Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электрические станции» С.П. Ржевская ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ДИЭЛЕКТРИКИ Курс лекций М и н с к 2009 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электрические станции» С.П. Ржевская ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ДИЭЛЕКТРИКИ Курс лекций М и н ск 2 0 0 9 УДК 621.3.002.3 (075.8) ДЕКИ Ш 1 Р 48 Р е ц е н з е н т ы : Е.В. Калентионок, А.А. Гончар Ржевская, С.П. Р 48 Электрические материалы. Диэлектрики: курс лекций / С.П. Ржев­ ская. - Минск: БИТУ, 2009. - 142 с. ISBN 978-985-479-966-7. В данном конспекте лекций изложены основы физики явлений, происходящих в диэлектрических материалах, а также их физико­ химические и электрические свойства. Рассмотрены основные элек­ трические параметры диэлектриков и методы их измерения. Даны сведения о технологии производства важнейших электроизоляцион­ ных материалов и их применении. Конспект предназначен для студентов специальностей 1-43 01 01 «Электрические станции», 1-43 01 02 «Электроэнергетические сис­ темы и сети», 1-43 01 03 «Электроснабжение», 1-53 01 05 «Автома­ тизированные электроприводы». УДК 621.3.002.3 (075.8) ББК 31,23я7 ISBN 978-985-479-966-7 © Ржевская С.П., 2009 О БНТУ, 2009 СОДЕРЖАНТ Введение.................................................................................................... 1. Общие сведения о строении вещества........................................ 1.1. Виды химической связи........................................................ 1.2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Основы зонной теории................................................................... 2. Физические процессы в диэлектриках в электрическом поле.. 2.1. Поляризация диэлектриков................................................... 2.2. Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость диэлектриков...................................................... 2.3. Электропроводность и токи диэлектриков......................... 2.3.1.Электропроводность газов............................................ 2.3.2. Электропроводность жидкостей................................. 2.3.3. Электропроводность твердых диэлектриков............ 2.3.4. Измерение объемного (Rv) и поверхностного (Rs) сопротивлений диэлектриков............................................... 2.4. Диэлектрические потери...................................................... 2.4.1.Диэлектрические потери в газах.................................. 2.4.2.Диэлектрические потери в жидких диэлектриках.. . . 2.4.3.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках ... 2.4.4.Измерение диэлектрических потерь.................. 2.5. Пробой диэлектриков............................................................ 2.5.1.Виды (теории) пробоя................................................... 2.5.2. Пробой газов........................................................ 2.5.3. Пробой жидких диэлектриков..................................... 2.5.4. Пробой твердых диэлектриков................................... 3. Диэлектрики.................................................................................. 3.1. Г азы в качестве электрической изоляции........................... 3.2. Жидкие диэлектрики............................................................. 3.2.1. Минеральные (нефтяные) масла................................ 3.2.2. Синтетические жидкие диэлектрики......................... 3.3. Твердые электроизоляционные материалы......................... 3.3.1. Состав и структурные формы полимеров.................. 3.3.2. Методы получения полимеров................................... 3.3.3. Полимеры с малыми диэлектрическими потерями (неполярные)........................................................................... . 3 . 6 . б . 9 15 15 21 о*;х. 27 28 30 32 3 * 36 37 38 40 43 44 44 48 50 56 56 58 59 63 66 67 69 71 3 3.3.4. Полимеры с повышенными диэлектрическими потерями (полярные).............................................................. 79 3.3.5. Элементоорганические полимеры.................................92 3.3.6. Волокнистые материалы.............................................. 95 3.3.7. Композиционные материалы (пластмассы). Слоистые пластики. Электроизоляционные лаки, клеи и компаунды..................................................................... 99 3.3.8. Эластомеры................................................................. 107 3.3.9. Основные способы изготовления изделий из полимеров и пластмасс................................................... 111 3.4. Твердые неорганические электроизоляционные материалы.................................................................................... 115 3.4.1. Электроизоляционные стекла................................... 116 3.4.2. Ситаллы........................................................................ 125 3.4.3. Керамические материалы.......................................... 128 3.4.4. Слюда и материалы на ее основе.............................. 134 Литература......................................................................................... 141 4 ВВЕДЕНИЕ К электротехническим материалам относятся: - проводники, служащие для прохождения электрического тока; - диэлектрики, используемые в основном для изоляции провод­ ников, а также в конденсаторах; - полупроводниковые материалы для приборов и устройств электроники; - магнитные материалы для создания или усиления магнитно­ го поля. Современные материалы должны удовлетворять следующим ос­ новным требованиям: они должны быть долговечны, надежны, тех­ нологичны, экологически чисты и по возможности недефицитны. Правильное применение этих материалов позволяет решить ряд сложных технических задач, увеличить надежность электротехни­ ческих устройств, уменьшить их габариты и вес. Благодаря прогрессу в области изучения свойств материалов и разработке новых технологий создались совершенно новые отрасли науки и техники. Это микроэлектроника, оптоэлектроника и созда­ ние волоконнооптических линий связи. И, наконец появилась со­ всем новая отрасль прикладной науки и техники - нанотехнологии. Каждый новый технический прогресс базируется на трех основах: физика - материал - технология. В связи с этим, дисциплина «Электротехнические материалы» решает следующие задачи: 1) изучение физических процессов, происходящих в материалах, и установление взаимосвязи между микростроением вещества и его макроскопическими свойствами; 2) классификация материалов по их основным электрофизиче­ ским свойствам, составу и назначению; 3) рассмотрение основных характеристик материалов с целью оценки пригодности материала к использованию в электротехниче­ ских устройствах и установках; 4) изучение основных особенностей технологии изготовления материалов. 5 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА 1.1. Виды химический связи. 1.2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Основы зонной теории. 1.1. Виды химической связи Основными элементарными частицами, из которых состоят все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Электроны за­ полняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. В основе современной квантовой теории строения атомов и мо­ лекул лежит представление о двойственной природе микрообъектов (электронов) - они обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией де Бройля; причем в атоме разре­ шенными для электрона орбитами являются только те, на которые (2кг) укладывается только целое число длин волн де Бройля, т.е. 2 кг = Х- п, где п = 1,2,3,...,5. Расчеты показывают, что энергия элек­ трона минимальна, если он движется в пределах сферы радиуса г о = 0,529-10'1Ом, причем его точное положение внутри данной сфе­ ры принципиально не может быть указано. При г < г0 энергия элек­ трона возрастает (рис. 1). £ ,эВ Рис. 1. Зависимость энергии (Е) электрона от радиуса (г) области, в которой происходит движение Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ио­ нов. Размеры атома порядка Ю'10 м. 6 Известно, что наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами, - это молекула. Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой в одно целое междуатомными силами, которые называют хи­ мическими связями. Экспериментальные факты свидетельствуют, что силы между- атомного взаимодействия в молекулах возникают между внешними (валентными) электронами, поскольку эти электроны менее связаны с ядром и потенциалы ионизации их значительно меньше, чем у электронов, расположенных на внутренних оболочках. Энергией ионизации называется энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из нейтрального атома или моле­ кулы. Энергия ионизации (Эи), отнесенная к заряду электрона q, называется потенциалом ионизации (ионизационным потенциалом) [/и; Ш = Эиtq. Различают несколько видов химической связи. Гетерополярная (ионная) связь Простейшее объяснение этого вида связи заключается в том, что между внешними (валентными) электронами атомов возникают электрические силы взаимодействия. Непременным условием ус­ тойчивости молекулы в этом случае будет способность атомов удерживать валентные электроны. Атомы с низкой энергией иони­ зации легко отдают один или несколько электронов, превращаясь при этом в положительные ионы. Атомы, способные захватывать элек­ троны при образовании химической связи (электроотрицательные), получают отрицательный заряд и становятся отрицательными иона­ ми. Между разноименно заряженными ионами возникает электроста­ тическое притяжение. Подобный тип связи называют ионной связью. Типичным примером ионных молекул являются ионные кри­ сталлы - галоидные соли щелочных металлов Na+ + Cl', а также ке­ рамика, стекла. Гомеополярная (ковалентная) связь При этом виде связи объединение атомов в молекулу происходит за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. При этом не происходит переход электронов от одного атома к другому. 7 Выяснение природы ковалентной связи стало возможным только на основе квантовой теории. При сближении атомов происходит квантовомеханический эф­ фект - частичное перекрытие их электронных облаков, благодаря чему появляется возможность для электронов обмена местами друг с другом. Электроны становятся тождественны - неразличимы в атоме. Образование устойчивого состояния (молекулы) становится возможным благодаря обменному взаимодействию, возникающему между ядрами взаимодействующих атомов. Аналогу обменного взаимодействия в классической физике нет. В зависимости от того, связывает ли ковалентная связь одинако­ вые атомы или различные, расположение электронного облака в молекуле будет симметричным или асимметричным. Молекула с асимметричным распределением электронного облака называется полярной и характеризуется дипольным моментом р - q ■£, где q= 1,6- 10'19 Кл; £ > 2...3 -КГ10 м ; значит,/? ~ Ю'30 Кл м. Вещества, состоящие из полярных молекул, называются полярными. Вещества, образованные из симметричных молекул, называются неполярными. В предельном случае, когда преобладает вероятность нахожде­ ния электрона у одного из атомов, гомеополярная связь переходит в ионную. Таким образом, непереходимой грани между ионной и го- меополярной связями не существует. Гомеополярная связь характерна для огромного количества ор­ ганических молекул, но имеются и неорганические вещества с та­ кой связью, например, газы - 0 2, Н2, N2 и др.; твердые вещества - алмаз, карбид кремния и др. Металлическая связь Она существует в металлах. Металлическую связь можно до не­ которой степени рассматривать как ковалентную связь, в которой электроны общие для всех атомов. Электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются, образуя «элек­ тронный газ». Не имея локализованных связей металлические кри­ сталлы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении по­ ложения атомов, им свойственна пластичность, ковкость. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. 8 Этот вид связи наблюдается у ряда веществ между полярными (дипольными) молекулами, которые образуют флуктуирующие, ос­ циллирующие диполи. Когда силы притяжения валентных электро­ нов меняются в зависимости от расстояния и расположения сосед­ них диполей в значительной степени, то размеры диполей не устой­ чивы, изменяются дипольный момент и силы притяжения между диполями. Эта связь неустойчивая, легко разрушается. Кристаллы с такой связью обладают низкой температурой плавления. Эта связь характерна для органических веществ, например, смолы, парафин (/ш, = 55°С). 1.2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Основы зонной теории По своим электрическим свойствам твердые тела разделяются на металлы (проводники), полупроводники и диэлектрики. Удельное сопротивление металлов при комнатной температуре находится в пределах 10'8...1(Г5 Ом-м; полупроводников - 10-5... 10+8 Ом м; диэлектриков - 108...10180м-м. Кроме того, при низких тем­ пературах возможно особое сверхпроводящее состояние, в котором сопротивление электрическому току равно нулю. Согласно представлениям классической физики, диэлектрики отличаются от проводников тем, что при нормальных температурах в них не имеется свободных электрических зарядов. Поэтому их электропроводность отсутствует. В основе объяснения электропро­ водности металлов, согласно классической теории, лежит понятие об электронном газе, состоящем из свободных электронов, находя­ щихся в состоянии непрерывного хаотического движения. При при­ ложении внешнего напряжения электроны получают добавочную скорость направленного движения, благодаря чему и возникает элек­ трический ток. Сопротивление электрическому току обусловлено столкновениями электронов с узлами кристаллической решетки. В кристаллической решетке твердого тела ионы расположены почти вплотную, поэтому длина свободного пробега электрона I (среднее расстояние между двумя соударениями) должна быть Молекулярная связь, связь Ван-дер-Ваальса <) порядка постоянной решетки d (d » 10'10 м). Но расчеты показыва­ ют, что тогда сопротивление металлов было бы в сотни и тысячи раз больше, чем в действительности. Такое грубое расхождение с экспериментом свидетельствует, что приведенные положения класси­ ческой электронной теории неприемлемы. На это указывают и другие экспериментальные факты. Например, экспериментально установлено, что сопротивление металлов возрастает с температурой, а при Т —> О сопротивление достигает минимального не зависящего от температу­ ры значения, называемого остаточным сопротивлением (рис. 2). Рис. 2. Температурная зависимость сопротивления металлов С точки зрения классической теории, в которой распределение элек­ тронов по энергиям подчиняется статистике Максвеллаг-Больцмана: _ л W3= A - £ KT, при Г=0,Ж э = 0, (1) получается, что при температуре абсолютного нуля сопротивление должно быть равно нулю, так как все электроны при Т = 0 должны иметь нулевую энергию. Наличие остаточного сопротивления у ме­ таллов Т —> 0 нашло объяснение в квантовой теории электричества, в которой распределение электронов по энергиям описывается ста­ тистикой Ферми-Дирака с функцией распределения: 1 ,д э /к т+ 1’ А где АЭ = Э - Эу. 10 При Т = 0 получим W3 = 0, если Э > Э/., и Жэ = 1, если Э < Э/,, где Э - энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется. Результат W3 = 0 мы рассматривали выше. Результат же (V3 = 1 при Э < Эр показывает, что даже при абсолютном нуле температуры есть некоторое количество электронов, кинетическая энергия которых больше нуля, что и объясняет наличие остаточного сопротивления. Эр - максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля. Эта энергия называется энергией Ферми, или уровнем Ферми. При концентра­ ции электронов в твердом кристалле 1022 см3 эта энергия составит несколько электрон-вольт (~ 5 эВ), а скорость электронов, обла­ дающих энергией Ферми, имеет величину 106 м/с. При высоких температурах, когда величина — £&Э1КТ становит- А ся много больше единицы, функция распределения Ферми-Дирака — / К Тпереходит в классическую W3 = А ■ I Если оценить температуру, называемую температурой вырож­ дения, выше которой (Г > Гвыр) для электронов в металле можно пользоваться классической статистикой, то получается, что эта температура, например, для серебра, близка к 50 ООО °С. Это озна­ чает, что при всех температурах, при которых металлы вообще могут существовать в твердом состоянии, электроны в них следует рассматривать как «вырожденный» газ, когда справедлива стати­ стика Ферми-Дирака. Большое значение температуры вырождения связано с малой массой электрона. Для ионов и молекул, масса которых в тысячи раз больше массы электрона, вполне применима классическая ста­ тистика при обычных температурах. Современные представления о механизмах проводимости твер­ дых тел основываются на зонной теории, которая является одним из разделов квантовой теории. Она описывает движение электронов в кристаллах и является основой современной теории металлов, по­ лупроводников и диэлектриков. Согласно зонной теории в твердом теле энергетическое состоя ­ ние электронов определяется не только их взаимодействием с ядром своего атома, но и электрическим полем кристаллической решетки, т.е. взаимодействием с другими атомами. Из-за влияния поля кристаллической решетки в твердом теле уровни энергии электронов несколько смещаются по сравнению с их расположением в уединенных атомах, а также снижаются (раз­ мываются) потенциальные барьеры между электронами (рис. 3). Происходит так называемое «обменное взаимодействие», о котором упоминалось при рассмотрении ковалентной химической связи. В результате обменного взаимодействия происходит перекрытие электронных оболочек в атомах кристалла и «обобществление» электронов, которые становятся общими для всего кристалла, а не принадлежат одному определенному атому. Уровни разрешенных значений энергии электронов при этом расщепляются в зоны с множеством разрешенных энергетических уровней, называемых разрешенными зонами. Количество уровней в зоне определяется количеством атомов в кристалле, а численные значения разрешен­ ных энергией в зоне отличаются весьма незначительно. Так, в 1 см3 твердого тела находится 1022...1023 атомов. Такой же порядок имеет и число уровней в зоне. Расстояние между соседними уровнями в зоне составляет приблизительно 10'22эВ. Рис. 3. Схема расположения энергетических уровней уединенного атома и неметаллического твердого тела: 1 - нормальный энергетический уровень атома; 2 - заполненная электронами зона; 3 - уровни возбужденного состояния атома; 4 - свободная зона; 5 - запрещенная зона Однако обменное взаимодействие и связанное с ним расщепление уровней электронов сильнее всего сказывается на энергетических 12 уровнях внешних (валентных) электронов атомов. Наоборот, энер­ гетические уровни внутренних электронов либо совсем не расщеп­ ляются, либо расщепляются очень слабо. В твердом теле разрешенные энергетические зоны разделены зо­ нами запрещенных значений энергии - запрещенными зонами. С точки зрения зонной теории твердого тела различия в электри­ ческих свойствах разных типов твердых тел объясняются: а) различным заполнением валентными электронами разрешен­ ных энергетических зон; б) шириной запрещенных энергетических зон (рис. 4). Рис. 4. Энергетическое отличие диэлектриков (а) от полупроводников (б) и металлических проводников (в): У - заполненная электронами зона; 2 - зона свободных энергетических уровней; 3 - запрещенная зона шириной ДЭ Необходимым условием проводимости твердого тела является наличие свободных энергетических уровней, на которые электри­ ческое поле могло бы перевести электроны. Если валентные (кол­ лективизированные) электроны образуют валентную зону кри­ сталла, заполненную неполностью, то электроны, расположенные в этой зоне кристалла, под действием электрического поля будут переходить на верхние свободные энергетические уровни, имею­ щиеся в валентной зоне, и такое тело будет проводником электри­ ческого тока. При образовании кристаллического твердого тела иногда на валентную зону кристалла накладывается зона, распо­ ложенная выше, и образуется более широкая гибридная зона, в которой размещаются валентные электроны. Электроны заполня­ ют гибридную зону лишь частично, и подобные кристаллы также являются проводниками. 