Диэлектрики. Классификация материалов

1.

Классификация материалов
По удельному сопротивлению
Проводниковые материалы
v =10-8 - 10-5 Ом*м
Полупроводниковые материалы
v = 10-5 - 106 Ом*м
Диэлектрики
v = 107 - 1018 Ом*м

2.

Диэлектрики
Диэлектрики применяются:
• для изоляции токоведущих частей
друг от друга.
• для создания емкостей
(конденсаторов) – накопителей
заряда.

3.

Диэлектрики
•По агрегатному состоянию
диэлектрики разделяют на:
•газообразными – воздух или другие
газы;
•жидкими – все возможные масла,
клеи, лаки;
• твердыми – керамика, пластмасса,
стекло, смола и др.

4.

Диэлектрики
•По химическому составу диэлектрики
разделяют на:
•органические – смолы, пластмассы,
слоистые пластики, воскообразные,
лаки, ткани, фторопласты, эластомеры
;
•неорганические – керамика, стекла,
слюды, сегнетоэлектрики,
пьезоэлектрики, фториды, оксиды;

5.

Диэлектрики
В электрическом поле в диэлектрике происходят
следующие основные процессы:
•поляризация, характеризуемая относительной
диэлектрической проницаемостью ε;
•электропроводность γ (объемная γv и
поверхностная γs),
•диэлектрические потери, характеризуемые
тангенсом угла диэлектрических потерь – tg δ;
•пробой, характеризуемый пробивной
напряженностью Епр – электрической
прочностью

6.

Основные параметры диэлектриков
1. ε – диэлектрическая проницаемость;
2. tgδ – тангенс угла диэлектрических
потерь;
3. Eпр – электрическая прочность;
4. ρv - удельное объёмное сопротивление
5. ρs – удельное поверхностное
сопротивление;

7.

ε– диэлектрическая проницаемость
•Важнейшим свойством диэлектриков
является их способность к электрической
поляризации, т.е. под влиянием
электрического поля происходит
направленное смещение связанных
заряженных частиц или молекул (диполей)
на ограниченное расстояние.
•Под действием электрического поля
смещаются заряды, как в полярных, так и
неполярных молекулах.

8.

ε – диэлектрическая проницаемость
•Диэлектрическая проницаемость – мера
способности материала к поляризации.
•Эта величина, показывает во сколько раз сила
взаимодействия электрических зарядов в
данном материале меньше, чем в вакууме.
•Внутри диэлектрика возникает поле,
направленное навстречу внешнему полю.
Напряженность внешнего поля ослабевает по
сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в
ε раз, где ε – относительная диэлектрическая
проницаемость.

9.

ε – диэлектрическая проницаемость
•Если вакуум между обкладками
конденсатора заменяется на диэлектрик,
то в результате поляризации ёмкость
возрастает.
ε = (Cd / C0) >1
C0 – ёмкость конденсатора, между
обкладками которого – вакуум;
Cd – ёмкость того же конденсатора с
диэлектриком

10.

Виды поляризаци
Электронная поляризация (Мгновенная)
– смещение электронного облака атома под
воздействием электрического поля.

11.

Электронная поляризация
•Время установления – 10-15 с, т.е. мгновенно.
•Поляризуемость не зависит от температуры.
•Диэлектрическая проницаемость плавно
уменьшается с повышением температуры в
связи с тепловым расширением диэлектрика и
уменьшением количества атомов в единице
объема.
•Электронная поляризация наблюдается у всех
диэлектриков независимо от их химического
состава и внутренней структуры.

12.

Виды поляризации
Ионная поляризация (Мгновенная)
смещение упругосвязанных ионов на небольшое
по сравнению с параметром решётки расстояние.
1
2
Идеализированная схема расположения ионов каменной
соли:
1–в узлах решетки в отсутствие электрического поля ; 2 –
смещение из узлов на небольшие расстояния при воздействии
поля.

13.

Ионная поляризация
•Время установления 10-13 с – больше,
чем у электронной поляризации, так
как ионы массивнее.
•поляризуемость с ростом
температуры усиливается благодаря
ослаблению сил взаимодействия
между ионами.
•характерна для материалов с
ионным строением.

14.

