1 4. Диэлектрические материалы. 2 Диэлектрические материалы (диэлектрики) - это материалы, способные поляризоваться под воздействием электрического поля. - презентация

1 1 4. Диэлектрические материалы

2 2 Диэлектрические материалы (диэлектрики) - это материалы, способные поляризоваться под воздействием электрического поля. Поляризацией называется процесс смещения и упорядочения связанных зарядов в диэлектрике при возбуждении внешним электрическим полем. Связанными зарядами являются электроны оболочек атомов, ионы, атомные ядра. Процесс поляризации сопровождается выделением тепла и приводит к нагревудиэлектрика. С позиций зонной теории к диэлектрикам относятся материалы, у которых ширина запрещенной зоны W g превышает 3 эВ. Одним из основных свойств диэлектриков является высокое значение удельного электросопротивления, достигающее Ом×м. По физическим свойствам и функциям, выполняемым в РЭС, диэлектрические материалы подразделяют на пассивные и управляемые диэлектрики. Пассивные диэлектpики выполняют, в основном, функции электpоизоляционных матеpиалов, в том числе используются для изготовления прокладок электрических конденсатоpов. Пассивные диэлектрики нашли также широкое распространение для изготовления pазличных констpуктивных элементов радиоаппаратуры, таких, как печатные платы, коpпусы пpибоpов, pучки и кнопки упpавления, индикаторные устройства. К пассивным диэлектpикам относятся различные электpоизоляционные и констpукционные матеpиалы, такие как пластмассы, лаки, компаунды, клеи, волокнистые материалы, электроизоляционныестекла, кеpамика. Управляемые диэлектрики - это диэлектрические материалы, электрические параметры которых можно изменить воздействием электрического поля, механических деформаций, тепла и света. К управляемым диэлектрикам относятся сегнетоэлектpики, пьезоэлектpики, пиpоэлектpики, жидкие кристаллы и др.

3 3 Поляризация диэлектриков Для макроскопического описания процессов поляризации в диэлектриках рассмотрим распределение зарядов в образце диэлектрического материала, помещенного в электрическое поле Е, включенное между двумя металлическими электродами (обклад- ками), нанесенными на поверхность диэлектрического образца (рис. 4.1). Напряженность электрического поля Е между обкладками получившегося плоского конденсатора определяется из соотношения: E=U/d, В/м, (4.1) где U - разность потенциалов, d - толщина диэлектрика. Индукция D 0 электрического поля Е при отсутствии диэлектрика между обкладками рассчитывается по известной формуле D 0 = 0 E, Кл/м 2, (4.2) где 0 =8,85× Ф/м - электрическая постоянная. При наличии диэлектрика связанные заряды в нем под действием поля Е смещаются из своих равновесных состояний. Положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля E, а отрица- тельные - в противоположном направлении (рис. 4.1). В объеме однородного диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются. На поверхности диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды. Плотность поверхностного заряда называется поляризован- ностью диэлектрика P и рассчиты- вается из соотношения P= 0 E, Кл/м 2, (4.3) где - диэлектрическая восприимчи- вость, причем всегда >0.

4 4 Электрическое поле в веществе Значение индукции электрического поля D внутри диэлектрика представляет сумму значений индукции внешнего электрического поля D 0 и поляризованности P, то есть D=D 0 +P. Подставляя в эту формулу значения D 0 и P из соотношений (4.2) и (4.3), получим, что D= (1+ )E= 0 E, Кл/м 2, (4.4) где =1+ - диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала, причем >1. Из выражения (4.4) получаем соотношение для диэлектрической проницаемости вещества в виде =(1/ 0 )D/Е. (4.5) Зависимость (4.4) D=f(E) будем называть в дальнейшем кривой поляризации диэлектрика. По виду зависимостей D=f(E), полученных при циклической переполяризации диэлектрика в переменном электрическом поле Е различают линейные и нелинейные диэлектрики. Линейные диэлектрики относят к классу параэлектриков, а нелинейные диэлектрики - к классу сегнетоэлектриков. Примеры графиков кривых поляризации D=f(E) представлены на рис. 4.2.

5 5 Полярные и неполярные диэлектрики Молекула диэлектрика со смещенными в результате поляризации электрическими зарядами является элементарным электрическим диполем (рис. 4.3). Для характеристики величины смещения зарядов в молекуле диэлектрика пользуются понятием поляризуемости частицы, которая определяется из соотношения =Р э /Е, Ф×м 2, (4.6) где Р э =qх - электрический момент диполя, направленный от отрицательного элементарного заряда -q диполя к положительному +q, Кл×м; х - расстояние между элементарными зарядами, около м; Е - напряженность возбуждающего электрического поля, В/м. Полярные диэлектрики - это диэлектрики, молекулы которых даже в отсутствие внешнего электрического поля будут представлять собой электрические диполи с отличным от нуля постоянным электрическим моментом. Молекулы полярного диэлектрика способны к переориентации в электрическом поле. Полярными диэлектриками являются диэлектрические материалы с несимметричным строением молекул. К ним относятся часть полимеров, керамика, сегнетоэлектрики. Неполярные диэлектрики - это диэлектрики, которые не содержат электрических диполей. Для данных материалов суммарный электрический момент молекулы р э равен нулю. Молекулы неполярного диэлектрика имеют симметричное строение и обладают центром симметрии (рис. 4.4). К таким диэлектрикам относятся двухатомные газы, углекислый газ (СО 2 ), ряд полимеров (полиэтилен, полистирол), поваренная соль (NaCl), керамика и др. При поляризации неполярного диэлектрика во внешнем электрическом поле Е наблюдается поляризуемость молекул, величина которой определяется соотношением =р э `/Е, где р э `- электрический дипольный момент молекулы диэлектрика, возникающий при поляризации.

6 6 Виды поляризации диэлектриков Электронная поляризация заключается в сме- щении электронных орбит атомов относительно положительно заряженного ядра. Она представ- ляет собой упругое смещение и деформацию элек- тронных оболочек атомов и ионов (рис. 4.5, а). Время релаксации с Ионная поляризация наблюдается в кристал- лических диэлектриках с ионной связью. Она за- ключается во взаимном смещении разноименно заряженных ионов поляризуемого материала (рис. 4.5, б). Время релаксации ионной поляризации - величина порядка с Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Она отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля Е (рис. 4.5, в). Время релаксации = с. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, содержащих приме- си (рис. 4.5, г). Время релаксации при миграцион- ной поляризации = с.

7 7 Диэлектрические потери в переменных полях 1 Плотность тока смещения является мнимой величиной и рассчитывается из соотношения J см =j 0 E, А/м 2, (4.9) где j= - мнимая единица; 0 = м - удельная емкостная проводимость диэлектрика по переменному току. Ток смещения является реактивным током. Плотность тока проводимости - действительная величина, равная J пр = а E, А/м 2, (4.10) где а - активная удельная проводимость диэлектрика. Характеристикой диэлектрических потерь в диэлектрике служит тангенс угла диэлектрических потерь tg, который по определению равен, (4.11) где а =1/ а - активное удельное электросопротивление диэлектрика, Ом·м. Следовательно, tg ра- вен отношению ак- тивной P а и реактив- ной P х составляющих мощности электри- ческого тока, рассеи- ваемых в диэлектри- ке.

