С е г н е т о э л е к т р и к и

Волокнистые материалы.

Неорганические волокна. Бумага. Фибра. Лакоткани.

Волокнистые материалы – это материалы, которые состоят из отдельных тонких, обычно гибких волокон, имеющих большую длину по отношению к ширине. Они имеют широкое применение в электронике. В некоторых из этих материалов (текстильных) волокнистое строение совершенно очевидно, в других (бумага, картон) – волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа.

Волокнистые материалы имеют следующие  преимущества: дешевизну, довольно большая механическую прочность и гибкость, удобство обработки и недостатки: невысокие электрические прочность и теплопроводность, довольно высокую гигроскопичность.

Их можно разделить на природные и синтетические.

К природным относятся материалы растительного происхождения (хлопок, бумага); животного происхождения (шёлк, шерсть) и минерального происхождения (асбест).

Группу синтетических волокон составляют полистирольные, полиамидные, полиэфирные, полиэтиленовые и др. волокна, изготавливаемые путем вытягивания соответствующих полимеров из растворов и расплавов. К ним относятся ацетатный и медно-аммиачный шёлк и стеклянные волокна.

Из древесины получают целлюлозу или клетчатку, которая является сырьём для изготовления бумаги как писчей, так и электроизоляционной.

Обычные писчие и печатные бумаги и бумаги для книг  изготавливаются из сульфитной целлюлозы, которая легко приобретает белый цвет. Электроизоляционные бумаги, а так же особо прочные  упаковочные изготавливаются из сульфатной  и натронной целлюлозы. Она сохраняет желтый цвет, дороже сульфитной.

Электроизоляционные бумага и картон –  это листовые или рулонные материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из целлюлозы. Целлюлозу или клетчатку получают из древесины путём химической переработки.

По назначению электроизоляционные бумаги делятся на конденсаторную, кабельную, пропиточную и др.

Конденсаторная бумага – наиболее тонкая и высококачественная из электроизоляционных бумаг, её  выпускают следующих марок: КОН – обычная конденсаторная бумага; СКОН – специальная улучшенного качества; МКОН – конденсаторная бумага с малыми диэлектрическими потерями и др. Номинальная толщина конденсаторной бумаги в зависимости от марки колеблется от 4 до 30 мкм. Для повышения диэлектрической проницаемости и электрической прочности бумагу пропитывают различными типами пропиточных масс.

В пропитанном виде она применяется в конденсаторах в качестве диэлектрика, но в настоящее время вытесняется синтетическими плёнками.

Кабельная бумага в пропитанном виде применяется для  изоляции силовых кабелей.

  Пропиточная бумага применяется для изготовлениялистового гетинакса

Телефонная бумага  применяется для изоляции обмоточных проводов, а так же для различных жил телефонных кабелей.  Выпускается красного, зеленого, синего и желтоватого цвета.

Фибруизготавливают из тонкой бумаги, которая пропускается через теплый раствор хлористого цинка Zn  наматывается на стальной барабан до нужной толщины.  Слои бумаги прилипают друг к другу и затем  фибра срезается с барабана, промывается водой и пресуется. Фибра имеет не высокие электроизоляционные свойства и значительную гигроскопичность, а её техническая прочность значительна. Она хорошо обрабатывается: режется, пилится, строгается, принимает винтовую резьбу.

Лакоткани– гибкий электроизоляционный материал, представляющий собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. Ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая пленка – электрическую прочность материала. Для изготовления лакотканей  чаще применяют хлопчатобумажную и реже шелковую ткань. Значительное применение находят так же лакоткани на основе тканей из синтетических волокон (капрона).

Лакоткани широко применяют для изоляции и защиты проводов в электрических машинах, аппаратах и приборах, в кабельных изделиях в виде обмоток, обверток, прокладок и т.д.

Стекловолокнополучают из расплава стекла, чаще из безщелочного алюмоборосиликатного. Стекловолокно отличается от органических волокон более высокой нагревостойкостью, повышенной механической прочностью, относительно малой гигроскопичностью, хорошими электроизоляционными свойствами.

Недостатки:относительно высокая хрупкость, низкая стойкость к истиранию и изгибу.

Из стекловолокна изготавливаютсветоводы, изоляцию монтажных, обмоточных и микропроводов, стеклянные ткани, которые используют в производстве нагревостойких теплотканей и стеклотекстолитов. Пресспорошок из коротких стекловолокон применяют как наполнитель для пластмасс.  

Световоды широко применяются для передачи различной информации в вычислительной технике, телевидении, фототелеграфии и т.д.

Асбест – название группы минералов, обладающих волокнистым строением. Наиболее распространенный тип асбеста – хризотиловый (3MgO×2SiO2×2H2O). Асбест залегает в каменной породе в виде жил, состоящих из параллельных друг другу волокон. Преимущество асбеста перед органическими волокнистыми материалами является высокая нагревостойкость, заметная гигроскопичность. Электроизоляционные свойства асбеста невелики.

Из асбеста изготавливают ленту, пряжу, ткани, бумаги, картоны и другие изделия. Асбестовая бумага и ткань образуют основу слоистых пластиков – асбогетинакса и асботекстолита.  

Асбоцемент – пластическая масса холодной прессовки чисто неорганического состава - наполнитель (асбест), связующее (портланд-цемент).     

  Тема 3.5 Активные диэлектрики

- С е г н е т о э л е к т р и к и

- П ь е з о э л е к т р и к и

- Л ю м и н о ф о р ы

- Э л е к т р е т ы

- Материалы для к в а н т о в ы х г е н е р а т о р о в

Активными (управляемыми) называются такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий (температуры, давления, напряженности поля и т. д.). Они могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и др. активных элементах.

К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегнетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкой границы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал в зависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивного изолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента.

С е г н е т о э л е к т р и к и

Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру (т. е. разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией). У ферромагнетиков также имеются домены (области спонтанного намагничивания), поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Разли­чием является то, что при помещении сегнетоэлектриков в электрическое поле меняется вектор электрического смещения, а у ферромагнетиков при помещении их в магнитное поле меняется индукция.

За рубежом сегнетоэлектрики называют ферро­электриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.Отечественное название - сегнетоэлектрики прои­зошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC₄H₄O₆). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее       

 время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO₃.

 На примере титаната бария BаTiO₃ рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков. BаTiO₃ имеет ионно-ковалентные химические связи, кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из        ионов бария (рис. 2)

Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.

Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравни­тельно мало. Такими направлениями будут направле­ния типа <111>. Соответственно соседние домены мо­гут быть разориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрические моменты сосед­них доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.

Важно отметить, что на границах доменов про­исходит постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так

                          же, как и ферромагнетиках.