Виды поляризации
• Способность к поляризации связана с физико-химической
природой диэлектриков, что позволяет (по отношению к
поляризационным процессам) подразделять их на два
больших
класса:
неполярные
(бездипольные)
и полярные (дипольные).
• Молекула любого вещества состоит из частиц (атомов или
групп атомов, ионов), каждая из которых имеет
определенный электрический заряд. В отсутствие
внешнего электрического поля алгебраическая сумма всех
зарядов равна нулю. Но их пространственное
расположение в молекулах различных веществ может
отличаться. Если заменить все положительные и
отрицательные заряды одним положительным и одним
отрицательным, равными по модулю и расположенными в
электрических центрах тяжести, то суммарные заряды
могут либо совпадать в пространстве, либо не

15.

Виды поляризации
• При совпадении центров тяжести положительных и
отрицательных зарядов собственный электрический
(дипольный) момент молекулы, которым она
обладает в отсутствие электрического поля, равен 0.
Молекулы, не имеющие собственного дипольного
момента, называются нейтральными или
неполярными.
• Если в диэлектриках даже в отсутствие внешнего
электрического поля положительные и
отрицательные заряды молекулы разнесены в
пространстве (имеется асимметрия в распределении
электрических зарядов), такая молекула
представляет собой электрический диполь и
является полярной (дипольной), как и вещество,
образованное этими молекулами.

16.

Полярные и неполярные молекулы

17.

Полярные и неполярные молекулы

18.

Дипольно-релаксационная поляризация
•Переориентация молекул-диполей в
приложенном к диэлектрику внешнем
электрическом поле.
•Время установления 10-10..10-2 с –
зависит от массы, плотности упаковки и
размеров диполей.
•С увеличением частоты диэлектрическая
проницаемость убывает, поэтому
полярные диэлектрики не применяются
на высоких частотах.

19.

Дипольная поляризация

20.

Дипольная (дипольнорелаксационная) поляризация
а)
б)
Расположение дипольных молекул в отсутствии
электрического поля (а) и при его воздействии на
диэлектрик (б).

21.

Миграционная поляризация
• Проявляется в твердых телах неоднородной структуры
при наличии неоднородностей и примесей.
• Причины поляризации - наличие проводящих и
полупроводящих включений в реальных технических
диэлектриках.
• При миграционной поляризации электроны и ионы
перемещаются в пределах проводящих включений,
образуя большие поляризованные области.
• Данная поляризация связана с большими потерями
энергии.
• Время релаксации таких диэлектриков – минуты и
секунды.

22.

Спонтанная поляризация
Этот вид поляризации проявляется в
сегнетоэлектриках - кристаллических
веществах, обладающих способностью к
самопроизвольной электрической
поляризации, которая может возникать даже в
отсутствие внешнего поля. Сегнетоэлектрики
имеют доменную структуру. Домены это
макроскопические области, обладающие
спонтанной (самопроизвольной) поляризацией,
которая возникает под влиянием внутренних
процессов в диэлектрике. Линейные размеры
доменов . Линейные размеры доменов
составляют от 1 мкм до 1 мм.

23.

Сегнетоэлектрики

24.

Сегнетоэлектрики

25.

Кристаллическая решетка BаTiO3

26.

Кристаллическая решетка BаTiO3

27.

Зависимость диэлектрической
проницаемости от температуры для
сегнетоэлектриков
точка Кюри около 133° С,
ε достигает 6000—7000.

28.

Зависимость поляризованности от
напряженности электрического поля для
сегнетоэлектриков
• Под воздействием внешнего электрического поля
происходит переориентация поляризации в доменах до
совпадения с направлением внешнего поля –
насыщения, что приводит к увеличению суммарной
поляризации образца.
• При изменении направления поля на противоположное
переориентация доменной структуры проходит не по
первоначальной кривой, а с отставанием, что является
следствием неоднородности материала, наличия
примесей, дефектов структуры, которые затрудняют
ориентацию доменов, что приводит к потерям.

29.

Зависимость поляризованности от напряженности
электрического поля для сегнетоэлектриков
Площадь петли пропорциональна величине потерь,
которые в сегнетоэлектриках достаточно высокие (tgδ
~ 10-2).

30.

Сегнетоэлектрики

31.

