Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
367
8. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
8.1. Классификация и характеристики
диэлектрических материалов
По функциональному назначению диэлектрические материалы можно разделить на две большие группы:
1) Электроизоляционные и конденсаторные материалы, которые относятся к так называемым пассивным диэлектрикам. Электроизоляционные материалы применяются для изготовления электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части с различными электрическими потенциалами. Конденсаторные материалы применяются для изготовления диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определённых значений электрической ёмкости конденсаторов.
Пассивные диэлектрики подразделяются на:
2) Управляемые материалы, которые относятся к так называемым активным диэлектрикам, свойствами которых можно упрвлять. Элементы с активными диэлектриками используются для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, генерации колебаний.
По принципу управления или действия активные диэлектрики подразделяются на:
Диэлектрики характеризуются механическими, физико-химическими и тепловыми характеристиками.
Механические свойства диэлектриков определяют следующие характеристики: разрушающее напряжение при статическом растяжении; разрушающее напряжение при статическом сжатии; разрушающее напряжение при статическом изгибе; твёрдость; ударная вязкость; сопротивление раскалывания; стойкость к надрыву (для гибких материалов); гибкость по числу двойных перегибов; пластоэластические свойства. Механические характеристики диэлектриков определяют соответствующие ГОСТы.
Физико-химическими характеристиками являются: кислотное число, определяющее количество свободных кислот в диэлектрике, ухудшающих диэлектрические свойства жидких диэлектриков, компаундов и лаков; кинематическая и условная вязкость; водопоглащаемость; водостойкость; влагостойкость; дугостойкость; радиационная стойкость и другие.
Тепловые характеристики определяют термические свойства диэлектриков. К тепловым характеристикам относятся: теплоёмкость; температура плавления; температура размягчения; температура каплепадения; теплостойкость; нагревостойкость; холодостойкость (способность диэлектриков противостоять низким температурам, сохраняя электроизолирующие свойства); тропикостойкость (стойкость диэлектриков к комплексу внешних воздействий в условиях тропического климата: резкий перепад температур, высокая влажность, солнечная радиация); термоэластичность; температура вспышки паров электроизоляционных жидкостей.
Нагревостойкость – одна из важнейших характеристик диэлектриков. В соответствии с ГОСТ 21515-76 нагревостойкость – это способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.
Согласно рекомендациям Международной электротехнической комиссии (МЭК) введена характеристика, которая называется температурным индексом (ТИ) – это температура, при которой срок службы материала составляет 20 тыс. часов.
По условиям нагревостойкости диэлектрики подразделяют на 7 классов. В таблице 8.1 приведены температурные индексы, классы нагревостойкости и характеристики основных групп диэлектриков, соответствующие данному классу.
Таблица 8.1 – Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов
|
ТИ |
Класс нагревостойкости |
Температура, °C |
Характеристика основных групп электроизоляционных материалов, соответствующих данному классу нагревостойкости |
|
90 |
Y |
90 |
Не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шёлка |
|
105 |
A |
105 |
Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шёлка |
|
120 |
E |
120 |
Синтетические органические материалы (волокна, смолы, компаунды и плёнки) |
|
130 |
B |
130 |
Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами |
|
155 |
F |
155 |
Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с синтетическими связующими и пропитывающими составами |
|
180 |
H |
180 |
Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры |
|
180 |
C |
Более 180 |
Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими или элементорганическими связующими составами |
Указанные в таблице 8.1 температуры являются предельно допустимыми для электроизоляционных материалов при их длительном использовании в электрических машинах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.
8.2. Полимеры
Полимéрами (от греч. polýs – многий, многочисленный, обширный, и греч. méros – доля, часть) называются высокомолекулярные соединения, молекулы (макромолекулы) которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров (от греч. mónos – один, единственный). Термин «полимеры» был введён Й.Я. Берцелиусом1 в 1833 году. Молекулярная масса полимеров достигает .
Полимеры могут образовываться в результате реакции полимеризации или в результате реакции поликонденсации.
Полимеризáция – это метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономеров не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений. Полимеризация используется в промышленности для получения полиэтилена, полистирола, полиакрилатов, ьольшинства каучуков. Полимеризация начинается с вовлечения в реакцию активной частицей неактивных молекул с двойными связями с образованием длинной цепи. В качестве первичных активных частиц выступают свободные радикалы и ионы.
Свободными радикáлами2 называют атомы или молекулы, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон. Свободные радикалы образуются в результате теплового, светового или иного ионизирующего воздействия. Часто в реакциях полимеризации участвуют радикалы метил CH3–, фенил C6H5–, этиловая группа C2H5– и другие. Свободный радикал обозначают R–. Такой радикал присоединяется к молекуле мономера, раскрывает в ней двойную связь и преобразует её в новый радикал со свободной валентной связью на конце. Образовавшийся комплекс очень активен и способен присоединить новую молекулу с образованием более длинного радикала. Например, реакция полимеризации этилена C2H4 с образованием полиэтилена выглядит следующим образом:
(R–) + CH2= CH2 → R– CH2 – CH2 –.
Полимерная цепь прекращает дальнейший рост в результате присоединения другого свободого радикала:
(R– CH2 – CH2 –) + (R1–) → R– CH2 – CH2 – ... – CH2 – CH2 –R1.
Более компактно структурная формула полиэтилена записывается в виде
,
где степень полимеризации, то есть число молекул мономера в молекуле полимера.
С повышением степени полимеризации повышаются молекулярная масса и вязкость полимера. В частности, при полиэтилен представляет собой вязкую жидкость, а при полиэтилен становится твёрдым диэлектриком.
Реальные полимерные материалы представляют собой смеси полимеров с различной степенью полимеризации, поэтому на практике принято говорить лишь о средней степени полимеризации.
Высокомолекулярные соединения могу также образовываться в результате реакции поликонденсации.
Поликонденсáция (от поли... и лат. condensatio – сгущение) – это метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономеров сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений, например воды, спирта и кислот. Из-за наличия остатков низкомолекулярных веществ полимеры, полученные путём поликонденсации, обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с полимерами, полученными путём полимеризации. Поликонденсация используется в промышленности для получения полиамидов, синтетических (феноло-формальдегидных и полиэфирных) смол, кремнийорганических полимеров и т.п.
В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры подразделяются на:
2) пространственные полимеры.
В линейных полимерах макромолекулы имеют вид прямых, изогнутых или переплетённых цепочек. При этом отношение длины молекулы к её поперечным размерам очень велико и может достигать порядка 1000. Линейный полимер образуется из молекул мономера, имеющего только две реактивные точки, то есть две валентности, способные освобождаться и соединяться с другими молекулами. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, обладают способностью набухать и растворяться в подходящих растворителях. Линейные полимеры при повышении температуры легко размягчаются и расплавляются, поэтому их называют термопластичными материалами. К линейным полимерам относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиамидные смолы и другие.
В пространственных полимерах макромолекулы развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно и имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара. Пространственный полимер образуется из молекул мономера, имеющего три и более реактивные точки. Пространственные полимеры обладают большой жёсткостью, плохо или вообще не растворяются. Пространственные полимеры плавятся при высоких температурах либо до достижении температуры плавления разрушаются химически, то есть обугливаются или сгорают, поэтому пространственные полимеры называют термореактивными материалами. К пространственным полимерам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, сильновулканизированный каучук (эбонит).
По химическому составу полимеры подразделются на:
Органическими называют полимеры, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором.
Элементоорганическими называют полимеры, главная цепь которых не содержит атомов углерода, но обрамляется органическими группами. К элементоорганическим относятся кремнийорганические соединения.
Электрические свойства полимеров определяются строением их молекул. В зависимости от строения молекул, определяющих электрические свойства, полимеры подразделяются на:
1) неполярные;
2) полярные.
В неполярных полимерах молекулы имеют симметричное строение мономеров, дипольные моменты отдельных связей которых могут уравновешивать друг друга так, что суммарный дипольный момент может быть равен нулю. Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными молекулами практически неполярны или слабополярны, имеют малую гигроскопичность1, малое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость. Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией. Из материалов этой группы наиболее важное техническое значение имеют полиэтилен, полистирол и политетрафторэтилен.
Полиэтилен, рассмотренный выше, является продуктом полимеризации этилена в присутствии катализаторов. Полиэтилены могут быть высокого, среднего и низкого давления, отличающиеся друг от друга механической прочностью и наличием так называемой кристаллической фазы, которая характеризуется упорядоченным расположением молекул. Полиэтилен обладает большой эластичностью, высокой стойкостью к действию кислот и щелочей. Полиэтилен имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
Полистирол получают полимеризацией стирола, который является побочным продуктом при сухой перегонке каменного угля. Полистирол имеет строение
.
Среднее значение степени полимеризации может достигать . Недостатком полистирола является хрупкость при пониженных температурах, склонность к образованию трещин из-за внутренних механических напряжений в результате неравномерной полимеризации, малая стойкость к действию растворителей, невысокая нагревостойкость. Полистирол имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
Политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт-4; цифра 4 указывает на на число атомов фтора в мономере) получается путём полимеризации тетрафторэтилена F2C = CF2 (этилен, в молекуле которого все четыре атома водорода замещены атомами фтора). Политетрафторэтилен является фторорганическим полимерам. Макромолекула политетрафторэтилена имеет регулярное симметричное строение
.
Политетрафторэтилен отличается высокой нагревостойкостью (до ) и высокой химической стойкостью к действию щелочей, кислот и других реагентов. Политетрафторэтилен не горюч, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически не гигроскопичен, не смачивается водой и другими жидкостями. Указанные свойства обуславливаются наличием атомов фтора, которые создают сильное поле и экранируют углеродный скелет молекулы от внешних воздействий.
Политетрафторэтилен формуется в изделия прессованием порошка с последующим спеканием при температуре , так как политетрафторэтилен не переходит в вязкотекучее состояние и при температуре разлагается с выделением ядовитого газа фтора.
Фторопласт-4 используется при изготовлении различных фасонных изделий, листов, гибких плёнок, изоляции кабельных изделий.
Благодаря малым потерям неполярные полимеры применяют в технике высоких и сверхвысоких частот. Полиэтилен используют в качестве изоляции телевизионных и радиочастотных кабелей. Тонкие плёнки из полистирола и политетрафторэтилена применяют для изготовления термостабильных высокочастотных конденсаторов с большой ёмкостью, высоким сопротивлением изоляции и высокой электрической прочностью. Фторопласт-4 имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
В полярных полимерах молекулы имеют несимметричное строение мономеров, дипольные моменты отдельных связей которых не уравновешивают друг друга. Поэтому полярные полимеры склонны к сильно выраженной дипольно-релаксационной поляризации, имеют повышенные диэлектрические потери и пониженные электроизоляционные свойства по сравнению с неполярными полимерами. Наиболее распространёнными материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, политрифторэтилен, полиамидные смолы и полиметилметакрилат (органическое стекло).
Поливинилхлорид или полихлорвинил (ПВХ) получается полимеризацией газообразного винилхлорида H2C=CH–Cl. Поливинилхлорид имеет состав (C2H3Cl )n и строение
.
