Т2.Л7.Пассивные диэлектрики

Электроэнергетический факультет
Кафедра
электроснабжения и эксплуатации
электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 4
Электроизоляционные материалы
ЛЕКЦИЯ № 11
ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Учебные цели
1. Знать строение и основные
свойства полимеров.
2. Знать классификацию и свойства
керамических материалов.
Учебные вопросы
Введение
1.Свойства полимеров.
2.Порошковые пластмассы и
слоистые пластики.
3.Свойства керамических
материалов.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
В качестве ЭТМ используют пассивные
(электроизоляционные и конденсаторные) и
активные диэлектрики.
Электроизоляционные - изолируют токоведущие
части и отделяют элементы ЭУ, находящиеся под
разными потенциалами.
Конденсаторные - запасают и отдают в сеть
электроэнергию (накопитель). Конденсаторы
используют для: разделения цепей постоянного и
переменного тока ЭУ; изменения угла фазового
сдвига сети и т.д.
Электроизоляционные имеют: малую
диэлектрическую проницаемость (ε) и большое
удельное электрическое сопротивление (ρ), а
конденсаторные - высокую проницаемость ε и
небольшой тангенс угла диэлектрических потерь
(tg δ).
Конденсаторные диэлектрики используют
для измерения, усиления, преобразования и
запоминания сигналов в ЭУ.
На рисунке 1 показана классификация
пассивных и активных диэлектриков.
Рисунок 1 – Классификация диэлектриков
1. Свойства полимеров
Полимер - соединение, в котором молекулы
состоят из структурно повторяющихся звеньев мономеров. Полимеризация - реакция
образования полимера из мономеров.
Этилен (СН2 = СН2) в нормальных условиях
находится в газообразном состоянии.
Полиэтилен:
(1)
где п - степень полимеризации, т. е. число молекул
мономера, объединяющихся в молекулу полимера.
По мере увеличения степени п полиэтилен все
более вязкая жидкость, а при п = 1250 и
молекулярной массе 35000 - твердый диэлектрик.
Поликонденсация - реакция, связанная с
перегруппировкой атомов полимеров и
выделением низкомолекулярных веществ.
Например, полистирол и поливинилхлорид.
Линейные полимеры (ЛП) обладают
гибкостью и эластичностью и с ростом Т0С
размягчаются и расплавляются.
Пространственные полимеры (ПП) жесткие,
а их расплавление происходит при высоких Т0С
(могут сгорать).
На практике ЛП - термопластичные
материалы, а ПП - термореактивные.
ЛП способны набухать и растворяться с
образованием вязких растворов (получают
прочные пленки и волокна).
ПП с трудом поддаются растворению, а часть
из них нерастворима (феноло-формальдегидные и
эпоксидные смолы).
Гибкость ЛП зависит от размера
макромолекул и природы химической связи.
Благодаря гибкости молекулярных цепей в
тепловом движении участвуют отдельные участки
макромолекулы (сегменты).
Чем меньше размер сегментов, тем больше
гибкость макромолекулы ЛП.
Полимер построен регулярно, если
соблюдается дальний порядок расположения
звеньев в цепи диэлектрика.
Полимеры с гибкими макромолекулами
регулярного строения могут образовывать
кристаллическую фазу.
Аморфные полимеры характеризуются
отсутствием трехмерного дальнего порядка в
расположении макромолекул.
Органические полимеры - соединения, у
которых главная цепь состоит из углерода или
комбинации углерода с кислородом, азотом, серой
и фосфором.
Строение макромолекул определяет
электрические свойства полимеров.
Все химические связи углерода с другими
элементами диэлектрика полярные.
Если молекула имеет симметричное строение,
то суммарный дипольный момент равен нулю.
Диэлектрики с несимметрично звеньями
полимерных молекул – дипольные и обладают
гигроскопичностью.
Высокомолекулярные углеводороды с
симметричными молекулами неполярные.
Нагревостойкость материалов.
Органические полимеры работают в ЭУ при
Т ниже 100°С. С ростом Т происходит быстрое
тепловое старение диэлектрика.
Основная проблема - создание гибких и
эластичных нагревостойких полимеров.
Все неполярные полимеры обладают малой
диэлектрической проницаемостью и потерями,
высокой электрической прочностью и удельным
сопротивлением (таблица 1).
Таблица 1 – Свойства неполярных
полимеров
Полистирол получают из мономера стирола (2)
Полистирол - легкая бесцветная жидкость.
Стирол полимеризуется при хранении на
холоде. К стиролу добавляют стабилизаторы для
предотвращения самопроизвольной
полимеризации.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) имеет
регулярное симметричное строение:
(3)
ПТФЭ обладает нагревостойкостью (около 300°С)
и стойкостью к действию химических реагентов.
ПТФЭ не горит, не растворяется в
растворителях, негигроскопичен и не
смачивается водой и другими жидкостями.
Полярные полимеры (ПП).
У линейных полимеров (ЛП) сильно выражена
дипольно-релаксационная поляризация. ЛП
имеют низкие изоляционные свойства.
ПП являются поливинилхлорид (ПВХ) и
органическое стекло.
ПВХ - твердый продукт полимеризации
винилхлорида (благодаря сильным полярным
связям, жесткий и негибкий).
Для эластичности в ПВХ добавляют
пластификаторы.
Полиэтилентерефталат (лавсан) термопластичный полимер с высокой
механической прочностью и температурой
размягчения (дипольный диэлектрик).
