簡(jiǎn)介

絕緣零件是隔離電流的一種零件。屬于這類零件的有:線骨架、電容器塑料薄膜、微波元件、天線、天關(guān)和接插件等。決定絕緣零件用塑料的介電性能主要指標(biāo)有:絕緣電阻系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)、介電損耗角正切和介電強(qiáng)度。

絕緣電阻系數(shù)

絕緣電阻是表示絕緣材料好壞的主要指標(biāo)。衡量絕緣電阻R的大小，是施加在絕緣材料上的電壓U和絕緣材料所泄漏電流I的比值。為了比較各種絕緣材料的絕緣電阻，用絕緣電阻系數(shù)(又稱比電阻)來表示。一般絕緣材料的絕緣電阻系數(shù)都在108Ω·cm以上。

表示泄漏電流通過絕緣材料內(nèi)部的絕緣電阻系數(shù)，稱為體積電阻系數(shù)；表示泄漏電流從絕緣材料表面通過的，稱為表面電阻系數(shù)。層壓絕緣塑料還用內(nèi)電阻系數(shù)來表示絕緣材料內(nèi)部泄漏電流的大小。塑料的絕緣電阻高低與其特性和吸濕性等因素有關(guān)。

常用塑料的絕緣電阻系數(shù)見圖1。從圖1中可知，一般熱塑性塑料比熱固性塑料的絕緣電阻系數(shù)高。其中聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的絕緣電阻系數(shù)最高，以木粉為填料的酚醛塑料粉的絕緣電阻系數(shù)最一低，這是因?yàn)檫@一類塑料為極性材料，在外加電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生離子式導(dǎo)電，而聚乙烯這類塑料屬于非極性或弱極性材料，在外加電場(chǎng)的作用下，只有極微量的泄漏電流。

圖1 常用塑料的絕緣電阻系數(shù)

(1)吸濕性對(duì)塑料體積電阻的影響

塑料的吸濕性除與外界相對(duì)濕度有關(guān)外，也與塑料的特性有關(guān)。木粉填料酚醛塑料粉、通孔型泡沫塑料、尼龍、有機(jī)玻璃、ABS塑料、增強(qiáng)滌綸等吸濕性塑料和多孔性塑料，隨著外界相對(duì)濕度的增加，它的體積電阻迅速下降。如果水分貫通這些塑料的整體，則對(duì)其體積電阻的影響更加明顯。聚乙烯和聚四氟乙烯等塑料本身不吸水，故對(duì)其體積電阻影響很小。

吸濕性對(duì)塑料表面電阻的影響。塑料的吸濕性除與外界相對(duì)濕度有關(guān)外，也與塑料的特性和表面狀況有關(guān)。木粉填料酚醛塑料粉和尼龍等吸濕性塑料屬于極性材料。水分易浸潤(rùn)材料表面，形成一層水膜。聚四氟乙烯等不吸濕性塑料屬于非極性材料的浸潤(rùn)性，用邊緣潤(rùn)濕角θ來表示(見圖2)。邊緣潤(rùn)濕角小于90°，為可浸潤(rùn)材料；邊緣潤(rùn)濕角大于90°，為不可浸潤(rùn)材料。木粉填料酚醛塑料粉和尼龍等塑料為可浸潤(rùn)材料，它的表面電阻低。聚四氟乙烯等塑料為不可浸潤(rùn)材料，它的表面電阻高。

圖2 材料的邊緣濕潤(rùn)角

(2)塑料的表面電阻與其表面狀況的關(guān)系

凡是塑料件表面粗糙、多孔，表面沾有灰塵以及沾有酸、堿、鹽等物質(zhì)，其表面電阻低。所以，要提高塑料件的表面電阻，除了設(shè)法避免塑料件表面被灰塵、酸、堿、鹽等物質(zhì)污染外，還必須提高塑料件的表面光潔度以及在其表面涂絕緣清漆等。

