Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Виды связи, за счет которых происходит объединение атомов в молекулыСтр 1 из 28Следующая ⇒
ВОПРОСЫ НА ЭКЗАМЕН Дефекты кристаллов Изображенные на рис. 1.5 модели кристаллических решеток соответствуют идеальным кристаллам при температуре, близкой к абсолютному нулю. Структура реальных кристаллических тел в большей или меньшей степени отличается от этих идеальных моделей за счет обязательного присутствия в них того пли иного количества несовершенств, или дефектов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения оказывают большое влияние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и даже химические. Рассмотрим основные виды дефектов. Рис 1.11. Основные виды точечных дефектов: а - —вакансия; б - атом замещения; в - атом внедрения; е — нарушение стехиометрического состава
Точечные (нульмерные) дефекты имеют размеры порядка диаметра атома. Основной причиной их возникновения является переход атомов за счет теплового движения из узлов кристаллической решетки в междоузлие. Точечные дефекты обязательно присутствуют в любом кристалле, и при увеличении температуры количество их увеличивается. Точечный дефект, представляющий собой незаполненное место в узле кристаллической решетки, называют вакансией (рис. 1.11,а). Другие типы точечных дефектов образуются за счет замещения собственного атома в узле кристаллической решетки атомом примеси (рис. 1.11,б) или в результате внедрения атома примеси в междоузлие (рис. 1.11, в). В кристаллах химических соединений кроме названных причин к появлению точечных дефектов приводит избыток одного из компонентов относительно стехиометрического состава соединения (рис. 1.11,г). В процессе кристаллизации твердого тела с уменьшением температуры количество вакансий в кристалле уменьшается, но происходит это не мгновенно. Поэтому для уменьшения количества вакансий охлаждение кристалла должно происходить достаточно медленно. Линейные (одномерные) дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Такие несовершенства, представляющие собой нарушение кристаллической структуры вдоль некоторой линии, называют дислокациями. Различают краевые и винтовые дислокации. Краевые дислокации возникают за счет образования в кристалле дополнительной полуплоскости (ABCD, рис. 1.12, а). Причиной возникновения винтовых дислокаций является смещение части кристаллической решетки не менее чем на один период (рис. 1.12,б). В реальных кристаллах присутствуют смешанные формы краевых и винтовых дислокаций. Рис. 1.12. Виды дислокаций: а - краевая; б - винтовая Образование дислокаций происходит за счет термических и механических напряжений в процессе кристаллизации, при пластической деформации, термической обработке и др. Дислокации существенно ухудшают свойства веществ. Например, в металлах наличие дислокаций резко снижает механическую прочность, а в полупроводниках значительно увеличивает проводимость. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалла изменяется химическая активность вещества, что используется на практике для обнаружения этого вида дефектов (§2.1). Поверхностные (двухмерные) дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или блоками вещества (рис. 1.13). Рис. 1.13. Схема блочной структуры кристалла
Важным видом поверхностных дефектов является сама поверхность кристалла, представляющая собой естественное нарушение его кристаллической структуры. Свойства поверхностных слоев кристалла существенно отличаются от его объемных свойств. Объемные (трехмерные) дефекты кристалла имеют существенные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или иной кристаллической модификации. Такие дефекты возникают при изменении условий роста кристалла. Итак, дефекты кристаллов существенно искажают свойства веществ. Для получения совершенных монокристаллических тел с минимальным количеством дефектов необходимо тщательно контролировать процесс кристаллизации и избегать попадания посторонних примесей.