13 У диэлектриков энергетические зоны не перекрываются, причем зона, объединяющая внешние электроны атомов или ионов, цели­ ком заполнена электронами, а все более высокие зоны при Т = О К совершенно пусты. Поэтому для осуществления проводимости тре­ буется перевести электрон из нижней заполненной энергетической зоны в верхнюю свободную, для чего необходимо затратить энер­ гию, равную ширине запрещенной зоны, энергию активации, рав­ ную нескольким электрон-вольтам. Энергия, приобретаемая электроном в металле под действием элек­ трического поля на длине свободного пробега, составляет 104... 10‘8 эВ и ее вполне достаточно для внутризонных переходов. Средняя энер­ гия тепловых колебаний атомов твердого тела при комнатной тем­ пературе составляет приблизительно 0,05 эВ. Ее также достаточно для переходов электронов внутри разрешенной зоны. Однако при обычных разностях потенциалов, приложенных к кристаллу, энер­ гия, получаемая электроном на длине свободного пробега, совер­ шенно недостаточна для переброса электрона в следующую разре­ шенную зону. Поэтому диэлектриком будет такое тело, у которого запрещенная зона настолько велика, что электронной электропро­ водности в обычных условиях не наблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной (0,1...5 эВ), которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. При отсутствии в полупроводнике свободных электронов (Г=0К) приложенная к нему разность электрических потенциалов не вызо­ вет тока. Если извне будет подведена энергия, например, повышена температура, достаточная для переброса электронов через запре­ щенную зону, то, став свободными, электроны смогут перемещать­ ся и под действием электрического поля создавать электронную электропроводность полупроводника. В заполненной зоне, откуда ушел электрон, образовалась «элек­ тронная дырка», а потому в полупроводнике начнется движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем дырка будет двигаться в направлении поля как положительный заряд. Следует отметить, что исходя из зонной теории между кристал­ лическими полупроводниками и диэлектриками принципиального различия нет, а есть лишь количественные. При Т = 0 те и другие имеют проводимость, равную нулю. 14 Обращение проводимости в нуль при абсолютном нуле есть ха­ рактерное свойство полупроводников и диэлектриков, в то время как металл можно определить как вещество, проводимость которого при Т = 0 не обращается в нуль (обычно даже является максимальной). Таким образом, с физической точки зрения полупроводник отлича­ ется от металла не меньшей величиной проводимости при обычных температурах, а тем, что проводимость полупроводников при Т = О обращается в нуль. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 2.1. Поляризация диэлектриков Термин «диэлектрики» (от греч. dia - через и англ. electric - электрический) введен Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникает электростатическое поле (в отличие от метал­ лов, экранирующих электростатическое поле). Диэлектрики - веще­ ства, плохо проводящие электрический ток, и поэтому применяются в качестве изоляционных материалов. Их удельное сопротивление 108... Ю18Ом-м. Однако основным свойством диэлектрика является его способность к поляризации. Под действием внешнего электрического поля заряды, входящие в каждую молекулу, смещаются в пределах этой молекулы в проти­ воположных направлениях, в результате чего в каждом элементе по­ является дипольный момент р = q ■ I, отличный от нуля. Таким обра­ зом, поляризация - это ограниченное смещение связанных зарядов диэлектрика под действием электрического поля. Поляризация приводит к появлению дипольного момента у всего объема диэлектрика. Количественной характеристикой поляризации является поляризованность, или вектор поляризации р. который равен сумме электрических дипольных моментов всех молекул еди­ ницы объема вещества: N 2> ' _ [____ v ' Кл • м т. 2-----— = Кл м м 15 В некоторых случаях поляризация может возникать под действи­ ем механических напряжений (в пьезоэлектриках), а в сегнетоэлек- триках самопроизводственная (спонтанная) поляризация существу­ ет и в отсутствии электрического поля. В результате поляризации на поверхности диэлектрика появля­ ются связанные электрические заряды противоположных знаков. Внутри диэлектрика появляется внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его (рис. 5): Ерез -Ьвнеш — -^ внутр • © _© ©.© j -£внутр о > -"внеш Q G 0 _ ©© Рис. 5 Чем больше поляризованность р, тем больше не скомпенсиро­ ванных зарядов появится на поверхности диэлектрика. Q = Q0 - без диэлектрика; тогда в;ДИЭЛ Qo бдиэл Qo Qaon ■> ■ * 1;Qo "*■ бдоп ^1 . Q диэл Qo Q о = Б , где е - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Она показывает во сколько раз заряд при наличии диэлектрика больше заряда при наличии между противоположно заряженными плоскостями вакуума. Поскольку Q = CU, то можно записать, что С диэл = е , т.е. величина е характеризует способность различных С0 16 диэлектриков образовывать емкость в электрическом поле. Чем больше величина е, тем больше емкость конденсатора при прочих равных условиях. С0 - емкость в вакууме; а^бс — е0е > еабс - зависит от системы единиц; е0 = 8,85 • 10 12 Ф/м - электрическая постоянная. е не зависит от выбора системы единиц и как универсальный параметр используется для характеристики диэлектриков. Диэлектрик в зависимости от его строения и вида химической связи может обладать одним или несколькими видами поляризации. Виды поляризации Все виды поляризации делятся на 2 группы: 1) поляризация происходит практически мгновенно без рассея- ния энергии при всех частотах воздействия напряжения; 2) медленные виды поляризации, сопровождаемые рассеянием: энергии (потерями), в результате которых диэлектрик нагревается. К первой группе относятся: 1. Электронная поляризация - упругая деформация электронных оболочек атомов или ионов под действием электрического поля. Она наблюдается у всех без исключения диэлектриков, но является основ­ ным видом поляризации у неполярных диэлектриков. Электронная поляризация происходит на всех частотах, вплоть до 10+!5 Гц и не со­ провождается потерями энергии. Диэлектрики с преимущественно этим видом поляризации - это газы (практически большинство), органиче­ ские неполярные материалы - полиэтилен, фторопласт-4, полистирол. 2. Ионная поляризация - смещение ионов под действием электри­ ческого поля в пределах кристаллической решетки. Этот вид поляри­ зации тоже протекает мгновенно, вплоть до частот 10+12...10+13 Гц без потерь энергии. Характерна ионная поляризация для ионных кристаллов. Ко второй группе относятся ориентационные виды поляризации это замедленные виды поляризации, происходящие с рассеянием энергии, в результате ■чегт^шгектстя! нагреваете»* 17 1. Дипольно-релаксационная поляризация - это ориентация дипо­ лей в полярных жидкостях. В твердых полярных диэлектриках эта поляризация называется дипольно-радикальной, поскольку под дей­ ствием электрического поля поворачивается не вся молекула, а толь­ ко имеющиеся в ней полярные радикалы. Она находится в значи­ тельной зависимости от температуры, вязкости материала и частоты приложенного напряжения. С увеличением температуры молекулярные силы и вязкость уменьшаются, что усиливает возможность ориентации диполей. В то же время возрастает энергия теплового движения, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому температурное из­ менение диэлектрической проницаемости характеризуется наличием максимума. В переменных полях высокой частоты диполи (в поляр­ ных жидкостях) или радикалы (в твердых полярных диэлектриках) не успевают ориентироваться с частотой поля, и поляризация уменьша­ ется с увеличением частоты приложенного напряжения. 2. Электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляри­ зация - смещение слабо связанных, дефектных электронов или ио­ нов. Под действием электрического поля такие частицы могут по­ лучать среди теплового хаотического движения избыточные пере­ бросы в направлении поля на значительные расстояния, что вносит заметный вклад в значение е . При этой поляризации возникает рас­ сеяние энергии поля. Время ее установления 10'3... 10"6 с. 3. Структурная (миграционная) поляризация. Этот вид поляри­ зации заключается в смещении и накоплении зарядов на границах неоднородностей структуры диэлектриков. Заряды могут переме­ щаться только в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. Процесс поляриза­ ции протекает медленно (секунды) и сопровождается значительным нагревом, т.е. потерями энергии. 4. Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только у группы диэлектриков, имеющих доменную структуру, - сегнетоэлектриков. Домены - самопроизвольно поляризованные об­ ласти. В отсутствии внешнего электрического поля дипольные мо­ менты доменов ориентированы хаотически, так что общий р = 0. При наложении поля дипольные моменты ориентируются, что создает эффект очень сильной поляризации. Величина е сегнетоэлектриков нелинейна и достигает десятков тысяч. Вектор поляризации р 18 нелинейно зависит от напряженности поля Е. Эта поляризация со ­ провождается рассеянием энергии поля и существует до определен ­ ной температуры и частоты. Поляризация - обратимый процесс. После снятия электрическо­ го поля ориентация частиц ослабевает, и опять дипольные моменты ориентируются хаотически (из-за теплового движения) так, что по - ляризованность вещества р = 0 . Математически это выражается формулой, отражающей зависи­ мость дипольно-релаксационных видов поляризации от времени: РдАО = ^др(0)ехр.(/0) , где t - время прошедшее после снятия поля; to - постоянная времени (время релаксации). Таким образом, вре­ мя релаксации - это промежуток времени, в течение которого ориен■ тированность диполей после снятия поля уменьшается вследствие на­ личия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному. Эквивалентную схему диэлектрика, в котором существуют все виды поляризации, можно представить в виде ряда параллельно подключенных к источнику напряжения U конденсаторов и рези­ сторов (рис. 6): Рис. 6. Эквивалентная схема диэлектрика сложного состава с различными механизмами поляризации: С0 - емкость, обусловленная геометрическими размерами (емкость в вакууме); все остальные значения С соответствуют различным видам поляризации: электронной (Сэ), ионной (С„), дипольно-релаксационной (Сдр), электронно­ релаксационной (Сэр), ионно-релаксационной (С„р), миграционной (См), спонтанной (Ссп); г - сопротивления, эквивалентные потерям энергии при этих видах поляризации; Rct — сопротивление диэлектрика току сквозной проводимости 19 Температурная зависимость в характеризуется выражением ТК = 1 . е e J T 1 1 1<Г6КГ1. Уменьшение е при увеличении температуры газа связано с уменьшением плотности. Диэлектрическая проницаемость жидкостей Величина е неполярных жидкостей невелика и обусловлена электронной поляризацией (е = 2,0...2,5). Зависимость в от темпе­ ратуры носит падающий характер (рис. 10), что как и для газов свя­ зано с уменьшением плотности. ТКЕ < 0 - для неполярных жидко­ стей. Для жидкостей, состоящих из полярных молекул, основной вклад в значение в, вносит дипольно-релаксационная поляризация, поэтому величина в высока (е « 4... 13), а у воды, например, е = 80. Зависимость от температуры имеет максимум. На участке ав (рис. 11) s растет за счет облегчения поворота диполей в связи с уменьшени­ ем вязкости. На участке вс е падает из-за уменьшения плотности в связи с ростом температуры, как и у неполярных жидкостей. Рис. 10. Зависимость ди­ электрической проницае­ мости неполярной жидко­ сти от температуры Рис. 11. Зависимость диэлектрической прони­ цаемости полярной жид­ кости от температуры Рис. 12. Зависимость диэлектрической про­ ницаемости от частоты Есть зависимость в и от частоты приложенного напряжения (рис. 12). При увеличении частоты диполи не успевают ориентироваться с частотой поля, и поэтому вклад в величину в дипольно- 22 релаксационной поляризации идет на убыль и на высоких частотах е обусловлена только электронным видом поляризации. Эти нелинейные свойства полярных жидкостей затрудняют их использование в качестве пропитывающих материалов для конден­ саторов. Сильно полярные жидкости с величиной е « 80...90, такие как вода, этиловый спирт, вообще не применяются в качестве диэлек­ триков вследствие их большой электропроводности. Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков В твердых телах в зависимости от их структурных особенностей возможны все виды поляризации. Поэтому величина е, а также влияние на нее температуры и частоты приложенного напряжения определяются строением и видом химической связи. Для неполярных твердых диэлектриков г находится в пределах е « 2,0...4,5. Частотная и температурная зависимость имеют такой же характер, как и для неполярной жидкости. Однако ТКе ионных кристаллов в большинстве случаев имеет положительное значение вследствие того, что при повышении температуры не только уменьшается плотность вещества, но и возрастает поляризуемость ионов а„, причем влияние этого фактора сказывается на величине е сильнее, чем уменьшение плотности. Величина в для ионных кри­ сталлов лежит в широких пределах - е « 4... 100. Диэлектрическая проницаемость полярных твердых диэлектри­ ков в большей степени зависит от температуры и частоты прило­ женного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для дипольных жидкостей, е « 4,5...8,0 (табл. 2). Таблица 2 Неполярный диэлектрик Дипольный диэлектрик 6 твердых диэлектриков Парафин 1,9-2,2 Бакелит 4,5 Полистирол 2,4-2,6 Поливинилхлорид 3,4 Сера 3,6-4,0 Целлюлоза 6,5 Алмаз 5,6-5,8 Эпоксидные полимеры 3,8 23 Для сегнетоэлектриков е велика и имеет резкую зависимость от на­ пряженности электрического поля и температуры s « 1000... 100000. Температура, при которой г имеет максимум, называется точкой Кюри. В области температур выше точки Кюри сегнетоэлектриче- ские свойства материала исчезают (рис. 13 а, б). а) б) Рис. 13. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от: а — напряженности электрического поля; б - температуры Для сегнетоэлектриков характерно явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания) (рис. 14). Сегнетоэлектрики на ос­ нове титаната бария ВаТЮз, у которого точка Кюри около 133 °С, а £ = 6000...7000, при­ меняются для изготовления малогабаритных конденсато­ ров большой емкости. Для изготовления высоко­ частотных конденсаторов пред­ почитают неполярные ди­ электрики со стабильным значением е от частоты и без потерь энергии. Рис. 14. Зависимость заряда конденсатора от напряжения для сегнетоэлектриков (по осям абсцисс отложены U и Е = U/h, по осям ординат Q, D = Q/S) Для изготовления электрических изоляторов лучше применять материалы с возможно малой величиной е , так как при этом улуч­ шаются их электрические характеристики, в частности, возрастает напряжение «перекрытия» поверхностного пробоя. 24 Диэлектрики с низким значением е используют для изготовления корпусов и подложек микросхем, чтобы при высоких частотах, на которых работают микросхемы, не «шунтировался» входной сигнал у 1из-за уменьшения емкостного сопротивления Х с = — -, возникаю- (ОС щего между близко расположенными выводами микросхем. 2.3. Электропроводность и токи диэлектриков В любом реальном (техническом) диэлектрике находится неко­ торое количество свободных зарядов примесей. При приложении к диэлектрику напряжения направленное перемещение этих свобод­ ных зарядов обусловливает ток в диэлектрике. Этот ток называется сквозным током /ско. Сквозной ток в большинстве диэлектриков имеет ионный характер в отличие от электронного в металлах. При невысоких напряжениях в диэлектриках выполняется закон Ома. Это говорит о том, что ток обусловлен примесями и число их не зависит от напряженности поля Е. Процессы поляризации в диэлектрике тоже аналогичны току, но эти токи обусловлены перемещением связанных зарядов и существует только короткое время, пока процесс поляризации не завершился. Они называются токами смещения. Электронная и ионная поляризации ус­ танавливаются мгновенно и токи смещения, обусловленные этими ви­ дами поляризации, настолько кратковременны, что их невозможно за­ фиксировать прибором - гальванометром. Замедленные виды поляриза­ ции - релаксационные - устанавли­ ваются более длительное время и то­ ки смещения, обусловленные ими, уже воспринимаются регистрирую­ щими приборами до тех пор, пока эти виды поляризации не завершатся. Токи смещения замедленных видов поляризации называются аб­ сорбционными токами (или токами абсорбции) /абс. Таким, образом, зависимость тока в диэлектрике от времени при постоянном напряжении будет иметь вид (рис. 15). 25 Рис. 15. Зависимость тока через яиэлектпик от впемени Общий ток, протекающий через диэлектрик, равный сумме токов абсорбции и сквозного тока, называется током утечки: / у т “ AiGc ^ ^скв ■ Сопротивление диэлектрика при постоянном напряжении (оми­ ческое сопротивление) вычисляют по формуле /у т -Х /аб с ’ при установившемся токе, т.е. при сквозном, исключая поляризаци­ онные токи. При переменном напряжении токи абсорбции будут существовать в диэлектрике все время действия напряжения. При повышении частоты приложенного напряжения не все виды замедленной поляризации бу­ дут успевать устанавливаться, поэтому сопротивление диэлектрика станет существенно зависеть от частоты внешнего поля, а не будет параметром, характеризующим структуру изоляционного материала. Для сравнительной оценки электропроводности различных мате­ риалов в справочной литературе используют величины удельного объемного (pv) и удельного поверх­ ностного (ps) сопротивлений. Удельное объемное сопротивле­ ние (pv) численно равно сопротив­ лению куба с ребром 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого мате­ риала, если ток проходит перпенди­ кулярно противоположным граням этого куба (рис. 16): $ pv = Rv Ом ■ м . h Удельное поверхностное сопротивление р., численно равно со­ противлению квадрата плоской поверхности материала, если ток проходит между двумя противоположными сторонами этого квад­ рата (рис. 17): 26 Рис. 17 где d - ширина электродов; t - расстояние между ними. Сопротивление изоляции Rm равно отношению напряжения приложенного к образцу, к общему току, протекающему через образец, т.е. Rm равно сопротивлению параллельно включен­ ных Rv и Rs диэлектрика: Rm = Rv || Rs. Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопро тивление обычно не рассчитывается. Величина удельного объемно ­ го сопротивления диэлектриков при нормальных температурах на­ ходится в пределах 108...10180 мм. Электропроводность диэлектриков зависит от их агрегатного со ­ стояния, а также от температуры и влажности. 2.3.1. Электропроводность газов Газы при небольших напряженностях электрического поля име­ ют очень малую электропроводность pv газов « 1018 Ом м. Ток в га­ зах в основном вызван свободными электронами, которые всегда имеются в газах (например, в воздухе) в результате внешних ионизаторов: световые кванты, а-, у-частицы и т.д. Зависимость тока от напряжения Для газа приведена на рис. 18. На участке ОА - выполняется закон Ома: число электронов и ионов не зависит от U и обусловлено внешни­ ми ионизаторами; наряду с ионизаци­ ей происходит рекомбинация, благо­ даря чему концентрация носителей тока не увеличивается. Участок АВ Рис. 18. Зависимость тока в газе от напряжения 27 соответствует насыщению, когда все свободные частицы, создавае­ мые в газовом промежутке, долетают до электродов. Для воздуха ток насыщения (~10'|5А) при расстоянии между электродами 1 см наблюдается при напряженностях поля ~ 0,6 В/м; сопротивление может возрасти на участке насыщения на 5-6 порядков! На участке ВС (при U выше UKp) начинается ударная ионизация - соударения электронов с молекулами газа, из-за чего происходит ионизация газа - выбивание электронов из молекул газа. В результате ударной ионизации лавинообразно увеличивается количество носителей тока (электронов и ионов) и возможен пробой газового промежутка - поте­ ря его диэлектрических свойств. 