Электроизоляционный материал
Изобретение относится к электротехнике, а именно - к электроизоляционным материалам, которые могут эффективно применяться в качестве изоляторов электрических проводников, используемых в различных отраслях промышленности, в частности, в радиотехнической, кабельной, микроэлектронике и т.д. В электроизоляционном материале, имеющем многослойную структуру, выполненную из N слоев тонких пленок, где N>1, все слои выполнены из отдельных пленок, полученных из одного и того же материала одинаковым способом, по существу равной толщины d<25 мкм, объединенных в стопу. Полученный материал характеризуется более простой технологией изготовления при существенно меньших затратах используемых при этом материалов, а также существенно большими значениями электрической и механической прочности. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к электротехнике, а именно - к электроизоляционным материалам, которые могут эффективно применяться в качестве изоляторов электрических проводников, используемых в различных отраслях промышленности, в частности в радиотехнической промышленности, кабельной промышленности, микроэлектронике и т.д.
В настоящее время известен широкий спектр электроизоляционных материалов, различающихся по своей физической структуре и химическому составу.
Известно, в частности, использование в качестве электроизоляционных материалов однослойных массивных блоков, пластин или пленок из классических полимеров, обладающих диэлектрическими свойствами, в частности из полиимидов, фторопластов, полиэтилена, полистирола, полиэтилентерефталата и др. (см. Справочник по электротехническим материалам, под ред. Ю.В.Корицкого и др. М.: Энергия, 1974, том 1, 584 с.). Целесообразность использования конкретного полимера определяется в зависимости от условий эксплуатации материала, а также воздействия внешней нагрузки или агрессивной среды. Недостатками известных однослойных блочных и пленочных полимерных материалов являются сравнительно низкие прочностные характеристики. Величина пробойного электрического напряжения этих материалов составляет 0,15-0,30 кВ/мкм, а величина механической прочности на разрыв - 20-400 МПа.
Широко известны также композиционные электроизоляционные материалы на базе различных текстолитов (чаще всего - стеклоткани), нетканых композитов на основе различных волокон (стекловолокна, базальтоволокна и др.), а также наполненных полимеров.
В частности, в патенте RU 2111568 C1, H 01 B 3/00, Тененбаум и др., опубл. 20.05.1998, описан однослойный электроизоляционный материал, содержащий термопластичный сополимер, сажистый углерод в качестве токопроводящего наполнителя и сегнетоэлектрика титаната бария в качестве неорганического наполнителя, причем указанный полимерный композиционный материал может быть дополнительно сшит ионизирующим излучением.
В патенте RU 2029998 C1, H 01 B 3/00, НИИ ЭЛПА, опубл. 27.02.1995, описан однослойный электроизоляционный материал в виде ленты, выполненной полотняным переплетением комплексных крученных стеклянных нитей, причем основные нити комбинированы с синтетическими высокомодульными нитями, и при этом синтетические и стеклянные нити взяты при определенном соотношении их линейных плотностей.
В патенте RU 2032949 C1, H 01 B 3/48, Кибол и др., опубл. 10.04.1995, описан однослойный гибкий электроизоляционный материал, с повышенной эластичностью, электрической и механической прочностью на основе пропитанной эпоксидным связующим ткани, изготовленной из базальтовых крученых нитей диаметром менее 9 мкм, линейной плотностью в основе 100-250 текс × 1×2, в утке 100-250 текс × 1×4 многослойным переплетением толщиной 1-3 мм.
В патенте RU 2043446 C1, H 01 B 3/52, НПАОЗТ «Синтекс», опубл. 10.09.1995, описан многослойный электроизоляционный материал, выполненный из одного или двух слоев электроизоляционной бумаги на основе полиарамидных фибридов и смеси полиэфирных волокон с различной линейной плотностью, а также слоя полиэфирной пленки, соединенной с помощью связующего со слоем или слоями электроизоляционной бумаги. При этом в качестве связующего предлагается использовать смесь полиэфирной и эпоксидной смолы при их соотношении 1:5-5:1 с возможным добавлением отвердителя.