Сплавы и их свойства Чистые металлы в современной промышленности имеют ограниченное применение, поскольку в большинстве случаев они не обладают требуемым комплексом электрофизических, магнитных, механических и других свойств. Сплавы металлов получили в технике гораздо более широкое применение. Изменяя состав и способ изготовления, можно получить сплавы почти с любыми заданными свойствами: например, с высокой механической прочностью в сочетании с малой плотностью, с высоким удельным электрическим сопротивлением, магнитные, немагнитные и т. д. Металлические сплавы — это кристаллические тела, полученные при сплавлении металлов с другими металлами и неметаллами. Важнейшими электротехническими сплавами являются сплавы меди — бронзы и латуни, сплавы алюминия, магнитные сплавы железа с никелем и кобальтом и др. Составляющие части сплава называют компонентами. Сплавы могут быть двухкомпонентными и многокомпонентными. Обязательным условием образования сплава является получение однородного жидкого раствора соединившихся компонентов (рис. 3.1). Например, железо со свинцом или свинец с цинком не образуют сплава, так как в жидком виде они не смешиваются и не дают однородного раствора. Но в большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор. При затвердевании сплаву образуют три типа соединений: 1) твердый раствор, 2) химическое соединение, 3) механическое соединение (смесь). При образовании твердых растворов атомы растворяющегося элемента и атомы растворителя образуют общую кристаллическую пространственную решетку. Растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется при образовании твердого раствора. Если два металла, образующие твердый раствор, имеют одинаковые по типу кристаллические решетки, то растворителем называют тот из них, концентрация которого превышает 50 атомных процентов. Различают два вида твердых растворов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 3.2). В твердых растворах заме щения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя. Примером раствором замещения являются медно-цинковые и медно-кадмиевые сплавы, сплавы кремния с германием, железоникелевые сплавы. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя, например атомы бериллия в кристаллической решетке меди (бериллиевые бронзы), атомы углерода в железе, фосфора в меди и т. д. Структура твердых растворов видна под микроскопом в виде однородных зерен, подобных зернам чистых металлов. Химические соединения имеют совершенно новую кристаллическую решетку, отличающуюся от кристаллических решеток исходных компонентов. Соответственно и физико-химические свойства химических соединении резко отличаются от свойств образующих их компонентов. Широкое применение химические соединения металлов нашли в производстве высокоомных материалов, диэлектрических материалов для конденсаторов, в полупроводниковом производстве, при изготовлении сверхпроводников. При образовании механического соединения (смеси) исходные компоненты не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию. Атомы каждого компонента кристаллизуются самостоятельно с образованием собственной кристаллической решетки. В результате образуется механическая смесь различных кристаллов. Для механических смесей в ряде случаев характерна более низкая температура плавления, чем для их компонентов. Это обстоятельство позволяет использовать механические смеси, в частности, при разработке составов припоев. Механические смеси образуют, например, олово с цинком, алюминий с бериллием и т. д. Сплавы цветных и черных металлов Сплавы цветных металлов широко используют в современном приборостроении и радиоэлектронике. Они обладают высокой тепло- и электропроводностью, немагнитны, коррозионноустойчивы, хорошо обрабатываются резанием и давлением. Наиболее широко применяют сплавы на основе меди и алюминия. Медные сплавы по составу можно разделить на две основные группы: латуни и бронзы. Латунями называют медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. По сравнению с чистой медью латуни прочнее, пластичнее, хорошо обрабатываются резанием, кроме того, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. В обозначениях марок сложных латуней буквы, стоящие после Л (латунь), указывают на наличие легирующих элементов, например: О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, К - кремний, А - алюминий и т. д. Цифры после букв показывают процентное содержание меди и легирующих добавок. Например, марка ЛС591 расшифровывается так: латунь свинцовая, содержащая в среднем 59% меди и 1% свинца. Бронзами называют сплавы меди с алюминием, кремнием, оловом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим элементом. Бронзы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Они лучше обрабатываются резанием, чем латуни. Сочетание высоких упругих свойств, высокой тепло- и электропроводности, коррозионной стойкости с немагнитностью способствуют широкому применению бронз. Бронзы маркируют буквами Бр, после которых ставят буквы, обозначающие вид легирующих добавок. Цифры, стоящие за буквами, указывают в процентах среднее содержание добавки. "Содержание меди в бронзах не указывается. Например, марка БрОЦСО-6-3 обозначает оловянно-цинково-свинцовую бронзу, содержащую около (6% олова, 6% цинка, 3% свинца (остальные 85% меди). Алюминиевые сплавы широко используют в приборостроении, радоэлектронике, в различных областях техники, где требуется сочетание прочности, легкости и коррозионной стойкости. Наиболее широко применяемой группой алюминиевых сплавов являются дюралюмны. Это сплавы системы алюминий-медь-магний. Для повышения коррозионной стойкости дополнительно вводят марганец. Сплавы этого типа Д1, Д16 имеют в составе кроме алюминия: 3,8-4,8% меди, 0,4-0,8% магния, 0,4-0,8% марганца (Д1) и 3,8-4,8% меди, 1,2-1,8% магния, 0,3-0,9% марганца (Д16). Дюралюмин хорошо формуется в горячем и холод ном состояниях, что позволяет изготовлять из него детали для приборов методом штамповки. Основными сплавами черных металлов являются железоуглеро дистые сплавы, которые при содержании углерода менее 2,14% называют сталями, а при большем содержании углерода — чугунами. Легированной называют сталь, в которую при изготовлении дополнительно введены легирующие элементы, резко улучшающие ее свойства: кремний и марганец в большом количестве, а также хром, никель, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден и др. В группу легированных входят стали с особыми физическими свойствами: магнитные и немагнитные, стали с высоким электрическим сопротивлением и др.
