ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

один атом водорода замещен атомом хлора. ПВХ представляет собой твердый продукт белого цвета с содержанием хлора до 56,8 %. Благодаря содержанию хлора не воспламеняется и не горит. ПВХ до 60 ° С стоек к действию соляной и муравьиной кислот любых концентраций, серной, азотной и уксусной — от 50 до 80 % концентрации, не изменяется при действии щелочей любых концентраций, промышленных газов, растворов солей алюминия, натрия, калия, железа, меди, цинка, никеля и других металлов, а также бензина, керосина, масел, жиров, глицерина, спиртов. ПВХ является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности и морозостойкости к ПВХ добавляют пластификаторы, в качестве которых используются органические полярные жидкости с высокой точкой кипения. Введение полярного пластификатора ухудшает электрические свойства полимера: увеличивает tgδ и уменьшает электрическую прочность. В зависимости от количества введенного пластификатора и характера переработки, из ПВХ получают следующие материалы: винипласты, пластикаты, пенопласты, а также лаки.

Материалы на основе ПВХ имеют высокую влагостойкость. Применяются для изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек шлангов, кабелей, применяются в качестве материала гасящего дугу в отключающей аппаратуре.

Полиметилметакрилат (ПМА, органическое стекло) — термопластичный материал. ПМА получают полимеризацией эфиров метакриловой кислоты. Полиметиметакрилаты стойки в воде, щелочах, разбавленных кислот, не стойки к действию концентрированных минеральных кислот. При воздействии электрической дуги выделяют газы, помогающие ее гашению. Применяются в виде листов, труб, прессованных или литых деталей в производстве в тех случаях, когда не требуется высокая нагревостойкость, но нужны высокие электроизоляционные свойства, химостойкость, влагостойкость, и способность к механической обработке.

К натуральным полимерам относятся материалы на основе целлюлозы. Элементарное звено целлюлозы: [C6H10O5]n.

93

Целлюлозные диэлектрики: бумага и картон — старейшие, но до сих пор используемые в изоляции трансформаторов, в некоторых видов кабелей и конденсаторов.

Относительная диэлектрическая проницаемость целлюлозы рав-

на 6,6.

Так как бумага имеет сквозные включения по воздуху, то всегда используется в пропитанном состоянии. Значения ε и tgδ бумажной изоляции зависят от характеристик пропиточного состава.

Целлюлозный диэлектрик единственный из полимерных материалов, который при нагревании разрушается, предварительно не размягчаясь. Электрические характеристики этого диэлектрика не меняются вплоть до физического разрушения.

Бумага — материал, который в сухом состоянии устойчив к воздействию электрического поля. Серьезными недостатками бумаги являются высокая гигроскопичность и низкая нагревостойкость.

4.6. ТВЕРДЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

4.6.1. Классификация неорганических диэлектриков

Как уже отмечалось, органические материалы содержат углерод и, как правило, водород, также в их составе могут быть атомы кислорода, азота, фосфора, кремния, хлора, брома, йода и других элементов.

Все остальные материалы неорганические. Так, например, углерод в модификациях алмаза и графита является неорганическим материалом, также и углекислый газ (СО2) и известняк (СаСО3), в составе которых тоже присутствует углерод. В табл. 4.4 представлены данные по распространению органических и неорганических твердых диэлектриков в земной коре.

Неорганические диэлектрики классифицируют по происхождению, по химическому составу и по агрегатному состоянию.

Природные неорганические диэлектрики подразделяются на: слюду, асбест и кварц. Слюда представляет собой слоистый минерал,

94

по химическому составу — водный алюмосиликат. Асбест — волокнистый водный магниевый силикат (3MgO • 2SiO 2 • 2H 2O). Кварц —

SiO2.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относятся слюдосодержащие композиционные материалы, стекло, керамика, ситаллы.

Разделение неорганических диэлектриков по химическому составу производится следующим образом.

Оксиды металлов, например, оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al2O3), а также их механические и химические смеси.

Нитриды бора (NB), алюминия (NAl) и кремния (N4Si3). Углерод в модификации алмаза.

Классификация неорганических диэлектриков по агрегатному составу:

газы (чистые, неионизированные): азот, кислород, водород; жидкости: жидкие газы (гелий, азот, кислород, водород и т. д.) и

расплавы некоторых оксидов, например, SiO2.;

твердые материалы: слюда, керамика, стекло, ситаллы.

