Диелектрик будущего

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

…Реактивный самолет мчится со сверхзвуковой скоростью. Летчик-испытатель с удовлетворением посматривает на приборы: машина ведет себя безупречно. Но вдруг двигатель резко меняет тон. Метнулись стрелки электроприборов. Из отсека двигателя в кабину пилота проникла тонкая струйка черного дыма.

— Срочно иду на посадку,— взволнованно докладывает летчик.— Что-то случилось в электросистеме.

И с трудом дотягивает до аэродрома. Почему прекрасная машина вдруг отказала? Конструкторы недоумевают. Тщательное исследование причин аварии проясняет картину. При высоких температурах, развившихся в наиболее ответственных частях двигателя, произошел пробой прокладок и изоляторов, хотя они были сделаны из лучшего в природе и технике диэлектрика — естественной листовой слюды.

Невозможно представить себе современную технику без надежных электроизоляционных материалов (диэлектриков). Главное требование к ним состоит в том, чтобы они обладали высокой термостойкостью, так как нагрев в мощных генераторных радиолампах достигает 1300 градусов, в электродеталях атомных реакторов и радиолокаторов — свыше 700 градусов, в реактивных двигателях и ракетах — свыше 600 градусов.

И с каждым днем, по мере развития современной техники, температуры, при которых работают электродетали, угрожающе растут. Детали из природной слюды работают уже на пределе своей устойчивости, керамические же — фарфоровые, эбонитовые и другие — изоляторы выходят из строя при температуре, превышающей 400—550 градусов. Отсутствие более термостойкого, чем природная слюда, диэлектрика до известной степени сдерживает прогресс в некоторых отраслях радиотехники и радиоэлектроники. Нужен диэлектрик, который хорошо работает при высоких температурах. В природе такого материла нет. Но зато его могут искусственно синтезировать химики.

Синтетический материал, превосходящий по качеству природную слюду, называется фторфлогопитом. Фторфлогопит — это искусственная слюда, получающаяся из тех же химических элементов, что и природная, но с заменой одной из химических групп, содержащихся в естественной слюде, атомом элемента фтора. Поясним это подробнее. Природная слюда является минералом из группы слоистых алюмосиликатов, то есть химических веществ, состоящих из окислов алюминия, кремния, магния, калия, лития, железа и др. Слоистые минералы обладают ценным свойством расщепляться на тончайшие листы-пластинки, что делает слюду незаменимым материалом для изготовления различных фигурных и в то же время малых по размерам изоляторов и прокладок.

Главная причина термической нестойкости естественной слюды заключается в том, что ее молекулы содержат так называемые гидроксильные группы ОН. Когда слюда нагревается выше 600—700 градусов, за счет этих групп в микроскопических количествах начинает выделяться вода. Внешне это выражается в том, что кристаллическая пластина слюды вспучивается, растрескивается, выделяет газы и резко ухудшает свои диэлектрические свойства.

Еще 130 лет тому назад русский минералог К. Д. Хрущев показал, что если в природном флогопите — одной из разновидностей слюды — заменить гидроксильную группу атомом фтора, то образуется новое вещество, искусственная слюда — фторфлогопит. Эта слюда не теряет своих термоизоляционных свойств при нагреве до 1300 градусов.

Диэлектрические показатели фторфлогопита (сопротивление электрическому пробою, удельное электрическое сопротивление и т. п.) примерно в 10 раз выше, чем у флогопита. Искусственная слюда не содержит в своих кристаллах газовых включений, постоянно присутствующих в природном минерале, что делает ее исключительно ценным материалом для производства мощных генераторных радиоламп. При нагреве свыше 1000 градусов детали из природной слюды в этих лампах начинают выделять газы. Газы усиливают собственные шумы ламп и искажают их работу.

Сейчас химики и минералоги в США, Англии, Японии и других странах напряженно работают над проблемой промышленного получения синтетической слюды. Дело в том, что хотя в лабораториях фторфлогопит получается легко и быстро уже в течение полувека, до сих пор не найдены методы выращивания достаточно крупных кристаллов синтетической слюды, из которых можно было бы изготовить конденсаторы, прокладки, изоляторы и т. п.

Главная трудность, над преодолением которой трудятся сейчас химики и технологи, заключается в следующем: фторфлогопит кристаллизуется в температурном интервале от 1200 до 1400 градусов, причем с большой скоростью. А это значит, что необходимо очень медленно — со скоростью долей градуса в час — охлаждать расплавленную массу с 1400 градусов до 1200 градусов. Только при этом условии успевают вырасти отдельные крупные пластины синтетической слюды. Это труднейшая технологическая задача. В природе расплавы слюды остывали миллионы лет, может быть, со скоростью одной миллионной доли градуса в час.

Автор: А. Колпаков.