Osnovy_materialovedenia

После прохождения максимума наблюдается резкое падение диэлектрической проницаемости практически до нуля.

fрез – частота, с которой переориентация ещё возможна (или же, - это собственная частота молекул диэлектрика).

Рисунок 40

К конкретному диэлектрику данная зависимость не применима. Это своего рода обобщённая форма, на которую накладываются резонансы различных типов поляризации.

При приложении переменного напряжения диэлектрики проводят переменную составляющую, так как переполяризация молекул, представляющая собой направленное движение связанных носителей заряда, по сути, элементарный акт электропроводности.

Диэлектрик, находясь в сильных электрических полях, может потерять свои свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется пробоем. Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою называется

напряжением пробоя U пр .

Рисунок 41

Пробой может возникнуть в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессах.

Классификация диэлектриков основана на применении в аппаратуре.

Диэлектрики

Изоляционные диэлектрики используются для создания электрической изоляции.

Конденсаторные – для создания требуемых значений ёмкости. В некоторых случаях – для обеспечения определённого характера зависимости ёмкости от внешних факторов.

Отнесение диэлектрика к той или иной группе не может быть абсолютно однозначным, так как в различных условиях один и тот же диэлектрик может выполнять разные функции. Например оксид кремния SiO2 используется и в качестве изоляционного, и в качестве конденсаторного материала, а также в качестве маскирующего материала и активного диэлектрика (кварц).

Следовательно для отнесения диэлектрика к тоё или иной подгруппе необходимо оценить комплекс параметров, присущих диэлектрику и сопоставить с теми условиями, в которых ему предстоит работать. Однако в общем виде можно утверждать: важнейшие параметры:

42

Очень редко диэлектрики применяются только как изоляционные или конденсаторные. Например, ПВХ – материал только изоляционный, титанат стронция – только конденсаторный.

Подавляющее большинство же диэлектриков применяются и как изоляционные, и как конденсаторные: слюда, керамике, стекло, полимерные плёнки.

Конденсаторные диэлектрики делятся на:

Пассивные диэлектрики: выполняют накопительную функцию, классифицируются исходя из особенностей строения, структуры.

Активные диэлектрики: предназначены для создания устройств, выполняющих в аппаратуре функции генерации, преобразования, накопления, хранения информации. Применяются в функциональной электронике. Их, в свою очередь, делят по признаку управляющих воздействий.

Полимеры (пластмассы)

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев мономеров.

Реакцию образования полимера называют полимеризацией в том случае, если она протекает без выделения побочных продуктов, или поликонденсацией в том случае, если реакция протекает с выделением побочных продуктов.

Для начала и завершения реакции формирования молекулы полимера необходимы радикалы – части молекул, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (оборванную связь).

Полиэтилен:

R─CH2─CH2─…─CH2─R1;

HH

─C ─ C ─

HH n

где n – степень полимеризации.

Свойства полимеров очень сильно зависят от того, с помощью какого типа реакции они образуются. Различают два типа полимеров: линейные и пространственные.

Линейные полимеры - те, у которых соотношение длины и диаметра несоизмеримы L>>d. Они формируются по реакции полимеризации. Гибкие, пластичные, легкоплавкие, термопластичные, хорошо обрабатываемые, обладают отличными электроизоляционными свойствами.

Пространственные полимеры – те, которые образуются из молекул, разрастающихся во всех трёх координатах. При создании определённых условий мы можем добиться того, что всё изделие будет состоять из одной пространственной молекулы. Отсюда и набор свойств, характерных для них: большая жёсткость, механическая прочность, температура плавления значительно выше, чем у линейных, причём некоторые пространственные полимеры вообще не плавятся, а только обугливаются, разрушаются, что обуславливает их термореактивное свойство.

Линейные полимеры растворимы в различных растворителях, пространственные – практически не

43

Электрические свойства

Строение макромолекул различных типов полимеров определяет их электрические свойства. Все химические связи углерода в той или иной степени полярны, однако, если молекула имеет симметричное строение, суммарный дипольный момент может быть равен нулю. Вещества с несимметрично построенными звеньями имеют дипольный момент, отличный от нуля, что, соответственно, ухудшает их электроизоляционные свойства.