2.3.2. Электропроводность жидкостей Проводимость жидкостей обусловлена строением их молекул и чистотой самой жидкости. Причиной проводимости неполярных жидкостей является наличие ионов примесей, например, влаги. У полярных жидкостей проводимость может быть обусловлена не только ионами примесей, но и ионами самой жидкости, образо­ ванными в результате диссоциации полярных молекул. Поэтому полярные жидкости имеют повышенную проводимость по сравне­ нию с неполярными. В жидкостях, представляющих из себя колло­ идные системы (эмульсии, суспензии - лаки, компаунды, клеи), на­ блюдается молионная проводимость, когда носителями тока явля­ ются не отдельные ионы, а более крупные образования заряженных частиц - молионы, при этом наблюдается явление электрофореза. При сильных электрических полях (Е ~ 10 МВ/м) в жидкостях возникает электронная проводимость за счет эмиссии электронов с поверхности электродов или образованных в жидкости вследствие ионизационных процессов. Электроны не могут длительное время существовать в жидкости в свободном состоянии, поэтому обра­ зуют электроотрицательные ионы или захватываются положи­ тельными © ловушками. В результате возникает перескоковый механизм движения электронов в жидкости: £ -> ловушка -» снова t —> ловушка. Значение удельного сопротивления неполярных жидкостей - pv = 1013... 1011 Ом м; для полярных - Ю10... 108 Омм. 28 Сильнополярные жидкости отличаются настолько низким сопро­ тивлением, что являются уже проводниками с ионной проводимо­ стью (табл. 3). Таблица 3 Удельное объемное сопротивление и диэлектрическая проницаемость некоторых жидкостей при температуре 20 “С Жидкость Особенностистроения р, О м м е Бензол Неполярная 1 0 " ...1 0 13~ 2,2 Трансформаторное масло 10|0...Ю 13 2,3 Бензин 2,0 Совол Полярная О 0 0 ©_ о 4,5 Касторовое масло 4,6 Ацетон Сильнополярная о ■ Cl о и * I 22,0 Этиловый спирт 33,0 Дистиллированная вода о о л 81,0 Для водопроводной воды р„ = 100 Ом м. Удельное сопротивление любой жидкости значительно зависит от температуры. С увеличением температуры оно уменьшается по двум причинам: 1) возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости; 2) увеличивается степень тепловой диссоциации молекул жид­ кости. Для жидких диэлектриков выполняется закон: у - Г) = const, 1где у = ---- проводимость; г| - динамическая вязкость. Р В большинстве случаев температурная зависимость удельного со­ противления жидкости диэлектриков может быть выражена формулой р = р0ехр(-а/), где ТКР = -а. 29 При длительной выдержке жидкости при постоянном напряже­ нии может наблюдаться электроочистка - ионы осаждаются на электродах и сопротивление увеличивается. 2.3.3. Электропроводность твердых диэлектриков Вид электропроводности твердых диэлектриков существенно за­ висит от их структурного строения и может быть обусловлен как ионами примесей, так и ионами самого диэлектрика, а в некоторых диэлектриках наблюдается электронная проводимость. Устанавливают вид электропроводности экспериментально. Ионная проводимость сопровождается переносом вещества на элек­ троды (закон Фарадея). При электронной проводимости это явление не наблюдается. Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхност­ ную проводимость и соответственно величины объемного (Rv) и поверхностного сопротивлений (i?v): К Pv g > g отсюда pv = Rv—, Ом м, Ps , ’ a Ps = Rs т ’ ° M- Rv и Rs включены параллельно, поэтому ^ Rv ■ Rs общ Rv + Rs Для твердых диэлектриков величина удельного объемного со­ противления лежит в широких пределах pv = 1016... 108 Ом м и на величину р„ оказывает влияние: 30 1. Температура: pv = Ро exp (-at), где TKP = -а . Если в диэлектрике ток обусловлен движением разно­ родных ионов, то в зависимости 1пр = / ( Т ), появляются изломы (рис. 19, 20). Рис. 19 Рис. 20 2. Структурное строение. В неполярных диэлектриках молеку ­ лярного строения сопротивление велико и определяется наличием ионов или электронов примесей. В кристаллических диэлектриках, содержащих ионы однова­ лентных металлов, проводимость выше, чем в кристаллах с много­ валентными ионами. В кристалле TVaCE ионная проводимость осу­ ществляется ионами хлора, которые имеют меньшую энергию акти­ вации. А в керамике, содержащей крупные двух-, трех-, четырех ­ валентные ионы, наблюдается электронная проводимость. 3. Пористость материала. Значительно увеличивается проводи­ мость с ростом гигроскопичности и влагопроницаемости материала. Пояснение: Гигроскопичность - способность впитывать в себя влагу из окружающей среды. Она определяется по увеличению мас ­ сы увлажняемого образца. Влагопроницаемость - способность пропускать сквозь себя пары воды. Измеряется в секундах. Для увеличения сопротивления пористые материалы подвергают сушке (зависимость удельного сопротивления р от температуры сушки представлена на рис. 21, где /0 - начальная температура сушки; ;] - конечная температура), а затем пропитке лаками и смолами. Рис. 21 Удельное поверхностное сопротивление р., зависит от состояния поверхности материала (у чистой, полированной поверхности рд выше), а также от смачиваемости материалов (рис. 22). Для уменьшения смачиваемости поверхность диэлектриков по­ крывают лаками, глазурями. При увеличении температуры р5 возрастает из-за испарения вла­ ги с поверхности диэлектрика. 2.3.4. Измерение объемного (RJ и поверхностного (RJ сопротивлений диэлектриков Измерение сопротивлений диэлектриков обычно производят при нормальных атмосферных условиях и постоянном напряжении от 1 до 500 В. В качестве регистрирующих приборов применяют высо­ кочувствительные электронные гальванометры, мегаомметры, тера­ омметры или мосты постоянного тока. Сопротивление газообразных диэлектриков, в том числе воздуха, не поддается измерению регистрирующими приборами из-за высо­ ких значений сопротивления газов. Поэтому величины сопротивле­ ний газа получены расчетным путем исходя из данных о составе газа, величине его атомов, количестве атомов в единице объема и т.д. 32 Определение сопротивлений жидких и твердых диэлектриков производят на плоских (от 25 до 150 мм) или трубчатых образцах (от 100 до 300 мм). Толщина образцов берется от 0,5 до 2 мм. Электроды должны обладать высокой проводимостью, обеспечи­ вать плотный электрический контакт по всей поверхности и не всту­ пать в химические реакции с образцом. В качестве электродов приме­ няются: металлические нажимные электроды из нержавеющих сортов стали; электроды из отожженной алюминиевой или оловянной фольги, притертой тонким слоем конденсаторного или трансформаторного масла; графитовые электроды: электроды из осажденных в вакууме ме­ таллов или паст - серебра, платины, меди, цинка; электроды из токо­ проводящей резины (сопротивление слоя резины должно быть не более 100 Ом). Сопротивление изоляции (/?ю) может уменьшаться с повыше­ нием приложенного к ней напряжения, что может быть вызвано обра­ зованием в изоляции объемных электрических зарядов, изменением под действием электрического поля формы и размеров включенной влаги, ионизацией газовых включений и др. Поэтому сопротивление изоляции электрической машины, кабеля, конденсатора и других по возможности должно измеряться при напряжении не ниже рабочего. С измерением сопротивлений диэлектриков подробней познако­ мимся на лабораторных работах. 2.4. Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называется электрическая мощ­ ность Р, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Потери энергии в диэлектрике наблюдаются как при перемен­ ном, так и при постоянном напряжении. При постоянном напряже­ нии потери вызываются сквозными токами, поэтому качество мате­ риала может характеризоваться значениями р„ и р.„ которые опре­ деляют сопротивление изоляции Rm. P = ^ - = l l R m =I*U*, Вт; -‘Чв Р Втр = — = —г - удельные потери. V м 33 При переменном напряжении в диэлектрике, кроме сквозных то­ ков, протекают токи абсорбции, которые вызывают дополнитель­ ный нагрев изоляции. Итак, при переменном напряжении потери энергии больше! В инженерной практике для оценки потерь в диэлектрике при переменном напряжении используют величину tgS - тангенс угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь 8 называ­ ется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз ср между током и напряжением в емкостной цепи (рис. 23). Для изучения поведения диэлектрика с потерями при переменном напряжении используют схему замещения, в которой диэлектрик представлен конденсаторами без потерь, а активная мощность, рас­ сеиваемая в диэлектрике, представлена резисторами (R или г), вклю­ ченными последовательно или параллельно конденсатору (рис. 24). Схема замещения обычно анализируется, разделяя последователь­ ную и параллельную цепочки. При этом параллельная схема замеще­ ния справедлива, если потери преимущественно вызваны токами сквозной проводимое™, т.е. для неполярных диэлектриков, в которых отсутствуют релаксационные виды поляризации. Когда же основную роль играют потери, вызванные токами абсорбции, т.е. для полярных диэлектриков, то применяют последовательную схему замещения. Получим выражения для tg8 и мощности диэлектрических по­ терь Р в том и другом случае. Параллельная схема замещения (рис. 25): Рис. 23 Рис. 24 8 = 90 - ф; tg8 =y- -* ЛС где /а = U/R; /с = £ЛоС; тогда tg8 = I/R&C, а активная мощность - по­ тери в диэлектрике 34 и р = — = £/2tg5 • со • С . R С -t/ R Рис. 25 Последовательная схема замещения (рис. 26): tgS = U. I • г = га>С. Рассчитаем мощность потерь для последовательной схемы: г2 , .2 L СР = 12г; заменяя I2 = U2/Z2; Z2 = Х 2С + г2 и tgS = г ■ юС, получим Р = - U гг U2 -r и 2Х ф ( а С Х ^ + г 2 Х с -Хс(1 + г2 / Х 2) С 1 + tg 5 -о -и о Рис. 26 Величина tg5 для полярных диэлектриков не превышает 0,03, зна­ чит, tg82 « 1 « 0,001. Пренебрегаем этой величиной по сравнению с единицей. Тогда формулы для вычисления потерь, полученные для параллельной и последовательной схем замещения, совпадают: Р = U2 tg8 • со С. 35 Однако численные значения емкости конденсаторов и сопротив­ ления резисторов R и г в параллельной и последовательной схемах различны. Их можно найти, приравняв выражения для tg5 и Р для параллельной и последовательной схем. Диэлектрические потери имеют важное значение для материа­ лов, используемых в установках высокого напряжения, в высоко­ частотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочас­ тотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряже­ ния и частоте. Большие диэлектрические потери в электроизоляци­ онном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Поэтому материалы, предназначенные для работы при высоких напряжениях и высоких частотах, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости. Наименьшее значение tg5 имеют неполярные диэлектрики (tgS « 2 ■ 10'4); у полярных диэлектриков tgS достигает значений 10"3...10’2. Тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от раз­ меров изделия, поэтому он является характеристикой материала и приводится в справочной литературе; tgS является характеристикой, измеряемой только при переменном напряжении. 2.4.1. Диэлектрические потери в газах Источником диэлектрических потерь в газах может быть в ос­ новном только электропроводность, поскольку ориентационные виды поляризации в газах весьма незначительны. Электропровод­ ность газов также весьма мала (р « 1018 Ом м), поэтому диэлектри­ ческие потери их незначительны. tgS газов можно вычислить, ис­ пользуя формулу для параллельной схемы замещения: tg5 = — -— . R-&C При частоте приложенного напряжения 50 Гц и величине е » 1 получи tg5 » 10'11. Таким образом, газы можно считать идеальными диэлектриками из-за ничтожно малой величины проводимости и tgS. Однако таковыми они являются только при напряженностях элек­ трического поля, лежащих ниже значений, необходимых для разви­ тия ударной ионизации молекул газа. 36 При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном элек­ трическом поле, когда напряженность в отдельных местах превос­ ходит некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируют­ ся, на что расходуется энергия электрического поля, т.е. возникают потери на ионизацию. На рис. 27 показана зависимость tg8 газа от величины приложенного напряжения. Рис. 27 На начальном участке до (Укр потери определяют только токи сквозной проводимости и tg5 » 10'11. При U = (УКр начинается удар­ ная ионизация. При U > Uh когда газ полностью ионизирован tg5, достигнув максимального значения, даже несколько уменьшается. Однако при высоких частотах и высоких напряжениях потери, со­ гласно формуле Р = 112(й • С • tg5, могут достичь такой величины, что приведут к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией. 2.4.2. Диэлектрические потери в жидких диэлектриках Величина tg8 для жидких диэлектриков зависит от того, является ли жидкий диэлектрик неполярным или полярным. Для неполярных жид­ ких диэлектриков tg8 обусловлен как и в газах, только сквозной про­ водимостью. Величина tg5 можно рассчитать по формуле tgS = l/R&C. Для неполярных жидкостей tg8 * 2-10 4... 10 3. Увеличенное значе­ ние tg8 неполярных жидкостей по сравнению с газами объясняется большими значениями плотности, электропроводности и диэлек­ трической проницаемости жидкостей. Полярные жидкости имеют большие значения tg5 и потерь мощ- чости из-за затрат энергии электрического поля на дипольно- Релаксационные виды поляризации. Для полярных жидкостей tg8 < 0,03. 37 Ввиду разнообразия структуры в твердых диэлектриках возмож­ ны различные виды диэлектрических потерь. Д 1я неполярных диэлектриков молекулярной структуры основ­ ным видом потерь являются, как для газов и неполярных жидкостей, потери от электропроводности. Величина tg8 = 10'4... 10"3 и не зависит от частоты приложенного напряжения. При увеличении температуры tgS возрастает, поскольку увеличивается электропроводность. У полярных твердых диэлектриков tg8 = 0,003...0,03 и над поте­ рями от электропроводности преобладают потери энергии, затрачи­ ваемые на различные виды релаксационной поляризации: ионно­ релаксационные, дипольно-релаксационные, миграционные потери. Потери в твердых диэлектриках значительно зависят от пористо­ сти, влажности. Классификация потерь в твердых диэлектриках 1. Потери, вызванные электропроводностью (неполярные твер­ дые диэлектрики). 2.4.3. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках 2. Дипольно-релаксационные потери (полярные твердые диэлек­ трики). 38 3. Ионизационные потери (твердые диэлектрики, содержащие газовые включения; наблюдаются при высоком напряжении). tgSk С/кр с/, -> t/ 4. Ионно-релаксационные потери (стекла; кристаллы ионной структуры, содержащие дефектные ионы; керамика) 1 - потери проводимости; 2 - ионно-релаксационные потери; 3 - суммарные потери с разными временами релаксации 5. Потери, вызванные спонтанной поляризацией (сегнетоэлектрики) Тк - температура Кюри / - резонансная частота 6. Миграционные потери (слоистые, неоднородные диэлектрики). ^8 имеет сложные зависимости от частоты и температуры, что обу­ словлено компонентами, входящими в состав диэлектрика. 39 Измерение диэлектрических потерь при профилактических ис­ пытаниях осуществляется с помощью высоковольтных мостов или ватгметровых схем измерения. В условиях эксплуатации наиболее широко распространены малогабаритные мосты Р5026, р-595 (рабо­ чее напряжение 5-10 кВ). Измерения могут производиться по нор­ мальной или перевернутой схеме (рис. 28). 2.4.4. Измерение диэлектрических потерь Рис. 28. Принципиальные схемы моста при нормальной (а) и перевернутой (б) схемах измерения: FV - разрядники; РА - гальванометр; Сх, Rx - испытательный объект; Сэ - эталонный конденсатор; С4, R3, А, - элементы измерительной части моста 40 Нормальная схема применяется при определении tg8 и емкости между фазовой изоляции или при лабораторных измерениях. При нормальной схеме оба электрода испытуемого объекта должны быть изолированы от земли. Измерительная часть схемы находится под невысоким напряжением, тщательно экранирована от внешних паводок и с помощью разрядников FV защищена от высокого напря­ жения, которое может появиться на элементах моста при пробе Сх. При эксплуатационных испытаниях чаще всего приходится пользоваться перевернутой схемой моста. Это вызывается тем, что один электрод испытуемого объекта, как правило, наглухо заземлен (фланец ввода, бак трансформатора, корпус машины). В переверну­ той схеме заземление переносится из точки В в точку А. Вся изме­ рительная часть моста оказывается под высоким напряжением. Ре­ гулирование С a, Ri и настойка гальванометра осуществляются с по­ мощью изолирующих ручек. Чтобы исключить влияние паразитных емкостей на землю, измерительная часть моста защищается экра­ ном, присоединенным к точке В. Однако в данном случае экран на­ ходится под высоким напряжением, поэтому он размещается внут­ ри наружного экрана и изолируется от него на полное рабочее на­ пряжение (10 кВ). Наружный экран (корпус моста) заземляется. Обозначим: Z] и Z2 - нерегулируемые плечи моста; Z3 и Z4 - регулируемые плечи; Z\ • Z4 = Z2- Z3 - произведение сопротивлений противоположных плеч равны - это условие равновесия моста. При условии равновесия моста срс = фд; ток через гальванометр /,- = 0. Изменяя i?3 и С4 уравновешиваем токи по модулю и фазе, получим tg5 = coi?4C4; 10^ если Сз = 100 пФ = Ю'10Ф; /?*= — ; я 1 л4 s~i Получим tg5 = 2я • 50 • ———- = 106 ■ С4; я если С4 выразить в мкФ, то tg8 = С4. 41 Докажем полученные результаты. Подставим в условие развития моста значения Z\, Z2, Z3, Z4: ~ : - +rx’ z 2~ : r ; Z3 = R3; jcoCx угаСэ R4 Z4 = 44 1 у'юС4 _ R4 • j'caQ Л + 1 y'coC4 (д4 • j&C4 = l) ' j®C4 отсюда +1)' R4 ‘ j®C4 R3 _ j(aCx ■ j(£>C4(R4ja C 4 + 1) jcoC, ’ rx ■ j(xiCx ■ R4 + R4 _ i?3 j(oCx ■ R4j(s)C4 + ja>Cx j(oC3 ’ rxja C x ■ R4 ■ ;юСэ + R4 ■ ja>C3 = j(aCx ■ R4j(oC4 ■ R3 + j(oCxR3; - rxco2CxCxR 4 + i?4y'coC3 = -со2CX ■ R4 ■ C4 • i?3 + y'coСЯЛ3 , гак как комплексные числа равны, то приравниваем мнимую и ве­ щественную части отдельно: вещественная часть: - гх ■ со2 ■ Сх • Сэ ■ R4 = -со2СХ -R4 -C4 -R3, C4 -i?3тогда rY = — — - ; Г мнимая часть: R4 ■ СэRJ(oC3 = j U2> U3), и отводимого тепла (прямая Р) от температуры 52 При сравнительно небольшом напряжении £/3, которому соот­ ветствует кривая выделяющегося в диэлектрике тепла р 3, темпера­ тура внутри диэлектрика повысится до значения Т\, при котором наступит тепловое равновесие: количество тепла, выделяющегося внутри диэлектрика, будет равно количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду. При напряжении Е/3 в данных условиях ди­ электрик будет работать без опасности электротеплового пробоя. При более высоком напряжении Uj, которому соответствует кривая р 2, тепловое равновесие неустойчивое; ему соответствует только одно значение температуры - абсцисса точки касания кривой р 2 с прямой Р. Такое напряжение диэлектрик может выдерживать толь­ ко кратковременно, пока происходит его нагревание диэлектриче­ скими потерями. При достаточно большом напряжении U\, которому соответствует кривая р , , тепловое равновесие совершенно невозмож­ но. Однако и в этом случае произойдет пробой при напряжении Ub не мгновенно, так как температура не может подняться мгновенно до опасного предела. Согласно теории теплового пробоя пробивное напряжение твер­ дого диэлектрика при переменном напряжении можно определить из следующего уравнения: 5 h U пр.эфф K ^ f . e . a . t g S > где К - числовой коэффициент, зависящий от выбора системы единиц; 5 - теплоотдача в окружающую среду, Вт/с • м2 К; h - толщина диэлектрика; / - частота приложенного напряжения; 8 - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; а - температурный коэффициент удельной проводимости. Расчеты по приведенной формуле не всегда дают значения про­ бивного напряжения, совпадающие с полученными на опыте. Это говорит о том, что аналитический метод теплового расчета в ряде случаев не отображает все сложные закономерности, происходящие пРи этом процессе пробоя. 53 Таким образом, вероятность теплового пробоя увеличивается: 1) при переменном напряжении; 2) уменьшении площади поверхности диэлектрика; 3) повышении окружающей температурь!; 4) увеличении толщины диэлектрика; 5) длительном воздействии напряжения. Для чисто электрического пробоя твердого диэлектрика харак­ терно, что он происходит в том месте диэлектрика, где наибольшая напряженность электрического поля (например, у краев электродов). Тепловой же пробой происходит в месте наихудшего теплоотвода, например, в середине диэлектрика. Для того чтобы не допустить теплового пробоя, необходимо улучшать теплоотдачу в окружающую среду, т.