Класифікація твердих діелектриків за різними критеріями, особливості та області застосування твердих діелектриків.
Тверді діелектрики - це надзвичайно широкий клас речовин, що містить речовини з, що радикально різняться електричними, теплофізичними, механічними властивостями.
Наприклад, діелектрична проникність міняється від значення, що незначно перевищує 1, до більш ніж 50000, залежно від типу діелектриків: неполярний, полярний, сегнетоелектрик. На початку курсу приводилися визначення різних типів діелектриків. Коротенько торкнемося цих визначень стосовно до твердих діелектриків.
Неполярний діелектрик - речовина, що містить молекули з переважно ковалентним зв'язком.
Полярний діелектрик - речовина, що містить дипольні молекули або групи, або, що має іони в складі структури.
Сегнетоелектрик - речовина, що має в складі області зі спонтанною поляризацією.
Механізми поляризації в них різко різняться:
- чисто електронна поляризація в неполярних діелектриків типу поліетилена, полістиролу, при цьому діелектрична проникливість ε -невелика, не більш 3, діелектричні втрати теж малі;
- іонна поляризація в іонних кристалів типу NaСl або дипольна в полярних діелектриків типу льоду, при цьому ε може перебувати в межах від 3-4 до 100, діелектричні втрати можуть бути досить значні, особливо на частотах обертання диполів і інших резонансних частотах;
- доменна поляризація в сегнетоелектриків - при цьому ε максимальна й може досягати 10000-50000, діелектричні втрати можуть бути досить значні, особливо на резонансних частотах і в області підвищених частот.
Особливості механізмів провідності у твердих діелектриках - концентрація носіїв дуже мала, рухливість іонів у гомогенних матеріалах дуже мала, рухливість електронів у чистих матеріалах велика, у технічно чистих - мала. Механізми електропровідності різні в різних речовинах. Іонна провідність реалізується в полідисперсних діелектриків (картон, папір, гетинакс, дерево) і іонних кристалів. У першому випадку іони пересуваються по границях роздягнула, утвореним злиплими дисперсними частками.
Поява носіїв заряду сильно пов'язане з вологістю цих матеріалів і визначається, як розглядалося в гл.1 і 2 дисоціацією домішок і полярних груп основної речовини на поверхні роздягнула. У випадку іонних кристалів, у провідності беруть участь іони основної речовини, домішок, дефекти структури. Електронна провідність реалізується в титанатів барію, стронцію і т.д., електронна, діркова й іонна провідність у полімерів.
Додамо деякі терміни, специфічні для твердих діелектриків:
хімічна стійкість - здатність витримувати контакти з різними середовищами (кислота - кислотостійкість, луг - лугостійкість, озон - озоностійкість, масло - маслостійкість, вода - водостійкість);
трекінгостійкість - здатність протистояти дії дуги;
дендритостійкість - здатність протистояти утворенню дендритів.
Усі діелектричні матеріали можна розділити на групи, використовуючи різні принципи, наприклад, розділити на неорганічні й органічні матеріали.
Неорганічні діелектрики: скла, слюда, кераміка, неорганічні плівки (окисли, нітриди, фторидів), металлофосфати, електроізоляційний бетон. Особливості неорганічних діелектриків - негорючі, як правило, світло-, озоно- термостійкі, мають складну технологію виготовлення. Старіння на змінній напрузі практично відсутні, схильні до старіння на постійній напрузі.
Органічні діелектрики: полімери, воски, лаки, гуми, папери, лакотканини. Особливості органічних діелектриків - горючі (в основному), малостійкі до атмосферних і експлуатаційних впливів, мають (в основному) просту технологію виготовлення, як правило, більш дешеві в порівнянні з неорганічними діелектриками. Старіння на постійній напрузі практично відсутнє, на змінній напрузі старіють за рахунок часткових розрядів, дендритів і водних тріінгів.
