Полимеры. Общие свойства

Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:

-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-

повторяющимся звеном является группировка:

-CH₂-CHCl-.

Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Так как полимеры представляют собой смеси молекул с различной длиной цепи, то под молекулярной массой полимера понимают ее среднее статистическое значение. Молекулярная масса полимера может достигать значение несколько миллионов.

Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией. Мономерные звенья макромолекул этих полимеров не обладают дипольным моментом. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (=3 - 6) и повышенными диэлектрическими потерями (tg=1.10-2 - 6.10-2 на частоте 1МГц). Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация.

Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, фторолон-3 (политрифторхлорэтилен), полиамидные смолы. Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конструкционные в диапазоне низких частот.

21. Пластмассы.

Пластмассы и пленочные материалы

Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. По составу в большинстве случаев пластмассы представляют собой композиции из связующего и наполнителя. Кроме связующих и наполнителя применяют пластификаторы для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. В некоторые пластмассы вводятся стабилизаторы - химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс и повышению стойкости пластмасс к воздействию тепла, света, кислорода воздуха. По способности к формованию полимерные материалы подразделяются на две группы - термопласты(термопластичные) и реактопласты (термореактивные).

Широкое применение в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преимущственно электроизоляционного назначения. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые пластики.

Гетинакс получается путем горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Гетинакс выпускается нескольких марок. Отметим гетинакс марки Х, который имеет повышенную штампуемость и гетинакс марки ЛГ, изготовляемый на основе лавсановой бумаги и эпоксидной смолы. Для изготовления печатных схем радиоэлектронной аппаратуры выпускается около 10 различных марок фольгированного с одной и с двух сторон гетинакса.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Текстолит, изготовленный на основе ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой может работать в интервале температур от -60 до +105^оС.

Применение стеклопластиков в качестве электроизоляционного и конструкционного материала в электромашиностроении позволяет создавать электрические машины разных классов нагревостойкости, повышать их надежность в эксплуатации и решать ряд новых технических задач.

Электроизоляционные органические полимерные пленки - тонкие и гибкие материалы нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. Электроизоляционным пленкам для отличия их от пленок другого назначения присваиваются специальные марки. Органические полимерные пленки могут быть разделены на две большие группы, разделяющиеся по электрофизическим свойствам: неполярные и полярные пленки. Для изоляции обмоток низковольтных электрических машин важную роль играют полимерные пленки с повышенной нагревостойкостью. Малая толщина пленок, наряду с высокими значениями электрической и механической прочности, обеспечивает не только увеличение надежности, но и существенное улучшение технико-экономических показателей. Марки наиболее важных электроизоляционных пленок приведены в таблице.

Неполярные пленки	Полярные пленки
Полиэтиленовая (ПЭ), марки М,Т,Н	Поливинилхлоридная (ПВХ)
Полипропиленовая (ПП), марки К,О	Полиимидная пленка
Политетрафторэтиленовая (ПТФЭ), марки КО,ЭО,ЭН,ИО,ПН	Полиэтилентерефталатная (ПЭТ), марки Э,КЭ

22. Волокнистые материалы и ЭТМ на их основе.

