Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики.

Большинство рассмотренных высокополимерных органических диэлектриков может работать при температуре до +90С - +130С. При повышении температуры в результате теплового старения они быстро разрушаются.

Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения – электрокерамические материалы – фарфор, стеатит, но из них невозможно изготовить гибкие изоляторы.

Из искусственных нагревостойких диэлектриков следует отметить кремнийорганические смолы, основу строения молекул которых составляет силоксановая цепочка чередующихся атомов Si и О.

Кремнийорганические смолы могут быть как термопластичными, так и термореактивными материалами (рис.39).

Эти материалы характеризуются:

• tg=0,0003-0,005;

• _v=10¹²-10¹⁴ Омм;

• =2,6 – 3,5;

• Е_пр=80-120 МВ/м для лаков;

• Е_пр=30-55 МВ/м.

Используются в виде пластмасс, резины, лаков и др.

Применяются при температуре -60 - +180С;

Фторопласт (политетрафторэтилен) – неполярный диэлектрик (С₂F₄), зарубежное название – тефлон – (F₂C==CF₂), имеет стабильные свойства в широком диапазоне частот.

Имеет характеристики:

• плотность -2200 кг/м³;

• _р=15-35 МПа;

• =100-130 кДж/м²;

• _v=10¹⁵-10¹⁷ Омм;

• =2,0;

• tg=0,0002-0,0004;

• Е_пр=27 МВ/м, у пленок Е_пр=100-180 МВ/м.

Обладает исключительно высокой нагревостойкостью (до +250С) и холодостойкостью (до -269С). При нагреве до 415С материал не размягчается, но начинается его термическое разложение с выделением токсичного фтора.

Недостатками его являются текучесть при комнатной температуре, радиационная нестойкость.

Химически стоек, превосходя золото и платину, негорюч, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.

Очень дорогой.

Полиамиды – капрон, нейлон.

Полиамиды обладают высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы лишь в ограниченном числе растворителей (крезоле, феноле). Их широко применяют для изготовления синтетических волокон, гибких пленок, пластических масс.

Капрон размягчается при температуре 215-220С, нейлон при более высокой температуре.

Еще более высокой нагревостойкостью обладают ароматические полиамиды – полиуретан. Применяется для змалирования самооблуживающихся проводов. Недостаток – склонность к размягчению эмалевой изо­ляции при температуре, большей 150 °С.

Полиимиды – нагревостойкие органические диэлектрики, которые можно использовать при температуре +200-+250 °С и кратковременно до +500 °С. Они являются химически стойкими к большинству органи­ческих растворителей. На основе полиамидов изготавливают эмаль-лаки для эмалирования обмоточных проводов. Недостатком этих диэлектриков является большое влагопоглощение ~ 1% за 24 часа, поэтому обмоточные провода с пленочной изоляцией необходимо пропи­тывать водостойкими лаками.

Все пластмассы на основе полиамидов обладают высокой радиационной стойкостью.

Полиамидные материалы характеризуются следующими параметрами:

- плотность – 1280 -1480 кг/м

- б_р =100-180 МПа (для пленок 100-120 МПа);

• =3,5 ;

• =10¹⁵ Омм ;

- Е_пр=22-30 МВ/м (для пленок – 100-150 МВ/м).

Электроизоляционные лаки – коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющих так называемую лаковую основу в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивает­ся, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя лаковую пленку. По применению электроизоляционные лаки подразделяются на пропиточные, покрывные и клеящие.

.Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и волокнистой изоляции, что повышает пробивное напряжение, увеличивает теплопроводность, уменьшает гигроскопичность, улучшает механические свойства изоляции.

Покрывные лаки служат для образования механически прочной гладкой водостойкой пленки на поверхности предварительно частич­но пропитанной твердой изоляции. Эта пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоля­ции, защищает лакируемое изделие от действия влаги, растворителей и улучшает внешний вид изделия.

Специальные покрывные лаки (эмаль – лаки ) наносят непосредс­твенно на металл, создавая на его поверхности электроизоляционный слой (эмалированные провода, изоляция листов ферромагнетика в расслоенных магнитопроводах).

