ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Общая классификация материалов Существуют тысячи материалов, доступных для использования в инженерных приложениях. Большинство из них относятся к одному из трех классов, которые значительно отличаются друг от друга по характеру сил атомного связывания в материале: металлические материалы, керамические и полимерные. Кроме того, различные материалы могут быть объединены для создания композитных материалов, которые выделяются в отдельный, четвертый класс. В рамках каждого из этих классов материалы дополнительно группируются на основе их химического состава или определенных физических или механических свойств. Композитные материалы часто группируются по типам или способу их изготовления. Ниже приведена общепринятая классификация материалов в рамках этих четырех общих классов. Таблица 1 Общепринятая классификация материалов Металлы Полимеры Керамика Композиты Черные металлы Термопласты Стекло Армированные и сплавы (сталь, Реактопласты Фарфор пластмассы чугун, Эластомеры Техническая Металлкомпозиты ферросплавы) керамика Керакомпозиты Цветные Графит металлы и их сплавы (медь, алюминий, титан и так далее) 1 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Редкие металлы Каждая из этих общих групп далее будет рассмотрена более подробно. Металлические материалы На металлы приходится около двух третей всех элементов и около 24 % массы планеты. Металлы обладают многими полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, тепловую и электрическую проводимость и вязкость. Из периодической таблицы видно, что большое количество элементов классифицируются как металлы. Ниже приведены примеры наиболее широко используемых металлов и краткий обзор их свойств. Общие металлические материалы: - железо/ сталь - сплавы на основе железа (стали), используются в качестве основного конструкционного материала в промышленности; - алюминий - алюминий и его сплавы, легко формуются, имеют низкую плотность, относительно недороги и пригодны для повторного использования; - медь - медь и медные сплавы, обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в биотехнологической промышленности, включая высокую электрическую и теплопроводность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость; - титан - титановые сплавы, используются для прочности при более высоких температурах (~ 500 °С), когда удельная плотность компонента является важным критерием или когда требуется хорошая коррозионная стойкость; 2 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 - редкие металлы - ниобий, тантал и сплавы на их основе, используются для работы при высоких температурах (> 1000 °С). Ключевой особенностью, которая отличает металлы от неметаллов, является их электронное строение. Металлические материалы имеют свободные электроны, которые могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Существование этих свободных электронов влечет ряд глубоких последствий для свойств металлических материалов. Например, металлические материалы способны быть хорошими электрическими проводниками, потому что свободные электроны могут легко перемещаться внутри металла. Наличие свободных электронов предопределяет и такие свойства металлов, как высокая теплопроводность и механическая пластичность. Конкретные свойства металлов будут более подробно рассмотрены в соответствующих параграфах. Керамические материалы Керамика традиционно определяется как неорганическое, неметаллическое твердое вещество, которое получено из порошкообразных материалов, сформировано в продукты посредством применения высоких температур и характеризуется такими свойствами, как твердость, прочность, низкая электропроводность и хрупкость. Слово «керамика» происходит от греч. «керамикос» - глина. Керамические материалы обычно являются кристаллическими по своей природе и представляют собой соединения, образованные между металлическими и неметаллическими элементами, такими как алюминий и кислород (оксид алюминия, Al2O3), кальций и кислород (оксид кальция, СаО), кремний и азот (нитрид кремния, Si3N4). 3 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 В зависимости от способа получения керамика может быть плотной или легкой. Как правило, керамические материалы демонстрируют отличную прочность и твердость, однако они обычно хрупки по своей природе. В зависимости от способа формирования различные виды керамики могут быть использованы в качестве изоляторов, а также электропроводящих материалов. Некоторые виды керамики, например сверхпроводники, также обладают магнитными свойствами. Керамика более устойчива к высоким температурам и суровым условиям окружающей среды, чем металлы и полимеры. Благодаря широкому спектру свойств керамические материалы используются во многих областях. Основные типы материалов, которые производит керамическая промышленность: - изделия из строительной глины (кирпич, канализационные трубы, кровельные и настенные плитки, дымовые прокладки); - фаянс и фарфор (посуда, напольная и настенная плитка, электрический фарфор); - огнеупорные используемые в материалы металлургии, (кирпич стекольной, и монолитные нефтяной и продукты, химической промышленности); - стекло и стекловолокно (оконное стекло, стеклянная посуда, оптическое стекло, специальные виды стекол, стекловата, оптические волокна); - абразивные материалы, натуральные (гранат, алмаз) и синтетические (карбид кремния, алмаз, плавленый глинозем). Абразивы используются для шлифовки, резки, полировки, притирки или обработки материалов под давлением; - цементы (для строительства дорог, мостов, зданий, плотин); 4 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 - специальные виды керамики: - конструкционная керамика (изнашиваемые детали, биокерамика, режущий инструмент и компоненты двигателей); - электрическая керамика (конденсаторы, изоляторы, подложки, интегральные схемы, пьезоэлектрики, магниты и сверхпроводники); - керамические покрытия (компоненты двигателей, режущие инструменты и промышленные детали); - макро- и мезопористые материалы (химические фильтры, мембраны, катализаторы и подложки для катализаторов). Атомы в керамических материалах удерживаются вместе комбинацией ковалентных и ионных связей. Ковалентные и ионные связи в керамике намного сильнее, чем связи в металлических материалах, именно поэтому керамика является хрупкой, а металлы пластичными. Отсутствие обобществленных электронов в большинстве типов керамических материалов приводит к их низкой электропроводности. Полимерные материалы Полимерное твердое вещество можно рассматривать как материал, который содержит большое количество химически связанных цепей или узлов, которые соединены между собой. «Полимер» - буквально «много частей», что говорит о наличии в его структуре повторяющихся элементов. Промышленно важными полимерными материалами являются пластмассы и эластомеры. Пластмассы представляют собой большую и разнообразную группу синтетических материалов, которые обрабатываются путем экструзии или формования. Так же как существуют различные типы 5 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 металлов, таких как алюминий и медь, существует много видов пластмасс, таких как полиэтилен и нейлон. Полимерные пластмассы можно разделить на два класса - термопласты и реактопласты в зависимости от того, как они структурно и химически связаны. Термопластичные полимеры включают четыре наиболее важных товарных материала: поливинилхлорид, инженерных полиэтилен, кроме того, полимеров, таких полипропилен, существует как ряд полистирол и специализированных тетрафторполиэтилен. Термин «термопласт» указывает на то, что эти материалы плавятся при нагревании и могут обрабатываться различными способами формования и экструзии. В противоположность этим материалам «термореактивные» поли- 10 меры не могут быть расплавлены или переплавлены, так как образуют трехмерную сеть. Термореактивные полимеры включают алкидные смолы, амино- и фенольные смолы, эпоксидные смолы, полиуретаны и ненасыщенные полиэфиры. Эластомеры или каучуки отличаются тем, что могут быть упругодеформированы при приложении к ним силы и могут вернуться к их первоначальной форме при снятии нагрузки. Подобно реактопластам эластомеры имеют трехмерную структуру, в которой отдельные полимерные цепи соединены ковалентными мостиками. Однако в каучуках эти цепи свернуты в клубки, способные расправляться при приложении к материалу механической нагрузки. Большинство полимеров имеют меньшую удельную плотность, чем металлы или керамика, они могут хорошо противостоять атмосферным и другим видам коррозии, обеспечивают 6 хорошую совместимость с ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 биологическими объектами и демонстрируют низкую проводимость электрического тока. Полимерная молекула представляет собой длинную цепь ковалентно связанных атомов, а вторичные связи (ионные, водородные) затем удерживают группы полимерных цепей вместе, образуя полимерный материал. В промышленности до сих пор используют природные полимеры, такие как натуральный каучук, целлюлоза, гуммиарабик, различные камеди. Однако большинство полимеров получают с помощью органического синтеза путем разработки оптимальной комбинации атомов и взаимного расположения цепочек, которые они образуют. Эти полимеры в основном производятся из нефти или природного газа, но в последнее время растет использование возобновляемых органических веществ. По своим механическим свойствам некоторые полимеры превосходят металлы. Композитные материалы Композит обычно определяется как комбинация двух или более отдельных материалов, каждая из которых сохраняет свои собственные отличительные свойства, чтобы создать новый материал со свойствами, которые не могут быть достигнуты с помощью только отдельных компонентов. Исходя из этого определения, в данную категорию можно включить широкий спектр технических материалов. Например, бетон - это композит, потому что он представляет собой смесь портландцемента и заполнителя. Стекловолокно также композит, поскольку изготовлено из стекловолокна, вложенного в полимер. Отмечается, что составные композитные материалы имеют две фазы. Армирующая фаза представляет собой волокна, листы или частицы, которые встроены в матричную фазу. 7 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Усиливающий металлическими, материал и керамическими материал или матрицы полимерными. могут Как быть правило, упрочняющие материалы являются прочными веществами с низкой плотностью, в то время как матрица - обычно пластичный или жесткий материал. Общая классификация композитов: - армированные пластмассы; - металломатричные композиты; - керамические матричные композиты; - сэндвич-структуры; - наполненные структуры (такие как бетон). Композиционные материалы могут принимать разные формы, но на основе применяемой технологии