Важным фактором является также то, по какой реакции образуется тот или иной полимер, так как при поликонденсации выделяются какие-либо побочные продукты, то часть этих продуктов оказывается замурованной в объёме промера, что приводит к ухудшению электроизоляционных свойств.

Нагревостойкость. Большинство органических полимеров длительно работать при температуре до 100°С. При более высоких температурах они просто очень быстро стареют.

Среди линейных полимеров наиболее интересными свойствами обладают фторсодержащие полимеры (фторопласты) или кремнийорганические полимеры (полиимиды).

Фторопласт

Это уникальный материал, обладающий огромной электрической прочностью (до 250 МВ/м), отличной нагревостойкостью (выдерживают до 400°С). Особенно высока химическая стойкость: кислоты и щёлочи не оказывают на него влияния, фторопласт незначительно реагируют лишь с расплавленными щелочными металлами. При превышении определённой температуры он не плавится, а разлагается с выделением атомарного фтора.

Структура аналогична полиэтилену

FF

─C ─ C ─

FF n

Поскольку атомы фтора крупнее и связь с атомами углерода сильнее, то эта молекула гораздо более устойчива, нежели молекула полиэтилена.

Так как фторопласт не плавится и не переходит в вязко-текущее состояние, то и обычные методы формовки пластмасс неприменимы. Он перерабатывается в изделие методом спекания и порошка. Превосходно обрабатывается механическим путём, обладает замечательно большой диэлектрической проницательностью и малым тангенсом угла потерь.

Применяется как конденсаторный (для ВЧ устройств, устройств, требующих большое значения напряжения пробоя) и как изоляционный (благодаря электрической прочности) диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией, следовательно не зависит от частоты и слабо зависит от температуры. Потери в линейных полимерах главным образом обусловлены релаксационными явлениями (дипольногрупповые).

В общем же, потери очень малы, следовательно, их нередко используют как изоляторные диэлектрики, для ВЧ и СВЧ устройств.

Полярные полимеры – материалы с повышенными потерями дипольно-релаксационного типа. К ним относят ПВХ и полиметакрилат, которые используют в качестве конденсаторных.

Неорганические стёкла

Стекла – неорганические квазиаморфные твердые вещества. Различают их по составу:

44

элементарные;

халькогенидные;

оксидные.

В основе оксидные неорганических стекол – стеклообразующий окисел (SiO2, P2O5, B2O3, GeO2). Наиболее распространены стёкла на основе SiO2 – силикатные (дёшевы, доступны, хорошо

обрабатываемы, обладают хорошими механическими характеристиками, неплохими электроизоляционными свойствами).

В стекловарную печь загружают шихту измельчённых компонентов, которые предварительно тщательно смешивают в нужных пропорциях. При нагреве шихта плавится, летучие компоненты удаляются, оставшиеся окислы реагируют между собой, что приводит к образованию однородной стекломассы, которая используется для изготовления изделий, отливкой, формовкой, либо комбинацией этих воздействий с последующей релаксацией внутренних напряжений.

Свойства стёкол сильно зависят от состава начальной шихты:

1.безщелочные стёкла обладают высокой нагревостойкотью, хорошими электроизоляционными свойствами. Однако, из них трудно изготовить изделия со сложной конфигурацией, так как они мало пластичны в расплавленном состоянии.

2.щелочные стёкла без тяжёлых окислов обладают пониженной нагревостойкостью и худшими электроизоляционными свойствами, но повышенной технологичностью. Является группой бытовых стёкол.

3.щелочные стёкла с высоким содержанием тяжёлых окислов. Увеличение доли тяжёлых окислов приводит к улучшению электроизоляционных свойств стекла при сохранении технологичности.

4.кварцевое стекло получают из чистого оксида кремния SiO2 при температуре 1700°С. Обладает хорошими электроизоляционными свойствами, но плохо обрабатывается. Имеет оригинальный комплекс свойств: высокую Нагревостойкость, малый ТКЛР и высокий предел прочности на сжатие. В отличии от предыдущей группы, пропускает УФ излучение.