Клеящие лаки применяют для склеивания твердых электроизоляционных материалов или приклеивания их к металлу. Они должны обеспечить высокую адгезию к склеиваемым материалам.

Электроизоляционные лаки очень многочисленны и разнообразны; это могут быть смоляные лаки (бакелитовые), целлюлозные лаки (нитролаки), масляные лаки, черные (битумные) лаки.

Маркировка лаков состоит из условных букв и цифр, например:

• БТ-980 – черный масляно-битумный пропиточный лак;

• ГФ-95 – светлый масляно-глифтлевый пропиточный маслостойкий лак;

• КО-964 – светлый кремнийорганический лак для пропитки обмо­ток, работающих в условиях повышенной температуры и влажности.

Первая цифра - 9 - означает, что лак электроизоляционный.

Электроизоляционные компаунды отличаются от лаков отсутствием в них летучего растворителя. В момент применения компаунды представляют собой жидкости, которые, постепенно отвердевая, превращаются в монолитный твердый диэлектрик. Если компаунд в исходном состоянии представляет твердое вещество, то его перед употреблением нагревают, чтобы получить массу достаточно малой вязкости. Компаунды (от английского compaund – смесь) часто представляют смеси различных полимеров или способных к полимеризации веществ, битумов, восков и т.д.

Компаунды разделяют на пропиточные•и заливочные. По сравнению с лаками, они обеспечивают лучшую влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, т.к. при охлаждении и после пропитки затвердевают полностью, лучший отвод тепловых потерь, вследствие чего мощность аппарата •может быть повышена.

Если в компаунд добавить в качестве компонента кварцевый песок, то его удельная теплопроводность будет еще выше.

Компаунды могут быть как термопластичные, так и термореактивные, т.е. не размягчающиеся после отверждения.

К термопластичным относятся битумные компаунды, компаунды на основе термопластичных полимеров (полистирол и др.).они стойки к воде, обладают хорошими электроизоляционными свойствами, дешевы.

Применяются для пропитки неподвижных обмоток электрических машин, т.к. из вращающихся обмоток при их перегреве битумный компаунд может вытекать. Т. к. битум растворим в минеральных маслах и углеводородах (бензин, бензол и т.д.), то компаунды на его основе не могут быть использованы для пропитки обмоток, работающих на трансформаторном масле или подвергающихся воздействию бензина, керосина, например компаунды МБ-70,МБ-90,МБМ-1.

Большой интерес представляют термореактивные компаунды, обладающие более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичными. Однако. их использование затрудняет ремонт детали при ее электрическом пробое. К термореактивным относятся эпоксидные и полиэфирные компаунды.

Пластические массы (пластмассы) - это, обычно, композиционные

Материалы, способные под действием внешнего давления, часто при одновременном нагреве, приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для изготовления изделия.

Пластмассы, как правило, являются многокомпонентными 'материалами, cocтoящими из cвязyющeгo и наполнителя.

Связующее - обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться при нагреве и давлении. Иногда применяют и неорганическое связующее – цемент, стекло.

Наполнитель прочно сцепляется со связующим, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым (мелкие опилки, х/б, асбестовое или стеклянное волокно, смола, бумага, ткань и т.д.). Наполнитель обычно удешевляет пластмассу, и в то же -время может улучшать ее характеристики – увеличить прочность, уменьшить хрупкость.

В состав пластмасс иногда вводят пластификаторы, увеличивающие пластичность и уменьшающие хрупкость материала, а также красители, придающие пластмассе определенную окраску и другие добавки( стабилизаторы, отвердители, парообразователи и др.).

Некоторые пластмассы представляют собой чистые полимеры – полиэтилены, поливинилхдориды – винипласты, и др. Такие пластмассы называются ненаполненными пластмассами. Особенности технологии изготовления изделий из пластмасс в основном зависят от рода связующего; различают пластмассы горячей прессовки, требующей нагрева, и пластмассы холодной прессовки, прессующиеся при нормальной температуре.

Для большинства электроизоляционных пластмасс с органическим связующим необходимо горячее прессование. Эти пластмассы разделяются на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Исходными материалами для изготовления большинства изделий из пластических масс служат пресс-порошки. Методами изготовления изделий могут быть прессование под давлением, литье под давлением, сварка.