Благодаря влиянию сильных полярных межмолекулярных связей полихлорвинил является жёстким и негибким материалом. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы, которые раздвигают молекулярные цепи, ослабляют взаимодействие между ними и позволяют макромолекулам перемещаться друг относительно друга. Одновременно пластификаторы ухудшают электрические свойства полимера.
Полихлорвинил получил широкое применение в изготовлении изоляции монтажных проводов благодаря гибкости и прочности.
Полихлорвини имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ или лавсáн) – это термопластичный полимер, получаемый из этиленгликоля HO–CH2–CH2–OH и терефталевой кислоты HOOC–C6H4–COOH, имеющий строение
.
ПЭТФ имеет молекулярную массу порядка 30000. Обладает значительной механической прочностью и высокой температурой размягчения.
ПЭТФ находит широкое применение в изготовлении тонких плёнок для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов и дросселей, рассчитанных на рабочую температуру от минус 60 до плюс 150°С, а также для изготовления конденсаторов.
Полиэтилентерефталат имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
Политрифторэтилен (фторопласт-3) относится к фторорганическим полимерам, получается в результате полимеризации трифторхлорэтилена F2C=CF–Cℓ и имеет структуру
.
По своим свойствам фторопласт-3 несколоко уступает фторопласту-4. Фторопласт-3 имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
Полиамúдные смолы имеют цепочечные молекулы, образованные повторяющимися от четырёх до восьми раз группами (–CH2–) и пептидными группами (–CO–NH–). Они отличаются высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы в ограниченном числе растворителей (в крезоле и расплавленном феноле). Полиамиды широко применяются для изготовления синтетических волокон и пластических масс. Полиамидные смолы обладают сравнительно высокой гигроскопичностью, низкой светостойкостью и легко деформируются при повышенных температурах.
Наибольшее распространение получили капрон и нейлон. Капрон имеет строение
...–(CH2)5–CO–NH–(CH2)5–CO–NH–(CH2)5–...
Нейлон имеет строение
...–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO–NH–...
Капрон, благодаря хорошим термопластичным свойствам и высокой механической прочности, используется в производстве различных конструкционных деталей радиоаппаратуры (корпусы приборов, ручки и кнопки управления, каркасы индуктивных катушек т. п.).
Полиметилметакрилат (органическое стекло или плексиглáс) – прозрачный светостойкий бесцветный полимер, который получается полимеризацией эфиров метакриловой кислоты и имеет структуру
.
Органическое стекло хорошо растворяется в ацетоне, дихлорэтане, бензоле, уксусной кислоте и др.; хорошо противостоит действию воды, щелочей, водных растворов неорганических кислот. Применяется в основном как декоративный материал в электро- и радиоаппаратуре. Полиметилметакрилат имеет: ; ; МВ/м; Ом·м.
8.3. Эластомеры
Эластомéры (от греч. elastós – гибкий, тягучий) – это высокомолекулярные соединения (полимеры), обладающие в широком интервале температур высокоэластичными свойствами, то есть способные к значительным (до многих сотен процентов) обратимым деформациям растяжения.
К эластомерам относятся натуральные и синтетические каучуки, а также изготовленные на их основе резины.
По химическому составу эластомеры подразделяются на органические, элементоорганические (например, кремнийорганические каучуки) и неорганические.
Натуральный каучук – это эластичный материал, получаемый коагуляцией1 сока (лáтекса) каучуконосных растений. По химическому составу натуральный каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий молекулярную формулу (C5H8)n и строение
.
Высокая эластичность каучука связана с зигзагообразной формой цепочек его молекул. При действии растягивающего усилия форма цепочек приближается к прямолинейной. Из-за малой стойкости к действию повышенных и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не применяют. Для устранения указанных недостатков каучук подвергают вулканизации.
Вулканизáция (от лат. vulcanus – огонь, пламя) – нагревание и превращение каучука в резину, осуществляемое с участием так называемых вулканизирующих агентов (например, серы, некоторых синтетических смол). При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и соединение цепочек через атомы (–S–) с образованием пространственной структуры.
Резúна (от лат. resina – смола) или вулканизáт – эластичный материал, образующийся в результате вулканизации каучука. В результате вулканизации повышаются прочность, твёрдость, эластичность, тепло- и морозостойкость каучука, снижается его растворимость в органических растворителях. При содержании серы в каучуке 1...3% получается мягкая резина, обладающая высокой растяжимостью. При содержании серы в каучуке 30...35% получается твёрдая резина – эбонит. Кроме серы в каучук при изготовлении резины вводят различные наполнители (мел, сажа, минерал тальк), красители и катализаторы (вещества, ускоряющие химические реакции).
Эбонúт (от греч. ébenos – чёрное дерево) – твёрдый продукт вулканизации натурального или синтетического каучука большими количествами серы. Отличается высокими кислото- щёлочестойкостью, электроизоляционными свойствами. Эбонит широко используется для изготовления изолирующих элементов в электротехнических изделиях.
Чистый каучук практически неполярен. При увеличении концентрации серы из-за влияния атомов серы усиливаются полярные свойства материала, повышаются до некоторого значения относителная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь. При дальнейшем повышении содержания серы (в эбоните) ориентация дипольных молекул затрудняется повышенной вязкостью вещества, поэтому относителная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь снижаются.
В электротехнической промышленности резины изготавливаются на основе синтетических каучуков, к которым относятся бутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, бутилкаучук, хлоропреновый каучук, кремнийорганические каучуки и другие.
Бутадиеновый синтетический каучук получается при полимеризации газообразного углеводорода бутадиена (дивинила):
H2C=CH–CH=CH2.
В присутствии катализатора (металлического натрия) бутадиен полимеризуется в бутадиеновый каучук, цепочки молекул которого имеют вид
...–CH2–CH=CH–CH2–...
В результате вулканизации образуется резина:
.
Резина находит широкое применение в электропроиышленности для изоляции электропроводов, кабелей, защитных перчаток, галош и ковриков. К недостаткам резины относятся низкая нагревостойкость, малая стойкость к действию неполярных жидкостей (бензол, бензин), малая стойкость к действию света. Из-за содержащихся в обычной резине остатков серы (не связанной химически с каучуком) нельзя непосредственно без разделителей накладывать резину на медь, так как в противном случае происходит химическая реакция с образованием сернистой меди. На медь можно накладывать тиурамовую резину, при изготовлении которой используют не чистую серу, а органическое сернистое соединение – тиурам, которое при нагреве отдаёт часть содержащейся в нём серы каучуку, что и обеспечивает вулканизацию.
Изделия из различных резин изготавливаются прессованием. Нанесение изоляции защитных оболочек из резиновых смесей на кабельные изделия производится на специальных шприц-машинах. После этого покрытые резиновой смесью кабельные изделия подвергаются вулканизации в специальных агрегатах непрерывной вулканизации.
8.4. Пропиточные и заливочные вещества, компаунды и лаки
Компáунды – это полимерные композиции на основе различных полимеров или мономеров (смол, битумов, масел, эфиров, целлюлозы и т. д.), предназначенные для заливки или пропитки токопроводящих схем и деталей с целью их изоляции в электро- и радиоаппаратуре.
По назначению различают:
Пропиточные компаунды предназначены для пропитки пористой изоляции (бумага, картон, ткань, изоляция обмоток электрических машин и аппаратов). После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными уже не воздухом, а затвердевшим компаундом, имеющим более высокую электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. Поэтому в результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции. После пропитки органическая изоляция ментше подвергается окислению на воздухе, и поэтому её нагревостойкость повышается.
Заливочные компаунды используют для заполнения сравнительно больших полостей, промежутков между различными деталами, для защиты изоляции от влаги, для увеличения пробивного напряжения, для улучшения теплоотвода и т. д.
Перед пропиткой или заливкой компаунды находятся в жидком состоянии. В жидкое состояние некоторые компаунды могут переводиться путём разогрева. При охлаждении расплавленных компаундов происходит их затвердевание. Такие компаунды называются термокомпаундами. В электоронной аппаратуре, чувствительной к повышенной температуре, применяются компаунды, которые отверждаются вследствие полимеризации при комнатной температуре благодаря специальным веществам – отвердителям.
По свойствам компаунды подразделяются на:
2) термореактивные компаунды.
Термопластичные компаунды размягчаются при нагревании и отверждаются при охлаждении. К ним относятся битумные компаунды.
Бúтумы (от лат. bitumen – горная смола) – группа твёрдых или жидких термопластичных смесей углеводородов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Различают битумы природные (например, вязкие, подвергшиеся выветриванию нефти), называемые также асфáльтами1, и искуственные, получаемые главным образом из остатков от перегонки крекинга нефтей (гудрóна1) (нефтяные битумы). Битумы имеют чёрный или тёмно-коричневый цвет, при низких температурах хрупки, нерастворимы в воде и в спирте, растворяются в углеводородах. Битумы – слабополярные вещества с параметрами: ; ; МВ/м; Ом·м.
Термореактивные компаунды необратимо отверждаются в результате происходящих в жидком состоянии химических реакций. Они обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичными компаундами, так как при нагревании уже не размягчаются. К термореактивным относятся компаунды на основе эпоксидных и кремнийорганических смол.
Смóлами называют группу материалов, по химическому составу представляющих собой сложные смеси органических веществ, а по физическим свойствам представляющих собой аморфные, стеклообразные массы. Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластических масс, плёнок, волокнистых материалов и т. п.
По своему происхождению смолы подразделяются на:
Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (шеллáк), растений смолоносов (канифóль, копáл, янтáрь). Природные смолы получают в готовом виде и подвергают несложным операциям очистки и переплавки.
Шеллáк (от голл. shellak) – воскообразное вещество, выделяемое тропическими насекомыми. Применяется для изготовления клеящих лаков и лакировки деталей, спиртовых растворов в производстве слюдяных изделий.
Копáл (от исп. copal) – бесцветная или коричневая смола, выделяемая преимущественно тропическими деревьями семейства бобовых. Добывают из их ископаемых остатков в земле. Применяется для изготовления масляно-смоляных лаков.
Янтáрь (от литов. gintãras) – ископаемая смола хвойных деревьев. Приблизительная химическая формула C10H16O4. В электротехнике янтарь используется в качестве изоляторов в некоторых электроизмерительных приборах.
Канифóль – хрупкая стекловидная смола от светло-жёлтого до тёмно-коричневого цвета, получаемая из природной смолы (живúцы) сосны после отгонки её жирных составных частей (скипидара). Канифоль в основном состоит из органических кислот (абиетиновой и других). Соли этих кислот, получаемые при нагреве канифоли с соответствующими металлами или их оксидами, называются резинатами. Канифоль растворима в нефтяных маслах и других углеводородах, растительных маслах, спирте, скипидаре и пр. Канифоль является полярным диэлектриком и обладает хорошими электроизоляционными свойствами. У канифоли МВ/м; Ом·м. и существенно зависят от температуры. Температура размягчения канифоли составляет 50...70°C. Канифоль применяется в производстве синтетического каучука, резин, пластмасс, лаков, а также в качестве флюса при лужении и пайке металлов.
