Материал: Учебное пособие ЭТМ

один атом водорода замещен атомом хлора. ПВХ представляет собой твердый продукт белого цвета с содержанием хлора до 56,8 %. Благодаря содержанию хлора не воспламеняется и не горит. ПВХ до 60 ° С стоек к действию соляной и муравьиной кислот любых концентраций, серной, азотной и уксусной — от 50 до 80 % концентрации, не изменяется при действии щелочей любых концентраций, промышленных газов, растворов солей алюминия, натрия, калия, железа, меди, цинка, никеля и других металлов, а также бензина, керосина, масел, жиров, глицерина, спиртов. ПВХ является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности и морозостойкости к ПВХ добавляют пластификаторы, в качестве которых используются органические полярные жидкости с высокой точкой кипения. Введение полярного пластификатора ухудшает электрические свойства полимера: увеличивает tgδ и уменьшает электрическую прочность. В зависимости от количества введенного пластификатора и характера переработки, из ПВХ получают следующие материалы: винипласты, пластикаты, пенопласты, а также лаки.

Материалы на основе ПВХ имеют высокую влагостойкость. Применяются для изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек шлангов, кабелей, применяются в качестве материала гасящего дугу в отключающей аппаратуре.

Полиметилметакрилат (ПМА, органическое стекло) — термопластичный материал. ПМА получают полимеризацией эфиров метакриловой кислоты. Полиметиметакрилаты стойки в воде, щелочах, разбавленных кислот, не стойки к действию концентрированных минеральных кислот. При воздействии электрической дуги выделяют газы, помогающие ее гашению. Применяются в виде листов, труб, прессованных или литых деталей в производстве в тех случаях, когда не требуется высокая нагревостойкость, но нужны высокие электроизоляционные свойства, химостойкость, влагостойкость, и способность к механической обработке.

К натуральным полимерам относятся материалы на основе целлюлозы. Элементарное звено целлюлозы: [C6H10O5]n.

93

Целлюлозные диэлектрики: бумага и картон — старейшие, но до сих пор используемые в изоляции трансформаторов, в некоторых видов кабелей и конденсаторов.

Относительная диэлектрическая проницаемость целлюлозы рав-

на 6,6.

Так как бумага имеет сквозные включения по воздуху, то всегда используется в пропитанном состоянии. Значения ε и tgδ бумажной изоляции зависят от характеристик пропиточного состава.

Целлюлозный диэлектрик единственный из полимерных материалов, который при нагревании разрушается, предварительно не размягчаясь. Электрические характеристики этого диэлектрика не меняются вплоть до физического разрушения.

Бумага — материал, который в сухом состоянии устойчив к воздействию электрического поля. Серьезными недостатками бумаги являются высокая гигроскопичность и низкая нагревостойкость.

4.6. ТВЕРДЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

4.6.1. Классификация неорганических диэлектриков

Как уже отмечалось, органические материалы содержат углерод и, как правило, водород, также в их составе могут быть атомы кислорода, азота, фосфора, кремния, хлора, брома, йода и других элементов.

Все остальные материалы неорганические. Так, например, углерод в модификациях алмаза и графита является неорганическим материалом, также и углекислый газ (СО2) и известняк (СаСО3), в составе которых тоже присутствует углерод. В табл. 4.4 представлены данные по распространению органических и неорганических твердых диэлектриков в земной коре.

Неорганические диэлектрики классифицируют по происхождению, по химическому составу и по агрегатному состоянию.

Природные неорганические диэлектрики подразделяются на: слюду, асбест и кварц. Слюда представляет собой слоистый минерал,

94

по химическому составу — водный алюмосиликат. Асбест — волокнистый водный магниевый силикат (3MgO • 2SiO 2 • 2H 2O). Кварц —

SiO2.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относятся слюдосодержащие композиционные материалы, стекло, керамика, ситаллы.

Разделение неорганических диэлектриков по химическому составу производится следующим образом.

Оксиды металлов, например, оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al2O3), а также их механические и химические смеси.

Нитриды бора (NB), алюминия (NAl) и кремния (N4Si3). Углерод в модификации алмаза.

Классификация неорганических диэлектриков по агрегатному составу:

газы (чистые, неионизированные): азот, кислород, водород; жидкости: жидкие газы (гелий, азот, кислород, водород и т. д.) и

расплавы некоторых оксидов, например, SiO2.;

твердые материалы: слюда, керамика, стекло, ситаллы.

95

К достоинствам неорганических диэлектриков относятся: высокая температура плавления:

температура плавления SiO2 – ТплSiO2 = 1728 °C; температура плавления Al2O3 – ТплAl2O3 = 2040 °C; температура плавления MgO – ТплMgO = 2800 °C;

высокая стойкость к окислению; высокая стойкость к радиации; высокая химическая стойкость; высокая стойкость к воде и газам; высокая механическая прочность;

более высокая теплопроводность по сравнению с органическими диэлектриками;

более высокая длительная электрическая прочность. В меньшей степени подвержены электрическому старению;

недефицитность.

Недостатками неорганических диэлектриков являются: дорогостоящая, сложная и энергоемкая технология изготовле-

ния, требующая высоких температур (более 1000 ° С), высоких давлений (более 100 МПа) и громоздкого оборудования (печи, пресса, мельницы);

сложная технология обработки изделий из-за высокой твердости неорганических материалов (твердость Al2O3 — 9,5 баллов) и хрупкости; отсутствие гибкости (эластичности) у изделий с массивными размерами. При микроразмерах неорганические диэлектрики могут быть эластичными, примером может служить оптоволокно (диаметр

4÷100 мкм), изготовленное из стекла; низкая ударная вязкость — стойкость к механическим ударам;

низкое сопротивление тепловому удару — стойкость материала к резкому изменению температуры;

высокая плотность.

Плотность органических диэлектриков порядка 0,8÷1,2 г/см3.

96

4.6.2. Слюда

Слюды представляют группу сложных слоистых алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих кристаллическую структуру. Характерной особенностью кристаллов слюды является способность расщепляться на тонкие платины толщиной до 5 мкм. Существует около тридцати различных типов слюды, однако лишь три из них находят широкое промышленное применение. Мусковит и флогопит применяются в электро- и радиотехнике как диэлектрики, вермикулит используется в строительстве как теплоизоляционный материал.

Мусковит. Химическая формула К2O•3Al 2O3•6SiO 2•2 Н2О — ка- лиево-алюминиевая слюда. Название «мусковит» произошло от наименования Древней Руси («Московия»), откуда слюда экспортировалась в Западную Европу в качестве светопрозрачного материала. Второе название мусковита «белая слюда», так как он прозрачен в оптическом спектре.

Флогопит (от греческого «флого» — огонь). Химическая формула K2О•6MgO•Al 2О3•6SiO 2•2H 2O — калиево-магнезиальная слюда. Второе название флогопита «янтарная слюда», так как он непрозрачен и рыжеватого цвета.

Фактически химический состав природных слюд значительно сложнее, в результате замещений в них присутствуют также другие элементы (оксиды металлов, фтор, хлор). Крайне нежелательные примеси — магнитные окиси железа (магнетит). Примеси в основном залегают по плоскостям спайности, что ведет к резкому снижению свойств в этом направлении. По электрическим свойствам мусковит превосходит флогопит (табл. 4.5). Однако флогопит более нагревостойкий материал. Мусковит сохраняет свои свойства до 600 ° С, флогопит — до 800 ° С. При дальнейшем росте температуры выделяются химически связанная вода и резко снижаются все характеристики.

97