Припой Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Тпл<300°С и твердые Тпл≥300°С (табл. 9.1).
Эти группы припоев существенно различаются по удельному сопротивлению и механическим свойствам: например, мягкие припои имеют предел прочности при растяжении σР=16-100 МПа, а твердые - до 500 МПа. В последнее время мягкие припои подразделяют на низкотемпературные с Тпл<145°С и легкоплавкие с Тпл<300°С. Особую группу твердых припоев составляют электровакуумные припои, применяемые при пайке узлов электронных приборов, работающих в вакууме при высоких температурах. Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово - О, свинец - С, алюминий - Л, серебро - Ср, сурьма - Су, медь - М, цинк - Ц, висмут - Ви, кадмий - К и т. д.). Если в припой входит драгоценный или редкий металл, его обозначение присутствует в названии марки припоя даже при малых количествах этого металла в сплаве. Твердые припои. В электровакуумной промышленности твердые припои применяют для пайки различных узлов электронных ламп, электровакуумных устройств и т. д. Такие припои, называемые электровакуумными. По допустимой температуре прогрева Тпр эти припои делят на две группы: для приборов с Тпр=450°С и для приборов с Тпр=700°С. Припои для приборов с Тпр=450°С представляют собой сплавы систем Ag—Cu—Sn и Ag—Cu—In. Такие припои используют часто в порошке, поскольку им свойственна хрупкость. Припои для приборов с Тпр=700°С представляют собой сплавы на основе меди, золота и отчасти палладия и никеля. Флюсы. Флюсы являются вспомогательными материалами для получения качественной и надежной пайки. Флюс должен отвечать следующим требованиям: хорошо смачивать поверхности металла и припоя; защищать спаиваемые поверхности и припой от окисления, образуя при пайке жидкую или газообразную защитную зону; снижать поверхностное натяжение расплавленного припоя для улучшения смачивании им основного металла.
Контактолы Контактолы обладают высокой прочностью и эластичностью, хорошими антикоррозионными свойства, низкой плотностью. Удельное сопротивление контактолов выше, чем у мягких припоев, в 5-100 раз и более. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют контактолы, содержащие серебро, палладий, никель, золото, посереб-еный никель и др. Серебросодержащие контактолы —пасты (марок К-8, К-13, К-17 и др.) обладают высокой удельной проводимостью (р=1-6 мкОм·м), хорошей адгезией к различным материалам (при отрыве σотр=4-18 МПа). Они обладают высокой стабильностью свойств при климатических и механических воздействиях и широко применяются для монтажа элементов схем различного назначения. Контактолы-пасты, содержащие палладий (марок КП-1, КП-2 и др.), обеспечивают высокую стабильность контактных соединений (ρ=10-20 мкОм·м) практически со всеми металлами, применяемыми для изготовления контактов, а также с рядом полупроводниковых материалов (σотр=15—30 МПа). Контактолы-клеи (ТПК-1, ЭНКС-2 и др.) используют для соединения металлизированных поверхностей, поверхностей, покрытых тонкими металлическими и лакосажевыми пленками, пленками композиционных материалов; применяют также для создания электрического и теплового контакта с полупроводниковыми материалами.
