книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

ГЛАВА 6

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Неорганическая изоляция занимает видное место среди изоля­ ционных материалов, главным образом, в силу более высокой нагревостойкости, а зачастую и механической прочности по сравне­ нию с органическими диэлектриками. Здесь рассматриваются три основных вида неорганических материалов: стекло, керамика и минеральная изоляция. Оксидная изоляция изучается в главе 8.

6-1. СТЕКЛО

Стекло представляет собой твердое аморфное вещество, полу­ чаемое сплавлением ряда кислых, щелочных и металлических окис­ лов. Среди них выделяются так называемые стеклообразующие окислы, к которым относятся Si02, В20 3, Р20 5 и др. В структурном отношении стекло состоит из неодинаковых субмикроскопических комплексов (областей) с определенным химическим составом и регулярным строением, объединяющих несколько кристаллических ячеек. В силикатном стекле (т. е. в стекле на основе Si02) такой ячейкой является тетраэдр

и др. Соседние ячейки имеют, как правило, общие вершины, в ко­ торых расположены «связные» ионы кислорода. Однако в сетке из этих ячеек встречаются и многочисленные промежутки, в кото­ рых располагаются ионы Са2+, Ва2+ и др.

Заметим, что у плавленного кварца все ионы кислорода «связ­ ные».

В отличие от идеального кристаллического состояния, для ко­ торого характерно строго закономерное расположение ячеек во всем объеме, для стеклообразного строения упорядоченное распо­ ложение сохраняется в пределах сравнительно небольшого ком-

61

плекса, т. е. имеет место так называемый ближний порядок. Сами же комплексы по отношению друг к другу расположены нерегу­ лярно, что и придает стеклу свойства изотропного материала.

Технический процесс получения изделий из стекла состоит из- «варки» стекломассы, когда происходит сплавление компонентов, и последующего оформления изделий из жидкой массы выдува­ нием, прессованием, вытяжкой и т. п. Готовые изделия зачастую подвергаются шлифовке. Изготовление весьма тонкого стеклово­ локна (непрерывного) производится путем плавления стеклянных

ханические свойства короткого волокна ниже, чем непрерывного, но его производство экономичнее.

К особенностям стекла относится' повышенная поверхностная проводимость в сыром воздухе, что объясняется частичным гидро­ лизом щелочных силикатов. Далее, под действием постоянного на­ пряжения при повышенной температуре в стекле развивается электролиз, у катода выделяются ионы металла (обычно натрия), образуя ветвистые побеги. Электрические свойства стекла зависят от его состава и, прежде всего, от содержания ионов Na и К.

Увеличение содержания щелочных окислов в стекле сопровож­ дается, с одной стороны, снижением температуры плавления и вязкости стекломассы, но, с другой стороны, приводит к росту проводимости и диэлектрических потерь, особенно при повышен­ ных температурах. Это объясняется тем, что при введении одно­ валентных ионов (Na, К) непрерывная сетка в месте их располо­ жения претерпевает разрывы (рис. 6-1), так как ион имеет одну связь. Происходит «разрыхление» сетки, растет проводимость и tgo. Поэтому в электротехническом стекле ограничивают содер­ жание окислов NaoO и К2О до нескольких процентов, вводя одно­ временно окислы (ВаО, СаО, РЬО), подавляющие вредное влия­ ние щелочей; эти ионы делают структуру более «плотной». Полу­ чили распространение также бесщелочные стекла.

Электропроводность стекла носит ионный характер при нор-

62

а) объемная проводимость н I? о стекла в функции температуры; б) по­ верхностная проводимость в функции относительной влажности: 1 —стекло 47; 2 — кварцевое стекло

пускать ультрафиолетовые лучи. Из кварцевого стекла изготов­ ляют изоляторы для точных измерительных приборов и конден­ саторов, а также детали для вакуумной техники.

Ситаллы

Стеклокристаллические материалы или сокращенно ситаллы представляют собой виды стекла, в котором путем изменения со­ става и последующей термообработки создана равномерно рас­ пределенная в объеме ультратонкая микрокристаллическая струк­ тура. Термин ситаллы происходит от слов стекло и кристаллы, за рубежом эти материалы известны под названием витрокерам, пирокерам и фотокерам.