По назначению различают:

1.электровакуумное стекло. ТКЛР подобран таким образом, чтобы он совпадал с ТКЛР металлов, используемых для формирования выводов.

2.изоляционные стёкла используются для изоляции выводом в металлостеклянных корпусах различных приборов.

3.цветные стёкла (светофильтры, глазури, эмали).

4.лазерные стёкла используются в качестве рабочих тел лазеров. Для достижения нужных свойств в стекло вводятся центры генерации – ионы неодима Nd3+

5.стекловолокно получают методом вытяжки через фильеры с быстрой намоткой на вращающиеся барабаны.

6.световоды:

Рисунок 42

Ситаллы

Стеклокристаллические материалы, получаемые путём стимулированной кристаллизации стёкол специального состава. Они занимают промежуточное состояние между стеклом (аморфное) и керамикой (полимер).

Недостатком стёкол считается процесс местной кристаллизации – «расстекловывание». Он приводит к уменьшению однородности и к ухудшению свойств. Поэтому к стёклам, склонным к спонтанной кристаллизации добавляют специальные вещества, служащие центрами кристаллизации. В результате получаются ситаллы. Они имеют однородную, очень мелкокристаллическую структуру. Благодаря этому, ситаллы позволяют в результате механической обработки получить очень гладкие поверхности с равномерным распределением свойств. Ситаллы благодаря этому используются в

45

качестве подложек плёночных и гибридных микросхем, обладают лучшей теплопроводностью, чем стекло и немного худшими электроизоляционными свойствами. Редко используются в качестве конденсаторных материалов.

Керамика

Под керамикой понимают большую группу диэлектрических материалов с самыми разнообразными свойствами, объединённых общностью технологического цикла формирования. Эта общность обуславливается наличием в процессе изготовления высокотемпературного обжига исходного сырья.

Керамические диэлектрики обладают огромным количеством достоинств, отличающих их от других материалов:

1.Высокая нагревостойкость;

2.Отсутствие у большинства керамических материалов гигроскопичности;

3.Хорошие электроизоляционные свойства;

4.Достаточная для выполняемых функций механическая прочность;

5.Стабильность характеристик и надёжность;

6.Стойкость к воздействию излучений высоких энергий;

7.Устойчивость к воздействию биологических факторов;

8.Дешевизна сырья.

Очевидным достоинством является то, что мы можем заранее спланировать изменение свойств и параметров керамического изделия путём незначительного изменения состава сырья.

Керамика состоит из двух основных фаз:

1.Кристаллическая, которую образуют различные химические соединения. От неё зависят такие характеристики, как: диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая прочность, диэлектрические потери, ТКЛР и механическая прочность.

2.Стекловидная, представляющая собой прослойку стекла, связующую кристаллическую фазу. Отвечает за степень пластичности при формировании, степень пористости, плотность, гигроскопичность.

Этапы технологического процесса.

I. Тщательно измельчить и перемешать исходные компоненты.

II. Пластифицировать с образованием формовочного полуфабриката (используется спирт). III. Из полуфабриката произвести формирование заготовок.

IV. Сушка и спекание (высокотемпературный обжиг).

Классификация и свойства керамических материалов

Выделяют электроизоляционные или установочные и конденсаторные виды керамики.

По электрическим свойствам все установочные керамические материалы делятся на низкочастотную и высокочастотную керамику.

Из низкочастотных наиболее распространенным является фарфор (изготавливается из специальных сортов глины и отличается высокими диэлектрическими потерями при довольно приличных остальных свойствах). В радиофарфоре снижены диэлектрические потери за счёт введения окиси бария. Ультрафарфор – высокочастотный диэлектрик с высоким содержанием Al2O3. Большое распространение получил УФ46.

Корундовая керамика на 95-98% состоит из Al2O3, является ВЧ диэлектриком с очень малыми потерями, но отличается крайне плохой механической обрабатываемостью. Данная керамика используется в качестве изоляторов вакуумных приборов и в качестве основы металлокерамических микроэлектронных изделий (микросхем).