Применяемыми волокнистыми электроизоляционными материалами являются: деревянные доски и бруски, листовой и рулонный картоны, бумаги, ткани и ленты. Волокнистые материалы могут быть органического и неорганического происхождения. К первой группе материалов относятся древесина, хлопчатобумажные и шелковые ткани и ленты, а также   картоны, бумаги и фибра, изготовленные из целлюлозных и хлопчатобумажных волокон. Характерными для этой группы материалов являются их высокая пористость и большая гигроскопичность, что обусловливает возможность их применения только после сушки и пропитки маслом, парафином, смолами и некоторыми другими материалами. Ко второй группе относятся материалы из асбестовых, стеклянных и синтетических волокон. Отличительные особенности волокнистых материалов неорганического происхождения — высокая нагревостойкость (удовлетворяющая классу С) и негорючесть. Дерево. При изготовлении и ремонте электрических машин и трансформаторов применяется древесина твердых пород — главным образом бука, граба и березы. Несмотря на дешевизну, высокие электроизоляционные и механические качества, легкость обработки, дерево имеет ограниченное применение из-за своей горючести и гигроскопичности. Все деревянные детали должны применяться только после сушки и последующей пропитки, которые значительно уменьшают гигроскопичность. Сушка и пропитка древесины в олифе, парафине, трансформаторном масле, компаундах и др. повышают ее электрическую прочность и объемное сопротивление в 1,5—2 раза. Особенно интенсивно дерево впитывает влагу вдоль волокон. Поэтому дополнительно к пропитке следует по возможности торцы деталей покрывать водостойким лаком или эмалью. В масляных трансформаторах дерево применяется для изготовления крепежных и конструкционных деталей— ярмовых балок, прокладок и клиньев, в электрических машинах — для пазовых клиньев, дистанцирующих прокладок и деталей крепления лобовых частей обмотки. При конструировании и изготовлении деталей следует учитывать, что прочность древесины вдоль волокон значительно выше, чем поперек. Бумаги. Электрические изоляционные бумаги изготовляются из волокон целлюлозы, хлопка, тростника и асбеста, применяются как для работы на воздухе, так и в масле.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы растительного происхождения (бумагу, картон, хлопчатобумажные и шелковые волокна, ткани и ленты), а также некоторые синтетические текстильные материалы, получаемые химической переработкой отдельных веществ: искусственный шелк, синтетические волокна (капрон, нейлон), материалы из полистирола, полихлорвинила, полиамидные и триацетатные пленки. Органические волокнистые изоляционные материалы отличаются невысокой нагревостойкостью. и в естественном виде без специальной обработки относятся к классу Y. Их недостаток — высокая гигроскопичность. Между их волокнами и нитями остаются воздушные промежутки (поры), легко поглощающие влагу.

Бумага и картон. Бумага и картон — листовые материалы коротко-волокнистого строения, состоящие из целлюлозы. Бумагу изготовляют из измельченного хлопчатобумажного тряпья и волокон древесины, которые подвергают специальной химической обработке. Все сорта бумаги обладают хорошими изоляционными свойствами, однако в электромашиностроении применяют только следующие специальные сорта: кабельную (толщиной 0,08—0,17 мм), телефонную (0,05 мм), конденсаторную (7—30 мк), оклеечную (0,33 мм), пропиточную (0,12 мм), намоточную (0,05—0,07 мм) и микалентную (20 мк).

Указанные сорта бумаги используют для изоляции обмоточных проводов и кабелей различного типа, изготовления конденсаторов, оклейки листов электротехнической стали, а также для изготовления микаленты (см. ниже) и различных слоистых пластических материалов (листового и фасонного гетинакса, бакелитовых трубок и пр.).

Картон изготовляют из того же сырья, что и бумагу, но он имеет значительно большую толщину. В электромашиностроении применяют следующие сорта картона: электрокартон, фибру и литероид.

Электрокартон имеет толщину от 0,2 до 3 мм и обладает высокими изоляционными свойствами. Диэлектрическая прочность его достигает 25 кВ на 1 мм толщины. Он очень эластичен, что позволяет изгибать его под нужными углами. Применяется для изготовления прокладок, корпусов катушек, шайб, пазовой изоляции электрических машин и пр.

Фибра — картон, обработанный слабыми кислотами. Обладает большой твердостью, прочностью и может подвергаться обработке на металлорежущих станках (сверлильном, токарном, фрезерном и пр.). Изготовляется в виде листов различной толщины или в виде стержней и трубок. Имеет хорошие изоляционные свойства, но повышенную гигроскопичность. Текстильные материалы. Электроизоляционные текстильные материалы изготовляют, главным образом, из растительных волокон, представляющих собой в основном целлюлозу (хлопок, реже — лен, пенька, джут). Иногда применяют шелк, из которого получают тонкую и одновременно механически прочную изоляцию.

Из различных видов искусственных волокон наибольшее распространение получили искусственный шелк (вискозный и ацетатный), вырабатываемый путем химической переработки целлюлозы, а также капрон и нейлон. Полученные из целлюлозы искусственные вещества (эфиры целлюлозы) обладают хорошей растворимостью, что дает возможность изготовлять из них тонкие нити путем продавливания этих веществ через отверстия малого диаметра.

Капрон и нейлон, изготовляемые на основе искусственных полиамидных смол, механически прочны, негигроскопичны и нагревостойки.

