На сегодняшний день практически все вещества и материалы находят свое применение в различных отраслях человеческой деятельности. Свойства, которыми они обладают, определяют преимущества и недостатки их применения в той или иной области. Свойства во многом зависят от количественного и качественного состава, структуры, метода и технологических параметров получения или преобразования. Для повышения эффективности применения веществ и материалов их свойства и структуру изменяют при помощи температуры, давления, ультразвука и других физико-механических воздействий или за счет модификации различными добавками. Перспективной возможностью является получение композиционных материалов или композитов, в которых за счет комбинации различных материалов и веществ, выступающих в роли связующих и наполнителей, можно усиливать их преимущества и снижать недостатки, что не только повышает эффективность использования, но и расширяет сферу их применения [1–3].
К областям, в которых широко применяются различные материалы и композиты на их основе, относятся электроника, электротехника и радиотехника. Материалы и изделия, используемые в этих отраслях, называют электротехническими и в зависимости от их поведения в электрическом поле подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические. Электротехнические композиты обычно состоят из диэлектрического связующего, которым чаще всего являются полимер, стекло или керамика, и в зависимости от назначения содержат электропроводящий или диэлектрический наполнитель [4, 5]. Исключением являются керметы, в которых связующим являются металлы или их сплавы, а в качестве наполнителя применяют различные оксиды, карбиды, нитриды, бориды или силициды металлов.
В качестве полимерных связующих для композитов электротехнического назначения наиболее широко применяют эпоксидные, фенолформальдегидные, полиорганосилоксановые, полиэфирные и полиимидные смолы, а также их сополимеры [4, 6, 7]. Полиорганосилоксановые смолы, или силиконы, относятся к кремнийорганическим соединениям, в которых кремний связан с органическим углеродом непосредственно через кислород. Полимеры на основе этих смол выгодно отличаются от других полимерных связующих повышенными показателями морозостойкости и термостойкости, высокими диэлектрическими показателями, эластичностью, водостойкостью и маслобензостойкостью [6, 8]. В то же время для этих материалов характерны сравнительно низкие показатели механической прочности, твердости и адгезии.
Для повышения физико-механических свойств полиорганосилоксанов можно использовать в качестве наполнителей оксиды кремния, титана, цинка и железа [8, 9], которые могут применяться в сочетании с гидроксидами, например гидроксидами алюминия [9]. В то же время оксиды металлов являются термостойкими соединениями и наряду с гидроксидами отличаются стойкостью к различным химическим воздействиям [10, 11]. В связи с этим их добавки повышают химическую стойкость и термостойкость получаемых материалов различной природы [12–14]. Однако большинство чистых оксидов металлов, являясь диэлектриками, относятся к полупроводникам и при неполном окислении и наличии примесей начинают проводить электрический ток [4].
В то же время оксиды редкоземельных элементов являются перспективными диэлектрическими материалами для создания изолирующих слоев в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структур) для микро- и наноэлектроники.
Целью данной работы является исследование диэлектрических и адгезионных показателей кремнийорганического композиционного материала с различной степенью наполнения оксидом церия.
Материалы и методы исследования
Полимерным связующим для получения разрабатываемого композиционного материала являлся низкомолекулярный фенилметилсилоксановый каучук марки СКТНФ-А, изготовленный по ТУ 38.103129-77 и предназначенный для получения герметиков, заливочных, обволакивающих и вспененных компаундов с высокими диэлектрическими свойствами. Полученные с его помощью материалы могут эксплуатироваться при температурах от -70 до +250 °С (кратковременно до +300 °С) в условиях относительной влажности до 98 %. Данная марка силиконового каучука отличается условной вязкостью не более 90 с, жизнеспособностью в присутствии катализатора не более 6 ч и может отверждаться при комнатной температуре кремнийорганическими или оловоорганическим катализаторами.