95

К достоинствам неорганических диэлектриков относятся: высокая температура плавления:

температура плавления SiO2 – ТплSiO2 = 1728 °C; температура плавления Al2O3 – ТплAl2O3 = 2040 °C; температура плавления MgO – ТплMgO = 2800 °C;

высокая стойкость к окислению; высокая стойкость к радиации; высокая химическая стойкость; высокая стойкость к воде и газам; высокая механическая прочность;

более высокая теплопроводность по сравнению с органическими диэлектриками;

более высокая длительная электрическая прочность. В меньшей степени подвержены электрическому старению;

недефицитность.

Недостатками неорганических диэлектриков являются: дорогостоящая, сложная и энергоемкая технология изготовле-

ния, требующая высоких температур (более 1000 ° С), высоких давлений (более 100 МПа) и громоздкого оборудования (печи, пресса, мельницы);

сложная технология обработки изделий из-за высокой твердости неорганических материалов (твердость Al2O3 — 9,5 баллов) и хрупкости; отсутствие гибкости (эластичности) у изделий с массивными размерами. При микроразмерах неорганические диэлектрики могут быть эластичными, примером может служить оптоволокно (диаметр

4÷100 мкм), изготовленное из стекла; низкая ударная вязкость — стойкость к механическим ударам;

низкое сопротивление тепловому удару — стойкость материала к резкому изменению температуры;

высокая плотность.

Плотность органических диэлектриков порядка 0,8÷1,2 г/см3.

96

4.6.2. Слюда

Слюды представляют группу сложных слоистых алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих кристаллическую структуру. Характерной особенностью кристаллов слюды является способность расщепляться на тонкие платины толщиной до 5 мкм. Существует около тридцати различных типов слюды, однако лишь три из них находят широкое промышленное применение. Мусковит и флогопит применяются в электро- и радиотехнике как диэлектрики, вермикулит используется в строительстве как теплоизоляционный материал.

Мусковит. Химическая формула К2O•3Al 2O3•6SiO 2•2 Н2О — ка- лиево-алюминиевая слюда. Название «мусковит» произошло от наименования Древней Руси («Московия»), откуда слюда экспортировалась в Западную Европу в качестве светопрозрачного материала. Второе название мусковита «белая слюда», так как он прозрачен в оптическом спектре.

Флогопит (от греческого «флого» — огонь). Химическая формула K2О•6MgO•Al 2О3•6SiO 2•2H 2O — калиево-магнезиальная слюда. Второе название флогопита «янтарная слюда», так как он непрозрачен и рыжеватого цвета.

Фактически химический состав природных слюд значительно сложнее, в результате замещений в них присутствуют также другие элементы (оксиды металлов, фтор, хлор). Крайне нежелательные примеси — магнитные окиси железа (магнетит). Примеси в основном залегают по плоскостям спайности, что ведет к резкому снижению свойств в этом направлении. По электрическим свойствам мусковит превосходит флогопит (табл. 4.5). Однако флогопит более нагревостойкий материал. Мусковит сохраняет свои свойства до 600 ° С, флогопит — до 800 ° С. При дальнейшем росте температуры выделяются химически связанная вода и резко снижаются все характеристики.

97

Таблица 4.5

Электрические свойства мусковита и флогопита при 20 °С

Помимо высокой нагревостойкости слюдам присуща высокая короностойкость. По величине короностойкости все диэлектрики делятся на десять классов, при этом слюды имеют самый высокий десятый класс. Данное качество очень важно для материалов, применяемых в высоковольтных установках. Для слюд характерна высокая стойкость к механическому истиранию, что имеет большое значение для изоляции электрических машин из-за наличия в них вращающихся деталей.

К достоинствам слюд следует отнести их широкое распространение в природе. В Земной коре содержится порядка 3,8 % слюды (для сравнения меди около 0,01 %).

Первичная технологическая обработка слюды представлена на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Технологическая схема первичной обработки слюды

Слюда расщепляется до пластинок, толщина которых 5-45 мкм, полученная щипаная слюда используется для производства клееной слюдяной изоляции. Путем склейки слюды связующим изготавливают широкую гамму различных композиционных материалов. Расщепление пластин площадью более 10 см2 осуществляется вручную.

98

Из лучших сортов мусковита изготавливают штамповкой пластин прямоугольного формы (слюда конденсаторная), а также фасонные детали для различных электронных приборов и телевизоров.