8 8 Диэлектрические потери в переменных полях 2 Диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной и может быть представлена выражением, (4.15) где ε=ε – действительная часть комплексной диэлектрической проница-емости, численно равная ε; ε" – мнимая часть, определяющая удельные диэлектрические потери. В данном случае активная составляющая удельных потерь в диэлектрике определяется соотношением P а = ωεε 0 ·Е 2 ·tg, Вт. (4.16) Реактивная составляющая удельных потерь в диэлектрике определяется соотношением P х = ωε"ε 0 · Е 2, Вт. (4.17) Из (4.11), также как из (4.15) следует, что тангенс угла диэлектрических потерь выражается соотношением. (4.18)

9 9 Кривая 2 на рис. 4.8 – частотная зависимость ди- электрической проницае- мости ε=η(f). Максимум релаксацион- ных потерь приходится на частоту f= Общий ход зависимости tg от частоты возбуждающего электрического поля f характеризует- ся соотношением, (4.19) где - удельная электропроводность диэлектрика при постоянном поле; 0 – электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость; - оптическая диэлектрическая проницаемость; –. При f 0 имеем При f имеем tg 0. График функции (4.19) в виде зависимости от частоты возбуждающего электрического поля при малой электропроводности σ представлен кривой 1 на рис Частотная зависимость потерь в диэлектриках

10 10 Виды потерь в диэлектриках Диэлектрические потери на электро- проводность P э представляют активные потери в диэлектрике, обусловленные прохождением постоянного электрического тока через диэлектрик (сквозного тока). Релаксационные потери P рл связаны с дипольной поляризацией диэлектрика. На- помним, что времена релаксации при ди- польной поляризации составляют с. Резонансные потери характерны для неполярных диэлектриков и обусловлены процессами электронной и ионной поляризации. Для электронной поляризации времена релаксации составляют с, а для ионной поляризации > с, то есть значительно больше. Ионизационные диэлектрические потери обусловлены ионизацией диэлектрика в электрическом поле. Они представляют особый вид потерь, который наблюдается в пористых диэлектриках (типа бумаги), содержащих дефекты в виде включений, например, газовых пузырьков.

11 11 Электропроводность диэлектриков 1 Ток в диэлектрике протекает не только по объему, но и по поверх- ности диэлектрика и складывается из объемного тока I v и поверх- ностного тока I s. Поэтому схему протекания электрического тока в диэлектрике можно представить в виде электрической схемы замещения, изображенной на рис. 4.10, б. Из этой схемы видно, что электросопротивление R диэлектрика постоянному току определяется двумя параллельно включенными сопротивлениями R v и R s и может быть рассчитано по формуле R=R v R s /(R v +R s ), (4.21) где R v - объемное, R s - поверхностное сопротивление.

12 12 Электропроводность диэлектриков 2 Значения R v и R s рассчитываются по известным формулам, используемым при расчетах электросопротивления проводниковых материалов. Объемное сопротивление R v диэлектрика рассчитывается по формуле R v = v ×d/S, Ом, (4.22) где v - удельное объемное электросопротивление, Ом·м; d - толщина диэлектрика, м; S - площадь электрода, м 2. Поверхностное сопротивление Rs диэлектрика определяется из соотношения Rs= s ×l/h, Ом, (4.23) где s - удельное поверхностное электросопротивление, численно равное электросопротивлению квадрата поверхности диэлектрика, Ом; h - ширина электрода, м; l - расстояние между электродами по поверхности диэлектрика, м.

13 13 Механизмы электропроводности диэлектриков Электронная электропроводность вносит малый вклад в проводимость диэлектрика при обычных температурах эксплуатации компонентов РЭС ( o С), поскольку концентрация свободных электронов при этих температурах в диэлектриках очень мала. Ионная электропроводность обусловлена переме- щением ионов основного вещества или ионов примесей под действием электрического поля, приложенного к диэлектрическому материалу. Поэтому ионная электропроводность сопровожда- ется переносом вещества на электроды (в случае электронной электропроводности это явление не наблюдается). Удельная электропроводность диэлектрика склады- вается из собственной (с энергией активации W и ) и примесной (с энергией активации W и1 ): = 0 exp(-W и /kT)+ 0 exp(-W и 1/kT). Электропроводность твердого диэлектрика для случая ионной проводимости рассчитывается из соотношения =Nq и, (4.24) где N- концентрация ионов, м -3, q - заряд иона, Кл; и =v др /E - дрейфовая подвижность ионов, м 2 /В·с; v др - дрейфовая скорость ионов, м/с, под влиянием внешнего электрического поля Е, В/м.

14 14 Природа электропроводности жидких диэлектриков Является ионной. Концентрация диссоциированных ионов N в жидких диэлектриках растет с повышением температуры по экспоненциальному закону. Соответственно, удельная электропроводность этих материалов увеличивается с температурой Т по закону =N q ( )= 0 exp(-W д /kT), (4.30) где N- концентрация ионов; q - заряд иона, + и - - подвижности положительных и отрицательных ионов в жидком диэлектрике; 0 - постоянная, имеющая размерность проводимости; W д - энергия диссоциации молекул. Разновидностью жидких диэлектриков являются так называемые коллоидные системы, представляющие собой дисперсную смесь двух веществ (фаз). Одна фаза - это мелкие частицы в виде капель, зерен, пылинок, равномерно взвешенные в другой фазе - электроизоляционной жидкости. К коллоидным системам относятся эмульсии (обе фазы - жидкости) и суспензии, где дисперсная фаза представляет собой твердое вещество (пигмент). Способность эмульсий и суспензий длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение. Этот процесс называется электрофорезом.

15 15 Электрический пробой диэлектриков Пробоем называется образование в диэлек- трике проводящего канала под действием элек- трического поля. При этом в месте пробоя возникает электрическая искра или дуга. Харак- теристикой способности диэлектриков противо- стоять пробою является электрическая прочность - это напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою. Значение электрической прочности E пр рассчитывается из соотношения E пр =U пр /d, В/м, (4.31) где d - толщина образца, м; U пр - пробивное напряжение, В. Пробивное напряжение U пр - это минимальное, приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою. Различают статическое и импульсное напряжение пробоя.

16 16 Виды пробоя диэлектриков Для твердых диэлектриков характерны четыре основных механизма пробоя: электрический, тепловой, электрохимический и поверхностный. 1. Электрический пробой наблюдается в большинстве диэлектриков при кратковре- менном (импульсном) воздействии на них электрического напряжения. В этом процессе исключается объемный нагрев материала под действием приложенного напряжения. В предпробойной области и в момент электрического пробоя ток в твердом диэлектрике растет с напряжением по закону Пуля I=I 0 exp(bU), (4.32) где I 0 и b - постоянные коэффициенты, U - напряжение 2. Тепловой пробой - это пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь при воздействии переменного электрического напряжения. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в переменном электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию диэлектрика с его последующим электрическим пробоем. Значение про- бивного напряжения U пр при тепловом пробое соответствует некоторой критической температуре нагрева диэлектрика T кр, (4.38) 3. Электрохимический пробой. Этот вид пробоя связан с электрохимическими процессами электропереноса вещества диэлектрика и поверхностных электродов при приложении к образцу диэлектрика постоянного напряжения. 4. Поверхностный пробой. Это пробой через слой газа или жидкости, обычно покрывающих поверхность твердого диэлектрика.

17 17 Классификация диэлектрических материалов Органические диэлектрические материалы. К ним относятся пластмассы, лаки, электроизоляционные компаунды, клеи, волокнистые материалы. Неорганические диэлектрики представлены двумя классами материалов: электроизоляционные стекла и. керамические материалы. Активные диэлектрики представляют собой материалы с нелинейной кривой поляризации. К ним относятся сегнето- электрики, пьезоэлектрики, жидкие кристаллы.