Для изготовления подложек интегральных микросхем используется разновидность алюмооксидной керамики под названием поликор. Его отличает высокая плотность вещества (большое содержание стекловидной фазы), что позволяет получить поверхность очень гладкую и высокого качества. По сравнению с ситалловыми и стеклянными, подложки из поликора отличаются высокой теплопроводностью.

Все перечисленные материалы крайне редко используются в качестве конденсаторных. К ни так же можно отнести цельзиановую керамику (BaO·Al2O3·2SiO2); стеотитовую керамику (3MgO·4SiO2·H2O), форстерритовую керамику (2MgO·SiO2).

46

К канеденсаторным керамическим диэлектрикам относят материалы на основе титана (тиконды). В качестве материалов для изготовления используют оксид титана TiO2, титанат стронция SrTiO3, титанат кальция CaTiO3.

Активные диэлектрики

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять внешними энергетическими воздействиями и применять эти свойства для создания устройств функциональной электроники.

Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а так же запоминание и преобразование информации различного рода.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо-, пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники (лазерные материалы), жидкие кристаллы, электро-, акусто-, магнитооптические материалы.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только кристаллические, но также жидкое и газообразные вещества (например, СО2).

Строго деления между различными классами материалов здесь так же нет. Нельзя однозначно сказать, что данный диэлектрик является активным или пассивным, то есть, классификация условна. Одни и те же материалы в различный условиях могут относиться к различным группам.

Например, кристаллическая β-модификация SiO2 – кварц, активный диэлектрик. SrTiO3 – пьезоэлектрик.

Сегнетоэлектрики

Это вещества, обладающие способностью к спонтанной поляризации, направление которой может изменяться под действием внешнего поля. Они имеют так называемую доменную структуру.

Домены – это макроскопические области, молекулы в которых спонтанно (от природы) ориентированы, и поэтому суммарный электрический момент каждого домена отличен от нуля (это области, которые поляризованы до насыщения). У всего объёма вещества в природе суммарный электрический момент может быть равен нулю, так как сегнетоэлектрик, не подвергавшийся воздействию электрического поля, состоит из множества доменов, направление поляризации которых различны.

Рисунок 43 В принципе, это кристаллические вещества, и если кристалл сегнетоэлектрика имеет малые

размеры, то он может состоять из одного домена, размер которого колеблется от 10-4 до 10-1см. Однако природа стремится к минимуму энергии, который соответствует неполяризованному материалу. Следовательно, при выделении одного домена, он, как правило, разделяется на два с антипараллельной ориентацией электрических моментов.

Внешнее электрическое поле изменяет направление поляризации доменов, при этом происходит как бы разрастание доменов, изначально сориентированных по направлению воздействия поля, за счёт поглощения соседних. При приложении достаточно сильного электрического поля монокристалл сегнетоэлектрика переходит в однодоменное состояние. У поликристаллического тела смещению доменных границ препятствуют границы зёрен, но и поликристалл тоже переводится в квазиоднодоменное состояние.

Наличие спонтанной поляризации приводит к очень большим величинам диэлектрической проницаемости – до нескольких тысяч единиц. Как следствие – из них можно изготавливать малогабаритные конденсаторы очень большой ёмкости. Однако, под действием переменного электрического поля переполяризация в них происходит не сразу, в результате чего сегнетоэлектрики обладают петлёй гистерезиса.

47

в α-модификацию кристаллической решётки. Крупные природные кристаллы пьезокварца носят название горный хрусталь, но они довольно редки. В технике в основном применяется искусственно выращенный гидротермальным методом кварц.

Преимуществами кварцевых резонаторов, представляющих собой пластинки кварца с нанесёнными металлическими обкладками, являются: очень малый tgδ, высокая механическая добротность (малые механические потери). В лучших резонаторах добротность составляет 106…107 единиц. Если в таких резонаторах возбудить колебания, то они долго не затухают.