Синтетические смолы представляют собой синтетические полимеры, которые в результате отверждения превращаются в нерастворимые продукты. Значительное распространение получили полиолефúны (полиэтилен, полипропилен), полистирол, поливинилхлорид, фторорганические полимеры (фторопласт-3 и фторопласт-4), полиамидные смолы (капрон, нейлон), феноло-формальдегидные смолы, полиэфирные смолы (глифталевые смолы, полиэтилентерефталат), эпоксидные смолы, кремнийорганические и другие синтетические смолы.
Феноло-формальдегидные смолы получают путём нагревания водного раствора фенола и формальдегида в присутствии катализатора:
.
В результате реакции поликонденсации выделяется и осаждается коричневая масса, которая и является феноло-формальдегидной смолой:
.
На начальной стадии синтеза феноло-формальдегидной смолы образуется термореактивный полимер – резóл или бакелúт1. Резол обладает плавкостью (температура размягчения 55...80°С) и растворимостью в спирте и ацетоне. При нагреве резол подвергается дополнительной полимеризации и последовательно переходит в стадию, которая называется резитолом, а затем в окончательную стадию – резúт. В отличие от резола резит неплавок, нерастворим в растворителях и обладает высокой механической прочностью.
Феноло-формальдегидные смолы полярны из-за наличия в их молекулах гидроксильных групп (–OH) и имеют: ; ; МВ/м; Ом·м.
Полиэфирные смолы – это продукты поликонденсации различных спиртов и кислот (или их ангидридов). К полиэфирным смолам относятся глифталевые смолы и полиэтилентерефталат (лавсан).
Глифтáлевые смолы получают поликонденсацией трёхатомного спирта – глицерина HO–CH2–CHOH–CH2–OH и фталевого ангидрида (продукт окисления нафталина)
.
Глифталевые смолы термореактивны.
Эпоксидные смолы – это синтетические смолы, содержащие в молекуле эпоксидные группы (кольца)
или глицидиловые группы .
Структурная формула диановой эпоксидной смолы имеет вид:
.
Эпоксидные смолы в чистом виде являются термопластичными бесцветными материалами, растворимыми в ацетоне и других растворителях. После добавления к смолам отвердителей эпоксидные смолы быстро отверждаются, приобретая пространственное строение. Процесс отверждения смолы представляет собой чистую равномерную полимеризацию без выделения воды и других низкомолекулярных веществ. После отверждения эпоксидные смолы являются уже монолитными термореактивными компаундами. Отверждённые эпоксидные смолы отличаются малой усадкой (0,5...2%), высокой нагревостойкостью, значительной механической прочностью, влагостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами.
Кроме смолы и отвердителя в компаунды могут добавляться пластификаторы, наполнители, разбавители и т. д.
При использовании в качестве отвердителей диаминов, молекулы которых содержат по две аминогруппы NH2, (то есть веществ, имеющих общую химическую формулу H2N–R–NH2) отверждение происходит по схеме:
,
где буквой M обозначена остальная часть линейной молекулы эпоксидной смолы между концевыми эпоксидными группами.
Отверждение идёт с отщеплением водорода от диаминов, раскрытием колец в эпоксидных группах и появлением у отвержддённого компаунда гидроксильных групп (–OH).
В зависимости от типа отвердителя отверждение эпоксидных смол может производиться при нагреве (80...150°C) или при комнатной температуре (холодное отверждение). Отвердителями для холодного отверждения являются азотсодержащие вещества (амины), для отверждения при нагреве – ангидриды органических кислот. Отвердители аминного типа отверждают эпоксидную смолу при комнатной температуре за 3...6 часов. Процесс отверждения может быть ускорен нагревом.
Эпоксидные смолы или их композиции с другими материалами применяются для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов для заливки и герметизации небольших трансформаторов, дросселей, конденсаторов, дискретных полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и узлов электронной аппаратуры. Некоторые разновидности эпоксидных компаундов обладают высокой оптической однородностью и прозрачностью к излучению в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Благодаря этим свойствам они применяются в качестве оптических согласующих сред при выводе излучения из светодиодов.
Многие эпоксидные смолы и отвердители оказывают на организм человека токсическое действие. Отверждённые эпоксидные смолы уже не токсичны.
Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны, силикóны) – это синтетические элементоорганические полимеры, в молекулах которых содержатся атомы кремния и углерода. Основу строения их молекул образует силоксановая группировка чередующихся атомов кремния и кислорода. Силиконы могут быть как термопластичными и иметь линейное строение
,
так и термореактивными и образовывать пространственные структуры
,
где буквой R обозначены органические радикалы, например, метил (CH3–), этил (C2H5––), фенил (C6H5–).
Силоксановая связь (Si – O) является более прочной чем связь между двумя атомами углерода (C – C), что определяет более высокую нагревостойкость кремнийорганических полимеров по сравнению со многими органическими полимерами.
В зависимости от молекулярной массы кремнийорганические полимеры могут быть в виде вязких бесцветных жидкостей (кремнийорганические жидкости), твёрдых эластичных веществ (кремнийорганические каучуки) или в виде хрупких продуктов (кремнийорганические пластики). Кремнийорганические полимеры используются в лаках, компаундах, пластмассах.
Кремнийорганические соединения обладают хорошими диэлектрическими характеристиками, высокой термостойкостью, малой гигроскопичностью, практически не смачиваются водой.
Лáки (от герм. der Lack – лак) – это коллоидные растворы плёнкообразующих веществ (лаковой основы – смол, битумов, высыхающих масел) в органических растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твёрдое состояние, образуя лаковую плёнку, представляющую собой тонкое, блестящее, прозрачное покрытие, назначение которого – защита изделия от агрессивных агентов, или декоративная отделка поверхности.
По назначению электроизоляционные лаки подразделяются на:
1) пропиточные лаки;
Пропиточные лаки предназначены для пропитки пористой изоляции и выполняют ту же функцию, что и пропиточные компаунды. В результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность, повышается нагревостойкость, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.
Покрывные лаки предназначены для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой плёнки на поверхности изделия и твёрдой изоляции. Такая плёнка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, защищает изделие от действия влаги, растворителей и химически активных веществ, улучшает внешний вид изделия, затрудняет прилипание к поверхности изделия пыли и грязи.
Покрывные эмаль-лаки наносятся на металл с образованием на его поверхности электроизоляционного слоя (изоляция эмалированных проводов; изоляция листов электротехнической стали магнитопроводов электрических машин и аппаратов).
Пигментированные эмáли – это покрывные лаки, в состав которых входит пигмент, то есть неорганический порошок (как правило, это окислы металлов), придающий плёнке определённую окраску, улучшающий её механическую прочность, теплопроводность и т. д. В полупроводящих лаках пигментом является углерод (сажа); плёнки таких лаков имеют низкое удельное поверхностное сопротивление Ом.
Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твёрдых электроизоляционных материалов или для приклеивания их к металлу.
В зависимости от режима сушки различают:
1) лаки горячей (печной) сушки (как правило, лаки с термореактивной основой), требующие для сушки повышенной температуры (выше 70°C);
2) лаки холодной (воздушной) сушки (как правило, лаки с термопластичной основой), которые быстро и хорошо сохнут при комнатной температуре.
Как правило, лаки печной сушки дают более высококачественную плёнку, чем лаки воздушной сушки.
В зависимости от лаковой основы лаки подразделяются на:
1) смоляные лаки;
2) целлюлозные лаки;
3) масляные лаки;
4) битумные лаки.
Смоляные лаки – это растворы синтетических или природных смол. К смоляным лакам относятся бакелитовые, глифталевые, кремнийорганические и поливинилхлоридные лаки.
Бакелитовые лаки – растворы бакелита (резола) в спирте. Это пропиточные и клеящие термореактивные лаки. Они используются в проиводстве гетинакса и текстолита, при изготовлении изоляции электрических аппаратов высокого напряжения.
Глифтáлевые лаки – растворы глифталевой смолы в смесях спиртов с жидкими углеводородами и в других подобных растворителях. Это термореактивные клеящие лаки.
Кремнийорганические лаки – растворы кремнийорганических смол. Сушатся при повышенной температуре и образуют нагрево- и влагостойкую плёнку.
Поливинилхлоридные лаки – это покрывные лаки для защиты изоляции.
Целлюлозные лаки – это растворы эфиров целлюлозы; их плёнки термопластичны. Как правило, это лаки холодной сушки. Большое распространение получили нитроцеллюлозные лаки (нитролаки). Плёнки нитролаков механически прочны, отличаются блеском, хорошо сопротивляются действию воздуха, влаги, масел и пр. Нитролаки плохо пристают к металлам, поэтому перед нанесением нитролака на металл предварительно создают слой грунтвого лака, хорошо пристающего к металлу, но менее стойкого к внешним воздействиям (например, глифталиевого), а затем уже наносят слой нитролака.
Масляные лаки – это лаки, основу которых составляют высыхающие масла. Растворителями могут быть бензин, керосин. Масляные лаки могут использоваться без растворителей, так как их основа жидкая. Однако такие лаки имеют повышенную вязкость и менее удобны для применения. Масляные лаки могу быть как холодной, так и горячей сушки. Масляные лаки применяются для производства светлых лакотканей и лакобумаг, а также для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов. Масляные лаки быстрой горячей сушки (при температуре около 500°C) применяются при эмалировании листов электротехнической стали для магнитопроводов электрических машин и аппаратов с целью изоляции листов друг от друга и уменьшения потерь на вихревые токи. Растворитель таких лаков – труднолетучий керосин.
Битумные лаки – это растворы битумов в органических растворителяхи; являются лаками холодной сушки. Эти лаки в качестве электроизоляционных непригодны, так как плёнки этих лаков имеют малую гибкость, низкую нагревостойкость, невысокую стойкость к растворителям. Обычно эти лаки применяются в качестве антикоррозийных покрытий металлических изделий.
Масляно-битумные лаки – это масляные лаки на основе битумов и высыхающих смол. Растворителями являются углеводороды (бензол, толуол). Свойства этих лаков занимают промежуточное положение между свойствами битумных и масляных лаков. Масляно-битумные лаки применяются для пропитки обмоток радиокомпонентов.
Масляно-смоляные лаки – это масляные лаки на основе природных или синтетических смол. Напрмер, масляно-глифталиевые лаки по сравнению с чисто масляными лаками они обладают повышенной эластичностью, нагревостойкостью и клеящей способностью, а по сравнению с чисто глифталиевыми лаками – пониженной гигроскопичностью.
Лаки имеют буквенно-цифровые обозначения: буквы обозначают состав лаковой основы, первая цифра – общее назначение лака, последующие цифры – конкретный вид лака. В частности, некоторые лаки имеют обозначение: ГФ – глифталевые; КО – кремнийорганические; УР – полиуретановые.
Растительные маслá (растительные жиры) – это, как правило, вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений. Растительные масла подразделяются на:
1) высыхающие (льняное, тунговое, конопляное);
2) полувысыхающие (подсолнечное, хлопковое);
3) невысыхающие (касторовое, кокосовое).