Основные свойства сегнетоэлектриков

32.

Основные свойства сегнетоэлектриков

33.

Основные свойства сегнетоэлектриков
•Спонтанная поляризация является
инерционным процессом, поэтому после
определенной частоты, называемой
критической, процесс переполяризации не
успевает следовать за полем и диэлектрическая
проницаемость (ε) резко падает. Применение
сегнетоэлектриков обычно ограничено
областью низких частот (до 100 кГц).
•Недостатком сегнетоэлектриков является низкое
значение точки Кюри и резкая зависимость
диэлектрической проницаемости от
температуры.

34.

Электропроводность диэлектриков
• Особенности электропроводности диэлектриков:
1. Наличие абсорбционных токов из-за неизбежного
увлажнения, окисления, загрязнения и т.п.
поверхностных слоев у твердых диэлектриков
возникает заметная поверхностная
электропроводность.
2. При длительной работе под напряжением ток,
протекающий в диэлектрике может измениться:
- увеличение тока – ток обусловлен зарядами самого
диэлектрика - необратимые процессы старения.
- уменьшение тока - ток обусловлен ионами
примеси - электрическая очистка образца.

35.

Электропроводность диэлектрика
В любом реальном (техническом)
диэлектрике находится некоторое
количество свободных зарядов примесей.
При приложении к диэлектрику
напряжения направленное перемещение
этих свободных зарядов обусловливает ток
в диэлектрике. Этот ток называется
сквозным током Iск.
Сквозной ток в большинстве диэлектриков
имеет ионный характер в отличие от
электронного в металлах.

36.

Электропроводность диэлектрика
Процессы поляризации в диэлектрике
тоже аналогичны току (происходит
перемещение зарядов), но эти токи
обусловлены перемещением связанных
зарядов и существует только короткое
время, пока процесс поляризации не
завершился. Они называются –
поляризационными токами Iполяр.
Iсм существует при включении и
выключении напряжения, пока идет
процесс поляризации.

37.

Электропроводность диэлектрика
Электронная и ионная поляризации
устанавливаются мгновенно и токи смещения,
настолько кратковременны, что их невозможно
зафиксировать.
Замедленные виды поляризации
устанавливаются более длительное время и
регистрируются приборами.
Поляризационный ток медленных видов
поляризации называются абсорбционным током
(или током абсорбции) Iабс.
Iполяр = Iсм + Iабс

38.

Электропроводность диэлектрика
Общий ток, протекающий через
диэлектрик, равный сумме токов абсорбции
и сквозного тока, называется током утечки
Iут = Iабс + Iскв
Абсорбционный ток Iабс довольно быстро
затухает. Поэтому электропроводность
диэлектриков при постоянном напряжении
определяется только по сквозному току
Iскв.

39.

Зависимость тока через диэлектрик
от времени

40.

Удельное объёмное сопротивление
Удельное объемное сопротивление представляет
собой электрическое сопротивление куба
материала с ребром 1 м:
ρv RV S/ L [Oм*м]
где: RV – сопротивление материала (Ом);
S – площадь сечения образца (м2);
L – длина образца (м).

41.

Удельное поверхностное сопротивление
Данный параметр характеризует электрическое
сопротивление поверхностного слоя диэлектрика в
виде квадрата со стороной в 1 м
ρs ρv/ d [Oм/ ]
где: ρv – удельное объёмное сопротивление;
d – толщина диэлектрика, (толщина
адсорбционного слоя).

42.

Потери в диэлектрике
•Упругая поляризация (электронная и
ионная) – совершается в диэлектрике без
выделения энергии и рассеяния тепла (без
потерь энергии).
•Медленные виды поляризации - требуют
затрат определенной энергии, которая
затем выделяется в виде тепла (большие
потери энергии.)

43.

Потери в диэлектрике
Эквивалентная схема
диэлектрика
Векторная диаграмма токов и
напряжения в диэлектрике

44.

Емкостное сопротивление в цепи
переменного тока

45.