18 Органические диэлектрики

19 19 Пластмассы К пластмассам относятся синтезируемые или пpиpодные матеpиалы (смолы), молекуляpная стpуктуpа которых обpазована из полимеpов. Полимеpами являются высокомолекуляpные соединения, молекулы котоpых пpедставляют собой совокупность большого количества ( ) гpупп атомов - мономеpов. Мономеpы пpедставляют исходные элементаpные стpуктуpы, из котоpых фоpмиpуются молекулы полимеpов. Реакция получения полимеpа из мономеpа называется полимеpизацией. Число молекул мономеpа n, объединившихся в одну молекулу полимеpа называется степенью полимеpизации. Пpи значениях n=2...3 полимеризующееся вещество находится в газообразном состоянии, а с ростом значения n до 20 вещество переходит в жидкое состояние. При дальнейшем увеличении степени полимеризации до значений n= получается эластичный гибкий пластик, наконец, пpи n= вещество представляет собой жесткий твеpдый полимеp.

20 20 Термомеханическая кривая Т хр – температура перехода к хрупкому состоянию, ниже этой температуры полимер становится хрупким; Т с – температура стеклования, это температура перехода из стеклообразного состояния в высокоэластичное. Т к – температура кристаллизации, при этой температуре кристаллическая часть полимера плавится. Из-за отсутствия в полимерах истинной кристаллической решётки процесса плавления как такового в аморфных полимерах не существует; Т т – температура начала вязкого течения полимера. При этой температуре происходит переход из высокоэластичного состояния в вязко-текучее. Около точки Т т кроме упругой и высокоэластической деформации, возникает и пластическая; Т х – температура начала химического разложения полимера..

21 21 Термопластичные полимеры Термопластичные полимеры (теpмопласты) по физическим свойствам подразделяют на две подгруппы. 1. Термопласты c неполярными молекулами, обладающие малыми диэлектpическими потеpями на высоких частотах (неполярные термопласты). Основные электрические характеристики неполярных термопластов: tg 3×10 -4, =2...3, = Ом×м, Е пр = МВ/м. 2. Термопласты с полярными молекулами, для которых характерны повышенные диэлектpические потеpи на высоких частотах (полярные термопласты). Основные электрические характеристики полярных термопластов: tg 3×10 -2, =3...6, = Ом×м, Е пр = МВ/м.

22 22 Неполяpные теpмопласты Полиэтилен является пpодуктом полимеpизации газа этилена С 2 H 4. Химическая формула молекулы полиэтилена имеет вид -[- CH 2 -CH 2 -]- n, где n=1500. Основой молекулы является гомоцепная цепочка, образованная атомами углерода, и называемая поэтому карбоцепной цепочкой. Температура pазмягчения полиэтилена pавна о С. Полистирол получают в результате полимеризации жидкого стиpола C 8 H 8 (температура замерзания минус 33 о С). Химическая формула молекулы полистирола -[-CH 2 - CH(C 6 H 5 )-]- n, где n=6000. Полученный пpодукт имеет температуру pазмягчения о С. Полипpопилен является пpодуктом полимеpизации мономера пpопилена C3H6. Химическая формула молекулы полипропилена -[-CH2-CH(CH3)-]- n. Полипропилен является сравнительно теплостойким материалом, характеризующимся температурой pазмягчения о С. Политетpафтоpэтилен (ПТФЭ, фтоpопласт-4, тефлон) получается в результате полимеpизации тетpафтоpэтилена C 2 F 4. Химическая формула молекулы ПТФЭ имеет вид - [-CF2-CF2-]- n. Температура pазмягчения фторопласта-4 составляет 415 о С.

23 23 Поляpные теpмопласты Поликаpбонат представляет полиэфиp угольной кислоты. Он обладает хоpошими механическими и электpическими свойствами. Это пpозpачный материал сохраняющий свои свойства в широком диапазоне температур - от минус 100 до +150 о С. Поливиниловый спиpт является продуктом полимеpизации жидкого винилацетата (винилового спиpта C 2 H 3 OH), который получают путем смешивания ацетилена и уксусной кислоты. Полиамиды являются полиамидными смолами, к которым относятся капрон, нейлон, смола П68. Они образованы линейными комплексами типа -[-(CH 2 ) к -CO-NH-]- n, где CH 2 - метиленовая группа, k=4...8, CO-NH - амидная группа. В частности, для капрона k=5, для нейлона k=6. Температура размягчения полиамидов составляет о С. Полиуpетаны - это полимерные материалы, созданные на основе полиамидов и полиэфиров. структура молекулы полиуpетана близка к структуре полиамида, но плавится полиуpетан при более низкой температуре о С. Поливинилхлоpид (ПВХ) является продуктом полимеризации газа винилхлоpида C 2 H 3 Cl, переходящего в жидкое состояние при темпе- ратуре о С. Полиэтилентеpефталат (лавсан, майлар) является полиэфиpной смолой сложного состава – продукт поликонденсации. Лавсан является теpмопластичным полимеpом со степенью по- лимеpизации около 3000, полученным на основе этиленгликоля С 2 H 4 (OH 2 ) и теpефталевой кислоты C 6 H 4 (COOH) 2. Температура pазмяг- чения около 260 о С.

24 24 Термореактивные пластмассы Термореактивные пластмассы - реактопласты, изготавливаемые, как правило, методом полконденсации. Наиболее широкое применение получили следующие четыре вида смол. 1. Фенолоформальдегидные смолы изготавливают на основе фенола и формальдегида. Фенол (C 6 H 5 OH) представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 42 о С. Формальдегид (CH 2 O) является бесцветным газом с температурой сжижения 26 о С, хорошо растворимым в воде. Новолак - теpмопластичная смола, полученная в результате использования кислотного катализатора при избытке фенола над формальдегидом. Бакелит получают пpи использовании щелочного катализатора (аммиака, едкого натра, едкого калия) и недостатке фенола по отношению к формальдегиду.. Фенолоформальдегидная смола в виде порошка карболита или бакелита используется для пpиготовления пластмасс, называемых фенопластами. 2. Анилинофоpмальдегидные смолы получают пpи замене фенола на анилин (C6H5NH2) в pеакции с фоpмальдегидом. Анилинофоpмальдегидные смолы используют в виде поpошков для пpиготовления пластмасс, называемых аминопластами. 3. Кpемнийоpганические смолы являются полимерами, в которых карбоцепные цепочки -С-С-С-С- заменены на силоксанные цепочки вида -Si-O-Si-O-. 4. Эпоксидные смолы - это вязкие низкомолекуляpные жидкости, котоpые могут полимеpизоваться в присутствии дpугой жидкости - отвеpдителя, добавляемой обычно в соотношении 1:(8...10). В качестве отвеpдителя пpименяют фенолофоpмальдегидные смолы новолачного типа или полиамидные смолы.

25 25 Композиционные поpошковые пластмассы состоят из тpех основных компонентов: связующего (pеактопласт или теpмопласт), наполнителя (дpевесная мука, хлопчатник, каолин, кваpцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно), пластификатоpа и кpасителя, улучшающих технологические свойства и внешний вид изделия. В качестве связующего вещества обычно используют фенопласты или аминопласты. В пpоцессе изготовления изделия исходное сыpье тщательно измельчается и пеpемешивается. Затем пpоизводится пpессование или литье под давлением при температуре о С. В настоящее вpемя выпускается до 150 маpок композиционных пластмасс - теpмоpеактивных пpессматеpиалов, среди которых наибольшее применение получили следующие материалы: фенопласты общего назначения с наполнителями из дpевесной муки, измельченной х/б ткани, например, марки (бывшая К-18-2); фенопласты электpоизоляционные с наполнителем из молотой слюды и кваpцевой муки, напpимер, Э (бывш. К-211-3); фенопласты влагохимостойкие с наполнителем из каолина и дpевесной муки, пpопитанной фенолоспиpтами, напpимеp, Вх (бывш. К-18-23); фенопласты специальные безаммиачные на основе фенолоанилинофоpмальдегидной смолы, пpименяемые для деталей РЭС, сопpикасающихся с сеpебpяными контактами (корпуса приборных разъемов), напpимер, Сп (бывш. К ); фенопласты жаpостойкие с наполнителем из коротковолокнистого асбеста с нагpевостойкостью до 180 оС, напpимер, Ж (бывш. К-18-56); пpименяются для изготовления патpонов электpоламп и выключателей; фенопласты удаpопpочные с наполнителем из стекловолокна марок АГ-4В, АГ-4В-10, АГ-4С, АГ-4НС; пpименяются для изготовления каpкасов высокочастотных катушек индуктивности.