Высыхающие масла способны под воздействием нагрева, освещения, соприкосновения с кислородом воздуха переходит в твёрдое состояние. Тонкий слой масла, нанесённый на поверхность материала, высыхает и образует твёрдую блестящую, прочно пристающую к поверхности материала электроизоляционную плёнку. Высыхание масла объясняется испарением части жидкости, а является сложным химическим процессом, связанным с поглощением маслом кислорода из воздуха. Отверждённые плёнки высыхающих масел являются маслостойкими и при нагреве не размягчаются.
По химическому составу растительные масла как и животные жиры – это эфиры глицерина и органических жирных кислот:
,
где R – остаток жирной кислоты.
Масло является термореактивным (высыхающим) только в том случае, если остаток R имеет много двойных связей между соседними атомами углерода. В этом случае при разрыве этих связей может происходить процесс полимеризации, то есть отверждение масляной плёнки.
Наиболее распространённые высыхающие масла – льняное и тунговое. Льняное масло получается из семян льна. Тунговое масло получают из семян тунгового дерева. Тунговое масло не является пищевым, как льняное, и даже токсично. Кастóровое масло получается из семян растения – клещевúны и иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов.
Жидкие диэлектрики предназначены для отвода теплоты от обмоток и магнитопроводов в трансформаторах, гашения дуги в масляных выключателях, усиления твёрдой изоляции в трансформаторах, конденсаторах, маслопропитанных и маслонаполненных кабелях. Жидкие диэлектрики подразделяются на:
1) нефтяные (минеральные) масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное), получаемые путём перегонки нефти;
2) синтетические масла (жидкие кремнийорганические и фторорганические соединения).
Трансформаторное масло применяется для заливки трансформаторов, масляных выключателей и другой высоковольтной аппаратуры. Конденсаторные масла используются в бумажно-масляных конденсаторах и служат электроизоляционным материалом, обеспечивающим высокую электрическую прочность.
Вóски (воскообразные диэлектрики) – это смесь сложных эфиров высших жирных кислот и одноатомных спиртов или смесь твёрдых предельных углеводородов, получаемых из нефти и имеющих высокие диэлектрические свойства: ; МВ/м; Ом·м. К наиболее распространённым воскам относятся парафин и церезин. Парафин имеет температуру плавления 50...55°C, церезин – 65...80°C. Парафин по своим диэлектрическим свойствам несколько уступает церезину. Парафин и церезин применяются для пропитки трансформаторов, индуктивных катушек, бумажных и слюдяных конденсаторов. Недостатком восков являются невысокая механическая прочность.
Вазелúн (от франц. vaseline) также относится к воскообразным диэлектрикам и представляет собой однородную мазеобразную массу, смесь тяжёлого нефтяного масла и твёрдых углеводородов (парафина, церезина и др.). Вазелин применяется для пропитки бумажных конденсаторов и в качестве смазочного материала. Свойства конденсаторного вазелина: ; МВ/м; Ом·м.
8.5. Композиционные пластмассы и слоистые пластики
Композиционные пластмассы предназначены для изготовления деталей радиоэлектронной аппаратуры методом горячего или холодного прессования или литья под давлением в пресс-формах и состоят из связующих веществ и наполнителей. Также в массу добавляют красители и пластификаторы, которые повышают пластичность и уменьшают хрупкость материала.
Наполнители удешевляют пластмассу, улучшают механические характеристики изделия, в ряде случаев улучшают электрические свойства диэлектриков. В качестве наполнителей используют древесную муку, минерал каолúн, минерал тальк, кварцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно и т. д.
В зависимости от вида обработки и связующего различают пластмассы горячей прессовки, требующие при прессовке нагрева, и холодной прессовки, которые прессуются при нормальной температуре. Большинство пластмасс требуют горячего прессования. Эти пластмассы разделяются на:
1) термопластичные пластмассы (термопласты);
2) термореактивные пластмассы (реактопласты).
Связующие термопластичных масс горячего прессования сохраняют способность к повторному размягчению и растворению в растворителях. К термопластам относятся пластмассы на основе поливиниловых и полиамидных смол, эфиров целлюлозы и пр.
К термопластикам относятся пластмассы из полиэтилена, полистирола и других неполярных полимеров без наполнителей. Они обладают малым тангенсом угла потерь и сравнительно низкой нагревостойкостью. Пластмасса из поливинилхлорида без наполнителей и пластификаторов называется винипластом.
Связующие в термореактивных пластмассах после воздействия нагрева во время прессования переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. К реактопластам относятся пластмассы на основе феноло-формальдегидных, кремнийорганических и других термореактивных смол.
Композиционные пластмассы в радиоэлектронике применяются очень широко в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. Из них изготавливают корпусы радиоприёмников, телевизоров, измерительных приборов, ламповые панельки, рукоятки, кнопки, штепсельные разъёмы и др.
Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики.
Слоúстые плáстики – это конструкционные и электроизоляционные пластмассы, в которых наполнителями являются различные листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.
Гетинáкс – это слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Отличается высокими механическими и электроизоляционными свойствами.
Как правило, гетинакс получается посредством горячей прессовки прочной и нагревостойкой пропиточной бумаги, пропитанной бакелитом (резолом). В процессе прессования и нагревания до 160...165°C резол твердеет и переходит в резит. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал.
Гетинакс относится к сильнополярным диэлектрикам, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами. Слоистая структура гетинакса приводит к заметной анизотропии свойств. Удельное объёмное сопротивление гетинакса вдоль слоёв в 50...100 раз ниже, а электрическая прочность вдоль слоёв в 5...8 раз ниже, чем поперёк. Его параметры перпендикулярно слоям составляют: МВ/м; ; ; Ом·м.
Гетинакс применяется в аппаратостроении и в технике связи. Листовой электротехничесикй гетинакс выпускается восьми марок в зависимости от условий применения. Марки гетинакса обозначаются римскими цифрами от I до VIII. Гетинакс выпускают в листах шириной от 450 до 930 мм и длиной от 700 до 1430 мм. Номинальная толщина листов гетинакса находится в пределах от 0,2 до 50 мм.
Текстолúты – это слоистые пластики на основе ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Различают собственно текстолит, основой которого является хлопчатобумажная ткань, стеклотекстолит (на основе стеклоткани), асботекстолиты (на основе асбестовой ткани), органотекстолиты (на основе ткани из синтетических волокон). Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани близки к свойствам гетинакса. Текстолит в несколько раз дороже гетинакса, так как стоимость ткани выше стоимости бумаги. Текстолиты отличаются высокой прочностью, мало зависящей от температуры. Наиболее нагревостойкие, влагостойкие и механически прочные слоистые пластики – стеклотекстолиты на основе неорганической (стеклянной) ткани с нагревостойким (эпоксидным) связующим (марки СТЭФ).
Листы текстолита выпускаются шириной от 450 до 900 мм, длиной от 600 до 1480 мм, толщиной от 0,6 до 100 мм. Марки текстолита обозначаются буквами: А; Б; Г; ВЧ; ЛТ. В текстолитах марок А, Б, Г, ВЧ ткани пропитывают термореактивной фенолоформальдегидной или анилинфенолформальдегидной смолой; а в текстолитах марок ЛТ – эпоксидной смолой.
Стеклотекстолит выпускают в листах шириной от 450 до 1000 мм и длиной от 600 до 2000 мм. Толщина листов стеклотекстолита от 0,35 до 100 мм. Марки стеклотекстолита обозначаются буквами СТ, после которых могут следовать несколько букв и цифр, обозначающих конкретные свойства.
Для изготовления печатных плат низковольтных цепей аппаратуры используют фольгированные гетинакс и текстолит (стеклотекстолит). Такой материал облицован с одной или двух сторон электролитической красной медной фольгой толщиной 0,035...0,05 мм. Находят применение также многослойные печатные платы со множеством изолированных друг от друга слоёв медной фольги.
Марки фольгированного гетинакса обозначаются буквами ГФ, после которых через дефис следуют две группы цифр. Первая цифра обозначает количество фольгированных сторон: 1 – материал фольгирован с одной стороны; 2 – материал фольгирован с двух сторон. Следующие две цифры через дефис обозначают толщину фольги в микронах. Например, гетинакс фольгированный односторонний с толщиной фольги 0,035 мм обозначается ГФ-1-35; гетинакс фольгированный двусторонний с толщиной фольги 0,050 мм обозначается ГФ-2-50. В конце обозначения может стоять буква Г, если гетинакс облицован гальваностойкой фольгой. Фольгированный гетинакс выпускается в листах с размерами до 800×900 мм и толщиной: 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм.
Марки фольгированного стеклотекстолита обозначаются буквами СФ (буквы обозначают: С – стеклотекстолит; Ф – фольгированный), после которых через дефис следуют две группы цифр. Первая цифра обозначает количество фольгированных сторон: 1 – материал фольгирован с одной стороны; 2 – материал фольгирован с двух сторон. Следующие две цифры через дефис обозначают толщину фольги в микронах. Например, стеклотекстолит фольгированный односторонний с толщиной фольги 0,035 мм обозначается СФ-1-35; стеклотекстолит фольгированный двусторонний с толщиной фольги 0,050 мм обозначается СФ-2-50. После цифры, обозначающей количество фольгированных сторон, может стоять буква Н – для нагревостойкого стеклотекстолита. В конце обозначения может стоять буква Г, если стеклотекстолит облицован гальваностойкой фольгой. Фольгированный гетинакс выпускается в листах с размерами до 600×700 мм и толщиной: 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм.
8.6. Волокнистые непропитанные материалы
Волокнистые материалы – это материалы, которые состоят из частиц удлинённой формы – волокон. Диэлектрические волокнистые материалы могут быть:
1) природного происхождения;
2) синтетические.
К материалам природного происхождения относятся: бумаги и картоны; фибры; хлопчатобумажные, шёлковые и стеклянные нити, ленты и ткани из этих материалов. К синтетическим материалам относятся нити, ленты и ткани, полученные из высокополимерных материалов.
Электроизоляционные бумáги (от итал. bambagia – хлопок) – это листовой или рулонный материал коротковолокнистого строения, состоящий в основном из целлюлозы или из синтетических волокон, например из полиэфирных волокон. Обычная писчая бумага изготавливается из сульфитной целлюлозы, полученной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту H2SO3 (для удаления примесей – смол, солей и др.). Такая целлюлоза приобретает белый цвет. При изготовлении электроизоляционной бумаги, применяется сульфатная и натронная целлюлоза, получаемая путём варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий NaOH. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный неудалёнными красящими веществами древесины. Щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению, чем сульфитные бумаги, так как при щелочной варке исходная целлюлоза древесины в меньшей степени подвергается разрушению молекул и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон.
По назначению электроизоляционная бумага подразделяются на кабельную, телефонную, пропиточную, конденсаторную и микалентную.
Кабельная бумага предназначена для изоляции силовых кабелей и выпускается различных марок: К; КМ; КМП; КВ; КВМ; КВМС; КВМСУ. Буквы обозначают: К – кабельная; М – многослойная; П – упрочнённая или полупроводящая; В – высоковольтная; С – стабилизированная; У – уплотнённая; Т – термостойкая; Д - двухцветная. Одна буква К обозначает простую кабельную бумагу. После букв в обозначении марки бумаги указывается цифра, которая означает толщину бумаги в микронах. Бумага выпускается толщиной от 15 до 240 мкм в рулонах шириной до 750 мм.