Для отверждения силиконового каучука при комнатной температуре применялся катализатор К-18, изготовленный по ТУ 6-02-805-75 и представляющий собой диэтилдикаприлат олова, растворенный в этилсиликате в соотношении 1:4. Данное вещество обладает высокой каталитической активностью от 1 до 6 ч.
Дисперсным наполнителем и функциональным аддитивом в составе исследуемой полимерной композиции являлся оксид церия CeO2 с содержанием основного вещества не менее 99,9 %, размером частиц 3–6 мкм и изготовленный по ТУ 48-4-523-90.
Для получения образцов исследуемого композиционного покрытия вначале проводили перемешивание силиконового каучука с наполнителем в течение 25–40 мин, затем в смесь добавляли катализатор и перемешивали еще 10 мин. Полученную композицию методом полива через фильеру наносили на стальные и алюминиевые подложки, поверхности которых предварительно очищали от пыли и влаги, обезжиривали и высушивали. После этого до проведения испытаний проводили выдержку образцов покрытий при температуре 22–25 °С в течение суток.
Адгезию к подложкам определяли по ГОСТ 32299-2013 при помощи адгезиметра ПСО-МГ4 методом отрыва стального цилиндра диаметром 20 мм, приклеенного к поверхности образца отвержденного покрытия.
Удельное объемное электрическое сопротивление определяли по ГОСТ 20214-74 с использованием измерительной ячейки с подвижным и неподвижным электродами из нержавеющей стали и тераомметра UNI-T. Перед измерением поверхности образца, контактирующие с электродами, смазывали электропроводящей пастой.
Диэлектрическую проницаемость измеряли волновым методом на измерительном комплексе, включающем прецизионную измерительную линию Р1-20, СВЧ-генератор М31102-1 на диоде Ганна АА723 с возможностью перестройки в диапазоне частот 8–11 ГГц, ферритовый вентиль и отрезок волновода стандартного сечения 10х23 мм [15].
Электрическую прочность определяли по ГОСТ 6433.3-71 с использованием электродной системы, включающей нажимные электроды из нержавеющей стали диаметром 6 мм, с подключением высоковольтного испытательного цифрового аппарата АВИЦ-60-СНЧ (исп. 3).
Результаты исследования и их обсуждение
В данной работе представлены результаты исследования основных эксплуатационных характеристик образцов кремнийорганического покрытия, полученного с применением составов на основе 100 мас. ч. каучука марки СКТНФ-А, 6 мас. ч. катализатора К-18 и 15–35 мас. ч. оксида церия. При меньших количествах наполнителя его влияние на диэлектрические характеристики покрытия было несущественным, а при больших количествах наблюдался избыточный рост вязкости композиции, затрудняющий перемешивание и нанесение на подложки. Кроме того, повышение количества наполнителя приводит к увеличению стоимости полимерной композиции и покрытий на ее основе.
Результаты определения исследуемых показателей в зависимости от количества оксида церия в составе полимерной композиции представлены в табл. 1.
Как следует из данных таблицы, оксид церия повышает диэлектрические показатели, что связано с его высокими показателями по диэлектрической проницаемости, электрической прочности, удельному сопротивлению и пробивным напряжениям. Учитывая, что величины этих показателей у оксида церия остаются постоянными при повышении температуры до 300 °С, применение данного наполнителя обеспечивает стабильность диэлектрических свойств покрытия во всём диапазоне рабочих температур, определяемом термостойкостью выбранного связующего.
В качестве преимуществ выбранного наполнителя также можно отметить, что он отличается высокими показателями термостойкости и химической стойкости, позволяющими расширить возможности применения покрытия в условиях повышенных температур и наличия агрессивных химических соединений.
Хорошая адгезия оксида церия к поверхности кремния, который входит в состав применяемого фенилметилсилоксанового каучука, способствует прочности покрытия, в том числе прочности связи между его отдельными слоями. Это в свою очередь снижает вероятность когезионного разрушения как по основному массиву покрытия, так и по слою покрытия, непосредственно примыкающему к поверхности подложки. В результате величина адгезии по методу отрыва повышается, что подтверждается экспериментальными данными, представленными в табл. 1.
