Керамика, лейкосапфиры.
В керамике возможны три вида пробоя: электрохимический, электрический и тепловой.
Электрохимический пробой происходит при постоянном или при переменном напряжении низкой частоты, когда в керамике развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции. Рост проводимости вызывает лавинообразное нарастание температуры диэлектрика, завершающееся тепловым пробоем первого вида.
Такой вид пробоя возможен при модулированном напряжении и наличии постоянной составляющей.
Тепловой высокочастотный пробой делится на два рода. Тепловой пробой первого рода возникает в том случае, если энергия, выделяющаяся за счет диэлектрических или джоулевых потерь, превышает энергию, способную рассеиваться в данных условиях.
Если рассеяние энергии в окружающую среду становится равным выделению ее в толще диэлектрика, температура образца стабилизируется.
Напряженность электрического высоковольтного поля при тепловом пробое и наличии перепада температур в толще пластины бесконечной длины можно определить из выражения
где fmax и tn — максимальная температура в середине пластины и на ее поверхности:
— коэффициент, зависящий от размеров образца и условий охлаждения; k и k1 — коэффициенты теплопроводности диэлектрика и электрода; λ' — коэффициент внешней теплоотдачи.
Если предположить, что t — tкр для диэлектрика, то с помощью данного выражения можно определить напряженность поля, при котором наступит нарушение теплового равновесия.
Для образцов плоской формы с электродами, которые образованы посеребренными лунками с толщиной стенок 1 ... 2 мм, напряженность теплового пробоя и критическая температура при t = 20° С на постоянном напряжении представлены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
* Отличается от Б-17 наличием оксида.
Из таблицы видно, что стеатит марки Б-17, получивший наиболее широкое применение в промышленности, характеризуется достаточно высокой электрической прочностью и критической температурой.
Стеатитовая керамика марки Б-17 имеет tgδ (f — 50 Гц), равный 0,0006 — при 20° С, 0,0007 — при 100° С, 0,00075 — при 200° С; ε = 6...8 (при 0,5... 1 МГц); ρ = 1013 Ом-м; предел прочности на изгиб 140... 150 МПа, временное сопротивление на растяжение 47 МПа; ударную прочность 2,8... 3 МПа; ТКЛР = (7 ... 7,5) · 10-6 К-.
Напряженность теплового пробоя мало зависит от температуры в пределах до 200° С и составляет 10... 12 МВ/м. Таким образом, на высокой частоте керамика марки Б-17 в пределах рабочих температур имеет высокие электрические характеристики.
Следует учесть, что электрическая прочность керамики на высоких частотах зависит от ее пористости.
В электромагнитном поле внутренние части керамических деталей нагреваются до более высокой температуры, чем внешние, и, стремясь расшириться, растягивают их. Таким образом, внутренние области оказываются в сжатом состоянии, а наружные — в растянутых.
Эти термоупругие напряжения зависят от напряженности электромагнитного ноля, характеристик материала или от монолитно связанных нескольких материалов, размеров и формы, изделия.
Термоупругие напряжения способствуют процессам рекристаллизации и росту микротрещин, в связи с чем снижаются электрическая и механическая прочность материала. Термоупругие напряжения являются основной причиной старения керамики в высокочастотном поле. Чем больше суммарные механические напряжения, действующие в материале, тем скорее он разрушается.
Этот механизм разрушения является разновидностью теплового пробоя второго рода, характерного для керамики, лейкосапфира и других твердых диэлектриков, и может быть назван термоупругим пробоем (ТУП). Посредством расчета такого про боя можно определить напряжения высокочастотного теплового пробоя, а также вычислить скорость старения и срок службы керамических деталей в сильных переменных полях.
Можно рассчитать и сравнить максимальные термоупругие напряжения σΡ на поверхности деталей различной формы при одинаковом удельном тепловыделении Q, которое предполагается постоянным по всему объему при равномерном электрическом поле, когда /гн<3...4 (работы Ю. М. Волокобинского).
Например, когда диаметр шара равен диаметру стержня и толщине пластины, напряжения на поверхностях вычисляются по формулам:
где ............................... μ — коэффициент Пуас
сона; а — ТКЛР; G — модуль сдвига, Па; k — коэффициент теплопроводности диэлектрика, Вт/(м-К); Q — удельное тепловыделение, Вт/м3; D — диаметры шара, стержня и толщина пластины, м.
При одинаковом удельном тепловыделении Q термоупругие напряжения на поверхности пластин, стержня и шара относятся друг к другу как .σρ.„:оР.ст:<тР.ш=40: 15:8.
Раскалывание керамических, стеклянных, ситалловых и т. п. деталей происходит, когда растягивающие напряжения на поверхности достигают разрушающего значения оР, при этом максимальные перепады температуры в шаре, в стержне и в пластине будут: 
Таким образом, разрушение в пластине, стержне и шаре произойдем при следующем отношении перепадов температур: Δtπ:
∆tcn: ∆tш = 3:4:5, т. e. разрушающий перепад температур зависит в основном от механической прочности материала и в меньшей степени — от формы деталей.
Напряженность электрических полей, вызывающая раскалывание радиодеталей, зависит от их размеров и формы, от условий охлаждения, характеристик самого диэлектрика, монолитно с ним соединенных других материалов и от частоты электрического поля. Влияние характеристик материалов и частоты на напряженность разрушающего электрического поля можно учесть с помощью коэффициента
где Е'у — модуль упругости; ε и tgδ — диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь при средней температуре в диэлектрике tср, которая зависит от условий охлаждения.
Зная Ер, можно вычислить разрушающее напряжение стержневого изолятора с радиусом R и длиною l:
Охлаждаемые с наружной поверхности трубчатые изоляторы раскалываются, когда к ним приложено напряжение
(2.1)
где r и R — радиусы внутренней и внешней поверхности изолятора; l — высота изолятора.
При охлаждении внутренней и внешней поверхности трубчатый изолятор раскалывается при напряжении
(2.2)
Напряженность электрического поля в диэлектрическом шаре с радиусом R, при которой происходит его разрушение, вычисляется по формуле
(2.3)
Численные значения коэффициента М, входящего в формулы (2.1) ... (2.3), несколько различаются между собой, так как зависят от средней температуры в диэлектрике.
Кроме того, при наличии металлической арматуры или других материалов, монолитно связанных с керамикой, лейкосапфиром, ситаллом или другим диэлектриком, величина σΡ, входящая в уравнение для М, уменьшается на значение термоупругих напряжений σтун, которое вносят указанные материалы за счет разности значений ТКЛР, модулей Юнга и коэффициента Пуассона с диэлектриком.
Под действием постоянного напряжения электрическая прочность лейкосапфиров составляет 6... 8 МВ/м. При сверхвысоких частотах электрическая прочность сокращается в 3 раза. Электрическая прочность материалов сильно зависит от его пористости.
