МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

ИВТС им. И.П. Грязева

Кафедра: Электроэнергетики

Лабораторная работа №4

По дисциплине: Конструкционные и электротехнические материалы

«Диэлектрические материалы»

Направление подготовки 140400Электроэнергетика и электротехника

Квалификация выпускника: бакалавр

Форма образования: очная

Выполнил:

Студент гр. 121221с

Ардашин Тимур Александрович

Проверил:

Меркулов Николай Михайлович

Оценка:

Тула 2013

1.1 Твердые диэлектрики

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Полимеры - высокомолекулярные соединения. Они имеют большую молекулярную массу. Молекулы полимеров - макромолекулы - состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:

повторяющееся звено.

Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев.

Степень полимеризации - весьма важная характеристика, она равна числу элементарных звеньев в молекуле.

Для поливинилхлорида:

n - степень полимеризации.

Полимеры с малым n называются агломератами.

Полимеризация - реакция образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов или полимеризация — это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества в большие молекулы высокополимерного вещества без изменения его элементарного состава.

Пример реакции полимеризации этилена:

nH2C = CH2 [ - CH2 - CH2 - ]n .

Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта и др.) или поликонденсация — это процесс составления молекул нескольких исходных (мономерных) веществ в большие молекулы высокополимерного вещества.

Полимеры делят на два типа - линейные и пространственные в зависимости от структуры молекул.

Термопластичные полимеры (термопласты) - на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагреве - размягчаются, а при остывании - затвердевают без химических изменениях (растворимы, формуются).

Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние (процесс необратим).

Линейные аморфные и кристализующиеся полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

Совокупность характеристик, определяющих поведение полимеров в электрическом поле ( ), в значительной мере зависит от полярности звеньев макромолекул, наличия остаточных функциональных групп и разных примесей и изменяется от температуры, частоты, амплитуды внешнего электрического поля. Диэлектрические свойства связанны со строением, молекулярной структурой и зависят от температуры.

Значение полимеров определяется наличием в них носителей заряда ионов, полярных групп и их подвижностью.

Полярные полимеры имеют более низкие значения , большие значения и чем неполярные (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен).

В кабельной технике и при высоких частотах применяют материалы с малой (неполярные и слабополярные), в конденсаторостроении при низких частотах - с повышенным (полярные). Длительная рабочая температура линейных полимеров (кроме фторосодержащих и полифенилов) не выше 120 ⁰C. Особенно нагревостойки кремнийорганические и некоторые другие элементоорганические полимеры, температура которых достигает 180-200 ⁰C. Высокая термоустойчивость проявляется у полимеров пространственного строения.

Пластические массы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

Состав и свойства пластмасс

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

Термопластичные пластмассы. В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен — продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению. Имеет высокую прочность, эластичен, длительная нагревостойкость обычного необлученного полиэтилена 90 ⁰С, хороший диэлектрик, морозостоек. Это легкий, водостойкий материал, из которого изготовляют в основном пленки, трубы и емкости для агрессивных жидкостей, изоляцию кабелей и СИП.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С).

Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный или бесцветный, аморфный полимер, продукт полимеризации стирола. Производится в виде листов, стержней, порошка и блоков. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Полистирол - хороший диэлектрик, широко используется как электроизоляционный материал в высокочастотной технике. Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.

Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.

Полярные термопластичные пластмассы.

Фторопласт-3 — полимер трифторхлортилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость.

Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки, имеют высокую прочность и упругость.

Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон, анид и др. Они продолжительное время могут работать на истирание, ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях.

Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.

Поликапроамид - (капрон, перлон и др. ) - термопласт, стоек к щелочам, кислотам, бензину и маслам. Используют главным образом в производстве пленок, волокна, а также подшипников, втулок, червячных и зубчатых колес, электроизоляционных и бытовых изделий.

Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом — майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Термостойкие пластики

Ароматический полиамид — фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов.

Термореактивные пластмассы

Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.

Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс получают посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Плотность гетинакса 1350-1450 кг/м³, электрическа прочность (перпендикулярно слоям) 20-40 МВ/м, = 5-6 (диэлектрическая проницаемость). Дугостойкость невысокая (после дуги образуется науглероженный след - трекинг - повышенной проводимости).

Слоистая структура приводит к анизотропии, т.е. объемное сопротивление вдоль слоев в 50-100 раз выше, а электрическая прочность в 5-8 раз ниже, чем поперек.

Текстолит - пластик, аналогичный гетинаксу, но изготовляемый из пропитанной ткани. Он намного дороже гетинакса и применяется для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание.

Наиболее нагревостойкими, влагостойкими и механически прочными являются стеклотекстолиты.

Вывод

Пластмассы широко используют в машиностроении, электротехнике, радиотехнике, в строительстве. Детали из пластмасс имеют высокие фрикционные и антифрикционные свойства, хорошую химическую и коррозионную стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, низкую теплопроводность, малую плотность, высокую удельную прочность, хорошо склеиваются, свариваются и обрабатываются резанием. По сравнением с металлами и сплавами пластмассы имеют малые ударную вязкость и модуль упругости.

Одним из важнейших минеральных (природных) электроизоляционных материалов является слюда, обладающая ценными качествами - высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью.

Слюда встречается в виде кристаллов, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на тонкие пластинки по плоскостям спайности. Крупнейшие месторождения высококачественной слюды имеются в Индии.

По химическому составу слюда - водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: мусковит и флогопит.

Электротехнический фарфор является основным керамическим материалом среди низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с V_раб до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металокерамических и других изделий, которые имеют высокую механическую прочность, нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.

Можно выделить основные виды изделий из керамических материалов: это высоковольтные изоляторы - стационарные для оборудования распредустройств и аппаратуры (опорные, проходные, вводы, маслонаполненные и др.) и линейные для линий электропередач - подвесные и штырьевые.

Закаленные изоляторы из обычного стекла эффективно используются в качестве подвесных изоляторов. Подвесные закаленные стеклянные высоковольтные изоляторы ПС-4-5 установлены на линиях электропередачи 35, 110, 220 кВ.