виды диэлектриков. Виды диэлектриков. Реферат по дисциплине Материаловедение, электрорадиоматериалы и компоненты Виды диэлектриков
 Скачать 104.53 Kb.
|
|
Газообразные диэлектрики В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть, упомянут воздух, который часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам ЛЗ отдельных частях электрических установок. Например, на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации. Рассмотрим кратко некоторые другие газы, которые могут представить интерес для практики. При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он редко применяется вместо воздуха для заполнения конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу и соединений, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SР6 имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом элегазом (сокращено от слов «электричество» и «газ»). Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения. Он может быть сжат (при нормальной температурой) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, что с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях. Битумы Битумы - аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов (обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы) и, обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах - легче ароматических (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойкие. В спирте и воде битумы нерастворимы. Они имеют гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны, плотность их близка к 1 Мг/м3 . различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, так как в природных условиях асфальты также образовывались из нефти. Асфальты обычно бывают загрязнены минеральными примесями. В электроизоляционной технике из нефтяных битумов применяют битумы марок Б1-3-1П, БН-1У и БН-У, а также более тугоплавкие спецбитумы марок В и Г. Температура размягчения (по способу кольца и шара) для них должна быть не ниже определенных значений (от 50°С для БН-Ш до 125°С для В). температура размягчения асфальтов доходит до 220°С. более туго 50 Гц плавкие битумы, как правило, имеют лучшие электроизоляционные свойства, которые медленнее ухудшаются. При повышении температуры они труднее растворимы и при низких температурах более тверды и хрупки. Температура размягчения битума может быть повышена продувкой, т.е. пропусканием воздуха сквозь расплавленный битум. Повышение температуры размягчения битума происходит при этом вследствие окисления и дополнительной полимеризации битума. добавление нефтяного масла улучшает холодостойкость битума, т.е. делает его менее хрупким при низких температурах. битумы - слабополярные вещества с E= 2,5- 3,0; tgδ порядка 0,01; Eпр= 10- 25 МВ/м и р= 1013- 1014 Ом м; эти параметры мало зависят от влажности. Битумы используются для изготовления лаков и компаундов. Смолы Смолы - применяемые в практике, хотя и не вполне строгое с научной точки зрения, название обширной группы материалов, которые характеризуются как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органических веществ, главным образом высокомолекулярных), так и некоторыми общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах смолы - это аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы (если они только ранее не претерпевали химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) прочно пристают к соприкасающимся с ними твердыми телами. Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов. Канифоль - хрупкая смола, получаемая из живицы (природной смолы сосны) после отгонки её жидких составных частей (скипидара). Канифоль в основном состоит из органических кислот. Канифоль растворима в нефтяных маслах (особенно при нагреве) и других углеводородов, растительных маслах, спирте, скипидаре и прочие. Канифоль, растворённая в нефтяных маслах, применяется при изготовлении пропиточных и заливочных кабельных компаундов. Электроизоляционные свойства канифоли : r=10 12 - 10 13 Ом м; Е пр = 10 - 15 МВ/м; зависимость r и tg φ от температуры характерна для полярных диэлектриков. Температура размягчения канифоли составляет 50 - 70 0 С. На воздухе канифоль постепенно окисляется, причём температура размягчения её повышается, а растворимость снижается. Шеллак- смола, выделяемая