Потери в диэлектрике
Iа = IR = U/R
Iр = IC = ω C U
где: ω – круговая частота переменного
поля.
tgδ = Ia / Ip.
Ра = U Ia = U IR tgδ= U2ωC tgδ

46.

tgδ – тангенс угла диэлектрических
потерь
Углом диэлектрических потерь называется угол
δ, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ
между током IΣ и напряжением U в ёмкостной
цепи.
Предельные значения тангенса угла
диэлектрических потерь:
для высокочастотных диэлектриков не должны
превышать 0,0001 – 0,0004,
а для низкочастотных – 0,01 – 0,02.

47.

Зависимости ε и tgδ от температуры и
частоты при электронной поляризации
С возрастанием температуры объем диэлектрика
увеличивается и диэлектрическая проницаемость
немного
уменьшается.
Особенно
заметно
уменьшение ε у неполярных диэлектриков, когда их
объем существенно возрастает.
• Ввиду высокой частоты обращения электронов
на орбитах (порядка 1015 –1016 Гц) время
установления равновесного состояния электронной
поляризации очень мало и проницаемость ε
неполярных диэлектриков не зависит от частоты
поля в обычно используемом диапазоне частот (до
1012 Гц).

48.

Зависимости ε и tgδ от температуры и
частоты при ионной поляризации
При повышение температуры ослабевают связи
между отдельными ионами, и это приводит к
увеличению ионной поляризации, т.е.
диэлектрической проницаемости ε.
Ввиду малого времени установления состояния
ионной поляризации (порядка 1013 Гц, что
соответствует собственной частоте колебания
ионов в кристаллической решетке) изменение
частоты внешнего поля в обычных рабочих
диапазонах практически не отражается на
величине ε в ионных материалов.

49.

Зависимости ε от температуры при
дипольной поляризации
Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков
сильно зависит от их температуры и частоты внешнего
поля. С возрастанием температуры увеличивается
подвижность
частиц
и
уменьшается
энергия
взаимодействия между ними, т.е. облегчается их
ориентация под действием внешнего поля – возрастает
дипольная
поляризация,
т.е.
диэлектрическая
проницаемость.
Однако этот процесс продолжается лишь до определенной
температуры. При дальнейшем нагреве кинетическая
энергия движения частиц настолько возрастает, что
разрушает ориентацию, вызванную внешним полем. При
дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε
уменьшается.

50.

Зависимости ε частоты при дипольной
поляризации
Ориентация диполей по направлению
поля, т. е. установление поляризации
требует значительного времени.
Это время настолько велико, что в
переменных полях высокой частоты
диполи не успевают ориентироваться
по полю, и проницаемость ε падает.

51.

Электрическая прочность
диэлектриков
Пробой диэлектрика это явление, приводящее к потере
диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием
канала высокой проводимости.
Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика,
называется пробивным напряжением UПР. Отношение UПР к
толщине диэлектрика характеризует электрическую прочность
диэлектрика, т.е. это минимальная напряжённость электрического
поля, соответствующая пробоя:
Eпр Uпр d КB мм
где: Uпр – пробивное напряжение, измеряемое в вольтах или
киловольтах;
• где d – толщина диэлектрика (для твердых диэлектриков) или
расстояние между электродами (для жидких и газообразных
диэлектриков).

52.

Пробой диэлектрика
В газах и жидких диэлектриках после пробоя и
после снятия напряжения изоляционные свойства
восстанавливаются
В твердых диэлектриках в канале пробоя могут
оставаться проводящие продукты разложения,
поэтому электроизоляционные свойства твердого
диэлектрика после снятия напряженности не
восстановятся.
Электрическая прочность диэлектриков зависит от
рода материала, его размеров, температуры,
влажности, частоты приложенного напряжения,
времени приложения напряжения.

53.

Виды пробоя диэлектрика
В зависимости от механизма
протекания электрический пробой
диэлектриков может быть:
•чисто электрическим
•тепловым
• электрохимическим.

54.

Электрический пробой
Электрический пробой возникает за счет
ударной ионизации, возникающей в сильном
электрическом поле. Когда из немногих
начальных электронов возникает электронная
лавина. Это приводит к резкому возрастанию
плотности электрического тока.
Чисто электрический пробой возникает
если нет диэлектрических потерь (нагрев
диэлектрика)
Электрический пробой протекает очень
быстро за время, меньшее 10-7–10-8 секунд.

55.