Вышеописаные электроизоляционные материалы могут быть получены с использованием сложных технологических приемов, но при этом их электрическая и механическая прочность незначительно превышают аналогичные показатели вышеупомянутых однослойных материалов на основе классических полимеров.
Наиболее близким к заявляемому является электроизоляционный материал, известный из патента US 5300364, В 32 В 15/08, Hase et al., опубл. 05.04.1994, имеющий многослойную структуру, выполненную из N слоев тонких пленок, где N>1. При этом в известном электроизоляционном материале все слои имеют различные толщины, которые должны удовлетворять определенному соотношению, в которое входят также коэффициенты температурного расширения каждого слоя. Каждый слой предлагается выполнять из полиимидной пленки.
Известный материал, как и описанные ранее, характеризуется довольно сложной технологией его изготовления, что обусловлено необходимостью подбора слоев, каждый из которых имеет строго индивидуальные, отличные от других слоев, характеристики. При этом, достичь существенного увеличения электрической и механической прочности по сравнению с другими известными материалами (на основе классических полимеров и композитов) в известном материале не удается.
Задачей настоящего изобретения является создание нового электроизоляционного материала, характеризуемого более простой технологией изготовления при существенно меньших затратах используемых при этом материалов, чем это было на предшествующем уровне техники, и одновременно существенно большими значениями электрической и механической прочности.
Указанная задача решается тем, что в электроизоляционном материале, имеющем многослойную структуру, выполненную из N слоев тонких пленок, где N>1, согласно изобретению, все слои выполнены из отдельных однотипных пленок по существу равной толщины d<25 мкм, объединенных в стопу.
Под стопой в рамках настоящего изобретения следует понимать многослойную структуру, имеющую нижний слой, верхний слой и, при N>2, промежуточные слои, каждый из которых размещен любым известным способом на ближайшем к нему снизу слое. Под однотипными следует понимать пленки, полученные из одного и того же материала одинаковым способом. Идеальная ситуация, когда все пленки, полученные из одинакового материала одинаковым способом, являются абсолютно идентичными по своим размерам и физическим свойствам, в рамках настоящего изобретения желательна, но на практике трудно достижима, именно поэтому пленки характеризуются как однотипные и имеющие по существу равную толщину. Характеристика «отдельные» применительно к пленкам, из которых формируется стопа, подразумевает отсутствие каких либо взаимосвязей (физических или химических) между каждыми двумя соседними пленками.
Настоящее изобретение основано на обнаруженном авторами неожиданном эффекте высокого и сверхвысокого усиления присущих твердым телам и полимерам физических характеристик в многослойной структуре, составленной из отдельных однотипных пленок по существу равной толщины d<25 мкм, объединенных в стопу. В частности, при размещении отдельных однотипных по химическому составу пленок по существу равной толщины менее 25 мкм, обладающих диэлектрическими свойствами, в стопе значения пробойного электрического напряжения и механической прочности полученного многослойного материала увеличиваются по сравнению с известными материалами на несколько порядков. При этом конфигурация пленок не имеет значения.
Сущность изобретения и возможность достижения заявленного технического результата поясняется далее на конкретных примерах его осуществления с учетом прилагаемого чертежа, на котором приведены графики зависимости долговечности от постоянного напряжения разрыва для однослойной пленки и многоэлементной пленок (стопы) полиметилметакрилата (ПММА) при температуре испытания 293 К.
На фиг.1 представлены сравнительные данные по долговечности для пленок полиметилметакрилата (ПММА). Кривая 1 характеризует долговечность многоэлементной пленки (стопы) ПММА суммарной толщины 90 мкм, образованной N=10 отдельными однотипными пленками ПММА равной толщины (d0=9 мкм), а кривая 2 - одноэлементной пленки ПММА толщиной d0=90 мкм. Из этих данных видно, что многоэлементная пленка (стопа) ПММА имеет существенно большее значение долговечности. Исходя из фиг.1 время гарантированной работоспособности (долговечности) монопленок (при нагрузке 60 МПа) составляет 10-4 сек, в то время в стопке с аналогичной общей толщиной при нагрузке 60 МПа долговечность составляет 104 сек, т.е. на 108 сек больше.