на ветвях деревьев некоторыми насекомыми. Он хорошо растворим. Электроизоляционные свойства: ρ- 1013-1015 Ом м, έ около 3,5; tgδ около 0,01; Епр= 20-20 МВ/м. при 50-60оС шеллак становится гибким, а при дальнейшем повышении температуры размягчается и расплавляется. При продолжительном нагреве шеллак запекается, становясь неплавким и нерастворимым. Таким образом, шеллак обладает слабо выраженными термореактивными свойствами. В электроизоляционной технике шеллак используется в виде клеящих лаков, в частности при изготовлении миканитов. Копалы - тугоплавкие смолы с характерным блеском, большой твердостью и сравнительно труднорастворимые. эти смолы добавляют частично как ископаемые продукты разложения ранее произраставших деревьев - смолоносов, частично как смолы ныне растущих деревьев. Копалы добавляют к масляным краскам для увеличения твердости их пленок. К ископаемым копалам относятся янтарь. Он имеет ρ 1015-1017 Ом м; έ- 2,8; tgδ= 0,001. янтарь изредка применяется для изготовления вводов в приборы, где важно высокое сопротивление изоляции. Синтетические смолы. Полиолефин. Простейший олефин (т.е. ненасыщенный углеводород с одной двойной связью С=С в молекуле) этилен Н2С=СН2 или С3Н4 при нормальной температуре является газообразным веществом. Идеализированная формула строения молекулы полимера этилена- полиэтилена, являющегося уже твердым веществом, имеет вид цепи, но фактически строение молекулы более сложно. Долгое время единственным способом полиэтилена была полимеризация этилена при весьма высоком (до 300 МПа) давлении и температуре 200°С; при этом инициатором реакции является кислород, вводимый в небольших количествах в реактор. Впоследствии было создано производство полиэтилена низкого давления (ПЭНД): давление при полимеризации всего 0,3-0,6 МПа, температура около 80°С; используется комплексный катализатор (катализатор Циглера) из смеси ТіСŀ4 с одним из алюминийорганических соединений: (С2Н5)АŀСŀ, С2Н5АŀСŀ2,Аŀ(С2Н5)3 или Аŀ(С4Н9)3. полипропилен- полимер пропилена (Н2С=СН-СН3). Полипропилен имеет плотность 0,90- 0,91 Мг/м3, весьма эластичен (удлинение при разрыве 500-700%), у него высокая температура плавления: 160-170°С, обусловленная его стереорегулярной структурой, длительная нагревостойкость около 105°С. электроизоляционные свойства полипропилена такого же порядка, как и полиэтилена. Полиизобутилен- полимер изобутилена (Н2С=С (СН3)2) . высокомолекулярный полиизобутилен - каучукоподобное вещество, обладающее значительной липкостью. Он обладает хорошей хладостойкостью (сохраняет эластичность - 80°С). Плотность полиизобутилена 0,91- 0,93 Мг/м³; по химической стойкости он близок к полиэтилену и полипропилену. Для увлечения твердости полиизобутилен часто смешивают с другими полимерами, например, полиэтиленом, или же в полиизобулилен вводят наполнители. Полиизобутилен обладает чрезвычайно малой влагопроницаемостью. Полистирол. Он получается полимеризацией стирола, в свою очередь получаемого путем синтеза, а также в качестве побочного продукта при сухой перегонке каменного угля. Недостатками его являются хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин, малая стойкость к действию растворителей и невысокая нагревостойкость. Поливинилхлорид - твердый продукт полимеризации газообразного мономера- винилхлорида, представляющего собой этилен, в молекуле которого 1 атом Н замещен атомом С (винилом называется остаток Н2С=СН-). вследствие асимметрии строения поливинилхлорид является полярным диэлектриком и имеет пониженные свойства по сравнению с неполярным полимерами. влажность слабо сказывается на удельном сопротивлении. поливинилхлорида ( его ρ даже при 90%-ной влажности воздуха выше 5 1013 Ом м), но заметнее влияет на ρл . поливинилхлорид стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина с спирта. Он широко используется в технику и в быту для изготовления пластмасс и резинообразных продуктов, в частности для изготовления оболочек, защитных кабелей и т.