укрепления их можно разделить на три категории: - усиленные дисперсией; - усиленные частицами; - армированные волокнами. Дисперсионные упрочненные композиты имеют в своем составе мелкие частицы, равномерно распределенные в матрице материала. Эти частицы препятствуют механизмам, позволяющим деформировать материал, например, перемещению дислокаций и скольжению. Многие материалы с металлической матрицей попадают в категорию композитов, упрочненных дисперсией. Композиты, усиленные частицами, имеют большую объемную долю достаточно крупных (до нескольких миллиметров) включений другой фазы, диспергированных в матрице, поэтому механическая нагрузка разделяется между частицами и матрицей. Большинство коммерческих 8 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 керамических материалов и множество наполненных полимеров являются композициями, армированными частицами. В волокнистых композитах волокно является основным несущим компонентом. Композиции из стекловолокна и углеродного волокна примеры армированных волокном композитов. Если композит спроектирован и изготовлен правильно, он сочетает в себе прочность арматуры с вязкостью матрицы для достижения комбинации желаемых свойств, недоступных ни в одном обычном материале. Некоторые композиты имеют преимущество: они могут быть адаптированы к конкретному применению таким образом, что свойства, такие как прочность и жесткость, могут быть легко изменены путем изменения количества или ориентации армирующего материала. Физические свойства материалов Физические свойства - это свойства, которые могут наблюдаться без изменения химического состава вещества. Примерами физических свойств являются общие свойства вещества, такие как цвет, плотность, твердость. В то же время свойства, характеризующие изменение вещества в другое по химическому составу, называются химическими свойствами. Воспламеняемость и стойкость к коррозии/окислению - примеры химических свойств. Различие между физическими и химическими свойствами является простым до тех пор, пока не будет рассмотрена фаза материала. Когда материал изменяется от твердого тела к жидкости до пара, кажется, что образуются разные вещества. Однако, когда материал плавится, затвердевает, испаряется, конденсируется или возгоняется, изменяется только состояние 9 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 вещества. Рассмотрим лед, жидкую воду и водяной пар, все они представляют собой простое вещество состава H2O. Фаза - это физическое свойство материи, и материя может существовать в четырех фазах: твердой, жидкой, газовой и в фазе плазмы. Температуры фазовой трансформации Когда температура поднимается, а давление поддерживается постоянным, типичное вещество изменяется от твердого состояния к жидкости, а затем переходит в пар. Переходы от твердого тела к жидкости, от жидкости к парам, от пара к твердому состоянию и наоборот называются фазовыми превращениями или переходами. Так как некоторые вещества имеют несколько кристаллических форм, широко распространены случаи перехода из одной твердой фазы в другую. Подобные трансформации очень важны для получения материалов с заданными свойствами, типичным примером может служить закалка стали. При фазовых переходах от твердого тела к жидкости, а от жидкости к пару происходит поглощение тепла. Температура фазового перехода, когда твердое вещество переходит в жидкость, называется точкой плавления. Температура, при которой давление паров жидкости равно 1 атм (101,3 кПа), называется температурой кипения. Некоторые материалы, такие как термопласты и стекло, не переходят просто из твердого вещества в жидкость с повышением температуры. Вместо этого при некоторой температуре ниже точки плавления они начинают терять свою упорядоченную структуру, но молекулы остаются связанными в цепях, что приводит к размягчению материала. Температура, при которой твердый стеклянный материал начинает размягчаться и приобретает текучесть, 10 называется температурой ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 размягчения. Обратный процесс застывания материала характеризуется температурой стеклования. В отличие от металлов керамические материалы не имеют определенной температуры плавления. Для оценки возможности их применения при различных температурных диапазонах используют понятие термостойкости, - температуры, при которой воз можно практическое использование данного материала. Для оценки возможности эксплуатации изделий из стекла используется понятие «температура размягчения». При достижении этой температуры вязкость изделия снижается до значений, при которых стекло приобретает текучесть. Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 107 пуаз (пуаз = 10 Па∙с), равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, происходит при 1500-1600 °С. Для выбора температурного интервала эксплуатации изделий из термопластов также используют температуры размягчения (tp). Удельная плотность Масса (m) является фундаментальной мерой количества вещества. Вес (w) - мера силы, создаваемой массой, и эта сила - сила, создаваемая притяжением другого тела. Поэтому на поверхности Земли масса объекта определяется делением веса объекта на 9,8 м/с2 (ускорение свободного падения на поверхности Земли). Поскольку в технике сравнивают объекты на поверхности Земли, обычно говорят о весе объекта, а не о его массе. Пространство, которое занимает масса, это его объем, а произведение массы на единицу объема - удельная плотность. Плотность (ρ) материала 11 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 зависит от фазы, в которой она находится, и от температуры. (Плотность жидкостей и газов напрямую зависит от температуры.) Единицы, используемые для выражения плотности: грамм/кубический сантиметр, килограмм/кубический метр, грамм/миллилитр, грамм/литр, фунт на кубический дюйм, фунт на кубический фут и т. д. Очевидно, что для сравнения плотности материалов нужно использовать одну систему измерений. Теплопроводность Теплопроводность (λ) является неотъемлемым свойством материала, которое характеризует его способность проводить тепло. Передача тепла за счет проводимости включает передачу энергии внутри материала без какоголибо движения материала в целом. Проводимость возникает тогда, когда температурный градиент существует в твердой (или стационарной жидкой) среде. Проводящий тепловой поток возникает в направлении уменьшения температуры, потому что более высокая температура соответствует более высокой молекулярной энергии или более активному молекулярному движению. Энергия переносится от более энергичных молекул, когда сталкиваются соседние молекулы, к менее энергичным. Теплопроводность передаваемого через определяется единичную как количество толщину (L) в тепла (Q), направлении, перпендикулярном поверхности единичной площади (A) из-за градиента удельной температуры (ΔT) в установившемся режиме и когда передача тепла зависит только от градиента температуры: λ= 𝑄∗𝐿 𝐴 ∗ ∆𝑇 12 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Теплопроводность большинства материалов напрямую зависит от температуры, поэтому при проектировании оборудования необходимо учитывать этот факт. Линейный коэффициент теплового расширения Когда к материалу подводится тепло, средняя амплитуда колебаний атомов для большинства материалов увеличивается. Это, в свою очередь, увеличивает расстояние между атомами, что вызывает расширение материала. Если материал не проходит фазовое изменение, расширение может быть легко связано с изменением температуры. Линейный коэффициент теплового расширения (α) описывает относительное изменение длины материала при изменении температуры в градусах: 𝛼= ∆𝑙 𝑙𝑖 ∗ ∆𝑇 где ∆𝑙 - изменение длины; 𝑙𝑖 - полная начальная длина; ∆𝑇 - изменение температуры. Переставляя местами члены этого уравнения, можно видеть, что если известен линейный коэффициент теплового расширения, изменение длины компонентов может быть рассчитано для каждой степени изменения температуры. Отмечается и обратный эффект: если энергия удаляется из материала, тогда температура объекта будет уменьшаться, что приведет к его сжатию. Термическое расширение (и сжатие) должно учитываться при проектировании изделий с близким допуском, поскольку эти допуски будут меняться с изменением температуры, если материалы, используемые в конструкции, имеют разные коэффициенты теплового расширения. 13 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Следует также понимать, что тепловое расширение может вызвать значительное напряжение в компонентах конструкции, если сама конструкция не позволяет расширять и сокращать их. Явление теплового расширения нужно учитывать при проектировании мостов, зданий, химических аппаратов. Оно может лечь в основу при изготовлении, например, термостатов и других термочувствительных датчиков, использующих свойство линейного расширения. Электрическая проводимость Хорошо известно, что одна из субатомных частиц атома - электрон. Электроны несут отрицательный электростатический заряд и при определенных условиях могут переходить от атома к атому. Направление движения между атомами является случайным, если сила не заставит электроны двигаться в одном направлении. Электропроводность является мерой того, насколько хорошо материал обеспечивает движение электрического заряда. Это отношение плотности тока к напряженности электрического поля. Единица его измерения - сименс на метр (См/м), но значения проводимости часто сообщаются как IACS; IACS - акроним Международного стандарта медной проволоки, который был принят Международной электрохимической комиссией 1913 г. Проводимость отожженной меди (5,8∙107 См/м) определяется как 100 % IACS при 20 °C. Все остальные значения проводимости даются в процентах от проводимости отожженной меди. Поэтому железо с удельной проводимостью 1,04∙107 См/м имеет удельную электропроводность приблизительно 18% от массы отожженной меди, и это отображается как 18% IACS. Интересным фактом является то, что коммерчески чистые медные продукты теперь часто имеют значения 14 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 проводимости IACS, превышающие 100 % IACS, поскольку технологии обработки улучшились с момента принятия стандарта в 1913 г., теперь можно удалить из металла больше примесей, влияющих на проводимость. Значения проводимости в См/м можно преобразовать в % IACS, умножив значение проводимости на 1,7241∙10-6. Когда значения электропроводности сообщаются в мкСм/см, значение проводимости умножается на 172,41 для преобразования в значение % IACS. Величиной, обратной проводимости, является удельное сопротивление материала электрическому току. Оно измеряется в Ом/м и позволяет судить о том, насколько хорошо материал проводит электрический ток. На величину электропроводности влияют различные факторы, такие как химический состав материала и состояние кристаллических структур. Поэтому информация об электропроводности может быть использована для измерения чистоты материала, его структурных особенностей, проверки правильности термической обработки материалов. Электрометариаловедение Механические характеристики Надёжность работы электрических машин, аппаратов и установок зависит от качества электротехнических и правильного материалов. При выбора соответствующих рациональном выборе электротехнических материалов можно создать электрооборудование малых габаритов и массы, надёжное в эксплуатации. Но для этого необходимо знать свойства электротехнических материалов и их изменения под воздействием электрического напряжения, температуры и других факторов. 