Строение материалов

Конструкционные материалы (КМ) используют для изготовления несущих конструкций, вспомогательных деталей и узлов, которые несут не только механические нагрузки, но и электрические: корпуса для электрооборудования, шасси, для монтажа электросхем, шкалы, органы управления и т. п.

Часть 2

Конспект лекций

Материаловедение

___________________

Редактор Н. А. Майорова

***

Подписано в печать 02.03.2006. Формат 60 ´ 84 ¹/₁₆.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,3. Уч.-изд. л. 3,8.

Тираж 400 экз. Заказ

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Электротехнические материалы (ЭТМ) применяют для производства элементов и деталей электросхем, осуществляющих прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, модуляцию и т. п. Для этого необходимы: провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, магниты, трансформаторы, генераторы, диоды, транзисторы и т. п.

Любая по сложности электрическая схема состоит из элементов, изготовленных из четырех основных классов ЭТМ: диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных.

Диэлетрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на:

пассивные диэлектрики (диэлектрики) используют для создания электрической изоляции токопроводящих частей – являются материалами электроизоляционными. В электрических конденсаторах они служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость, чем она выше, тем меньше габарит и вес конденсаторов;

активные диэлектрики применяют для изготовления активных элементов и деталей электрических схем. Эти детали служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала (пьезоэлектрики, люминофоры, электрооптические материалы, жидкие кристаллы и др.).

Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Их характерная особенность – зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности энергетического поля, температуры, давления, освещенности и т. п. Эта их особенность заложена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, тензадатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления и контактные материалы.

Материалы высокой проводимости необходимы, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К ним относятся металлы: серебро, медь, алюминий и их сплавы. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже критической сопротивление электрическому току становится равным нулю. Криопроводники – материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (– 195°С).

Проводниковыми материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары, электронагревательные элементы.

Контактные материалы идут на изготовление скользящих и разрывных контактов, они разнообразны по своему составу и строению. Это и металлы высокой проводимости и тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден и др.) повышенной стойкостью к воздействию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов.

К магнитным материалам относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях, в качестве магнитопроводов.

Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, некоторые из них сохраняют намагниченность после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым магнитным материалам относятся железо, кобальт, никель и их сплавы.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов, молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.

Особым видом существования вещества является плазменное, которое образуется при высоких температурах (выше 5000°С) или под воздействием электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Газообразное состояние – когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. Очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. В жидкостях имеет место ближний порядок. Недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Расплавы и водные растворы электролитов – проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрическом правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотическом, в беспорядке, образуя аморфное тело.

Строение аморфных твердых тел сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость.

В кристаллическом теле частицы расположены на определенном расстоянии друг от друга в геометрическом правильном порядке, образуя кристалл. Кристалл сформирован из пространственной кристаллической решетки, которая состоит из многократно повторяющихся элементарных кристаллических ячеек. Вершины ячейки называются узлами, а расстояние между двумя соседними узлами – периодом или параметром решетки. Все свойства кристаллических тел определяются типом и параметром кристаллической решетки.

В зависимости от того какие частицы (атомы, ионы или молекулы) находятся в узлах решетки, различают типы кристаллических структур: атомные, металлические, ионные и молекулярные. Характерная особенность кристаллических тел – анизотропия их свойств, которая проявляется только у монокристаллов.

Монокристалл – это огромное число одинаково ориентированных элементарных ячеек, т. е. это большой одиночный кристалл. Однако, большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации. Кристаллы неправильной геометрической формы называют зернами или кристаллитами. Они малы и в металлах их можно увидеть только при значительных увеличениях.

Некоторые вещества находятся в аморфно-кристаллическом состоянии. В них существуют две фазы: аморфная и кристаллическая. Такое строение имеют многое полимеры, ситаллы (стекла специального состава) и др.

3.2. Диэлектрические материалы

Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов, атомы и ионы – из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик (Д) как молекулярного так и ионного строения, равен нулю.

