Вопрос 10

СЛЮДА И СЛЮДЯНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Слюда является важнейшим из природных минеральных электро­изоляционных материалов. Благодаря ее исключительно ценный качествам: высокой электрической прочности, нагревостойкости, влагостойкости, механической прочности и гибкости слюду приме­няют в ответственных случаях, в частности в качестве изоляции электрических машин высоких напряжений и больших мощностей (в том числе крупных турбогенераторов и гидрогенераторов, тяго­вых электродвигателей) и в качестве диэлектрика в некоторых кон­струкциях конденсаторов. Слюда встречается в природе в виде кри­сталлов, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на пластинки по параллельным друг другу пло­скостям (плоскости спайности). Богатые месторождения слюд име­ются и в нашей стране. Из зарубежных стран крупнейшими слюдя­ными месторождениями располагает Индия.

По химическому составу различные виды слюд представляют собой водные алюмосиликаты. Важнейшие из них: мусковит, со­став которого приблизительно может быть выражен формулой K2O-3A!2O3-6SiO2-2HsO

и флогопит

кроме того, в слюды могут входить соединения железа, натрия, каль­ция и др.

Мусковиты бывают бесцветными или имеют красноватый, зелено­ватый и другие оттенки, флогопиты чаще всего темные: янтарные, золотистые, коричневые до почти черных, однако иногда встреча­ются флогопиты и весьма светлые. По электрическим свойствам мусковит лучше флогопита, кроме того, он более прочен механиче­ски, более тверд, гибок и упруг, чем флогопит (табл. 6-6).

Приведенные выше электроизоляционные параметры слюд отно­сятся к случаю, когда электрическое поле перпендикулярно плоско­стям спайности. Вдоль плоскостей спайности электроизоляционные свойства слюд значительно хуже: р всего лишь 10°—108 Ом-м, £,. от 11 до 16 (мусковит) и даже 23—46 (флогопит), tg 8 порядка деся­тых долей. Так же сильно анизотропна и теплопроводность слюд. Коэффициент теплопроводности составляет примерно 0,44 Вт/(м-К) для мусковита и 0,51 Вт/(м-К) Для флогопита перпендикулярно плоскостям спайности, а параллельно плоскостям спайности он на порядок выше. Плотность слюд 2,7—2,9 Мг/м8, удельная теплоемкость 0,86—0,87 кДж/(кг-К) — как для мусковита, так и для флого­пита. На рис. 6-44 и 6-45 представлены типичные зависимости tg 8 от температуры и Епр от толщины пластинки для мусковита среднего качества. Мусковит более стоек по отношению к истиранию, чем флогопит. Это важно для коллекторных миканитов (см. ниже); такой миканит, изготовленный из мусковита, истирался бы щет­ками машины в меньшей степени, чем медь коллектора, вследствие чего поверхность коллектора делалась бы неровной и в эксплуатации машины приходилось бы время от времени производить «продоражива-ние» коллектора. Коллекторный миканит из флогопита истирается наравне с медью, и при его применении «продораживания» не требу­ется. Большинство применяемых в электротехнике слюд при нагреве до нескольких сот градусов Цельсия еще сохраняет сравнительно хорошие электрические и механические свойства, поэтому слюда от­носится к электроизоляционным материалам высшего класса нагре-востойкости С (§ 5-3). При достижении некоторой достаточно высо­кой температуры из слюды начи­нает выделяться входящая в ее состав вода; при этом слюда теряет прозрачность, толщина ее увеличивается (слюда вспучи-

вается), механические и электрические свойства ее ухудшаются. Плавятся слюды лишь при температуре 1145—1400 °С. Темпе­ратура начала обезвоживания и резкого ухудшения свойств у различных слюд колеблется в весьма широких пределах: у мусковитов она обычно 200—600 °С, у флогопитов 800—900 °С. Однако у некоторых разновидностей флогопита с повышенным со­держанием воды (гидратированный флогопит), характеризующихся пониженной твердостью и сравнительно низкими электроизоляцион­ными параметрами, заметное ухудшение свойств наблюдается уже при нагреве до температур 150—250 °С; такая слюда может приме­няться лишь для малоответственных целей.