Текстильные материалы из искусственных волокон находят применение в различных отраслях электроизоляционной техники (для изготовления обмоточных проводов, лакотканей и пр.). В электромашиностроении применяют различные виды текстильных изделий: нити, пряжу, ткани, ленты и пр. Главное преимущество тканей — очень высокая механическая прочность, позволяющая применять их для крепления токопроводящих и изоляционных деталей, а также в качестве основы для изготовления других изоляционных материалов (лакотканей, текстолита и др.).

Для изоляции обмоток электрических машин и при ремонтных работах широко используют тканые (с кромками) хлопчатобумажные ленты: тафтяную (толщиной 0,18—0,20 мм), киперную с диагональным (киперным — «елочкой») переплетением нитей (0,30—0,35 мм) и батистовую (0,10—0,12 мм). Пряжу (нити, скрученные из отдельных волокон) применяют для изоляции проводов и шнуров путем обмотки и оплетки.

В электроизоляционной технике используют в большей степени механические свойства непропитанных тканей и лент, чем их электрические свойства. Объясняется это тем, что без специальной обработки ткани не могут служить изоляторами, так как между их нитями остаются поры, поглощающие влагу.

Для улучшения изоляционных свойств волокнистых материалов их поры заполняют различными твердеющими влагонепроницаемыми веществами: естественными и искусственными смолами, битумами и пленками, образующимися при высыхании некоторых масел. Смолы и масла растворяют в различных легколетучих жидкостях, получая лаки и эмали. При сушке лака, нанесенного тонким слоем на твердую поверхность и проникшего в поры изоляции, растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние. При этом образуется пленка, плотно пристающая к твердой поверхности и обладающая высокими электроизоляционными свойствами и малой гигроскопичностью. Процесс заполнения воздушных пор волокнистых материалов твердеющими электроизоляционными веществами называется пропиткой. Для пропитки применяют природные лаки (шеллачные, копаловые, битумные, масляные и их смеси) и синтетические, получаемые химической переработкой различных органических веществ (бакелитовые, глифталевые, полихлорвиниловые, нитроцеллю-лозные и пр.).

В зависимости от режима сушки различают лаки и эмали холодной (воздушной) и горячей (печной) сушки. Температура горячей сушки не должна превышать 110°С во избежание пересушивания, при котором лаковая пленка становится хрупкой и растрескивается.

Для пропитки изоляции обмоток электрических машин и аппаратов наибольшее распространение получили пропиточные лаки горячей сушки. Пропитку волокнистых изоляционных материалов этим лаком осуществляют следующим образом. Изделия предварительно просушивают в печи в течение 5—10 ч при температуре 100—110°С и в горячем состоянии (при температуре 60—70 °С) погружают в аднну с лаком. Через 15—30 мин пропитанные изделия вынимают из ванны, дают избытку лака стечь и подвергают сушке в печи при температуре 100—110°С (в соответствии с режимом сушки, рекомендуемым для данного лака). После такой пропитки с последующей сушкой на поверхность изделия наносят покровную эмаль и осуществляют окончательную сушку.

В последнее время для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы неорганического происхождения: стеклянное волокно и асбест. Основным преимуществом этих материалов перед органическими является их более высокая нагревостойкость. Стеклянное волокно изготовляют путем пропускания расплавленной стеклянной массы сквозь отверстия малого диаметра. В толстом слое стекло является хрупким и ломким материалом. Однако весьма тонкие волокна (диаметром 3—7 мк) имеют настолько большую гибкость, что могут обрабатываться приемами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани и ленты. Эти же нити используют для изоляции обмоточных проводов.

Для склеивания и пропитки материалов из стекловолокна применяют органические лаки и смолы повышенной нагреваемости или кремнийорганические лаки и смолы. Таким путем получают различные стеклолакоткани, стеклоленту, стеклотекстолит и пр.

Кремнийорганические смолы, как показывает их название, содержат, кроме углерода, характерного для органических веществ, также и кремний, являющийся одним из важнейших составных частей многих неорганических диэлектриков. Такие смолы обладают значительной нагревостойкостью, хорошими электроизолирующими свойствами и малой гигроскопичностью.

