Твердые органические диэлектрики

Основные понятия о высокомолекулярных соединениях (полимерах)

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок или мономерных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Полимеры бывают природные и синтетические. Синтетические полимеры получают двумя способами:

- полимеризацией;

- поликонденсацией.

Полимеризация – это химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементарного химического состава вещества.

Поликонденсация – это химическая реакция между разнородными мономерами, при которой образуется высокомолекулярное соединение с выделением побочных веществ, воды, Н₂, аммиака и других. Путем поликонденсации получают фенол – формальдегидные, полиэфирные смолы, связанные с перегруппировкой атомов полимера.

По характеру строения молекулы полимеров делятся на линейные и пространственные.

У линейных полимеров отношение длины молекул к её поперечным размерам очень велико, например, у полистирола до 1000 (длина молекулы 1,5 м, поперечный размер 1,5 м).

У пространственных полимеров молекулы трехмерны и имеют более компактную форму.

Свойство линейных и пространственных полимеров существенно отличается. Если линейные полимеры гибкие, эластичные, то пространственные – обладают большей жесткостью.

Линейные полимеры в большинстве случаев способны набухать и растворяться в подходящих по составу растворителях (бензол, толуол, ацетон). В результате такого растворения образуются вязкие растворы, из которых получают пленки, волокна.

Пространственные полимеры, значительная их часть не растворимы.

Линейные полимеры с повышением температуры размягчаются, а затем расплавляются (капрон, нейлон) – это термопластичные полимеры.

Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются и превращаются в густые жидкости. Они составляют 75% всех потребляемых материалов. Это свойство используется при изготовлении пленки, нитей, при изготовлении деталей методом литья под давлением (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид).

Пространственные полимеры при высокой температуре, не достигая температуры размягчения, разрушаются – сгорают, обугливаются (фенолформальдегидная смола, эпоксидная смола, эбонит (сильно вулканизированный каучук)). Это термореактивные полимеры.

Термореактивные полимеры при нагревании могут плавиться, но после длительной выдержки при высокой температуре затвердевают с необратимыми изменениями свойств, теряют свойство плавиться и растворяться. К ним относят гетинакс, текстолит, эпоксидные смолы.

Пластмассы

Пластмассы – это материалы полностью или частично состоящие из полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять её после охлаждения. Это композиционные материалы. В качестве наполнителей используют древесную муку, порошок слюды, бумагу, ткань и др. (60-65%).Они обуславливают механическую прочность, нагревостойкость. Связующим элементом обычно являются полимеры.

В пластмассы вводят пластификаторы для уменьшения хрупкости и для повышения холодостойкости. Это маслообразные синтетические жидкости с высокой температурой плавления.

В пластмассы могут вводить красители, чтобы придать определённую окраску. Могут входить стабилизаторы, чтобы замедлить процессы старения.

Свойства пластмасс:

Достоинства:

высокие электроизоляционные свойства;

высокие антикоррозионные свойства;

механически прочны, легкие;

сырьё недорогое и доступное (это нефтепродукты, природный газ);

переработка пластмасс в изделия – процесс дешевый и несложный ( метод горячего пресса (130-180°С), может быть холодная прессовка при 20°С, но затем несколько часов тепловой обработки).

Недостатки:

ползучесть – способность материала медленно деформироваться на холоде под действием постоянных механических нагрузок;

сравнительно невысокая теплостойкость;

пониженная прочность при переменных нагрузках;

быстрое по сравнению с другими материалами старение.

Применение и типы пластмасс:

Пластмассы, частично состоящие из полимеров называются композиционными.

Композиционные пластмассы используются как электроизоляционный материал в РЭА и чисто конструкционный материал – корпус радиоприемника, телевизора, измерительных приборов, ручки, кнопки, клеммы, ламповые панельки, штепсельные разъемы, наушники и т.д.

Пластмассы на основе термопластичных полимеров. Они изготовляются преимущественно из

термопластов без наполнителей. К ним относятся полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, капрон, фторопласт-4 д.р.

Применяются они как изоляция ВЧ-кабелей, радиолокационные и телевизионные установки, каркасы катушек, из полистирола и фторопласта-4 изготавливают термостат для ВЧ конденсаторов с большой емкостью, высокого сопротивления изоляцию.

Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол – фенопласты (коричневого или черного цвета). Их недостаток это низкая стойкость к электрическим разрядам.

Пластмассы на основе анилиноформальдегидных смол – аминопласты (могут быть любой окраски)

Слоистые пластмассы – наполнитель является волокнистые материалы (гетинакс, текстолит).

Пластмассы на основе природных полимеров целюлоид – твердый раствор нитратацеллюлозы в камфаре. А целлюлоза – главная основа клеток растений. Выпускается технический целлюлоид и галантерейный. Из технического делают шкалы измерительных приборов, линейки, угольники, киноленты, а галантерейный – галантерею и игрушки.

Компаунды

Компаунды – это смесь синтетических или природных смол, битумов или воска с наполнителем (кварцевая мука, тальк) отвердителем и пластификатором.

Они применяются для пропитки и заливки элементов РЭА – трансформаторов, блоков, монтажных плат, катушек, дросселей с целью защиты этих элементов от воздействия атмосферы, повышения электроизоляционных свойств, улучшения отвода тепла, повышения механической прочности.

Компаунды разделяются на заливочные для заполнения больших пространств между элементами аппаратуры и пропиточные для заполнения зазоров между витками обмоток или пор в пористых или волокнистых диэлектриках.

Компаунды разделяются на термореактивные для работы при повышенных температурах и термопластичные – для работы при низких температурах.

Термопластичные – битумный, церезиновый компаунды. Нагревостойкость низкая +45, 70 С.

Термореактивные – метакриловый, полиуретановый, эпоксидный компаунды. У них повышенная нагревостойкость 120-140°C градусов Цельсия и до 200°C, холодостойкость –60°C. Обладают хорошей адгезией ко всем конструкционным материалам.

Обработка элементов РЭА компаундами проводится в жидком состоянии, при этом может быть 3 метода:

- компаунд жидкий, нагретый: опускают изделие в компаунд и потом происходит, охлаждение компаунда, его отвердевание.

- компаунд жидкий при комнатной температуре с отвердителем: отвердение без нагрева за счет химической реакции с отвердителем.

- компаунд жидкий при комнатной температуре наносят на изделие, а отвердевание его происходит при последующем нагреве (сушат) за счет реакции полимеризации.

Битумные компаунды – заливочные, используются для заливки муфт, кабельных соединении.

Церезиновые компаунды – пропиточные, для пропитки обмоток электрических машин.

Метакриловый компаунд – заливочный и пропиточный применяется для герметизации блоков РЭА, работающих при высокой влажности и НЧ.

Полиуретановые компаунды – заливочные, пропиточные для высоковольтных трансформаторов отклоняющих и фокусирующих устройств, конденсаторов, катушек индуктивности.

Эпоксидные компаунды – самые распространенные – для пропитки заливки узлов РЭА, в том числе ИС.

Лаки

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях, тонкие слои которых при высыхании образуют твердые блестящие, прозрачные покрытия, которые защищают изделия от агрессивных агентов или служат декоративной отделкой поверхности.

Лакипозволяют защищать поверхность элементов РЭА от коррозии, пыли и влаги. По назначению лаки разделяются на пропиточные, покрывные, клеящие.

Пропиточные лаки для пропитки пористой и волокнистой изоляции (бумаги, ткани) с целью повышения влагостойкости, нагревостойкости, увеличения механической и электрической прочности, улучшения теплопроводности. Они используются для пропитки стеклянной обмотки проводов и кабелей, для изготовления стеклотекстолита, лакоткани.

Покрывные лаки используются для создания на поверхности изделий механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки (для защиты печатных плат, металлов, гетинакса, стеклотекстолита), для защиты p-n переходов полупроводниковых приборов, для изготовления обмоточных проводов со стекловолокнистой изоляцией, для изготовления медных эмалированных проводов типа МЭМ.

Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твердых диэлектрических материалов, листочков расщепленной слюды, фольгированных материалов, листов пакетов трансформаторов. Клеящие лаки должны обладать высокой клеящей способностью, хорошими электрическими и механическими свойствами и технологичностью.

