3.3. Твердые изоляционные материалы

3.3.1. Твердые органические диэлектрики. Являются полимерными материалами, молекула которых состоит из сотен тысяч молекул исходных мономеров. В зависимости от характера соединений молекул мономера полимеры могут иметь линейную или пространственную (объемную) структуру. Линейные полимеры, как правило, термопластичны - они легко размягчаются при нагревании. Объемные полимеры хрупки и термореактивные - при нагревании не размягчаются вплоть до обугливания.

Примером линейных полимеров являются каучук, полиэтилен, полистирол, а пространственных - бакелиты. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение. Природными полимерами являются натуральный каучук, канифоль, янтарь. Большинство же полимеров получают синтетическим путем полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация - это процесс соединения исходных молекул мономера в большую молекулу без изменения состава вещества. При этом обеспечивается химическая чистота полимера, а следовательно, высокий уровень его электрических характеристик. Ниже приведены краткие сведения о некоторых распространенных полимеризационных диэлектриках.

Полистирол. Высокочастотный диэлектрик. Получают полимеризацией стирола путем ступенчатого нагрева. Степень полимеризации (число соединившихся молекул мономера) порядка 6000. Плотность 1050 кг/м³. Очень слабополярный диэлектрик, , tg малы и почти не зависят от частоты. Термопластичен. Характеристики зависят от технологии производства. Параметры блочного (в брусках) полистирола:

_v = 10¹⁷ Омсм, _ =10¹⁶ Ом,  =2.4, tg = 2-3)10^-4 при f =1 Мгц, Епр=(30-40) МВ/м при h = l мм. Суспензионный полистирол (порошок для горячего прессования) обладает несколько худшими характеристиками.

Полистиролы хорошо растворяются в нейтральных растворителях: бензоле, ксилоле, толуоле, но не растворяется в спирте, бензине, маслах. Верхняя рабочая температура не превышает 70°С. Холодостойкость - минус 40 °С. Водопоглощаемость не более 0,01 % за 24 часа. Механические характеристики: _р = 30-50 МПа, _b =60-80 МПа,  =12-18кДж/м².

На базе полистирола выпускают стиропленки для производства конденсаторов и изоляции высокочастотных кабелей. Применяются на частотах до 500 кГц.

Основной недостаток полистирола - малая теплостойкость и слабая ударная вязкость (хрупкий).

Ударопрочный полистиролрол. Смесь полистирола с каучуком. Обладает хорошими механическими характеристиками, но электрические параметры хуже:

а = 40-55 кДж/м ². _v=10 ¹⁵ Омсм, Е = 2,7, tg=(5-8) 10^4. Епр = (20-25) МВ/м. Водопоглощаемость не более 0,05 % за 24 часа.

Полиэтилены. Получают путем полимеризации этилена при различных давлениях. Различают полиэтилен высокого ВД, среднего СД и низкого НД давления. Нейтральный диэлектрик, обладает хорошими электрическими свойствами, не зависящими от частоты f. Термопластичен.

Полиэтилен ВД. Получают полимеризацией при 200 °С под высоким (до 200 МПа) давлением. Обладает высокой гибкостью, поэтому применяется для изоляции проводов, кабелей, для производства изоляционной пленки. Плотность 920 кг/м ³, Теплостойкость 70 °С, холодостойкость минус 70 °С. Водопоглощаемость не более 0,02 % за 30 часов. Электрические параметры: _v=10¹⁶ 10¹⁷ Омсм, =2,3, tg = (2-3) 10⁴ при f=l Мгц, Епр=(40-45) МВ/м. Механические параметры: _p=12-20 МПа, _u =12-17 МПа.

Полиэтилен СД. По сравнению с полиэтиленом ВД имеет более высокую плотность и твердость. Температура плавления 130°С. Электрические параметры идентичны. Применяется для изготовления объемных изоляционных деталей: каркасы катушек, переключатели, платы и т. п.