Слюда в природе обычно сопровождается другими минералами (кварцем, поле­вым шпатом) и встречается в виде жил, вкрапленных в твердые горные породы — обычно пегматиты. После взрывных работ и извлечения слюды из жилы она очи­щается от посторонних минералов и в таком виде носит название забойного сырца. Средний выход слюды в виде забойного сырца из породы составляет 1—2 Л (редко — до 10%). Забойный сырец подвергают ручной разборке и расщепляют ножом на пластинки, дефекты на краях которых (глубокие трещины) обрезают; затем слюда расщепляется на еще более тонкие пластинки; полученная щепаная слюда приме­няется для производства миканитов (см. стр. 178). Качество щепаной слюды пре­жде всего определяется размером пластинок. Размер условно определяется пло­щадью наибольшего прямоугольника (с соотношением сторон от 1 : 1 до 1 : 3), кото­рый может быть вписан в контур пластинки:

Слюда размеров 4М и 0,5 получается механическим расщеплением, а всех прочих размеров — ручным расщеплением. Площадь слюды размера 4М опреде­ляется по общей площади пластинки, а слюды размера 0,5 — просевом сквозь сито. Чем больше размер щепаной слюды, тем она дороже (считая на единицу массы). Слюда особо крупных размеров встречается весьма редко и добывается в огра­ниченных количествах. По толщине пластинок щепаная слюда разделяется на

четыре группы:

I 0,01—0,02 мм

II 0,02—0,03 мм

III 0,005—0,035 мм (для размера 4)

IV 0,005—0,045 мм

(для размеров от 50 до 6)

(для размера 4)

(для размеров 4М и 0,5)

Кроме того, щепаная слюда разделяется на сорта по количеству минеральных включений и загрязнений (пятен) и по гладкости поверхности; учитывается также форма пластинок (чем более она приближается к квадратной, тем выше качество слюды).

Помимо щепаной слюды, которая в виде миканитов широко используется в изоляции электрических машин, слюда в электро- и радиопромышленности при­меняется в виде штампованных пластинок прямоугольной формы для конденсаторов (конденсаторная слюда), фасонных штампованных деталей в электронных и осве­тительных лампах, штампованных шайб в различных аппаратах и т. п. Конден­саторная слюда — мусковит наивысшего качества (так называется образцовая кон­денсаторная слюда марки СО, применяемая для изготовления измерительных кон­денсаторов) выпускается в виде пластин длиной от 7 до 60 мм и шириной от 4 до 50 мм; стандартные толщины этих пластин 20—25; 25—35; 35—45; 45—55 мкм. Значение tg б слюды марки СО при частоте 1 МГц должно быть не более 3,3- Ю"4.

ГОСТ предусматривает и другие марки конденсаторной слюды: фильтровую СФ, низкочастотную СНЧ, высокочастотную СВЧ и защитную СЗ, обладающие пони­женными характеристиками по сравнению с СО. Для изоляции электрических машин слюду используют в виде клееных слюдяных изделий — миканитов, а также в виде слюдяных бумаг.

Миканиты — листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которая наклеивается с одной стороны или с обеих сторон; подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе материала.

Важнейшие виды миканитов, различающихся как областью при­менения, так и составом и технологией изготовления, получают услов­ные обозначения, состоящие из двух или трех букв, иногда с до­бавлением цифры. Первая буква обозначает тип миканита (К — кол­лекторный, П — прокладочный, Ф — формовочный, Г — гибкий, М —микафолий, Л —микалента), вторая —тип примененной для изготовления миканита слюды (М — мусковит, Ф — флогопит, С — смесь мусковита и флогопита), третья и дальнейшие буквы и цифры— вид клеящего вещества и дополнительные характеристики матери­ала.

Вследствие содержания большого количества (не менее 50 % по массе) слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагрево-стойкостью и относятся к классу В даже при употреблении обычных клеящих веществ и органических подложек; при использовании специальных клеящих веществ и неорганических подложек (напри­мер, стеклоткани) получаются материалы классов F и Н, а нагре-востойкие (без содержания органических веществ) миканиты, как и чистая слюда, относятся даже к классу нагревостойкости С.