15 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Величины, с помощью которых оценивают те или иные свойства материалов, называют характеристиками. Чтобы полностью оценить свойства того или иного электротехнического материала, необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики. У магнитных материалов - магнитные. К основным механическим характеристикам материала относятся: - Разрушающее напряжение при растяжении δр, - Разрушающее напряжение при сжатии δс, - Разрушающее напряжение при статическом изгибе δи, - Ударная вязкость а Разрушающее напряжение при растяжении δр определяют на образцах материала определенной формы, при которой обеспечивается равномерное распределение растягивающего усилия по площади сечения в средней части образца. Образец 2 утолщёнными концами закрепляют в стальных зажимах (захватах) 1 испытательной машины (рис). Нижний зажим машины неподвижен, а к другому прикладывают разрушающее (растягивающее) усилие Рр, которое плавно нарастает с определённой скоростью до момента разрыва образца. 16 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Рисунок 1. Разрушающее напряжение при растяжении Рассчитывается по формуле: δр = (Мпа) где Р - разрушающее усилие при разрыве образца, Н; S площадь поперечного сечения образца до испытания, м2. Разрушающее напряжение при сжатии δс, определяется на образцах, имеющих форму цилиндра или куба. Так, у формованных и прессованных пластмасс эта характеристика определяется на образцах, представляющих собой сплошные цилиндры высотой 15 мм и диаметром 10 мм. Образец располагают между стальными плитами испытательного пресса, к которым прикладывают сжимающую нагрузку. Последнюю повышают с определенной скоростью до момента разрушения образца. Рассчитывается по формуле: δc = (Мпа) где Р - разрушающее усилие при разрыве образца, Н; S площадь поперечного сечения образца до испытания, м2. Разрушающее напряжение при статическом изгибе δи определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного сечения. Образец 2 материала (рис. 2) помещают в испытательную машину, где он своими 17 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 концами свободно опирается на две стальные опоры 3. Изгибающее усилие Ри прикладываемое к середине образца 2 через стальной наконечник 1, плавно увеличивают и доводят до величины, при которой происходит разрушение образца. Рисунок 2. Разрушающее напряжение при статическом изгибе Рассчитывается по формуле: δи = 1,5 Ри L / (b h)2 (Мпа) где Ри - изгибающее усилие, Н; L - расстояние между стальными опорами в испытательной машине, м; b и h - ширина и толщина образца м. Ударная вязкость - α -характеризуется способностью материала сопротивляться ударным нагрузкам и определяется отношением работы ∆А, затраченной на разрушение образца, к площади его первоначального сечения Sо: α = ∆ А/ Sо (Дж/м2) Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок данный материал. Тепловые характеристики Тепловые характеристики позволяют оценить поведение электроизоляционных материалов при нагревании. Это имеет важное значение, так как большинство электроизоляционных материалов работает в электрических машинах и аппаратах при повышенных температурах. 18 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Температура плавления определяют для материалов, имеющих кристаллическую структуру (металлов, полупроводников, диэлектриков), которые переходят из твердого состояния в жидкое при определенной температуре. Температура размягчения определяют у материалов с аморфной структурой (смолы, битумы и др.), переход которых из твердого состояния в жидкое происходит не при строго определенной температуре, а в интервале температур. При температурах, близких к температуре размягчения, материал применять нельзя, так как он, размягчаясь, течет. Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву. Холодостойкость - это способность материалов выдерживать низкие температуры. При низких температурах ухудшаются механические свойства (гибкость, эластичность). Поэтому испытание материалов и изделий из них на холодостойкость проводят при одновременном воздействии вибрации. Холодостойкость жидких диэлектриков определяется температурой застывания, при которой они превращаются в твёрдое тело. Температура вспышки паров жидких диэлектриков (масел) температура, при которой пары и газы, образующиеся при нагревании определенного объема жидкого диэлектрика, при соприкосновении с открытым пламенем вспыхивают. Нагревостойкость - способность материала выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, равного сроку нормальной эксплуатации, без ухудшения его свойств. 19 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 В зависимости от значения максимальной температуры диэлектрики подразделяются на классы по нагревостойкости - их семь Y - 90; А - 105; Е 120; В - 130; F - 155; Н - 180; С > 180. К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, если они не пропитаны и не погружены в жидкий диэлектрик, а также резина, нефтяные масла, полистирол. К классу А относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, если они пропитаны лаком или погружены в жидкий диэлектрик. Класс Е гетинакс, текстолит, пресс-порошки с древесной мукой, полиэтилен, полиуретановые смолы, компаунды, лаки. Класс В материалы на основе слюды, стекловолокно, стеклоткань, стеклотекстолит. К классу F относятся микаленты. К классу Н принадлежат материалы на основе кремнийорганических смол высокой нагревостойкости. Класс С слюда, стекло, стекловолокнистые материалы, кварц, фторопласт и материалы на основе полиамидов (пленки, волокна). Теплопроводность характеризует процесс переноса тепла от более нагретых частей к менее нагретым и численно определяется коэффициентом теплопроводности. Чем он выше, тем лучше условия охлаждения и меньше вероятность теплового пробоя. Тепловое расширение. Диэлектрики, как и другие материалы, при нагревании изменяют свои линейные размеры. Это свойство оценивается коэффициентом линейного расширения, численно равным относительному увеличению линейного размера при изменении температуры на 1 °С. 20 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Электрические характеристики Удельное электрическое сопротивление (р) Любой электротехнический материал - проводник, полупроводник и даже диэлектрик проводит электрический ток. Для того чтобы определить степень электропроводности того или иного материала надо определить его удельное электрическое сопротивление р (Ом *м) рассчитывается по формуле: 𝜌= 𝑅𝑆 𝐿 R - общее электрическое сопротивление образца материала Ом. L - длина пути тока в образце материала м. S - площадь образца материала, через которую протекают токи проводимости м2 Удельные сопротивления металлических проводников очень малы. Это указывает на большую электрическую проводимость проводниковых материалов. Большие удельные сопротивления диэлектриков указывает на их весьма малую электрическую проводимость. У диэлектриков надо учитывать два удельных сопротивления: Удельное объёмное сопротивление 𝝆и и удельное поверхностное сопротивление ps. 𝝆u позволяет оценить электрическое сопротивление диэлектрика при прохождении тока через его объём, a 𝝆s - электрическое сопротивление при протекании тока по его поверхности. Численное значение 𝝆u всегда больше 𝝆s. В проводниковых и полупроводниковых материалах измеряют общее р, т.к. в них нельзя рассчитать токи 𝝆и и 𝝆s. Это объясняется повышенной электрической проводимостью данных материалов. 21 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление не рассчитывается. Электропроводность диэлектриков зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от содержания примесей, от температуры, влажностных характеристик материала, состояния поверхности и других характеристик. Рисунок 3. График зависимости электропроводимости диэлектриков от температуры: 1 - проводник; 2 - полупроводник; 3 - диэлектрик Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКР С увеличением температуры объёмное сопротивление уменьшается, т.е. ТКр для диэлектриков имеет отрицательное значение. ТКр. - позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материалов при изменении его t. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале t) значение рассчитывается по формуле: ТК р(а) = р2 -р1 р1 (𝑡2 -𝑡1 ) 22 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 где p1 и p2 удельное электрическое сопротивление материала при начальной. На рисунке 15 видно ТКР проводников >0. Это указывает на рост сопротивления с повышением температуры. У диэлектриков ТКР < 0, что указывает на уменьшение сопротивления этих материалов с повышением t. Электрическая прочность Епр Под воздействием внешнего электрического поля и других факторов в диэлектрике может образоваться проводящий канал, т.е. могут теряться изоляционные свойства. Потеря диэлектриком изоляционных свойств называется пробоем. Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, при котором наступает пробой, называется пробивным напряжением Uпр. Напряжение пробоя зависит от толщины диэлектрика и не является однозначной характеристикой его прочности. Электрической прочностью (Епр) диэлектриков считается минимальная напряжённость однородного электрического поля (однородным называется электрическое поле, напряжённость во всех точках которого одинакова), при которой происходит пробой - разрушение диэлектрика с образованием в нём сквозного канала с очень большой проводимостью. Рассчитывается по формуле: 𝐸пр = 𝑈пр ℎ Unp - пробивное напряжение, при котором наступает пробой диэлектрика (В). h - толщина диэлектрика в месте пробоя (м). Т.к. диэлектрики пробиваются при очень больших напряжениях (1000В) значения электрической прочности выражают в MB на м толщины. 