Аналогичные результаты получаются для электрической долговечности, т.е. времени от начала электрического нагружения до напряжения электрического пробоя для любых пленок.
В таблице 1 приведены данные по влиянию числа элементов-пленок в многоэлементной структуре (стопе) на разрушающее напряжение пленок полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Значение разрывного напряжения по каждому образцу рассчитывалось как средний результат из 10 измерений при скорости нагружения разрывной машинки W=2,9 МПа/с. Из таблицы 1 видно, в частности, что разрывное напряжение массивной монопленки толщиной 145 мкм составляет 100 МПа, в то время как в стопке из 8 тонких монопленок с практически такой же суммарной толщиной - 144 мкм составляет 700 МПа, т.е. в 7 раз больше. Приведенные в таблице 1 данные свидетельствуют также о том, что в одноэлементных и многоэлементных структурах при толщине одного слоя более 80 мкм эффекта увеличения значения разрывного напряжения не наблюдается.
Сравнительные характеристики и достижение эффекта значительного увеличения электрической прочности для образцов пленки ПЭТФ иллюстрирует таблица 2. Значение электрической прочности 
для каждого образца рассчитывалось как средний результат из 10 измерений. Как видно из таблицы 2, электрическая прочность монопленки толщиной 80 мкм, равна 0,26 кВ/мкм, а электрическая прочность изоляции, набранной из 8 штук 10-ти микронных пленок с общей толщиной 80 мкм равна 1,6 кВ/мм, т.е. в 6 раза выше. Из таблицы 2 также видно, что при испытании одноэлементной или многоэлементной структуры с толщиной слоя, выходящей за рамки ограничения по настоящему изобретению (80 мкм) эффекта увеличения значения электрической прочности не наблюдается.
Для получения эффекта существенного усиления физических характеристик в стопе конфигурация пленок не имеет никакого значения. Существенное влияние на результат оказывает лишь количество пленок в стопе и их толщина - чем больше в стопе пленок и при этом чем меньше толщина одной пленки, тем выше физические характеристики конечной многослойной структуры. Данную закономерность легко наблюдать по значениям в таблице 2.
Электроизоляционный материал по изобретению может быть получен и использован, в частности, следующим образом.
Выбирается заданное число отдельных однотипных пленок (например, полимерных, в частности, фторопластовых, полистирольных и т.п., или пленок из кварца, слюды и вообще любого пленочного диэлектрического материала) по существу равной толщины d0<25 мкм. Толщина пленок подбирается исходя из требуемых характеристик конечного многослойного материала для каждого конкретного приложения. Следует заметить, что подобные пленки производятся в настоящее время промышленным способом, что гарантирует их доступность и обеспечивает существенное упрощение технологии изготовления конечного электроизоляционного материала в сравнении с известным уровнем техники.
Далее пленки складываются в несколько слоев. Если, к примеру, необходимо, получить электронную плату небольших размеров, например, для тонкопленочной микросхемы, из такой стопки-книжки вырубаются заготовки под размеры и конфигурацию будущей электронной платы. Заготовку платы сажают на посадочное место. Далее, при необходимости для экранизации на нижний слой в стопе методом напыления наносится экранирующее металлическое покрытие, например, методом вакуумного напыления или гальваническим методом. На верхний слой стопы (в случае одностороннего монтажа) методом напыления или гальваники наносятся токопроводящие дорожки, к которым припаиваются радиокомпоненты. В случае обычного монтажа в стопке проделываются сквозные отверстия в которые вставляются выводы радиокомпонентов. При этом на верхней пленке (пластине) стопки делаются небольшие токопроводящие кольца (полукольца). После вставки радиокомпонента, например вывода резистора, конденсатора и т.д. производится пайка вывода элемента со стороны монтажа (нижняя часть стопки). Часть припоя попадая в кольцо (или полукольцо) с верхней части стопки (сторона вставки радиокомпонента) остается там после затвердевания и, тем самым, надежно скрепляет без всякого клея пленки (пластины) стопки между собой. Монтаж получается надежным, а пробойное напряжение сверхвысоким, что позволяет использовать плату при высоких напряжениях в высоковольтной технике. В случае, если токоведущие дорожки необходимо расположить на обоих поверхностях платы (двусторонний монтаж), то кольца не делают, а монтаж ведут сразу на верхней и нижней пленке стопки.