水分之所以會(huì)降低塑料的絕緣電阻。一方面是水本身的絕緣性差；另一方面是水容易溶解酸、堿、鹽等物質(zhì)，產(chǎn)生電離性導(dǎo)電。

完一全純凈的水，絕緣電阻系數(shù)為107Ω·cm，還稱不上絕緣材料。如果易電離的物質(zhì)溶解于水中，則使水具有高導(dǎo)電的特性。

相對(duì)介電常數(shù)

介電常數(shù)是衡量絕緣材料極化程度的一個(gè)物理量?，F(xiàn)以簡(jiǎn)單的平板電容器為例，說明極化和介電常數(shù)的物理意義。

圖3 平板電容器

絕緣材料放入電場(chǎng)中，在電容器極板間產(chǎn)生的電荷，比無絕緣材料情況下產(chǎn)生的電荷多，這種現(xiàn)象稱為絕緣材料的極化。增多的電荷稱為感應(yīng)電荷。表示放入絕緣材料前后電容器極板上電荷量的比值，稱為相對(duì)介電常數(shù)。在一定電壓下，電容量和集聚的電荷量成正比，常用下式表示。

式中Q0，C0--無絕緣材料的電荷量和電容量；

Q，C--有絕緣材料的電荷量和電容量。

眾所一周知，分子是由原子組成，原子是由帶正、負(fù)電荷的原子核和電子所組成的。根據(jù)它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中正、負(fù)電荷電中心重合與否，分為非極性和極性分了。電中心重合的稱為非極性分子，電中心不重合的稱為極性分子。在外加電場(chǎng)作用下，非極性分子正、負(fù)電荷產(chǎn)生彈性的反向位移；極性分子(偶極分子)沿電場(chǎng)相反應(yīng)方向排列。它們均可出現(xiàn)感應(yīng)電荷。這就是絕緣材料極化的內(nèi)在原因。

圖4 非極性和極性分子在外加作用前后的極化情況(a)電場(chǎng)作用前；(b)電場(chǎng)作用后

介電常數(shù)在電子工業(yè)中有重要意義。例如，電容器采用介電常數(shù)大的塑料以有機(jī)薄膜的形式使用，則在電容量不變的情況下，電容器的體積小，或者說，在相同體積的情況下，電容器的電容量大。對(duì)高頻接插件和高頻線圈骨架等零件，所用的絕緣材料，要求介電常數(shù)越小越好，以減少分布電容對(duì)性能的影響。

從下圖中可以看出，各種塑料的介電常數(shù)不同。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯這一類塑料的介電常數(shù)在1.8~2.2之間，是實(shí)體塑料中介電常數(shù)最小的。這是因?yàn)樗鼈儗儆诜菢O性或弱極性材料的緣故。在外加電場(chǎng)的作用下，一般只產(chǎn)生電子式極化，即材料內(nèi)電子隨交變電場(chǎng)作彈性位移。由于電子質(zhì)量很小，運(yùn)動(dòng)速度極一高，彈性位移在10-15~10-16s內(nèi)完成。所以，基本不消耗外加電場(chǎng)能量。當(dāng)外加電場(chǎng)取消后，分子中正、負(fù)電荷相重合，不產(chǎn)生極性。

圖5 常用塑料的介電常數(shù)

這類塑料的介電常數(shù)隨外加電場(chǎng)頻率變化很小，即使頻率為毫米波范圍內(nèi)，介電常數(shù)變化仍很小。見圖6和圖7。這類塑料在軟化前，介電常數(shù)隨溫度變化很小。例如，聚四氟乙烯在200℃內(nèi)，介電常數(shù)幾乎無變化；聚乙烯和弱極性的聚苯乙烯在100℃以內(nèi)，介電常數(shù)變化也很小。所以，這類塑料是很好的高頻絕緣材料。泡沫塑料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)塑料和射頻同軸電纜中空氣-塑料絕緣層，其介電常數(shù)很小，這是由于這些塑料內(nèi)有大量的氣體(氣體介電常數(shù)幾乎等于1)。所以，它們是制作天線罩和電纜絕緣層之類零件的很好材料。

