Введение к работе
Актуальность темы.
По мере развития науки и техники стекло и керамика, благодаря ряду присущих им ценных качеств, приобретают все более важное значение. Их широкое применение в различных отраслях промышленности, включая радиоэлектронику, ядерную энергетику, ракетную технику и др., обусловлено их свойствами: оптическими, электрическими, высокой термической и химической стойкостью, большой механической прочностью.
При экстремальных условиях работы в атомной энергетике стекла близки к керамическим материалам, являются радиационностойкими, не горючими. В отличие от них органические материалы (полимеры) при воздействии повышенной температуры (при нагревании с 300-400С), радиации не стабильны и разлагаются с выделением газообразных и ядовтых веществ.
При применении стекла в качестве изоляционного материала к его диэлектрическим характеристикам можно отнести: низкую проводимость, диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери и высокую электрическую прочность. В электропроводности в щелочных стеклах переносчиками электрических зарядов являются ионы Li, Na, менее подвижны ионы К. В бесщелочных стеклах переносчиками электрических зарядов являются ионы двухвалентных металлов (например, Mg) или электроны. При поляризации диэлектрика и наличии в нем электропроводности возникают диэлектрические потери. Они зависят от состава стекла, его структуры и температуры. Диэлектрическая проницаемость стекол в зависимости от их назначения может изменяться в широких пределах. Для стекол, широко используемых в технике, величина є находится в промежутке от 4 до 16. В стеклах, использующихся в качестве изоляторов, є принимает значения от 6 до 8. При увеличении в составе стекла щелочных окислов, особенно Na до 25% значение е возрастает до 9-10. Введение в состав окислов тяжелых металлов РЬО и ВаО также увеличивает є, так как их ионы имеют высокую поляризуемость и принимают участие в диэлектрическом смещении. У стекла, в составе которого 80% РЬО, =16,2. С увеличением температуры диэлектрическая проницаемость стекол увеличивается. Электрическая прочность стекол в однородном электрическом поле составляет 100-300 кВ/мм и слабо зависит от толщины образца. Зависимость от толщины диэлектрика является существенной в неоднородном электрическом поле.
Изучение поляризационных процессов, протекающих в диэлектрических материалах - стекле и керамике, позволяет прогнозировать свойства этих материалов с учетом влияния строения решетки и существующих в ней химических связей.
Цель работы: Обобщение математической модели поляризационных процессов в диэлектриках на базе теории линейного осциллятора с затуханием с использованием неоднородных уравнений второго порядка описывающих вынужденные колебания.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
детализировать особенности колебательных процессов при электронной, ионной, релаксационной и высоковольтной поляризации.
определить кинетические коэффициенты процессов в электронной, ионной, релаксационной и высоковольтной поляризации.
проверить на примере конкретного диэлектрика адекватность полученных соотношений.
Объекты исследования: стекла и керамические материалы.
Научная новизна:
В ходе изучения поляризационных процессов было рассмотрено влияние составляющей поля Лоренца на динамику процесса поляризации в дисперсных областях. Показано, что в области дисперсии составляющая поля Лоренца не может включаться в состав внешней вынуждающей силы, а должна рассматриваться как реакция системы на действие внешней силы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Показана зависимость локального поля в диэлектрике от частоты
внешнего электрического поля. С изменением частоты меняется и роль
кристаллографических параметров и составляющая поля Лоренца, определяемая
симметрией поляризованных частиц.
2. В рамках классической теории поляризационные процессы в
конструкционных диэлектриках удовлетворительно описываются
неоднородными дифференциальными уравнениями второго порядка в рамках
упругой электронной, ионной, релаксационной и высоковольтной поляризации
при изменяющихся кинетических коэффициентах Р и а>0.
3. Используя полученные соотношения, рассчитан полный диэлектрический
спектр высокоглиноземистого керамического материала микролит,
удовлетворительно совпадающий с основными экспериментальными точками.
Компьютерный расчет основных характеристик (є, є" и фазовый сдвиг (р),
выполненный для микролита в области частот от УФ до радиочастот по
программе имитационного моделирования Physics Dielectrics Toolbox, совпадает
со значениями полученными экспериментально.
Практическая значимость. Постановка работы была связана с длительное время проводимыми работами по герметизации кабельных вводов для атомных станций, в которых используются твердые диэлектрики с различными видами поляризации от электронной до релаксационной и высоковольтной.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на: региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Амурская наука на пороге III тысячелетия» (Благовещенск, 1999); региональной школе-симпозиуме «Физика и химия твёрдого тела» (Благовещенск, 2003); международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (III Самсоновские чтения. Хабаровск, 2006); региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства и природообустройства Дальнего Востока» (Благовещенск, 2008).
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах: 1 соавторство в монографии издательства «Наука», 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на полезную модель, 3 статьи в региональной печати, 4 тезиса докладов.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и списка цитируемой литературы, содержит 104 страницы машинописного текста, иллюстрируется 21 рисунком и 5 таблицами.