Идеальный Д состоит только из связанных между собой заряженных частиц (свободных зарядов в нем нет). Поэтому электропроводность в идеальном Д отсутствует. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы Д упорядоченно смешаются из своих равновесных состояний только на ограниченные расстояния, а диполи ориентируются по полю; в результате Д поляризуется. Поляризация – такое явление, когда под воздействием внешнего электрического поля происходит ограниченное смещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении дипольных молекул. В результате этого в Д образуется электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение заряженных частиц и ориентация диполей, приводит к образованию в материале токов смещения.

В реальных диэлектриках в результате дефектов строения и присутствия ионной примеси, кроме связанных заряженных частиц, имеются еще и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами или атомами и поэтому не имеют постоянных равновесных положений. Под действием приложенного электрического поля они направленно перемещаются в диэлектрике на относительно большие расстояния. Подходя к электродам, свободные частицы разряжаются на них, образуя электрический ток. Поскольку количество этих зарядов в Д очень мало, их электропроводность очень низкая. Способность диэлектриков поляризоваться под действием приложенного электрического поля является их фундаментальным свойством.

В поляризованном диэлектрике связанные разноименно заряженные частицы после смещения остаются в поле взаимодействия друг с другом. Возникающие при этом заряды, это заряды самого диэлектрика, они его часть.

Часть энергии, приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике за единицу времени называют диэлектрическими потерями. Эта энергия переходит в тепло и Д нагревается. При недопустимо высоких диэлектрических потерях электроизоляционная конструкция может нагреться до температуры теплового разрушения, т. е. наступит электротепловой пробой.

Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электротехнических материалов. Они могут быть газообразными, жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфно-кристаллическими, органическими или неорганическими, пассивными или активными. Все они не пропускают электрический ток (имеют высокое сопротивление) и поляризуются в электрическом поле.

3.2.1. Жидкие диэлектрики

У жидких диэлектриков выше теплоемкость и электрическая прочность по сравнению с газообразными, значительно выше теплопроводность. Электрические свойства зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси значительно снижает их электрические характеристики. Особенно существенно на электрическую прочность жидких диэлектриков влияет нерастворенная полярная примесь (вода).

Электрическая прочность диэлектрика Е_пр – минимальное значение напряженности приложенного электрического поля, при котором наступает пробой диэлектрика

E_пр = U_пр / h,

где U_пр – напряжение при котором наступает пробой диэлектрика,

h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

В международной системе электрическая прочность диэлектрика E_пр имеет размерность В/м.

Электрическая прочность любого диэлектрика зависит от степени его однородности.

Основное назначение жидких Д заключается в повышении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформаторов, гашения электрической дуги в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики пропитывая твердую изоляцию повышают ее электрическую прочность, пробивное напряжение и емкость конденсатора.

Наиболее распространенными жидкими Д являются нефтяные масла: трансформаторное, конденсаторное, кабельное.

Нефтяные электроизоляционные масла. Их получают путем ступенчатой перегонки нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фракции – солярового масла. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно поглощают остатки воды.

Нефтяные масла это слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов с присадками, улучшающими их стойкость к термоокислительному старению, и температурно-вязкостные характеристики.

Нефтяные масла желтого цвета (от почти бесцветного до темного). Чем лучше очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопичность масел увеличивается. Поэтому масла окисленные всегда более гигроскопичны и имеют пониженные электрические свойства. Химический состав и свойства масел зависят от месторождения нефти.

Нефтяное трансформаторное масло широко применяется в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах и т. п. В трансформаторах оно выполняет две функции. Первая – заполняет поры волокнистой изоляции и промежутки между проводами обмоток. Зазор в токопроводящих частях с баком трансформатора – значительно повышает электрическую прочность изоляции. Вторая – улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях масло способствует быстрому гашению электрической дуги.