е. делать развитую поверхность диэлектрика; охлаждать его. Стойкость к тепловому пробою зависит от нагревостойкости ма­ териала. Нагревостойкостью называется максимальная температура, при которой материал может длительно работать без заметного ухуд­ шения его электроизоляционных свойств. Есть 7 классов нагревостойкости: Класс Y А Е В F Н С ио 9 0 1 0 5 1 2 0 1 3 0 1 5 5 1 8 0 > 1 8 0 Нагревостойкость менее класса Y имеют резина, трансформа­ торное масло, полистирол, t ® 60 °С. Y - 90 °С - волокнистые материалы на основе целлюлозы (бума­ га, пряжа, картоны, ткань) - не пропитанные. А - 105 °С - те же самые материалы, но пропитанные лаками, смолами или помещенные в жидкий диэлектрик. Е - 120 °С - пластики с органическим наполнителем (гетинакс, текстолит, эпоксидные смолы. В - 130 °С - материалы, содержащие неорганические соедине­ ния, например, стеклолакоткани материалы из слюды. F - 155 °С - изделия из слюды (слюдопласты), содержащие свя­ зующие повышенной нагревостойкости, термореактивные эпоксид­ ные или кремнийорганические смолы. Н - 180 °С - кремнийорганические смолы. С > 180 °С - неорганические материалы (слюда, стекло, асбест, фарфор), фторопласт и полиимиды. 54 Ионизационный пробой Он возможен при переменном напря деении в твердых диэлектриках, содер ясащих газовые включения (рис. 36). Поскольку Рис. 36 где £ЪЕЪ - диэлектрическая проницаемость и напряженность элек­ трического поля в воздушном включении; га, Ел - аналогичные па­ раметры твердого диэлектрика. Если е„ <ед, то Ев > Ед. Для диэлек­ трика г превосходит в 3-4 раза е газов. Значит, напряженность поля в воздушном включении увеличена в 3-4 раза по сравнению с ее значением в твердом диэлектрике. При такой напряженности в воздушном включении может прои­ зойти пробой - это называется частичным разрядом. При пробое воздушного включения выделяется энергия w_Q»Vj^cBul 2 2 При увеличении напряжении и большом количестве газовых включений интенсивность частичных разрядов растет. Растет и вы­ деляемая энергия, что приводит к пробою. Если и не происходит пробоя (при малой интенсивности частичных разрядов), то все рав­ но длительное их образование приводит к выделению озона и дру­ гих активных веществ, приводящих к старению, химическому и термическому разрушению (растрескиванию) твердой изоляции. При переменном напряжении вероятность частичных разрядов вы­ ше, а напряжение их образования ниже. Электрохимический пробой Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном на­ пряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, Велущие к необратимому уменьшению электрического сопротивления 55 (электрохимическое старение). Эти причины связаны с диссоциаци­ ей молекул примесей и нарастанием ионного тока при высокой влажности и повышенной температуре в загрязненной изоляции. Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время. Он может произойти даже при номинальном напряжении установки. 3. ДИЭЛЕКТРИКИ 3.1. Газы в качестве электрической изоляции Газы как электроизоляционные материалы имеют ряд досто­ инств: 1) после электрического пробоя полностью восстанавливают свою электрическую прочность; 2) не стареют; 3) имеют весьма малый tg5 (»10'ш) и высокое сопротивление (р » 1018 Ом м). Недостатком газов, в том числе самого распростра­ ненного - воздуха, является их низкая электрическая прочность. Воздух является естественной внешней изоляцией всех электро­ технических установок. Присутствие воздуха во внутренней изоля­ ции трансформаторов, кабелей и других весьма нежелательно, по­ скольку, имея низкую электрическую прочность, он способствует пробою изоляции, а также окисляет изоляцию и металлы, вызывая их старение, поддерживает горение, увеличивая пожароопасность изоляции и оборудования. Воздух нашел применение в воздушных выключателях в качест­ ве дугогасящей среды. В высоковольтных выключателях (6...35 кВ) применяется либо сжатый воздух (р « 4 ...8 МПа), либо вакуум (р ~ 10‘5 Па). Благодаря низкому и стабильному значению тангенса угла диэлектрических потерь вакуум используется в качестве ди­ электрика в высокочастотных и высоковольтных конденсаторах. Повышенную электрическую прочность по сравнению с возду­ хом имеют некоторые тяжелые газы с большой молекулярной мас­ сой. Все они являются электроотрицательными. К ним относятся элегаз (SF6), фреон (CC12F2) и некоторые другие газы с молекулами сложного строения. 56 Наибольшее применение в качестве газовой изоляции получил элегаз SF6. Он получается путем электролиза расплавленной серы в атмосфере фтора. Элегаз в 5 раз тяжелее воздуха, а его электриче­ ская прочность в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Элегаз не имеет ни цвета, ни запаха, химически устойчив до температуры 800 °С, не агрессивен по отношению к твердой изоляции и металлам. Его тем­ пература кипения (сжижения) составляет 63,8 °С. При нормальной температуре он может быть сжат до 20 атмосфер без снижения, при этом его электрическая прочность растет пропорционально давлению. Применяют элегаз из-за высокого значения Епр, высокого р и малого tg8 в конденсаторах, кабелях и высоковольтных выключа­ телях и др. Элегазовые кабели имеют преимущества перед кабе­ лями с бумажно-масляной изоляцией при прокладке на крутона­ клонных трассах (масло не стекает, не образуются пустоты). Эле­ газовые кабели имеют малую электрическую емкость, хорошее охлаждение и негорючи. Элегазовые выключатели по сравнению с воздушными отличаются существенно более высокой дугогасящей способностью, применяются на более высокое напряжение и име­ ют меньшие габариты. Другим газом, применяемым для электроизоляционных целей, является фреон CCI2F2. Его электрическая прочность в 2,5 раза вы­ ше прочности воздуха, но кипит он при температуре 28 °С и сжать его можно до 6 атмосфер. Ферон используют в качестве так назы­ ваемой «кипящей изоляции» в трансформаторах, где он является одновременно изолирующей и охлаждающей средой. Такая изоля­ ция применяется в целях повышения пожаробезопасности, напри­ мер, в трансформаторах на электровозах, в некоторых высоковольт­ ных высокочастотных установках. В качестве добавки к элегазу в кабелях и выключателях приме­ няют азот, который снижает стоимость изделия, а также улучшает Дугогасящие свойства элегазовых выключателей. Водород широко применяется в качестве электроизоляционной и °хлаждающей среды в крупных турбогенераторах. Его электриче­ ская прочность на 40% ниже, чем у воздуха, однако теплопровод- н°сть в 6 раз выше. На электрических станциях водород получают электролизом из воды. При охлаждении водородом в 10 раз умень­ шаются вентиляционные потери и шум вентиляции, удлиняется сР°к службы твердой изоляции генератора вследствие отсутствия 57 процессов окисления и образования азотистых соединений. В смеси с воздухом при содержании от 4% и выше водород очень взрыво­ опасен (гремучий газ). Инертные газы (аргон, неон, гелий, ксенон) имеют очень низкие потенциалы ионизации, поэтому электрическая прочность их очень низкая. Самая низкая прочность гелия в 17 раз ниже, чем у воздуха. Все инертные газы применяются в технике слабых токов в газораз­ рядных трубках и лампах, а также в эталонных конденсаторах, га­ зонаполненных разрядниках. 3.2. Жидкие диэлектрики В электротехнических установках жидкие диэлектрики приме­ няются в качестве изоляции с высокой электрической прочностью, а также как охлаждающая и дугогасящая среда. Общие требования к жидким диэлектрикам можно сформулировать следующим образом: 1) высокая электрическая прочность; 2) высокое р; 3) низкий tg5; 4) необходимое значение е; 5) стабильность свойств в условиях эксплуатации; 6) совместимость с применяемыми материалами; 7) пожаробезопасность; 8) экологическая безопасность. Ни один жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требова­ ниям одновременно. Поэтому в каждом конкретном случае приходит­ ся отдавать предпочтение тем свойствам жидкого диэлектрика, кото­ рые являются важнейшими для обеспечения требуемых функций. До сих пор применяют масла растительного происхождения. Растительное масло, применяемое для пропитки конденсаторов, - это касторовое (из семян клещевины). Оно не разрушает бумажную изоляцию и имеет высокую способность к газопоглощению. Моле­ кулы масла при этом уплотняются, ионизационные процессы не происходят и срок службы этих конденсаторов велик. Однако растительные масла легко окисляются кислородом воз­ духа. поэтому необходимо исключить возможность контакта касто­ рового масла с воздухом. 58 Наиболее применимы следующие жидкие диэлектрики: 1) минеральные масла (трансформаторное, конденсаторное, ка­ бельное); 2) синтетические жидкости на основе нехлорированных углево­ дородов; 3) синтетические кремнийорганические жидкости; 4) синтетические фторорганические жидкости. 3.2.1. Минеральные (нефтяные) масла Минеральные масла являются продуктами переработки природ­ ного жидкого минерала - нефти. По химическому составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов трех типов: 1. Парафиновые - С„Н2л+2. Это насыщенные углеводороды, от­ личающиеся химической инертностью. 2. Нафтеновые - С„Н2„. Это линейные циклические структуры. Они имеют низкую температуру застывания и большую стойкость против окисления. 3. Ароматические - С„Н2я_2. Это круговые структуры с двойными связями между атомами углерода. Они отличаются повышенной плотностью и высокой электрической прочностью. В нефтяных маслах необходимо определенное количество аро­ матических углеводородов, так как они связывают активный водо­ род Н в момент выделения его из парафиновых и нафтеновых моле­ кул. Этим увеличивается газостойкость масла. Однако при повышен­ ном содержании ароматических углеводородов растет tg5 масел. Получают нефтяные масла путем ступенчатой вакуумной пере­ гонки нефти. При температуре 180 °С из нефти удаляются легко ле­ тучие компоненты - бензин, керосин, легроин. Для получения трансформаторного, конденсаторного и кабельного масел в качест­ ве исходного полуфабриката применяется соляровый дистиллят. Эта фракция вакуумной перегонки нефти соответствует интервалу температур 280...350 °С. Соляровый дистиллят - это сырое масло. Для того чтобы получить изоляционные масла с требуемыми физи­ ко-техническими и электрическими свойствами дистиллят очища­ ют. В процессе очистки удаляют полярные соединения, органиче­ ские кислоты, твердые углеводороды, некоторые серо- и азотосо­ держащие соединения, непредельные углеводороды и др. 59 Трансформаторное масло. Оно применяется в силовых высоко­ вольтных трансформаторах, выключателях, вводах, в устройствах регулирования напряжения и др. В трансформаторах масло выполняет две функции: увеличивает электрическую прочность, заполняя поры и промежутки в твердой изоляции трансформатора, а также улучшает отвод тепла от его то­ коведущих частей и сердечника (теплопроводность масла в 30 раз больше, чем у воздуха). В высоковольтных масляных выключателях масло является газо­ генерирующей дугогасящей средой. Соприкасаясь с дугой, имею­ щей температуру 2000 °С, масло, во-первых, способствует охлажде­ нию канала дуги и электродов, во-вторых, при такой высокой тем­ пературе масло разлагается с выделением большого количества газов, в основном водорода, находящихся под повышенным давле­ нием. Все это способствует быстрому погасанию дуги. Получение трансформаторного масла из солярового дистиллята сводится к следующему: 1. Обработка серной кислотой при этом растворяются ор­ ганические кислоты и другие нестойкие примеси. 2. Обработка раствором едкого натрия NaOH для нейтрализации серной кислоты. 3. Промывка водой НгО для удаления продуктов нейтрализации - натровых масел и солей. 4. Сушка и очистка центрифугами. Для сушки и очистки от растворенных влаги, газов и других примесей применяют различные вакуумдегазационные установки. Также применяют обработку искусственными цеолитами (молеку­ лярные сита) и магнитные фильтры. При необходимости использу­ ется дополнительная очистка адсорбентами (силикогель Sj02, алю­ могель А12О з). Адсорбенты являются поверхностно-активными минеральными веществами (глинами, обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной поверхностью - до 1000 м2 на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом, при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно соединения, состоящие из ди- пол ьных молекул. Этим достигается повышение качества масла, в частности снижение кислотности без разрушения основных углево­ дородов. Снижение кислотности уменьшает электропроводность. 60 Свойства полученного масла проверяют на соответствие требуе­ мым физико-химическим и электрофизическим показателям. Для трансформаторных масел при 20 °С плотность d < 0,9-103 кг/м3; е = 2,2.. .2,3; tg8 « 0,002, т.е. трансформаторное масло - неполярный диэлектрик; кинематическая вязкость - не более 30-10'6 м2/с; темпе­ ратура застывания не выше минус 45°.. .50 °С температура вспышки - не ниже 135 °С. Стандартизированы и многие другие показатели. В процессе эксплуатации масло «стареет», что сопровождается ухудшением его химических и электрофизических показателей. В результате старения в масле появляется вода, перекиси, шлам, смо­ лы, кислоты, что увеличивает вязкость и кислотное число масла, ухудшает его электроизоляционные свойства. Старение масла ухудшает свойства твердых электроизоляционных материалов, со­ держащихся в масле, в первую очередь содержащих целлюлозу, а также вызывает коррозию соприкасающихся с маслом металлов. Образующиеся при старении смолы, как более тяжелые, осаждают­ ся на погруженных в масло деталях в виде слоя «ила», значительно ухудшая теплоотвод. В трансформаторах (а также после разрыва электрической дуги в масляном выключателе) может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки. При старении в электрическом поле некоторые сорта масел вы­ деляют газы; это очень вредно, так как пузырьки газов могут стать очагами ионизации. Старению способствуют: 1. Высокие напряженности электрических полей и световое из­ лучение. 2. Контакт масла с воздухом (кислородом). 3. Катализаторами старения являются медь и ее сплавы, железо, кобальт и др. 4. Повышенная температура (недопустимо повышение темпера­ туры масла выше 95 °С). Существует практически верное правило для любой изоляции - правило десяти градусов: увеличение рабочей температуры на 8...12°С вдвое сокращает срок службы изоляции! Это следует из известного химического закона Аррениуса, по которому скорость (К) химической реакции зависит от температуры (7): 61 K = Kaexp(-WJRT), где Wa - энергия активации; R — универсальная газовая постоянная. Для замедления процесса старения трансформаторного масла ре­ комендуется добавление к нему ингибиторов - замедлителей (антиокислигельных присадок), которые действуют противополож­ но катализаторам. Таковы ионол, амидопирин и некоторые другие вещества. Для каждого типа масла необходим подбор соответст­ вующего ингибитора. Применение правильно выбранных ингиби­ торов позволяет увеличить срок эксплуатации масла и дает боль­ шой экономический эффект. Применяют и другие мероприятия для замедления старения масла. Так, воздух над уровнем масла в транс­ форматорах (а также в баках, в которых хранится запас масла) со­ общается с наружным воздухом через воздухоочистительные фильтры. Эти фильтры заполняются силикагелем, хлористым каль­ цием и тому подобными веществами, которые поглощают из возду­ ха влагу, пыль и химически активные загрязнения. Часто заполняют промежуток над маслом в герметичном баке трансформатора вме­ сто воздуха азотом, чтобы исключить доступ кислорода к маслу (азотная защита). Продукты старения выводят, производя регенерацию (восста­ новление свойств) масла. Регенерация начавшего стареть масла, достигается обработкой масла адсорбентами (продукты старения масла являются полярными примесями в неполярном масле). Поми­ мо регенерации определенного количества масла с последующей за­ ливкой его в трансформатор возможно вести непрерывный процесс регенерации масла в работающем трансформаторе. Для этой цели трансформатор снабжают термосифонным фильтром. Масло, нагре­ ваясь во время работы трансформатора и уменьшая при этом свою плотность, поднимается в верхнюю часть бака, попадает в трубопро­ вод термосифона, проходит сверху вниз сквозь фильтр со слоем ад­ сорбента и поступает в нижнюю часть бака трансформатора. Фильтр при помощи вентилей можно отключать для смены адсорбента. Кабельные и конденсаторные масла. Конденсаторные масла применяются для пропитки силовых конденсаторов, при этом дос­ тигаются две цели: повышается электрическая прочность изоляции и увеличивается диэлектрическая проницаемость. То и другое дает ■62 возможность увеличить емкость конденсатора, уменьшить его габа­ риты и вес. Кабельные масла в чистом виде или в смеси с другими материалами используют для повышения электрической прочности высоковольтных кабелей и лучшего охлаждения. Поскольку в условиях эксплуатации конденсаторов и кабелей невозможно производить замену или регенерацию их масел, то применяемые жидкости должны иметь высокие диэлектрические свойства и сохранять стабильность их в течение всего срока служ­ бы. Это достигается более тщательной очисткой этих масел при по­ лучении с обязательным использованием адсорбентов. Значения tgS для конденсаторных и кабельных масел не должны превышать 0,002 при t = +100 °С и/ = 50 Гц, а Епр > 20 МВ/м. Кабельные масла должны иметь более высокую температуру вспышки (/ > 165°С), чем трансформаторные (во избежание возгорания). Высокие требо­ вания к конденсаторным и кабельным маслам предъявляются по газостойкости. В них недопустимы малейшие содержания газов. Рабочие напряженности электрических полей, при которых работа­ ют в/в конденсаторы и кабели таковы, что вызывают ионизацион­ ные процессы в газовых включениях. Ионизация, как минимум, по­ степенно разрушает изоляцию конденсаторов и кабелей и сокраща­ ет срок их службы или вовсе приводит к пробою оборудования. Различные типы кабельных масел отличаются величиной вязко­ сти. Для кабелей до 35 кВ применяют вязкую пропитку - масляно­ канифольный компаунд (15...30% канифоли). В маслонаполненных кабелях на напряжение 110 кВ и выше используют масловязкие масла. У концевых и стопорных муфт стоят баки давления и баки питания, обеспечивая определенное давление масла во избежание образования пустот. Без подпитки маслонаполненные кабели на на­ пряжение 110 кВ и выше работать не могут. 3.2.2. Синтетические жидкие диэлектрики На протяжении последних 50 лет разработан целый ряд синтети­ ческих жидких электроизоляционных материалов. Их применение постоянно расширяется, так как они по многим характеристикам превосходят нефтяные масла. Достоинствами их в первую очередь являются стабильность свойств в большом интервале температур и негорючесть. 63 Сначала были получены негорючие хлорированные синтетиче­ ские углеводороды, однако из-за токсичности их применение огра­ ничивалось, а сейчас повсеместно запрещено. В настоящее время находят применение синтетические жидкие диэлектрики, не содержащие хлора, на основе полиорганосилокса- новых (кремнийорганических) и фторорганических соединений. Кремнийорганические жидкие диэлектрики представляют собой полимеры с небольшой молекулярной массой, основу которых состав­ ляет устойчивая сштоксановая группировка _1 Применение вместо бумаги синтетических пле­ нок позволяет повысить максимальную рабочую напряженность изоляции кабеля, так как вследствие меньшей диэлектрической проницаемости указанных пленок, приближающейся к диэлектри­ ческой проницаемости масла / Е Лпл Л ч ‘ " у , напряженность поля в мас­ ле снижается. Наиболее подходящими для этих целей являются пленки из по­ листирола и поликарбонатов. Исследования электрической прочности кабельной изоляции из поликарбонатных пленок и масла показали, что напряжение начала ионизации для нее более чем в два раза превышает это напряжение для бумажно-масляной изоляции, a tg8 изоляции не зависит от на­ пряженности поля вплоть до 50 кВ/мм. Поэтому комбинированная изоляция из синтетических пленок и масла сможет выдерживать напряжения в 1,5...2 раза превышающие допустимые для бумажно­ масляной изоляции. Поликарбонаты могут также применяться для изготовления ли­ тых электроизоляционных изделий. Полиэфирные смолы применяются также при производстве стеклотекстолита в качестве связующего. Полиамиды. Обычно используемые полиамиды (ПА) - полиме­ ры линейного строения, содержащие в основной цепи макромоле­ кулы амидные группы (-CO-NH-). Такие ПА получают поликон­ денсацией или полимеризацией. ПА (полученные поликонденсацией двух или более компонен­ тов) обладают большой эластичностью. Волокна и пленки, полу­ ченные из них, обладают большой прочностью при растяжении (300...400 МПа), твердостью. В электрической изоляции ПА применяются для изготовления прессованных и литых деталей, а также в производстве изоляции обмоточных проводов и лакотканей. Особенно широко известными и применяемыми полиамидами являются капрон, нейлон, энант. Капрон благодаря хорошим 87 термопластичным свойствам и высокой механической прочности используют в производстве различных конструкционных деталей радиоаппаратуры (корпусы приборов, ручки и кнопки управления, клавиатура, каркасы индуктивных катушек и т.