Для изоляции катушек тяговых двигателей применяют монолитную кремний-органическую изоляцию. Катушку заливают кремнийорганическим компаундом. После затвердевания она представляет собой единую монолитную конструкцию.

Асбестовое волокно также может обрабатываться методами текстильной и бумажной технологии: из него изготовляют ткани, ленту, бумагу и картон. В некоторых случаях в асбестовую пряжу для повышения прочности добавляют хлопчатобумажные волокна. Асбестовые изделия гигроскопичны и обладают невысокими изоляционными свойствами. Поэтому в изоляционной технике асбест применяется как вспомо­гательный теплостойкий материал и требует дополнительной обработки лаками или битумами.

23. Неорганические ЭТМ, их преимущества и недостатки.

Неорганические материалы

К неорганическим полимерным материалам относятся минеральное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиями имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В группу неорганических полимеров входит также графит. Неметаллические материалы подразделяют на графит, неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

Графит

Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Он образован параллельными слоями гексагональных сеток.

Кристаллическая решетка графита

В узлах каждой ячейки располагаются атомы углерода. Межатомное расстояние равно 0,143 нм. Между атомами действуют силы прочной ковалентной связи. Отдельные плоскости расположены на расстоянии 0,335 нм и связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Между отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 3700°С сублимирует, минуя стадию плавления, с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс.

Графит встречается в природе, а также получается искусственным путем. Качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике. Искусственные виды графита: технический и пиролитический. Эти виды графита обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами.

В качестве исходных материалов при производстве технического графита применяют твердое сырье — нефтяной кокс и каменноугольный пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в процессе прессования или протяжки. Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при 1200°С) до 3000 С. Технический графит имеет степень анизотропии физико-механических свойств 3:1.

Паралитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000-2500 °С поверхностях формы из технического графита или керамики. Полученный пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или наносить его в виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от действия высоких температур. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более) : 1.

Для повышения качества технического графита применяется рекристаллизация при обжатии под давлением до 50 МП а и температуре свыше 2500°С, этим повышаются плотность и прочность графита.

Физико-механические свойства искусственного графита. Свойства графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов и др.

Графит легко расщепляется по плоскости спайности. Твердость его небольшая. Плотность пористого графита составляет 200— 1200 кг/м3, конструкционного — 1500—1850 кг/м3, пирографита 960—2200 кг/м3. (Теоретическая плотность графита 2265 кг/м8.) Пористость может составлять 80 % и более.

Графит является очень хрупким материалом. Его прочность при сжатии выше, чем при изгибе и растяжении. Для графита характерно увеличение прочности и модуля упругости при нагреве. До температуры 2200— 2400°С прочность технического графита повышается на 40—60 % и лишь при дальнейшем нагреве прочность теряется. При температуре выше 1700°С проявляется ползучесть, которая имеет небольшую скорость при 2300—2900°С и напряжении 30—10 МПа. Графит хорошо проводит теплоту, поэтому его можно использовать и как проводник теплоты, и как теплоизолятор. Графит устойчив к воздействию тепловых ударов. Сочетание особых свойств графита делает его перспективным материалом высокой жаропрочности и теплозащитным материалом.

В условиях применения графита при высоких температурах, когда теплоотдача излучением является решающим фактором теплообмена, большое значение имеет степень черноты поверхности материала. Степень черноты графитовых материалов составляет 0,7—0,9, она возрастает при нагреве и шероховатости поверхности.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами (f = 0,28), поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т. п.

Недостатком графита является склонность его к окислению, начиная с температур 400—800°С, с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок (Nb, Та, Si), которые делают структуру графита мелкозернистой, повышают его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий. Применяют силицирование графита путем обработки его поверхности парами кремнезема (при этом на поверхности графита образуется карбид кремния, обладающий высокой твердостью и прочностью) или нанесением покрытия из керамики.

Графит применяют в высоконагреваемых конструкциях летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах, в качестве антифрикционного материала и в виде углеграфитовых волокнистых изделий.