Масло подразделяется на:

свежее – поступившее от завода-изготовителя. Оно может иметь отклонения по влаго- и газосодержанию;

чистое, сухое – это масло «свежее», дополнительно прошедшее обработку (осушение). Оно готово к заливке в электрооборудование;

регенерированное – отработанное, прошедшее очистку различными методами до требований нормативно-технической документации и пригодное для дальнейшего применения;

эксплуатационное – залитое в оборудование и по показателям соответствующее нормам на эксплуатацию;

отработанное – слитое из оборудования по истечении срока службы, или утратившее в эксплуатации качества, установленные нормативно-технической документацией.

Физико-химические свойства нефтяного трансформаторного масла в значительной мере определяются химическим составом и строением образующих его углеводов.

Плотность изменяется в пределах от 850 до 900 кг/м³. Чем больше в масле ароматических углеводородов, тем выше его плотность.

Удельная теплоемкость и удельная теплопроводность существенно влияют на процесс отвода тепла, выделяющегося вследствии потерь в обмотках и сердечнике трансформатора, они зависят от температуры и с ее ростом увеличиваются.

Вязкость масла. Под вязкостью понимают внутреннее трение, проявляющееся при относительном движении соседних слоёв жидкости друг относительно друга и зависящее от молекулярных сил сцепления. С повышением температуры вязкость масла уменьшается, а при низких температурах сильно возрастает.

Содержание воды (влаги) в трансформаторном масле ухудшает его эксплуатационные свойства. При увеличении содержания воды она осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05 % нерастворенной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20 %.

Масло может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации. Контакт с воздухом, всегда содержащим влагу, и процессы старения масла – причины попадания в масло влаги. Опасны и последствия при электролизе воды, находящейся в масле. Ионизация образующихся при электролизе воды пузырьков водорода и кислорода служит причиной пробоя масла.

Нефтяные масла – горючая жидкость. Степень огнеопасности зависит от содержания в масле легко испаряющихся горючих веществ и оценивается температурой вспышки. У трансформаторного масла эта температура должна быть в пределах 135 – 150°С, не ниже 135°С.

Температура застывания масла – очень важная характеристика для масел, используемых в масляных выключателях и контактных устройствах. Эти устройства используются для регулирования напряжения под нагрузкой, эксплуатируемых на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. С понижением температуры вязкость масла возрастает, а следовательно надежность работы электроаппарата резко снижается. В соответствии с требованиями отечественные трансформаторные масла имеют температуру застывания не выше – 45°С.

При эксплуатации маслоналивного электрооборудования, под воздействием кислорода воздуха, в масле протекают необратимые химические процессы, приводящие к ухудшению всего комплекса его эксплуатационно-технических характеристик. Происходит старение масла.

Происходящие процессы существенно ускоряются под действием теплового и электрического полей. Они вызывают ионную проводимость масла, образование коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов – шлама. Эти частицы увеличивают проводимость и диэлектрические потери.

Окислительные процессы старения существенно возрастают с повышением температуры. Увеличение температуры на каждые 10°С ускоряет процессы старения, в среднем в 2 – 4,5 раза. При этом снижается и пожаробезопасность. Поэтому наивысшую рабочую температуру масла считают равной 95°С.

Старение ухудшает рабочие параметры масла. Поэтому при получении масла, его хранении и перед заливкой в электрооборудование, а так же в процессе эксплуатации следует проводить систематический контроль в соответствии с требованиями технической документации.

Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного путем более глубокой очистки адсорбентами и обезгаживания (удаления газов) в вакууме. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного. Температура его застывания ниже – 45°С.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. В результате заполнения пор бумаги маслом пропитка увеличивает диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность бумаги. При этом возрастает емкость и его рабочее напряжение, или же при тех же параметрах емкости и рабочего напряжения снижаются габариты, масса и стоимость конденсатора.

Для пропитки бумажных конденсаторов используют также вазелиновое масло. Оно по электрическим свойствам близко к нефтяному конденсаторному маслу, но имеет более низкую температуру застывания (около – 50°С).

