Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

Диэлектрические и электротехнические материалы. Общие свойства.

Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электротехнических материалов.

Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 - 1025 раз выше, чем у проводниковых материалов. Очевидно, что диэлектрическими являются материалы с ковалентной, поляризационной или ионной связью между атомами, причем последние только в твердом состоянии. Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление.

Организационная диаграмма

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными, аморфными, кристаллическими или аморфно – кристаллическими, органическими, неорганическими или элементоорганическими, природными или синтетическими, пассивными или активными. При всем своем многообразии все диэлектрические материалы обладают характерными свойствами: не должны пропускать электрический ток (имеют высокое сопротивление) и поляризуются в электрическом поле.

По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на неполярные и полярные. У неполярных диэлектриков в отсутствии внешнего поля собственный дипольный момент структурных единиц (атомов, молекул, элементарных кристаллических ячеек) равен нулю. У полярных диэлектриков собственный дипольный момент структурных единиц отличен от нуля и в отсутствии внешнего поля. В свою очередь, полярные диэлектрики могут быть параэлектрическими и сегнетоэлектрическими. У параэлектриков дипольные моменты структурных единиц распределены по разным направлениям хаотически, и суммарный дипольный момент даже небольшого объема равен нулю. У сегнетоэлектриков дипольные моменты ориентированы параллельно, и суммарный дипольный момент малых объемов не равен нулю.

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

Органическими диэлектрическими материалами считают химические соединения, молекулы которых представляют собой цепочки или игольчатые системы из углеродных атомов. Для низкомолекулярных соединений характерны летучесть и низкая температура кристаллизации. Полимерные диэлектрики при температурах выше температуры стеклования обладают гибкостью и эластичностью, а ниже становятся стеклообразными. При температурах, выше температуры текучести, полимеры переходят в вязкотекучее состояние, и из них можно изготавливать волокна, пленки и другие изделия разнообразной формы. Органические диэлектрики, за небольшим исключением (политетрафторэтилен, полиимиды), имеют относительно низкую нагревостойкость и пожароопасны. Многие из них (резины, материалы на основе целлюлозы, нефтяные масла) относительно легко подвергаются световому и тепловому старению.

Неорганические диэлектрические материалы представляют собой сложные системы, состоящие из окислов некоторых металлов и металлоидов. Связь между атомами в них преимущественно ионная. Неорганические соединения характеризуются только химическим составом, структура для многих из них неизвестна (стекла, карамика и др.).

Эти материалы, как правило, твердые и хрупкие, негибкие и неэластичные, имеют относительно высокую нагревостойкость, пожаробезопасны, стойки к окислению и действию электрических разрядов, УФ-лучей, озона и окислов азота. Однако технология их обработки более сложная, чем у органических материалов.

Кремнийорганические соединения (силиконы) представляют наиболее обширный класс элементоорганических веществ. Молекулы последних в своем составе, кроме атомов углерода и водорода, содержат также атомы кремния, кислорода, алюминия, титана, фосфора или другого химического элемента.

Характерной особенностью кремнийорганических соединений является то, что молекулярная цепь состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода, а боковыми («обрамляющими») частями —R являются атомы водорода —Н или углеводородные группы (— СН3, —С2Н5, ЕС6Н5 и др.):

При нормальных условиях в зависимости от величины молекул кремнийорганические соединения могут находиться в жидком или твердом (полимерном) состоянии. Молекулы их имеют линейное, разветвленное или циклическое строение, образуя термопластичные или, чаще, термореактивные полимеры. В природе кремнийорганические соединения не встречаются, их получают только путем синтеза (поликонденсации). Широкое применение в электротехнике (как и в других областях техники) они получили благодаря ряду ценных качеств, прежде всего хорошим электроизоляционным свойствам, высокой тепло-, водо- и атмосферостойкости.

В процессе эксплуатации диэлектрик испытывает нагрузки не только электрические, но также тепловые (очень высокие или очень низкие температуры) и механические (статические или динамические), ему приходится работать в условиях повышенной влажности, в химически агрессивной среде. Поэтому при выборе материала необходимо учитывать весь комплекс воздействующих на него нагрузок.

Свойства диэлектриков: механические, влажностные, тепловые, химические.

Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление — величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление — величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость — величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь — величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность — величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число — это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость — это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной 5—250 мкм, а ленты — 0,2—3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20—100 мкм и шириной 8—250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30—200 мкм, а ширина 230—1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5—40 мкм и шириной 10—200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки.

Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25—100 мкм и шириной 50—650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила — 20—200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабопластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон — гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон — гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм.


Электротехнические материалы