Многослойная плата или любые другие многоэлементные конструкции имеют наряду со сверхвысокой электрической прочностью, сверхвысокую механическую прочность и сверхнизкое значение тангенса угла диэлектрических потерь, что позволяет их использовать в условиях воздействия больших нагрузок и СВЧ-диапазонах.
Аналогично изготавливают гибкие печатные (ленточные) соединительные кабели и гибкие катушки индуктивности.
Если необходимо получить сверхпрочную диэлектрическую прослойку в конденсаторе, то из стопы-книжки вырубают по посадочной конфигурации заготовку и помещают ее между обкладками электродов. Конденсатор готов.
Для получения простейшего сверхпрочного электрического кабеля также готовится стопа из N>1 слоев пленочного материала, но в этом случае стопа готовится в виде многослойной ленты, намотанной на катушку-барабан. С катушки-барабана многослойная лента наматывается на токопроводящую жилу, например, из медной проволки. Затем многослойная стопа сверху покрывается, в зависимости от назначения, дополнительной защитной оболочкой из полимера или металла, например полиэтиленом или свинцом. В промышленных условиях процедура изготовления кабелей производится на волочильных станках. Использование многослойных электроизоляционных материалов хорошо вписывается в существующий технологический процесс. В целом следует отметить, что какого-либо дополнительного принципиально нового оборудования для внедрения многослойного электроизоляционного материала по изобретению не требуется.
Кроме того, использование многослойных тонких электроизоляционных материалов по изобретению приводит к существенному снижению материалоемкости - в частности, на многослойный изолятор при техническом требовании одного и того же пробойного напряжения требуется в несколько раз меньше материалов, что естественно удешевляет стоимость самого кабеля.
В заключении следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные варианты его осуществления. Специалисту в данной области техники ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, не выходящие за рамки объема притязаний, определяемого прилагаемой формулой.
| Таблица 1. | ||
| Суммарная толщина многоэлементной структуры (стопки) DN | Число элементов-пленок в многоэлементной структуре (стопке) N | Среднее значение разрушающего напряжения, МРа |
| 145 мкм | 1 | 100 |
| 290 мкм | 2 | 100 |
| 580 мкм | 4 | 100 |
| 1160 мкм | 8 | 100 |
| 18 мкм | 1 | 430 |
| 36 мкм | 2 | 450 |
| 72 мкм | 4 | 500 |
| 144 мкм | 8 | 700 |
| Таблица 2. | ||
| Суммарная толщина многоэлементной структуры (стопки) DN | Число элементов-пленок в многоэлементной структуре (стопке) N | Среднее значение напряжения электрического пробоя , кВ/МКМ |
| 3 мкм | 1 | 1,4 |
| 6 мкм | 2 | 1,9 |
| 9 мкм | 3 | 2,8 |
| 33 мкм | 11 | 4,5 |
| 10 мкм | 1 | 0,91 |
| 20 мкм | 2 | 1,15 |
| 30 мкм | 3 | 1,23 |
| 60 мкм | 6 | 1,4 |
| 80 мкм | 8 | 1,6 |
| 20 мкм | 1 | 0,5 |
| 40 мкм | 2 | 0,6 |
| 80 мкм | 1 | 0,26 |
| 160 мкм | 2 | 0,26 |
Электроизоляционный материал, имеющий многослойную структуру, выполненную из тонких пленок, отличающийся тем, что он выполнен из отдельных пленок, полученных из одного и того же материала одинаковым способом по существу равной толщины d<25 мкм, объединенных в стопу.