 

Неорганическое стекло

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается». В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами SiO4.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (А12О3— SiO2), боросиликатные (В2О3—SiO2), алюмоборосиликатные (А12О3—В2О3—SiO2), алюмофосфатные (А12О3—Р2О5) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na2O, K2O), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара; посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборо-силикатной группе и отличаются разнообразием входящих оксидов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200 до 6500 кг/м8 (для стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8000 кг/м3).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500—2000 МПа), низким пределом прочности при растяжении (30-90 МПа) и изгибе (50-150 МПа). Модуль упругости высокий (45—100 МПа).

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает около 1 % видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47—1,96.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде. Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800-1000 °С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов: оксиды SiO2, ZrO2, TiO2, В2О6, А12Оа, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а оксиды Li2O, Na2O, K2O и BaO, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3—6 раз, ударная вязкость в 5—7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2—3 мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан — трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты — с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т. д.

24. Природные неорганические материалы: асбест, слюда.

Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой. В качестве электрической изоляции в настоящее время применяют два вида минеральных слюд - мусковит и флогопит. Кроме природных слюд применяются также и синтетические. Использование слюды в качестве изоляции крупных турбо- и гидрогенераторов, тяговых электродвигателей и в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах связано с ее высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, механической прочностью и гибкостью.

Слюда обладает исключительно ценными качествами: высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, гибкостью, теплопроводностью. Встречается в природе в виде кристаллов, легко расщепляющихся на пластинки. Водные алюмосиликаты – мусковит K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O и флогопит K2O·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O. Кроме того в состав слюды могут входить соединения железа, натрия, кальция и др. Мусковиты бесцветные или имеют оттенки – красноватый, зеленоватый и др., по электрическим и механическим свойствам лучше. Флогопиты тёмные – янтарные, золотистые, коричневые до чёрных, но встречаются и светлые. Наилучшие электрические свойства – перпендикулярно слоям.

Асбест – название группы минералов, обладающих волокнистым строением. Хризотиловый 3MgO·2SiO2·2H2O. Залегает в каменных породах в виде жил, состоящих из параллельных друг другу волокон (горный лён). Длина волокон асбеста достигает нескольких сантиметров. Нагревостойкость асбеста превышает 400 °С.

25. ЭТМ на основе асбеста и слюды.

Использование слюды в качестве изоляции крупных турбо- и гидрогенераторов, тяговых электродвигателей и в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах связано с ее высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, механической прочностью и гибкостью.

На основе природной и синтетической слюды может быть изготовлено много различных интересных для техники материалов. Многочисленные новые слюдинитовые и слюдопластовые материалы обеспечивают в настоящее время повышение надежности электротехнического оборудования, улучшения качества и повышение удельной мощности электрических машин.

Слюда обладает исключительно ценными качествами: высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, гибкостью, теплопроводностью. Встречается в природе в виде кристаллов, легко расщепляющихся на пластинки. Водные алюмосиликаты – мусковит K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O и флогопит K2O·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O. Кроме того в состав слюды могут входить соединения железа, натрия, кальция и др. Мусковиты бесцветные или имеют оттенки – красноватый, зеленоватый и др., по электрическим и механическим свойствам лучше. Флогопиты тёмные – янтарные, золотистые, коричневые до чёрных, но встречаются и светлые. Наилучшие электрические свойства – перпендикулярно слоям. Применяется для изоляции мощных высоковольтных электрических машин и высоковольтных высокочастотных конденсаторов. При нагреве до нескольких сотен градусов из слюды выходит кристаллическая вода, она вспучивается и теряет прозрачность, электрические и механические свойства ухудшаются.

Кроме пластин самой слюды применяют материалы на её основе: миканиты, слюдиниты, слюдопласты, микалекс.

Миканиты – листовые материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы. Их используют в качестве различных изоляционных прокладок, например между коллекторными пластинами электродвигателей. Пластины миканита используют также в качестве конструктивных изоляционных элементов например внутри электронно-вакуумных приборов.

Приизготовлении микаленты на  подложку из стеклоткани или особо прочной бумаги с двух сторон приклеивают пластинки слюды с перекрытием. Из отходов слюды с использованием различных связующих изготавливают слюдинитовые и слюдопластовые бумаги. Микалекс это пластмасса, в которой наполнитель – отходы слюды, а связующее – легкоплавкое стекло.