Электрический пробой
Электрический пробой чаще всего
встречается в газообразных диэлектриках.
Пробой в газах приводит к образованию
канала газоразрядной плазмы,
в жидких диэлектриках происходит
вскипание и газовыделение,
а в твердых диэлектриках в месте пробоя
остается след в виде прожженного или
расплавленного отверстия.

56.

Тепловой пробой
Тепловой пробой возникает при больших
диэлектрических потерях, нагреве материала
иными источниками тепла и при плохом отводе
тепловой энергии.
Такой пробой диэлектрика сопровождается
нарастанием электрического тока в результате
резкого снижения сопротивления на участке, где
нарушено тепловое равновесие. Этот процесс
наблюдается до тех пор, пока не возникнет полное
термическое разрушение диэлектрика в
ослабленном месте.
Например, произойдет обугливание или
расплавление исходного твердого
электроизоляционного материала.

57.

Тепловой пробой

58.

Электрохимический пробой
Электрохимический пробой обусловлен
медленными изменениями химического состава и
структуры диэлектрика, которые развиваются под
действием электрического поля и внешних
воздействий.
Это приводит к необратимому уменьшению
сопротивления изоляции и пробою её при
напряжённостях значительно меньших, чем
электрическая прочность диэлектрика.
Этот процесс также называется электрическим
старением диэлектрика.

59.

Основные параметры диэлектрика
•) удельное электрическое сопротивление
ρ v и ρ s;
•2) диэлектрическая проницаемость ε;
•3) тангенс угла диэлектрических потерь –
tg δ;
•4) электрическая прочность Епр = Uпр /d.

60.

61.

62.

63.

Органические диэлектрики
1. Органические диэлектрики.
• Высокая технологичность
• Высокая механическая и электрическая прочность при
малой толщине
• Эластичность, легкость
2. Неорганические диэлектрики
• Высокая химическая стойкость
• Высокая нагревостойкость
• Отсутствие старения
3. Элементоорганические соединения: волокнистые
материалы пропитывают смолами, слюдяные материалы
склеивают органическими лаками и т.д.

64.

.
Органические диэлектрики

65.

Органические диэлектрики

66.

Органические диэлектрики
По характеру строения молекулы могут быть:
Линейные полимеры: большое отношение длины
молекулы к ее поперечному сечению (порядка 1000).
(полиэтилен, полистирол)
• обладают повышенной гибкостью, пластичностью,
хорошей растворимостью, размягчаются при
температуре до 100 градусов.
Пространственные полимеры: молекула одинаково
развита в пространстве в разных направлениях
• обладают большей твердостью, прочностью
размягчаются при температуре более 200 градусов.
• Обычно инертны к изменениям в окружающей среде.

67.

Органические диэлектрики
По тепловым свойствам полимеры бывают двух
видов:
1.Термопластичные, меняют форму в нагретом
состоянии и сохраняют её после охлаждения.
2. Термореактивные (термоотверждающиеся),
которые при повышении температуры
затвердевают с необратимым изменение свойств.
Приобретают твердость, прочность, теряют
способность растворяться. (пространственные
полимеры)
3. Эластомеры – обладают высокоэластичными
свойствами в широком интервале температур
(каучук).

68.

Слоистые пластики
Пресс-материалы с листовым
наполнителем имеют слоистую
структуру, поэтому материалы этого
типа называют также слоистыми
пластиками.
Слоистые пластики – это полимерные
материалы, армированные
параллельно расположенными
слоями наполнителя.

69.

Слоистые пластики
В качестве наполнителя используют:
•бумагу и картон из целлюлозных волокон
(гетинанкс),
•ткани из хлопчатобумажных волокон
(текстолиты),
•стеклоткани - ткани из стеклянных волокон
(стеклотекстолит).
В качестве связующего используют:
эпоксидные, феноло-формальдегидные смолы.

70.

Гетинакс
Получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой. При t = 1600 – 1700С смола
переходит в твердое состояние и прочно связывает листы
бумаги.
Этот пластик имеет:
• Невысокую механическая стойкость и термостойкость.
• Высокая технологичность в плане обработки - позволяет
формировать печатные платы любых размеров.
• Самый дешевый слоистый пластик.
Использует в низковольтной бытовой аппаратуре.
ε = 6 – 7, tgδ = 0,035 – 0,08, ρV=108 Ом*м,
Е = 4 – 10 мВ/м.

