3.22.14. Стёкла и ситаллы

Неорганическое стёкло — аморфный термопластичный материал, получаемый при остывании расплава смеси основного стеклообразующего компонента — оксида кремния с оксидами бария, свинца, натрия и других веществ.

Кварцевое стекло из чистого оксида кремния обладает высокими электрическими качествами: _V  10¹⁴ Ом·м;  = 3,8; tg  0,0003; Е_пр = 35…45 МВ/м. Оно газонепроницаемо, химо- и термостойко, не подвержено тепловому старению, прозрачно для видимого и ультрафиолетового излучения, что позволяет изготовлять из него колбы газоразрядных ламп высокого давления. Кварцевое стекло размягчается при +1700 ^ОС. Перечисленные качества характеризуют кварцевое стекло как весьма термостойкий высококачественный диэлектрик.

Добавки оксидов свинца и бария повышают диэлектрическую проницаемость стекла до 16, что позволяет использовать его для изготовления конденсаторов. У кварцевого стекла малый коэффициент линейного расширения (_l =5,5·10^–7,град^–1), оно обладает высоким пределом прочности при сжатии (_С = 600…1200 МПа), но малым при растяжении (_Р = 10…30 МПа).

Ситаллы. Для получения ситаллов в стекломассу при её варке вводят добавки — центры кристаллизации при остывании отпрессованного изделия, промежутки между которыми заполнены стекловидными прослойками.

Большинство ситаллов своими электрическими качествами превосходят стёкла, из которых они получены. Варьируя рецептуру стёкол и режимы кристаллизации, получают ситаллы с высокой химостойкостью, с повышенной механической прочностью, с заданным коэффициентом расширения при нагреве или конденсаторные ситаллы с диэлектрической проницаемостью около 2000 при весьма малых диэлектрических потерях.

Ситаллы обрабатываются только шлифованием.

Диапазон рабочих температур ситаллов — от –50 до +700 ^ОС.

3.22.15. Минеральные диэлектрики

Кварц — природный диэлектрик с высокими электроизоляционными качествами. Температура его плавления — 1800…2000 ^ОС.

В электротехнике кварц используют как сырьё при производстве тугоплавкого кварцевого стекла, кварцевых нитей, стеклопряжи, стеклоткани, отличающихся высокой нагревостойкостью. Кристаллический кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Асбест («горный лён») — минерал с тонковолокнистым строением, содержит примеси сопутствующих минералов, гигроскопичен, поэтому изделия из него обладают невысокими электроизоляционными качествами. Он огнестоек (температура плавления — около +1500 ^ОС), щелоче- и кислотоупорен, имеет низкую теплопроводность. Основное достоинство асбеста — нагревостойкость до +450 ^ОС. При более высоких температурах он теряет химически связанную воду и становится хрупким.

Из волокон асбеста делают нагревостойкие бумагу и картон, из асбестовой пряжи ткут ленты и асбестовое полотно. Из распушённого асбестового волокна, перемешанного с раствором цемента, изготовляют корпуса дугогасительных камер и асбоцементные пластины для оснований коммутационных аппаратов на напряжения до 1000 В.

3.22.16. Слюда и слюдяные материалы

Слюда — минерал с кристаллической структурой и слоистым строением, позволяющим расщеплять его на пластины толщиной около 0,01мм.

В электротехнике используют слюду — мусковит и слюду — флогопит, обладающие наилучшими электроизоляционными качествами: удельное объёмное сопротивление — 10¹¹…10¹⁴ Ом·м , диэлектрическая проницаемость — 5…8 , тангенс угла диэлектрических потерь — 0,0004 у мусковита, 0,005 — у флогопита, электрическая прочность поперёк слоёв слюды — 95…190 МВ/м. Большие из указанных величин сопротивления, диэлектрической проницаемости, электрической прочности относятся к мусковиту.

Мусковит не поддаётся действию растворителей и щелочей, кислоты разлагают его только при нагревании. Флогопит менее химостоек по отношению к кислотам.