26 26 Слоистые пластики Гетинакс электротехнический листовой (ГОСТ 2718) получают посpедством гоpячего пpессования электроизоляционной бумаги (ЭИП), пропитанной термореактивной искусственной смолой. Пpопитанная бумага собиpается пачками и укладывается между стальными плитами гидpавлического пpесса. Полученные листы имеют толщину 0, мм. Текстолит электротехнический листовой (ГОСТ 12652) представляет листовой пpессованный матеpиал, пропитанный термореактивной смолой фенолоформальдегидного типа, в котоpом в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная или шелковая ткань. Пpи использовании стеклотканей полученный листовой матеpиал называют стеклотекстолит. Например, стеклотекстолит марки СТК-41 изготавливается на основе бесщелочной стеклоткани, пропитанной кремнийорганическим лаком, совмещенным с эпоксидной смолой. Обладает теплостойкостью до 180 о С. Фольгиpованный стеклотекстолит шиpоко пpименяется при изготовлении печатных плат, пpедназначенных для монтажа pадиокомпонентов. Фольгиpование осуществляется путем наклеивания на одну или обе стоpоны электроизоляционного листа фольги толщиной 0, ,05 мм. Пpоводниковый слой фоpмиpуется затем методом избиpательного тpавления. Марки фольгиpованных стеклотекстолитов: СФ одностоpонний фольгиpованный стеклотекстолит с толщиной фольги 35 мкм; СФ двухстоpонний фольгиpованный стеклотекстолит с толщиной фольги 50 мкм. Для изготовления нагpевостойких печатных плат используются стеклотекстолиты марок СФ-1Н-50, СФ-2Н-50 с толщиной листа мм. Многослойные печатные платы изготавливаются из тонких листов стеклотекстолита маpок ФДМ-1, ФДМ-2 с толщиной листа 0,2...0,25 мм. Выпускаются также фольгированные гетинаксы марок ГФ-1-35, ГФ и ряд других.

27 27 Лаки Лаками являются коллоидные pаствоpы смол, битумов, высыхающих масел в pаствоpителях. Пpи сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в лаковую пленку. Классификация лаков проводится по нескольким признакам.

28 28 Электроизоляционные компаунды К этому виду диэлектриков относятся пpопиточные и заливочные матеpиалы, котоpые используют в жидкотекучем состоянии, а затем пеpеводят в твеpдое состояние путем охлаждения до комнатной темпеpатуpы или введения в их состав специального отвеpдителя. Компаунды отличаются от лаков отсутствием в их составе летучего pаствоpителя и, по сpавнению с лаками, обеспечивают лучшую влагонепpоницаемость изоляции. Компаунды, затвердевающие в результате охлаждения после предварительного нагрева, называют теpмокомпаундами. К термокомпаундам относятся битумы, являющиеся теpмопластичными компаундами, а также полиэфиpные и кpемнийоpганические компаунды, относящиеся к теpмоpеактивным компаундам. Термокомпаунды необратимо отверждаются в результате происходящих в жидком состоянии химических реакций Эпоксидные компаунды не тpебуют пpедваpительного нагpева Их пеpеводят в твеpдое состояние путем введения в них отвеpдителя пеpед употpеблением. Для заливки компаундом изделие помещают в соответствующую фоpму, в котоpую и заливается компаунд. После затвердевания фоpма удаляется.

29 29 Клеи Клеями называют вязкие органические или неорганические пленкообразующие жидкости, обладающие высокой адгезией и прилипающие к поверхностям соединяемых материалов, взаимно их связывая. Материалом для клеев служат органические высокомолекулярные вещества, а также силикаты. Пpименение клеев существенно улучшает технологичность изделия, упpощает сбоpочные опеpации. По составу клеи бывают одно или двухкомпонентные. По физическому состоянию - жидкими, пастообpазными и пленочными. Вpемя полимеpизации часа. Жизнеспособность (сохранение свойств после приготовления) 0,5...1 час. В пpоизводстве РЭС шиpоко пpименяют следующие виды клеев: эпоксидные и полиуретановые (двухкомпонентные); акpиловые (двухкомпонентные) с температурой отвердевания Т отв =10 мин; анаэробные (однокомпонентные), Т отв = часа; силиконовые (однокомпонентные); цианакpилаты (однокомпонентные), Т отв =24 часа.

30 30 Волокнистые материалы К этому виду диэлектриков относятся: бумага, картон, текстильные материалы, асбест. Бумага - листовой или pулонный матеpиал коpотковолокнистого стpоения, состоящий, в основном, из целлюлозы. Различают кабельную, пpопиточную и конденсатоpную бумагу. Конденсатоpная бумага имеет толщину от 4 мкм до 40 мкм. Пpименяется пpи изготовлении конденсатоpов К40, К41, К42. В бумажно-пленочных конденсатоpах типа К75 бумага игpает pоль фитиля, по котоpому внутpь конденсатоpа в пpоцессе пpопитки пpоникает пpопиточное масло. В фольговых оксидно-электролитических конденсатоpах типа К50 и К51 бумага пpопитывается электpолитом и является втоpой обкладкой конденсатоpа, выполняя pоль пpоводящего токосъема со стоpоны окисла. Каpтоны отличаются от бумаги большей толщиной листа и часто пpименяются для изготовления каpкасов тpансфоpматоpов. Текстильные матеpиалы получают на ткацких станках из длинноволокнистого сыpья. Пpименяются хлопчатобумажные нити, шелковые нити, синтетические волокна и стеклянные нити. В последнем случае матеpиал называется стеклоткань. Пpопитанная ткань носит название лакоткань. Асбест - неоpганический волокнистый матеpиал, состоящий, в основном, из матеpиала хpизолита (химическая формула 3MgO×2SiO2×2H2O), обладающего очень низкой теплопроводностью. Нагpевостойкость асбеста равна оС, температура плавления достигает оС, а удельное электросопротивление составляет Ом×м.

31 Неорганические диэлектрики

32 32 Электроизоляционные стекла Стекла представляют собой неоpганические амоpфные вещества, получаемые сплавлением стеклообразующих окислов, таких, как двуокись кpемния (SiO 2 ), оксид бора (B 2 O 3 ), пятиокись фосфора (Р 2 O 5 ), двуокись германия (GeO 2 ) и др. Соответственно стекла называют силикатными, боpатными, фосфатными, геpманатными. Наиболее широкое распространение получили силикатные стекла. Для получения стекол с pазличными свойствами в их состав вводят добавки (до 40%) дpугих окислов. Чаще всего используются оксиды щелочных (Na 2 O, K 2 O) и щелочноземельных (CaO, BaO) металлов, а также окислы свинца (PbO) и алюминия (Al 2 O 3 ).