71.

Текстолит
Изготавливают также, только вместо бумаги используют х/б
ткань. Этот материал в 5 раз дороже.
но имеет:
• Высокую прочность при сжатии.
• Высокая ударную вязкость. Прочность к истиранию.
• Легко поддается обработке путем сверления, резке и
штамповке.
Применяется в производстве технологических элементов,
которые подвержены высоким электрическим и
механическим нагрузкам.
Электрические свойства в ┴ направлении и в ║
направлении сильно отличаются (ρV в 50 – 100 раз, Епр в 5 –
8 раз).

72.

Стеклотекстолит
Состоит из стеклоткани, пропитанной термореактивным
связующими на основе фенолформальдегидной,
эпоксидной и кремнийорганической смол (горячее
прессование).
• Высокую электрическую прочность.
• Высокая нагревостойкость.
• Высокую влагостойкость.
• Высокая механическая прочность.
• Высокая стабильность параметров.
Стеклотекстолит является основным материалом при
изготовлении печатных плат.

73.

Схема на печатной плате

74.

Печатные платы

75.

Лаки и компаунды
Лаки и компаунды – это герметизирующие материалы для
защиты деталей и узлов РЭА от внешних воздействий (в
основном от влаги). Эту защиту выполняют заливкой или
пропиткой.
• Общие требования:
1.Максимальное согласование ТКЛР.
2.Низкая влагопроницаемость (отсутствие гигроскопичности).
3.Необходимые диэлектрические параметры, стабильные во
всем диапазоне рабочих температур и при воздействии влаги
и перегрузок.
4.Хорошая адгезия.
5.Инертность при контакте с металлами (отсутствие
коррозии).

76.

Лаки
Лак это коллоидный раствор
пленкообразователей (смол, битумов,
высыхающих масел) в летучих растворителях.
После нанесения на поверхность растворитель
испаряется и на поверхности остается пленка
лака толщиной 50—70 мкм.
Предназначенные для зашиты узлов и деталей
радиоэлектронной аппаратуры от воздействия
влаги, пыли, химических реагентов и т. д.
Их наносят на поверхность изделий для
создания электроизолирующей пленки.

77.

Лаки
В зависимости от применения различают лаки
• пропиточные - для пропитки пористых и
волокнистых изоляций (бумага, ткань и др.). Эти
лаки имеют малую вязкость.
• покрывные - создают на поверхности деталей
механически прочной, гладкой, влагостойкой
пленки.
• клеящие -служат для склеивания твердых
изоляционных материалов и для приклеивания
изоляции к металлу. Эти лаки должны обладать
высокой вязкость и очень высокой адгезией.

78.

Компаунды
Компаунды – смеси органических веществ, но в
отличие от лаков не содержат растворителей. В
исходном состоянии – жидкость, затем вводят
отвердитель. Термокомпаунды в радиотехнике не
применяют (затвердевают остывая).
Компаунды подразделяют на заливочные и
пропиточные.
Назначение компаундов:
повышение механической прочности,
гидроизоляции, повышения электрической
прочности, отвода тепла.

79.

Компаунды
Требования к компаундам:
• - малая усадка (0,2% - 2,5%).
• - высокая теплопроводность.
• - удовлетворительные диэлектрические
параметры.
• - желателен переход в твердое состоянии при
комнатных температурах.
• после отверждения должны иметь высокие
электроизоляционные и механические свойства
(в том числе при повышенных температурах), а
также нагрево- и влагостойкость.

80.

Неорганические диэлектрики
Это материалы ионного строения
(оксиды), которые могут быть
природные (слюда, кварц и др.) или
искусственные (керамика, стекла,
ситаллы и др.).

81.

Неорганические диэлектрики
Стекло -неорганический аморфный
термопластичный материал, получаемые путем
переохлаждения жидкого расплава окислов
(SiO2, B2O3, A12O3, Na2O, CaO и др.).
Достоинства:
•высокая чистота поверхности
•высокая плоскостность (1 мкм/мм),
•отсутствие пор и влагопроницаемости.
•химическая стойкость
•низкая стоимость.
Недостатки:
•низкая механическая
•низкая теплопроводность

82.