д.). В настоящее время в электротехнической промышленности ши­ роко используются электроизоляционные материалы на основе ПА, например, материал, известный под названием фенилон. Для фенилона, как и для других ароматических ПА, характерны достаточно высокая (до 220 °С) температура длительной эксплуата­ ции, повышенная радиационная и химическая стойкость и другие ценные свойства. Фенилон представляет собой аморфный полимер, который при последующем нагревании при 340...360 °С быстро кристаллизуется; при более низких температурах кристаллизация происходит при длительном нагревании. Он растворим лишь в концентрированной серной, хлорсульфо- новой кислотах. Фенилон предназначается главным образом для изготовления волокон и волокнистых полимерных связующих для электроизоля­ ционных бумаг и картонов. Эпоксидные смолы. Они характеризуются наличием в их соста­ ве эпоксидных групп (колец) /0 \ Н2С-СН2 В исходном состоянии эти смолы имеют линейные молекулы и представляют собой вязкие жидкости, растворяемые в ацетоне. По­ сле добавления к ним «отвердителей» (некоторые азотсодержащие органические соединения) эпоксидные смолы приобретают про­ странственное строение. Важно то, что процесс отверждения в дан­ ном случае представляет собой чистую полимеризацию без проте­ кания реакций конденсации, т.е. без выделения воды или других низкомолекулярных веществ. Поэтому эпоксидные смолы, являясь термореактивными материалами, могут равномерно отверждаться в толстом слое, образуя при этом весьма водонепроницаемую изоляцию. Необходимо отметить, что все электрические характеристики после длительного нахождения эпоксидной изоляции в воде меняются незначительно. Например, tg8 эпоксидной изоляции после нахож­ дения в воде в течение 250 суток увеличился с 0,01 до 0,015, а элек­ трическая прочность практически не изменилась. Большим преимуществом эпоксидных смол является также их весьма высокая склеивающая способность (адгезия) по отношению ко многим материалам - пластическим массам, стеклу, металлам и др. Отвержденные эпоксидные смолы обладают довольно высокой на- гревостойкостью, в ряде случаев могут заменить более дорогие кремнийорганические смолы, но обладающие невысокими механи­ ческими характеристиками. Эпоксидные смолы в чистом виде или в композиции с другими материалами с успехом применяются для изготовления лаков и кле­ ев, заливочных компаундов (например, для заливки небольших трансформаторов). Пробивные напряжения обмоток, трансформаторов залитых эпоксидным компаундом, на 10...20% выше пробивных напряже­ ний обмоток, пропитанных маслом. Литая изоляция на основе эпоксидных смол практически негорю­ ча, при искусственном поджигании она не поддерживает горения, имеет очень высокую водостойкость, поэтому аппаратура с эпоксид­ ной изоляцией может устанавливаться и на открытом воздухе, в ус­ ловиях повышенной влажности и даже работать, находясь в воде. Полиимидные смолы. Большим достижением в области полу­ чения полимерных материалов является синтез полиимидов (ПИ). Полиимиды получены реакцией поликонденсации и содержат в своем составе имидную группу атомов -CO-N-CO. Несмотря на то, что полиимиды полярны, их электрические свойства весьма высоки, а также высока их нагревостойкость. По нагревостойкости из всех органических полимеров только полиимиды и неполярный фторо­ пласт-4 относятся к классу С. При 500 °С ПИ-пленка вдвое прочнее, чем пленка из полиэтилена при 20 °С. Деструкция ПИ протекает лишь при температурах выше 400 °С. Наряду с высокой нагрево- стойкостью ПИ обладают исключительной холодостойкостью: при криогенных температурах вплоть до -269 °С их механические свой­ ства практически не меняются. Они стойкие к органическим рас­ творителям и разбавленным кислотам, быстрым электронам и излу­ чению, но недостаточно стойки к щелочам. 89 Из ПИ изготовляют пленки для конденсаторов, кабелей и электрических машин, а также нагревостойкие волокна и слож­ ные детали. Длительная рабочая температура для ПИ изоляции составляет 200.. .250 °С а кратковременная - до 500 °С. Совместные полимеры - полиамидимиды - имеют свойства, про­ межуточные между свойствами полиамидов и полиимидов. У полярных полимеров из-за асимметрии строения молекул зна­ чительно выражена дипольная поляризация. У всех полярных полимеров диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом частоты и сложным образом зависит от тем­ пературы. Диэлектрические потери определяются процессами ди- польно-сегментальной и дипольно-групповой релаксации, следст­ вием чего является наличие максимумов в температурной зависимо­ сти tgd. При повышенных температурах, когда полимер находится в пластичном состоянии, существенную роль начинают играть поте­ ри, обусловленные электропроводностью. Полярные полимеры, по сравнению с неполярными, характери­ зуются примерно на два порядка большим значением tgS и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением. Поэтому они ис­ пользуются в основном как изоляционные и конструкционные ма­ териалы в диапазоне низких частот. Следствием полярности являет­ ся сильная зависимость удельного поверхностного сопротивления от влажности окружающей среды. Свойства их можно характеризовать следующими усредненными параметрами: е - относительная диэлектрическая проницаемость .................................................. 3... 6 р - удельное объемное сопротивление................10й ... 1014 Ом м; tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь Свойства некоторых полярных полимеров приведены в табл. 6. Электрические свойства полярных полимеров на частоте 106 Гц...................... Епр - электрическая прочность 0,01...0,06; 15...50 МВ/м. 90 Ос но вн ые св ой ст ва по ля рн ых по ли ме ро в 'О (вакч *8н % ОБЬ К В£ ЯАЭ01Л1ЭЕТП01Г -jouareug 0, 1. . .0 ,2 <0 О гч о оо ОО CN О 451»-Н о (N о ОС о (N 1 5. ..2 0 r t j 05 ndu 9§i 0, 02 0, 06 гчо о 0, 00 3. ..0 ,0 2 ! L __ __ __ __ _ __ __ __ __ __ _ . . ОО о чоооо о 0, 06 0, 00 02 ... 0, 02 0, 00 4 СОо о o ' n j 05 ndu з 1/~)*1*СО 40 го СО 3 ,8 .. .4 ,2 1 со *о vn СО TJ- со in со k q a d ъ м "о >£> 'о 'ог—< о И-ИО “d О "о О ъ Т О ГЛ "о OI ъ vO О Ъ о о "о о! ~о "о ъ " о сч О EWO/J ‘Ч 100Н Х 01ГЦ О О 20 ... 34 пр и 20 °С 18 пр и 15 5 °С СП СП о о" кр ем ни й ор га ни че ­ ск ие 1, 2. ..2 ,0 -6 0 ... [ +2 50 г*>о S О- д- С U «О»© г-и О o ' 30 пр и 20 °С * Я С ^ о^Ъ> С П ’“н би ту м ны е -6 0. .. I 1 +8 0 1 C-J о t*-*оо о*' 20 пр и 20 °С 2, 8 0, 07 С те кл о­ те кс то ли т оо -6 0 .. . +1 05 "о о О^ “1 0, 00 4. .. 0, 03 35 ... 50 пр и 20 °С 12 ... 17 пр и 18 0 °С L "'S ‘P Т ек ст ол ит и->4s сп -6 0. .. | | +1 05 о "о во о 0, 06 ... 0, 2 I.. 5. ..1 2 пр и 90 “С VO «о 0 ,2 5 Г ет ин ак с 4 СП -6 0. .. I +1 05 "о о\ О 0, 06 ... 0, 1 20 ... 40 пр и 20 °С 00 чо 0, 35 Е ди ни ца из м ер ен ия " s 15 1 0 \ С О м -м М В /м В т/ м -К П ок аз ат ел ь П ло тн ос ть Ра бо ча я те м пе ра ту ры > О. ОО -2Р со (Т еп ло пр ов од но ст ь 104 Лаки (клеи) состоят из лаковой основы (пленкообразующего) и летучего растворителя. К числу пленкообразующих (основы лака) относятся природные и синтетические смолы (полимеры), битумы (сложные смеси нефтяных углеводородов), высыхающие масла (льняное, тунговое), эфиры целлюлозы и различные их композиции. К числу важнейших растворителей относятся ароматические уг­ леводороды (бензин, керосин, уайт-спирит, толуол, ксилол, соль­ вент), хлорированные углеводороды (дихлорэтан, хлорбензол), од­ ноатомные и многоатомные спирты (этиловый, изопропиловый, бу­ тиловый), а также скипидары. В качестве растворителя используется также реакционная вода. При удалении из лака растворителя, т.е. при «высыхании» лаков, происходят сложные химические процессы окисления, полимеризации, поликонденсации и другие, в результате которых и образуется твердая лаковая пленка Для ускорения процесса в состав лаков добавляют сик­ кативы, а также отвердители, например, соли и оксиды металлов. В зависимости от типа полимера (смолы), составляющего основу лака, длительная рабочая температура лаковых пленок колеблется от 90 до 180 °С. Электроизоляционные лаки классифицируются по химическому составу, режиму сушки и по назначению. По химическому составу лаки классифицируются в зависимости от вида основы, например, масляно-канифольные, масляно-битум­ ные, бакелитовые, глифталевые, кремнийорганические и т.д. По режиму сушки электроизоляционные лаки подразделяются на лаки горячей (печной) и холодной (воздушной) сушки. Первая группа требует для получения оптимальных свойств лаковой плен­ ки температур сушки выше 70 °С. Для лаков холодной сушки доста­ точно температуры около 30 °С. Для изоляции электрических ма­ шин и аппаратов, работающих при температурах 105... 180 °С и выше, предпочтительно применение лаков горячей сушки. Лаки хо­ лодной сушки применяются в основном при ремонтных работах. По назначению лаки можно разделить на три основные группы: пропиточные, покрывные, клеящие (или клеи). Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и, в частно­ сти, волокнистой изоляции. В результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность (это важ­ но для отвода теплоты потерь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции. 105 Покрывные лаки служат для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности твердой изоляции. Такая пленка повышает напряжение поверхностного раз­ ряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту из­ делия от действия влаги, растворителей и химически активных ве­ ществ, а также улучшает внешний вид изделия и затрудняет прили­ пание к нему загрязнений. Некоторые покрывные лаки (эмаль-лаки) наносят не на изоля­ цию, а непосредственно на металл, образуя на его поверхности электроизоляционный слой (например, изоляция эмалированных проводов). В производстве проводов с эмалевой изоляцией наи­ большее значение имеют синтетические лаки, на основе которых выпускается более 90% всех эмалированных проводов. Эмаль-лаки применяются также и для изоляции листов электротехнической стали в расслоенных магнитопроводах электрических машин и аппаратов. К покрывным лакам относятся также пигментированные эмали - лаки, в состав которых входит пигмент, т.е. порошок неорганиче­ ского состава (обычно оксиды металлов), придающий пленке опре­ деленную окраску, улучшающий ее механическую прочность, теп­ лопроводность и адгезию к поверхности, на которую нанесен лак. В полупроводящих лаках пигментом является углерод (сажа); пленки таких лаков имеют низкое удельное поверхностное сопротивление (от 102 до Ю10 Ом) и используются в производстве электрических машин на высокие рабочие напряжения для улучшения картины электрического поля на границе пазовых и лобовых частей обмоток. Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твер­ дых электроизоляционных материалов. Помимо высоких электро­ изоляционных свойств и малой гигроскопичности (общие требова­ ния для всех электроизоляционных лаков), клеящие лаки должны обеспечивать особо высокую адгезию к склеиваемым материалам. Приведенное разделение лаков по областям применения не все­ гда может быть выдержано достаточно строго. Так, при изготовле­ нии гетинакса и текстолита лак, пропитывающий отдельные слои бумаги или ткани и склеивающий эти слои друг с другом, является одновременно пропиточным и клеящим. Электроизоляционные компаунды — это смеси различных изоля­ ционных веществ, которые в процессе изготовления из них изоля­ ции переходят из жидкого состояния в твердое. От лаков они отли­ 106 чаются отсутствием в их составе растворителя. Компаунды подраз­ деляют на термопластичные и термореактивные; по назначению - на пропиточные и заливочные. Наиболее широкое распространение в электроизоляционной технике получили эпоксидные компаунды - композиции на основе эпоксидных смол, с различными отвердите- лями и катализаторами. Эти компаунды термореактивны. Для них кроме высоких электрических свойств характерны высокая нагре- востойкость, механическая прочность, высокая адгезия и весьма высокие влагозащитные свойства. Вследствие отсутствия раствори­ телей компаунды лучше лаков обеспечивают герметизацию узлов и деталей электрических и радиотехнических устройств. Все большее распространение получают кремнийорганические компаунды. Ком­ паунды широко применяются для опрессовки и герметизации полу­ проводниковых приборов и интегральных микросхем. Они приме­ няются для пропитки и заливки трансформаторов, дросселей, кон­ денсаторов. Однако заливка термореактивным компаундом исключает возможность ремонта в случае повреждения прибора или устройст­ ва. Основные свойства слоистых пластиков и компаундов приведе­ ны в табл. 7. 3.3.8. Эластомеры К этой группе относятся материалы на основе каучука - резины. Отличительным свойствам каучука является его высокая эла­ стичность. Эластичность - свойство материала сильно удлиняться при растяжении (до 500% от первоначальной длины) без относи­ тельного удлинения за счет упругости после снятия нагрузки. Натуральный каучук получают из сока (латекса) тропических растений - каучуконосов, после удаления из латекса белковых ве­ ществ, жирных кислот, солей и др. Натуральный каучук - это по­ лимер углеводорода изопрена (С5Н8)„. Он представляет из себя эластичную массу, которая при температурах -20, 30 °С становит­ ся хрупкой, а при нагреве до +40, +50 °С размягчается и становит­ ся клейкой. Высокая растяжимость каучука связана с зигзагооб­ разной (шарнирной) формой цепочек его молекул, при действии на которые растягивающего усилия форма цепочек приближается к прямолинейной. Каучук не гигроскопичен, совершенно нераство­ рим в воде, но хорошо растворим в органических растворителях 107 (бензине и т.д.), образуя резиновый клей. В силу низких механиче­ ских свойств чистый каучук для изготовления электрической изо­ ляции не применяется. Для устранения указанных выше недостатков каучук подвергают вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулка­ низации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и пространственное сшивание цепочек через атомы - S таким образом, добавка серы делает каучук термореактивным. Вулканизация улучшает как нагревостойкость, так и морозо­ стойкость каучука, повышает его механическую прочность и стой­ кость к растворителям. В зависимости от количества серы, добав­ ляемой к каучуку, получают различные продукты: при 1 ...3% серы- мягкую резину , обладающую еще весьма высокой растяжимостью и упругостью, а при 30.. .35% серы - твердую резину (эбонит) - твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Помимо каучука и серы в состав резиновой смеси вводят раз­ личные наполнители (мел, тальк и др.), существенно влияющие на свойства резины, а также красители, катализаторы процесса вулка­ низации и другие вещества. Резина применяется для изготовления диэлектрических перча­ ток, галош, ковриков. К недостаткам резины как электроизоляцион­ ного материала относятся низкая нагревостойкость (Y) малая стой­ кость к действию нефтяных масел и света, особенно ультрафиоле­ тового, под влиянием которого резина быстро стареет, трескается. Тиурамовая резина, при изготовлении которой берут не чистую серу, а тиурам, — органическое сернистое соединение (С6Н12N264), обладает более высокой нагревостойкостью. Так, в кабельных изде­ лиях для обычных (сернистых) резин допускается рабочая темпера­ тура +55 °С, а для тиурамовых резин +65 °С. В 30-х годах XX века освоено производство синтетических кау- чуков бутадиенового (С4Н6); изопренового (CsHg) и др. Кабельные резины применяют главным образом для переносных кабелей и приводов, так как таким изделиям требуется придавать максимальную гибкость. К ним относятся также силовые и кон­ трольные напряжением 600 В и 1 кВ, шахтные кабели, экскаватор­ ные, электросварочные, лифтовые и ряд других, которые эксплуа­ тируются в исключительно тяжелых условиях. Для высокой меха­ нической прочности и эластичности такие резины содержат 108 40...45% каучука. В ряде случаев в конструкцию кабелей вводят круглый или профилированный резиновый сердечник, размещаемый по оси кабеля. Обычно это делается для герметизации или для устой­ чивости конструкции многожильного кабеля при недостаточном коли­ честве жил, обеспечивающих их равномерную скрутку. В целях рав­ номерного заполнения повивов добавляют холостые жилы в виде ре­ зиновых жгутов диаметром, равным диаметру изолированных жил. Электропроводящие резины накладывают на поверхность резино­ вой изоляции или между токопроводящей жилой и изоляцией. Это осуществляется со следующей целью. В силу тяжелых эксплуатацион­ ных условий кабели по разным причинам получают механические по­ вреждения, что может привести к коротким замыканиям и послужить причиной поражения людей электрическим током. Наличие в кабеле поверх изоляции каждой изолированной жилы экранирующего слоя из электропроводящей резины создает возможность мгновенно передать импульс к быстродействующей коммутационной аппаратуре для опе­ режающего отключения электрооборудования и предупредить аварию. За последние годы получили значительное применение провода и кабели в резиновых оболочках с концевыми заделками контактов. Заделку концевых кабелей с запрессовкой металлической арматуры производят с помощью изоляционных защитных резин. К ним предъявляются особые требования - способность адгезии к метал­ лу, специальные технологические свойства, обеспечивающие плот­ ную запрессовку места заделки. Содержание каучука в таких рези­ нах 30... 40%. Электроизоляционные резины в нормальных условиях имеют следующие значения электрических характеристик: е ~ 3,5...3,8; pv= 1012.. Л О13 Ом м; tg6 = 0,01.. .0,03 при/= 50 Гц; Ещ = 14.. .40 МВ/м. К числу твердых резин относится эскапон, получаемый путем полимеризации синтетического бутадиенового каучука при темпе­ ратурах 260...300 °С и давлении 2...3 МПа без доступа воздуха. Он применяется как высокочастотный материал благодаря очень низ­ кому значению tg8: при 106 Гц tg8 = 0,0006... 0,001. Более высокие нагревостойкость, озоно- и светостойкость имеют кремнийорганические эластомеры - каучук и резина. Для получения эластомеров кремнийорганический мономер (диметилдихлорсилан) 109 обрабатывается водой, взятой в избытке. Полученные продукты путем нагрева или под действием катализаторов (например, серной кислоты) превращают в высокомолекулярные полимеры, имеющие строение СНз СН3 СНз Si — O-Si-O-Si— ... СНз СН3 СНз Чтобы из кремнийорганического эластомера получить тепло­ стойкие каучук или резину, его подвергают обработке, которую можно сравнить с вулканизацией органических каучуков. В резуль­ тате такой обработки между линейными цепями эластомеров обра­ зуются поперечные связи, в результате чего повышаются эластич­ ность, механическая прочность и теплостойкость. Для вулканизации кремнийорганических эластомеров в них вво­ дят некоторое количество инициатора (например, перекиси), кото­ рый вызывает частичное окисление органических радикалов и обра­ зование поперечных связей. Одновременно в эластомер добавляют различные наполнители (окись цинка, окись кремния, белую сажу и др.), которые повышают механические характеристики и придают необходимые свойства резинам. Полученную массу раскатывают в листы, прессуют в формах или наносят на провода. Затем сырое, отформованное из эластомера изделие помещают в термостат, где оно нагревается при нормаль­ ном давлении в течение примерно 15... 18 часов от 100 до 200°С (при повышении давления длительность процесса значительно со­ кращается). В результате получается нерастворимый эластичный материал - кремнийорганическая резина. Резины на основе кремнийорганических каучуков обладают высокой нагревостойкостью. Длительная рабочая температура их 110 достигает 250 °С, разложение наступает при 400 °С. Эластичность и механические свойства этих каучуков и резин сохраняется в широ­ ком интервале температур от высоких (+180, +250 °С) до низких (-90 °С). Все органические резины в указанных интервалах темпе­ ратур становятся пластичными или хрупкими и жесткими. Недостатком кремнийорганических резин является их низкая ме­ ханическая прочность при разрыве, которая составляет 45...50 кг/см", в то время как для органических резин она находится в пределах 100... 