23 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Электрическая прочность диэлектриков зависит от агрегатного состояния и структуры материала, наличия примесей, однородности поля, расстояния между электродами (толщины диэлектрика), площади электродов и других факторов. Епр уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и с повышением температуры. Это связано с увеличением тока проводимости и возрастанием количества теплоты, выделяемой в диэлектрике. Рисунок 4. График зависимости электрической прочности от температуры При изготовлении электротехнического оборудования электрическая прочность изоляции (Епр) должна обеспечить надёжную работу оборудования в течение срока службы (20-40 лет). Это означает, что напряжение пробоя изоляции Uпр должно быть больше как максимального рабочего напряжения, так и возможных перенапряжений, которые могут возникать в электрических установках и системах. Эти перенапряжения могут превышать рабочие напряжения в 2-3 раза и более. Виды пробоя. В зависимости от механизма развития проводящего канала различают следующие виды пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. 24 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Электрический пробой возникает в сильных электрических полях и обусловлен электронными процессами - ударной и фотонной ионизацией. Этот вид пробоя преобладает в газообразных диэлектриках. В жидких и твёрдых диэлектриках электрический пробой имеет место при больших значениях напряжённости электрического поля и при наличии в этих материалах газовых включений. Тепловой пробой возникает при уменьшении электрического сопротивления диэлектрика за счёт нагрева. увеличение температуры диэлектрика возможно, как за счёт увеличения тока утечки через диэлектрик, так и в результате нагрева токоведущих проводников при перегрузках и недостаточном охлаждении. Этот процесс может носить лавинообразный характер - вплоть до термического разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя характерен для жидких и твёрдых материалов. Электрохимическим пробоем называется механизм образования проводящего канала в диэлектрике в результате одновременного воздействия как электрических, так и химических процессов. Он может развиваться в жидких и твёрдых диэлектриках, а также на поверхности твёрдых материалов. Физико-химические характеристики Вязкость - коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости. Вязкостью определяется пропитывающая способность жидкого диэлектрика. Чем меньше вязкость пропиточных электроизоляционных составов (лаков, компаундов), тем глубже проникают частицы в поры волокнистой изоляции. С возрастанием пропитывающая способность жидких диэлектриков уменьшается. 25 вязкости ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Водопоглощение позволяет оценить способность диэлектрика противостоять воздействию воды, которая, проникая в поры материала вызывает снижение его электрических характеристик. Образцы твёрдых диэлектриков вначале взвешивают, а затем погружают в сосуд с водой при комнатной t. Через 24 образцы вынимают из воды и взвешивают. Тропическая стойкость - определяется специальными испытаниями у электроизоляционных материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. На не защищённые герметически закрытыми оболочками электроизоляционные материалы воздействуют: высокая t окружающего воздуха, резкое изменение t в течение суток, высокая влажность, солнечная радиация плесневые грибки, насекомые и грызуны. Растворимость - способность одного материала проникать в другой при соприкосновении в процессе изготовления или эксплуатации. Растворимость оценивают по наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворителе, или по количеству материала, перешедшего в раствор за единицу времени. Химическая стойкость - способность материала противостоять воздействию химически активных веществ - кислот, щелочей, солевых растворов. Для жидких диэлектриков измеряют кислотное число - количество миллиграмм едкого калия, которое необходимо для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1грамме жидкого диэлектрика. Эта величина определяет способность материала вызывать коррозию, а также указывает на плохую очистку при изготовлении. Чем выше кислотное число, тем выше проводимость жидкого диэлектрика. Светостойкость - способность материала сохранять свои эксплуатационные характеристики под воздействием светового излучения. 26 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Радиационная стойкость - способность материала сохранять свои эксплуатационные характеристики под воздействием ионизирующих излучений. Излучение изменяет электрические, физико-химические и механические свойства материала. Наиболее сильное влияние оно оказывает на органические диэлектрики. Газообразные диэлектрики Диэлектрики - это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. По агрегатному состоянию диэлектрики могут быть газообразными, жидкими, твёрдыми. В зависимости от химического состава диэлектрические материалы подразделяются на органические и неорганические. Воздух - смесь азота, кислорода и инертных газов. Играет роль изолирующей и охлаждающей среды во многих электрических установках. На воздушных электрических линиях, в распределительных устройствах, в коммутационной аппаратуре и других электрических изделиях воздух является единственной изоляцией между неизолированными проводами. Иногда в слое воздуха, непосредственно соприкасающемся с поверхностью проводов высокого напряжения, наблюдается светлое фиолетовое свечение - электрическая корона, которое сопровождается характерным шипением. Электрическая корона возникает при ухудшении электроизоляционных свойств воздуха или при воздействии на воздух повышенного напряжения и вызывает потери энергии. Воздух может электрооборудования находиться при плохой в твёрдой пропитке 27 и жидкой изоляции изоляции и очистке ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 пропитывающего материала. В этом случае могут произойти разрядные процессы при высоких напряжениях электрического поля. Кроме того, воздух, содержащий кислород, способствует возникновению окислительных процессов в других материалах. Элегаз - гексафторид серы (шестифтористая сера). Электрическая прочность в 2,5 раза больше, чем у воздуха. Применяется как изолирующий и дугогасящий материал при изготовлении кабелей, конденсаторов и высоковольтных выключателей. Элегазовые кабели не горючи, хорошо охлаждаются, имеют малую электрическую ёмкость. Элегазовые выключатели имеют высокие дугогасящие свойства и малые габариты. Недостаток - высокая стоимость. Поэтому для удешевления изделий элегаз часто используют в смеси с азотом или фреоном. Азот - в чистом виде используется как изолирующая среда в высоковольтных конденсаторах и электровакуумной технике, а также как защитная среда (микроэлектроника, трансформаторы). Водород - главное достоинство - высокая теплопроводность - в 6 раз выше, чем у воздуха. Используется как охлаждающая среда мощных электрических машин. Применение водородного охлаждения снижает вентиляционные потери, увеличивает срок службы твёрдой изоляции вследствие отсутствия окислительных процессов. Недостаток - в смеси с кислородом воздуха может образовывать взрывоопасную смесь. Инертные газы - аргон, гелий, ксеон, неон. Эти газы имеют очень низкий потенциал ионизации, поэтому их электрическая прочность низкая. Применяют их в технике слабых токов и газоразрядных приборах. 28 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Жидкие диэлектрики Общие сведения Наиболее широкое распространение в электротехнических устройствах получили нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла и синтетические жидкости. Они выполняют функцию изолирующей, охлаждающей и дугогасящей среды и применяются как в чистом виде, так и в сочетании с волокнистыми и твёрдыми материалами, например, бумажно-масляная или маслобарьерная изоляция. Поэтому при выборе изолирующей жидкости необходимо соблюдать следующие требования: - совместимость с применяемыми материалами; - высокая электрическая прочность; - высокое удельное сопротивление; - малые диэлектрические потери; - стабильность свойств в условиях длительной эксплуатации; - пожарная и экологическая безопасность. Не все жидкие диэлектрики удовлетворяют этим требованиям, поэтому в каждом конкретном случае предпочтение отдаётся тем свойствам, которые обеспечивают необходимую стабильность долговечность изделия. 29 параметров, надёжность и ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Минеральные (нефтяные) масла. К этой группе относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла. Трансформаторное масло находит наибольшее применение в электротехнике. Его получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очисткой от химически нестойких примесей. Назначение трансформаторного масла двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Ещё одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения. В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токопроводящие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу, которая возникает между контактами срабатывающего 30 выключателя. ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов. Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём дополнительной обработки под вакуумом с целью удаления воздуха (газов). К параметрам конденсаторного масла предъявляются повышенные требования, так как в процессе эксплуатации невозможно производить замену или регенерацию масла, и диэлектрические свойства его должны сохраняться в течение всего срока службы. Пропитка изоляции конденсаторов маслом с высоким значением электрической прочности позволяет уменьшить толщину изоляции и увеличить коэффициент диэлектрической проницаемости изоляции, что сокращает массогабаритные показатели конденсаторов при тех же значениях ёмкости. Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь снижает потери, а, следовательно, и нагрев изоляции и позволяет увеличить срок службы. 