Застосування в енергетику:
- лінійна й підстанційна ізоляція - це порцеляна, стекло й кремнійорганічна гума в підвісних ізоляторах ПЛ, порцеляна в опорних і прохідних ізоляторах, склопластики як несучі елементи, поліетилен, папір у високовольтних уведеннях, папір, полімери в силових кабелях;
- ізоляція електричних приладів - папір, гетинакс, склотекстоліт, полімери, слюдяні матеріали;
- ізоляція машин, апаратів - папір, картон, лаки, компаунди, полімери;
- конденсатори різних видів - полімерні плівки, папір, оксиди, нітриди.
Із практичної точки зору в кожному випадку вибору матеріалу електричної ізоляції слід аналізувати умови роботи й вибирати матеріал ізоляції відповідно до комплексу вимог. Для орієнтування доцільно розділити основні діелектричні матеріали на групи за умовами застосування.
1. Нагрівостійка електрична ізоляція. Це в першу чергу виробу зі слюдяних матеріалів, деякі з яких здатні працювати до температури 700 ° С. Скла й матеріали на їхній основі (склотканини, склослюдініти). Органосілікатні й металофосфатні покриття. Керамічні матеріали, зокрема нітрид бору. Композиції із кремнійорганіки з термостійким сполучним. З полімерів високу нагрівостійкість мають поліімід, фторопласт.
2. Вологостійка електрична ізоляція. Ці матеріали повинні бути гідрофобні (незмочування водою) і негігроскопічні. Яскравим представником цього класу є фторопласт. У принципі можлива гідрофобізація шляхом створення захисних покриттів.
3. Радіаційно-стійка ізоляція. Це, у першу чергу, неорганічні плівки, кераміка, склотекстоліт, слюдинітові матеріали, деякі види полімерів (полііміди, поліетилен).
4. Тропікостійка ізоляція. Матеріал повинен бути гідрофобним, щоб працювати в умовах високої вологості й температури. Крім того, він повинен бути стійким проти цвілевих грибків. Кращі матеріали: фторопласт, деякі інші полімери, гірші - папір, картон.
5. Морозостійка ізоляція. Ця вимога характерна, в основному для гум, тому що при зниженні температури всі гуми втрачають еластичність. Найбільш морозостійка кремнійорганічна гума з фенільними групами ( до -90°С).
6. Ізоляція для роботи у вакуумі (космос, вакуумні прилади). Для цих умов необхідно використовувати вакуумно-щільні матеріали. Придатні деякі, спеціально приготовлені керамічні матеріали, малопридатні полімери.
Властивості та області застосування слюд (мусковіту та флогопіту). Основні групи матеріалів на основі слюд, їхні властивості та області застосування.
Слюда – це мінерал з кристалічною структурою, який легко розчеп-люється на пластинки товщиною до 5 мкм. Завдяки її цінним якостям: високій електричній міцності, нагрівостійкості, вологостійкості, механічної міцності слюду застосовують в якості ізоляції електричних машин високих напруг і потужностей (турбогенератори, гідрогенератори, тягові електродвигуни) і в якості діелектрика в деяких конструкціях конденсаторів. Недивлячись на велику кількість різновидів слюд, для електричної ізоляції застосовують тільки дві: мусковит (K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O) і флогопіт (K2O·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O). Слюди є широко розповсюдженими мінералами і складають 3,8% маси земної кори. Першоначальна обробка слюди складається з її очистки від домішок. Потім слюду розколюють на пластини товщиною 0,1-0,6 мм. В подальшому слюду розчеплюють на листки товщиною 5-50 мкм. Таку слюду називають щипаною. Щипану слюду застосовують для клеючої ізоляції в конде-нсаторах. Конденсаторну слюду застосовують для виготовлення слюдяних конденсаторів постійної ємності типів: КСО (конденсатори слюдяні опре-совані), КГС (конденсатори слюдяні герметизовані), СГМ (конденсатори слюдяні герметизовані малогабаритні).