Синтетическая слюда фторфлогопит применяется для изготовления штампованных деталей, способных работать при температуре от минус 200 до плюс 800 °С. В её структуре атомы кислорода частично заменены на атомы фтора.

Асбест и асбестовые материалы

Асбест – название группы минералов, обладающих волокнистым строением. Хризотиловый 3MgO·2SiO2·2H2O. Залегает в каменных породах в виде жил, состоящих из параллельных друг другу волокон (горный лён). Длина волокон асбеста достигает нескольких сантиметров. Нагревостойкость асбеста превышает 400 °С.

Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, ткани, бумаги, картоны и другие изделия. Ленты из асбеста с высоким содержанием магнетита используют в электрических машинах высокого напряжения для улучшения картины электрического поля. В качестве наполнителя асбест входит в состав термостойких пластмасс. Из него изготавливают асбогетинакс, асботекстолит.

Асбоцемент – материал холодной прессовки, в котором наполнителем является асбест, а связующим – цемент, применяется для распределительных щитов, искрогасящих камер, труб кабельной канализации. Следует помнить о канцерогенности асбеста.

26. Керамика чистых окислов, технология получения изделий из керамики.

Керамика высшей огнеупорности (керамика чистых окислов). При производстве керамики чистых окислов используют не природное сырье, а искусственные окислы, в которых не должно быть примесей. Наиболее применяемыми окислами являются глинозем, окись магния, двуокись циркония и др. В керамике чистых окислов спекание черепка определяется в основном степенью дисперсности исходного сырья. Для формования изделий из чистых окислов пользуются методами прессования порошков, литьем (шликер и т. п.). Особенно широкое применение получил метод горячего литья под давлением.

Важным и последним этапом в производстве керамики чистых окислов является обжиг, в результате чего получается плотный спекшийся черепок, который не поглощает воду (водопоглощение равно нулю). Керамика высшей огнеупорности (чистых окислов) имеет, температуру плавления 2000—2500° С. За последнее время для производства керамики чистых окислов начинают применять такие материалы (карбиды, нитриды, бориды, сульфиды и др.), которые характеризуются весьма высокими температурами плавления (до 4000° С).

Изделия радиотехнической керамики изготовляют из искусственно синтезированных материалов, они предназначаются для электроизоляции и являются неотъемлемой частью радиотехнической аппаратуры.

Керамика отличается по свойствам от других технических материалов (металлов, пластмасс, деревянных изделий, текстиля). С точки зрения проектировщика или потенциального потребителя, очевидно, отличительная черта керамики заключается в возможности получать изделия требуемой формы и размера. После обжига изменить форму изделия практически уже нельзя, если не использовать крайне дорогое шлифование. Поэтому изделия после обжига сразу отправляются потребителю. Кроме простой плитки, стержней и трубчатых изделий ограниченного размера керамические изделия нельзя продавать на футы и ярды, а также отрезать от них куски требуемого размера.  Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.

Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава 1300 до 1400^оС. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: =6 - 7, tg около 0.02. tg электротехнического фарфора, однако быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице.

Конденсаторная керамика имеет повышенные (=10 - 230 ) и высокие значения (=900 ). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tg на частоте1МГц не должен превышать 0.0006, во втором случае керамика низкочастотная - на частоте 1кГц tg = 0.002 - 0.025. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил (TiO₂). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция - CaTiO₃ и SrTiO₃.

Технологическая схема керамического производства в качестве обязательных включает в себя следующие операции:

- тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных компонентов;

- пластификация массы и образование формовочного полуфабриката;

- формование заготовок из пластифицированной массы;

- спекание изделий (высокотемпературный обжиг).

Измельчение и смешивание сырьевых компонентов производится в шаровых и вибрационных мельницах. Помол может быть «сухим» или «мокрым». Все измельченные керамические массы по технологическим особенностям разделяют на три группы: пластичные массы (материалы, в шихте которых содержится значительное количество глинистых веществ), малопластичные массы (материалы с малым количеством глинистых веществ), непластичные массы (материалы из безглинистой шихты). Состав шихты определяет в значительной мере технологию приготовления массы к формованию.

Полученная шихта пластифицируется органическим пластификатором.