Из лавсана делают диэлектрические волокна
и пленки (изоляция ЭУ).
Обработку размягченного нагревом
материала производят в атмосфере нейтрального
газа (азота).
Свойства лавсана характеризует рисунок 1.
Рисунок 1 – Зависимости проницаемости и
тангенса угла диэлектрических потерь лавсана
от температуры и частоты
Пленки из лавсана для межслойной изоляции
обмоток трансформаторов имеют рабочую
Т = (- 60 … +150)°С и толщину 6,5мкм.
Недостатки.
ПП по сравнению с НП имеют на два
порядка большее значение параметра tg δ и малое
удельное сопротивление ρ.
Следствие полярности диэлектрика – сильная
зависимость поверхностного сопротивления от
влажности.
2. Порошковые пластмассы и слоистые пластики
Композиционные порошковые пластмассы
(КПС) состоят из связующего вещества
(искусственные смолы) и наполнителей
(кварцевый песок, стеклянное волокно).
В массу КПС добавляют пластификаторы и
красители. Наполнитель удешевляет КПС и
улучшает механические характеристики.
Кварцевый песок улучшает электрические
свойства пластмасс, а кремнийорганические
смолы повышают нагревостойкость до 300°С.
Из КПС прессованием делают корпуса ЭУ,
измерительных приборов, щитки, рукоятки,
штепсельные разъемы.
Слоистые пластики (СП) разновидность
КПС, где наполнитель листовые волокнистые
материалы. СП - гетинакс и текстолит.
Гетинакс получают прессовкой бумаги, которая
пропитана феноло-формальдегидной смолой).
Слоистое строение гетинакса дает анизотропные
свойства (электрическая прочность вдоль слоев в
7 раз ниже, чем поперек диэлектрика).
В гетинаксе пропитывающее вещество и
волокнистая основа обладают полярными
свойствами (прочность мала 30МВ/м).
Из фольгированного гетинакса (ФГ) делают
компактные печатные схемы для низкочастотных
цепей автоматики ЭУ.
ФГ - гетинакс, покрытый фольгой толщиной
(0,035…0,05)мм.
Рисунок печатной схемы для устройств
автоматики получают путем избирательного
травления.
Ситаллы - стеклокристаллические диэлектрики,
получаемые путем кристаллизации стекол.
Недостаток. Произвольный процесс местной
кристаллизации (исключают вводом добавок с
однородной кристаллической структурой).
Достоинство. Механическая прочность не
меняется при нагревании до Т = 800°С.
Диэлектрические потери зависят от свойств
остаточной стекловидной фазы.
Зависимости параметров ε и tg δ от частоты f
для ситаллов показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Зависимости тангенса угла
диэлектрических потерь tg δ и
проницаемости ε ситалла от частоты f
По техническому назначению ситаллы делят
на установочные и конденсаторные.
Установочные ситаллы - подложки интегральных
микросхем и дискретных пассивных элементов.
Конденсаторные ситаллы обладают повышенной
прочностью по сравнению с керамическими
конденсаторными ЭТМ.
Конденсаторные и установочные ситаллы
применяют в схемах автоматики ЭУ.
3. Свойства керамических материалов
Керамика - диэлектрики с разнообразными
свойствами, их объединяет общность
технологического цикла при производстве.
Слово «керамика» произошло от греческого
«керамос», что значит «горшечная глина».
Керамические материалы (КМ) делят на
электротехнические и конденсаторные.
Электротехническую получают обжигом
формовочной массы заданного химического
состава.
Выбором состава получают керамику с
заданными диэлектрическими свойствами. КМ
обладают механической прочностью и
нагревостойкостью (устойчивы к старению).
Электротехнический фарфор (ЭФ) - КМ для
производства изоляторов и элементов ЭУ.
Фарфор состоит из кристаллической,
аморфной и газовой фаз (свойства зависят от
химического и фазового состава, структуры и
технологии изготовления).
Компоненты ЭФ - каолин, глина, кварц.
Изделия из ЭФ получают обточкой, прессовкой,
отливкой и выдавливанием через отверстия
нужной конфигурации.
Глазурование ЭФ защищает поверхность от
загрязнения (легко очищается). Глазурь
увеличивает механическую прочность и
уменьшает ток утечки по поверхности.
Изоляционные свойства ЭФ при Т = 200С
позволяют использовать его на низких частотах,
т.к. угол диэлектрических потерь растет при
увеличении Т0С, что затрудняет применение при
высоких Т0С и частотах.
В автоматике ЭУ применяют радиофарфор –
диэлектрик со стекловидной фазой и добавкой
оксида бария, который уменьшает потери и
проводимость.
Ультрафарфор улучшенный радиофарфор с
высокой механической прочностью и
теплопроводностью.
Высокоглиноземистая керамика состоит из
оксида алюминия (глинозема).
Характеристики: нагревостойкость до Т = 1600°С,
высокое удельное сопротивление и малый tg δ при
повышенных Т0С; высокие теплопроводность и
прочность.
Конденсаторная керамика имеет высокую
диэлектрическую проницаемость.
Основа низкочастотной керамики - титанат
бария и твердые растворы на его основе.
Достоинство.
Высокая диэлектрическая проницаемость
керамики (до 8000).
Недостатки.
Низкая температурная стабильность
диэлектрика, сильная зависимость от частоты и
напряженности электрического поля.