Характеристика кристаллических решеток

Композиционные материалы  получают в процессе горячего прессования бумаги, ткани или стеклоткани, пропитанных термореактивной смолой. В зависимости от наполнителя называются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Используются для изготовления печатных плат и других электроизоляционных изделий.

Стекло  и керамика

Стеклами называют аморфные тела, получаемые в результате переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, приобретающие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в твердое является обратимым.

 По химическому  составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа:

оксидные - на основе оксидов (SiO₂, GeO₂, В₂О₃, Р₂О₅, Аl₂О₃), галогенидные - на основе галогенидов (BeF₂, фторбериллатные стекла), халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов. Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

- по виду оксида-стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и т.д;

- по содержанию щелочных  оксидов - бесщелочные (могут содержать щелочно-земельные оксиды MgO, CaO, ВаО), малощелочные, многощелочные.

Электрические свойства стекла  сильно зависят от состава  стекла. Большинство стекол характеризуется ионной проводимостью. Некоторые специальные виды стекол - халькогенидные, ванадиевые (полупроводниковые) - имеют электронную или смешанную проводимость. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую - высокощелочное. Электропроводность стекол очень быстро возрастает при увеличении температуры из-за увеличения подвижности ионов. Удельное объемное сопротивление промышленных стекол при невысоких температурах колеблется в пределах 10⁸...10¹⁵ Ом·м. Существенное влияние на электропроводность стекол имеет поверхностная проводимость, сильно зависящая от адсорбированной водяной пленки.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных; tgδ стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов. Самую низкую диэлектрическую проницаемость имеет кварцевое стекло [ε_r = (3,7... 3,8)]. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, ε_r стекол увеличивается примерно до 20.

Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми процессами. При постоянном напряжении электрическая прочность стекла весьма велика и достигает 500МВ/м,а при увеличении температуры резко снижается. В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол 17... 80 МВ/м.

Полупроводниковые стекла применяются в электронных приборах и устройствах, например, в термосопротивлениях, светофильтрах и фотосопротивлениях, сочетающих в себе избирательное поглощение света с повышенной электропроводностью.

Электротехническая  керамика.

Это материал, получаемый в результате обжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.

В качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, используемый в производстве изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.  Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения - глинистые вещества (каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит). Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре позволяют использовать его при низких частотах: е_r = 6...7, tgδ = 0,02; tgδ электротехнического фарфора, однако быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgO·SiO₂,. Стеатитовые материалы характеризуются высокими значениями ρ, в том числе при высокой температуре, малым tgδ.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок характеризуется большим содержанием Аl₂0₃ и является усовершенствованным радиофарфором. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и теплопроводность.

Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоретической для Аl₂0₃), обладает оптической прозрачностью и применяется для изготовления колб некоторых специальных источников тока.

Конденсаторная  керамика имеет диэлектрическую проницаемость ε_r = 10...230 или ε_r = 900. В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам; tgδ  на частоте 1 МГц не должен превышать 0,0006. Во втором случае имеет место керамика низкочастотная; на частоте 1000 Гц  tgδ = (0,002... 0,025). К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из конденсаторных материалов имеют в своем составе диоксид титана - рутил (TiO₂ ) и называются  тикондами. Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция – СаТiO₃ и SrTiO₃. При высоких частотах у этих материалов температурная зависимость tgδ выражена слабо, однако эти виды материалов характеризуются пониженной электрической прочностью (8... 12 МВ/м).

Для повышения температурной  стабильности в керамику вводят компоненты с положительным значением температурного коэффициента ε_r. Такие материалы часто называют термокомпенсированными. К этой группе относятся титано-циркониевая керамика TiO₂-ZrO₂; CaTiO₃-CaZrO₃; лантановая керамика LaAlO₃-CaTiO₃.

Основу низкочастотной керамики составляют титанат бария BaTiO₃ и твердые растворы на его основе. Эти материалы отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости и ее нелинейной зависимостью от напряженности электрического поля.

Активные диэлектрики

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники, относятся к группе активных диэлектриков: сегнето-, пьезо- и пиро-электрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами..

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено под действием внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура Т_к (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже которой сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами. При температуре, превышающей Т_к, происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля (рис.42 ), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса..

Рис.42

На рис. 43 приведена  зависимость диэлектрической проницаемости  титаната бария от температуры при  различной напряженности электрического поля.

Рис.43

Сегнетоэлектрики по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiO₃, титанат свинца РbТiO₃, ниобат калия KnbO₃ барий-натриевый ниобат BaNaNb₅O₁₅, и др.; дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль NaKC₄H₄O₆-4H₂O, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ – H₂SO₄, дигидрофосфат калия КН₂РО₄ и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по керамической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.

Сегнетоэлектрики применяются: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; при изготовлении материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Среди конденсаторной сегнетокерамики  можно выделить, например, Т-900, кристаллическая фаза которого представляет собой твердый раствор титанатов стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄Ti₃O₁₂ с температурой Кюри Т_к = -140°С. Этот материал имеет «сглаженную» зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. Для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения используют также материал СМ-1, изготовляемый на основе титаната бария с добавлением оксидов циркония и висмута. Для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре, в том числе и высоковольтных, используется материал Т-8000 (е_r = 8000), имеющий кристаллическую фазу на основе BaTiO₃-BaZrO₃. Точка Кюри этого материала близка к комнатной температуре.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются другие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами – сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей изменением их емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например такие, как триглицинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых  сегнетоэлектриков и антисегнетоэлект-риков  имеют сильно выраженный электрооптический  эффект (антисегнетоэлектрики, как  и cегнетоэлектрики, также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого домена сориентированы антипараллельно). Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Он называется линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления изменяется пропорционально первой степени напряженности, и квадратичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля (эффект Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Для электрооптических модуляторов света используют кристаллы ниобата лития LiNbO₃, дигидрофосфата калия КН₂РО₄, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, представляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с оксидом лантана.

При легировании сегнетоэлектрической керамики ВаТiO₃ и твердых растворов Ba(Ti, Sn)O₃, и (Ва, Рв)ТiO₃ неодимом и марганцем получают материалы, которые по своим свойствам относятся к сегнетополупроводникам. В таких материалах, благодаря легированию, возникают донорные и акцепторные уровни, и проводимость повышается в миллиарды раз до значений, соответствующих типичным полупроводникам. Однако высокая проводимость есть лишь в полярной фазе при температурах ниже точки Кюри. Вблизи точки Кюри проводимость резко уменьшается (в 10²… 10⁶ раз) и лишь при нагревании выше точки Кюри снова начинает расти с увеличением температуры. Такой эффект называется позисторным. Керамические элементы – позисторы имеют низкое «холодное» и высокое «горячее» сопротивление. Они широко применяются в системах теплового контроля, измерительной технике, в пусковых системах двигателей, для авторегулировки и в других устройствах.

Пьезоэлектрики – диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Важное место среди пьезоэлектриков занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией, имеет малый tgδ и высокую механическую добротность (т.е. малые механические потери). Механическая добротность (величина, обратная tgδ) в кварцевых резонаторах может достигать 10⁶… 10⁷.

Кроме кварца в различных  пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, получаемая в основном из твердых растворов цирконата-титаната свинца PbZrO₃-PbTiO₃ (ЦТС).

Преимущество пьезокерамики  перед монокристаллами – возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.

В конце 1960-х – начале 1970-х годов были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентоспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях, клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях. Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с ЦТС снижаются на 1 % в год в течение 10 лет, у ПВДФ -–на 4% за 10 лет.