По режиму сушки электроизоляционные лаки подразделяют на лаки горячей и холодной сушки. Лаки горячей сушки, которые высыхают при t >70 C, а лаки холодной сушки высыхают при t C. Лаки горячей сушки обладают более высокими электрическими и механическими свойствами. Лаками покрывают поверхность, можно пропитывать и можно склеивать. По своему составу лаки разделяются на полимерные, нитроцеллюлозные и масляные.

Полимерные лаки (полистирольный, эпоксидный, эскапоновый лак) все они выполнены на основе полимеров или смолы и растворителей бензола, толуола, ацетона, спирта. Например, эскапоновый лак на основе синтетического каучука обладает хорошей адгезией к металлам и образует на их поверхностях плотную эластичную пленку.

Нитроцеллюлозные лаки – нитролаки – это раствор нитроцеллюлозы в ацетоне с добавлением пластификатора (касторового масла). Нитролаки быстро сохнут, механически прочные, твердые, но с металлами плохо сцепляются. Прежде чем наносить нитролак на металл, металл грунтуют, покрывают специальными грунтами, а уже потом наносят лак .

Масляные лаки – в состав их входят льняное или синтетическое масла, растворитель (бензин, керосин), катализаторы, ускорители высыхания. Масляный лак образует электроизоляционную пленку, плотную, блестящую с хорошей адгезией, которой для высыхания нужен доступ воздуха. Применяется для пропитки дросселей, реле, катушек НЧ трансформатора.

Эпоксидные смолы

Эпоксидные смолы – синтетические смолы, содержащие в молекуле эпоксидные группы.

Наиболее распространенные эпоксидные смолы – продукты взаимодействия дефинилолпропана с эпихлоргидрином. Отвержденные эпоксидные смолы отличаются малой усадкой, высокой адгезией, механической прочностью, влагостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами. Применяются в производстве клеев, лаков, пластмасс.

Эпоксидные смолы – в чистом виде термопластичные, жидкие или низкоплавкие материалы. Они легко растворяются во многих органических растворах (ацетоне, толуоле), не растворяются в воде, мало растворимы в спирте. При добавлении в эпоксидную смолу отвердителя эпоксидная смола сравнительно быстро из жидкого состояния переходит в твердое. Отвердитель – ароматические амины, ангидриды кислот. Отвержденные эпоксидные смолы уже будут термореактивным материалом.

Эпоксидные смолы широко применяются для приготовления компонентов токопроводящих клеев (контактолов), используются в электротехнике. На основе эпоксидных смол изготавливают литую изоляцию для высоковольтных приборов.

Клеи

Клеи – полимеры или композиционные материалы на их основе, применяемые для соединения различных материалов. Действие клея основано на образовании между клеем и склеиваемым материалом адгезионной связи. Клеи могут быть жидкие (растворы, эмульсии) и твердыми (в виде пленки, порошка, прутка) которые расплавляются перед употреблением или наносятся на нагретые поверхности.

Клеи широко используются в полупроводниковых приборах в производстве для подсоединения кристаллов с активными и пассивными элементами к токопроводящей и диэлектрической подложке, а так же к основанию или фланцу корпуса прибора.

В зависимости от требований сборочных операций полупроводниковых приборов и ИС клеи делятся на токопроводящие и изолирующие.

К клеям, которые применяются в полупроводниковом производстве, предъявляются, повышенные требования по чистоте исходных материалов, должны обладать высокой адгезией к соединяемым деталям, механической прочностью и надежностью при эксплуатации.

Токопроводящие клеи это композиционные материалы на основе эпоксидных смол с добавлением порошка Ag или Ni. Они представляют собой пастообразные жидкости.

Изолирующий клей представляет собой композицию на основе эпоксидных смол с наполнителем из стекла или кварца.

Широко распространен изолирующий клей БФ, изготавливают его посредством соединения поливинилоацетатного и фенолоформальдегидных смол. Клей БФ обладает большой прочностью, высокой адгезией, его целесообразно применять для склеивания металлов друг с другом, для электроизоляции деталей и в том случае, когда клеевой шов должен быть эластичным, стойким к вибрациям и обладать повышенной нагревостойкостью. Рабочий диапазон -60 - 180 С.