Полиэтилен НД. Представляет собой плотный роговидный материал, не обладает гибкостью. Имеет более высокие прочностные характеристики без потери электрических свойств. Применяется там же, где и полистирол.

Достоинства полиэтиленов: химическая инертность, водостойкость, хорошие электрические параметры в широком диапазоне частот. Легко поддаются механической обработке, не растворяются растворителями. Недостатки: невысокая теплостойкость, заметное "старение", особенно на свету.

Полиформальдегид. Получают полимеризацией формальдегида, в результате чего образуется белый порошок. Термопластичен. Может использоваться для изготовления деталей методом горячего литья под давлением. Хорошо окрашивается. Характерной особенностью является стойкость к истиранию и низкий коэффициент трения, из-за чего часто используется для изготовления деталей механических передач.

Плотность 1410 кг/м 3. Температура плавления 170 °С, теплостойкость 100-110°С. Водопоглощаемость не более 0,3 % за 24 часа. Электрические параметры: _v = 10 ¹⁴ 10 ¹⁵ Омсм, =3,8, tg = 0,002-0,004, Епр=(20-25) МВ/м. Зависимость параметров от частоты незначительная. Механические параметры: _р =70 МПа, _u = 100 МПа, а = 95-120 кДж/м². При нагреве выше 100 °С начинает разлагаться с выделением токсичного формальдегида.

Стабилизированные формальдегиды отличаются высокой химической стойкостью в диапазоне температур от минус 70 °С до +150 °С.

Рассмотренные выше твердые диэлектрики (полистирол, полиэтилен и полиформальдегиды) являются горючими веществами.

Поливинилхлорид. Получают полимеризацией хлористого винила, в результате чего получается белый порошок, используемый для изготовления деталей методом литья под давлением или горячего прессования. Из полихлорвинила получают винидаст и пластикат - мягкий гибкий материал, обычно окрашенный. Полярный диэлектрик. Термопластичен. Используется для изоляции монтажных проводов и кабелей, работающих на частотах до 100 кГц. Плотность 1260-1300 кг/м ³. Температура разложения 200 °С, рабочий диапазон температур от минус 50 до + 70 °С. Не горит. Электрические параметры поливинилхлоридного пластиката:

_v = 10¹¹ 10 ¹⁴ Омсм,  = 4,5 - 5, tg=0,03-0.06, Eпp=15-20 МВ/м. Механические параметры:

_р = 11 - 20 МПа, _р = 180 - 380 %. Водопоглощаемость не более 0,2 % за 24 часа.

Фторопласт-4. Получается путем полимеризации фтористого этилена. Представляет собой белый порошок, из которого изготавливаются детали методом холодного прессования с последующим спеканием. Характерной особенностью этого диэлектрика является высокая устойчивость к холоду и нагреву. Температурный диапазон использования материала от минус 250 до +260 °С. Обладает высокой химической стойкостью, негорюч, практически не поглощает воду. Плотность 2200 кг/м³. Электрические параметры: pv=10¹⁸ 10¹⁹Oмcм. _v = 10 Ом, =1,9-2,0, tg(2-3) 10 ⁴ при f=1 МГц, Епр=220 МВ/м. Механические параметры: р=14- 25 МПа, _u =14 МПа, а =100 кДж/м². Не растворяется ни в одном растворителе, не боится действия щелочей и кислот. Не поражается грибковой плесенью.

Недостаток фторопласта-4 - слабая устойчивость к радиационным воздействиям.

Поликонденсация - это процесс образования полимера из молекул одного или нескольких мономеров с выделением побочных продуктов реакции. При этом состав полимера отличается от химического состава исходных мономеров. Обычно реакция поликонденсации активизируется с помощью катализаторов. Поликонденсационные полимеры в подавляющем большинстве случаев термореактивны, т. е. не размягчаются при нагревании. Ниже приведены основные сведения о некоторых распространенных полимерах этого типа, применяемых в электротехнике.