Нефтяное кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей для напряжения до 110 кВ и выше.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряжение от 110 до 500 кВ используют особо очищенное нефтяное масло, температура вспышки которого не ниже (200°С), а температура застывания должна быть не выше (– 30°С).

3.2.2. Твердые диэлектрики

3.2.2.1. Термопласты, или термопластичные полимеры, это группа диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами. Это аморф-ные или аморфно-кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). При комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают различные изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние.

Почто все термопласты горючи и изделия из них пожароопасны.

В электроизоляционной технике термопласты применяют для изоляции проводов и кабелей, катушек индуктивности, а также как составную часть клеев, лаков, пластмасс и др. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две группы: термопласты неполярные и полярные.

Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления электрической прочности и низкие диэлектрические потери. Неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков.

Полиэтилен (ПЭ) – бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена. Они пожароопасны, горят голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

Различные марки полиэтилена, отличаются плотностью, индексом расплава, наличием или отсутствием стабилизаторов. Отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ обладает высокой водостойкостью. Изделия из него, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться. На стойкость к растрескиванию влияют продолжительность действия нагрузки, температура и окружающая среда.

Полиэтилен широко используется в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых.

Полипропилен (ПП) – бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света.

Пропилен, в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под действием агрессивных сред. Электрические свойства полипропилена того же порядка, что и у полиэтилена.

Полистирол (ПС) – это твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола). Полистирол пожароопасен, горит с образование сильнокоптящего пламени.

Полистирол – один из первых синтетических материалов, используемых в электро- и радиотехнике, хороший диэлектрик. Его электрические свойства не зависят от влажности окружающей среды и температуры в пределах от – 80° до + 90°С. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов. Относительно хрупок и при старении хрупкость увеличивается. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8% каучука. Полученный материал называют «ударопрочным полистиролом». Удельная ударная вязкость повышается в 2 – 3 раза и увеличиваются показатели других физико-механических свойств.

Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко применяют ПС в производстве электрических конденсаторов.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). При нагревании он практически не плавится, а при температуре 415°С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30 – 40 МПа, а удельная ударная вязкость до 100 кД/м² – это полимер молочно-белого цвета, отечественное название – фторопласт-4, а за рубежом – тефлон.

ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к кислотам и щелочам. На него не действует даже НNО₃ и HCl (царская водка).

ПТФЭ – хороший диэлектрик, его электрические свойства не меняются в пределах от – 60 до +200°С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве ВЧ – изоляции, в производстве термо- и влагостойких электрических конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, тонкой (эмалевой) изоляции проводов, пластин, дисков, прокладок и других уплотнительных деталей.

Полярные термопласты характеризуются повышенными значениями диэлектрической проницаемости и большими диэлектрическими потерями, которые зависят от температуры и частоты напряжения. Удельное сопротивление и электрическая прочность у них ниже, чем у неполярных материалов.

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) – слабополярный диэлектрик, практически негорюч, отечественное название – фторопласт-3. В сравнении с фторопластом-4 имеет более высокую эластичность и удельную ударную вязкость. Применяется ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, для изготовления сложных по форме радиоэлектротехнических деталей.

Поливинилхлорид (ПВХ) – практически негорюч, стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Выпускается под названием «винипласт». Это листовой или трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Используется для изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т. п.

Полиакрилаты (ПАК) – представляют собой термопластичный, аморфный, прозрачный и бесцветный материал, имеющий хорошую холодо-, масло- и щелочестойкость. Наиболее распространенным из этой группы материалов является полиметилметакрили (ПММА), известный под названием органическое стекло (плексиглас).