Для производства многослойных (коллекторных, прокладочных) миканитов применяют механизированный способ клейки на башен­ной машине: порции слюды, отвешенные в количестве, необходимом для образования одного слоя, высыпают в верхнюю часть «башни» высотой в несколько метров, причем падающие на дно башни лепестки укладываются сравнительно равномерно; связующее или насыпают таким же образом между каждыми двумя слоями слюды в виде тон­кого порошка сухой смолы, или же насыпанную до нужной толщины слюдяную заготовку пропитывают клеящим составом.

Твердые миканиты. К ним принадлежат коллекторный и прокладочный мика­ниты. Они являются твердыми как при нормальной, так и при повышенной (около 100°С) температуре и применяются для плоских, не подвергающихся изгибу элек­троизоляционных прокладок.

Коллекторный миканит применяют в виде штампованных заготовок, которые прокладываются между медными пластинами коллекторов электрических машин (междупластинная изоляция коллектора). Коллекторный миканит изготовляется из слюды флогопит, как более легко истирающейся (см. стр. 176), размером от 6 до 0,5; связующим служит глифталь или другие смолы; по сравнению с остальными типами миканитов он имеет наименьшее содержание связующего (не более 4 %) и высокую плотность (2,4—2,6 Мг/м3); при ударе издает характерный звенящий звук. Благодаря малому содержанию связующего и высокому давлению во время прессовки описываемый миканит имеет хорошие механические свойства, и в частности дает весьма малую усадку при работе в условиях большого давления и повышенной температуры; это обеспечивает прочность коллектора во время работы машины. Коллекторный миканит выпускается в листах толщиной от 0,4 до 1,5 мм. Он не должен давать скольжения слюды и вытекания связующего при температуре 160 °С и давлении 60 МПа. Усадка по толщине при температуре 20 °С и давлении до 60 МПа должна быть не более 9—10%, усадка при давлении 60 МПа и по­вышении температуры до 160 °С — не более 2 %.

Прокладочный миканит. Его применяют для разного рода электроизоляцион­ных прокладок, шайб и т. п. Изготовляется из мусковита, флогопита или их смеси размером от 6 до 0,5; связующее — глифталь или кремнийорганическая смола. Содержит от 80 до 97 % слюды.

Формовочные миканиты при нормальной температуре также тверды, но при нагреве приобретают способность принимать ту или иную форму, которую сохра­няют и при охлаждении. Их применяют при изготовлении коллекторных манжет (изоляция коллектора от вала электрической машины), а также фланцев, каркасов катушек, трубок и других фасонных изделий. Формовочные миканиты изготовляют в листах толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Содержание слюды от 80 до 95 %; связующее — глифталь или кремнийорганическая смола в количестве от 5 до 20 %.

Особая разновидность формовочного миканита — микафолий. Он имеет с одной стороны подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки и применяется для изготовления твердой изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напря­жения, где требуются большие усилия при намотке. Микафолий изготовляется из флогопита или мусковита, связующее — глифталевый, полиэфирный или крем-нийорганический лак. Выпускается в рулонах или листах толщиной 0,15—0,30 мм. Содержание слюды в микафолии не менее 45—50 %. Средняя электрическая проч­ность микафолия из флогопита не менее 13 МВ/м, а из мусковита — не менее 15— 16 МВ/м.

Гибкие миканиты обладают гибкостью при нормальной температуре. Они предназначаются для изоляции различных частей электрических машин и аппа­ратов (гибкие прокладки, обмотка секций, пазовая изоляция). Изготовляются в листах толщиной от 0,15 до 0,50 мм из мусковита или флогопита на масляно-битумном лаке без сиккативов, масляно-глифталевом или кремнийорганическом лаке. Кроме того, выпускаются гибкие миканиты, оклеенные с обеих сторон бумагой. Содержание слюды в гибких миканитах без подложки должно составлять 75—90 %, а в оклеенных — не менее 50 %.