п. Поливиниловый спирт может рассматриваться как полимер гипотетического винилового спирта Н2С=СН-ОН. поливиниловый спирт сам по себе почти не нашел применения в электрической изоляции из-за слишком сильно выраженных дипольных свойств высокого tgδ и растворимости в воде. Он служит исходным продуктом для синтеза смол. Поливинилакрилаты - полимеры эфиров акриловой и метакриловой кислот. Полиарилаты имеют хорошую холодо-, масло - и щелоче - стойкость. В зависимости от вида спиртового остатка в молекуле мономера они могут иметь различные механические свойства - прочность, твердость, эластичность. Этот прозрачный бесцветный материал широко применяется как конструкционный. Свойство выделять при воздействии электрической дуги большое количество газов придает ему качество дугогасящего материала. Фторорганические полимеры. Фторорганические смолы могут быть как нейтральными, так и полярными. Фтор входит в состав газов, имеющих высокую электрическую прочность. Особо важен для электроэнергетики политетрафторэтилен (F2С=СF3) , или фторлон-4. он неполярен, обладает чрезвычайно высокой для органического вещества нагревостойкостью (порядка +250°С), исключительно химически стоек (на него не действуют соляная, серная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи), совершенно негорюч, практически абсолютно не гигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями. Фторолон-4- белый или сероватый полупрозрачный материал; плотность 2,1- 2,3 Мг/м³; материал сравнительно мягок и обладает склонностью к хладотекучести; предел прочности при растяжении 14-25 МПа, предел прочности при изгибе 11-14 МПа. По электроизоляционным свойствам фторлон-4 принадлежит к лучшим из известных диэлектриков: диапазон частот от 50 до 1010Гц составляет 1,9-2,2; tg δ от 0,0001 до 0,0003; сохраняет гибкость при температуре ниже - 80°С. широкому внедрению фторлона препятствует его высокая стоимость и сложность технологии. Еще одним важным элементом является политрифторхлорэтилен (фторлон-3)- полимер трифторхлорэтилена. фторлон-3 обладает следующими свойствами: плотность 2,14 Мг/м³; предел прочности при растяжении 30-40 МПа; относительное удлинение перед разрывом 125-200%; предел прочности при изгибе 60-80 МПа; Е изменяется от 3,3-1011 Ом м; температура разложения +300°С; химическая стойкость весьма высока; радиационная стойкость высокая. Технология изготовления фторлона весьма проста. Гетероцепные термопластичные смолы. Полиамидные смолы имеют цепочечные молекулы. Они обладают весьма высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы лишь в ограниченном числе растворителей. Полиамиды широко применяются для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и пластмасс. Они обладают относительно высокой гигроскопичностью, легкой деформируемостью при повышенных температурах, малой радиационной стойкостью и низкой светостойкостью. полиуретаны - линейные полимеры, сочетающие свойства полиамидов и полиэфиров. Их используют в основном для изготовления эмалированных проводов. Такие провода более нагревостойки, чем провода с изоляцией на поливинилацеталевых лаках. Недостатком эмалированных проводов является склонность к размягчению эмалевой пленки при повышенных температурах (начиная примерно со 150°С). полиамиды выпускаются в виде лаков, пленок и пластмасс. Они принадлежат к числу наиболее нагревостойких органических полимеров: их длительная рабочая температура 200-250°С, кратковременная - до 500°С. полиамиды имеют свойства, промежуточные между свойствами полиамидов и полиимидов. Фенолформальдегидные смолы могут быть представлены как термореактивными, так и термопластичными. Если в реакции смолообразования 1 моль фенола приходится не менее одного моля формальдегида, получается термореактивная смола (бакелит). Бакелит в стадии А обладает плавкостью (температура размягчения 55- 80°С) и легко растворяется в спирте и ацетоне. Бакелит в стадии С (в которой находится в готовой, работающей изоляции) обладает высокой механической прочностью, мало эластичен, имеет наклонность к тренингу (образованию на его поверхности проводящих электрический ток следов). Бакелит применяют для пропитки дерева и других материалов, при изготовлении пластмасс, в том числе и слоистых - гетинакса, текстолита и др. Новолак - термопластичная смола, сохраняющая после нагрева плавкость и растворимость. Он широко применяется для изготовления пластмасс (пресспорошков). Анилиноформальдегидные смолы - вещество, образующиеся при реакции с формальдегидом аналина Н5С6-ΝН2. они менее гигроскопичны благодаря замене группы - ОН менее полярной группой - КН2. Карбамидоформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы изготавливают посредством поликонденсации формальдегида с карбамидом (ΝН2)2СО, меланином С3Н6Ν6 и их производными. Эти смолы обладают сравнительно высокой трекингостойкостью и клеящей способностью. Используются для изготовления пластмасс, лаков, клеев и т.