Блочный ПММА поддается формованию и вытяжке при температуре 120°С и выше. Его используют в приборостроении обычно в качестве вспомогательного конструкционного материала либо электроизоляционного, но при низких частотах и в слабых полях. ПММА используют в переключателях и разрядниках высокого напряжения. Применяют для изготовления шкал приборов и линз, пленок, клеев и лаков. Выпускают в виде листов различной толщины, стержней, листовых блоков и т. п. Он растворяется в дихлоэтане и ацетоне. ПММА горит, при горении потрескивает.

3.2.2.2. Реактопласты, или термореактивные полимеры (смолы) – это такие материалы, которые при нагревании претерпевают необратимые изменение свойств. Материал при этом отверждается – переходит из расплавленного состояния в твердое. При повторном нагревании он уже не плавится, в растворителях не растворяется. Отверждение происходит при помощи специальных веществ – отвердителей, вводимых в материал. Электрические свойства их примерно такие же, что и у полярных термопластов.

Эпоксидные смолы (ЭП) – полярный диэлектрик, это очень большая группа материалов. Все ЭП смолы в исходном состоянии растворяются в ацетоне и ряде других растворителей. Они могут длительное время храниться без изменения свойств. Если к ним добавить отвердитель (1:10), то произойдет отверждение. Отверждение происходит за счет процессов полимеризации без выделения побочных продуктов.

В зависимости от типа отвердителя ЭП смолы могут отверждаться при комнатной температуре «холодное отверждение», либо при нагревании до 80 – 150°С «горячее отверждение». Отвердители горячего отверждения дают возможность получить полимеры с более высокими электрическими и механическими характеристиками и с большей нагревостойкостью.

ЭП смолы широко применяют в электро- и радиотехнике в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов. Они обладают высокой адгезией к различным материалам (металлам, органическим стеклам, керамике, пластмассам и т. п.). Их используют для изготовления клеев, лаков и различных компаундов. Пленки из ЭП смол отличаются высокой механической прочностью, химической стойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям.

3.2.2.3. Резины – вулканизированная многокомпонентная система на основе каучуков. Из-за своей высокой эластичности резины относятся к классу эластомеров. Отличительной особенностью эластомеров является высокая эластичность. К ним принадлежат такие материалы как полиуретаны, некоторые виды кремнийорганических полимеров и др. Вулканизация каучуков протекает при температуре 138 – 200°С. Каучуки вулканизируют, чтобы устранить их пластичность и повысить эластичность (упругость). У технических резин относительное удлинение при разрыве составляет 150 – 500 % и сохраняется при температуре от – 40 до – 60°С.

При изготовлении резины в ее состав, кроме каучука, вводят вулканизирующие агенты (серу или тиурам, а чаще их смесь), ускорители вулканизации, наполнители (мел, тальк, каолин, окись цинка и др.), которые улучшают механические свойства и удешевляют резину (наполнители дешевле каучуков в 20 –70 раз), а также мягчители (стеарин, парафин) – для улучшения технологических свойств, антиокислители, красители и другие ингредиенты, которые составляют вместе до 65% и более, а остальное каучук.

В зависимости от количества серы, вводимой в каучук, различают резину мягкую и твердую. Мягкая резина содержит 1 – 3 % серы и обладает высокой эластичностью, твердая резина – «эбонит» содержит 30 – 35% серы – это твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам, но низким относительным удлинением при разрыве (2 – 5 %).

Резина широко используется в производстве проводов и кабелей, диэлектрических перчаток, галош и т. п. Ее существенный недостаток – низкая стойкость к действию озона, кислорода, света (особенно ультрафиолетового), тепла, электрических разрядов. Под действием этих факторов резина стареет, становится хрупкой и растрескивается. Если старение резины вызвано термоокислительной деструкцией, то она размягчается и становится липкой. При непосредственном контакте резины с медью сера взаимодействует с ней образуя сернистую медь. В таких случаях жила провода покрывается слоем оловянно – свинцового припоя. В кабельной технике используют также резины содержащие сажу. Они имеют черный цвет и стойки к действию солнечного света, обладают хорошими механическими свойствами, но очень низкими электроизоляционными. Такие резины используют только в качестве шланговой изоляции кабелей.

