Рассмотрим, как применяются различные виды диэлектрических материалов. Начнём с неорганических диэлектрических материалов (т.е. диэлектриков, которые не содержат углерода). Неорганические диэлектрические материалы негорючи, как правило, свето-, озоно-, - термостойки, как следствие, обладают высокой нагрево-, влаго- и химостойкостью. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, но склонны к старению на постоянном напряжении. Используются как для изготовления электроизоляционных, так и конденсаторных диэлектрических материалов. К неорганическим диэлектрическим материалам, среди прочих, относятся: стекло, слюда, керамика (рисунок 1), неорганические пленки и др.
Рисунок 1 – Примеры неорганических диэлектриков
Стекло имеет свою особую специфику применения, связанную с особенностями электрических свойств, отличающимися для стёкол с разным химическим составом и полученных в результате разных режимов тепловой обработки. Область применения стекла, как диэлектрика, постепенно сужается, однако, неизменным остаётся использование его в качестве диэлектрика в высоковольтных высокочастотных конденсаторах и в элементах конструкций, выполняющих функцию изолятора в высоковольтных цепях. Так же, стекло используют для изготовления баллонов радиокомпонентов (электровакуумные радиокомпоненты) и электроннолучевых трубок, хотя эти приборы практически не используются в современной электронике. Одной из современных областей применения стекла является его использование в сочетании с мусковитом для изготовления диэлектрического материала – микалекса, который используется в диэлектрических каркасах катушек индуктивности, платах и современных электровакуумных приборах.
Слюда, в зависимости от вида и марки, применяется в качестве диэлектрика в конденсаторах или в качестве изолятора в радиокомпонентах, электрических машинах, высоковольтных генераторах.
Керамика применяется в радиокомпонентах (керамический полупроводник в термисторах и варисторах), в качестве подложек для ИМС, в изоляторах для высоковольтной аппаратуры и ЛЭП, в устройствах, реализующих явление сверхпроводимости в проводниках.
Неорганические пленки применяются в радиокомпонентах (в частности, в конденсаторах), в ИМС и для электрической изоляции аллюминиевых проводов в обмотках электрических машин.
Органические диэлектрики, к которым относятся различные полимеры (вещества, молекулы которых получаются путем соединения друг с другом молекул более простых веществ), воски, лаки, резины, бумага, лакоткани (рисунок 2) и др. также примняются в электронике. Однако, рост производства синтетических электроизоляционных материалов приводит к сокращению объёмов использования естественных органических диэлектриков (целлюлоза, парафин, каучук, янтарь и др. природные смолы). Большая часть синтетических органических диэлектриков приходится на долю высокомолекулярных химических соединений – пластмасс.
Рисунок 2 – Примеры органических диэлектриков
В отличие от неорганических диэлектрических материалов органические диэлектрики, по бошльшей части, горючи, сильно подвержены атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Однако, органические диэлектрики имеют гораздо более простую технологию изготовления и более дешёвые. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, а на переменном напряжении они стареют за счет частичных разрядов.
Среди полимерных органических диэлектриков в электронике применяются: полиэтилен, полистирол, фторопласт, оргстекло, слоистые пластики. Основная область применения полимеров - электрическая изоляция токоведущих частей при изготовлении каркасов катушек индуктивности, переключателей, печатных плат и других деталей.
Жидкие диэлектрики используют в трансформаторах и конденсаторах, для охлаждения узлов радиоэлектронной аппаратуры и в качестве смазочных составов. Поэтому, среди жидких диэлектриков широкое применение получили нефтяные масла: трансформаторное, конденсаторное и кабельное и синтетические масла: хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фтороорганические жидкости. Из воскообразных диэлектриков наиболее широко применяются битумы, парафин и церезин. Битумы входят в состав электроизоляционных материалов, используются для заливки низкочастотных трансформаторов и дросселей, герметизации элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры. Церезин и парафин применяются для пропитки бумаги при изготовлении конденсаторов.
Газообразные диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. У всех газов диэлектрическая проницаемость близка к 1 и тангенс диэлектрических потерь так же мал (кроме ионизированных газов). Пожалуй самый распространённый диэлектрик в мире - воздух, поэтому чаще всего в качестве газообразного изолятора используют именно его. Однако в последнее время всё большее применение находит элегаз (гексафторид серы, SF6), обладающий почти втрое бо́льшим напряжением пробоя и значительно более высокой дугогасительной способностью. Иногда для изготовления электроизоляционных материалов применяют сочетание газообразных и органических материалов.
Группа управляемых диэлектриков включает в себя сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и электреты (рисунок 3).
Рисунок 3 – Примеры сегнетоэлектриков
Среди материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, можно выделить следующие: сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, титанат бария и др. Существенной особенностью сегнетоэлектриков является не только наличие спонтанной поляризации, но и возможность изменения знака этой поляризации под воздействием электрического напряжения. Практическое использование сегнетоэлектриков осуществляется по нескольким направлениям:
- изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов большой емкости;
- применение материалов со значительной нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, маломощных модуляторов и других управляемых устройств;
- использование сегнетоэлементов в качестве ячеек памяти;
- изготовление нелинейных конденсаторов - вариконов.
Пьезоэлектрики – это диэлектрические материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, т.е. способные поляризоваться под воздействием механических напряжений или, наоборот, деформироваться под воздействием электрического поля. Из пьезоэлектриков (кварц, турмалин, сегнетовая соль и др.) наибольшее применение получил кварц. Наряду с природным кварцем в технике используют синтетические кристаллы кварца, полученные искусственным путем. Кварц широко применяется в радиоэлектронике для стабилизации частоты генераторов, в узкополосных фильтрах, в качестве элемента обратной связи.
Электреты – диэлектрики, которые, будучи поляризованы, могут в течение длительного времени (годами) сохранять состояние электризации. Электреты используются для изготовления высокочастотных студийных микрофонов, измерителей механических вибраций, дозиметров проникающей радиации, измерителей атмосферного давления, электростатических вольтметров и других изделий современной электроники.