• Благодаря наличию сетки переплетенных между собой тончай­ ших микрокристалликов ситалл обладает исключительно высокой механической прочностью и стойкостью к тепловым ударам, хими­ ческой стойкостью, а также малыми диэлектрическими потерями.

Для получения тонкой кристаллической структуры в состаб стекла вводят вещества, так называемые нуклеаторы, частицы которых могут образовывать зародыши кристаллизации. Такая кристаллизация успешно может развиваться при надлежащем со­ ставе стекла, если структуры нуклеатора и образующихся кри­ сталлических фаз близки между собой. Для образования зароды­ шей могут быть использованы частицы металлов — платины, зо­ лота, серебра, фоторидов щелочноземельных металлов, двуокись титана и другие. Составленную шихту ситалла плавят в печи для стекловарения и из жидкой массы получают изделия методами стекольного производства: выдуванием, прессованием, прокат­ кой и др.

■ После охлаждения изделие обычно проходит две стадии термо­ обработки: -на первой стадии при температуре, порядка 600°.С

.64

прочность на разрыв (на единицу площади сечения) уменьшается, так как возрастает количество таких трещинок. Далее прочность

ше, чем во влажной атмосфере; так в вакууме прочность может оказаться о 3 раза выше, чем на воздухе с относительной влаж­ ностью 60%. Поверхность трещинок на стекловолокне покрыта

начиная от 0,2 мм и более. Электрическая прочность стеклоткани без пропитки Епр = 40 кв/см. Стеклоткани применяют для стекло­ текстолита, миканитов и стеклопластиков. В компаундах и пласт­ массах в качестве наполнителя применяют нередко стекловолокно. Следует отметить, что стеклоизоляция проводов имеет низкую стойкость к истиранию; после пропитки стеклоизоляции кремнийорганическим лаком необходим длительный прогрев при повы­ шенной температуре 150—200° С.

Стеклобумага

Современные методы производства стекла позволяют получать не только стекловолокно, но и тончайшую пленку. Из лепестков стекла на бумагоделательных машинах получают стеклобумагу, состоящую из таких лепестков, склеенных между собой при по­ мощи изоляционных смол. Однако толщина стеклобумаги значи­ тельно выше, чем конденсаторной, поэтому в конденсаторах она не нашла применения, а используется иногда для электрических аппаратов и двигателей.

66

6-2. КЕРАМИКА

Электротехническая керамика охватывает материалы, состоя­ щие из порошкообразных неорганических материалов и спекаемых при высокой температуре, обеспечивающей получение монолит­ ного, прочного диэлектрика. В отличие от стекла плавление ма­ териала не допускается. Название керамика происходит от' грече­ ского слова «керамикос» — глиняный. Однако современные кера­ мические материалы зачастую не содержат глины или содержат ее в незначительном количестве. Исходным сырьем для керамики служат мйнералы (тальк, каолин, кварцевый песок и др.), не­ органические окислы и соединения, иногда синтезируемые пред­ варительно. Выпущена также неоксидная керамика, не содержа­ щая окислов и отличающаяся высокой нагревостойкостью (на­ пример, нитрид бора). После тщательного измельчения (до вели­ чины зерна 5 мк и меньше) и смешивания исходных компонентов (обычно с добавлением воды) полученная масса может перера­ батываться в изделия либо одноступенчатым, либо двухступенча­ тым технологическим методом.

При одноступенчатой технологии из керамической массы сразу же оформляются изделия путем прессования, штамповки, выдавливания, формования, в гипсовых формах, литья, механиче­ ской обработки пропитанных крепителем заготовок и др. После сушки «сырые» изделия подвергают спеканию (обжигу) при тем­ пературе 1300—1600° С. В результате химических изменений в процессе обжига получается сложная система, состоящая из поликристаллической и аморфной фаз; кроме того, имеется и не­ большое количество газообразной фазы за счет пористости (вну­ тренней). В процессе сушки и обжига происходит значительная усадка в объеме 15—20%.