Формование изделий осуществляют методом прессования, пластической протяжкой (выдавливанием) через мундштук или горячим литьем под давлением. Выбор способа формования определяется техническими, экономическими и технологическими факторами, главными из которых являются форма, размер и точность детали, количество изготовляемых деталей и технологические свойства применяемых масс.

Например, крупногабаритные изделия сложной конфигурации формуют путем литья жидкой керамической массы (водного шликера) в гипсовые формы, которые разбивают при извлечении заготовок. Преимущественно формуются из пластичных масс в гипсовых формах на полуавтоматах и автоматах хозяйственный фарфор и фаянс. Санитарно-строительная керамика сложной конфигурации отливается в гипсовых формах из керамического шликера на механизированных конвейерных линиях. Радио- и пьезокерамика, керметы и др. виды технической керамики в зависимости от их размеров и формы изготовляются главным образом прессованием из порошкообразных масс или отливкой из парафинового шликера в стальных пресс-формах.

Прессование заключается в получении изделия из сыпучей массы под действием внешнего давления. Прессование может быть «полусухое изостатическое», «мокрое», «гидростатическое», «горячее». Горячее прессование применяют для изготовления беспористых изделий с контролируемым размером зерен (до 0,1 мкм), отличающимися повышенной прочностью и плотностью, что улучшает, например, в случае изготовления феррокерамики, магнитные характеристики: магнитную проницаемость, индукцию, время перемагничивания. Особенно пригодным является этот метод при изготовлении ферритов для магнитных головок устройств магнитной записи и воспроизведения звука - и видеосигналов, ферритов СВЧ - диапазона и пьезокерамики, которые невозможно изготовить обычными методами. Заформованные тем или иным способом изделия подвергаются сушке в камерных, туннельных или конвейерных сушилках.

Спекание изделий проводят в муфельных или туннельных электрических печах при температуре 1300^оС и выше. При спекании происходит выжигание пластификатора, завершаются химические реакции между компонентами. За счет слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства. В зависимости от состава материала спекание (обжиг) может производиться не только в окислительной, но и в нейтральной и даже в восстановительной среде. Обжиг керамики является самым важным технологическим процессом, обеспечивающим заданную степень спекания. Точным соблюдением режима обжига обеспечиваются необходимый фазовый состав и все важнейшие свойства керамики. В процессе обжига вследствие испарения влаги, выгорания пластификатора и уплотнения материала происходит усадка изделий, т.е. уменьшение их размеров, но возрастают их механическая прочность и плотность. В соответствии с комплексом предъявляемых требований степень спекания разных видов керамики колеблется в широких пределах. Изделия из электрофарфора, фаянса и других видов тонкой керамики покрываются перед обжигом глазурью, которая при высоких температурах обжига (1000-1400^оC), плавится, образуя стекловидный водо- и газонепроницаемый слой.

По применению керамику подразделяют на строительную керамику, бытовую и санитарно-техническую (посуда, художественные изделия, умывальники) керамику, химически стойкую керамику,электротехническую керамику, радиотехническуюкерамику, теплоизоляционную керамику (керамзит,пенокерамика и др.) и огнеупоры.

По структуре различают грубую керамику (строительная, шамотный кирпич и др.), тонкую с однородной мелкозернистой структурой (фарфор, пьезо- и сегнетокерамика, керметы и др.), пористую с мелкозернистой структурой (фаянс, терракота, майолика и др.), высокопористую (теплоизоляционные керамические материалы).

27. Электро- и радиокерамика.