Поляризация диэлектриков По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. Электроизоляционными называют материалы, применяемые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры. Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подраз деляют на твердые, жидкие и газообразные. В особую группу мож но выделить твердеющие материалы, которые в исходной состоя нии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твер дые вещества, например лаки, компаунды. По химической основе диэлектрические материалы подразделя ют на органические, неорганические и элементоорганические — промежуточные по своему составу между первыми двумя. Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих в своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли. Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравне нию с неорганическими, но они, за небольшим исключением, менее нагревостойки. Поляризация — это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля. Положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля E, отрицательные — в обратном направлении (рис. 10.1).
Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул диэлектрика µ . Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, некомпенсированные электрические заряды останутся только на поверхности диэлектрика. Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов. Если увеличивать напряженность электрического поля, то поверхностная плотность электрических зарядов будет также возрастать, следовательно, будет увеличиваться и поляризованность диэлектрика. Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Такие диэлектрики называют линейными. К ним относят все применяемые в современной радиоэлектронике электроизоляционные материалы. У некоторых диэлектриков, в частности у сегнетоэлектриков, прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они в последнее время находят все более широкое применение, поскольку позволяют управлять электрическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т. д. Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость ε. Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q0 конденсатора, между обкладками которого вакуум, и Q д , который обусловлен поляризацией диэлектрика: (10.4) Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении: (10.5) Из выражения (10.5) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы (равна единице только в вакууме). Относительная диэлектрическая проницаемость (в дальнейшем будем называть ее просто диэлектрической проницаемостью) безразмерная величина, которая количественно определяет способность диэлектриков поляризоваться н образовывать электрическую емкость. Величина ε газов близка к единице. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, ε. которых в определенных условиях может иметь весьма высокое значение — порядка десятков тысяч.
Основные виды поляризации Различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную (спонтанную) и др. Электронная поляризация представляет собой смешение центра заряда электронного облака относительно центра положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического ноля (рис. 10.2). Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. Ионная поляризация возникает вследствие упругого смешения связанных иоинов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки (рис. 10.3). С повышением температуры поляризованность возрастает, поскольку тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действующие между ними силы взаимодействия. Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упаковкой ионов.
Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис. 10.4). Время релаксации — это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения молекул в е≈2,72 раза от первоначальной. Этот вид поляризации свойствен всем полярным диэлектрикам. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической решетки. При этом виде поляризации возникают потери энергии и поляризация заметно усиливается с повышением температуры. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических кристаллических диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов. Миграционная поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т. п. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящихся и полупроводящих включений наминают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Этот вид поляризации обычно возможен лишь на низких частотах. Классификация диэлектриков по виду поляризации: Неполярные диэлектрики. Неполярным диэлектрикам свойственна электронная поляризация. Они применяются как высококачественные электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относят полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4), бензол, воздух и др. Полярные диэлектрики. В эту группу входят диэлектрики, содержащие электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле. В полярных диэлектриках кроме электронной наблюдают и дипольно-релаксационную поляризацию. К ним можно отнести поливинилхлорид, эпоксидные смолы, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), полиэтилентерефталат (лавсап), полиметилметакрилат (органическое стекло) и др. Диэлектрики с ионной структурой. В эту группу входят твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. Здесь выделяют две подгруппы материалов в зависимости от величины потерь электрической энергии, расходуемой на поляризацию: Органические полимеры Органические полимеры используют для изготовления электрический изоляции. Полимерами называются молекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров. Полимеризация — это химическая реакция, при которой из ннзкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементарного химического состава вещества. Обычной предпосылкой для возможности осуществления процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода. Непрочная двойная или тройная связь под влиянием тех или иных факторов (повышенных температуры и давления, действия катализаторов, радиационного облучения) разрывается и сближающиеся молекулы соединяются друг с другом, образуя цепочку из одинаковых повторяющихся звеньев. Например, из стирола (мономера) - органической бесцветной жидкости, имеющей состав С8H8 и строение молекулы в результате реакции полимеризации получают твердое вещество-полистирол (полимер); его молекула имеет строение Здесь n - степень полимеризации, т. е. число молекул мономера, объединяющихся в одну молекулу полимера. Для полистирола величина п может доходить до 6000 и более. Поликонденсация — это химическая реакция между разнородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с выделением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др. Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденсации, как правило, обладают несколько пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, полученными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропроводность материала. По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом. Отношение, длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может доходить до 1000 (например, у полистирола). Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что они имеют более компактную форму. Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем расплавляются, например капрон, нейлон. Пространственные полимеры обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достижения температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются). Линейные полимеры растворяются в подходящих по составу растворителях. Пространственные полимеры растворяются с трудом, многие из них практически нерастворимы. По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термо пластичные и термореактивные материалы. Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в густые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов пользуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при производстве деталей методом литья под давлением. К этой группе следует отнести полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. В настоящее время термопластичные материалы составляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротехнической промышленностью полимерных материалов. Термореактивные (термоотверждающиеся) материалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом способность плавиться и растворяться. К термореактивным диэлектрикам относят резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.