圖6 非極性材料ξ、tanδ與頻率及溫度的關(guān)系

圖7 弱極性材料ξ、tanδ與頻率及溫度的關(guān)系

這類塑料的介電常數(shù)隨頻率變化而變化。一般說來，在某一頻段上塑料的介電常數(shù)有明顯地下降。這類塑料的介電常數(shù)隨溫度變化而變化，圖8示出聚氯乙烯的介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系。

具有不同介電常數(shù)和絕緣性能的絕緣材料，在外加電場(chǎng)作用下，會(huì)出現(xiàn)交界極化(或稱界面極化和夾層極化)。例如兩種以上不同的絕緣材料以及有導(dǎo)電性雜質(zhì)的絕緣材料，都會(huì)增大其介電常數(shù)和介電損耗角正切。

圖8 聚氯乙烯在頻率為1MHz時(shí)的ξ、tanδ與溫度之間的關(guān)系

介質(zhì)損耗角正切

與溫度之間的關(guān)系處在交變電場(chǎng)中工作的絕緣材料，總有能量損耗。表面絕緣材料損耗大小的指標(biāo)，稱為介電損耗角正切，以tanδ表示。介電損耗角正切tanδ表示絕緣材料有功電流Ig和無功電流Ic的比值(見圖9)。

圖 9絕緣材料的介電損耗角正切

式中 ω——角頻率；

CR--絕緣材料的電容量；

R--絕緣材料的絕緣電阻；

Q--絕緣材料的品質(zhì)因數(shù)。

絕緣材料的介電損耗越大，表示外加電場(chǎng)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茉蕉啵淦焚|(zhì)因數(shù)低；反之亦然。電阻器、電容器、線圈、接插件和天線罩中所用的絕緣材料，一般要求介電損耗小，在超高頻條件下工作的絕緣材料，要求介電損耗更要小。相反，微波元件中的吸收材料，要求介電損耗角正切大，以便將大量電磁能量吸收后，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏l(fā)掉。

介電損耗角正切大小主要取決于絕緣材料的特性，同時(shí)與溫度、頻率和吸水性有關(guān)。從圖10中可知，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯這類非極性或弱極性材料，介電損耗角正切小，tanδ小于5x10-3。這是因?yàn)樗鼈円话阒挥须娮邮綐O化，基本不消耗外加電場(chǎng)能量，只有泄漏電流所引起的損耗。這種損耗與溫度、頻率無明顯關(guān)系，只有溫度高至絕緣材料不能使用的溫度，介電損耗角正切才有明顯的增加。例如，聚乙烯在100℃以上長(zhǎng)期加熱顯著氧化，引起介電損耗角正切增加；聚苯乙烯在130℃時(shí)才具有最大介電損耗角正切(見圖6 和圖7)。

圖10 常用塑料的介電損耗角正切

泡沫塑料和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)塑料內(nèi)有大量氣體，因?yàn)闅怏w介電損耗角正切極小，所以這些塑料的介電損耗角正切也是很小的。

聚氯乙烯、尼龍和ABS塑料這類極性材料，除包括泄漏電流引起的損耗外，在交變電場(chǎng)作用下，主要起作用的是偶極損耗。其損耗數(shù)值大，而且與溫度、頻率有密切的關(guān)系。圖8是聚氯乙烯的介電損耗角正切與溫度的關(guān)系。這類極性材料處于玻璃態(tài)時(shí)，它的單獨(dú)原子團(tuán)或側(cè)基的運(yùn)動(dòng)，引起的最大損耗，稱為側(cè)基偶極損耗；處于高彈態(tài)時(shí)的損耗，稱為高彈偶極損耗。總的說來，這類塑料隨著頻率的增高，介電損耗角正切增加。絕緣塑料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，也會(huì)引起介電損耗角正切。例如，酚醛塑料粉中樹脂和填料，增強(qiáng)塑料中玻璃纖維和塑料，著色塑料中炭黑等顏料、染料和塑料以及塑料內(nèi)雜質(zhì)等都會(huì)引起介電損耗的增加。在高電壓作用下塑料內(nèi)氣泡也會(huì)出現(xiàn)游離損耗。

