных сегнетоэлектриков (монокристаллы сегнетовой соли, этилендиаминтартрат – С₆Н₁₄N₈О₈(ЭДТ), сульфат лития Li₂SO₄·H₂O, турмалин), поликристаллические пьезоэлектрики (пьезокерамика на основе ВаТiO₃, ЦТС, Pb(Ba, Ca)TiO₃ (ТБКС), (Pb,Ba)Nb₂O₃ (НБС)). Интерес представляют поляризованные в электрическом поле плёнки полимеров (поливинилиденфторид - [-CH₂-CF₂]-_n (ПВДФ)). Область применения пьезоэлектриков - различные пьезоэлектрические преобразователи (резонаторы, фильтры, трансформаторы, датчики давления, деформации, ускорений и вибраций, телефоны и др.).

Пироэлектрики - вещества, у которых с изменением температуры изменяется их поляризованность. Этот эффект используется для создания тепловых датчиков и приёмников лучистой энергии (ИК и СВЧ- излучение). Материалы, обладающие значительным пироэффектом: кристаллы ниобата бария - стронции, триглицинсульфат; на высоких частотах LiNbOз, LiТаОз- Для приемников лучистой энергии используют керамику ЦТСЛ.

Электреты - вещества, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве электрическое поле. В зависимости от технологии получения электретного состояния выделяют термоэлектреты, фотоэлектреты, электроэлектреты, механоэлектреты, радиоэлектреты. Их используют для различного рода датчиков, микрофонов, генераторов высокого напряжения и т.п.

Жидкими кристаллами (ЖК) называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. Физические свойства жидких кристаллов анизатропны. Связь между молекулами ЖК - слабая Ван-дер-ваальсовая. Оптические и электрические свойства ЖК сильно зависят от напряжённости приложенного электрического поля, температуры, давления, что используется при создании индикаторных устройств. По признаку общей симметрии все ЖК подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.

Вопросы для самопроверки

1. Классификация ДМ по свойствам и назначению.

2. Поляризация диэлектриков. Виды мгновенной и замедленной поляризации.

3.Различие между ионной и ионно-релаксационной поляризацией. Время релаксации.

4. Линейные, нелинейные, полярные и неполярные диэлектрики.

5. Удельное объемное и удельное поверхностное сопротивление.

6. Механизм электропроводности диэлектриков.

7. Диэлектрические потери.

8. Пробой диэлектриков. Механизмы пробоя.

9. Газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.

10. Отличие в требованиях к активным и пассивным диэлектрикам. Классификация активных диэлектриков.

11. Свойства сегнетоэлектриков.

12. Виды диэлектрической проницаемости.

13. Пьезоэлектрики.

14. Пироэлектрики.

15. Электреты.

16. Материалы с электрооптическим эффектом.

17. Жидкие кристаллы.

Литература [1, 43, 52, 57-59]