Радиокерамику как конструкционный материал применяют для изготовления деталей радиоэлектронной аппаратуры, к которым предъявляются схобые электрофизические, тешюфизические и другие требования. В качестве сырьевых материалов для приготовления керамики применяют искусственные и природные материалы: тальк, магнезит, кальцит, мрамор, мел, циркон, кварцевый песок, полевой шпат, каолин, глины и др. Важнейшими предпосылками получения высокого качества керамической массы для деталей радиоэлектронной аппаратуры являются: точность дозирования шихтового состава, тонина ( зернистость) помола и чистота ( беспримесность) компонентов шихты. Схема модели нелинейного стабилизирующего трансформатора напряжения.| Схема модели нелинейного стабилизирующего трансформатора тока. Радиокерамикой называют неорганический материал, получаемый из порошкообразных окислов в результате химической реакции между частицами в твердой фазе под воздействием температуры. Радиокерамика характерна полным или почти полным отсутствием глины, поэтому ее часто называют безглинистой керамикой. Радиокерамикой называются электроизоляционные материалы, получаемые путем обжига минерального сырья. Радиокерамикой называют неорганический материал, получаемый из порошкообразных окислов в результате химической реакции между частицами в твердой фазе под воздействием температуры. Особенность производства радиокерамики состоит в получении изделий с высокой плотностью материала ( пористость составляет доли процента), мелкозернистой структурой с заданным минералогическим и химическим составом и высокой точностью размеров. Для получения радиокерамики нужного качества необходимо весьма мелко измельчить материал и тщательно его перемешать. В производстве радиокерамики используют магнезит лишь определенных месторождений: Саткинского - кристаллический и Ха-лиловского - скрытокристаллический. К сожалению, радиокерамика не может содержать значительного количества стекловидной фазы, так как последняя является источником высокочастотных диэлектрических потерь.

Высокими электрическими свойствами обладает только а-глинозем, Глинозем, используемый в производстве радиокерамики, содержит все три модификации, в связи с чем необходима предварительная его обработка. Вследствие этого операция предварительного обжига глинозема значительно снижает усадочные коэффициенты изделий. Применение при обжиге глинозема специальных добавок, например борной кислоты, заметно повышает содержание а-глинозема. Плавиковый шпат CaF и ашарит 2MgO - B2O3 - H2O - природные минералы, которые вводят в радиокерамикув количествах 2 - 3 % для улучшения ее спекаемости. 

Содержится в выбросах производств металлического алюминия, квасцов и других солей алюминия, огнеупоров, электроизоляционных материалов, радиокерамики, электровакуумных приборов, искусственных сплавов, стекла, лаков и красок, искусственных драгоценных камней, зубного цемента. 

Современная технология производства РЭА базируется на применении новых материалов, таких как полупроводниковые кристаллы, поликристаллы и пленки, ферриты, новые виды радиокерамики, органических и неорганических полимеров. 

Современная технология производства радиоаппаратуры базируется на новых химических материалах, таких, как полупроводниковые кристаллы, поликристаллы и пленки, ферриты, новые виды радиокерамики, органических и неорганических полимеров. 

Твердые растворы на основе алюмината лантана ( PbTiOs - LaAlOs, BaTiO3 - LaAlO3, CaTiO3 - LaAlO3) обладают интересными электрофизическими свойствами и применяются в радиокерамике. Для получения твердых растворов алюминат лантана синтезируется отдельно. 

Технические характеристики образцовых мер добротности приведены в табл. 6.2. В зависимости от частоты образцовые меры добротности выполнены в виде катушек индуктивности с многослойной, однослойной или бескаркасной намоткой на радиокерамике. Катушка размещается в медном экране, который одновременно обеспечивает и герметизацию конструкции. 

Глина бентонитовая ( бентонит) - Огланлинского месторождения, выпускают ( ГОСТ 7032 - 75) двух марок: ФРК - для производства художественного и хозяйственного фарфора, электро - и радиокерамики; СК - для производства строительной керамики. Поставляют кусками размером 50 - 300 мм. 

Глина бентонитовая ( бентонит) - Оглаилинского месторождения, выпускают ( ГОСТ 7032 - 75) двух марок: ФРК - для производства художественного и хозяйственного фарфора, электро - и радиокерамики; СК - для производства строительной керамики. Поставляют кусками размером 50 - 300 мм. 

Метод горячего литья в металлические формы термопластичного шликера на основе 14 - 18 % парафина с добавкой 5 % воска или 0 5 % олеиновой кислоты наиболее распространен для изготовления технической керамики ( радиокерамики и др.) из непластичных материалов. При приготовлении литейного шликера в предварительно измельченный глинозем с добавками фриттованного минерализатора добавляют пластификатор. Полученную смесь тщательно перемешивают при постоянном нагреве до 70 - 80 С.

28. Кварц, стекла, их свойства.

Кварц ( со старонемец. twarc – твердый) – минерал из класса оксидов: оксид кремния. Самый распространенный минерал на Земле. Химическая формула: SiO2.