Эпоксидные смолы - низкомолекулярные вязкие жидкости, получаемые поликонденсацией хлорированного глицерина и диона или резорцина. При введении в смолу жидких или порошкообразных отвердителей происходит сшивание линейных молекул смолы в большие молекулы. В результате получается твердый термореактивиый полимер с хорошими механическими и электрическими характеристиками. Для уменьшения хрупкости деталей в смолу наряду с отвердителями вводят пластификаторы.

Эпоксидные смолы применяются в качестве клеев, заливок для кабельных муфт и трансформаторов, а также для изготовления герметичных корпусов электрических аппаратов, работающих в агрессивных средах. Исходные компоненты смолы токсичны для человека, но после отвердевания безопасны.

Лавсан (полиэтилентерефталат) - высокополимерный материал, получаемый поликонденсацией терефталевой кислоты и этиленгликоля. Плотность 1320 кг/м ³ для лавсана аморфного и 1420 кг/м ³ для лавсана кристаллического. Широко применяются электроизоляционные лавсановые пленки для изготовления конденсаторов, проводов

и кабелей. Механические параметры лавсановой пленки: _р =120-140 МПа, _р=50-60 %. Водопоглощаемость не более 0,5 % за 7 суток. Электрические параметры: _v=10¹⁵ –10¹⁶ Омсм, =3,l, tg = (3-8) 10 ^-3, Епр=140-170 МВ/м. Лавсановые пленки могут работать в диапазоне температур от минус 50 °С до +120°С. На основе этой пленки изготавливают гибкий фольгированный диэлектрик ФДЛ-1, имеющий широкое применение в электронике. Из расплавленной лавсановой смолы отливают изоляционные детали.

Силиконы- кремнийорганическис материалы, обладающие большой нагревостойкостыо. Выпускаются в виде смол, компаундов, пленок, резины. Рабочий диапазон температур от минус 60 °С до + 220 °С. Влаго- и тропикоустойчивы, хорошо выдерживают действие электрических искровых разрядов. Плотность 1600-1700 кг/м³. Механические параметры; _р=200-500 МПа, _р=10 %. Электрические параметры; _v =10¹⁴ -10¹⁵ Омсм, с=3-5. tg = 0,0005-0.005, Епр = 30-80 МВ/м. Электрические свойства силиконов мало изменяются при нагревании.

Резольные смолы  термоактивные вещества аморфного строения. Получают поликонденсацией фенола с альдегидами. Чаще всего применяются бакелитовая, фе-нолформальдегидная и крезолформальдегидная смолы. Смолы могут находиться в различных стадиях поликонденсации, В стадии А смола представляет собой твердое хрупкое вещество, плавящееся при нагревании. При нагревании до 95 °С смола переходит в стадию В, в которой перестает растворяться в растворителях, и при нагревании до 120 °С - в стадию С, в которой уже не способна плавиться и растворяться.

Используются в виде лаков, для пропитки волокнистых изоляторов, в качестве связующего вещества при производстве пластмасс.

В стадии С плотность резольных смол составляет 1250-1270 кг/м -\ Электрические параметры смолы в этой стадии: _v =10¹³ -10¹⁴ Омсм,  =5-б, tg = 0,005-0,008. Епр = 20-25 МВ/м. Смолы устойчивы к влаге и минеральным маслам, но не стойки к действию электрических искр.

Полимиды- нагревостойкие негорючие диэлектрики. Могут работать в диапазоне температур от минус 190°С до + 250°С. Химически инертные, не растворяются в большинстве растворителей. Обладают хорошей радиационной стойкостью.

Наибольшее применение находят изоляционные пленки. Плотность пленки 1400 кг/м³. Механические параметры: _р=120-150 МПа,  = 10-50 %. Водопоглощаемость не более 0,8 % за 24 часа. Электрические параметры: _v =10 ¹⁶10¹⁷ Омсм,  = 3,5-4,0, tg =(2-5) 10 ³, Епр= 150-200 МВ/м.