31 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 В конденсаторном масле не допускается содержание газов, так как в газовых включениях при высокой напряжённости электрического поля интенсивно развиваются ионизационные процессы, что может привести к пробою изоляции. К кабельным маслам, как и к конденсаторному маслу, предъявляются высокие требования касательно стабильности и численного значения параметров, так как изоляция должна обеспечить длительный срок службы. Однако есть и специфические требования, зависящие от конструкции изоляции и величины напряжения. Так, для кабелей с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) напряжением до 35 кВ масло должно обладать повышенной вязкостью, что исключает его стекание при прокладке кабеля на различных уровнях и образование «обедненных» участков изоляции, где возможны развитие разрядных процессов и пробой изоляции. Для увеличения вязкости в масло добавляют канифоль или другие загустители. В маслонаполненных кабелях напряжением 110 кВ и выше токоведущие жилы выполняют в виде толстых труб, свитых из круглых или сегментных проводов. Внутрь этих труб подается масло под давлением. Проникая сквозь зазоры между проводами, масло пропитывает бумажную изоляцию. В кабелях, проложенных в стальных трубах, оно омывает внешнюю поверхность изоляции (здесь применяют менее вязкие масла). В настоящее время во многих странах производство кабелей с БМИ прекращено. На смену им пришли кабели с твердой изоляцией на основе полиэтилена и других материалов. Твердая изоляция обладает более высокими электрическими свойствами, что позволяет уменьшить толщину изоляции (диаметр кабеля), увеличить строительную длину, токовые нагрузки и 32 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 допустимую рабочую температуру и, главным образом, упростить процесс изготовления кабелей, их прокладку, разделку и эксплуатацию. Все масла в процессе эксплуатации находятся под воздействием внешних факторов. Это вызывает старение масла. Скорость старения масла возрастает: - при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идёт старение при соприкосновении масла с озоном; - при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95º С); - при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец) и другими веществами - катализаторами старения; - при воздействии света; - при воздействии электрического поля. Для восстановления свойств масла используют несколько способов: - пропускают под давлением сквозь фильтрованную бумагу в специальных установках; - воздействуют на масло центробежной силой в центрифуге; - обрабатывают адсорбентами; - распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом. Синтетические жидкие диэлектрики Синтетические жидкие диэлектрики нашли широкое применение в последние 50 лет. Главное их достоинство, по сравнению с нефтяными растительными жидкостями, - более высокая термостойкость, негорючесть и стабильность параметров. К ним относятся хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фторорганические жидкости. 33 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Хлорированные углеводороды получают из углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или всех) атомов водорода атомами хлора. Их достоинства - повышенное значение диэлектрической проницаемости, по сравнению с нефтяными маслами, и негорючесть. Поэтому они широко используются для пропитки силовых конденсаторов. Недостатки хлорированных углеводородов: повышенная токсичность, зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от температуры и др. В настоящее время в некоторых странах их применение запрещено законом. Кремнийорганические жидкости (силиконы (силоксаны)) - это продукт синтеза кремнистых и углеводородных соединений. Все кремнийорганические жидкости обладают высокими электроизоляционными свойствами, мало зависящими от напряжения, температуры, влажности окружающей среды, стойки к радиационному излучению. Недостаток - высокая стоимость. Фторорганические жидкости - это продукт синтеза углеводородов, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора. Способ получения фторорганических жидкостей сложный и требует дорогих исходных материалов и реактивов, что определяет их высокую стоимость и ограниченное применение. Особенности: высокая термостойкость, хорошие теплопроводящие свойства, высокая электрическая прочность, малая вязкость. Не горючи, дугостойки, могут работать при температуре 200ºС и выше. Однако эти жидкости летучи, поэтому применяются в герметизированных конструкциях. Некоторые из этих жидкостей находят применение в холодильных установках в качестве хладогенов. 34 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Основные понятия о высокополимерных материалах. Полимеризационные органические диэлектрики. Высокополимерные материалы состоят из молекул больших размеров, которые включают в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры - вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций и образуется новое высокополимерное вещество (полимер) большой молекулярной массы. Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т. е. линейную структуру. Полимеры, состоящие из молекул линейной структуры, называемые линейными полимерами, способны размягчаться при нагревании, т. е. являются термопластичными материалами. Полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространстве, и называемые пространственными, относительно хрупки и, как правило, не размягчаются при нагревании, т. е. являются термореактивными материалами. Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение, а некоторые смешанное-кристаллическое и аморфное. Высокополимерные вещества бывают природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и др.). В виду ограниченности свойств природных полимеров в современной электротехнике используют главным образом синтетические высокополимерные диэлектрики. Эти материалы получают в результате химических реакций полимеризации и поликонденсации и соответственно называют полимеризационными и поликонденсационными диэлектриками. Полимеризация - это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества без изменения его элементарного состава в большие молекулы высокополимерного вещества. 35 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Полистирол, являющийся одним из таких синтетических диэлектриков, получают в результате полимеризации исходного вещества - стирола, который представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, кипящую при температуре 145° С.В начальной стадии полистирол представляет собой густую прозрачную жидкость, которую разливают в подогретые стеклянные формы, где процесс полимеризации заканчивается. В формах образуется твердый прозрачный материал в виде пластин и стержней. Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. Основным недостатком полистирола и изделий из него является хрупкость, т. е. сравнительно невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию. Полиэтилен - твердый непрозрачный материал белого или светлосерого цвета, несколько жирный на ощупь, получаемый полимеризацией под давлением газа этилена. Различают полиэтилен высокого (ПЭВД), среднего (ПЭСД) и низкого (ПЭНД) давления. 36 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Из полиэтилена ВД изготовляют электроизоляционные полупрозрачные пленки, из полиэтилена СД, НД - негибкие электроизоляционные изделия, каркасы катушек, платы. 37 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 При комнатной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из растворителей. Все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в полиэтилены вводят сажу и другие красители. Изделия из полиэтилена могут соединяться сваркой. Недостатки полиэтилена: - низкая твердость - низкая температура размягчения - низкая прочность - старение под действием света Для устранения этих недостатков полиэтилен подвергают вулканизации при введении в него органических перекисей и последующей термической обработке. Облучённый (сшитый) полиэтилен. Для повышения твёрдости и температуры размягчения полиэтилен подвергают воздействию мощного излучения. В результате в полиэтилене образуются поперечные связи, что значительно повышает температуру размягчения, он становится твёрдым и не растворимым. Плёнки из такого материала могут длительно работать при температуре 100-110 ºС. Стабилизированный полиэтилен содержит антиокислители (стабилизаторы). Это ароматические вещества, в состав которых входит группа NН7. В результате процесс старения замедляется, и свойства полиэтилена в условиях нагрева более стабильны. 38 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Рисунок 5. Изоляция кабеля из стабилизированного полиэтилена Негорючий полиэтилен получают добавлением трёхокиси сурьмы; чтобы устранить хрупкость, вводят также пластификатор - хлорированный парафин. Поливинилхлорид представляет собой порошок белого цвета, из которого изготовляют горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия. Порошкообразный поливинилхлорид получают в результате реакции полимеризации газообразного вещества - винилхлорида. Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый, жесткий материал - винипласт в виде листов, пластин, труб и стержней, который отличается химической стойкостью к минеральным маслам, разбавленным щелочам и кислотам. Винипластовые изделия обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам, и имеют хорошие электроизоляционные свойства. Недостаток винипласта - малая холодостойкость. Разлагается винипласт при 150-200 °С. Поливинилхлоридный пластикат - гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами - густыми маслообразными жидкостями. Поливинилхлоридный пластикат широко применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, а 39 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 также для изготовления защитных оболочек - шлангов, кабелей. Обычно он бывает окрашен в черный, синий, желтый, красный и другие цвета. Красители вводят для защиты материала от светового старения, а также для распознавания проводов при монтаже. Поливинилхлоридный пластикат без красителей - прозрачный материал с желтоватым оттенком. Из поливинилхлоридного пластиката изготовляют гибкие изоляционные трубки и липкую изоляционную ленту. Характерной особенностью поливинилхлоридных материалов является то, что, будучи вынесены из пламени, они перестают гореть. Полиформальдегид - твердый термопластичный диэлектрик, образующийся в результате полимеризации газообразного формальдегида. Материал представляет собой порошок белого цвета, из которого изделия получают литьем под давлением или экструзией. Повышенная твердость, большая стойкость к истиранию и малый коэффициент трения, позволяют изготовлять из полиформальдегида бесшумные шестеренные и червячные передачи и подшипники. Довольно широкий интервал рабочих температур (от 55 до 100 °С), влагостойкость, химическая стойкость, стойкость к искровым разрядам и хорошие электрические характеристики обеспечивают широкую область применения полиформальдегида в качестве электроизоляционного материала (изоляционные основания - платы, каркасы катушек сложного профиля). Изделия из полиформальдегида могут быть подвергнуты всем видам механической обработки (фрезерованию, обточке, сверлению и др.). Органическое стекло (метилметакрилат) - термопластичный прозрачный материал, легко окрашиваемый во многие цвета, выпускается в виде листов или порошка. Исходным материалом служит жидкое вещество метилметакрилат, в которое вводят небольшое количество перекиси бензоила и пластификаторы. Смесь перемешивают, нагревают и разливают в нагретые 40 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 до 120 ºС формы из обычного силикатного стекла или металла. Органическое стекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, к бензину и минеральным маслам. В нагретом состоянии (115-135 ºС) легко формуется в стальных или деревянных пресс-формах. Органическое стекло поддается всем видам механической обработки. Полиуретаны - непрозрачные полимерные материалы. Из твердых полиуретанов изготовляют литые изделия различной формы (например, кабельные муфты), а из пластичных - гибкие, эластичные пленки и волокна. Полиуретаны служат основой изоляционных лаков для эмалирования обмоточных проводов. Достоинствами всех полиуретанов являются: хорошая адгезия (прилипание) к многим материалам, малая усадка при литье, атмосферостойкость и довольно высокие электрические характеристики, а недостатками - низкие холодостойкость, и нагревостойкость, не превышающая 100-105 °С. Следует отметить, что почти все органические полимерные материалы, в том числе и полиуретаны, являются горючими веществами. Электроизоляционные лаки. Электроизоляционные эмали. Компаунды. Лаками называют коллоидные растворы высыхающих масел, смол, битумов, эфиров целлюлозы, полиэфирных и кремнийорганических соединений, составляющих лаковую основу в летучих растворителях. В процессе изготовления изоляции лаки используются в жидком виде. При сушке лака растворитель улетучивается, а основа переходит в твердое состояние, образуя тонкую лаковую пленку. 