Таблица 1
Диэлектрические и адгезионные показатели исследуемого кремнийорганического покрытия
|
Содержание CeO2, мас. ч. |
Адгезия по методу отрыва, МПа |
Удельное объемное электрическое сопротивление, ∙1011Ом∙мм |
Диэлектрическая проницаемость |
Электрическая прочность, МВ/м |
|
|
стальная подложка |
алюминиевая подложка |
||||
|
15 |
0,66 |
0,52 |
1,4 |
3,9 |
74 |
|
20 |
0,72 |
0,59 |
1,5 |
4,2 |
79 |
|
25 |
0,94 |
0,74 |
1,6 |
4,7 |
87 |
|
30 |
1,07 |
0,77 |
1,8 |
4,9 |
94 |
|
35 |
1,12 |
0,80 |
1,9 |
5,2 |
97 |
Таблица 2
Эксплуатационные показатели известного и полученного полимерных покрытий
|
Показатель |
Известное покрытие |
Разработанное покрытие |
|
Адгезия по методу отрыва, МПа: − стальная подложка; − алюминиевая подложка |
0,24–0,88 0,21–0,62 |
0,66–1,12 0,52–0,80 |
|
Удельное объемное электрическое сопротивление, ∙1011 Ом∙мм |
1,0–1,4 |
1,4–1,9 |
|
Диэлектрическая проницаемость |
3,0–4,0 |
3,9–5,2 |
|
Электрическая прочность, МВ/м |
60–80 |
74–97 |
Для оценки результатов исследования была проведена сравнительная характеристика полученного покрытия с известным электроизоляционным покрытием [8], полученным на основе композиции, включающей 100 мас. ч. низкомолекулярного диметилсилоксанового каучука марки СКТН-А, 6 мас. ч. катализатора отверждения К-18, 10–30 мас. ч. оксида алюминия и 5–15 мас. ч. оксида галлия (табл. 2).
Из данных таблицы следует, что полученное покрытие по своим эксплуатационным показателям, в первую очередь по диэлектрической проницаемости и адгезии к стальным и алюминиевым подложкам, превосходит известное покрытие, а следовательно, его практическое применение обосновано.
Заключение
По результатам данной работы опытным путем установлена возможность получения полимерных покрытий электроизоляционного назначения на основе 100 мас. ч. низкомолекулярного фенилметилсилоксанового каучука марки СКТНФ-А с добавлением 6 мас. ч. катализатора К-18 для холодного отверждения и 15–35 мас. ч. оксида церия для повышения эксплуатационных характеристик.
Экспериментально обоснован диапазон изменения количества дисперсного наполнителя в составе исследуемой полимерной композиции. Выявлено, что оксид церия за счет своих высоких диэлектрических показателей повышает удельное объемное электрическое сопротивление, диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность покрытия. При этом хорошая адгезия оксида церия к кремнию в составе кремнийорганической смолы способствует повышению адгезии по методу отрыва за счет повышения прочности сцепления слоев покрытия между собой, уменьшающей вероятность когезионного разрушения покрытия. Кроме того, применяемый наполнитель способствует стабильности диэлектрических показателей во всем интервале рабочих температур, повышает термостойкость и химическую стойкость получаемого покрытия.
При сравнительной оценке полученного электроизоляционного покрытия с известным и схожим с ним по составу и области применения покрытием установлено, что исследуемая кремнийорганическая композиция позволяет получить материал с более высокими адгезионными и диэлектрическими показателями.
Таким образом, полученная кремнийорганическая композиция может успешно применяться для получения электроизоляционных покрытий для защиты стальных и алюминиевых поверхностей деталей, устройств и приборов для электроники, электротехники и радиотехники, в том числе в условиях повышенной влажности, высоких температур и наличия агрессивных химических соединений.