180 кг/см2. Некоторые кремнийорганические каучуки и резины применяют­ ся для изоляции токопроводящих жил в кабелях, не распростра­ няющих горение. Такие кабели сохраняют работоспособность и не прерывают подачу энергии при нормальном напряжении после пре­ бывания в течение 8 часов в пламени при температуре 950 °С. Это объ­ ясняется тем, что при разрушении такой резины под действием огни образуется двуокись кремния, обладающая хорошими диэлектриче­ скими свойствами и способствующая самопогасанию пламени. Проводники, изолированные лентами из кремнийорганического каучука, после опрессовки при повышенной температуре имеют монолитную, водостойкую и озоностойкую изоляцию. Электродвигатели с такой изоляцией с успехом могут работать во влажной среде и даже под водой. Кремнийорганическая резина применяется также в качестве изо­ ляции для высоковольтных электрических машин и в многих дру­ гих отраслях техники. Из нее изготовляются специальные шланги, уплотнители и прокладки для различных печей, холодильных уста­ новок, оборудования химической промышленности. Основные характеристики кремнийорганических резин: е « 4...6; ру=Ю 12Ом м; tg8 = 0,01 ...0,001; £ ^ = 20 МВ/м; плотность - 1.25...1.9 т/м3; относительное удлинение - 100...350%; класс нагре­ востойкости F, Н. 3.3.9. Основные способы изготовления изделий из полимеров и пластмасс При переработке пластмасс в изделия чаще всего применяются следующие способы: 1) прессование; 2) литье под давлением; 3) экструзия; 4) литье без давления. Прессование применяется для переработки термореактивных пресс-материалов. При прямом прессовании определенное количе­ ство (доза) пресс-материала в виде порошка, волокнистой массы или предварительно заготовленной таблетки загружается в нагре­ тую до 130... 180 °С металлическую пресс-форму и прессуется под давлением 150...500 кг/см2 (в зависимости от материала, формы и размеров изделия). При этом термореактивная смола вначале рас­ плавляется, затем происходит формование изделия, после чего вследствие продолжающего нагрева происходит дальнейшая поли­ меризация и смола переходит в твердое, нерастворимое и нерас- плавляемое состояние. Поэтому отформованное изделие после окончания процесса прессования и извлечения из формы сохраняет приданную ему форму. Схема прямого прессования де­ талей показана на рис. 37. Пресс- материал загружается в матрицу 1 пресс-формы, давление пресса передается через верхнюю под­ вижную часть пресс-формы - пу­ ансон 2. Готовое изделие 3 после изготовления извлекается при помощи выталкивателя 4. Методом прямого прессования за одну операцию можно изгото­ вить изделие сложной формы значительных габаритов и точных размеров. Литье под давлением (пресс-литье) применяется обычно для изго­ товления из термопластичных материалов изделий, имеющих слож­ ное сечение, арматуру и требующих большой точности. Засыпанный в бункер 1 пресс-материал (рис. 38) попадает в за­ грузочную камеру 4, где нагревается с помощью нагревателя 3 и переходит в жидкое состояние, после чего под давлением поршня 2 через литник выдавливается в закрытую охлаждаемую водой пресс- форму 5 и заполняет ее полости. Процесс полностью автоматизирован. 112 Рис. 37. Схема прессования деталей из пластмассы Современные автоматы для пресс-литья могут выпускать за смену до 30000 мелких изделий. Получение изделий из термореактивных материалов методом литья под давлением затрудняется тем, что при нагревании эти материалы быстро теряют текучесть и отвердевают. Рис. 38. Схема изготовления изделий из пластмасс методом литья под давлением Производство крупногабаритных изделий из кристаллизующих ся полимеров методом литья под давлением сопровождается боль шими усадками, приводящими к нарушению монолитности отливок вследствие образования раковин и утяжек. Это затруднение вызвало необходимость создания метода центробежного литья, пригодного для материалов с высокой текучестью в размягченном состоянии. Способ центробежного литья основан на использовании цен­ тробежных сил для уплотнения во время сплавления материала в монолитную заготовку. Этот способ применяется, например, для изготовления изделий из полиамидов. Материал в виде крошки или порошка загружают в плотно закрывающуюся форму, которую за­ тем нагревают до температуры литья 200. ..250 °С. Для полного расплавления материала форму выдерживают в термошкафу, после чего устанавливают в самоцентрирующийся трехкулачковый патрон токарного станка и приводят во вращение со скоростью от 800 до 1500 об/мин. Вращение формы прекращают после полного затвердения материала. Метод центробежной отливки отличается простотой применяй мой оснастки, высоким качеством получаемых заготовок и возмож­ ностью получения их различных габаритных размеров. Отливки особенно пригодны для изготовления шестерен, так как они имеют повышенную плотность на поверхности. Это объясняется переме­ щением под действием центробежных сил к стенкам формы более высокомолекулярных фракций полимера. 113 Экструзионное формование осуществляется на специальных червячных прессах (экструдерах), в которых вращающий шнек на­ гнетает, перемешивает и непрерывно выдавливает размягченный материал через оформляющую головку (фильеру). Выдавливаемое изделие охлаждают и разрезают на участки нужной длины. Схема экструзионного процесса представлена на рис. 39. 1 \-------------- 2 3 4 5 6 7 Рис. 39. Схема экструдера: 1 - шнек; 2 - загрузочное отверстие; 3 - водяной или паровой обогрев; 4 - воздушное охлаждение; 5 - цилиндр; 6 - дорн, оформляющий внутреннюю поверхность профиля; 7 - формообразующий мундштук Материал в виде порошка, гранул или ленты подается через загру­ зочное отверстие 2 в обогреваемый цилиндр 5 червячного пресса. Вращающийся со скоростью 20... 100 об/мин шнек 1, находящийся в цилиндре, захватывает материал, перемешивает его и уплотняет. Од­ новременно материал нагревается от стенок цилиндра до стадии те­ кучести. Он уплотняется и перемещается вдоль цилиндра за счет уменьшающегося шага или уменьшающейся глубины нарезки шнека. Масса выходит через оформляющую головку 7 и попадает в прием­ ное устройство, где охлаждается воздухом или водой. Цилиндр экструдера обогревается горячей водой или паром до тем­ пературы, превышающей температуру шнека. Поэтому размягченный материал не налипает на шнек, а перемещается вдоль него. Наиболее эффективная пластикация и смешение массы достигаются максималь­ ным трением ее о стенки цилиндра; в то же время условия перемещения требуют, чтобы трение материала о поверхность шнека было мини­ мальным. Для этого шнек делают полым и несколько охлаждают водой. Производительность экструдера определяется диаметром шнека, отношением его длины к диаметру, скоростью вращения и типом профиля. В современных экструдерах диаметр шнека колеблется от 9 до 400 мм, отношение его длины к диаметру - от 6 до 36. 114 В зависимости от типа перерабатываемого материала применя­ ются шнеки с постоянным и переменным шагом, с постоянной или изменяющейся глубиной нарезки. Конфигурация профилированных изделий определяется конст­ рукцией головки экструдера. Методами экструзии термопластичных материалов получают и пленки. Выходящая из экструдера труба раздувается сжатым возду­ хом до необходимых размеров, при этом происходит поперечная и продольная вытяжка с ориентацией материала. Степень продольной вытяжки зависит от скорости вращения зажимных валков, которые одновременно превращают цилиндрическую трубу в плоскую. Раздувкой трубчатой заготовки сжатым воздухом можно изго­ тавливать из термопластов и полые изделия (флаконы, бутыли). Для этого трубка, выходящая из головки экструдера, поступает на при­ способление для выдувания. Литье без давления не требует сложного оборудования, оно ну ­ ждается лишь в формах и термостатах для отверждения жидких термореактивных смол. Применяется для изготовления заготовок изделий в виде блоков, прутков и т.д., которые после отверждения подвергаются механической обработке. Методом литья без давле­ ния изготавливают также монолитную изоляцию электрических машин и трансформаторов из эпоксидных и кремнийорганических смол. Для этого изделия пропитывают или полностью заливают смолой в соответствующих формах, а затем нагревают для даль­ нейшей полимеризации и отверждения смолы. Иногда уплотняют при давлении 0,5...5 кг/см2. Этим способом получают изделия из органического стекла, гетинакса, текстолита и др. 3.4. Твердые неорганические электроизоляционные материалы К неорганическим относятся материалы, молекулы которых не содержат соединений атомов углерода с водородом. В отличие от органических и элементоорганических полимером молекулы неорганических материалов связаны обычно между собой силами электростатического взаимодействия, а не ван-дер-ваальсовыми силами. У неорганических материалов в отличие от органических и элементоорганических отсутствует высокоэластичное состояние, Характерной для них является негорючесть. Нерастворимость и ограниченная сегментальная подвижность (хрупкость) объясняется усиленным межцепным взаимодействием благодаря высокой по­ лярности неорганических групп атомов. 3.4.1. Электроизоляционные стекла Стеклами называются аморфные тела, получаемые путем пере­ охлаждения расплава независимо от их химического состава и тем­ пературной области затвердевания, приобретающие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в твердое явля­ ется обратимым. Структура и химический состав стекол. Неорганические стек­ ла, получаемые в промышленных условиях, характеризуются не­ упорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения, т.е. состоят из микрообластей с различной пространственной структу­ рой и химически неоднородным строением. Одна гипотеза - кристаллитная - рассматривает структуру сте­ кол как скопление микрокристаллических образований, названных кристаллитами, размером примерно 10...300 А . Предполагается, что структура центральной части кристаллита наиболее близка к структуре кристаллической решетки, а по мере удаления от центра упорядоченная структура атомов все больше нарушается и переходит в беспорядочную аморфную структуру. По другой гипотезе структурный стеклообразующий каркас не­ органических стекол представляется в виде непрерывной беспоря­ дочной пространственной трехмерной сетки, в узлах которой рас­ положены ионы, атомы или группировки атомов. Предполагается, что непрерывная сетка стекол в каждом отдель­ ном случае состоит из структурных одинаковых элементов - тетра­ эдрических группировок, например из тетраэдров Si04, GeO^, РО4 и других, а в промежутках между ними расположены ионы металлов, например, Na, Са и др. По химическому составу стекла подразделяются на оксидные и халькогенидные (полупроводниковые). Халькогенидные стекла по­ лучаются на основе бескислородных соединений мышьяка As2S3, сурьмы Sb2Se3, селена P2Se3 и др. 116 Свойства диэлектриков имеют лишь оксидные стекла. Основу их составляют стеклообразующие окислы, к которым относятся SiO>, В2О3, Р2О5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (основа - Si02) благодаря доступности сырьевых компонен­ тов, дешевизне и высокой химической устойчивости. Основным исходным сырьем для изготовления силикатных сте­ кол являются следующие материалы: песок Si02, каолин или глино­ зем А120 3, сода Na2C 03, поташ К2СОэ, известняк СаС03, доломит CaC03-MgC0 j и некоторые другие. Эти материалы высушиваются, размалываются до 0,6...0,7 мм и просеиваются. После этого их от­ вешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают для получения шихты, которая и поступает в стекловаренную печь. В стек­ ловаренной печи под действием высокой температуры 1100... 1700 °С шихта плавится, летучие части Н20 , С 02, S03 удаляются, а остав­ шиеся химические окислы реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая и идет на выра­ ботку изделий. Процесс варки продолжается несколько часов. Стек­ лообразное состояние материалов получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начи­ нается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а получаемые изделия обладают при этом низкой механической прочностью. В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стекломассы (от 108 до 1012 Па с). На температурной зависимости вязкости есть две характерные точки. Одна соответствует температуре текучести Гт, выше которой проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состояния. Другая точка соответствует температуре стеклования Тс, ниже кото­ рый проявляется хрупкость стекла. Интервал между 7Т и Тс называют интервалом размягчается, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Этот интервал для большинства стекол составляет ~300 °С. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, поскольку в этом интервале возможно успеть получить изделие требуемой формы. Получение изделий из стекла осуществляется методами выдува­ ния, центробежного литья, прессования, отливки и т.п. Кварцевое стекло получают из чистой двуокиси кремния SiOz при температурах выше 1700 °С. Оно имеет самую высокую темпе­ ратуру варки. Кварцевое стекло обладает рядом замечательных свойств. Оно имеет наименьшее значение температурного коэффициента линей­ ного расширения из всех известных веществ вообще: 5,5-10'7 К'1. Предел прочности на сжатие (до 2100 МПа) в 4-5 раз превышает предел прочности на сжатие других стекол. Предел прочности при растяжении кварцевого стекла хотя и выше, чем у других стекол, но существенно ниже по сравнению с пределом прочности на сжатие. Он составляет около 60 МПа. Малый температурный коэффициент линейного расширения обусловливает высокую стойкость кварцевого стекла к тепловым импульсам. Нагретое докрасна кварцевое стекло можно моменталь­ но погружать в холодную воду, не вызывая его разрушения. Благо­ даря высокой нагревостойкости и химической инертности к дейст­ вию большинства реактивов кварцевое стекло получило широкое при­ менение в технологии производства чистых веществ в качестве конструкционного материала (реакторы, ампулы, лодочки, тигли и т.п.). Кварцевое стекло отличается высокой прозрачностью для излуче­ ния в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра вплоть до длины волны порядка 4 мкм. Поэтому оно является ценным оптическим материалом: из него изготавливают линзы, призмы, опти­ ческие окна, баллоны ламп ультрафиолетового излучения и др. По электрическим свойствам кварцевое стекло относится к хо­ рошим высокочастотным диэлектрикам с преимущественно элек­ тронной поляризацией е = 3,8; р > 1016 Ом-м; tg8 = 2-1 O'4 - на часто­ те 106 Гц; Епр = 500 МВ/м. Однако кварцевое стекло имеет очень узкий интервал размягче­ ния и даже при 1700 °С характеризуется высокой вязкостью. В свя­ зи с этим из него удается получать изделия только простейшей конфигурации. Для улучшения технологических характеристик (понижения температуры варки, расширения интервала размягчения) состав стекла усложняют, вводя другие окислы: В2О3, AI2O3, а также окис­ лы двухвалентных и одновалентных металлов. Присутствие одно- и двухвалетных ионов приводит к разрыхлению пространственной сетки стекла, образуя тупиковые ветки (разрыв связей). Все это вы­ зывает понижение температуры размягчения стекла. С другой сто­ роны, слабо связанные щелочные ионы под действием теплового движения могут срываться с мест закрепления и перемещаться из 118 одной ячейки пространственной сетки в другую. При этом усилива­ ется ионно-релаксационная поляризация, что сопровождается уве­ личением диэлектрической проницаемости (е = 5-16) и тангенса угла диэлектрических потерь. Одновременно наблюдается умень­ шение удельного сопротивления материала, так как возрастает ко­ личество ионов, участвующих в процессе электропроводности. Изменение электрических свойств стекла при введении в него щелочной добавки зависит от радиуса щелочного иона. Чем меньше радиус ионов, тем больше их подвижность, тем больший вклад вно­ сят они в удельную проводимость материала. Атомы многовалентных металлов встраиваются в структурную сетку стекла, не образуя тупиковых ветвей. Более того, становясь на месте существующих обрывов связей, такие ионы могут соединить и укрепить пространственную сетку. Поэтому их присутствие в со­ ставе стекол уменьшает электропроводность и не приводит к увели­ чению релаксационных потерь. Объемное удельное сопротивление стекол при невысоких темпе­ ратурах (до 200 °С) находится в пределах от 108до 101-' Ом-м, поэто­ му многие стекла, особенно бесщелочные или малощелочные, яв­ ляются хорошими диэлектриками. При 200...400 °С электропровод­ ность стекол повышается примерно в 108.. . Ю10 раз. Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь про­ водимости, релаксационных и структурных (миграционных) потер!.. Диэлектрические потери при повышенных температурах связаны главным образом с потерями проводимости, поэтому влияние хи­ мического состава на величину диэлектрических потерь аналогично его влиянию на электропроводность стекол, т.е. компоненты, уве­ личивающие электропроводность (щелочные окислы), увеличивают также и диэлектрические потери в стеклах. Для стекол tgS находит­ ся в пределах 0,0002...0,02. Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми процес­ сами, возникающими под действием электрического поля. Неодно­ родность внутренней структуры, а также дефекты (микротрещины, каверны и пр.) стекол значительно снижают их пробивное напряже­ ние. В однородном электрическом поле, особенно при постоянном напряжении, электрическая прочность стекол очень велика и может достигать 500 МВ/м. В переменном электрическом поле сказывается влияние тепло­ вого пробоя, вызванного диэлектрическими потерями, поэтому пробивная напряженность резко понижается (17...80 МВ/м). На те­ пловой характер пробоя стекол указывает снижение электрической прочности при увеличении температуры и толщины образца. Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электриче­ ским свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы. 1. Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чисто кварцевое стекло (плавленый кварц), а также стекла, содержащие Si02, А120 3. В2О3 и окислы двухвалентых металлов: BaO, MgO и др. Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высокими электрическими свойствами, но имеют узкий интервал размягчения, поэтому из них трудно изго­ тавливать изделия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по размерам. 2. Малощелочные стекла с высоким содержанием окислов РЬО, ВаО, СаО. Эти стекла, обладая удовлетворительной обрабатывае­ мостью, имеют повышенные электрические свойства, приближаю­ щиеся при нормальной температуре к электрическим свойствам стекол первой группы. 3. Щелочные стекла. В эту группу входит большинство обыч­ ных стекол. Они отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве («технологичны»), но имеют пони­ женные электрические свойства. При содержании в стеклах в больших количествах щелочных окислов снижается химическая стойкость, увеличивается гигроско­ пичность. Стекла состава (2...3) Si02 • Na20 полностью растворяют­ ся в воде, образуя жидкое стекло (силикатный клей). Теплопровод­ ность стекол по сравнению с теплопроводностью других твердых тел исключительно низкая. Коэффициент теплопроводности раз­ личных стекол колеблется в пределах (0,7... 1,55)10'3 Вт/м-К. В качестве электроизоляционных материалов применяются бес­ щелочные и малощелочные стекла. По техническому назначению электротехнического стекла делят­ ся на электровакуумные (ламповые); установочные (изоляторные); стекловолокно; световоды; лазерные стекла. Кварцевое стекло от­ носится к электровакуумным стеклам. 120 В связи с низким температурным коэффициентом линейного расширения aL отличным от такового для всех металлов, кварцевое стекло не может надежно спаиваться с металлами выводов электро­ вакуумных баллонов обычными технологическими приемами (сваркой, спайкой). В этом случае применяют так называемые пере­ ходные стекла, имеющие промежуточное значение а, и позволяю­ щие создать плавный переход по а/ от кварцевого стекла к метал­ лам, обеспечивающий допустимые значения напряжений в спае. Такие стекла применяют при изготовлении высокоинтенсивных ис­ точников света, фотоэлементов, оптических квантовых генераторов и т.