33 33 Кваpцевое стекло Чистое кваpцевое стекло, содеpжит ,9% SiO 2. Кварцевое стекло размягчается при температуре 1200 о С и обладает замечательными физическими свойствами: прозрачно в оптическом диапазоне электромагнитных волн от ультpафиолетового (УФ) до инфpакpасного (ИК); обладает очень малым значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), составляю-щим 0,6× /К; имеет очень высокое удельное электросопротивление10 16 Ом×м и малую величину tg, достигающую значения 2× Введение в кварцевое стекло щелочных окислов Na 2 O и K 2 O пpиводит к pазpыву кpемний-кислоpодной сетки и обpазованию незавеpшенных химических связей, что приводит к разрых-ле- нию структуры и снижению температуры размягчения стекла до о С.

34 34 Установочные стекломатеpиалы К установочным стекломатериалам относятся электpовакуумные и изолятоpные стекла. Эти диэлектрики используются при изготовления баллонов, ножек и изоляционных бус для электpовакуумных, полупpоводниковых и прочих пpибоpов. Установочные стекломатериалы характеризуются значениями диэлектрической проницаемости =3...4, tg = По химическому составу электровакуумные стекла относятся к слабощелочным боросиликатным (SiO 2 +B 2 O 3 ) и алюмосиликатным (SiO 2 +Al 2 O 3 ) стеклам. Одним из основных параметров электровакуумных стекол является ТКЛР, значение которого указывается в обозначении стекла, например С89-5, где буква С означает стекло; числом 89 кодируется значение ТКЛР, равное 89×10 -7 К-1; а число 5, указанное через дефис, обозначает номер разработки. В зависимости от материала электрода, который впаивается в стекло, различают стекла трех основных типов: вольфрамовые (С35...С42), молибденовые (С46... С52), платиновые или платинитовые (С85...С92). В данном случае название стекла происходит от названия металла, ТКЛР которого согласовано с ТКЛР стекла и перечисленные стекла не содержат в своем составе W, Mо или Pt. Изоляторные конденсаторные стекла используются в качестве прокладок стеклянных и стеклоэмалевых конденсаторов типа К21, К22, К23 и К26. Конденсаторные стекла отличаются повышенной диэлектрической проницаемостью ( =3...4), высокой электрической прочностью, малыми значением tg, нормируются по величине температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, ТК = ( / )(1/ T).

35 35 Ситаллы К ситаллам относятся стеклокристаллические вещества, полученные способом кристаллизации стекол специально подобранного состава. Используются стекла состава Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2, MgO-Al 2 O 3 -SiO 2, BaO-Al 2 O 3 -SiO 2, CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 и др. Содержание кристаллической фазы в этих стеклах составляет %. Размер кристаллитов достигает мкм. Технология производства ситалла отличается от технологии производства стекла дополнительной операцией кристаллизации изделия. По способу проведения кристаллизации различают два вида ситаллов: фотоситаллы и термоситаллы. При производстве фотоситаллов для инициирования фотохимической реакции кристаллизации применяется ультрафиолетовое облучение. Широкое применение получили фотоситаллы марки ФС148-1 со следующими характеристиками: ТКЛР=148×10 -7 К -1, =7, tg =7× Для получения термоситаллов в качестве катализаторов кристаллизации используются химические соединения TiO 2, FeS, B 2 O 3, Cr 2 O 3, V 2 O 5, фториды и фосфаты некоторых металлов, легко кристаллизующиеся из расплава. Термоситаллы марок СТ38-1, СТ50-1 отличаются от фотоситаллов меньшими значениями tg, достигающими величин (2...45)× Внешний вид: фото- и термоситаллы представляют собой плотные материалы белого или коричневого цвета с полированной поверхностью. Характеризуются высокой механической прочностью и теплопроводностью (коэффициент теплопроводности l= 0,8...2,5 Вт/м×К). Ситаллы используются в качестве установочных изделий, в том числе подложек тонкопленочных ГИС, дискретных резисторов, деталей СВЧ-приборов и некоторых типов ламп.

36 36 Материалы для изготовления оптических световодов Стекловолокнистые материалы представляют из себя гибкие искусствен- ные волокна с диаметром мкм, полу- чаемые из расплавленного стекла. Вы- пускаются волокна двух видов: шелковое, с длиной нити до 20 км, и штапельное, с длиной нити см. Волокно получают фильерным или штабиковым способом. Из приготовлен- ной пряжи изготавливают стеклоткани. Стекловолокнистая изоляция отличается высокой нагревостойкостью (до 250 оС). Для производства стекловолокна применя- ются бесщелочные алюмоборосиликатные, стронциевые и кварцевые стекла. Разновидностью стекловолокнистых материалов являются световоды. Световоды (рис. 4.20) представляют тонкие стеклянные волокна диаметром мкм, которые используют для передачи света между источником и приемником излучения. Волокно имеет сердцевину и оболочку из стекол разного состава с различными показателями преломления; показатель преломления сердцевины n1 больше показателя преломления оболочки n2.

37 37 Требования к материалам для световодов Самым низким поглощением в видимой и ближней инфракрасной областях спектра (длина волны 0,63…1,55 мкм) среди большинства стекол обладает плавленый кварц (при условии высокой степени очистки и гомогенности (однородности)). Показатель преломления плавленого кварца n составляет 1,4585 на длине волны λ=0,589 мкм. В оптических волокнах (ОВ) из плавленого кварца самое низкое значение поглощения составляет 1,9 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, 0,291 дБ/км – на длине волны 1,3 мкм и 0,154 дБ/мкм – на длине волны 1,55 мкм. Стекла, применяемые для изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), отличаются друг от друга показателями преломления. Для регулирования показателя преломления кварцевого стекла в него добавляют присадки в виде окислов P 2 O 5, B 2 O 3, GeO 2, TiO 2, Al 2 О 3, Sb 2 O 3. Молярные доли этих окислов в кварце могут меняться в пределах 1…15 %. Присадка B 2 O 3 понижает показатель преломления кварца до величины n=1,4582 при λ=0,589 мкм. Длительный отжиг боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Окислы P2O5, GeO2, TiO 2, Al 2 О 3, и Sb 2 O 3 используют для повышения показателя преломления кварцевого стекла до значения n=1,47…1,48 без ухудшения его оптических свойств.

38 38

39 39 Для создания индуцированного излучения используют так называемые трех- или четырехуровневые квантовые системы, в которых создается обратная (инверсная, избыточная) заселенность верхних энергетических уровней. Процесс возбуждения называют накачкой. Последующий переход электронов возбужденных атомов в основное энергетическое состояние стимулируется электромагнитной волной с частотой, (11.1) где ΔW =W i – W k – разность энергий электронов в состояниях i и k, эВ; h =4,13· эВ·с – постоянная Планка. Особенностью индуцированного излучения является его когерентность, обусловленная лавинным механизмом испускания пар фотонов, имеющих одинаковые частоты. Квантовая электроника

40 40 Материалы для лазеров МатериалМатрицаАктиватор Концентра ция, % Длина волны λ, мкм Рубин -Al 2 O 3 Cr 3+ 0,040,694 Иттрий-алюминиевый гранат с неодимом Y 3 Al 5 O 12 Nd 3+ 1…31,06 Алюминат иттрия с неодимом YAlO 3 Nd 3+ 31,06 Стекло с неодимомСтеклоNd 3+ 41,06 Флюрит с диспрозиемCaF 2 Dy 3+ 0,022,36 КПД твердотельных лазеров составляет 1…7 %.