Компаунды Компаунды — это электроизоляционные материалы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и др. В момент применения компаунды представляют собой жидкости, которые постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный твердый диэлектрик. Если компаунд в исходном состоянии тверд, его перед употреблением нагревают, чтобы получить массу достаточно низкой вязкости. Наибольшее распространение получили синтетические компаунды (эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.). В состав компаундов, кроме основы, входят обычно наполнители и пластификаторы. Для обозначения компаундов используют буквенную маркировку: Д - компаунды на основе диановых эпоксидных смол; ЭЗК — эпоксидно-заливочные компаунды; ЭПК — эпоксидно-пропиточные компаунды; ПЭ —полиэфирные компаунды; КП — компаунды пропиточные и т. д. Эпоксидные компаунды представляют собой продукты модификации эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Эпоксидные компаунды отличаются хорошей прилипаемостью (адгезией) к металлам, керамике, пластмассам и к волокнистой изоляции. Они обладают повышенной механической прочностью и малой объемной усадкой (0,5—2,5%). Эпоксидные компаунды применяют в качестве заливочных составов для создания литой изоляции в различных типах трансформаторов, работающих в тяжелых условиях, блоков сопротивлений и т. д. Применение такой изоляции дает возможность исключить громоздкие фарфоровые и металлические детали, применявшиеся ранее для герметизации этих устройств. Кремнийорганические компаунды изготавливают на основе кремнийорганических смол. Эти компаунды обладают малой вязкостью, высокими пропитывающей способностью, нагревостойкостью (до 350°С) и холодостойкостью (до—60°С). Кремнийорганические компаунды (НК-1, КМ-9) нашли широкое применение в электронной промышленности, так как позволяют герметизировать полупроводниковые приборы и интегральные схемы методом трансферного прессования и заливки в формы. Полученные этим способом однородные корпуса приборов сохраняют форму и электрофизические параметры в диапазоне температур от —60 до +350° С. Полиэфирные компаунды изготавливают на основе ненасыщенных полиэфиров. Как правило, они дают значительную (порядка 6%) усадку при отверждении; в этом отношении они хуже эпоксидных компаундов. При создании высокотемпературного радио- и электротехнического оборудования используют заливочные компаунды, полученные на основе алюмофосфатов, алюмосиликатофосфатов, мсталлометафосфатов и др. Рабочая температура этих компаундов достигает 1000° С и выше.