На изделия перед обжигом иногда наносят слой легкоплав­ кого вещества — глазури с целью устранения поверхностной пори­ стости, защиты от загрязнения и повышения механической прочно­ сти. Состав глазури подбирается таким образом, чтобы при тем­ пературе обжига она плавилась и прочно скреплялась с керами­ кой. После обжига изделия очищают и, если необходимо, их шли­ фуют, а отдельные участки металлизируют.

Отличительной особенностью двухступенчатой технологии является предварительное спекание заготовок из керамической массы, которые после этого подвергаются повторному тонкому по­ молу; при этом иногда также в состав массы вводят новые веще­ ства или смешивают несколько масс. Последующие этапы техно­ логии в основном сохраняются такими же, как и при одноступен­ чатом процессе, однако обжиг изделий проводят при температуре более высокой, чем при спекании заготовок. Двухступенчатую технологию применяют в производстве керамики сложного соста­ ва и для точных изделий, не допускающих больших колебаний размеров, так как предварительное спекание обеспечивает незна-

чительные значения усадочных коэффициентов при втором высоко­ температурном обжиге. Среди обширной группы электротехниче­ ских керамических материалов можно выделить изоляторную, установочную и конденсаторную керамику.

Изоляторная керамика

К изоляторной керамике следует отнести материалы, применяе­ мые для крупных изоляторов и различных деталей промышленной частоты. Изоляторная керамика охватывает электротехнический фарфор, корундо-муллитовую керамику и другие материалы. Осо­ бую подгруппу составляет кордиеритовая керамика, применяемая

(ЗА2Ю3 • 2 S1O2) и кварца ЭЮг, а аморфная — в основном из полевошпатного стекла. Аморфная фаза составляет свыше 50% объ­ ема. Фарфор хорошо работает на сжатие, но имеет низкую проч­

трическая прочность падает. Неблагоприятная температурная за­

путем увеличения кристаллической фазы за счет введения обож­ женного каолина. В фарфоре К-21, изготовленном из пегматита, глины и каолина (60% обожженного), кристаллическая фаза (муллит) составляет до 60%. Он обладает повышенными механи­ ческими (о„3 = 1500 кГ/см2) и электрическими свойствами. Элек­ трическая прочность этого фарфора очень высока Епр =400 кв/см

(толщина 3 мм). Электротехнический фарфор используется для изоляторов и электроустановочных изделий.

Корундо-муллитовая керамика содержит глинозем (а-моди- фикация), кварц Si02, окись бария ВаО и в небольшом количе­ стве другие добавки.

Глинозем существует в трех модификациях: 1) а —высоко­ температурной; 2 ) (3— в виде химического соединения с одно- и двухвалентными элементами и 3) т — низкотемпературной. Высо­ кими электрическими свойствами обладает только а-глинозем. Поэтому применяемый для керамики глинозем предварительно

68

обжигают в восстановительной среде с некоторыми добавками для образования а-глинозема. Корундомуллитовая керамиче­ ская масса (марка КМ) обладает высокой пластичностью и тем­ пературой спекания около 1350°, что позволяет изготовлять из нее разнообразные изоляторы, включая и крупногабаритные, с повы­ шенным механическими и электрическими свойствами. Основны­

Рис. 6-4. Температурные зависимости:

a) tg 8; б) Епр для установочных материалов: 1 — K-2I; 2 — МГ-12; 3 — фарфор завода „Пролетарий"; 4 — КМ-1, h = 1,5 мм

денные данные позволяют считать допустимой температурой для керамики типа КМ величину порядка 200° С.

Кордиеритовая керамика состоит на 70—80% из поликристал­ лов кордиерита — 2MgO • 2А120 3 • 5Si02, обладающего высокой стойкостью к резким изменениям температур вследствие неболь­ шого коэффициента линейного расширения a;= 0,5- 10-4 проц/град. С целью получения непористой керамики в состав вводят полевой шпат для образования аморфной фазы; для такой керамики коэф­ фициент а; несколько увеличивается (1 ,2 -Ю-4 проц/град), однако это мало сказывается на динамической нагревостойкости мате­ риала. Механические и электрические свойства близки к свойствам электротехнического фарфора. Областью применения кордиеритовой керамики является дугогасительная аппаратура и различные нагревостойкие детали.

69