Comparaison des propriétés diélectriques des matériaux isolants

Comprendre les propriétés diélectriques

Le comportement diélectrique est la manière dont les matériaux isolants réagissent aux champs électriques. Il s'agit d'une description de la manière dont le matériau s'oppose à la conduction électrique. Deux des propriétés les plus importantes qui définissent la manière dont ces matériaux agissent sont les constantes diélectriques et les facteurs de perte. La constante diélectrique est une mesure de l'efficacité avec laquelle l'énergie est stockée. Le facteur de perte mesure l'énergie perdue sous forme de chaleur. Une connaissance explicite de ces valeurs est une priorité absolue dans le choix du bon matériau pour une application.

Polymères (polyimide, polytétrafluoroéthylène, époxy, polychlorure de vinyle)

Le polyimide est utilisé lorsqu'une résistance et une température élevées sont requises. Je me souviens de l'époque où nous utilisions le polyimide dans certains domaines de l'isolation électrique. Le polytétrafluoroéthylène est très largement utilisé car il présente une faible friction et une bonne stabilité à haute température. L'époxy est utilisé dans les cartes de circuits imprimés et autres assemblages électroniques en raison de ses bonnes caractéristiques de collage. Le polychlorure de vinyle est couramment utilisé pour l'isolation des câbles. Il n'est pas aussi résistant aux températures élevées, mais il est bon marché pour la plupart des utilisations.

Tous ces polymèresont une constante diélectrique variable. Le polyimide a généralement une constante diélectrique comprise entre cinq et six, tandis que celle du polytétrafluoroéthylène est plus proche de deux. L'époxy et le polychlorure de vinyle se situent entre les deux. Ces substances sont privilégiées par les ingénieurs lorsque la flexibilité et le poids sont des considérations, comme dans l'électronique grand public.

Céramiques (alumine, nitrure de bore, nitrure de silicium)

Lescéramiques sont le premier choix lorsqu'il est nécessaire d'obtenir une rigidité diélectrique et une résistance thermique élevées. L'oxyde d'aluminium, ou alumine, possède de bonnes propriétés diélectriques et une bonne résistance à la chaleur. Le nitrure de bore a une bonne conduction thermique et une bonne isolation électrique. Le nitrure de silicium a une forme stable même lorsqu'il est soumis à des contraintes mécaniques. Ces matériaux sont couramment utilisés dans des applications à haut risque telles que les engins spatiaux ou les composants de circuits à haute tension.

Leurs constantes diélectriques peuvent varier. Celle de l'alumine est généralement comprise entre neuf et dix. Celle du nitrure de bore est inférieure, ce qui est utile lorsqu'une faible constante diélectrique est nécessaire. Le nitrure de silicium se situe entre les deux. Les utilisations dépendent des besoins de l'application. De nombreux équipements spécialisés ont été créés sur la base de ces connaissances.

Verre (silice fondue, borosilicate)

Le verre est un autre élément essentiel de l'isolation électrique. La silice fondue est un matériau à très faible perte diélectrique. Il est couramment utilisé dans les applications à micro-ondes et à haute fréquence. Le verre borosilicaté est très recherché pour sa résistance à la chaleur et est couramment utilisé dans les équipements de laboratoire. Sa constante diélectrique est un peu plus élevée que celle de la silice fondue, mais le verre borosilicaté offre une résistance aux températures moyennes.

Le verre est utilisé dans des applications où la résistance chimique et la transparence sont cruciales. Le verre possède des propriétés diélectriques qui permettent de réduire les pertes d'énergie et de fournir des performances stables sur une longue période.

Composites (polymère-céramique, époxy avec alumine/silice)

Les matériaux composites réunissent les meilleures caractéristiques des polymères et des céramiques. Dans un composite polymère-céramique, on peut mélanger une matrice polymère souple avec des particules de céramique. Le résultat est un mélange de flexibilité et de bonne résistance diélectrique. L'époxy combiné à l'alumine ou à la silice est largement utilisé dans les circuits imprimés et les emballages électroniques. Ce mélange augmente la résistance à la chaleur et la résistance mécanique sans dégrader les performances diélectriques.

Les données tendent à suggérer que ces composites atteignent des résistances diélectriques de plusieurs kilovolts par millimètre. Ils constituent donc un choix idéal pour les applications nécessitant à la fois une rigidité et une isolation accrue.

Facteurs affectant la rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique est affectée par certains paramètres. Il s'agit notamment de la température, de la fréquence de la charge électrique et de la qualité du matériau. Les changements de température peuvent entraîner une dégradation des propriétés diélectriques. Une fréquence plus élevée peut entraîner une augmentation des pertes. La qualité de fabrication est également importante. Une trace d'impureté peut abaisser le niveau d'isolation. Ces facteurs sont remarqués par les ingénieurs lorsqu'ils construisent des produits fiables.

De nombreuses utilisations pratiques montrent que les conditions environnementales peuvent modifier les performances. Son importance est attestée dans les câbles de transmission d'énergie et l'électronique grand public.

Applications dans l'industrie

Le comportement diélectrique des matériaux isolants est mis à profit dans la pratique. Ils sont essentiels dans les systèmes électriques tels que les transformateurs et les condensateurs. Ces matériaux sont utilisés dans diverses industries pour les équipements de communication à haute fréquence. Les appareils médicaux dépendent également d'une isolation adéquate. Dans certaines machines lourdes, une rigidité diélectrique élevée peut empêcher les pannes et les dommages. La sélection d'un isolant dans le monde réel est basée sur sa forme physique et son coût.

Conclusion

Les matériaux isolants présentent différentes caractéristiques diélectriques adaptées à des applications distinctes. Les polymères, les céramiques, le verre et les matériaux composites ont chacun leurs propres atouts. Pour obtenir une liste plus complète de matériaux, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Que nous apprend la constante diélectrique ?

Q : Elle indique dans quelle mesure un matériau stocke l'énergie électrique dans un champ électrique.

F : Pourquoi les matériaux composites sont-ils utiles à l'électronique ?

Q : Les matériaux composites offrent un équilibre entre la flexibilité et de bonnes propriétés d'isolation électrique.

F : Comment la température affecte-t-elle les propriétés diélectriques ?

Q : Une augmentation de la température tend à diminuer la rigidité diélectrique et peut augmenter la perte d'énergie.