Выпускается кабельная бумага следующих марок:
- для изоляции силовых кабелей на напряжения до 35 кВ – К; КМ; КМП;
- для изоляции силовых кабелей на напряжения до 500 кВ – КВМ; КВМС; КВМСУ;
- полупроводящая бумага для экранирования силовых кабелей и арматуры для них напряжением 110 кВ и выше – КПУ; КПДУ;
Бумага телефонная применяется для изоляции жил телефонных кабелей, изготовляется из древесной сульфатной целлюлозы и выпускается одной марки КТ-50 (бумага кабельная телефонная толщиной 50 мкм) в рулонах шириной до 750 мм.
Пропиточная бумага применяется для изготовления листового гетинакса и выпускается марок: ЭИП-50; ЭИП-63 и ЭИП-75. Числа в обозначении означают массу 1м2 бумаги в граммах; толщины этих бумаг соответственно равны 0,09; 0,11 и 0,13 мм.
Бумага конденсаторная в пропитанном виде применяется в качестве диэлектрика в бумажных конденсаторах, отличается большой плотностью и однородностью и является самой тонкой из всех электроизоляционных бумаг. Виды бумаг обозначаются: КОН – обычная конденсаторная бумага; СКОН – специальная улучшенного качества; МКОН – бумага с малыми диэлектрическими потерями. После обозначения вида указывается число, обозначающее марку бумаги в зависимости от её плотности: 0,8 – плотностью 0,8 г/см3; 1 – плотностью 1,0 г/см3; 2 – плотностью 1,2 г/см3; 3 – плотностью 1,3 г/см3. Конденсаторная бумага выпускается с номинальной толщиной для различных марок этих бумаг – от 4 до 30 мкм в рулонах шириной до 750 мм. Среднее пробивное напряжение конденсаторной бумаги в зависимости от толщины и марки составляет от 240 до 680 В.
Относительная диэлектрическая проницаемость пропитанной бумаги определяется по формуле:
, (8.1)
где – относительная диэлектрическая проницаемость пропиточной массы;
– относительная диэлектрическая проницаемость целлюлозы;
– объёмное содержание пор в непропитанной бумаге;
– объёмная масса сухой непропитанной бумаги;
Мг/м3 – плотность целлюлозы;
– объёмная усадка пропиточной массы при её застывании или отверждении.
При пропитке жидким диэлектриком, полностью вытесняющим воздух из пор бумаги можно принять . Для сухой непропитанной бумаги и .
Бумага для сухих электролитических конденсаторов изготавляется из облогороженной сульфатной целлюлозы и используется для прокладок в электролитических конденсаторах. Марка бумаги обозначается буквами КЭ, после которых ставятся цифры от 10 до 95, указывающие толщину бумаги в микронах.
Бумага электроизоляционная намоточная изготавливается из небелёной сульфатной целлюлозы и используется после покрытия её склеивающими веществами для производства намоточных электротехнических изделий. Выпускают три марки бумаги: ЭН-50; ЭН-70; ЭН-100. Цифры соответствуют средней толщине бумаги в микронах. Электрическая прочность бумаг составляет от 7,5 до 9 МВ/м в зависимости от марки бумаги.
Микалентная бумага производится из длинноволокнистого хлопка и применяется в качестве подложки микаленты. Она имеет толщину 20 мкм и выпускается в рулонах шириной 450 или 900 мм.
Электроизоляционный картóн (итал. cartone – картон, от carta – бумага) разновидность электроизоляционной бумаги (с большей толшиной), изготовляется из сульфатной небелёной целлюлозы с добавлением тряпичного волокна. Выпускаются электрокартоны следующих марок: ЭВ – для общих целей изоляции, а также изоляции в электрических машинах, электрооборудовании и электроаппаратах; ЭВТ – для изоляции деталей электрических машин и аппаратов; ЭВС – для пазовой изоляции автомобильных стартёров и других деталей автотракторного оборудования; ЭВП – для производства плёнкоэлектрокартона; ЭВА – для производства деталей автотракторного оборудования. Толщина картона от 0,1 до 3,0 мм.
Электоизоляционные картоны для трансформаторов и аппаратов изготовляют из небелёной сульфатной и хлопковой целлюлозы. Предназначены для работы в трансформаторном масле при температуре до 105°C, выпускаются в виде листов размерами от 1020×1000 до 3000×4000 мм марок АМ, А, Б, В, Г, и в виде рулона – марки Г. Технические свойства картонов: АМ – эластичный гибкий с высокой стойкостью к действию поверхностных разрядов, толщиной 2,0...3,0 мм; А – эластичный, гибкий с повышенной стойкостью к действию поверхностных разрядов, толщиной 2,0...3,0 мм; Б – картон средней плотности с повышенными электрическими характеристиками, толщиной 1,0...6,0 мм; В – картон повышенной плотности с малой сжимаемостью под давлением и высокой электрической прочностью, толщиной 2,0...3,0 мм; Г – картон средней плотности с повышенным сопротивлением расслаиванию, толщиной 0,5...3,0 мм, толщиной 0,5мм – рулонный шириной 1000 мм.
Фúбра листовая (от лат. fibra – волокно) – материал, изготовляемый пропиткой нескольких слоёв непроклеенной тряпичной бумаги концентрированным раствором хлорида цинка ZnCl2. При этом слои бумаги прилипают друг к другу, промываются водой и прессуются. Промывка фибры необходима для удаления остатков хлористого цинка, легко диссоциирующего на ионы и ухудшающего электроизоляционные свойства фибры. Фибра обладает сравнительно высокой плотностью, механической прочностью, хорошими технологическими свойствами. После размачивания в горячей воде фибра может формоваться. Повышенная гигроскопичность фибры может быть уменьшена пропиткой трансформаторным маслом или парафином.
Листовая фибра, применяемая в электромашиностроении, выпускается двух марок: ФЭ – фибра электротехническая для изготовления электроизолирующих деталей; ФТ – фибра техническая для изготовления конструкционных деталей в электромашиностроении. Фибра выпускается толщиной от 0,4 до 25 мм.
Электроизоляционные ткани получаются методами специальной обработки (прядение, тканьё) длинноволокнистого сырья и подразделяются на ткани хлопчатобумажные технические для электротехнической промышленности и стеклоткани.
Ткани хлопчатобумажные технические для электротехнической промышленности делятся на две группы: первая группа – это ткани для изготовления лакотканей. К этой группе относятся ткань ЭИ-1 и перкáли1 В и Б-Э. Вторая группа – ткани, предназначенные для изготовления слоистых пластиков (бязи2 Т1 и Т2, парусúна3 ЭТ) и резаных изоляционных лент (ткани ЭИ-3 и ЭИ-4 саржевого4 переплёта).
Стеклоткани изготовляются из кручённых комплексных нитей. Элементарные нити имеют диаметр от 3 до 10 мкм, получают их из алюмоборосиликатного стекла. Стеклоткани выпускают 4-х классов. Используют: 1-й класс для изготовления слоистых фольгированных пластиков; 2-й класс для изготовления стеклолакотканей; 3-й класс для изготовления стеклопластиков; 4-й класс для изготовления слюдяных листовых и рулонных материалов (слюдинитов, слюдопластов и миканитов). Стеклоткани негорючи и невоспламеняемы.
Марки стеклотканей обозначаются буквами и цифрами, которые означают: Э – ткань электроизоляционная; (с) – сетка-ткань разреженной структуры; цифы 1, 2, 3, 4 – класс; двух- и трёхзначные цифры – номинальную толщину ткани в микрометрах; в конце на третьем месте – индекс замасливателя. Отсутствие индекса замасливателя означает применение в этом качестве парафиновой эмульсии.
Стеклоткани выпускаются в рулонах шириной от 70 до 110 см.
Ткани асбéстовые изготовляют полотняным5, репсовым6 или саржевым4 переплетением асбестовых нитей. Используются асбестовые ткани в производстве слоистых пластиков.
В электротехнической промышленности применяют асбестовые ткани марок АТ-1С, АТ-1М, АТ-2, АТ-3, содержащих от 15,5 до 18,5% хлопка, и марки АЛТ-6, содержащей 30% лавсана. Изготовляют асбестовые ткани толщиной от 1,0 до 2,5 мм в рулонах шириной от 1040 до 1700 мм.
Электроизоляционные ленты подразделяются на ленты для электротехнической промышленности, ленты стеклянные и ленты асбестовые электро- и теплоизоляционные.
Ленты для электротехнической промышленности – это тканые полоски, изготовленные из хлопчатобумажной пряжи и полиэфирных нитей с разным переплетением. Соответственно различают киперные, тафтяные, батистовые и миткалевые ленты. В условном обозначении ленты на первом месте стоит буква: К – для киперной ленты; М – для миткалевой ленты; Б – для батистовой ленты; Т – для тафтяной ленты. На втором месте указывается ширина ленты в милиметрах. Выпускаются ленты шириной от 8 до 50 мм и толщиной от 0,12 до 0,45 мм.
Лента электроизоляционная стеклянная марки ЛЭС вырабатывается из крученых стеклянных комплексных нитей из алюмоборосиликатного стекла с применением замасливателя из парафиновой эмульсии. В обозначение ленты входят буквы: ЛЭС – лента электроизоляционная стеклянная, цифры: первая определяет толщину ленты, вторая – ширину в мм. Лента марки ЛЭС отличается от хлопчатобумажной ленты большей прочностью на разрыв, но меньшей прочностью на истирание. Выпускается лента шириной от 10 до 50 мм и толщиной 0,1; 0,15 и 0,2 мм.
8.7. Диэлектрические волокнистые пропитанные материалы
Диэлектрические волокнистые пропитанные материалы – это хлопчатобумажные, шёлковые, стеклянные и иные ткани или ленты с выокомолекулярными связующими. К таким материалам относятся лакоткани, стеклолакоткани и ленты электроизоляционные.
Лакоткань электроизоляционная изготавливается из хлопчатобумажной, шёлковой и капроновой ткани, пропитанной масляным или битумно-масляными электроизоляционными лаками. Ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая плёнка – электрическую прочность материала. По роду пропитывающего лака лакоткани подразделяются на светлые (жёлтые) – на масляных лаках и чёрные – на битумно-масляных лаках. Светлые лакоткани относительно стойки к действию органических растворителей и склонны к тепловому старению. Чёрные лакоткани обладают лучшими электроизоляционными свойствами и пониженной стойкостью к действию органических растворителей. Электрическая прочность лакотканей: светлых хлопчатобумажных 35...50 МВ/м, светлых шёлковых 22...90 МВ/м, чёрных хлопчатобумажных 50...60 МВ/м.
Буквы и цифры в обозначении марок лакотканей обозначают: Л – лакоткань; Х – хлопчатобумажная; Ш –шёлковая; К – капрновая; М (на третьем месте в обозначении) – на основе масляного лака; М (на четвёртом месте) – маслостойкая; Б – на основе битумно-масляного лака; С – специальная; число 105 – температура, характеризующая класс нагревостойкости лакоткани.