水分能明顯地增大塑料的介電常數(shù)和介電損耗角正切。例如，非極性材料聚乙烯，當(dāng)含4%水分時(shí)，介電損耗角正切也會(huì)明顯地增大(見圖11)。極性材料吸水后，介電常數(shù)和介電損耗角正切增大更為明顯。

圖11聚乙烯吸水前后介電損耗角正切與頻率的關(guān)系

1--不含水分的聚乙烯；2-含4%水分的聚乙烯

眾所一周知，水分是強(qiáng)極性材料，在室溫時(shí)，其介電常數(shù)為81，比一般塑料大十倍以上。在頻率為50Hz時(shí)，純水的介電損耗角正切為∞；在頻率為107Hz時(shí)，它的介電損耗角正切為0.2-0.5；在頻率為109Hz時(shí)，它的介電損耗角正切為0.01~0.03。不難看出，純水本身的介電常數(shù)和介電損耗角正切很大，當(dāng)有易電離的物質(zhì)溶解在水中，它的介電常數(shù)和介電損耗角正切就更大了。

介電強(qiáng)度

在高電壓作用下，絕緣塑料內(nèi)部會(huì)受到破壞，失去絕緣性能，產(chǎn)生大量電流，這一狀態(tài)稱為擊穿現(xiàn)象。固體絕緣塑料的擊穿狀況分為電擊穿、熱擊穿和游離擊穿三種類型。電擊穿的特點(diǎn)是發(fā)生擊穿時(shí)間極短(10-7~10-8s)，介電強(qiáng)度值很高。熱擊穿是由于絕緣塑料溫度增高而產(chǎn)生的擊穿現(xiàn)象，此時(shí)，介電強(qiáng)度值不算太高，發(fā)生擊穿的時(shí)間較緩慢。另外，還有一種稱為游離擊穿，在較低電壓作用下，絕緣塑料內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)變質(zhì)，所引起的一種擊穿現(xiàn)象。表示絕緣塑料被擊穿時(shí)的電壓，稱為擊穿電壓；單位厚度的擊穿電壓，稱為介電強(qiáng)度。介電強(qiáng)度與材料特性、所含雜質(zhì)及工作狀態(tài)有關(guān)。常用塑料的介電強(qiáng)度見圖12。一般說來，絕緣材料的介電損耗角正切越大，絕緣電阻越低，它的介電強(qiáng)度也越低。另外，介電強(qiáng)度與塑料的結(jié)晶有關(guān)。介電強(qiáng)度比較高的塑料有:聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰亞胺等。

圖12常用塑料的介電強(qiáng)度

介電強(qiáng)度與塑料內(nèi)所含雜質(zhì)，尤其是導(dǎo)電雜質(zhì)有密切關(guān)系。一般塑料介電強(qiáng)度均在10kV/mm以上。如果混入導(dǎo)電雜質(zhì)，它的介電強(qiáng)度就會(huì)明顯地降低。所以，生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格防止導(dǎo)電雜質(zhì)的混人。對(duì)于要求高的塑料件，需在整潔的工作環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)。

介電強(qiáng)度與塑料件工作條件有關(guān)。也就是說，與塑料件工作環(huán)境內(nèi)的相對(duì)度、度空氣壓力和工作頻率有關(guān)。介電強(qiáng)度一般隨塑料件吸濕性增加而降低；隨塑料件工作溫度增高而降低；隨工作頻率的變化而不同；隨空氣壓力變化而變化。在低氣壓時(shí)的空氣介電強(qiáng)度比正常氣壓下的介電強(qiáng)度低得多。這雖不屬于塑料等絕緣材料的問題，但在設(shè)計(jì)低氣壓工作(如高空作業(yè))的接插件等電子元件時(shí)，必須充分考慮這一點(diǎn)。

選材示例

根據(jù)上述絕緣零件用塑料主要指標(biāo)的分析，在兼顧其他使用要求及工藝性能的條件下將電子工程中絕緣零件常用塑料列于下表。