п. Состав переходных стекол характеризуется многокомпоненх- ностью и содержит окислы Si02, В20 3, А120 3; PbO, BaO, ZnO, MqO, CaO, Na20 , K20 , Li20 . Электровакуумные стекла делятся на группы по признаку спаи- ваемости с определенным металлом или сплавом. Так, стекла мо­ либденовой группы имеют а/, близкий к а/, молибдена и при спаи­ вании с ним образуют прочные вакуумно-плотные спаи; стекла вольфрамовой группы - с вольфрамом и т.д. Изоляторные стекла применяются для изготовления телефонных изоляторов, бус, плат, а также и для высоковольтных изоляторов линий электропередач. Изоляторные стекла по составу являются бесщелочными или ма­ лощелочными. В последние десятилетия фарфоровые изоляторы для высоковольтных линий электропередач уступили место стек­ лянным, которые имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: 1. Для производства стеклянных изоляторов используется более распространенное и дешевое сырье. 2. Технологический процесс изготовления стеклянных изолято­ ров полностью автоматизирован, в результате чего их производство дешевле, чем фарфоровых. 3. Контроль качества стеклянных изоляторов при их производ­ стве, а также в эксплуатации проще, чем фарфоровых вследствие прозрачности стекла. 4. Механические и термические свойства стеклянных изолято­ ров из закаленного стекла выше, чем фарфоровых. Поэтому изоля­ торы из закаленного стекла по своему весу и размерам оказываются меньшими, чем фарфоровые при одинаковых механических и элек­ трических характеристиках. Для производства высоковольтных стеклянных изоляторов раз­ работаны стекла, содержащие SiC>2, А120 3, CaO, MgO, МпО. Соста­ вы некоторых стекол для высоковольтных изоляторов были разра­ ботаны и в Белорусском национальном техническом университете. Для изготовления изоляторов можно применять только закаленное стекло. Такие изоляторы выдерживают перепад температур в 250 °С. Одновременно возрастает и их термическая прочность, ко­ торая для заколенных изоляторов даже из малощелочного стекла превышает 100 °С вместо 30...35 °С для незакаленных. После варки стекломасса для изготовления изоляторов подается в пресс-форму. Продолжительность прессования подвесного изолятора составляет 90... 100 с. Следующей операцией является закалка По­ скольку температура отдельных участков изолятора после его удаления из пресс-формы оказывается различной, то изолятор помещают в специ­ альную печь для выравнивания температуры, где он в течение несколь­ ких минут равномерно прогревается до 700...780°С. Закалка изделий производится в закалочной установке, которая представляет собой уст­ ройство для подачи охлаждающего воздуха через сопла. Конфигура­ ция установок и расположение сопел приближаются к форме изолято­ ра для равномерного охлаждения всех участков его поверхности. Процесс закалки каждого изолятор продолжается в среднем 7-10 минут. После закалки изолятор подвергается испытанию на тепловой удар (определяется его термостойкость). Для этого он нагревается в термо­ стате до температуры 120...150°С, после чего погружается в ванну с проточной водой с температурой 20.. .25 °С и выдерживается в ней. В случае недоброкачественной закалки или каких-либо других дефектов в изоляторе он разрушается в процессе этого испытания. Таким образом, все дефектные изоляторы отбраковываются и про­ водить в дальнейшем какие-либо контрольные электрические или механические испытания нет необходимости. После проверки термостойкости стеклянной части изолятора производится армировка изоляторов, и они поступают на склад го­ товой продукции. На складе закаленные изоляторы должны выдерживаться около трех месяцев, так как возможно самопроизвольное растрескивание изделия в результате дефектов, не выявленных при отбраковке тер­ мическим ударом. 122 1Производительность автоматической линии для производства закаленных подвесных изоляторов составляет 2 млн штук изолято­ ров в год. Весь технологический процесс изготовления и испытания осуществляется автоматически. Обслуживают линию 4 человека, которые лишь наблюдают за исправностью механизмов. Изоляторные стекла используют для изготовления проходных изоляторов в виде стеклянной бусы, изолирующей металлические выводы полупроводниковых приборов от фланца корпуса, на кото­ ром расположен полупроводниковый кристалл с ^-«-переходами. Стеклянные бусы изготавливают из капилляров, нарезанных в виде трубочек и колец. Обычно для таких целей используют щелочное силикатное стекло. На поверхностную проводимость стекла оказывает влияние ад­ сорбирующаяся на поверхности влага в виде водяной пленки. Она вызывает гидролитическое разложение поверхностного слоя стекла, поэтому для получения стеклянных диэлектриков высокого качест­ ва применяют стекла с повышенной химической стойкостью или на поверхность стекла наносят защитные гидрофобные покрытия (кремнийорганические лаки и пр.). Стекловолокно. При малой толщине стекло обладает доста­ точной гибкостью. Стеклянные волокна очень малой толщины (3...9 мкм) имеют настолько большую гибкость, что могут обраба­ тываться всеми известными приемами текстильного производства. Получение стеклянного волокна основано на вытягивании с большой скоростью нитей из расплавленного стекла. Сосудом, в котором происходит плавление стекла, служит «лодочка», изготов­ ленная из тугоплавкого платинового сплава. На дне лодочки име­ ются отверстия (фильеры) диаметром около 1 мм; через эти отвер­ стия под действием собственного веса и вытекает расплавленная стеклянная масса. Выходящие из отверстий нити наматываются на вращающийся барабан с очень большой скоростью (2 км/мин и бо­ лее), вследствие чего нити, не успевая еще охладиться и затвердеть, вытягиваются в очень тонкие волокна (3... 9 мкм). Несколько волокон (до 100 и более) соединяются в пряди при помощи «замасливателя», благодаря чему при дальнейшей пере­ мотке с барабана не происходит спутывания волокон из различных прядей. 123 Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных прядей, затем ткут стеклянные ткани, ленты и другие изделия. Толщина тканей и лент из стеклянного волокна лежит в пределах 0,07...0,28 мм. Для изготовления электроизоляционных стеклопластиков при­ меняется волокно из алюмоборосиликатного бесщелочного стекла. Липкая изоляционная стеклолента изготовляется из высоконагрево­ стойкого кварцевого стекла с добавкой А120 3. Стеклоткань пропи­ тывается кремнийорганическим лаком. При применении липкой стеклоленты получается монолитная изоляция, диэлектрические свойства которой после нагрева до 180 °С значительно возрастают. Применяется она для выполнения витковой изоляции и изолирова­ ния лобовых частей электрических машин. Для изготовления полупроводящей стеклолакоткани в состав кремний органических лаков вводится графит, который и обуслов­ ливает ее полу проводящие свойства. Толщина полупроводящей стеклолакоткани составляет 0,12...0,2 мм, удельное поверхностное сопротивление равно Ю3...Ю50м; при повышенной температуре электрические свойства не меняются. Применяется для покрытия изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических ма­ шин с целью выравнивания градиента напряжения (особенно в мес­ тах выхода обмоток из паза). Стеклоэмали. Эмалями (стеклоэмалями) называются стекловид­ ные покрытия по металлам или стеклу (аналогичные покрытия по керамике называют глазурью). Для эмалей применяют многокомпо­ нентные алюмоборосиликатные щелочные стекла различного состава. Они используются для защиты металлов (или стекол) от коррозии, для электрической изоляции, а также для получения красивого внешнего вида. При эмалировании порошок стекла измельчают, наносят на по­ верхность металла и обжигают. В результате плавления эмаль растека­ ется по поверхности изделия и после охлаждения остается на ней в виде тонкого (0,1. ..0,2 мм) сплошного стекловидного покрытия. Нанесение эмали на поверхность изделия может проводиться су­ хим или мокрым способом. При более распространенном мокром способе из эмали приготавливают шликер (суспензию порошка стекла в воде), который наносится на поверхность путем пульвери­ зации или путем погружения в него изделия (метод окунания). При сухом способе нагретое в печи изделие посыпается порошком эма­ ли (метод пудры). 124 Основная область применения эмалей в качестве электроизоляци­ онных материалов - покрытие трубчатых резисторов, в которых на наружную поверхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка. Наносимый поверх нее слой эмали создает изоляцию между отдельными витками обмотки и между обмоткой и окружающей сре­ дой и одновременно защищает ее от влаги, окисления и т.п. Для предотвращения растрескивания температурные коэффици­ енты линейного расширения эмали и материала, на который нано­ сится эмаль, должны бьггь приблизительно равными. 3.4.2. Ситаллы Общие сведения. Ситаллы представляют собой класс поликри- сталлических материалов, получаемых путем направленной кри­ сталлизации стекла. В технологическом отношении производство ситаллов отличает­ ся от производства стекла лишь одной дополнительной стадией - кристаллизацией изделий, которая может следовать сразу за формо­ ванием, минуя отжиг (или после него). Введение в стекло некоторых каталитических добавок обуслов­ ливает выделение в нем огромного числа центров кристаллизации и создает тем самым условия для образования тонкокристаллической структуры. Содержание кристаллической фазы в ситаллах в зависимости от ус­ ловий их получения - от 30 до 95% и более. Размер кристаллов очень мал по сравнению с кристаллами в керамике - от 0,05 до 1 мкм, т.е. ситаллы характеризуются весьма мелкокристаллической структурой. Если свойства стекла в основном определяются его химическим составом, то для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав выделяющихся в процессе кристаллизации кри­ сталлических зерен т.е. свойства ситаллов не являются аддитивны­ ми, их нельзя рассчитать по формулам. Подбирая экспериментально состав ситаллов и режим термообработки (кристаллизации), полу­ чают ситаллы с заданными физико-химическими и электрическими свойствами. Преимущества ситаллов перед стеклами состоят в бо­ лее высоких физико-химических и электрических показателях; осо­ бенно важны высокие значения механической прочности, тепло­ проводности, температуры размягчения. Преимущества ситаллов 125 перед керамикой в большой электрической прочности из-за отсут­ ствия газовых пор. Доступность сырья и простая технология обес­ печивают невысокую стоимость. Электроизоляционные показатели ситаллов, как правило, превос­ ходят показатели стекол того же химического состава: ситаллы имеют более высокие удельное сопротивление, электрическую прочность и более низкий tg5. Необходимо отметить, что теплопроводность ситал­ лов выше, чем у стекол, но ниже, чем у качественной керамиккки. Фотоситаплы - ситаллы, получаемые в результате кристаллиза­ ции специальных светочувствительных стекол. В качестве катали­ тических добавок в фотоситаллах используются соли золота, сереб­ ра или меди в количестве сотых-тысячных долей процента. Под воздействием облучения и последующей низкотемпературной тер­ мообработки (так называемого проявления) происходит выделение металлов в виде мельчайших коллоидальных частиц (стекло приоб­ ретает окраску). При более высокой температуре термообработки начинается кристаллизация облученных участков стекла, причем частицы металлов (Ag, Au, Си) служат центрами кристаллизации основных кристаллических фаз. Ультрафиолетовое облучение заготовок из светочувствительного стекла может осуществляться либо по всей поверхности, либо по определенному рисунку (с применением специальных шаблонов). После кристаллизации засвеченной заготовки ее подвергают трав­ лению в кислотах, при котором происходит растворение менее стойкой к кислоте закристаллизованной части изделия. Таким обра­ зом, получают плоскую стеклянную заготовку точных размеров и сложной формы (фасонные пластины, держатели электродов, сетки с микроотверстиями и т.д.). После этого заготовку вновь подвергают двустороннему облуче­ нию (по всей поверхности) и кристаллизации в области более высо­ ких температур (800...850 °С). Получаемое в результате такого мно­ гоступенчатого процесса изделие из фотоситалла непрозрачно и помимо фотографически точных размеров обладает высокой проч­ ностью, твердостью, хорошими электроизоляционными показате­ лями. Некоторые показатели свойств электротехнических ситаллов: Удельная теплопроводность 0,8...2,5 Вт/м-К; Температурный коэффициент линейного расширения (5... 140)-10"7 К'1. 126 Температура текучести Предел прочности при сжатии Электрическая прочность tg5 750.. .1350 °С. 0,5... 1,2 ГПа. 70... 160 МВ/м. е Интервал рабочих температур (10... 800)-10-4 при 106 Гц 5...8 при 106 Гц от-50 до +800 °С. Применяются ситаллы для подложек гибридных интегральных схем, микромодульных плат, подложек для печатных плат, тонкоп­ леночных резисторов и т.п. Стекла для оптических волокон. Световоды. В цифровых сетях связи оптические кабели как средство передачи информации имеют ряд преимуществ перед электрическими: 1) широкая полоса пропускания, позволяющая передать сигналы со скоростью 1.. .2 тыс. бит в секунду; 2) низкий уровень потерь сигнала (при распространении на 120.. .350 км практически нет потерь); 3) нечувствительность к электромагнитным помехам. Это позво­ ляет прокладывать волоконно-оптические кабели (ВОК) в местах с высоким уровнем помех, например, использовать для этих целей ЛЭП, опоры для контактной силовой цепи. Другие преимущества: малые размеры и масса ВОК; его по­ жаробезопасность; экологическая чистота, химическая устойчи­ вость, а также возможность передачи изображения по искрив­ ленному пути. В отличие от медного провода переносчиком сигнала в оптиче­ ском волокне является не электрический ток, а световой луч, рас­ пространение которого в прозрачной среде (оптоволокне) как луча (или волны) должно подчиняться законам оптики. Оптическое волокно в простейшем случае состоит из сердцеви­ ны (с) и оболочки (об). Они имеют разные, хотя и близкие по вели­ чине показатели преломления пс > noS. Сердцевина используется как среда передачи, а оболочка служит для создания границы раздела между ней и сердцевиной. Эта граница формирует физический ка­ нал (волноводного типа) - световод, по которому и распространяет­ ся световой луч - переносчик передаваемого информационного сигнала. Световой луч падая из среды, оптически более плотной («с-больший), на поверхность раздела со средой, оптически менее 127 плотной (иоб-меньший), под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отража­ ясь, пойдет вдоль волокна. Оптическое волокно может быть пластмассовым (из полимеров) и стеклянным, однако в настоящее время используется, как прави­ ло, волокно из кварцевого стекла, имеющее меньшее затухание. Из­ готовление волокна проходит в два этапа: 1) изготовление цилиндрической заготовки с заданным профи­ лем угла преломления, например, методом химического осаждения из газовой фазы; 2) вытягивание заготовки в волокно с сохранением соотношения диаметров сердцевины и оболочки. Химический состав стекол для оптических волокон (ОВ). 1. Кварцевые стекла (оптические) содержат в основном Si02 и несколько процентов присадки В2О3, Р20 5, Ge02, AI2O3. 2. Многокомпонентные стекла для ОВ - сплавы Si02 с несколь­ кими процентами (до 10% каждый) Na20 , СаО. Температура плав­ ления таких стекол 1000 °С. Для передачи изображения используют волокна диаметром 5... 15 мкм. Световой кабель (жгут) диаметром 5-6 мм содержит не­ сколько тысяч светоизолированных волокон. Для правильной пере­ дачи изображения требуется регулярная укладка волокон в жгуте, т.е. относительное расположение волокон на его входном и выход­ ном торцах должно быть одинаковым. В световодах, имеющих жилу диаметром 0,1 мм, могут распространяться более 10000 световых волн. 3.4.3. Керамические материалы Керамическими материалами (керамикой) называют неоргани­ ческие материалы, получаемые из минералов и оксидов металлов путем высокотемпературного спекания (обжига). При спекании в керамической массе происходят твердофазовые химические реакции, в результате чего структурный состав получен­ ного изделия отличен от структурного состава исходных материалов. Основные преимущества керамики: 1) высокая нагревостойкость, износостойкость и механическая прочность; 2) высокая радиационная стойкость; 3) устойчивость против старения; 4) возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы. 128 К недостаткам керамики можно отнести: 1) невозможность изго­ товления гибких изделий; 2) трудность механической обработки (изделия поддаются только шлифовке). Техническая керамика разделяется на керамику высшей огне­ упорности и радиотехническую (электротехническую) керамику. В электро- и радиотехнике применяются следующие виды кера­ мики: вакуумная, высокочастотная, конденсаторная, полупроводни­ ковая, ферромагнитная и другие, с необходимым для каждой из этих областей техники набором физико-механических и электриче­ ских параметров. Одним из старейших видов керамики, используемой как элек­ троизоляционный материал, является фарфор. Для его изготовления применяют высококачественную глину - каолин Al20 3-2Si02-2H20 (~ 50% состава фарфора); кварцевый песок Si02 (~ 25% состава фарфора), полевой шпат - минерал - К20 (Н20 ) • АЬОз (~ 25% состава фарфора). Технологический процесс изготовления фарфора состоит из сле­ дующих обязательных операций: 1) очистка от примесей всех со­ ставных частей фарфора; 2) тонкое измельчение и тщательное сме­ шивание исходных компонентов в однородную массу с водой; 3) фильтрование массы пропусканием через магнитный сепаратор, а затем через фильтр-пресс под давлением (0,8-3 МПа) для отделении воды; 4) обработка обезвоженной массы в вакууме для удаления воздушных включений; 5) пластификация массы (добавление в нее 6... 14% раствора парафина с керосином или 2...5% водного раство­ ра поливинилового спирта); 6) формование изделий из пластифици­ рованной массы различными методами: прессованием, выдавлива­ нием через мундштук, литьем под давлением; 7) глазурование и спекание (обжиг) изделий. Спекание (обжиг) изделий проводится в течение 20...70 часов в электрических печах при температурах 1300 °С и выше. При этом процессе происходят твердофазовые химические реакции между компонентами. Основными фазами, из которых состоят получаемые фарфоро­ вые изделия, являются кристаллическая (одна или несколько), стек­ ловидная, а также некоторое количество газовой фазы. Основные свойства фарфора - диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, коэффициент линейного расширения, механическая прочность - во многом зависят от особенностей кри­ сталлической фазы. Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связы­ вающие кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики - температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании - определяются в основном количеством стекло­ видной фазы. От ее содержания зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Некоторые виды радио­ керамики вообще не содержат стекловидной фазы. Наличие газовой фазы обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газо­ вых включений. В процессе обжига вследствие испарения внутри­ молекулярной влаги, выгорания пластификатора и уплотнения ма­ териала происходит усадка изделий, т.е. уменьшение их размеров, которое может доходить до 20%. Все керамические материалы более или менее пористые. Даже в обожженной до максимальной плотности керамике объем закрытых пор составляет 2...6%, а в пористых материалах, таких как фарфор, объем пор 15...25%, причем у фарфора открытая пористость. Для устранения поверхностной пористости перед обжигом фар­ форовые изделия покрывают тонким слоем (0,1...0,3 мм) глазури в виде водной порошковой эмульсии. Глазури по химическому соста­ ву являются многокомпонентными стеклами - стеклоэмалями, тем­ пература плавления которых ниже температуры обжига фарфора. При охлаждении после обжига на поверхности изделия образуется равномерный блестящий стекловидный слой. В радиотехнической и электротехнической промышленности для глазурования использу­ ются стеклоэмали с температурой размягчения 560.. .710 °С. Глазурь уменьшает гигроскопичность фарфора (практически до нуля), увеличивает поверхностное сопротивление и напряжение по­ верхностного пробоя, глазурное покрытие увеличивает механиче­ скую прочность, уменьшая количество микротрещин на поверхно­ сти и других дефектов. Необходимо, чтобы температурный коэф­ фициент расширения глазури был почти равен или несколько ниже, чем у фарфора (чтобы глазурь работала на сжатие). Ранее основное производство фарфора шло на изготовление изо­ ляторов, в том числе подвесных высоковольтных изоляторов линий 130 электропередач. В настоящее время эти изоляторы с успехом заме ­ няются на стеклянные - более дешевые, легкие и технологичные. Сейчас фарфор применяется для изготовления ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, корпусов резисторов, разъемов, штеп­ сельных соединений. Электрические свойства фарфора при нормальной температуре достаточно высоки: его электрическая прочность - 10...30 МВ/м, удельное объемное сопротивление - 10,2...