Лакоткани выпускаются в рулонах шириной от 700 до 1050 мм. Толщины различных лакотканей составляют: хлопчатобумажных от 0,15 до 0,30 мм, шёлковых от 0,04 до 0,15 мм, капроновых от 0,10 до 0,15 мм.
При пропитке бумаги лаками (обычно масляными) получаются лакобумаги, которые могут использоваться как заменитель лакоткани. Лакобумаги дешевле лакотканей и обладают повышенными электроизоляционными свойствами, но имеют меньшую механическую прочность.
Стеклолакоткани изготавливают из стеклянных тканей марки Э-2 толщиной от 0,043 до 0,125 мм и марки Э-27 толщиной до 0,04 мм, пропитанных электроизоляционными лаками. Стеклолакоткани обладают повышенной нагревостойкостью по сравнению с лакотканями. Стеклолакоткани, пропитанные раствором кремнийорганического каучука, обладают повышенной короностойкостью.
Буквы и цифры в наименовании марок стеклолакотканей обозначают: Л – лакоткань; С – стеклянная; М (на третьем месте в обозначении) – пропитанная масляным лаком; М (на четвёртом месте) – маслостойкая; Л (на третьем месте) – пропитанная лаком из продукта термической обработки синтетического каучука с добавлением эскапонового лака; Б – пропитанная битумно-масляно-алкидным лаком; П – пропитанная полиэфирноэпоксидным лаком; К – пропитанная кремнийорганическим лаком; У – пропитанная полиуретановым лаком; КР – кремнийорганическая резиновая; Л (на четвёртом месте) – липкая; цифры 105, 120, 130, 155, 180 – температура, характеризующая нагревостойкость стеклолакоткани; через дробь указываются пределы этих значений.
Лента электроизоляционная смоляная изготавливается из хлопчатобымажной ткани, пропитанной битумным составом, и предназначена для уплотнения мест вода кабелей и проводов в соединительных муфтах и коробках, для изоляции изолированных проводов в местах вязки, а также для защиты от влаги концов кабелей и проводов. Толщина ленты 0,6; 0,8; 1,0 мм, ширина ролика 30 и 60 мм. Диаметры ролика: наружный 160, внутренний 35 мм. Электрическая прочность для толщины 0,6 мм не ниже 1,5 МВ/м, для толщины 0,8...1,0 мм не ниже 2,5 МВ/м.
Лента липкая электроизоляционная на поликасиновом компаунде представляет собой нарезанную на полосы вдоль основы стеклолакоткань, пропитанную лаками из органического синтетического каучука, на которую с двух сторон нанесён слой клеящего поликасинового компаунда. Лента выпускается четырёх марок: ЛСППЛ; ЛСППЛМ; ЛСЭПЛ; ЛСЭПЛМ. Буквы в наименовании марок означают: Л (на первом месте) – лента; Л (на пятом месте) – липкая; С – стеклянная; П (на третьем месте) – поликасиновая стеклоткань; П (на четвёртом месте) – поликасиновый компаунд; Э – эскапоновая стеклолакоткань; М – для механизированного изолирования.
Лента выпускается в роликах диаметром 75 мм. Ширина роликов от 20 до 30 мм в зависимости от марки. Толщина ленты 0,14; 0,17; 0,19 мм. Электрическая прочность лент всех марок и толщин: средняя – 60 МВ/м; минимальная – 27 МВ/м.
Лента изоляционная прорезиненная изготавливается из миткалевой хлопчатобумажной ткани, промазанного липкой резиновой смесью с одной стороны (односторонняя лента) или с двух сторон (двухсторонняя лента). Применяют ленту для изоляции соединений в машинах малой мощности напряжением до 1000...1400В и аппаратах, а также при монтаже электроосветительных внутренних сетей. Лента выпускается пяти марок: 1ПОЛ, 2ПОЛ – ленты односторонняя и двухсторонняя обычной липкости промышленного применения на напряжения до 1000В; 1ШОЛ и 2ШОЛ – то же, но широкого (бытового) применения; 2ППЛ – лента двусторонняя повышенной липкости на напряжение до 1400 .
Изготавливается также ряд других пропитанных электроизоляционных лент.
8.8. Неорганические стёкла
Стеклó – это твёрдый аморфный прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при остывании расплава, содержащего стеклообразующие компоненты. Стеклообразующими компонентами являются такие компоненты, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло. В стёклах при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
По химическому составу неорганические стёкла подразделяются на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют только оксидные стёкла, основу которых составляют стеклообразующие окислы: SiO2, Ba2O3, GeO2, P2O5. Основу большинства стёкол составляет SiO2 благодаря высокой химической устойчивости стёкол, дешевизне и доступности сырья. Такие стёкла называются силикатными. Для придания определённых физических свойств, а также по технологическим причинам в состав стёкол входят и другие окислы: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3.
Сырьём для изготовления неорганических стёкол служат следующие материалы: кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, поташ K2CO3, известняк CaCO3, доломит CaCO3·MgCO3, сульфат натрия Na2SO4, бура Na2B4O7 , борная кислота H3BO3, сурик Pb3O4, полевой шпат Al3O3·6SiO2·K2O и другие. Сырьевые материалы измельчают, перемешивают и в виде шихты загружают в стекловаренную печь. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (H2O, CO2, SO3) из неё удаляются, а оставшиеся окислы химически реагируют между собой. В результате образуется однородная стеклянная масса, из которой получают листовое стекло и стеклянные изделия при быстром охлаждении. В случае медленного охлаждения происходит частичная кристаллизация – расстекловывание, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия обладают при этом невысокой механической прочностью. Формовку изделий из стекла выполняют путём выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, отливки и т. д.
Выше некоторой температуры, которая называется температурой стеклования , у стекла исчезает свойство хрупкости. При ещё более высокой температуре, которая называется температурой текучести , у стекла проявляется свойство текучести. Интервал температур между температурами стеклования и текучести называют интервалом размягчения, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Для большинства применяемых силикатных стёкол °С, а °С. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, так как легче отформовать изделия требуемой формы.
Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу при некоторой достаточно высокой температуре для устранения местных механических напряжений, возникших вследствие быстрого и неравномерного остывания, после чего медленно охлаждают.
Силикатные стёкла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты HF, которая их растворяет. Стойкость этих стёкол к действию щелочей значительно ниже.
Силикатные стёкла по своему составу и диэлектрическим свойствам подразделяют на три группы:
1) Бесщелочные стёкла. В стёклах этой группы отсутствуют окислы натрия и калия. Стёкла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но низкими технологическими свойствами. Из этих стёкол трудно изготавливать изделия сложной конфигурации с малыми допусками по размерам. В эту группу входит кварцевое1 стекло (плавленый кварц).
2) Щелочные стёкла без тяжёлых окислов или с незначительным их содержанием. Эти стёкла подразделяются на:
а) натриевые стёкла;
б) калиевые и калиево-натриевые стёкла.
В эту группу входит большинство обычных стёкол, которые отличаются пониженной нагревостойкостью, высокой технологичностью (легко обрабатываются при нагреве) и пониженными электрическими свойствами.
3) Щелочные стёкла с высоким содержанием тяжёлых окислов. В эту группу входят силикатно-свинцовые и бариевые стёкла. Эти стёкла обладают удовлетворительной обрабатываемостью и повышенными электрическими свойствами.
Кварцевое стекло получается из чистой двуокиси кремния при температурах выше 1700°С, имеет очень узкий интервал размягчения и высокую вязкостью даже при температурах выше1700°С, поэтому характеризуется низкой технологичностью.
Основу микроструктуры кварцевого стекла составляют кремний-кислородные тетраэдры [SiO4]4–, которые соединяются друг с другом через кислородные ионы, образуя сплошные трёхмерные сетки без дальнего порядка (периодичности) (рисунок 8.1,а).
Кварцевое стекло имеет сравнительно малый коэффициент линейного расширения, обладает более высоким пределом прочности по сравнению с другими стёклами, обладает высокой нагревостойкостью и химической инертностью к действию большинства реактивов. Поэтому кварцевое стекло находит широкое применение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала (реакторы, ампулы, тигли и т. п.).
Кварцевое стекло прозрачно для излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра вплоть до длины волны 4 мкм. Поэтому из него изготавливают линзы, призмы, баллоны ламп ультрафиолетового излучения и др.
По электрическим свойствам кварцевое стекло относится к хорошим высокочастотным диэлектрикам с параметрами: ; Ом·м; на частоте Гц.
С целью улучшения технологических характеристик в состав стёкол добавляют окислы щелочных металлов. При этом ухудшаются электрические свойства стёкол: снижается удельное сопротивление, возрастают диэлектрические потери. Это связано с разрыхлением пространственной сетки материала, обрывом связей кислородного каркаса и образованием так называемых тупиковых ветвей (рисунок 8.1,б).
Слабосвязанные щелочные ионы в результате воздействия температуры и внешнего электрического поля могут перемещаться из одной ячейки пространственной сетки в другую, обуславливая ионно-релаксационную поляризацию и повышая диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь с повышением концентрации ионов и с повышением температуры. Одновременно снижается удельное сопротивление материала, так как возрастает количество ионов, участвующих в процессе электропроводности. Ионы с меньшим размером обладают большей подвижностью и больше повышают электропроводность стекла. Ион натрия имеет меньший размер, чем ион калия, поэтому отрицательное влияние Na2O на электрические свойства стекла выражено сильнее, чем влияние K2O.
Атомы многовалентного металла, встраиваясь в структурную сетку стекла, не образуют тупиковых ветвей, поэтому увеличение концентрации атомов многовалентного металла не приводит к возрастанию релаксационных потерь.
В однородном электрическом поле прочность стекла очень велика и может достикать 500 МВ/м. Пробой стекла носит тепловой характер.
По техническому назначению стёкла подразделяются на:
1) электровакуумные стёкла;
2) изоляторные стёкла;
3) цветные стёкла и стеклоэмали;
4) лазерные стёкла;
5) стекловолокно;
6) световоды.
Электровакуумные стёкла предназначены для изготовления из них баллонов и других деталей электровакуумных приборов. Электровакуумные стёкла и соединяемые с ними материалы должны обладать примерно одинаковыми значениями температурного коэффициента линейного расширения . В зависимости от значения электровакуумные стёкла подразделяются на:
а) платиновые (платинитовые) – с K–1;
б) молибденовые – с K–1;
в) вольфрамовые – с K–1,
где названия «платиновое», «молибденовое» и «вольфрамовое» определяется не составо стекла, а близостью этих стёкол к соответственно платины, молибдена и вольфрама.
По химическому составу электровакуумные стёкла относятся к группе боросиликатных (B2O3 + SiO2) или алюмосиликатных (Al2O3 + SiO2) материалов с добавками щелочных окислов.
В обозначении марки электровакуумного стекла после буквы С ставится число, характеризующее , затем число, обозначающее серию разработки. Например, марка С89-5 характеризует стекло с K–1 серии 5.
