Диэлектрические материалы

Пытанні і заданні для самакантролю

1. Вызначце месца падкласа гамамелідыдных у філагенетычнай сістэме.

2. Дайце агульную характарыстыку і назавіце рысы прымітыўнасці раслін парадку букакветных.

3. Ахарактарызуйце расліны парадку бярозакветных. Акрэсліце падабенства і адрозненне іх ад раслін парадку букакветных.

4. Вызначце месца падкласа карыяфілідныя ў філагенетычнай сістэме.

5. Дайце характарыстыку раслін парадку гваздзікакветныя. Назавіце асноўныя сем’і парадку і ахарактарызуйце іх.

Газообразные диэлектрики

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Наиболее ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы - азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха. В таблице приведены отношения электрической прочности некоторых газов Е_пр.г к электрической прочности воздуха Е_пр.в, которое принято за единицу.

Газ	Плотность кг/м^3	Eпр.г/Епр.в
Азот	1.25	1.0
Гексафторид серы (элегаз)	6.70	2.3
Дихлорфторметан (фреон-12)	6.33	2.4
Гексафторэтан	9.01	2.0

Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них тепло, выделяющееся при работе.

Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов.

По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей.

Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую опасность. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров жидкого диэлектрика в смеси с воздухом. Эта температура должна быть не ниже 135-140^оС.

Из характеристик трансформаторного масла следует отметить кинематическую вязкость при температуре 20 и 50^оС, знание которой весьма важно, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов ухудшается теплоотвод от обмоток и магнитопровода трансформатора, а это может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также кислотное число, которое необходимо контролировать для учета старения масла в процессе его эксплуатации.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандартном разряднике составляет 50-60КВ при 50Гц и примерно 120КВ при воздействии импульсного напряжения. С целью повышения устойчивости масел к процессам старения в масла вводят синтетические ингибиторы в концентрации от 0.1 до 0.5%.

Ингибиторы замедляют процесс старения масла в 2-3 раза. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенерации. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием " молекулярные сита ".

Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и вязкостью.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высококой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, но они токсичны.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка, атомы кремния которой связаны с органическими радикалами.

По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и др.

Жидкие диэлектрики на основе фтороорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Они получили применение для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах.

Синтетические полимеры

Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией.

Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости ( =3 - 6) и повышенными диэлектрическими потерями. Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация.

Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, ПТФЭ, полиамидные смолы. Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конструкционные в диапазоне низких частот.

Полимеры, получаемые поликонденсацией. В зависимости от особенностей проведения реакции поликонденсации могут быть получены полимеры как с линейной, так и с пространственной или сетчатой структурой молекул.

Линейные поликонденсационные полимеры имеют высокую прочность и большое удлинение при разрыве. Многие из них способны вытягиваться в тонкие нити, из которых можно получать электроизоляционные ткани, пряжу. Некоторые полимеры применяются для изготовления пленочных матриалов. Поликонденсационные полимеры с линейной структурой макромолекул являются термореактивными и широко применяются как связующее в пластмассах, в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков.

Из числа наиболее широко применяемых поликонденсационных полимеров можно назвать фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные.

Основные показатели некоторых полимеров.

Диэлектрические параметры	Полиэтилен	Фторопласт-4	Поливинилхлорид	Эпоксидные смолы
, Ом^.м	10^15	10^18	10^13	10^13
, 1МГц	2.3	2.0	3.2	4.0
Епр, МВ/м
Траб, ^оС

Пластмассы и пленочные материалы

Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. По составу в большинстве случаев пластмассы представляют собой композиции из связующего и наполнителя. Кроме связующих и наполнителя применяют пластификаторы для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. В некоторые пластмассы вводятся стабилизаторы - химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс и повышению стойкости пластмасс к воздействию тепла, света, кислорода воздуха. По способности к формованию полимерные материалы подразделяются на две группы - термопласты (термопластичные) и реактопласты (термореактивные).

Широкое применение в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преимущственно электроизоляционного назначения. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые пластики.

Электроизоляционные органические полимерные пленки - тонкие и гибкие материалы нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. Для изоляции обмоток низковольтных электрических машин важную роль играют полимерные пленки с повышенной нагревостойкостью. Малая толщина пленок, наряду с высокими значениями электрической и механической прочности, может обеспечивать требуемую надежность.

Стекло и керамика

Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃); галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF₂ (фторберилатные стекла) и халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

1. по виду окисла стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.;

2. по содержанию щелочных окислов - бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды MgO, CaO, BaO и др.) малощелочные; многощелочные.

Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na₂O₃, K₂O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO₂ и B₂O₃. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность.

Самую низкую имеет кварцевое стекло (3.7 - 2.8) и стеклообразный борный ангидрид (3.1 - 3.2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20).

В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17 - 80 МВ/м.

Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов.

Конденсаторная керамика имеет повышенные ( =10 - 230) и высокие значения ( =900). К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил (TiO₂). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция -CaTiO₃ и SrTiO₃.

Активные диэлектрики

Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков.

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, которая назвается диэлектрической петлей гистерезиса.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:

· ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), барий-натриевый ниобат (BaNaNb₅O₁₅) или сокращенно БАНАН и др.;

· дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆^.4H₂O), триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH₃^.H₂SO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄) и др.

Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в акусто- и пьезоэлектрических преобразователях.

Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное свойство не всегда выполняется.

Пьезоэлектрики - это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля.

В различных пьезопреобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном на основе твердых растворов цирконата-титоната свинца (сокращенно ЦТС).

К активным диэлектрикам относятся также пироэлектрики, то есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария стронция, триглицинсульфат - ТГС, ниобат и танталат лития.

Дата добавления: 2014-01-13