Газообразные диэлектрики Воздух наиболее широко используется как электроизоляционный материал. Он также проникает во все поры твердых материалов и насыщает жидкости. Воздух в основе своей представляет собой смесь азота и кислорода с примесью других газов. Типовой состав сухого воздуха (в процентах по объему) следующий: азот (N2) - 78,08%; кислород (О2) - 20,95%; углекислый газ (СО2) - 0,03%; водород и инертные газы (Аг, Не, Ne, Кr, Хе) - 0,94%. Электрические свойства воздуха приведены в табл. 15.2. Воздух с точки зрения диэлектрических потерь можно рассматривать как идеальный диэлектрик. Однако недостатком воздуха, как диэлектрика, является низкая электрическая прочность. Газообразные вещества имеют малую плотность вследствие больших расстояний между молекулами. Ввиду этого поляризация всех газов незначительна, а диэлектрическая проницаемость всех газjв, в том числе b воздуха, близка к единице (1,000072—1,00138). Диэлектрические потери в газах вызваны в основном электропроводностью, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и тангенс угла диэлектрических потерь у них ничтожно мал tgδ≈4·10-6. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны, сопровождаемого свечением и разрушением молекул газа. При дальнейшем повышении напряжения корона перерастает в кистевой разряд, который затем переходит в искровой разряд. В случае большой мощности разряда образуется дуга (дуговой разряд) с образованием плаз мы. Дуговой разряд сопровождается, кроме того, химическими процессами образования озона и оксидов азота. Применение газов в качестве электрической изоляции. В этим случае к газам предъявляют следующие требования: они должны быть химически инертными, при ионизации не образовывать особо активных веществ, способных разрушить твердые материалы или вызвать коррозию материала. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используют при повышенном давлении. Более широко в герметизированных устройствах используют азот, который обладает практически одинаковой с воздухом электрической прочностью, но он менее активен, чем воздух, содержащий кислород. Широкое применение в герметизированных электрических установках получили газы с высокими молекулярной массой и плотностью, прежде всего элегаз (шестифтористая сера SF6). Электрическая прочность элегаза примерно в 2,5 раза выше, чем воздуха. Он применяется в образцовых конденсаторах, рассчитанных на напряжения до 500 кВ, в газонаполненных кабелях, в высоковольтных выключателях, рассчитанных на рабочее напряжение 750 кВ, где выполняет роль дугогасящего материала, а использование его в трансформаторах для электронных устройств позволяет снизить габариты и вес последних. К одному из недостатков элегаза следует отнести его сравнительно высокую стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. В газоразрядных приборах и осветительных лампах в основном применяют инертные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Наиболее широко применяют аргон, поскольку он обладает совокупностью благоприятных свойств: относительно низким потенциалом ионизации, химической инертностью, невысокой теплопроводностью и более простой по сравнению с другими инертными газами технологией получения и очистки.
ВОПРОСЫ НА ЭКЗАМЕН Виды связи, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы Ковалентная связь характеризуется образованием устойчивых электронных пар из электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам (рис. 1.1). Эти пары становятся общими для атомов, входящих в состав молекул. Электроны при движении по молекулярной орбите чаще всего находятся между ядрами, где создается как бы избыток отрицательного заряда, что способствует сближению атомов.
а) б) Рис. 1.1. Упрощенная схема ковалентной связи и молекуле водорода: а — изолированные атомы; б — молекула с ковалентной связью
Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (Н2, N2, СL2), то электронная пара в одинаковой степени принадлежит обоим атомам. В подобном случае молекулу и существующую в ней ковалентную связь называют неполярным и или нейтральными. В неполярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Если же двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, электронная пара может быть смещена к одному из атомов. В таких случаях ковалентную связь называют полярной, а молекулы с полярной связью, у которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают,— полярным или дипольными.
Вещества, образованные молекулами с ковалентной связью, характеризуются высокой твердостью. Они тугоплавки и химически инертны, что объясняется прочностью ковалентной связи. Ковалентная связь существует в молекулах алмаза, кремния и некоторых неорганических соединений. Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи. Возникает она между атомами элементов, один из которых способен отдать электроны (донор), а другой способен принять эти электроны (акцептор). Примером таких соединений могут служить соединения, образованные элементами третей и пятой групп периодической системы Д. И. Менделеева, например арсенид галлия GaAs. Ионная связь вызывается силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами. Ионные соединения образуют элементы очень различные по свойствам, например типичные металлы и типичные неметаллы. На рис. 1.3 показана ионная связь на примере ионных кристаллов хлористого цезия CsCl и титаната бария ВаТiO3.
Молекулы вещества с ионной связью полярны. К веществам с ионной связью относится большинство солей и некоторые оксиды (Cu2O, ZnO, Fe2O3, NiO). Ионные соединения по механической прочности и химической стойкости уступают веществам, образованным с помощью ковалентной связи, т. к. ионная связь менее прочна, чем ковалентная. Металлическая связь между атомами наблюдается в металлах. Атомы металлов способны отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы, или их вновь присоединять, превращаясь в нейтральные атомы. Таким образом, металл можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных, коллективизированных электронов (рис. 1.4). Следовательно, металлическая связь определяется одновременным наличием ковалентной связи между нейтральными молекулами и электростатическим притяжением между ионами и свободными электронами, что в итоге обеспечивает монолитность и прочность металла. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Высокая пластичность металлов объясняется отсутствием направленности металлической связи.
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 570; Нарушение авторского права страницы