Изоляторные стёкла предназначены для изготовления из них герметизированных вводов в металлические корпусы различных электроприборов (конденсаторов, диодов, транзисторов и др.). Обычно в качестве материала таких проходных изоляторов используют щелочное силикатное стекло.
Цветные стёкла предназначены для изготовления из них светофильтров, стеклоэмалей и глазури. Цветные стёкла получают из обычных силикатных стёкол, прозрачных для излучения в видимой части спектра, путём внесения добавок, которые придают определённую окраску: CaO – синюю, Cr2O3 – зелёную, MgO2 – фиолетовую и коричневую, UO3 – жёлтую и т. д.
Стеклоэмалями называются стёкла, наносимые тонким слоем на поверхность металлических или других предметов с целью защиты от коррозии, придания определённой окраски и улучшения внешнего вида, создания отражающей поверхности. Стеклоэмали получаются сплавлением шихты, выливанием расплавленной массы тонкой струёй в холодную воду и размолом образовавшегося материала в тонкий порошок. Порошок наносится на предмет и оплавляется в печи до образования прочного стекловидного слоя. Подобным способом эмалируются трубчатые резисторы. В этих резисторах на наружную поверхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка из нихрома или константана, поверх которой наплавляется слой эмали, создающий изоляцию между отдельными витками обмотки и окружающими предметами и защищающий обмотку от влаги, загрязнения и окисления.
Лазерные стёкла предназначены для изготовления из них рабочего тела твердотельных лазеров. Особенностью этих стёкол является наличие в их составе активных ионов (активаторов люминесценции), которые выполняют функцию центров, генерирующих излучение. Наиболее часто применяют баритовый крон (BaO – K2O – SiO2), активированный ионами неодúма Nd 3+.
Стекловолокно – это тонкие волокна диаметром от 3 до 10 мкм, обладающие хорошей гибкостью и повышенной механической прочностью, изготавливаемые из щелочных алюмосиликатных, бесщелочных и малощелочных алюмоборосиликатных стёкол. Стекловолокно получают из расплавленной стекломассы методом вытяжки через фильéру1 с последующей быстрой намоткой на вращающийся барабан. Большая гибкость и прочность стекловолокна обусловлены ориентацией частиц поверхностного слоя стекла при вытягивании стекловолокна из расплавленной стекломассы и его быстром охлаждении. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани и ленты. Стеклянная волокнистая изоляция отличается высокой нагревостойкостью, значительной механической прочногстью, малой гигроскопичностью, хорошими электроизоляционными свойствами.
Световóды – это устройства для направленной передачи световой энергии от источника к приёмнику излучения. Стеклянный световод представляет собой тонкую нить, сердцевина которой имеет показатель преломления больше, чем светоотражающая оболочка. Свет в световоде распространяется в результате полного внутреннего отражения от границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью световодов называется волоконной оптикой, которая является составной частью оптоэлектроники.
8.9. Ситаллы
Ситáллы (сокращение слов силикат и кристалл) – это стеклокристаллические материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз1, равномерно распределённых в стекловидной фазе.
Ситаллы получаются путём кристаллизации стёкол специального состава и занимают промежуточное положение между обычными стёклами и керамикой, поэтому их иногда называют стеклокерамикой. Ситаллы отличаются от стёкол тем, что имеют кристаллическое строение и непрозрачны, а от керамики – значительно меньшими размерами кристаллических зёрен.
Получают ситаллы путём двухступенчатой термообработки изделия из обычного стекла. Сначала изделие нагревают до 500...700°C, при этом происходит образование зародышей кристаллизации. Далее при температуре 900...1100°C происходит развитие кристаллических фаз. Содержание кристаллических фаз в конце технологического процесса достигает 95%. Размеры кристаллов достигают 0,05...1 мкм.
Кристаллизация стекла может быть обусловлена двумя процессами:
В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входящих в состав стекла, под влиянием ультрафиолетового облучения с последующей термообработкой (своего рода проявлением). Образующиеся ситаллы в этом случае называются фотоситаллами (фотокерамами). Закристаллизованные участки значительно легче растворяются в плавиковой кислоте, нежели стеклообразные области. Это свойство используется для получения в изделии отверстий и выемок путём локальной кристаллизации с последующим проявлением и травлением.
Во втором случае в стекломассу добавляют катализаторы, стимулирующие кристаллизацию. К таким катализаторам относятся соединения: TiO2, FeS, B2O3, Cr2O3, V2O5, фториды и фосфиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Изделие в этом случае не облучается. Получаемые таким способом ситаллы называются термоситаллами.
Ситаллы представляют собой плотные материалы различного цвета: от белого до коричневого. Они отличаются повышенной механической прочностью, твёрдостью, химической и термической стойкостью, высокой теплопроводностью и удовлетвориткльными электрическими характеристиками.
По техническому назначению ситаллы подразделяются на:
Установочные ситаллы широко используются в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов (например, тонкоплёночных резисторов), деталей СВЧ-приборов и некоторых типов электронных ламп.
Конденсаторные ситаллы используются в конденсаторах в качестве диэлектрика. По сравнению с керамическими конденсаторами ситалловые конденсаторы обладают повышенной электрической прочностью.
8.10. Керамика
Керáмика (греч. keramikē – гончарное искусство, от kéramos – глина) – это изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и других неорганических соединений. В настоящее время под керамикой понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами, прошедшие высокотемпературный обжиг.
Керамический материал может состоять из следующих фаз:
1) кристаллической фазы, образующейся из различных химических соединений и тёрдых растворов этих соединений;
2) стекловидной фазы, представляющей собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу;
3) газовой фазы, представляющей собой газы в закрытых порах.
Технология керамического производства состоит из следующих операций:
1) тонкое измельчение и смешивание исходных компонентов в шаровых и вибрационных мельницах;
2) пластификация массы органическими пластификаторами (поливиниловый спирт, парафин) и образование формовочного полуфабриката;
3) формование заготовок из пластифицированной массы методом прессования, выдавливанием через мундштук или горячим литьём под давлением;
4) спекание изделий в муфельных или туннельных электропечах при температуре 1300°C и выше (высокотемпературный обжиг).
При спекании происходит выжигание пластификатора, завершаются химические реакции между компонентами.
Диэлектрические керамические материалы по техническому назначению подразделяются на:
Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов и конструкционных деталей: опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др.
Конденсаторная керамика применяется для производства низкочастотных и высокочастотных конденсаторов низкого и высокого напряжения.
По электрическим свойствам установочную керамику можно разделить на низкочастотную, среднечастотную и высокочастотную.
К низкочастотной установочной керамике относится электротехнический изоляторный фарфóр (от тур. farfur), сырьём для изготовления которого являются специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную кристаллическую фазу – муллúт (3Al2O3·2SiO2). Промежутки между кристаллическими зёрнами заполяются стекловидной фазой, возникающей за счёт расплавления полевого шпата. Наличие стеклофазы обуславоивает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницаемость, высокую электрическую и механическую прочность. Однако большое содержание щелочных окислов в стеклофазе обуславливают значительные диэлектрические потери (), что затрудняет использование этого материала на высоких частотах.
К среднечастотной установочной керамике относится радиофарфор, который обладает лучшими электрическими свойствами по сравнению с изоляторным фарфором благодаря введению в состав шихты тяжёлой окиси бария BaO, резко снижающей диэлектрические потери и проводимость стекловидной фазы.
К высокочастотной установочной керамике относятся ультрафарфор, алюминоксид, поликор, брокерит, цельзиановая керамика, стеатитовая керамика и форстеритовая керамика.
Ультрафарфор отличается от радиофарфора высоким (более 80%) содержанием глинозёма (окиси алюминия Al2O3), а точнее, его α-модификации α-Al2O3 (корунда). Ультрафарфор обладает более низкими диэлектрическими потерями, более лучшими электроизоляционными свойствами и более высокой механической прочностью, чем обычный электротехнический фарфор, а также обладает удовлетворительными технологическими параметрами. Такое сочетание свойств обусловлено наличием в ультрафарфоре бариевого стекла, которое улучшает электрические свойства материала и повышает плотность керамики вследствие образования жидкой фазы в процессе обжига при относительно невысоких температурах (1360...1370°C).
Алюминоксид представляет собой корундовую керамику с содержанием глинозёма 95...99%. Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями при повышенных температурах, однако обладает большой абразивностью, непластичен и отличается сравнительно высокой температурой спекания (до 1750°C). Керамика из алюминоксида применяется в качестве изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем, а также в качестве внутриламповых изоляторов, выдерживающих значительные перепады температур.
Поликор является разновидностью алюминоксида, обладающей особо плотной структурой (близкой к теоретической для Al2O3). В отличие от обычной корундовой керамики поликор прозрачен, поэтому он применяется для изготовления колб специальных источников света. Поликор применяется для изготовления подложек для осаждения пассивных элементов в гибридных интегральных микросхемах, так как благодаря его высокой плотности можно получить высокую чистоту обработки поверхности. Керамические подложки по сравнению со стеклянными и ситалловыми обладают высокой теплопроводностью, что повышает допустимую рассеиваемую мощность тонкоплёночных элементов.
Брокеритом называют керамику на основе окиси бериллия (95...99% BeO). Брокерит обладает хорошими электрическими параметрами, имеет высокую теплопроводность и применяется для изготовления подложек интегральных микросхем и в особо мощных приборах СВЧ. Недостатком брокерита является токсичность порошкообразной окиси бериллия BeO, что усложняет технологию его изготовления.
Цельзиановая керамика получается путём обжига смеси синтезированного соединения цельзиана (BaO·Al2O3·2SiO2), углекислого бария BaCO3 и каолина (Al2O3·2SiO2·2H2O), в результате чего образуется кристаллическая фаза цельзиана и бариевое алюмосиликатное стекло. Цельзиановая керамика обладает очень низким температурным коэффициентом линейного расширения, незначительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости и повышенной электрической прочностью (до 45 МВ/м). Недостатком цельзиановой керамики является сравнительно невысокая механическая прочность. Цельзиановая керамика применяется для изготовления каркасов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и высокочастотных конденсаторов.
Стеатитовая керамика получается на основе природного минерала – талька (3MgO·4SiO2·H2O), при обжиге которого образуется кристаллическая фаза силиката магния – клиноэнстатит (MgO·2SiO2). Стеатитовая керамика обладает малой абразивностью и незначительной усадкой, поэтому из неё удобно изготавливать мелкие детали с повышенной точностью. Недостатком стеатита является невысокая стойкость к резким перепадам температуры. Стеатитовая керамика применяется для изготовления высокочастотных проходных изоляторов, деталей корпусов полупроводниковых приборов, внутриламповых изоляторов.
Форстеритовая керамика (2MgO·2SiO2) применяется для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов.
К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Конденсаторная керамика подразделяется на низкочастотную и высокочастотную.
Низкочастотная конденсаторная керамика имеет высокую диэлектрическую проницаемость () и на частоте 1000 Гц. Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария BaTiO3 и твёрдые растворы на его основе с сегнетоэлектрическими свойствами (конденсаторная сегнетокерамика). Эти материалы отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости и её нелинейной зависимостью от напряжённости электрического поля.
