Применение диэлектрических материалов
В настоящее время из диэлектрических материалов выполняются многочисленные изделия технического и бытового назначения. Ранее рассмотрены физические свойства диэлектрических материалов, определяющие их практическое применение.
К диэлектрикам относится чрезвычайно широкий круг материалов как органического (синтетические смолы, каучуки, волокнистые материалы), так и неорганического (стекла, керамика) происхождения. Широкое практическое применение нашли диэлектрические материалы в твердом, жидком и газообразном состояниях, а также в виде плазмы (при пробое газа). Синтетическими называют материалы, полученные с помощью синтеза - реакции полимеризации из веществ-мономеров. Эти материалы носят также названия: полимеры, пластические массы, синтетические смолы. К искусственным относятся материалы, полученные химической переработкой сырья природного происхождения (целлофан, бумага, вискоза, ацетат). Существует также множество композиционных материалов самого разнообразного состава, включающие в себя как синтетические, так и искусственные компоненты (целлулоид, слоистые пластики, фенопласты, аминопласты).
Выделим ряд основных групп диэлектрических материалов в твердом состоянии: синтетические смолы (пластмассы, полимеры); эластомеры; волокнистые материалы; слоистые пластики; стекла; керамика, природные неорганические диэлектрики.
Пластические массы
Основным веществом, образующим пластмассу, является синтетическая смола. Для производства пластмасс применяют два типа смол: термопластичные и термореактивные.
Смолы, сохраняющие способность плавиться при повторном нагревании и затвердевающие при охлаждении, называются термопластичными.
Термореактивными называются такие смолы, которые затвердевают при повышенной температуре и переходят в неплавкое и нерастворимое, т. е. необратимое состояние.
Полиэтилен (СН2-СН2)n относится к синтетическим смолам и представляет собой продукт полимеризации этилена, газа, получаемого термическим разложением углеводородов или пиролизом жидкого нефтяного сырья. В зависимости от свойств полученного полимеризата различают три основные группы полиэтиленов: 1) низкой плотности, 2) средней плотности, 3) высокой плотности.
Полиэтилен отличается высокой химической стойкостью к агрессивным средам, за исключением минеральных кислот. Вода практически не сорбируется полиэтиленом.
Переработка полиэтилена осуществляется обычными методами переработки термопластов (литье под давлением, экструзия, прессование и т.д.).
Величина молекулярной массы, степень кристалличности, степень разветвленности линейного полимера, а также вид надмолекулярной структуры оказывают большое влияние на физико-механические свойства полиэтилена. В настоящее время известны различные марки полиэтиленов с молекулярной массой от 20 000 до 6 500 000. Полиэтилен с молекулярной массой выше 100 000 получил название высокомолекулярного полиэтилена.
С увеличением молекулярной массы уменьшаются плотность и жесткость материала, но улучшаются антифрикционные свойства, износостойкость и ударопрочность. Оптимальные свойства высокомолекулярного полиэтилена как конструкционного антифрикционного материала достигаются при молекулярной массе, равной 1 000 000. Прочностные свойства у полиэтиленов с молекулярной массой более 1 000 000 остаются практически одинаковыми.
Полиэтилен является неполярным диэлектриком и характеризуется высокими изолирующими свойствами: ρ ≈ 1014 Ом·м; ε = 2,3 - 2,4; tg δ ~10-4; Eпр = 15 – 20 МВ/м.
Полиэтилен обладает стойкостью к действию кислот и щелочей, из него изготавливают химическую посуду, пробки, крышки. Высокое относительное удлинение перед разрывом (300 – 750 %, см. табл. 2.2.) создает технологические преимущества при формировании изделий сложной формы. Полиэтилен применяют для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых кабелей. Полиэтиленовую пленку используют как упаковочный материал.
Таблица 2.2.
Свойства синтетических смол
|
Смолы |
Плотность, Мг/м3 |
sр, МПа |
Θ, % |
Нагрево-стойкость, °С |
Водопоглощение за 24 час, |
|
Полиэтилен |
0,91-0,97 |
10-15 |
300-750 |
80-90 |
0,01 |
|
Полипропилен |
0,90-0,91 |
30-40 |
400 - 700 |
170 |
0,005 |
|
Полистирол |
1,05 |
35-60 |
1-4 |
70-80 |
0,04 |
|
Политетрафторэтилен |
2,30 |
15-30 |
250-300 |
250 |
0,01 |
|
Поливинилхлорид |
1,40-1,70 |
30-50 |
50-150 |
60-70 |
0,10 |
|
Полиметилметакрилат |
1,20 |
40-70 |
2-10 |
70-90 |
0,35 |
|
Полиамиды |
1,10-1,15 |
70-90 |
90 |
70-90 |
0,35 |
Примечание. В таблице приведены приближенные данные для синтетических смол без наполнителей.
Нагревостойкость полиэтилена при кратковременном нагреве ограничивается быстрым снижением механической прочности, а при длительном воздействии повышенной температуры - окислением в условиях доступа воздуха. Недостатком полиэтилена является также наличие пластической деформации под влиянием механического напряжения.
Многие свойства полипропилена аналогичны свойствам полиэтилена, однако имеются принципиальные отличия, что является причиной его более частого применения. Модуль упругости, сопротивление на изгиб, прочность на разрыв, пластические свойства у полипропилена лучше, чем у полиэтилена высокой плотности (относительное удлинение перед разрывом 500 - 700 %).