Неорганические диэлектрики
Ситаллы - материалы, получаемые сплавлением
неорганических окислов, но подвергаемые
управляемой кристаллизации. Процент
кристаллической фазы у ситаллов составляет 60 95% объема.
Фотоситаллы – катализаторы кристаллизации
благородные металлы или медь. Облучают
ультрафиолетовым светом или γ-лучами.
Термоситаллы - катализаторы кристаллизации
окислы металлов (TiO2, ZnO и др.), хорошо
растворимые в стекле. Эти катализаторы
вызывают кристаллизацию при ступенчатой
термической обработке при температурах 550о –
1100о .

83.

Ситалл
Достоинства:
•высокой чистоты поверхности
•высокая плоскостность (1 мкм/мм),
•отсутствие пор и влагопроницаемости.
•высокая механическая прочность (высокая
степень кристаллизации)
•твердость
•термическая и химическая стойкость
•низкая стоимость (доступность сырья и простая
технология)
Недостатки:
•низкая теплопроводность

84.

Неорганические диэлектрики
Керамика - это материал, получаемый
спеканием порошкообразных
неорганических веществ при температуре,
меньшей температуры плавления.
Имеет многофазную структуру:
кристаллическую, аморфную и газовую
фазы.
Свойства керамики зависят от химического
и фазового состава и технологии
изготовления.

85.

Многофазность керамики

86.

Керамика
Этапы изготовления:
•приготовление формовочной массы
( глинозем металлов А1203, кремнезем
Si02; алюмосиликаты, содержащие Na, К,
Са; кальцит (СаС03); тальк (3MgO • 4Si02
Н20); магнезит (MgC03); BaC03, SrC03, Ti02,
Zr02, Sn02, ZnO, PbO и др.),
•формование заготовок (прессование),
•обжиг 600 - 14000 °С,
•механическая доработка (при
необходимости).

87.

Керамика
Достоинства керамики:
• высокая теплостойкость,
•хорошие и разнообразные диэлектрические
характеристики,
•относительно высокая теплопроводность,
•механической прочностью.
Недостатки:
•невозможность получения тонких гибких
изделий,
•трудность механической обработки (изделия
можно только шлифовать),
•пористость (повышают температуру)

88.

Установочная керамика
Применение:
основания и корпуса ГИС и полупроводниковых
микросхем.
1. Высокоглиноземная керамика:
ВК-94-1 (22ХС),
сапфир (ВК-94-1 содержит 96% Al2O3,
поликор – 99,5% Al2O3 ,
сапфир – 100% Al2O3 .
• низкие диэлектрические потери в диапазоне
радиочастот и небольшие значения ε.
• обладают повышенной нагревостойкостью (до
1660о С) и хорошей теплопроводностью.

89.

Установочная керамика
2. Бериллиевая керамика - брокерит (98% оксид
бериллия (B2O) относится к вакуумноплотным
материалам с отличными диэлектрическими
параметрами (р =1016 Ом • м, tg б < 3 • 10-4), имеет
механическую прочность, очень большую
теплопроводностью. (выше, чем у алюминия).
Недостатками:
• токсичность сырья и отходов,
• сложность технологии производства
• высокая стоимость.
Используется для изготовления подложек интегральных
микросхем и в производстве мощных СВЧ-приборов.

90.

Кристаллическая решетка окиси бериллия

91.

Керамика
Алмазная керамика - получают прессованием
мелкодисперсного (5--7 мкм) синтетического
алмазного порошка под давлением при температуре
1800°С в течение 5 с.
Теплопроводность как у монокристаллического
естественного алмаза.
Применение: диэлектрические высокотемпературные
теплопередающие элементы очень высокой
эффективности.
В отличие от всех диэлектрических материалов
тангенс угла диэлектрических потерь у алмазной
керамики с повышением частоты уменьшается.

92.

Кристаллическая решетка
алмаза

93.

Конденсаторная керамика
Применение:
используется в конденсаторах.
Керамики на основе:
окиси титана TiO2,
титанатов щелочноземельных металлов
(титаната бария BaTiO3, титаната
стронция SrTiO3).
Основные требования:
•высокое значение ε,
•малые потери,
•малый температурный коэффициент ТКε.

94.