3.2.2.4. Пластические массы. Пластмассы – это композиционные материалы, состоящие из связующего полимера, наполнителей и других ингредиентов. При эксплуатации они находятся в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Основными их компонентами являются связующее и наполнители.

Связующее образует матрицу, которая объединяет в единое целое все составные части пластмассы и в значительной мере обуславливает комплекс ее свойств.

В качестве связующего используют органические смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при нагреве и одновременном воздействии давления формоваться и приобретать заданную форму.

Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим. По своей природе они разделяются на органические и неорганические, которые бывают порошкообразные, волокнистые и листовые.

К органическим порошкообразным наполнителям относятся древесная мука, лигнин и другие дисперсные материалы. К волокнистым – хлопковые и льняные очесы, синтетические волокна, текстильная и бумажная крошка. К листовым – бумага, ткань.

К неорганическим порошкообразным наполнителям относятся молотые слюда и горные породы, тальк, каолин, кальций, кварцевая мука и др. К волокнистым – стекловолокно, длинноволокнистый асбест. К листовым – слюда, стеклоткань. Наполнители улучшают механические характеристики пластмасс и удешевляют их. В пластмассы, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, наполнители обычно не вводят.

Кроме наполнителя, в пластмассы для придания им тех или иных свойств вводят пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества и другие специальные добавки. Таким образом, пластмасса является многокомпонентной системой.

Слоистые пластики – пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал: бумага, ткань, нетканый материал с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств. Производят слоистые пластики листового строения, профильные и в виде трубок и цилиндров. Последние называют намотанными изделиями. В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах.

Наиболее распространенные виды этого материла: гетинакс и текстолит.

Гетинакс слоистый пластик полученный прессованием бумаги в несколько слоев, пропитанной феноло- или крезолоформальдегидными смолами, или их смесями. Его прессуют при температуре 150 – 160°С, при которой алигомер расплавляется, заполняет поры между листами и волокнами и затвердевает.

Гетинакс на основе полиэтилентерафталатной бумаги и эпоксидной смолы имеет высокую влагостойкость механические и электрические свойства.

Текстолит – слоистый пластик изготовленный из нескольких слоев ткани, предварительно пропитанной каким-либо реактопластом. В качестве наполнителя используются ткани: хлопчатобумажная, стеклянная (стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распространен текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. У него более высокие значения удельной ударной вязкости, стойкости к истиранию, чем у гетинакса. Электрические свойства у них одинаковы. Стоимость текстолита в несколько раз выше; поэтому его целесообразно использовать для изделий подвергающихся ударным нагрузкам и истиранию (детали переключателей и т. п.). У стеклотекстолита электрическая прочность в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

3.2.2.5. Керамические диэлектрики. Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества.

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т. п.

Низкочастотная установочная керамика применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных изоляторов (переменного тока до напряжения 1150 кВ и постоянного – до напряжения 1500 кВ): штыревых и подвесных, опорных и проходных. Эта керамика обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации.

Основным представителем этой керамики является электротехнический фарфор. В его состав входят: глина – 50 %, кварц – 25 % и полевой шпат – 25 %. С повышением температуры электрические и механические свойства электрофарфора значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших 20 – 30 лет, наблюдается потускнение глазури и краев шапки и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамики относится высоковольтная стеатитовая керамика, изготовленная на основе минерала талька, глинистых веществ и окиси бария. Эта керамика в сравнении с электротехническим фарфором, имеет повышенные электрические и механические свойства. Она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов относится термодугостойкая керамика, способная многократно выдерживать большие термоудары. Она используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, высоковольтных выключателей и т. п.

Этими сведениями не ограничивается группа диэлектрических материалов. Эти материалы, их составы и свойства рассматриваются более подробно при изучении специальных электротехнических дисциплин.

Дата добавления: 2014-01-07