Глава 3. Полимерные диэлектрические материалы

Органическими диэлектрическими материалами считают химические соединения, молекулы которых представляют собой цепочки или кольчатые системы из углеродных атомов. Атомы углерода образуют остов молекулы, а «обрамляют» его атомы водорода Н и углеводородные группы (─СН₃, ─С₂Н₅ и т.д.). В состав молекул могут входить бензольные кольца (─С₆Н₅), пяти или шестичленные циклы (─С₆Н₁₁, ─С₅Н₉), а также атомы кислорода, азота, фосфора и др. [2].

Химическая связь между атомами углерода и других элементов ковалентная, преимущественно слабо–полярная, а между атомами углерода неполярная. Энергия связи между углеродными атомами составляет 263 кДж/моль.

Молекулярная масса органических веществ колеблется в широких пределах. Молекулярная цепь у низкомолекулярных соединений состоит из углеродных атомов в количестве от 2 до 50, а у высокомолекулярных соединений (например, у полимеров) от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч и более (молекулярная масса порядка 10³–10⁶). Для низкомолекулярных соединений характерны летучесть и низкая температура кристаллизации. Полимерные диэлектрики при температурах выше температуры стеклования Т_с обладают гибкостью и эластичностью, а ниже Т_с становятся твердыми. При температурах, выше температуры текучести Т_т, полимеры переходят в вязкотекучее состояние, и из них можно изготавливать волокна, пленки и другие изделия разнообразной формы. Органические диэлектрики, за небольшим исключением (политетрафторэтилен, полиимиды и т.п.), имеют относительно низкую нагревостойкость и пожароопасны. Многие из них (например, резины, материалы на основе целлюлозы, нефтяные масла) относительно легко подвергаются световому и тепловому старению [2].

Кремнийорганические соединения (силиконы) представляют наиболее обширный класс элементоорганических веществ. Молекуы последних в своем составе, кроме атомов углерода и водорода, содержат также атомы кремния, кислорода, алюминия, титана, фосфора или другого химического элемента.

Характерной особенностью кремнийорганических соединений является то, что молярная цепь состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода, а боковыми («обрамляющими») частями — R (R – символьное название радикала) являются атомы водорода — Н или углеводородные группы (─СН₃, ─С₂Н₅, ─С₆Н₅ и др.), и др.).

Таким образом, у кремнийорганических соединений остов молекулы имеет неорганическую природу, а «обрамляющие» группы органическую. Энергия связи между атомами кремния и кислорода составляет 374 кДж/моль, что обеспечивает этим соединениям более высокую, чем у органических веществ, термическую и химическую стойкость [2].

При нормальных условиях в зависимости от величины молекул кремнийорганические соединения могут находиться в жидком или твердом (полимерном) состоянии. Молекулы их имеют линейное, разветвленное или циклическое строение, образуя термопластичные или, чаще, термореактивные полимеры [2]. В природе кремнийорганические соединения не встречаются, их получают только путем синтеза (поликонденсации). Широкое применение в электротехнике (как и в других областях техники) они получили благодаря ряду ценных качеств, прежде всего хорошим электроизоляционным свойствам, высокой тепло–, водо– и атмосферостойкости.