Лекция № 18
5 Изоляция электрических машин и аппаратов
Введение
В различных областях электротехники используются тонкие нагревостойкие диэлектрические пленки, которые наносятся на поверхность металла, или полупроводника, или на иные подложки. Такие пленки из заранее подготовленного вещества могут наноситься способами испарения в вакууме, шоопированием и другими способами; возможно также осаждение исходных веществ, которые в результате химической реакции между собой дают диэлектрическую пленку.
5.1 Диэлектрические пленки, получаемые оксидированием
Рассмотрим представляющие большой интерес пленки, получаемые оксидированием - термическим, электрохимическим или плазменным - металла-подложки; таким образом, диэлектрическая пленка получается на поверхности металла в виде химического соединения этого металла с кислородом. Это так называемая оксидная изоляция в виде сплошного слоя, вводится объемный коэффициент оксидирования, т.е. отношение объема оксида к объему металла, вошедшего в этот оксид:
,
(5.1)
где М
- молекулярная
масса оксида;
- плотность металла; n
- число атомов металла, входящих в
молекулу оксида; А
- атомная масса металла; о
- плотность оксида.
Если К > 1 , образующийся оксидный слой может дать на металле сплошное покрытие, если же К < 1, то сплошное покрытие получено быть не может.
Например, для
алюминия, который в обычных условиях
всегда покрыт на воздухе тонкой пленкой
оксида Al2O3,
имеем А =
26,97;
Мг/м3;
М=101,91;
n =2;
Мг/м3,
так что формула (5.1) дает К
= 1,6. В то же
время, например, для железа К
< 1, вследствие
чего сплошной оксидный слой на железе
не получается.
5.2. Оксидные пленки из алюминия. Классификация. Применение
Чаше всего на практике применяется оксидная изоляция именно из алюминия (имеется в виду не естественный, весьма тонкий слой оксида, используюшийся для изоляции лишь при малых, менее 1 В, напряжениях между соприкасающимися алюминиевыми проводами, а получаемый путем специальной обработки сравнительно более толстый оксидный слой), которая имеет существенно большие пробивные напряжения. Практически оксидная изоляция алюминия получается посредством электрохимической анодной обработки этого металла. Если в ванну с кислотным электролитом погрузить два электрода, один из которых выполнен из алюминия, и подать на них постоянное напряжение так, чтобы алюминиевый электрод являлся анодом и на нем выделялся бы кислород, то сила тока, идущего через ванну, будет быстро уменьшаться, а на поверхности алюминиевого электрода, погруженного в ванну, будет образовываться все более толстая оксидная пленка. Возможно применение для оксидирования алюминия и переменного напряжения, причем оба электрода или большее их число (при многофазном напряжении) изготовляются из алюминия.
По методам получения, свойствам и областям применения оксидные пленки из алюминия могут быть разделены на два класса. Оксидные пленки первого класса предназначены для работы как в контакте с жидким электролитом, находящимся в свободном состоянии или пропитываюшим твердый пористый материал (в оксидных электролитических конденсаторах), так и в контакте с твердым веществом (в оксидно-полупроводниковых конденсаторах или с металлическими слоями в металлооксидных конденсаторах). Оксидная пленка первого класса - практически сплошная (непористая), высокой плотности, приближающейся к теоретической плотности оксида алюминия 3,2 Мг/м3, и тонкая, толщиной не более 2 мкм. Эта пленка получается электрохимическим оксидированием алюминия в слабых, не растворяющих оксидную пленку электролитах (например, в водных растворах борной кислоты и ее солей). Оксидные пленки второго класса могут использоваться как электрическая изоляция исключительно в виде покрытий на проводниках, работающих в сухом состоянии (изоляция алюминиевых проводов сухих трансформаторов, электромагнитов и т.п.). Оксидные пленки второго класса обладают заметно выраженной пористостью: их объемная масса составляет лишь 2,5 Мг/м3. Пленки второго класса могут применяться в качестве покрытий: не только электроизоляционного, но и антикоррозийного, а также декоративного (для получения алюминия, окрашенного в разные цвета); используются и для получения различных изображений на алюминии. Оксидные пленки второго класса обычно получаются электрохимическим оксидированием в сильных электролитах, растворяющих оксидную пленку - водные растворы серной или хромовой кислоты; этот процесс называют анодированием. Через ванну с электролитом пропускается алюминиевая проволока, поверхность которой тщательно очищена. Толщина наносимой оксидной изоляции регулируется изменением скорости подачи проволоки.
Оксидная изоляция алюминия относится к классу нагревостойкости С. Т.к. температура плавления оксида алюминия очень высока, около 2050 0С, можно нагреть такой провод до температуры плавления металла без повреждения изоляции.
Недостатки: малая гибкость и заметная из-за пористости пленки гигроскопичность. В некоторых условиях такую изоляцию пропитывают и покрывают лаком.
Из оксидированного алюминия могут изготовляться катушки, работающие при высокой плотности тока. Малая толщина оксидной изоляции, облегчаяя теплоотвод, иногда позволяет компенсировать увеличение удельного сопротивления материала проволоки при замене меди алюминием.
Однако массовое применение имеет оксидная изоляция первого класса на алюминии в уже упоминавшихся алюминиевых оксидных конденсаторах, обладающих весьма высокой емкостью при малых габаритных размерах и массе, т.к. диэлектриком такого конденсаторя является тонкая оксидная пленка с диэлектрической проницаемостью около 10.