41 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Применяют для пропитки изоляции проводов, кабелей, машин, работающих в условиях: 1. Высокой влажности 2. Запыленности 3. Вибрации В качестве растворителей используют бензол, спирт, ацетон, керосин. Для ускорения процесса сушки и придания пленкам специфических свойств в лаковый раствор добавляют сиккативы (жидкие или твёрдые вещества, вводимые для ускорения высыхания), пластификаторы (вещества, придающие лаковой плёнке эластичность) и красители. Лаки классифицируют по режиму сушки (горячая (печная) и холодная (воздушная)), назначению и химическому составу. Горячая сушка при температуре более 70°С применяется для лаков с термореактивной основой. Эти лаки обладают лучшими электрическими и механическими свойствами. Холодная сушка (t = 20-25 °С) применяется для лаков с термопластичной основой. По химическому составу, в зависимости от лаковой основы, все лаки подразделяются на смоляные, масляные, битумные, масляно-смоляные, масляно-битумные. Смоляные лаки - растворы синтетических, искусственных или природных смол. К этому классу относятся кремнийорганический, бакелитовый, эпоксидный, поливинилхлоридный, полиэфирный лаки. Их в зависимости от назначения подразделяют на пропитывающие и покрывные. Основу масляных лаков составляют высыхающие масла. Эти лаки применяются для производства лакотканей, изоляции. 42 пропитки многослойной ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Битумные лаки - растворы битумов в органических растворителях. Пленка этих лаков обладает малой гибкостью, низкой нагревостойкостью и небольшой стойкостью к растворителям. Такие лаки используются для антикоррозийных покрытий. Масляно-смоляные лаки - масляные лаки на основе природных или синтетических смол, обладают повышенной эластичностью, низкой гигроскопичностью, и высокой механической прочностью. Масляно-битумные лаки помимо битумов содержат высыхающие масла. Пленки этих лаков более гибкие и менее подвержены воздействию растворителей, чем чисто битумных. По назначению - на пропиточные, покрывные и клеящие. Пропиточные лаки применяются для пропитки волокнистых и пористых материалов. В результате пропитки из пор вытесняется воздух (газы), освободившееся пространство заполняется лаком, который после высыхания отвердевает. Пропитанные материалы обладают более высокой электрической прочностью, повышенной теплопроводностью, меньшей гигроскопичностью и лучшими механическими свойствами. Органическая изоляция после пропитки в меньшей мере подвергается окислительным процессам, что повышает ее нагревостойкость. Пропиточные лаки должны обладать хорошими проникающими, скрепляющими (клеящими) свойствами, быстро затвердевать и обеспечивать длительное функционирование изоляции в диапазоне рабочих температур. Для пропитки изоляции используют масляно-битумные, масляноалкидные, кремнийорганические, алкидно-резольные лаки. 43 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Покрывные лаки предназначены для защиты изделий от воздействия внешней среды и паров агрессивных веществ. К ним предъявляются следующие требования: - хорошая адгезия к покрываемой поверхности; - высокие электроизоляционные свойства; - хорошая защита поверхности от проникновения влаги и других веществ; - отсутствие отрицательного воздействия на оптические характеристики оптоэлектронных устройств; - улучшение внешнего вида поверхности, относятся кремнийорганический предотвращение загрязнения. К покрывным лак, лаки на поливинилацетатной и полиуретановой основе, полиамидный лаки, масляные лаки. Клеящие лаки (клеи) предназначены для склеивания твердых материалов, листов, пластин, пакетов, расщепленной слюды, фольгированных и других диэлектриков. К клеящим лакам относятся полиуретановые и эпоксидные клеи, применяющиеся для склеивания пластмасс, стекол, керамики и др. Карбонильный клей, обладающий высокой механической прочностью и стойкостью к воздействию масел, керосина, бензина, применяют для склеивания керамики. Глифталевый лак - синтетическая алкидная смола, модифицированная канифолью и растительными маслами, применяется для приклейки пластин и кристаллов полупроводниковых материалов подложки. Эмали представляют собой разновидность покрывных лаков, в состав которых вводят неорганические наполнители (пигменты) - железный сурик, 44 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 оксиды цинка, титана. Пигменты повышают твердость, теплопроводность, влагостойкость лакового покрова и придают соответствующую окраску. Эмали в основном используются в качестве защитных покрытий поверхностей различных деталей, элементов радиоэлектроники, корпусов приборов. Широкое применение находят глифталевые и эпоксидные эмали. Компаунды - это смесь различных изоляционных материалов, не содержащих растворителей. В исходном состоянии могут быть жидкими, твёрдыми и пастообразными. В процессе изготовления изоляции или отдельных деталей в жидкие компаунды вводят отвердитель. Свойства компаундов зависят от исходной смолы и отвердителя. Для улучшения механических и температурных характеристик (уменьшение усадки, растрескивания, повышение теплопроводности) в жидкие компаунды добавляют наполнители (кварц, фарфоровую муку и др.). Твердые компаунды предварительно нагревают до определенной температуры для получения массы требуемой вязкости. В зависимости от исходной смолы, компаунды подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные компаунды обладают более высокой термостойкостью по сравнению с термопластичными. Однако изоляция на их основе при повреждении не подлежит ремонту. Термопластичные компаунды размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении. При пропитке изоляции температура жидкого компаунда не должна вызывать повреждение изоляции (изделия), а температура размягчения должна быть выше допустимой температуры, чтобы исключить вытекание компаунда при работе. 45 рабочей ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 По назначению компаунды подразделяются на пропиточные и заливочные. Пропиточные компаунды, как и лаки, обладают малой вязкостью, служат для пропитки волокнистых и пористых материалов. Заливочные компаунды используют для заполнения сравнительно больших полостей и полостей между деталями, а также для нанесения относительно толстых покрытий на детали, блоки, узлы. И заливочные и пропитывающие компаунды должны обладать хорошими адгезийными свойствами. Широкое применение получили синтетические компаунды - эпоксидные, кремнийорганические, компаунды представляют собой полиэфирные. Эпоксидные модификацию эпоксидных смол с отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Они обладают хорошей адгезией к металлам, пластмассам, волокнистым материалам, керамике; малой усадкой; повышенной механической прочностью; широким диапазоном рабочих температур (-60...+ 130 °С). Эпоксидные компаунды применяются в качестве заливочных при изготовлении трансформаторов (измерительных и малой мощности), блоков резисторов, в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Кремнийорганические компаунды представляют собой вязкие жидкости, которые после полимеризации образуют упругие твердые вещества. Они обладают высокими механическими и диэлектрическими свойствами, высокой пропитывающей способностью, термостойкостью ( -60...+25 °С). Кремнийорганические компаунды применяются для опрессовки и герметизации интегральных схем и полупроводниковых приборов, для пропитки и заливки трансформаторов (малой мощности). 46 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Полиэфирные компаунды. Их недостатком является значительная усадка. Область применения - герметизация оптоэлектронных приборов и интегральных схем. По сравнению с лаками все компаунды обеспечивают лучшую влагостойкость и герметизацию благодаря отсутствию следов испаряющегося растворителя. Электроизоляционные пластмассы. Слоистые электроизоляционные пластмассы. Композиционные материалы. Пластические массы (пластмассы) представляют собой изделия, получаемые из прессовочных порошков, которые под воздействием температуры и давления размягчаются и приобретают свойства пластического течения. Чем больше текучесть пресс-порошка, тем более сложной формы можно получить пластмассовое изделие. В результате литьем или прессованием могут быть получены пластмассовые изделия различной формы (корпуса и основания электроизмерительных приборов, электрических аппаратов, кнопки, ручки, крышки и др.). Некоторые (например, пластмассы представляют собой чистые поливинилхлорид, полиэтилены и и др.) полимеры называются ненаполненными пластмассами. Связующие вещества - синтетические смолы (резольные, эпоксидные, кремнийорганические и др.), которые пропитывают наполнители и другие компоненты пластмасс, придают им пластичность и обеспечивают монолитность получаемым изделиям. Связующими могут быть термопластичные или термореактивные вещества. В случае термопластичного связующего (поливинилхлорид и др.) 47 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 пластмассовое изделие тоже будет термопластичным, т. е. при нагревании до определенной температуры оно начнет размягчаться. Термореактивные связующие (резольные, кремнийорганические и другие смолы) обеспечивают изделиям термореактивность - не размягчаемость изделий при нагревании. В пластмассах неорганического состава (асбестоцемент, микалекс и др.) в качестве связующих применяют портландцемент, стекло и другие неорганические связующие. Наполнители - порошкообразные или волокнистые вещества, повышающие механическую прочность и уменьшающие объемную усадку изготовляемых пластмассовых изделий. Волокнистые наполнители (стеклянные, асбестовые и хлопковые волокна) значительно увеличивают механическую прочность пластмасс. Неорганические наполнители (кварцевый и слюдяной порошки, стеклянное волокно) повышают коэффициент теплопроводности пластмасс и увеличивают их нагревостойкость. В пластмассах содержится до 40-60 % наполнителей. Пластификаторы - густые маслообразные синтетические жидкости, вводимые в пластмассы для понижения их хрупкости и повышения холодостойкости. Стабилизаторы - вещества, вводимые в пластмассы для повышения их стойкости к свету и нагреву. Смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота) вводят в пластмассы для лучшего отделения отпрессованных изделий от поверхностей стальных пресс-форм. Отвердители - вещества, вводимые в некоторые пластмассы для ускорения их отвердевания. Основой процесса отвердевания являются реакции полимеризации и поликонденсации. 