Діелектрик майбутнього

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

…Реактивний літак мчить з надзвуковою швидкістю. Пілот-випробувач із задоволенням поглядає на прилади: машина поводиться бездоганно. Але раптом двигун різко змінює тон. Метнулися стрілки електроприладів. З відсіку двигуна в кабіну пілота проникла тонка цівка чорного диму.

– Терміново йду на посадку, – схвильовано доповідає пілот. – Щось трапилось в електросистемі.

І насилу дотягує до аеродрому. Чому прекрасна машина раптом відмовила? Конструктори дивуються. Ретельне дослідження причин аварії прояснює картину. При високих температурах, що розвилися в найбільш відповідальних частинах двигуна, стався пробій прокладок і ізоляторів, хоча вони були зроблені з кращого в природі і техніці діелектрика – природною листової слюди.

Неможливо уявити собі сучасну техніку без надійних електроізоляційних матеріалів (діелектриків). Головна вимога до них полягає в тому, щоб вони володіли високою термостійкістю, так як нагрів в потужних генераторних радіолампах досягає 1300 градусів, в електродеталях атомних реакторів і радіолокаторів – понад 700 градусів, в реактивних двигунах і ракетах – понад 600 градусів.

І з кожним днем, у міру розвитку сучасної техніки, температури, при яких працюють електродеталі, загрозливо ростуть. Деталі з природної слюди працюють вже на межі своєї стійкості, керамічні ж – порцелянові, ебонітові та інші – ізолятори виходять з ладу при температурі, що перевищує 400-550 градусів. Відсутність більш термостійкого, ніж природна слюда, діелектрика до певної міри стримує прогрес у деяких галузях радіотехніки та радіоелектроніки. Потрібен діелектрик, який добре працює при високих температурах. У природі такого матеріалу немає. Але зате його можуть штучно синтезувати хіміки.

Синтетичний матеріал, що перевершує за якістю природну слюду, називається фторфлогопітом. Фторфлогопіт – це штучна слюда, що утворюється з тих же хімічних елементів, що і природна, але з заміною однієї з хімічних груп, що містяться в природній слюді, атомом елемента фтору. Пояснимо це детальніше. Природна слюда є мінералом з групи шаруватих алюмосилікатів, тобто хімічних речовин, що складаються з оксидів алюмінію, кремнію, магнію, калію, літію, заліза та ін.. Шаруваті мінерали мають ціну властивість розщеплюватися на найтонші листи-платівки, що робить слюду незамінним матеріалом для виготовлення різних фігурних і в той же час малих за розмірами ізоляторів і прокладок.

Головна причина термічної нестійкості природної слюди полягає в тому, що її молекули містять так звані гідроксильні групи ОН. Коли слюда нагрівається вище 600-700 градусів, за рахунок цих груп в мікроскопічних кількостях починає виділятися вода. Зовні це виражається в тому, що кристалічна пластина слюди спучується, розтріскується, виділяє гази і різко погіршує свої діелектричні властивості.

Ще 130 років тому російський мінералог К. Д. Хрущов показав, що якщо в природному флогопіті – однієї з різновидів слюди – замінити гідроксильну групу атомом фтору, то утворюється нова речовина, штучна слюда – фторфлогопіт. Ця слюда не втрачає своїх термоізоляційних властивостей при нагріванні до 1300 градусів.

Діелектричні показники фторфлогопіта (опір електричного пробою, питомий електричний опір і т. п.) приблизно в 10 разів вище, ніж у флогопита. Штучна слюда не містить у своїх кристалах газових включень, постійно присутніх в природному мінералі, що робить її виключно цінним матеріалом для виробництва потужних генераторних радіоламп. При нагріванні понад 1000 градусів деталі з природної слюди в цих лампах починають виділяти гази. Гази посилюють власні шуми ламп і спотворюють їх роботу.

Зараз хіміки і мінералоги в США, Англії, Японії та інших країнах напружено працюють над проблемою промислового отримання синтетичної слюди. Справа в тому, що хоча в лабораторіях фторфлогопіт виходить легко і швидко вже протягом півстоліття, до цих пір не знайдені методи вирощування досить великих кристалів синтетичної слюди, з яких можна було б виготовити конденсатори, прокладки, ізолятори і т. п.

Головні труднощі, над подоланням яких трудяться зараз хіміки і технологи, полягає в наступному: фторфлогопіт кристалізується в температурному інтервалі від 1200 до 1400 градусів, причому з великою швидкістю. А це означає, що необхідно дуже повільно – зі швидкістю часток градуса на годину – охолоджувати розплавлену масу з 1400 градусів до 1200 градусів. Тільки за цієї умови встигають вирости окремі великі пластини синтетичної слюди. Це дуже важка технологічна задача. У природі розплави слюди охолоджувались мільйони років, можливо, зі швидкістю однієї мільйонної частки градуса на годину.

Автор: А. Колпаков.