Разновидность гибкого миканита — микалента — клеится из щепаной слюды крупных размеров (от 30 до 6) только в один слой, с перекрытием пластин примерно на одну треть; она имеет с обеих сторон подложки из стеклоткани, стеклосетки или микалентной бумаги. Толщина микаленты 0,1; 0,12; 0,15 и 0,17 мм. Она выпу­скается в роликах шириной от 10 до 35 мм. Микалента является очень ответствен­ным видом продукции; она образует основную изоляцию обмоток многих электри­ческих машин высокого напряжения. Для того чтобы микалента сохраняла гибкость до момента употребления, ее следует держать в герметически запаянной таре (на­пример, в запаянных жестянках), заполненной насыщенным паром соответству­ющего лакового растворителя. При пересыхании микаленты ее надо выдержать в парах растворителя.

Нагревостойкий {термоупорный) миканит, не содержащий органических ве­ществ, применяют для изоляции электронагревательных приборов и в других слу­чаях, когда миканитовая изоляция должна работать при температуре в несколько сот градусов. Такой миканит изготовляется в листах толщиной 0,2—1,0 мм из нагревостойких разновидностей слюды флогопит; связующим служит раствор фос­форнокислого аммония (аммофоса); при изготовлении миканит подвергается специ­альной термообработке. Изготовляется также нагревостойкий миканит, в котором связующим служит легкоплавкое стекло.

Слюдиниты и слюдопласты. Высокая трудоемкость изготовления щепаной слюды и миканитовой изоляции стимулировали разработку новых материалов из слюдяных отходов без предварительной руч­ной щепки. Эти материалы называют слюдяными бумагами. Два основных вида слюдяных бумаг —слюдиниты и слюдопласты.

Слюдиниты (за рубежом — самика) изготовляют по следующей технологической схеме: слюда мусковит (в частности, отходы, получа­емые при щепке слюды) подвергается термообработке при темпера­туре до 900 СС. При этом кристаллы слюды теряют входящую в их состав воду и сильно вспучиваются. Вспученные кристаллы обраба­тывают щелочными и кислотными растворами и тщательно про­мывают водой. Масса (пульпа) из измельченной слюды с водой отли­вается на сетку бумагоделательной машины (стр. 141), причем полу­чается слюдинитовая бумага толщиной от 10 до 150 мкм; элементар­ные частицы слюдинитов имеют плоскую форму: толщина их около 1 мкм, длина и ширина порядка десятых долей миллиметра. Электри­ческая прочность слюдинитов в сухом состоянии 15—20 МВ/м; бумага разрушается при соприкосновении с водой или другими по­лярными жидкостями. При пропитке, склеивании с одной или двумя подложками и тому подобной обработке получаются листовые слю­диниты (коллекторный, формовочный, гибкий), слюдинитофолий (рулонный материал из слюдинитовой бумаги с целлюлозным под­слоем, пропитанный лаком) и слюдинитовые ленты, которые в не­которых случаях с успехом могут заменить соответствующие мика­ниты, микафолий и микаленту. Слюдинитовые материалы по свой­ствам приближаются к миканитовым и даже имеют преимущество — большую равномерность свойств по площади; при применении свя­зующих (эпоксидных, кремнийорганических и других) и подложек (стекловолокнистых) они могут иметь достаточно высокую механи­ческую прочность и нагревостойкость. Но слюдинитовые материалы имеют и недостатки: пониженную, как правило, по сравнению с ми­канитами влагостойкость, малое удлинение перед разрывом.

Слюдопласты изготовляют, используя свойство чистых поверх­ностей недавно расколотых кристаллов природной слюды при их сложении вместе вновь прочно соединяться когезионными силами. В производстве слюдопластовой бумаги измельченные чешуйки слюды флогопит или мусковит отливаются на бумагоделательной машине как и слюдинитовые бумаги: получаются бумаги толщиной от 0,4 до 0,2 мм с пределом прочности при растяжении до 90 МПа даже без применения связующих. На основе слюдопластовых бумаг соответствующими технологическими приемами с использованием связующих, а если требуется —подложек, изготовляются слюдо­пласты: коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий, стек-лослюдопласт, слюдопластофолий, слюдопластовая лента и др. Слю­допласты, как правило, имеют более высокую механическую проч­ность, а также более высокую короностойкость по сравнению со слюдинитами.