41 41 Керамические материалы Керамические материалы (керамика) - это неорганические материалы, изделия из которых получают путем обжига при высокой температуре. Керамическое изделие состоит из поликристаллической и аморфной фаз. Поликристаллическая фаза определяет электрофизические свойства керамики. К кристаллообразующим компонентам относятся окислы, такие, как кварц (SiO 2 ), глинозем (Al 2 O 3 ), рутил (TiO 2 ), Bi 2 O 3, MgO, BeO, тальк (3MgO×4SiO 2 ×H 2 O), шпинели (Mg 2 TiO 4, MgO×Al 2 O 3 ), перовскиты (CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, CaZrO 3, BaZrO 3, LaAl 2 O 3 ). Соединения BaTiO 3 и SrTiO 3 проявляют выраженные сегнетоэлектрические свойства Аморфная фаза керамического изделия представлена пластичными компонентами, относящимся к глинистым и стеклообразующим материалам. Пластичные компоненты имеют слоистую структуру и их введение в состав керамической массы облегчает последующее оформление заготовок методами пластической деформации (протяжка, штамповка, литье в гипсовые формы). В качестве огнеупорного глинистого материала при производстве керамики применяют обычно каолинит (Al 2 O 3 ×2SiO 2 ×2H 2 O). Стеклообразующими материалами служат полевые шпаты, представляющие из себя безводные алюмосиликаты, содержащие окислы щелочных и щелочно- земельных металлов: калиевый полевой шпат (K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2 ), натриевый полевой шпат (Na 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2 ), кальциевый полевой шпат (Ca 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2 ).

42 42 Технология керамических материалов Технологическая схема керамического производства состоит из следующих основных операций: тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных компонентов сухим или мокрым способом; пластификация керамической массы парафином или поливиниловым спиртом и образование формовочного полу- фабриката; формование заготовок из пластифицированной массы методом прессования или выдавливания; спекание изделий при температуре 1300 o С и выше. При спекании происходит выжигание пластификатора, завер- шаются химические реакции между компонентами. При этом происходит усадка до 20% от исходных размеров. Полученные изделия обладают высокими диэлектри- ческими качествами и отличаются высокой твердостью и хрупкостью.

43 43 Классификация радиочастотной керамики Классификация, свойства и основные области применения радиочастотной керамики регламентированы ГОСТ 5458 "Материалы керамические радиотехнические". Стандартом определены три группы радиотехнических керамических материалов: группа А - материалы высокочастотные для конденсаторов (подразделяются на классы в зависимости от величины температурного коэффициента диэлектрической проницаемости - ТК ); группа Б - материалы низкочастотные для конденсаторов (подразделяются на классы в зависимости от величины ТК ); группа В - материалы высокочастотные для установочных изделий (подразделяются на классы по значениям ТКЛР и прочности). Кроме того, конденсаторные керамические материалы в группах А и Б нормируются по значениям ТК. Эти значения, в свою очередь, разделены (разбиты) на так называемые группы по ТК. Каждая группа характеризуется конкретным значением ТК. Керамика группы А разбита на 12 групп по ТК, группы Б - на 7 групп по ТК.

44 44 Диэлектри- ческая про- ницаемость ТК, К -1 Тангенс угла диэлектри- ческих потерь tg 10 4 Удельное электросопрот ивление, Ом м Электрическоe напряжение пробоя Е пр, МВ/м Высокочастотная конденсаторная керамика (группа А) Конденсаторная керамика отличается сравнительно небольшим содержанием пластичной аморфной фазы. Кристаллическую фазу образуют перовскиты типа SrTiO 3, CaTiO 3, LaAl 2 O 3, CaZrO 3 и их смеси. По величине ТК керамика группы А подразделяется на три класса: Класс I (,т =-3300×10 -6 и -1500×10 -6 К -1 ). Керамика класса I предназначена для изготовления высокочастотных высоковольтных и низковольтных конденсаторов, к которым не предъявляются требования к высокой стабильности емкости (горшковые, трубчатые, дисковые конденсаторы). Класс II (,т =-750× ×10 -6 К -1, пять групп по ТК ). Керамика класса II предназначена для изготовления термокомпенсирующих конденсаторов, емкость которых уменьшается при повышении температуры. Конденсаторы такого типа необходимы для применения, например, в частотно-избирательных цепях, содержащих индуктивности и емкости). Класс III (,т =-75× ×10-6 К -1, пять групп по ТК ). Керамика этого класса используется при изготовлении высокочастотных термостабильных конденсаторов.

45 45 Диэлектри- ческая проницаемость, ТК, ( / ) 10 0% Тангенс угла диэлектрических потерь, tg 10 4 Удельное электросопро- тивление,, Ом·м Электрическое напряжение пробоя, Е пр, МВ/м Низкочастотная конденсаторная керамика (группа Б) В керамических материалах группы Б кристаллической фазой являются смеси состава SrTiO 3 +2Bi 2 O 3 ×3TiO 2 (стронций-висмут-титановая керамика марки СВТ) или BaTiO 3 +2Bi 2 O 3 ×3TiO 2 (барий-висмут-титановая керамика марки СМ-1). Перечисленные керамические материалы обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Кроме того, керамика группы Б характеризуется заметной температурной зависимостью ТК, которая приведена в справочниках в виде отношения ( / )×100%. Значения e измеряются в диапазоне температур около 60 o С в температурных интервалах минус o С и o С. Низкочастотная конденсаторная керамика группы Б в зависимости от величины / подразделяется на два класса. Класс IV ( / =30%, одна группа по ТКe). Керамика класса IV марки СВТ применяется в производстве низкочастотных конденсаторов, предназначенных для работы на частотах, не превышающих 104 Гц, а также для однополярных конденсаторов, применяемых в цепях передачи видеоимпульсов. Класс V ( / =( )%, шесть групп по ТКe). Керамика этого класса марки СМ используется для изготовления низкочастотных разделительных и блокировочных конденсаторов.

46 46 ТКЛР 10 6, К -1 Диэлектриче ская про- ницаемость ТК, К -1 tg 10 4 Удельное электросопрот ивление,, Ом м Электрич. напряжение пробоя, Е пр, МВ/м , Установочная высокочастотная керамика (группа В) В зависимости от значения ТКЛР установочная керамика подразделяется на три класса. Класс VI. Называется радиофарфор и используется для изготовления каркасов катушек индуктивности, металлокерамических соединений в радиолампах. Выпускается две разновидности радиофарфоров, различающихся составом кристаллической фазы. К первому виду относятся радиофарфоры, в которых кристаллическая фаза представляет собой смесь шпинели и форстерита (MgO×Al 2 O 3 +2MgO×SiO 2 ). В радиофарфорах второго вида кристаллическая фаза состоит из цельзиана с химической формулой (BaO×Al 2 O 3 ×2SiO 2 ). Класс VII. Называют стеатит и используют для тех же целей, что и керамику класса VI. Основной кристаллической фазой стеатита является клиноэнстатит (MgO×SiO 2 ). Эта фаза получается в результате обжига природного минерала талька (3MgO×4SiO 2 ×H 2 O). Преимуществом стеатитовой керамики перед радиофарфором является возможность получения более гладких поверхностей и незначительная усадка при обжиге. Стеатитовая керамика подразделяется на 2 группы по ТКЛР. Класс VIII. Используется для изготовления подложек тонкопленочных и толстопленочных гибридных ИС. Кристаллическую фазу керамики класса VIII образует корунд (a-Al 2 O 3 ) или глинозем, имеющий тот же химический состав. Корундовая (глиноземистая) керамика с содержанием % Al 2 O 3 называется алюминоксид. Наиболее распространены алюминоксиды марки 22ХС (ВК92). Разновидностью алюминоксида является поликор, содержащий 99,7...99,9% Al 2 O 3. Изделия из поликора обладают плотной структурой, имеют очень гладкую поверхность, прозрачны для видимого света. Поликор широко используется для изготовления подложек тонкопленочных ГИС.