В качестве конструкционных и электроизоляционных материалов широко применяют слоистые пластики, в которых наполнителем является тот или иной волокнистый материал. К таким относятся гетинакс, текстолит и пр.

Гетинакс получает посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Плотность гетинакса – 1350 - 1450 кг/м³; =5-6;Е_пр=20-40 кВ/м. Слоистая структура гетинакса приводит .к заметной анизотропии свойств. Например, удельное объемное сопротивление вдоль слоев в 50 - 100 раз больше, а электрическая прочность в 5-8 раз меньше, чем поперек слоев.

Текстолит -пластик, аналогичный гетинаксу, но изготовленный из

пропитанной ткани. Он намного дороже, гетинакса и 'применяется, главным образом, для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам и работающим на истирание (шестерни).

Стеклотекстолит – слоистый пластик, более нагревостойкий и механически прочный чем гетинакс и текстолит.

Фольгированные материалы представляют слоистые пластики или синтетические пленки, облицованные с одной или с обеих сторон металлической, обычно медной фольгой. Применяют для изготовления печатных плат в различных электротехнических и радиотехнических устройствах, а также для изготовления различных микромашин (с печатными схемами вместо обычных обмоток ).

Намотанные изделия это фасонные слоистые изделия - гатинаксовые (бакелитовые) трубки, цилиндры, стержни и другие детали. Основная область применения – внутренняя изоляция трансформаторов и электрических машин. Механические и электрические свойства намотанных изделий несколько ниже, чем слоистых прессованных . Все слоистые изоляционные пластмассы обладают значительным влагопоглощением (2-8% за 24 часа ), поэтому после механической обработки вскрытые поверхности покрывают соответствующим лаком (бакелитовым, эпоксидным и др.) с последующей запечкой при оптимальной температуре.

Эластомеры – это материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ. Натуральный каучук получают из млечного сока (латекса) растений каучуконосов. По химическому составу он представляет полимерный углеводород С₅Н₈.

Высокая эластичность каучука связана с зигзагообраз­ной, «шарнирной» формой цепочек его молекул.

Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пони­женных температур, а также растворителей чистый натуральный кау­чук для изготовления электрической изоляции не применяют. Перечис­ленные недостатки устраняются при вулканизации, т.е. при нагреве после введения в него серы или серосодержащих соединений.

В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку при вулканизации, получают различные продукты: при 1 - 3% серы – мягкую резину, при 30-35% - эбонит - твердый материал, обладающий стойкостью к ударным нагрузкам.

Резину широко применяют для изоляции установочных и монтаж­ных проводов, гибких переносных проводов и кабелей, а также для изготовления перчаток, изоляционных ковриков, калош.

Недостатками являются низкая нагревостойкость, малая стой­кость к воздействию нефтяных масел, света, особенно ультрафиолето­вого. Натуральный каучук практически неполярен. Помимо натурального каучука широко применяют различные виды синтетического каучука (СК), сырьем для которых служат спирт, нефть, природный газ и др. Наиболее распространены бутадиеновый СКВ, бутадиенстирольный СКС4 и бутилкаучук.Они близки по своим свойствам к натуральным.

Помимо основного компонента (НК или СК) в состав электрои­золяционных резин входят наполнители – активные цинковые белила, углеродистая сажа, повышающие механическую прочность резины; неактивные – мел , тальк, каолин, снижающие стоимость материала ; мягчители – стеариновая кислота, парафин ,улучшающие пластичность сырых резин и снижающие температуру вулканизации до 140-200 ^OC, противостарители , повышающие .стойкость :резиновой изоляции к окислению, тепловому и световому старению; иногда вводят красите­ли – железный, сурик и др., но они снижают злектроизоляционные свойства резин.

Обычные резины имеют:

_=10¹³Омм;

=3-7;

Е_пр=20-30 МВ/м;

рабочую температуру от – (50-70) ^о С до + (65-85) ^о С;

для резин на основе кремнийорганического каучука рабочая температура составляет от - 100 ^о С до +200 ^о С.