Предел прочности слюды при растяжении, определённый на образцах толщиной 0,02…0,05 мм, составляет у мусковита 170…360 МПа, у флогопита — 160…260 МПа.

При +500…+600 ^ОС слюда начинает терять кристаллизационную воду, что вызывает её вспучивание, снижение механической прочности и резкое ухудшение электроизоляционных качеств. Максимальные рабочие температуры мусковита — +500…+600 ^ОС , флогопита — +900…+1000 ^ОС.

При температурах до +300 ^ОС пробой слюды носит электронный характер.

Пласты природной слюды имеют множество дефектов, загрязнены сопутствующими минералами и требуют весьма трудоёмких процессов расколки на тонкие листы, обрезки краёв, очистки от инородных включений. После первичной обработки до 70 % слюды обращается в мелочь, а остальную слюду расщепляют на пластины разной величины, которые сортируют по толщине и размерам в соответствии с назначением: для изготовления конденсаторов, деталей электровакуумных приборов, для производства щепаной слюды и дальнейшей переработки. Размеры слюдяных пластин разнятся по длине от 7 до 60 мм , по ширине — от 4 до 50 мм, по толщине от 0,1 до 0,3 мм, и по этим признакам делятся на 12 типоразмеров.

Детали нужной конфигурации из пластин слюды вырубают штампами или вырезают ножницами.

Многие из указанных работ выполняются вручную, что обусловливает относительно высокую стоимость деталей из крупных пластин слюды.

Фторфлогопит — синтетическая слюда, получаемая кристаллизацией расплава шихты специального состава. Обладая высокой чистотой, фторфлогопит превосходит природные слюды электроизоляционными качествами: его удельное объёмное сопротивление в 15..20 раз , а электрическая прочность в 1,5 выше; диэлектрические потери в 2 раза меньше. Он нагревостоек и не вспучивается при нагревании до +1000 ^ОС. Фторфлогопит более хрупок, менее гибок, чем мусковит и флогопит, труднее расщепляется на тонкие пластины. Из-за сложности производства фторфлогопит дорог и используется преимущественно как изоляционный материал в электровакуумных приборах.

Щепаная слюда — листочки слюды толщиной 10…45 мкм, разделяемые по размерам на 9 групп с площадью от 6000 до 50 мм².

Миканиты — листовые изоляционные материалы, получаемые склеиванием листочков щепаной слюды изоляционным лаком до получения необходимой толщины. Миканиты толщиной до 0,25 мм клеят вручную, укладывая листочки слюды слоями с перекрытием их краёв без просветов и покрывая их затем лаком. Производство более толстых миканитов механизировано: мелкая щепаная слюда в струе воздуха покрывается клеящим лаком и оседает на плоскость относительно ровным слоем. Полученный лист миканита сушат и подвергают горячему прессованию.

Нагревостойкость миканита определяется нагревостойкостью применённого связующего.

Коллекторный миканит используют для изолирования друг от друга пластин коллекторов электрических машин. Его делают из флогопита на полиэфирном связующем (до +155 ^ОС) или на связующем — аммофосе (до +200 ^ОС). Поверхность миканита фрезеруют и шлифуют для получения пластин строго заданной толщины.

Прокладочные миканиты толщиной 0,5…5 мм делают из мусковита, флогопита или их смеси на глифталевом лаке (рабочая температура до +130 ^ОС) или кремнийорганических лаках (до +180 ^ОС). Из таких миканитов вырезают или вырубают штампами плоские прокладки и шайбы различной конфигурации.

Формовочные миканиты — листовой материал толщиной 0,1…1,5 мм , из которого горячим прессованием делают объёмные изоляционные детали в виде цилиндров, трубок, конусов.

Гибкие миканиты — листовой материал толщиной 0,15…0,5 мм из щепаной слюды на масляно-глифталевом, масляно-битумном или кремнийорганическом лаках, образующих гибкую плёнку. Для повышения прочности такие миканиты с одной или обеих сторон могут быть оклеены бумагой или стеклотканью (стекломиканит). При использовании кремнийорганического связующего стекломиканит может работать при температурах до +200 ^ОС.