Слюду також застосовують у вигляді штампованих фасонних виробів для кріплення і електричної ізоляції, в якості теплового захисту цоколів потужних електричних ламп накалювання. Слюдяні електроізоляційні мате-ріали виготовляють на основі пластинок синтетичної слюди. До них відносять мікалекси, міканіти, слюдопласти.
Міканіти і слюдопласти мають обмежене застосування в радіоелектрон-них пристроях. Їх відносять до основних видів ізоляції електричних машин і називають слюдяним папером.
Маркування міканіту:
К – колекторний, П – прокладковий, Ф – формувальний, Г – гнучкий, М – мікафолій, Л – мікастрічка. Це перша буква маркування. Друга буква маркування – тип слюди для виготовлення міканіту: М – мусковит, Ф – флогопіт, С – суміш мусковиту і флогопіту. Третя та наступні букви і цифри – вид клеючої речовини і додаткові характеристики матеріалу.
Внаслідок високого вмісту (не менше 50% по масі) слюди міканіти нагрівостійкі і відносяться до класу ізоляції В. При використанні неорганічних підложок (склотканини) нагрівостійкість зростає зі 1300С (клас В) до більш ніж 1800С (клас С). Міканіт утворюється просочуванням порошку сухої слюди клеючим розчином.
Тверді міканіти: до них відносять колекторний і прокладковий міканіти. Колекторний міканіт застосовують у виді штампованих заготовок, які прокладаються між мідними пластинами колекторів електричних машин постійного струму. Завдяки високому тиску під час пресування цей міканіт має хороші механічні властивості. Це забезпечує міцність колектора під час роботи машини. Товщина від 0,4 до 1,5 мм.
Прокладковий міканіт застосовують для електроізоляційних прокла-док, шайб. Виготовляється з мусковиту, флогопіту та їх суміші. Містить від 80% до 97% слюди.
Формувальні міканіти при нормальній температурі тверді, але при нагріві набувають властивість приймати ту чи іншу форму, яку зберігають і при охолодженні. Їх застосовують при виготовленні манжетів (ізоляція колектора від валу електричної машини). Товшина – 0,1-0,5 мм. Вміст слюди від 80% до 95%, все інше (5-20%) – зв’язуючі речовини – гліфталь та кремнійорганічна смола.
Гнучкі міканіти призначаються для ізоляції різноманітних частин електричних машин (обмотка секцій, пазова ізоляція). Виготовляється з мусковиту чи флогопіту на масляно-бітумному лаці.
Інший різновид гнучкого міканіту – мікастрічка. З обох сторін – підложки із склотканини. Товщина 0,1;0,12;0,15;0,17 мм. Вона утворює основну ізоляцію обмоток електричних машин. При пересиханні стрічки її необхідно витримати у парах розчинника.
Нагрівостійкий (термоупорний) міканіт, що не містить органічних речовин застосовують для ізоляціїелектронагрівальних приладів та у інших випадках, де температура сягає кілька сот градусів Цельсія. Товщина – 0,2-1 мм.
Фторфлогопіт – синтетична слюда, що має вищу хімічну стійкість, нагрівостійкість ніж природний флогопіт. По складу фторфлогопіт відрізняє-ться від флогопіту тим, що в ньому гідроксильні групи ОН замінені іонами фтору. Виготовлення набагато дорожче, але завдяки високим електричним властивостям являє собою перспектиний матеріал. Застосовується для виго-товлення штамповних деталей, що працють при температурі (-200÷8000С), а також для виготовлення мікалексу, що має вищі властивості, ніж звичайний. Електричні властивості слюдяних матеріалів наведені в таблиці 2.9.
Табл.2.9.
Види слюди |
|
|
|
Епр, МВ/м (h = 0,025-0,05 мм) |
Мусковит |
1012-1013 |
6-8,5 |
(1-4)·10-4 |
100-250 |
Флогопіт |
1011-1012 |
5-7 |
30·10-4 |
70-150 |
Фторфлогопіт |
1012-1014 |
6-7,5 |
3·10-4 |
100-400 |