48 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Красители вещества, - придающие пластмассовым изделиям равномерную окраску. Красители вводят как для придания пластмассовым изделиям декоративного вида, так и для повышения их стойкости к свету. Порообразователи - вещества, которые при нагревании выделяют большое количество газов, создающих пористую структуру пластмассовых изделий. Выбирая состав и количество компонентов пластмассы, можно получить изделия с теми или иными механическими, тепловыми и диэлектрическими свойствами. По назначению пластмассы делятся на конструкционные (корпуса приборов, рукоятки, щеткодержатели и др.), электроизоляционные (каркасы катушек, панели, латы и т.п.), специальные (магнитодиэлектрики, полупроводники). По виду наполнителя пластмассы подразделяются на порошковые (пресс-порошки) и волокнистые. Слоистые пластмассы Слоистые пластмассы - это материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага, хлопчатобумажная или стеклянная ткань) и связующего вещества. К ним относят: текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, намотанные бумажно-бакелитовые изделия в виде труб, цилиндров и т.д. Гетинакс - листовой слоистый материал, в котором наполнителем являются листы пропитанной бумаги толщиной 0,10-0,12 мм. Процесс производства гетинакса заключается в пропитке бумаги бакелитовыми лаками и последующей резке ее на листы определенных размеров. Листы пропитанной лаком бумаги после сушки собирают в пакеты определенной массы соответственно толщине 49 прессуемого изделия. ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Собранные пакеты прессуют между нагретыми (до 160 °С) стальными плитами гидравлических прессов. При горячем прессовании расплавленная смола склеивает пропитанные листы бумаги и переходит в неплавкое состояние. Следует учитывать, что дугостойкость гетинакса невысока и после нескольких искровых разрядов на его поверхности остается науглероженный след, Текстолит отличается от гетинакса тем, что наполнителем в нем является хлопчатобумажная ткань. Производство текстолита существенно не отличается от производства гетинакса. Текстолит марок А, Б и Г выпускается на основе бязи и миткаля, и марки ВЧ (для высоких частот) - на основе шифона. Электрические характеристики текстолита по сравнению с гетинаксом несколько ниже, однако он имеет более высокое сопротивление раскалыванию (вдоль слоев) и ударную вязкость, доходящую до 12 - 18 кДж/м2. Кроме того, он легче поддается механической обработке, но значительно дороже гетинакса. Текстолит обладает низкой дугостойкостью, так как его связующее бакелитовая смола - под действием электрических искр легко науглероживается. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что наполнителем в нем является электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Он обладает повышенной влагостойкостью и нагревостойкостью и лучшими электрическими и механическими характеристиками, чем текстолит и гетинакс, но хуже обрабатывается. Все слоистые изоляционные пластмассы обладают значительным водопоглощением: от 2 до 8 % (за 24 ч). Поэтому для придания этим 50 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 материалам после механической обработки водостойкости, вскрытые режущим инструментом поверхности следует покрывать соответствующим лаком (бакелитовым, эпоксидным и др.) с последующей запечкой при оптимальной температуре. Волокнистые электроизоляционные материалы. К синтетическим относятся материалы, изготовленные из неорганических волокон - стекла, асбеста. Основным отличительным признаком волокнистых материалов является их структура, а основным веществом - целлюлоза. Эти материалы обладают высокой гидрофильностью и гигроскопичностью, что обусловлено их волокнистым строением. В непропитанном состоянии они отличаются низкими электрическими параметрами и низкой термостойкостью (устраняется пропиткой нефтяными маслами, синтетическими смолами, лаками и компаундами). Кабельная бумага применяется для изоляции жил силовых кабелей на напряжение 35, 110 и 220 кВ. Отличается количеством слоев, толщиной, объёмной массой, воздухопроницаемостью. Маркируется буквами К (кабельная однослойная), КМ (многослойная), КВМ (высоковольтная многослойная), КВМСУ (высоковольтная, многослойная стабилизированная многослойная). Конденсаторная бумага - наиболее тонкий и качественный вид электротехнической бумаги, применяется в сочетании с синтетическими пленками. Пропиточная бумага выпускается толщиной 0,9, 0,11, 0,13 мм. Воздухопроницаемость и впитываемость пропиточных бумаг выше, чем других. 51 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Намоточная бумага изготовляется толщиной 50, 60, 70 мкм. Электротехнический картон отличается от бумаг на основе целлюлозы повышенной толщиной, высокой механической прочностью, достаточной гибкостью, низкой стоимостью. Фибра - электроизоляционный и конструкционный материал, получаемый на основе целлюлозы. Фибру изготавливают из непроклеенной бумаги, имеющей в своём составе хлопковое волокно и древесную целлюлозу (по 50%). Используют в качестве электроизоляционного материала в электрооборудовании низкого напряжения; применяют для изготовления разрядников высокого напряжения. Электроизоляционные резины Резиновые материалы представляют собой сложную смесь разнообразных компонентов, основным из которых является продукт вулканизации каучука. Свойства резиновых материалов: - высокая эластичность в широких интервалах температур; - хорошая вибростойкость; - повышенная химическая стойкость; - стойки к истиранию; - хорошие диэлектрические свойства. Недостатки резиновых материалов: - невысокая бензо-и маслостойкость; - относительно низкая тепло-и морозостойкость; - склонность к старению под действием тепла, кислорода и света; - содержит свободную серу, а она с течением времени выделяется и вызывает коррозию металлов, контактирующих с резиной. 52 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Основными компонентами резин являются каучук, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, наполнители, противостарители, мягчители, регенерат и красители. Каучук - основа резиновых смесей, определяющая основные физикохимические и механические свойства резин. Вулканизация - это физико-химический процесс взаимодействия каучука с вулканизующим веществом, в результате которого происходит изменение свойств каучука: он теряет пластичность, становится эластичным, увеличивается прочность, стойкость к действию химических веществ. Важнейшим вулканизирующим веществом является сера. Процесс вулканизации в смесях, содержащих одну серу, протекает медленно. Для сокращения времени вводят химические вещества, называемые ускорителями вулканизации (альтакс, каптакс, тиурам). Наполнители - порошкообразные материалы: активные (сажи, каолин, цинковые белила) - повышают прочность при разрыве, сопротивление истиранию; неактивные (мел, тальк) - для удешевления резин. Мягчители - вещества, предназначенные для облегчения перемешивания каучука с порошкообразными составляющими и придания резине мягкости (вазелиновое масло, парафин, стеарин, канифоль). Противостарители применяют для предохранения резиновых изделий от старения (ароматические амины и диамины). Регенерат - продукт переработки старых резиновых изделий, заменяет каучук, дешевле его. Красители служат для окраски резины (окись титана, сурик, ультрамарин). Электротехнические резины включают электроизоляционные и электропроводящие резины. Электроизоляционные резины, применяемые для 53 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви, изготовляют только на основе неполярных каучуков НК, СКБ; СКС, СКТ и бутилкаучука. Электропроводящие резины для экранированных кабелей получают из каучуков НК, СКН, наирита, особенно из полярного каучука СКН-26 с введением в их состав углеродной сажи и графита (65-70 %). Резину, стойкую к воздействию гидравлических жидкостей, используют для уплотнения подвижных и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов; для работы в масле применяют резину на основе каучука СКН, набухание которой в жидкости не превышает 1-4 %. Для кремнийорганических жидкостей применимы неполярные резины на основе каучуков НК, СКМС-10 и др. Лакоткани, ленты и лакированные Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, состоящие из какой-либо тканевой основы, пропитанной электроизоляционным лаком. В качестве тканевых основ применяют хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (из стеклянного волокна) ткани. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отверждения образует на лакоткани гибкую пленку, электроизоляционные которая обеспечивает материалу свойства, тканевая основа же высокие придает ему механическую прочность. Лакоткани широко применяют в качестве пазовой и межвитковой изоляции в электрических машинах низкого напряжения, а также в трансформаторах. Кроме того, лакоткани используют для наружной изоляции катушек и отдельных групп проводов в электрических аппаратах и приборах 54 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 В соответствии с примененной тканевой основой лакоткани делят на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклолакоткани). В качестве основ хлопчатобумажных лакотканей служат тонкие прочные ткани (перкаль и др.). Хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные лакоткани на масляных лаках по нагрево- стойкости относятся к классу А, т. е. их можно применять при рабочих температурах, не превышающих 105°С. Стеклолакоткани же на кремнийорганических лаках по нагревостойкости относятся к классу Н (180 °С) и обладают высокой влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени. Стеклолакоткани, пропитанные кремнийорганическими составами, применяются в электрических машинах и аппаратах нагревостойкого и тропического исполнения. Как и все волокнистые материалы, лакоткани обладают наибольшим разрушающим напряжением при растяжении в направлении основы, т. е. вдоль полотна, а меньшей прочностью -поперек полотна. Водопоглощение хлопчатобумажных лакотканей 4,5-6,0 %, шелковых 3,5-5,0 %, стеклянных 12,0 %. Липкие электроизоляционные ленты изготовляют на основе хлопчатобумажных или стеклянных (стекловолокнистых) лент, а также лент из поливинилхлоридного пластиката. 