В настоящее время в СССР выпускается 80 марок слюдосодержа-щих материалов на основе слюдинитовых и слюдопластовых бумаг, в том числе коллекторные, формовочные, гибкие и ленточные элект­роизоляционные материалы, заменяющие традиционные миканиты, получаемые из природной щепаной слюды. Коллективу работников Всесоюзного научно-исследовательского института электроизоля­ционных материалов и фольгированных диэлектриков (ВНИИЭИМ)

и других организаций Н. В. Александрову, В. Б. Березину, В. Г. Огонькову, А. И. Петрашко, А. В. Хвальковскому и другим в 1983 г. была присуждена Государственная премия СССР за комплекс работ по разработке и внедрению в народное хозяйство широкой но­менклатуры электроизоляционных материалов на основе слюдя­ных бумаг. Разработанные этими авторами многочисленные новые слюдинитовые и слюдопластовые материалы обеспечивают повы­шение надежности электротехнического оборудования, улучшение качества и повышение удельной мощности электрических машин. Практически во всех типах электрических машин разного назначе­ния, классов нагревостойкости В, F и Н слюдинитовые и слюдо­пластовые материалы являются основой термореактивности си­стемы изоляции.

Микалекс — твердый материал с большим содержанием наполнителя (слюды) и с легкоплавким стеклом в качестве связующего. Пластины, стержни и детали различной формы из микалекса получаются смешением порошков молотой слюды мусковит и стекла, горячим (при температуре около 600°С) прессованием и после­дующей термообработкой отпрессованных изделий. Микалекс обладает высокой нагревостойкостью, дугостойкостью, большой механической прочностью, допускает механическую обработку, шлифовку и т. п. Этот материал используется, главным образом, в радиотехнике и электровакуумной технике; из него изготовляют дер­жатели мощных ламп, гребенки катушек индуктивности, платы и т. п. В некото­рых случаях используется возможность запрессовывать в микалекс металлические детали. Физические свойства микалекса приведены ниже:

Плотность......................... 2,6—3,0 Мг/м3

Допустимая рабочая температура............... 300—350 СС

Температурный коэффициент линейного расширения..... 8-10~6 Кг1

Удельная ударная вязкость..................2—5 кДж/м2

Предел прочности

при растяжении ..................... 30—70 МПа

при сжатии ....................... 100—400 МПа

при изгибе .......................70—140 МПа

Удельное объемное сопротивление............... I010—1012Ом-м

Диэлектрическая проницаемость ............... 6,0—8,5

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости . . 3-10~4 К"1

Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц........ 0,003—0,010

Электрическая прочность при 50 Гц ............. 10—20 МВ/м

Так как технологический процесс изготовления микалекса сложен и требует специальных электрических печей и прессов, пресс-форм из нагревостойкой нержа­веющей стали и других устройств, материал весьма дорог и не получил широкого распространения. В последнее время микалекс часто заменяется специальными видами керамических материалов.

Синтетическая слюда. Большой интерес представляет возможность получения (путем расплавления в высокотемпературной печи шихты специально подобранного химического состава с последующей кристаллизацией расплава при весьма мед­ленном охлаждении) синтетической слюды. При соответствующем подборе состава шихты удается получить синтетическую слюду (фторфлогопит), обладающую более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью, радиационной стойкостью, чем природный флогопит; по составу фторфлогопит отличается от флогопита тем, что в нем гидроксильные группы ОН заменены ионами фтора. Синтетическая слюда много дороже природной, получается в виде кристаллов сравнительно малых размеров и труднее, чем природная слюда, расщепляется, поэтому синтетическая слюда не может рассматриваться как заменитель природной слюды, однако, вследствие высоких электрических свойств и большой однородности их, представляет собой перспективный материал. Фторфлогопит применяется для изготовления штампованных деталей (работающих в интервале температур от —200 до +800 °С), а также для изготовления микалекса (обладающего более высокими свойствами, чем микалекс, основанный на природной слюде).