Активные диэлектрики
• Материалы, свойствами которых можно управлять с
помощью внешнего энергетического воздействия.
• Сегнетоэлектрики
• Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэффекты
связывают механические и электрические свойства
диэлектрика.
• Пироэлектрики. Пиролетический эффект –
изменение поляризации диэлектрика при изменении
температуры
• Электреты –диэлектрики, длительно сохраняющие
поляризованное состояние.

95.

Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют вещества,
обладающие спонтанной (самопроизвольной)
поляризацией, направление и величина которой
может быть изменены с помощью внешнего
электрического поля.
•К сегнетоэлектрикам относится титанат бария
(BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат лития
(LiNbO3), танталат лития (LiTaO3) и др. Эти
соединения не растворимы в воде, обладают
значительной механической прочностью, легко
получаются в виде поликристаллов по
керамической технологии

96.

Сегнетоэлектрики
Спонтанная поляризация относится к замедленным
видам поляризации, поэтому сегнетоэлектрики
характеризуются большим значением тангенса
угла потерь (tg = 0.1).
У сегнетоэлектриков есть точка Кюри - температура
при которой возникает (при охлаждении) или
исчезает
(при
нагревании)
спонтанная
поляризация, а диэлектрическая поляризация
достигает своего максимального значения.
После достижения точки Кюри доменная структура
распадается и сегнетоэлектрик переходит в
пароэлектрическое состояние.

97.

Пьезоэлектрики
К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики,
которые обладают сильно выраженным
пьезоэлектрическим эффектом.
Прямым пьезоэффектом называют явление
поляризации диэлектрика под действием
механического напряжения.
Электрический заряд Q, возникающий на
поверхности, изменяется по линейному закону в
зависимости от механических усилий.
При обратном пьезоэффекте происходит
изменение размеров диэлектрика
пропорционально напряженности
электрического поля Е.

98.

Пьезоэлектрики
В качестве пьезоматериалов широко
применяют сегнетоэлектрики, которые
выдерживают в сильном электрическом поле
при температуре 100-150С в течение
длительного времени.
Поляризованную сегнетокерамику,
предназначенную для использования ее
пьезоэффекта, называют пьезокерамикой.
Основным материалом для изготовления
пьезокерамических элементов являются
твердые растворы PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат титанат свинца или сокращенно ЦТС).

99.

Пьезоэлектрики
Ввиду высоких значений потерь пьезокерамику
трудно использовать на частотах свыше 20Мгц.
На высоких частотах применяются
монокристаллические пьезоэлектрики. Наиболее
часто применяют кварц - двуокись кремния SiО2.
Преимуществом кварцевых резонаторов являются
малый tg и температурная стабильность
параметров. Благодаря высокой добротности
кварцевые резонаторы используются в качестве
фильтров с высокой избирательной способностью, а
также для стабилизации и эталонирования частоты
генераторов.

100.

Пьезоэлектрики
Ниобат LiNbO3 и танталат лития LiTaO3
обладают более высокими, чем кварц
пьезомодулями , во многих случаях вытесняют
кварц.
Фильтры на их основе обладают:
• большой широкополосностью при меньших
габаритах,
•более низким сопротивлением в полосе
прозрачности,
•хорошей изоляцией от паразитных колебаний.

101.

Пироэлектрики
К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые
обладают сильно выраженным пироэлектрическим
эффектом.
Пироэлектрическим эффектом называют изменение
спонтанной поляризованности диэлектрика при
изменении его температуры.
Пироэлектрическими свойствами обладают все
сегнетоэлектрики.
Пироэлектрики применяются для создания тепловых
датчиков и приемников лучистой энергии,
предназначенных для регистрации инфракрасного и
СВЧ-излучения.

102.

Электреты
Электреты - это твердые диэлектрики длительно
сохраняющие поляризацию и создающие в
окружающем их пространстве электрическое поле.
Время жизни электретов в нормальных условиях может
достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с
повышением температуры и влажности окружающей
cреды.
Электреты используются для изготовления :
запоминающих устройств,медицинских
аппликаторов, антитромбогенных имплантатов
телефонов, микрофонов, дозиметров радиации,
измерителей атмосферного давления и влажности.

103.

Виды диэлектриков