Из термопластичных полиамидов изготавливаются различные пластмассовые детали диэлектрического и конструкционного назначения. Механические характеристики стекловолокнистых пластмасс на базе полиамидов: _р = 140 МПа, а=110-140 кДж/м². Электрические параметры; _v =10¹⁶ Омсм,  =3,5, tg =(2-5) 10^-3 ,Епр=25 МВ/м.

Полиамиды широко используются для изготовления эмальлаков для покрытия обмоточных проводов. Эти покрытия выдерживают нагрев до 500°С, тогда как полиэфирные покрытия только до 125 °С.

Новолачные смолы - получают поликонденсацией фенола и формальдегида. Представляют собой термопластичное вещество, сохраняющее плавкость при нагреве до 180 °С. Могут быть переведены в неплавкое состояние при введении специальных добавок. Используется для изготовления различных изоляционных деталей методом прессования. Электрические параметры не очень высоки: _v = 10¹² Омсм,  =6-7, tg = 0,01-0,05, Eпp=10-15 МВ/м. Водопоглощаемость 5-15%з а24 часа.

Полиэфирные смолы - продукт поликонденсации спиртов и кислот. Существует большое разнообразие полиэфирных смол, разнообразных по свойствам. Чаще всего применяются глифталевые смолы, поликарбонат, полиэфиракрилат.

Используют для пропитки изоляции электрических машин, для покрытия эмальпроводов, для изготовления литых деталей и в качестве компаундов.

Пластмассы. Представляют собой твердые материалы, которые на определенной стадии производства приобретают свойство пластической текучести, что позволяет изготавливать из них изделия методом литья или прессования. Некоторые пластмассы могут представлять собой чистое вещество (полистирол), но большинство из них многокомпонентные вещества, состоящие из наполнителя и связующего вещества, к которым могут добавляться пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и красители. Наполнители - это нейтральные в химическом отношении вещества, не вступающие в реакцию с другими компонентами. Они служат для увеличения механической прочности пластмассы. Составляют большую (по объему) часть пластика. В качестве наполнителей могут использоваться бумага, хлопчатобумажное волокно, стекловолокно, кварцевый песок и т. п.

Связующие осуществляют пропитку и соединение компонентов в единое целое. Они в основном определяют свойство пластика. Например, если в качестве связующего использован полиэтилен, то пластик будет термопластичен,

Пластификаторы вводят для снижения хрупкости и повышения холодоустойчивости. Отвердители вводят в некоторые связующие с целью их отвердевания. Стабилизаторы повышают стойкость пластика к свету и температуре.

Следует иметь в виду, что все наполнители и добавки ухудшают электрические свойства связующего диэлектрика.

Лучшие пластмассы имеют электрические параметры такого уровня:

_v =10¹⁴ Омсм,  = 2,5-6,5 tg = 0.001-0.005; Епр = 20 МВ/м.

Очень часто используются слоистые пластмассы, представляющие собой чередующиеся слои наполнителя и связующего вещества. К ним относятся: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Гетинакс получают путем прессования бумаги, пропитанной бакелитовым лаком. Текстолит получается из ткани, пропитанной бакелитовым лаком. По сравнению с гетинаксом текстолит обладает лучшей механической прочностью, но худшими электрическими характеристиками. В табл. 3.2 приведены сравнительные характеристики слоистых пластмасс.

Гетинакс и текстолит могут фольгироваться медной фольгой с одной или с двух сторон. Фольгированный пластик используется для изготовления печатных плат в радиоэлектронике. Некоторое применение находят газонаполнительные пластмассы, представляющие собой вспененный полимер. Примером такой пластмассы является полистирольный и кремнийорганический пенопласт. Плотность таких пластмасс не превышает 20 кг/м ³