55 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Прорезиненная хлопчатобумажная лента представляет собой миткалевую ленту, пропитанную вязким резиновым составом. Липкая поливинилхлоридная лента широко применяется в устройствах низкого напряжения. Ее можно применять до температуры 60-65 °С, так как при более высокой температуре она начинает размягчаться. Липкая нагревостойкая стеклолента изготовляется из стеклянной ленты (из бесщелочного стекла), кремнийорганическим лаком. 56 пропитанной нагревостойким ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Она применяется для изоляции лобовых частей обмоток электрических машин и аппаратов с высокими рабочими температурами (до 155°С). Хлопчатобумажные лакированные (линоксиновые) трубки (чулки) выполняются из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной масляным лаком, имеют внутренний диаметр от 0,5 до 10 мм и толщину стенки от 0,5 до 0,9 мм. Линоксиновые трубки могут работать при температурах от- 50 до + 105°С и применяются для изоляции выводных концов и мест соединений в электрических аппаратах, а также в трансформаторах (сухих и с масляной изоляцией). Лакированные стекловолокнистые трубки (чулки) выполняются из стекловолокнистой пряжи и пропитываются полиуретановым, эпоксидным или нагревостойким кремнийорганическим лаком. Стекловолокнистые лакированные трубки имеют внутренний диаметр от 1 -10 мм и толщину стенки 0,4-0.5 мм. По сравнению с линоксиновыми трубками они менее эластичны, но обладают высокой влагостойкостью и применяются для изоляции выводных концов и мест соединений в электрических машинах и аппаратах. 57 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Электроизоляционная слюда К неорганическим диэлектрикам относят материалы, которые не содержат атомов углерода и водорода. Отличительная особенность этих материалов являются хрупкость, негорючесть, нерастворимость. Материалы на основе слюды. Слюда встречается в природе в виде кристаллов, особенностью которых легко расщепляться на пластинки. В качестве электроизоляционных материалов применяют только мусковит и флогопит. Мусковит - калиевая слюда. Обладает химической стойкостью: на него не действует ни один из растворителей и щелочей. С увеличением толщины электрическая прочность уменьшается. Температура плавления 1260-1300 оС. Флогопит - калиевомагнезиальная слюда. Из-за низкого сопротивления истиранию применяют флогопит в производстве клееных листовых материалов. Изоляционные прокладки из флогопита истираются в одинаковой степени с медными пластинами. Реагирует с кислотами, но щелочи на него не действуют. Не изменяет своих характеристик до 800 градусов. Для изоляции применяют разные материалы на основе слюды: миканиты, слюдопластовая и слюдинитовая бумага. Миканит - листовой или рулонный материал, склеенный из отдельных листков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы. Может иметь подложку из бумаги или ткани с одной или двух сторон, что увеличивает прочность на разрыв и исключает расслоение слюды при изгибе. Имеет высокую нагревостойкость (класс В). При использовании термостойких клеящих веществ и стеклоткани получают миканит классов F, Н. Миканиты без органических веществ - класс нагревостойкости С. Коллекторный 58 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 миканит - применяется для изоляции коллекторных пластин электрических машин. Прокладочный миканит - твёрдые прокладки в электрических машинах и аппаратах. Формовочный миканит - детали сложной формы (каркасы). Гибкий - для пазовой изоляции электрических машин. Слюдинитовая и слюдопластовая бумага. Для производства слюдинитовой бумаги используют отходы мусковита. Их подвергают химической обработке, получают однородную массу-пульпу, а затем отливают на бумагоделательных машинах. В результате - слюдинитовая бумага толщиной 19-150 мкм или картон. Из флогопита слюдопластовая бумага слабо подвержена тепловому старению, сохраняет гибкость и не растрескивается на воздухе. Применяется для изготовления изоляции электронагревательных приборов. Электрокерамические материалы Керамическими называют неорганические материалы, полученные из неметаллических соединений методом спекания (обжига). Керамический материал представляет собой многофазовую систему, состоящую из кристаллической, аморфной (стекловидной) и газовой фаз. Основной является кристаллическая фаза, она определяет высокие изоляционные и другие показатели изделия. Стекловидная фаза выполняет связующие функции, обеспечивает механическую прочность. Газовая фаза представляет собой поры и микротрещины, которые образуются в процессе обжига и снижают механические и электрические свойства материала. Основные этапы получения керамических изделий: - сортировка и очистка от примесей; - помол и смешивание по заданной рецептуре с добавлением воды; 59 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 - формирование деталей прессованием, штамповкой; - сушка и обжиг в печах. Достоинства: высокая нагревостойкость и механическая прочность, высокая радиационная стойкость, устойчивость против старения, получение заданных характеристик путём изменения состава массы, негигроскопичны и атмосферостойки. Недостатки: невозможность получения тонких гибких изделий, трудность механической обработки (изделия можно только шлифовать), пористость. По назначению делятся на три группы: изоляторная, конденсаторная и сегнетоэлектрическая керамика. Фарфор - старейший вид керамики, используемый как изоляционный материал. Фарфор применяется на низких частотах, на низких напряжениях как изолирующий и конструкционный материал. Из фарфора изготавливают: корпуса резисторов, разъемов, ламповые панели. Стеатит - отличается от фарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 250ºС не изменяя своих электрических характеристик. (у фарфоровых изделий ухудшаются при 100ºС и выше). Из пластичной стеатитовой массы изготавливают стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом прессования в гипсовых формах. Недостаток - дорогой. Керамические керамических конденсаторные изоляторных материалов материалы большей отличаются от диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать из них керамические 60 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 конденсаторы большой ёмкости и сравнительно малых габаритов. Керамические конденсаторы не обладают гигроскопичность и не нуждаются в защитных корпусах и оболочках, которые необходимы для бумажных и слюдяных конденсаторов. Керамические конденсаторы изготавливают методами керамической технологии - литьём в гипсовые или стальные формы, а затем обжигают в печах при температуре 1450-1700º. Сегнетокерамические материалы (сегнетокерамика) - аномально большие значения диэлектрической проницаемости, что позволяет применять их в качестве датчиков температуры при изменении её электрическими методами. Большая диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков позволяет изготавливать из них миниатюрные электрические конденсаторы большой ёмкости. Диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков значительно возрастает с ростом приложенного к ним напряжения, чего не наблюдается у обычных диэлектриков. Это характерное свойство используют в диэлектрических усилителях. Все сегнетодиэлектрики обладают характерными свойствами только до определённой температуры. При превышении этих температур теряют свои свойства и становятся обычными диэлектриками. Электроизоляционное стекло Стекло получают путём быстрого охлаждения расплава независимо от его химического состава. Оксиды - стеклообразователи (образуют стекло в чистом виде), оксиды - модификаторы (входят в состав стёкол для изменения технологического режима - температуры варки, изменение параметров стекла), промежуточные оксиды (не образуют стёкол, но могут придать им определённые свойства - например окраску). Наиболее распространены 61 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 силикатные стёкла - доступное сырьё, дешёвые, высокая химическая стойкость. По назначению стёкла классифицируют: - на строительные; - тарные; - технические (электротехнические, оптические, светотехнические, теплозащитные). По химическому составу стекла подразделяются на: 1. Щелочные стекла с малым содержанием тяжелых оксидов; 2. Щелочные стекла с большим содержанием тяжелых оксидов; 3. Бесщелочные стекла Бесщелочное (кварцевое) стекло - хороший диэлектрик, обладает высокой термической стойкостью и высокими оптическими качествами. Применяются в производстве оптических приборов, линз, изоляторов, реакторов, тиглей. Недостатки - узкий интервал размягчения и высокая вязкость. Малощелочные стёкла - содержат щелочных оксидов не более 5% обладают широким интервалом размягчения, а по электрическим свойствам приближаются к кварцевым. Используются для изготовления стеклянных изоляторов высокого напряжения. Щелочные стёкла с содержанием тяжёлых оксидов - обладают пониженной нагревостойкостью, технологичны (легко обрабатываются при нагревании), но имеют повышенные электрические свойства. Применяют для изготовления электроизоляционных изделий (конденсаторов). Изоляторные стёкла - используют безщелочное и малощелочное стекло. 62 ООО «Северный Путь» 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Оборонная 10, Лит. А, офис 23 8 (812) 468-60-68 [email protected] www.uc-sp.ru ИНН 7805727521 КПП 780501001 ОГРН 1187847140304 Минеральные диэлектрики К минеральным диэлектрикам широкого применения относят асбест и асбоцемент. Асбест (горный лён) - природный минерал, характерным свойством которого является волокнистое строение. Для изготовления различных электроизоляционных материалов (бумаги, пряжи, ленты, картона) используют преимущественно хризотиловый асбест. Волокна асбеста не впитывают воду, но покрываются водяной плёнкой. В результате этого и н наличия в нём различных примесей электрические свойства асбестовых изделий не высокие. Асбест обладает высокой нагревостойкостью, теряет прочность при 400-500ºС. Механическая обработка снижает его прочность. Недостатки: гигроскопичен, растворяется в слабых кислотах. Используется для изготовления пластических масс как наполнитель, производства слоистых пластиков, изготовления дугогасительных камер, асбестовые ленты применяют для выравнивания электрического поля на частях обмотки. Почти все асбестовые материалы применяют в пропитанном виде. Асбоцемент - материал холодной прессовки, наполнитель - асбест, связующее - цемент, имеет удовлетворительные механические свойства, нагревостоек, дугостоек, применяется для производства щитов, камер и перегородок. Пропитанный асбоцемент обладает повышенными электрическими свойствами и меньшей гигроскопичностью. 63