Химическая устойчивость к большинству веществ достаточно высока, за исключением серной и соляной кислот при повышенных температурах. Устойчивость к ультрафиолетовому излучению недостаточная, однако для улучшения этой устойчивости используют стабилизаторы.
Полипропилен (табл. 2.2) обладает высокой температурой размягчения (165 - 170 °С), большей, чем у многих термопластиков. В связи с этим его можно использовать при значительно более высоких температурах.
Полистирол (табл. 2.2) обладает меньшей по сравнению с полиэтиленом пластичностью, т. е. значительно более низкой величиной относительного удлинения перед разрывом. Поэтому полистирол проявляет хрупкость (особенно при пониженной температуре), склонность к постепенному образованию поверхностных трещин. Недостаток прочности полистирола устранен в так называемом ударопрочном полистироле, который получают в результате сополимеризации стирола с различными каучуками. Чем больше каучука в материале, тем выше его прочность и сопротивляемость ударам.
Диэлектрические свойства полистирола характеризуются следующими параметрами: ρ ≈ 1014 - 1015 Ом·м; ε = 2,4 - 2,6; tg δ ~10-4; Eпр = 20 – 35 МВ/м.
Полистирол характеризуется низкой стойкостью к действию растворителей (в частности, жидких углеводородов) и невысокой нагревостойкостью. К достоинствам этого материала, как и полиэтилена, относится низкая гигроскопичность. Он легко окрашивается в различные цвета и оттенки.
Полистирол и его полимеры широко используются для изготовления конструкционных элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Фторопласты (или фторлоны, фторполимеры), к которым относится ПТФЭ, - это полимеры и сополимеры галогенпроизводных этилена и пропилена. Фторопласт-4 - продукт суспензионной полимеризации тетрафторэтилена, фторопласт-4Д - продукт эмульсионной полимеризации тетрафторэтилена. Фторопласт-4 и модифицированный фторопласт-4ДМ составляют более 90 % от общего объема выпуска фторопластов и являются основными представителями фторполимеров. Они перерабатываются методами, близкими к методам производства изделий в порошковой металлургии. Изделия из ПТФЭ изготовляют механической обработкой. ПТФЭ, по праву называемый благородным пластиком, обладает исключительной химической стойкостью, превосходя в этом отношении даже золото и платину: на него не действуют соляная, серная и плавиковая кислоты, а также щелочи. Широкое использование этого материала ограничивается его относительно высокой стоимостью. Химическая посуда из фторлона-4 применяется для хранения лишь наиболее химически активных реактивов. Политетрафторэтилен негигроскопичен и не смачивается водой, обладает высокими износостойкостью и пластичностью (табл. 2.2). Он совершенно негорюч, отличается чрезвычайно широким температурным диапазоном возможной эксплуатации (табл. 2.2). Может подвергаться нагреванию до температуры 90 - 200 °С и охлаждению в таких же пределах до отрицательных температур. Фторопласт-4, хотя и относится к термопластичным материалам, не подвергается размягчению при высоких температурах вследствие большой молекулярной массы полимера. При температуре 280 - 300 °С он выделяет ядовитый газообразный фтор.
Отличительными особенностями фторопласта-4 являются его высокие антифрикционные свойства и способность к самосмазыванию, что позволяет использовать его в отсутствие доступа смазки. При малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках коэффициент трения полимера по стали равен 0,04. Однако фторопласт-4 в отличие от других антифрикционных материалов склонен к значительному износу при нагрузках, превышающих 1 МПа. По износостойкости ПТФЭ значительно уступает другим термопластам, хотя и обладает наименьшим коэффициентом трения.
По электроизоляционным свойствам ПТФЭ принадлежит к лучшим из известных диэлектриков: его ε = 1,9 - 2,1 при частотах от 50 до 1010 ГЦ; tg δ ~10-4; удельное сопротивление ρ ≈ 1016 Ом·м; Eпр = 20 – 30 МВ/м.
Комплекс уникальных физико-химических свойств делает этот материал незаменимым для электрической изоляции в наиболее ответственных случаях, создания емкости пленочных конденсаторов при применении на высоких и сверхвысоких частотах.
Поливинилхлорид (ПВХ) (табл. 2.2) стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он обладает низкой прочностью, в связи с чем не используется при действии механической нагрузки. Кроме того, ПВХ проявляет нестабильность свойств под влиянием тепла и света. При добавлении различных пластификаторов (трудно испаряющихся органических жидкостей) он используется для изготовления пластических масс и резиноподобных материалов. Поливинилхлорид характеризуется следующими диэлектрическими параметрами: ρ ≈ 1013-1014 Ом·м; ε = 3,0 - 5,0; tg δ ~10-4; Eпр = 15 – 20 МВ/м. Свойства материала зависят от параметров различных добавок (красителей, стабилизаторов, пластификаторов и др). На основе ПВХ разработано большое число пластикатов (винипластов) разной степени эластичности, прозрачных и окрашенных. Изделия из пластикатов обладают устойчивостью к различным видам внешних воздействий, мягкостью, сочетающейся с упругостью, хорошими органолептическими свойствами.
Введение в композиционные ПВХ-материалы стабилизаторов, пластификаторов и других добавок приводит к улучшению механических свойств исходного материала и обеспечивает возможность обработки. Однако улучшение механических свойств сопровождается снижением химической стойкости.
Винипласты (ПВХ-пластикаты) широко применяются для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей, аккумуляторных баков и т.п.