Ю13 Ом-м; диэлектриче­ ская проницаемость - 6 . ..7; тангенс угла потерь - 0,015...0,02. При повышении температуры электроизоляционные свойства фарфора очень сильно ухудшаются, что вполне понятно, так как стекловид­ ная масса фарфора, полученная из содержащих значительное коли­ чество натрия и калия минералов типа полевого шпата, является щелочным стеклом, и ее электрические свойства быстро снижаются при подъеме температуры. Улучшенные электрические свойства по сравнению с фарфором имеют другие виды керамики. Корундовая керамика с содержанием глинозема (АЬОз) 95...99% получила название алюминоксида. Этот материал имеет очень плотную структуру, отличается низкими диэлектрическими потеря ­ ми в диапазоне радиочастот и при повышенных температурах, об­ ладает весьма высокой нагревостойкостью (до 2000 °С), большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Удельная теплопроводность алюминоксида в 10...20 раз выше, чем у фарфора. Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуумп- лотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем. Она изготавливается из мелко­ зернистого порошка АЬ0 3 высокой чистоты, который прессуется при комнатной температуре, а затем запекается при весьма высокой температуре (1750 °С). Благодаря высокой плотности такой керами­ ки можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. Ке­ рамика из AI2O3 является ценным материалом для осаждения пас сивных элементов гибридных интегральных микросхем. Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными и ситалловыми является их высокая те­ плопроводность. Скорость отвода теплоты от тонкопленочных эле ментов во многом определяет допустимые значения рассеиваемой в 131 них электрической мощности. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью 200...250 Вт/(м К) обладает керамика на основе окиси бериллия (95...99% ВеО). Ее теплопро­ водность в 200...250 раз превышает теплопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же она имеет высокие электрические параметры: р = 1016 Ом м, tg5 < 310^(на частоте 1 МГц) и широко применяется для подложек микросхем. Недостатком ее является токсичность порошкообразного ВеО, что требует соблю­ дения строгих мер техники безопасности на всех этапах технологи­ ческого цикла изготовления из нее изделий. Стеатит - вид керамики, изготовляемый на основе минерала талька 3Mg0-4.S702-//20. Стеатитовая керамика обычно изготовля­ ется обжигом массы, составляемой из талькового порошка с неко­ торыми добавками. Возможно также изготовлять детали из талько­ вого камня путем его непосредственной механической обработки (которая проста ввиду мягкости материала) с последующим обжи­ гом. Сорта стеатита, предназначенные для высокочастотной изоля­ ции, имеют весьма малый тангенс угла потерь (~210'4) и хорошие механические свойства (прочность на разрыв - 400...500, на изгиб - 1200... 1600 и на сжатие - 6000...8000 кг/см2). Преимуществом стеатитовой керамики является также малая усадка при обжиге, по­ зволяющая получать изделия со сравнительно точными размерами. К тому же он не нуждается в глазуровке (благодаря плотной струк­ туре) и может дополнительно обрабатываться шлифовкой. Стеатит широко используется в радиотехнической аппаратуре для опорных плат, деталей корпусов полупроводниковых приборов, высокочас­ тотных проходных изоляторов, а также в силовой электротехнике. К группе конденсаторной керамики относятся материалы с вы­ сокой величиной диэлектрической проницаемости, позволяющие использовать их в качестве диэлектрика сравнительно компактных конденсаторов. Большая часть этих материалов имеет в качестве основной составной части рутил (двуокись титана) ТЮ2 - титанат- ная керамика. Различные конденсаторы на основе рутила (тиконды) имеют б « 60... 150. Характерной особенностью их является большая вели­ чина температурного коэффициента диэлектрической проницаемо­ сти, который может быть как положительным, так и отрицательным. 132 В области низких частот и повышенных температур преобла­ дающее влияние имеет ионно-релаксационная поляризация с не­ сколькими видами релаксаторов; значение е оказывается высоким, а знак температурного коэффициента диэлектрической проницаемо­ сти - положительным. При высоких частотах главную роль играют электронная и ионная поляризации; при этом знак температурного коэффициента диэлектрической проницаемости отрицательный. Подбирая составы керамики, в которых кристаллическими фазами являются твердые растворы станната кальция CaSn03, титаната каль­ ция СаТЮз и цирконата кальция CaZr03, можно получить очень не­ значительный температурный коэффициент диэлектрической прони­ цаемости как с положительным, так и с отрицательным знаком. Кера­ мика на основе указанных твердых растворов используется для изготовления высокочастотных термостабильных конденсаторов. Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария BaTi03 и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами, на основе PbTTO3, KNb03, LiTa03 и др. Благодаря при­ сущей сегнетоэлектрикам доменной структуре и спонтанной поля­ ризации конденсаторная сегнетокерамика обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью (е = 900...8000), которая, однако, не отличается температурной стабильностью и зависит также от частоты и напряженности электрического поля. Из сегнетокерамики изготовляются малогабаритные низкочас­ тотные конденсаторы с большой удельной емкостью (вариконды). В пленочном исполнении сегнетоэлектрическая керамика является основой разнообразных радиотехнических устройств - параметри­ ческих усилителей, модуляторов, управляемых фильтров и др. Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими и пиро­ электрическими свойствами. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZr03-PbTi03 (цирконат- титанат свинца, или сокращенно ЦТС). Эта керамика широко ис пользуется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоско­ пии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются в полупроводниковой технологии для эф­ фективной отмывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают мало­ габаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители (высокочас­ тотные), слуховые аппараты. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускоре­ ний и вибраций. Все сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства, но только в монодоменизированном состоянии, для которого харак­ терна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. В полидоменном образце суммарная поляризованность равна нулю, и поэтому пироэффект отсутствует. Монодоменизация сегнетоэлектрика осуществляется путем выдержки его в постоян­ ном электрическом поле при температуре несколько ниже точки Кюри. Создание и закрепление монодоменизированного состояния в сегнетоэлектрических кристаллах является одной из важнейших проблем при использовании их в качестве пироэлектриков. Значительный пироэффекг в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, пред­ назначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ- излучения. Принцип действия пироэлектрических фотоприемников очень прост: лучистая энергия, попадая на зачерненную (погло­ щающую) поверхность сегнетоэлектрического кристалла, нагревает его. В результате нагревания изменяется спонтанная поляризован­ ность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется электронной схемой. 3.4.4. Слюда и материалы на ее основе В современной электротехнической промышленности слюда применяется благодаря большой нагревостойкости, высоким элек­ троизоляционным свойствам и высокой химической стойкости. Слюда практически не стареет. Слюда - природный минерал, встречающийся в виде жил в гор­ ных породах (так называемая комовая слюда). В природных жилах слюда представлена сравнительно мелкими кристаллами водных алюмосиликатов двух разновидностей: флого­ пита К20 ■ 6MgO ■ AI2O3 • 6Si02 • 2НгО и мусковита К2О ■ ЗА]20 3 * х 6Si02 • 2Н20. Размеры кристаллов в поперечнике - от долей мм 134 до нескольких мм. Месторождения крупных кристаллов площадью от 4 до 200 см2 встречаются весьма редко и ценятся очень дорого, по ­ этому в чистом виде слюда находит весьма ограниченное применение. После извлечения слюды из жилы она очищается от посторон­ них примесей и в таком виде называется забойным сырцом. Сред­ ний выход слюды из породы в виде забойного сырца составляет всего 1...2%. Забойный сырец подвергают ручной разборке - уда­ ляют дефекты и расщепляют на тонкие пластинки. Полученная щепаная слюда в виде пластин длиной от 7 до 60 мм и шириной от 4 до 50 мм находит применение только в исключительных случа ­ ях для очень ответственных приборов и устройств - сложные дета­ ли для электронных приборов, мишени передающих телевизионных трубок, основы мозаичного фотокатода, измерительные конденса­ торы, основная изоляция в агрегатах зажигания реактивных двига ­ телей и т.п. Электрические свойства такой слюды очень высоки: tgS = 6-104 при частоте 106 Гц; Епр > 65 МВ/м; £ > 6,0. Для электротехнических целей широко применяют композиционные материалы на основе пла­ стинок щепаной слюды. Эти материалы получили название миканитов. Миканиты - листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которая наклеивается с одной стороны или с обеих сторон; подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отслаивание лепестков слюды при изгибе материала. Вследствие содержания большого количества (не менее 50% по массе) слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагрево ­ стойкостью и относятся к классу В даже при употреблении обыч­ ных клеящих веществ и органических подложек. При использова­ нии специальных клеящих веществ и неорганических подложек (например, стеклоткани) получаются материалы классов F и Н. На гревостойкие (без содержания органических веществ) миканиты, как и чистая слюда, относятся к классу нагревостойкости С. Для производства многослойных миканитов связующее или на­ сыпают между каждыми двумя слоями слюды в виде тонкого по­ рошка сухой смолы и спрессовывают, или же насыпанную до нуж­ ной толщины слюдяную заготовку пропитывают клеящим составом. Изготовление миканитов производится на поточных механизи­ рованных линиях. Гибкие ленты миканитов, содержащие один слой слюды, называемые микалентой, применяются в основной изоляции многих электрических машин для гибких прокладок, в обмотках секций, пазовой изоляции. Твердые многослойные миканиты при­ меняют в виде штамповочных заготовок для шайб, фланцев, кол­ лекторных манжет и прокладок между медными пластинами кол­ лекторов электрических машин и других фасонных изделий. Стремление исключить трудоемкий процесс изготовления из щепаной слюды миканитов и использовать слюдяные отходы, не пригодные для производства миканитов, привело к созданию новых прогрессивных материалов на основе слюды. Они превосходят миканиты по многим показателям, являются вместе с тем более дешевыми, менее трудоемкими в изготовлении и с успехом заменяют миканиты во всех областях их применения. Эти материалы изготавливаются из слюдяных бумаг. Их назы­ вают слюдинитами или слюдопластами в зависимости от вида при­ меняемой в них бумаги. Слюдинитовые и слюдопластовые бумаги получают из не­ промышленных отходов слюды. Слюдинитовая бумага изготовляется преимущественно из мус­ ковита следующим образом. Отходы слюды - мусковита - подвер­ гают термохимической обработке: нагревают до 700-900 °С в тече­ ние 30...60 минут. При этих температурах происходит обезвожива­ ние мусковита. Он теряет приблизительно 50% своей кристаллиза­ ционной воды. При обезвоживании происходит расслоение кристал­ лов, снижается прочность связей между пластинками, в результате чего они вспучиваются (увеличиваются в толщине), становятся рыхлыми. После этого слюда подвергается гидравлической или хи­ мической обработке, например, погружается в горячем состоянии в содовый раствор, в результате чего разрыхляется еще больше. По­ следующая обработка в кислоте (для нейтрализации соды) вызывает дальнейшее набухание пластин слюды (толщина их увеличивается до 1000 раз), связь между отдельными листочками становится очень слабой, и в результате при перемешивании постепенно образуется однообразная масса, состоящая из мелких тонких чешуек слюды (слюдяная пульпа). Полученная пульпа отливается на специальных бумагоделательных машинах и в результате получаются слюдини­ 136 товые бумаги или картоны. Элементарные частицы с л ю д и н и т о е имеют толщину около 1 мкм, длина и ширина их порядка десятых долей миллиметра. Слюдинитовая бумага выпускается толщиной от 19 до 150 мкм. Флогопиты значительно более нагревостойки, чем мусковиты. У них обезвоживание наступает в интервале температур 1120... 1230 °С. Поэтому из флогопита (а также и мусковита) получают слюдяные бумаги без термохимической обработки сырья. Бумаги, полученные из нетермообработанного нагревостойкого флогопита, называют слюдотастовыми бумагами. При их получе­ нии используют свойство чистых тонкорасщепленных слюдяных частиц: прочно соединяться между собой под действием сил коге­ зии. В зонах слипания образуется оптически плотный контакт. Электрические и механические свойства слипнувшихся частиц слюды не отличаются от сплошной слюды. В производстве слюдо­ пластовой бумаги измельченные чешуйки слюды отливаются на бумагоделательной машине как и слюдинитовые бумаги. Флогопитовая слюдопластовая бумага сохраняет в значительной степени механические свойства до 800 °С, она слабо подвержена тепловому старению имеет гибкость и не растрескивается на возду­ хе при быстром изменении температуры. Поэтому флогопитовые слюдопластовые бумаги наиболее предпочтительны для изготовле­ ния на их основе электроизоляционных материалов для электрона­ гревательных элементов бытового и промышленного назначения. Слюдиниты и слюдопласты. Это материалы, изготовленные из одного или нескольких слоев слюдинитовых или слюдопластовых бумаг с использованием различных связующих и подложек. По назначению различаются следующие виды слюдинитов и слюдопластов: гибкие, формовочные, коллекторные, прокладочные, жаропрочные. В зависимости от вида получаемого материала технологические процессы их изготовления несколько видоизменяются. Гибкие слюдяные ленты состоят из одного слоя (иногда из двух слоев) бумаги с односторонней или двусторонней стекловолокни­ стой подложкой. Основной отличительной особенностью всех гиб­ ких слюдяных материалов является хорошая гибкость при 20 °С. Это важное свойство обеспечивает применение их в виде прокладок в различных изделиях. Гибкость придают применяемые связующие. 137 Слюдинитовые гибкие ленты бывают двух видов - пропитанные и сухие. Пропитанные ленты пропитываются лаками, компаундами, которые являются одновременно и склеивающими материалами. Сухие слюдинитовые ленты изготовляют с небольшим количе­ ством склеивающего материала, не пропитывающего ни слюдини­ товую бумагу, ни подложку. На основе гибких сухих и пропитанных слюдинитовых и слюдо­ пластовых лент со связующим из эпоксидных компаундов или кремнийорганических лаков и подложки из стеклоткани выполняет­ ся термостойкая термореактивная изоляция для электродвигателей и турбогенераторов типа «монолит» и «слюдотерм» нагревостойко­ сти классов F, Н. При изготовлении такой изоляции применяется различная по­ следовательность технологических операций. В одних случаях лен­ та предварительно пропитывается под вакуумом связующим соста­ вом, затем наматывается с перекрытием в несколько слоев на токо­ ведущие части обмотки машины и подвергается опрессовке в нагретом состоянии, во время которой пропиточный состав поли- меризуется - запекается. В другом случае наматывается сухая лента. Затем производится пропитка горячим составом под давлением, опрессовка и полимери­ зация состава(запечка). Электрические характеристики «монолита» и «слюдотерма» вы­ сокие: при/ = 20°С Епр = 32...35 кВ/мм; tg8 = 0,01; при/=130°С £ пр = 30...32кВ/мм; tgS = 0,08. Формовочные слюдосодержащие материалы представляют со­ бой подпрессованные листовые материалы, изготовленные из не­ скольких слоев слюдяных бумаг (слюдинитовых или слюдопласто­ вых), склеенные с помощью связующего с подложкой или без нее. Они предназначены дтя изготовления различных сложных форм (трубок, гильз) методом формования в нагретом состоянии при температуре 70.. .90 °С. В качестве связующего применяются глифталевые, кремнийор­ ганические лаки, а для жаростойких формовочных слюдопластов - алюмофосфатное связующее. Содержание связующего составляет 15...35%. 138 В качестве подложки используют лавсановую или полиамидную пленки, а также стеклослюдинитовую. Пленки увеличивают меха­ нические свойства изделий. Электрические показатели формовочных материалов: pv« 1010 Ом-м при 20 °С; pv * 106 Ом-м при 600 °С; tg8 « 0,05 при 20 °С; tg5 » 0,3 при 600°С; Епр « 20 МВ/м при 20 °С; Епр * 8 МВ/м при 600 °С. Их электрические показатели очень мало изменяются при старении. Коллекторные и прокладочные слюдиниты и слюдопласты по­ лучают после горячего прессования слюдинитовых картонов или нескольких слоев слю до пластовых бумаг со связующим. Эти мате­ риалы выпускаются в виде листов размерами не менее 200 * 400 мм толщиной от 0,3 до 1,5 мм. В качестве связующего используется глифталевая, эпоксидная или кремнийорганическая смола. Содер­ жание связующего определяется требованием отсутствия вытекания его при эксплуатации. В прокладочных материалах количество свя­ зующего (до 15%) несколько больше, чем в коллекторных (до 9%). Связующее определяет диапазон рабочих температур. Главное требование к этим материалам - отсутствие расслоения при нарезке и в процессе работы. Проверяются материалы в цик­ личном режиме теплового старения: цикл 14 сутки при 100 °С; 4 суток при 180 °С и 1 сутки при 200 °С. После каждого цикла вы­ держиваются 1 сутки при 20°С и влажности 95%. При таких испы­ таниях миканиты обычно рассыпаются (табл. 8). Таблица 8 Свойства слюдопластов Параметр ПИФШ ПИФША ПИФТ Е„р, МВ/м 26 26 26 МВ/м 20 20 20 р, Ом м, при 95% влажности 108 ю8 10п р, Ом-м 10й ю" 10п Связующее, % 7...15 3...6 2...5 Марки ПИФШ, ПИФША относятся к классу нагревостойкости В, ПИФТ - класс С. 139 П - прокладочный; И - слюдопласт; Ф - флогопит; Т - стеклотканевая подложка; Ш - связующее - шеллак; А - пониженное содержание связующего. Слюдопласт ПИФТ может работать при t = 400...500 °С, а в под­ жатом состоянии — до / = 800 °С. Для получения высоконагревостойких коллекторных и прокла­ дочных слюдопластов используют подложку из стеклоткани или лав­ сановой пленки и неорганические связующие (алюмохромфасфат). Высоконагревостойкие слюдопласты и слюдиниты (гибкие, формовочные, прокладочные) применяются для изготовления меж- слоевой и корпусной изоляции машин и аппаратов, а также для изо­ ляции электротермического оборудования. Длительная рабочая температура их составляет 850 °С для низковольтного оборудования и 600 °С для высоковольтного. 140 ЛИТЕРАТУРА 1. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учебник / В.В. Пасынков, B.C. Сорокин. - М.: Изд-во «Лань», 2002. 2. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / H.II. Бого­ родицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. 3. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоатом- издат, 1986, т. 1; 1987, т. 2; Л.: Энергоатомиздат, 1988, т.З. Учебное издание РЖЕВСКАЯ Светлана Пахомовна ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ДИЭЛЕКТРИКИ Курс лекций Редактор Л.Н. Шалаева Технический редактор О.В. Дубовик Компьютерная верстка О.В. Дубовик Подписано в печать 29.04.2009. Формат 60х84'/|6. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел. печ. л. 8,25. Уч.-изд. л. 6,46. Тираж 200. Заказ 814. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.