47 Активные диэлектрики

48 48 Ионные сегнетоэлектрики Ионные сегнетоэлектрики. Это кристаллические материалы с хими- ческой формулой типа A 2+ B 4+ O 2 -3, обладающие преимущественно ион- ной связью. Практически важными ионными сегнетоэлектрикам являются титанат бария BaTiO 3 (T к =120 о С), титанат свинца PbTiO 3 (T к =490 о С), ниобат калия KNbO 3 (T к =435 о С), ниобат лития LiNbO 3 (T к = 200 о С), танталат лития LiTaO 3 (T к = 610 о С). Элементарная ячейка этих соединений имеет вид ГЦК куба с ионом B 4+ (Ti 4+, Nb 4+, Ta 4+ ) в центре (рис. 4.28, а). По вершинам ячейки расположе- ны ионы элемента A 2+ (Ba 2+, Pb 2+, K 2+, Li 2+ ), а в центрах граней помеща- ются ионы кислорода O 2-, имеющие относительно большие размеры. Ион B 4+ имеет небольшие размеры и при температуре, меньшей температуры Кюри, локализуется вблизи одного из окружающих его ионов кислорода, смещаясь, таким обра- зом, из положения равновесия. Это смеще- ние приводит к возникновению у ячейки ди- польного момента Р, направленного в сторо- ну смещения иона B 4+, как показано на рис. 4.28, б. При Т>T к в результате интенсивного теплового движения ион B 4+ непрерывно пе- ребрасывается от одного кислородного иона к другому. Поэтому, благодаря центральной симметрии, такая ячейка не обладает элект- рическим моментом.

49 49 Дипольные сегнетоэлектрики К ним относятся поликристаллические материалы, характеризующиеся ковалентно-ионной связью, такие, как сегнетова соль (T к =24 о С), триглицинсульфат (ТГС) (NH 2 CH 2 COOH) 3 ×H 2 SO 4 (T к =49 о С), нитрит натрия NaNO 2 (T к =160 о С), дигидрофосфат калия (КДП) KH 2 PO 4 (T к =-151 о С). Указанные сегнетоэлектрики кристаллизуются в элементарные ячейки с низкой симметрией - тетрагональной, тригональной, ромбической. Вследствие низкой симметрии элементарные ячейки дипольных сегнетоэлектриков обладают постоянными электрическими моментами, то есть являются электрическими диполями, в расположении которых при температурах ниже температуры Кюри существует дальний порядок. При температуре Кюри происходит фазовый переход типа порядок - беспорядок, дальний порядок в расположении диполей нарушается и материал переходит в параэлектрическое состояние.

50 50 Применение сегнетоэлектриков 1 Изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью. Для этой цели используется низкочастотная конденсаторная керамика типа Б классов IV и V. Эта керамика изготавливается на основе ионных сегнетоэлектриков, главным образом BaTiO3 с добавками, снижающими резкую зависимость диэлектрической проницаемости e этого материала от температуры (а, следовательно, и емкости конденсатора, изготовленного на его основе). Например, керамика марки СМ1 представляет композицию BaTiO3+2Bi2O3×3TiO2 с добавкой Bi2O3 (Т к =40 о С). Добавка Bi2O3 позволяет получить достаточно пологую зависимость =f(T) для этого материала в области температуры Кюри (см. рис. 4.25, а). Керамика марки СВТ на основе сегнетоэлектрика SrTiO3 имеет состав SrTiO3+2Bi2O3×3TiO2 с добавкой 15% PbO (Тк=-140 оС). Добавка окиси свинца увеличивает диэлектрическую проницаемость материала до значения e=1300. Величина tgd керамики СМ1 и СВТ довольно велика и достигает значений ( )×10-3.

51 51 Применение сегнетоэлектриков 2 В качестве материалов для изготовления диэлектрических прокладок варикондов используется сегнетоэлектрическая керамика марок ВК2 и ВК5. По химическому составу эти материалы являются твердыми растворами типа BaTiO 3 -SnTiO 3, содержащие до 94% BaTiO 3. Изготавливается также сегнетокерамика марки ВК6, являющаяся тройным твердым раствором типа Pb(Ti, Zr, Sn)O 3. Сегнетокерамика марки ТБ-1 представляет чистый титанат бария BaTiO3. Зависимости =f(Е) для перечисленных видов сегнетоэлектрических материалов приведены на рис. 4.30, б. Одним из основных параметров нелинейных сегнетоэлектриков является коэффициент нелинейности к = макс / мин. Значение к для различных марок сегнетокерамики равно Изготовление электрически управ- ляемых нелинейных конденсаторов (варикондов). Вариконды представ- ляют собой конденсаторы с сильной зависимостью емкости от величины электрического напряжения на обкладках. Конденсаторы подобного типа используют в преобразователях частоты, диэлектрических усили- телях, стабилизаторах, системах час- тотной модуляции (кроме входных колебательных контуров и филь- тров). Принцип действия вариконда основан на зависимости диэлектри- ческой проницаемости сегнетоэлект- рика от напряженности электричес- кого поля. Типичная зависимость =f(Е) для различных ионных сегне- тоэлектриков представляет кривую с максимумом (рис. 4.30).

52 52 Применение сегнетоэлектриков 3 Использование сегнетоэлектриков в качестве ячеек памяти и бесконтактных переключателей. На основе сегнето-электрических материалов возможно изготовление элементов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), представляющей зависимость D= =f(E), изображенную на рис. 4.31, а. Показателем прямоугольности петли гистерезиса является коэффициент прямоугольности к пр =D r /D s, где D r - значение остаточной индукции электрического поля в сегнетоэлектрике, D s - индукция насыщения. Значение к пр достигает величины 0,95. ППГ обладают как ионные, так и дипольные сегнетоэлектрики, к которым относятся сегнетокерамика ВК6 и монокристаллический триглицинсульфат (ТГС). Ячейка памяти представляет из себя конденсатор с диэлектрической прокладкой из сегнетоэлектрика. Подавая на ячейку двух-полярные импульсы напряжения U, создающие в сегнетоэлектрике напряженность электрического поля |E|>E c, где E c - коэрцитивная сила, ячейку памяти можно переводить из состояния +D r, соответствующего хранению логической единицы, в состояние минус D r, соответствующее хранению логического нуля. Считывание информации из ячейки осуществляется оптиче- ским методом, или с помощью МОП транзистора, имеющего высокое входное сопротивление.

53 53 Применение сегнетоэлектриков в качестве электро- оптических материалов. В некоторых сегнетоэлектриках наблюдается сильно выраженный электрооптический эффект. Этот эффект известен под названием эффекта Керра и заклю- чается в изменении показателя преломления n прозрачного сегнетоэлектрического кристалла при воздействии на кристалл внешнего электрического поля Е:, где r – электрооптический коэффициент; n – показатель преломления при полуволновом напряжении U /2 = кВ; E – напряженность электрического поля, В/м. Одновременно поворачивается плоскость колебаний электрического вектора световой волны. В качестве электро- оптических материалов применяются ионные сегнето- электрики типа LiNbO 3, материал марки ЦТСЛ, представля- ющий твердые растворы типа La(Pb, Zr, Ti)O 3. Широко применяются также дипольные сегнетоэлектрики, в частности, дигидрофосфат калия (КДП). Электрооптические свойства сегнетоэлектриков используются для модуляции лазерного излучения. Применение сегнетоэлектриков 4 В ячейке Керра кристалл сегнетоэлектрического матери- ала находится между двумя скрещенными поляроидами – поляризатором и анализато- ром. Действие модулятора осно- вано на зависимости поворота плоскости поляризации свето- вого луча, проходящего через сегнетоэлектрик, от напряжен- ности электрического поля, соз- даваемого источником сигнала.