Благодаря высокой механической добротности, кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с большой избирательной способностью и для эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца, который достаточно дорог, используют так называемую пьезокерамическую керамику, представляющую собой сегнетокерамику, поляризованную в сильных электрических полях. Её называют ЦТС-керамикой. Материал для изготовления цирконат титанат свинца PbZrO3-PbTiO3. По свойствам он уступает кварцу.

Из пьезокерамики делают мощные ультразвуковые излучатели, которые широко используются в гидроакустике, дефектоскопии и механической обработке материалов (ультразвуковая сварка). Кроме того, из пьезокерамики изготавливают малогабаритные микрофоны, телефоны, ВЧ динамики, детонаторы для взрывателей, датчики давления и вибрации, ЛЗ на ПАВ, пьезотрансформаторы, акустооптические модуляторы.

Электреты

Это тела диэлектриков, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле (аналог постоянного магнита).

Существует большое количество различных электретов, которые подразделяются по способам формирования электретных свойств (впервые обнаружены у парафина).

Термоэлектреты получают комбинацией термического и электрического воздействий Фотоэлектреты – воздействие света и электрического поля Электроэлектреты – воздействием только электрического поля Короноэлектреты – воздействием коронного разряда.

Все электреты постепенно теряют свои свойства, длительность сохранения этих свойств – от нескольких часов до нескольких лет.

В объёме диэлектрика складывается комбинация из двух разновидностей зарядов:

1. гомозаряды. Они стекают с обкладок и замуровываются в поверхностном слое диэлектрика.

2. гетерозаряды. Формируются Рисунок 46 гомозарядами.

У органических электретов преобладают гетерозаряды, у керамических – гомозаряды.

В настоящее время большое применение находят электреты на основе полимерных плёнок (на основе полиэтилентерефталата (лавсан), политетрафторэтилена (фторопласт)).

Помещённые между обкладками плёнки электрета индуцируют на них заряд, величина которого зависит от величины зазора.

Применение: малогабаритные микрофоны, телефоны (=наушники), измерители механической вибрации.

Жидкие кристаллы

49

Это вещества, которые могут находиться в промежуточном (межфазном) состоянии между изотропной жидкостью и твёрдым кристаллическим талом. С одной стороны они текучи, способны собираться в каплю, то есть ведут себя как жидкость, с другой – им присуща анизотропия свойств и внутренняя упорядоченность, как у кристаллов.

Малая величина межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру, определяют сильную зависимость свойств от внешних факторов: температуры, давления, внешнего поля.

Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы, причём от нескольких градусов, до довольно приличного диапазона температур. При комнатной температуре состояние мезофазы характерно для органических веществ так называемого ароматического ряда с удлинённой палочкообразной формой молекулы (МББА).

Для жидких кристаллов характерно наличие трёх основных состояний:

1.Смектическая фаза – это состояние, наиболее близкое к кристаллической структуре вещества. Характеризуется параллельным расположением палочкообразных молекул с равноудалением центров масс. Срез такой вещества показан на рисунке 47а

Рисунок 47

2.Нематическое состояние. Длинные оси молекул ориентированы вдоль общего направления, которое называется нематическим директором, то есть молекулы по-прежнему параллельны, но нет равноудаления центров масс (см. рисунок 47 б)

Большинство не цветных жидкокристаллических индикаторов используют переход из смектического в нематическое состояние. При этом происходит изменение оптических свойств жидких кристаллов, наблюдается своего рода помутнение, изменяется своего рода коэффициент пропускания. Сами жидкие кристаллы не светятся, видны только в отражённом или проходящем свете. Структура индикатора представлена на рисунке 48.

При подаче на электрод сигнала и прохождении света, жидкие кристаллы над электродом мутнеют.

Рисунок 48

3.Холестерическое состояние (доступно не для всех жидких кристаллов).

На рисунке 47 в изображены несколько срезов вещества. В каждом слое молекулы расположены параллельно, но под разными углами в различных сечениях. При этом если посмотреть на одну локальную точку всей толщи жидких кристаллов, то эти молекулы образуют спираль, называемую

50