Помимо этого широкое распространение получили композиционные материалы на основе слюдяных бумаг (слюдинитовой и слюдопластовой), применение которых позволяет исключить ручной труд и полностью механизировать производство, повысить электрическую прочность (измельченные частицы слюды более плотно укладываются в материале по сравнению со щипаной слюдой) и геометрические размеры (площадь) диэлектрика.

4.6.3. Стекла

Стеклом называется квазиаморфный твердый материал, обладающий ближним порядком в расположении атомов при отсутствии дальнего. Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного. Оно возникает из жидких расплавов после переохлаждения последних.

Стеклообразные вещества — это твердые, однородные, хрупкие, прозрачные в различной степени тела, обладающие общими физико-химическими свойствами:

изотропны (свойства одинаковы во всех направлениях); при нагревании не плавятся как кристаллы, а постепенно размяг-

чаются, переходя из твердого в высоковязкое, а затем в капельножидкое состояние (при этом вязкость и другие свойства изменяются непрерывно);

расплавляются и отвердевают обратимо (будучи разогретыми до расплавленного состояния, после охлаждения по тому же режиму вновь приобретают первоначальные свойства, если не произойдет кристаллизация);

при соответствующих температурных условиях имеют тенденцию к кристаллизации (кристаллы в стекле — брак).

Наиболее широкое применение в электротехнике имеют неорганические стекла. По химическому составу их можно подразделять

99

на пять типов (табл. 4.6). Наиболее важными для техники являются оксидные стекла. Их получают при скорости охлаждения расплава менее 102 К/с. Они подразделяют по своему составу на определенные классы и группы. Деление на классы производится в соответствии с природой стеклообразующего оксида (табл. 4.7).

Таблица 4.6

Классификация стекол

100

Это основные стеклообразующие оксиды. Ряд других оксидов возможно привести в состояние стекла лишь в условиях быстрого охлаждения расплава (As2О3, Sb2O3, ТеО2, V2О5).

Ряд оксидов сами по себе практически не стеклуются (А12О3, Ga2O3, Bi2O3, TiO2, MoO3, WO3). Однако в комбинациях с другими компонентами их слабые стеклообразующие свойства резко усиливаются, и они могут служить основой для синтеза самостоятельных классов стекол. Способность к стеклообразованию ослабляется по мере металлизации химических ковалентных связей в системах.

Стекла могут содержать два или три оксида стеклообразователя. Силикатные стекла являются наиболее важным для техники

классом, так как обладают высокой химической устойчивостью и являются недорогими, потому что содержат самые распространенные в Земной коре элементы — кислород и кремний.

Для предания стеклам определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикатных стекол вводят различные оксиды.

В бесщелочных стеклах отсутствуют оксиды натрия и калия. В эту группу входит чисто кварцевое стекло (плавленый кварц), которое обладает высокими нагревостойкостью и электрическими свойствами, но из него тяжело изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по размерам.

Щелочные стекла не содержат оксидов тяжелых металлов (или содержат незначительное их количество). Эта группа стекол состоит из двух подгрупп:

натриевые стекла; калиевые стекла и калиево-натриевые стекла.

Эти стекла отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства.

Щелочные стекла характеризуются высоким содержанием тяжелых металлов. Эти стекла обладают удовлетворительной

101

технологичностью, имеют повышенные электрические свойства, которые при нормальной температуре приближаются к свойствам стекол первой группы. Диэлектрическая проницаемость всех типов стекол возрастает с повышением температуры.

Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты (HF), которая их растворяет. Стойкость к щелочам значительно меньше. Диэлектрические свойства силикатных стекол лежат в очень широком диапазоне, так как зависят от состава и технологии получения стекла.

Кварцевое стекло (100 % SiO2). Температура получения этого стекла 1700 – 2000 ° С. Основу микрокристаллической структуры кварцевого стекла составляет кремнекислородный тетраэдр [SiO4]4-

(рис. 4.30).

Рис. 4.30. Схематическое изображение кремнекислородного тетраэдра

Эти тетраэдры, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. Дальний порядок (строгая периодичность) в расположении тетраэдра отсутствует, что является признаком аморфного тела.

Кварцевые стекла обладают рядом высочайших свойств: минимальный из всех известных веществ температурный коэф-

фициент линейного расширения αl , меньше в 10 – 20 раз, чем у остальных материалов;

высокий предел прочности на сжатие, в 4 – 5 раз выше, чем у остальных стекол;

высокий предел прочности при растяжении; высокая стойкость к тепловым импульсам;

102