Гибкие миканиты используют для изоляции обмоток высоковольтных электрических машин и для изготовления гибких электроизоляционных прокладок.

Микафолий, микашёлк, микаполотно — гибкие изоляционные материалы из щепаной слюды на соответствующих подложках.

Микалента — рулонный материал толщиной 0,08…0,21 мм, обладающий гибкостью при +20 ^ОС. Микалента — наклеенные на микалентную бумагу (толщиной 0,02 мм) или тонкую стеклянную ткань листочки слюды в один слой без зазоров.

Слюдяная изоляция обладает высокой короностойкостью, поэтому гибкие микаленты широко используют для изолирования обмоток генераторов и электродвигателей высокого напряжения.

Слюдинитовые бумаги и материалы на их основе. До 90 % добытой слюды при её переработке превращается в так называемый скрап — мелочь, непригодную для получения слюдяных изоляционных изделий.

Слюдинитовую бумагу, производство которой в значительной степени механизировано, изготовляют из скрапа слюды — мусковит. Скрап после разрыхляющего обжига разделяется на мелкие чешуйки в специальных гидрорасщепителях, а затем бумагоделательная машина перерабатывает водную суспензию слюды с добавкой клеящего связующего (пульпу) в слюдинитовую бумагу.

Толщина слюдинитовой бумаги — около 0,1 мм, предел её прочности при растяжении — 13…15 МПа, электрическая прочность — 18…20 МВ/м.

Слюдопластовая бумага производится из скрапа слюд — мусковит или флогопит — без разрыхляющего обжига.

При такой обработке свежерасщепленная слюда сохраняет способность при плотном контакте чешуек почти полностью восстанавливать их сцепление. Слюдопластовая бумага обладает большими твёрдостью и плотностью, чем слюдинитовая.

Из слюдинитовой и слюдопластовой бумаги горячим прессованием производят те же электроизоляционные материалы, что и из щепаной слюды. Из неё изготовляют коллекторный, формовочный и гибкий слюдинит, стеклослюдинит (слюдинитовая бумага, накленная кремнийорганическим лаком на подложку из стеклоткани), слюдинитовые и стеклослюдинитовые изоляционные ленты.

Слюдинитовые материалы отличаются высокой однородностью и повышенными электроизоляционными качествами. Так, при прочих равных условиях электрическая прочность гибкого стеклослюдинита в 1,5 раза больше, а его удельное объёмное сопротивление в 10…20 раз выше, чем у стекломиканита.

По сравнению с миканитами изделия из слюдинитовой бумаги обладают пониженными механической прочностью и влагостойкостью.

Слюдинитовые материалы в зависимости от применённого связующего могут быть отнесены к классам B, F и H нагревостойкости.

Для повышения механической прочности и влагостойкости изоляцию на основе слюдинитовой и слюдопластовой бумаги пропитывают электроизоляционными лаками или компаундами.

Микалекс — твёрдый плотный негигроскопичный материал, получаемый горячим прессованием и последующей термической обработкой смеси тонко размолотых слюды (мусковит) и стекла.

При температурах +600…+700 ^ОС стекло размягчается и реагирует со слюдяным порошком. Таким образом, микалекс состоит из стекла, слюды и продуктов взаимодействия стекла со слюдой. Его свойства зависят от соотношения составляющих.

Микалекс обладает высокой теплостойкостью (до +400 ^ОС по Матренсу) и хорошими электрическими качествами, что позволяет изготовлять из него детали конденсаторов, переключателей, мощных радиоламп и каркасы катушек индуктивности в высокочастотной аппаратуре для работы при температурах до +300 ^ОС. Тангенс угла диэлектрических потерь в микалексе при +20 ^ОС и частоте электрического поля 1 МГц составляет 0,003…0,01 , но при температурах более +150 ^ОС резко возрастает, создавая опасность теплового пробоя.

Микалекс хорошо обрабатывается всеми видами резания, поэтому выпускается в виде пластин и стержней, из которых затем изготовляют необходимые детали.