Высокочастотная конденсаторная керамика имеет и на частоте 1МГц. Основу высокочастотной конденсаторной керамики составляют титанатовые керамические диэлектрики (тиконды): керамика на основе минерала рутúла (TiO2), перовскита (CaTiO3), титаната стронция (SrTiO3). Титанатовая керамика обладает высоким отрицательным значением температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Для повышения температурной стабильности в керамику вводят кристаллообразующие компоненты с положительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости. Такие титанатовые диэлектрики называются термокомпенсированными. К таким термокомпенсированным материалам относятся титаноциркониевая керамика (твёрдые растворы TiO2–ZrO2, CaTiO3–CaZrO3), лантановая керамика (LaAlO3–CaTiO3), станнатная керамика (кристаллическая фаза – твёрдые растворы станната кальция CaSnO3, титаната кальция CaTiO3 и цирконата кальция CaZrO3). Станнатная керамика более устойчива к длительному воздействию постоянного напряжения, чем титанатовая керамика.
В качестве конденсаторных материалов в ряде случаев используются некоторые виды установочной керамики (ультраварфор, стеатит, цельзиановая керамика).
8.11. Слюда и слюдяные материалы
Слюды – это группа породообразующих минералов (алюмосиликатов) подкласса слоистых силикатов сложного и непостоянного состава (мусковит, флогопит и другие).
Химический состав мусковúта выражается формулой:
K2O·Al2O3·6SiO2·2H2O,
химический состав флогопúта:
K2O·6MgO·Al2O3·6SiO2·2H2O.
В слюды также могут входить соединения железа, натрия, кальция и др.
По электрическим свойствам мусковит лучше флогопита, более того, он более прочен механически, более твёрд, гибок и упруг, чем флогопит.
Слюда в природе встречается в виде кристаллов, способных легко расщепляться на пластинки по параллельным друг другу плоскостям. Вдоль этих плоскостей электроизоляционные свойства слюд значительно хуже, чем в направлении перпендикулярно плоскостям. В направлении перпендикулярно плоскостям расщипления мусковит обладает свойствами: ; на частоте 1МГц; Ом·м; МВ/м при изменении толщины от 1 до 0,1 мм.
Слюды обладают высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью, и применяются в качестве изоляции электрических машин и в качестве диэлектрика в некоторых конструкциях конденсаторов (конденсаторная слюда).
При нагревании слюды до температуры 200...800°C слюда обезвоживается, механические и электрические свойства её ухудшаются. Температура плавления слюды от 1145 до 1400°C в зависимости от состава. Расплавленная слюда при застывании не образует кристаллов прежнего состава. Полученный после остывания расплава стекловидный материал не является слюдой.
К слюдосодержащим материалам относятся миканиты, слюдиниты и слюдопласты.
Миканиты – это 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 необходима для повышения прочности материала на разрыв и закрепления отдельных лепестков слюды при изгибе материала.
Миканиты имеют условные обозначения, состоящие из двух или трёх букв, иногда с добавлением цифры. Первая буква обозначает тип миканита: К – коллекторный; П – прокладочный; Ф – формовочный; Г – гибкий; М – микафолий; Л – микалента. Вторая буква обозначает тип используемой слюды: М – мусковит; Ф – флогопит; С – смесь мусковита и флогопита. Третья буква и последующие цифры обозначают вид клеящего вещества и дополнительные характеристики материала.
Коллекторный миканит применяют в виде штампованных заготовок, которые прокладываются между медными пластинами коллекторов электрических машин.
Прокладочный миканит применяется для изготовления электроизоляционных прокладок, шайб и т. п.
Формовочные миканиты при нормальной температуре тверды, но при нагреве принимают ту или иную форму, которую сохраняют при охлаждении. Имеют связующее – кремнийорганическую смолу в количестве от 5 до 20%. Применяется для изготовления коллекторных манжет, каркасов катушек и других фасонных изделий.
Микафолий – это разновидность формовочного миканита. Имеет с одной стороны подложку из бумаги или из стеклоткани и применяется для изготовления твёрдой изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напряжения.
Микалента предназначена для изоляции различных частей электрических машин и аппаратов. Микалента клеится из щепаной слюды в один слой, с перекрытием пластин на одну треть и имеет с обоих сторон подложки из стеклоткани или из микалентной бумаги. Толщина микаленты 0,1; 0,12; 0,15; и 0,17 мм. Микалента выпускается в роликах шириной от 10 до 35 мм.
Нагревостойкий миканит не содержит органических веществ и применяется для изоляции электронагревательных приборов при температуре несколко сот градусов.
Слюдиниты – это одна из разновидностей так называемых слюдяных бумаг толщиной от 10 до 150 мкм, которая изготавливается из измельчённой слюды на бумагоделательных машинах. Слюда предварительно подвергается термообработке при температуре до 900°C, в результате чего кристаллы слюды теряют входящую в их состав воду и сильно вспучиваются. Электрическая прочность слюдинитов в сухом состоянии 15...20 МВ/м. Бумага разрушается при соприкосновении с водой или другими полярными жидкостями. При пропитке и склеивании слюдинитов получают листовые слюдиниты (коллекторный, формовочный), слюдинитофолий (рулонный материал из слюдинитовой бумаги на целлюлозном слое, пропитанный лаком) и слюдинитовые ленты, которые по свойствам близки соответственно к миканитам, микафолию, микаленте, и могут их заменять. Однако слюдинитовые материалы имеют более низкую влагостойкость и малое удлинение перед разрывом, чем миканиты.
Слюдопласты это разновидность слюдяных бумаг толщиной от 0,2 до 0,4 мм, которые изготавливаются на бумагоделательной машине из измельчённых чешуек слюды. На основе слюдопластовых бумаг с использованием связующих или подложек изготавливаются коллекторный, прокладочный, формовочный слюдопласты, а также стеклослюдопласт, слюдопластофолий, слюдопластовая лента и др. Слюдопласты имеют более высокую механическую прочность и более высокую короностойкость по сравнению со слюдинитами.
Синтетическую слюду (фторфлогопит) получают путём расплавления шихты специально подобранного химического состава с последующей кристаллизацией расплава при очень медленном охлаждении. В результате получаются кристаллы сравнительно малых размеров. По составу фторфлогопит отличается от флогопита тем, что в нём гидроксильные группы OH заменены атомами фтора. Синтетическая слюда обладает более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью, радиационной стойкостью, чем природный флогопит. Фторфлогопит применяется для изготовления штампованных деталей, работающих в интервале температур от минус 200°C до плюс 800°C.
8.12. Асбест и асбестовые материалы
Асбéст (от греч. ásbestos – неугасимый) (горный лён) – обобщённое название минералов класса силикатов, обладающих тонковолокнистым строением. Наиболее распространённый тип асбеста – хризотиловый (хризотúл-асбéст), представляющий собой волокнистую разновидность минерала хризотила 3MgO·2SiO2·2H2O. Асбест залегает в каменной породе в виде жил, состоящих из параллельных друг другу волокон. Длина волокна, равная толщине жил, в среднем колеблется от 0,1 мм до 100 мм.
Преимуществом асбеста перед волокнистыми органическими материалами является высокая нагревостойкость. При температуре 400...500°C асбест обезвоживается, изменяет свою кристаллическую структуру и теряет механическую прочность. Плавится асбест при температурах 1150...1500°C.
Асбест обладает невысокими диэлектрическими свойствами, поэтому он не применяется в изоляции для высоких напряжений и высоких частот. Из асбеста изготавливают пряжу, ленту, ткани, бумагу, картоны и другие изделия. Эти изделия сравнительно грубые, жёсткие и толстые по сравнению с аналогичными минералами из органических волокон. В последнее время асбест в виде текстильных электроизоляционных изделий часто заменяют стеклянным волокном, которое также имеет высокую нагревостойкость, но обладает лучшими электроизоляционными свойствами и образует изоляцию меньшей толщины.
Асбест в качестве волокнистого наполнителя входит в состав пластических масс с органическими связующими, образуя термостойкие пластмассы – асбоплáстики. Асбопластики имеют более высокие нагревостойкость и механическую прочность по сравнению с аналогичными пластмассами с органическим наполнителем. Из асбестовой бумаги и ткани изготавливают слоистые асбопластики – асбогетинакс и асботекстолит.
Асбестоцемéнт (асбоцемент) – твёрдый материал холодной прессовки неорганического состава, в котором наполнителем является асбест, а связующим – цемент. При изготовлении асбестоцемента асбестовое волокно смешивают с цементом и водой и прессуют, причём цемент твердеет под действием воды и прочно соединяет волокна асбеста. Асбестоцемент выпускается в виде досок толщиной 4...40 мм, труб и фасонных изделий. Асбестоцемент имеет неплохие механические свойства, высокую нагревостойкость, искростоек и дугостоек, поэтому он применяется для изготовления распределительных досок и щитов, стоек искрогасительных камер и перегородок.
1 Йёнс Якоб Берцéлиус (1779 ÷ 1884) – шведский химик и минеролог.
2 Радикáл (от лат. radix – корень) – способствующий коренным и активным действиям.
1 Гигроскопичность (гигро... – от греч. hygrós – влажный; греч. skopéō – наблюдаю) – способность материала или веществ поглащать влагу из окружающей среды (обычно пары воды из воздуха).
1 Коагуляция (от лат. coagulatio – свёртывание, сгущение) – слипание коллоидных частиц при их столкновении.
1 Асфáльт (от греч. ásphaltos – горная смола) – смесь битумов с минеральными веществами (известняком, песчаником и др.).
1 Гудрóн (от франц. goudron) – чёрная смолистая масса, остаток после отгонки из нефти топливных и масляных фракций. Используется для получения нефтяных битумов.
1 Бакелúт – устаревшее название резола (по имени Л. Бакеланда).
1 Перкáль (франц. percale) – тонкая хлопчатобумажная техническая ткань из некручёной пряжи. Применяется при изготовлении текстолита, парашютов и т. д.
2Бязь (араб.) – плотная хлопчатобумажная ткань, в которой продольные нити тоньше поперечных нитей.
3 Парусúна – тяжёлая плотная ткань из толстой пряжи.
4Сáржа (от лат. sericus – шёлковый) – хлопчатобумажная или из химического волокна ткань с наклонными рубчиками на лицевой поверхности.
5 Полотнó – ткань, выработанная из нитей продольных и поперечных одинаковой толщины и плотности.
6 Репс (англ. reps) – ткань, у которой лицевая сторона и изнанка покрыты рубчиками, образующимися из-за значительно меньшей толщины и большей плотности продольных нитей, чем поперечных.
1 Кварц – видоизменённое германское название минерала двуокиси кремния.
1 Фильéра (франц. filière, от fil – волокно, нить) – деталь машин в виде колпачка или пластины с отверстиями диаметром 0,06...0,8 мм для формования химических волокон.
1 Фáза (от греч. phásis – появление) – однородная по химическому составу и химическим свойствам часть термодинамической системы, отделённая от других частей (фаз), имеющих другие свойства, границами раздела, на которых происходит изменение свойств.