п. Полиэфирные смолы- продукты поликонденсации различных спиртов и кислот. Глифталевые смолы, которые получаются поликонденсацией трехатомного спирта- глицерина НО-СН2-СНОН-СН2-ОН и фталевого андегрида. преимущества глифталя перед бакелитом являются более высокие эластичность, клейкость, стойкость к тепловому старению и тригоностойкость. полиэтилентерефтаталат - термопластичный полимер, получаемый поликонденсацией гликоля НО-СН2-СН2-ОН и терефталевой кислоты НООС-С6Н4-СООН. полиэтилентерефталат имеет значительную механическую прочность и высокую температуру размягчения (примерно 260°С). Он применяется при изготовлении синтетических волокон, гибких пленок и для других целей. Он производится под названием лавсан. При повышенных температурах полиэтилентерефталат на воздухе заметно окисляется, поэтому обработка размягченного нагревом материала должна производиться в атмосфере химически нейтрального газа (азота). Поликарбонаты- полиэфиры угольной кислоты. Они обладают высокими механическими свойствами и применяются для изготовления пленник, в качестве связующего для стеклотекстолита, для производства литых изделий и т.п. Полиэфиракрилаты марок МГФ-1, МДФ-1, МДФ-2, МГФ-9, ОЭАК-1 и др. получаются из фталевого андигрида, этиленгликоля, метакриловой кислоты и т.п. они обладают малой вязкостью при нормальной температуре, что особенно удобно для целей пропитки и заливки на холоде. Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны, силиконы). В их состав помимо углерода. С входит кремний, являющийся одной из важнейших составных частей многих неорганических диэлектриков: слюды, асбеста, ряда стекол, керамических материалов и пр. основу строения их молекул составляют силоксанная группировка чередующихся атомов кремния и кислорода. кремнийорганические полимеры используются в лаках, компаундах, пластмассах. Некоторые из них весьма эластичны. Электроизоляционные свойства кремнийорганических соединений высоки даже при повышенных температурах. Также они обладают весьма малой гигроскопичностью и практически не смачиваются водой. Покрытие этими соединениями целлюлозных материалов, пластмасс, керамики создает гидрофобизацию обрабатываемых материалов. Однако кремнийорганические материалы очень дороги, к тому же они имеют, как правило, низкую механическую прочность, обладают плохой адгезией к большинству других материалов и мало маслостойкие. Эфиры целлюлозы - это искусственные полимеры, получаемые путем химической переработки природного полимера- целлюлозы. При изготовлении эфиров целлюлозы атомы водорода в этих группах заменяются различными группами атомов. нитроцеллюлоза - сложный эфир, в котором атомы водорода заменяются нитрогруппами -ΝО2; ацетилцеллюлоза - сложный эфир, в котором атомы водорода заменяются остатками уксусной кислоты - СО - СН3. нитроцеллюлоза весьма горюча, даже взрывоопасна. Ацетилцеллюлоза значительно меньше огнеопасна. Этилцеллюлоза и бензилцеллюлоза - простые эфиры, имеют высокие электроизоляционные свойства и хорошую хладостойкость. По сравнению с природной целлюлозой ее эфиры имеют то преимущество, что они являются термопластичными материалами и обладают плавкостью и способностью растворятся в соответствующих растворителях, а потому удобны для переработки. Эфиры целлюлозы широко используются для изготовления искусственных текстильных волокон, пленок, лаков, пластмасс. Кроме того, благодаря замене сильнополярных гидроксильных групп менее полярными, эфиры целлюлозы имеют повышенные электрические свойства и меньшую гигроскопичность по сравнению с природной целлюлозой. Общим недостатком эфиров целлюлозы является низкая нагревостойкость. В таблице1 представлены свойства некоторых синтетических смол. Таблица 1. Свойства систетических смол
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||