54 54 Применение сегнетоэлектриков 5 Преобразование частоты оптического сигнала. При прохождении через некоторые прозрачные сегнетоэлектрики мощного светового пучка, создаваемого с помощью лазера, в материале проявляется эффект нелинейной поляризации материала. Этот эффект заключается в зависимости показателя преломления среды от напряженности электрического поля светового пучка лазера, проходящего через сегнетоэлектрик. При этом в месте прохождения светового пучка, характеризуемого частотой излучения f, меняется показатель преломления среды, а в спектре проходящего через сегнетоэлектрик излучения появляются гармоники с частотами 2f, 3f и т. д. Таким образом нелинейность оптических свойств сегнетоэлектриков позволяет осуществлять генерацию гармоник лазерного излучения, а также проводить смешение и преобразование частот оптических сигналов. Значительный практический интерес представляет, в частности, преобразование невидимого ИК-излучения (l=1,06 мкм) в видимый свет с длиной волны l/2=0,503 мкм, соответствующей красной области спектра. Высокую эффективность такого преобразования (практически со стопроцентной перекачкой энергии) обеспечивают кристаллы ионных сегнетоэлектриков - LiNbO 3, йодат лития LiIO 3, барий-натриевый ниобат Ba 2 NaNb 5 O 15 (БАНАН). Из дипольных сегнетоэлектриков для преобразования частот оптических сигналов применяется дигидрофосфат калия (КДП).

55 55 Пьезоэлектрики Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в появлении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений, H/м 2. При этом на поверх- ности диэлектрика возникает электроста- тический заряд q. Величина электроста- тического заряда численно равна поляри- зованности Р пьезоэлектрика и определяется из выражения q=d пр, Кл/м 2, (4.40) где d пр - пьезомодуль прямого пьезо- эффекта, значение которого для большинства пьезоэлектриков составляет Кл/Н. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров пьезо- электрика, помещенного в электрическое поле. Если обозначить относительную дефор- мацию l/l через, то величина относи- тельной деформации пьезоэлектрика в электрическом поле с напряженностью Е рассчитывается из выражения =d обр Е, (4.41) где d обр - пьезомодуль обратного пьезоэффекта, м/В. Коэффициент электромеханической связи: к м 2 =P а /P г, где P а - мощность акустических колебаний, развиваемая пьезоэлектриком в результате возни- кновения пьезоэффекта; P г – электрическая мощ- ность, потребляемая пьезоэлектриком от источника возбуждающего напряжения (генератора).

56 56 Характеристики пьезоэлектрических материалов 1 Монокристаллические пьезоэлектрики. К этому классу пьезоэлектриков относится, прежде всего, -кварц, а также ионные сегнетоэлектрики. Ось Z, проходящая через вершины кристалла, называется оптической осью. Характерно, что в пластинках кварца, вырезанных перпен- дикулярно оптической оси Z, пьезоэффект не наблюдается. Три оси Х, проходящие через вершины шестигранника, полученного при поперечном сечении монокристалла, называ- ются электрическими осями. Пластинка, выре- занная перпендикулярно оси Х, обладает наи- большим пьезоэффектом. Три оси Y, перпен- дикулярные боковым граням шестигранника, носят название механических осей. Коэффи- циент электромеханической связи к м 0,05...0,1. Из ионных сегнетоэлектриков в качестве пьезоэлектрических материалов широкое практическое применение получили ниобат лития LiNbO 3, танталат лития LiTaO 3, а также германат висмута Bi 12 GeO 20. Коэффициент электромеханической связи к м 0,1...0,3

57 57 Характеристики пьезоэлектрических материалов 2 Пьезополупроводники - соединения полупроводникового типа с ионно-ковалентной связью CdS, ZnO, ZnS и др. Практический интерес представляют также такие полупроводниковые соединения, как селенид кадмия (CdSe), арсенид галлия (GaAs) и др. Пьезоэлектрики на основе дипольных сегнетоэлектриков. К ним относятся монокристаллы сегнетовой соли, этилендиаминтартрат C 6 H 14 N 8 O 8 (ЭДТ), сульфат лития Li 2 SO 4 ×H 2 O, турмалин. Поликристаллические пьезоэлектрики. К ним относится сегнетоэлектрическая керамика. В сегнетокерамике, обладающей изотропными свойствами, пьезоэффект не наблюдается. Для придания пьезоэлектрических свойств сегнетокерамику предварительно поляризуют в постоянном электрическом поле напряженностью МВ/м при температуре о С в течение около 1 часа. После выключения внешнего электрического поля в сегнетокерамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация, что является причиной появления пьезоээффекта. Поляризованную сегнетокерамику называют пьезокерамикой.

58 58 Применение пьезоэлектриков

59 59 Жидкие кристаллы Жидкими кристаллам (ЖК) называются органические вещества с анизотропными молекулами, характеризующимися одно- или двумерным дальним порядком во взаимном расположении. Диэлектриками с такой структурой являются, например, материалы МББА (C 18 H 21 NO) и ЭББА (C 19 H 23 NO). Физические свойства жидких кристаллов анизотропны в различных направлениях. Это вязкие пастообразные вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью. Жидкокристаллическое состояние вещества называют мезоморфным состоянием. Преимущественным видом связи между молекулами жидкого кристалла является ван-дер- ваальсова связь, относящаяся, как известно, к слабым видам связи. Оптические и электрические свойства жидких кристаллов сильно зависят от напряженности приложенного электрического поля, температуры, давления. Эта зависимость открывает возможности для разработки индикаторных устройств различного назначения.

60 60 Применение жидких кристаллов Для целей визуального отображения информации наибольший практический интерес представляют электрооптические эффекты в нематических жидких кристаллах. По электрическим свойствам нематические ЖК относятся к группе полярных диэлектриков - сегнетоэлектриков с удельным электросопротивлением = Ом×м. Эти материалы характеризуются диэлектрической и оптической анизотропией. В жидкокристаллических индикаторах используется эффект динамического рассеяния света. Этот эффект наблюдается в ЖК - нематиках с отрицательной диэлектрической анизотропией и удельным электросопротивлением около 10 6 Ом×м. Эффект динамического рассеяния света проявляется при приложении к ЖК как постоянного, так и переменного напряжений низкой частоты Гц. Для практических целей обычно используется смесь двух или нескольких жидкокристаллических соединений, например, 60% МББА+40% ЭББА, что позволяет получить более широкий температурный интервал существования мезофазы.

61 61 Применение холестерических жидких кристаллов Поскольку направления молекул в слоях холестерических ЖК закручены в спиральную структуру с шагом d (рис. 4.40), то при отражении света от жидкого кристалла наблюдается эффект интерфе- ренции света, удовлетворяющий закону Вульфа-Брэгга 2dsin =m, где d -шаг спирали; - длина волны света, нм; m - порядок дифракционного максимума (рис. 4.40). Из-за интерфе- ренции на витках спирали молекул осве- щенный белым светом кристалл кажется окрашенным. Шаг винтовой спирали d сильно зависит от температуры. Это ве- дет к изменению окраски поверхности кристалла (которая зависит и от угла наблюдения). Изменение цвета холестерического жид- кого кристалла при изменении темпера- туры называют термохромным эффек- том. На основе этого эффекта созданы чувствительные пленочные жидкокри- сталлические датчики температуры, предназначенные для использования в медицине и технике. Точность измерений достигает К в диапазоне температур о С. Цветовые термоиндикато- ры позволяют получить картину тепло- вого поля в виде цветовой диаграммы.

62 62