Слюда и материалы на ее основе

Слюда представляет собой природный кристаллический электроизоляционный материал, который легко расщепляется на тонкие пластинки по параллельным друг к другу плоскостям. Эти плоскости называются плоскостями спайности.

Слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью, прозрачностью (в тонких слоях много видов слюды), резко выраженной анизотропией (свойства слюды поперек и вдоль плоскости спайности существенно отличаются).

Слюда встречается в природе в виде кристаллов, включенных в горные породы, и составляет 3,8% массы земной коры. Однако, богатые промышленные месторождения, где добывают слюду высокой чистоты в виде крупных кристаллов, немногочисленны. Промышленностью выпускаются пластинки слюды с площадью прямоугольника от 0,5 до 50 . Группа слюды устанавливается в зависимости от толщины пластинок, а сорт зависит от состояния поверхности пластинки и площади различных включений. Например, слюда первого сорта имеет ровную поверхность и включений не более 10%, а слюда третьего сорта – слегка волнистую поверхность и примесей до 50%. Такая слюда называется щипаной.

По химическому составу слюда является водным алюмосиликатом щелочно-земельных металлов. Присутствующая в минерале вода является кристаллизационной водой, входящей в состав кристаллической решетки. Выделяясь при нагревании, кристаллизационная вода вызывает вспучивание слюды и увеличение ее толщины из-за расслаивания по плоскостям спайности. При этом слюда теряет свою прозрачность, резко снижаются ее электрические и механические свойства.

Известно более 30 разновидностей слюды, однако для диэлектрической изоляции применяют только мусковит и флогопит.

Лекция 6. Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и неполярными. Их электрофизические свойства в значительной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. Примеси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов. Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью 𝜺, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь ), электрической прочностью .

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость 𝜺 определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Например, у гексола𝜺=3, у этиленгликоля 𝜺=40.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

К жидким диэлектрикам относят:

1) Нефтяные электроизоляционные масла ( трансформаторное, кабельное, конденсаторное ). Нефтяные масла получают в процессе ступенчатой перегонки нефти и удаления из нефтяного дистиллята нестойких соединений (нафтеновых кислот, серы, смолы, кислорода, азота и др.).

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению.

При работе в малозаполненном электрическом аппарате вследствие окисления соответствующих фракций углеводородов масло постепенно стареет, становясь более темным. В нем образуется частично растворимые и нерастворимые загрязняющие продукты.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы), которые легко соединяются с кислородом, защищая углеводородные функции от окисления, замедляют старение масел и увеличивают его срок службы, ингибиторами являются ионол, пирамидон и др.;

ограничивают рабочую температуру (95°С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85°С – с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации, т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

2) Синтетические жидкие диэлектрики ( хлорированные углеводороды, кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости ). Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, если требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными. Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи. Применяются взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью. Севтол-10- негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя соволтрихлорбензолом. Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.

Кремний органические жидкости - это продукт син­теза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых оп­ределяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляцион­ных лент.

Фторорганические жидкости представляют собой произ­водные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фто­ром. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла ди­электрических потерь tg𝞭), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длитель­но работать при температуре 200°С и выше), высокой теплопро­водностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.

Фторорганические жидкости применяют для пропитки и залив­ки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.

Лекция 7. Газообразные диэлектрики

Газообразные диэлектрики должны быть химически инертны; при ионизации не должны образовывать особо активных веществ, способных разрушать твердые материалы или вызывать коррозию металлов.

Основными характеристиками газообразных диэлектриков являются электропроводность, пробой в однородном электрическом поле, пробой в неоднородном электрическом поле.

Электропроводность газов - связана с наличием в них некоторого числа ионов и электронов, которые образуются под влиянием внешних воздействий или в результате соударений заряженных частиц с молекулами газов.

Пробой газов в однородном электрическом поле. Однородное поле образуется между электродами одинаковой геометрической формы с большой площадью поверхности, когда их диаметр в 10 раз больше расстояния между ними.

Электрическая прочность газов по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками невелика. нарушение их изоляционных свойств связано с явлением ударной ионизации.

Пробой газа в неоднородном поле. Однородное поле образуется между электродами, если хотя бы один из них имеет малую площадь. В основном неоднородные электрические поля существуют в газоразрядных приборах, между контактами реле, между проводами линий электропередач.

В качестве газообразных диэлектриков применяют воздух, инертные и электроотрицательные газы.

Воздух - смесь, которая состоит из азота N₂ (78,03%), кислорода O₂ (20,93%), углекислого газа CO₂ (0,03%), инертных газов (He, Xe, Ar, Ne, Kr) (0,1%).

В ряде случаев воздух является основным изолирующим материалом, например в воздушных конденсаторах, на участках воздушных линий электропередачи воздух образует естественную изоляцию между голыми проводами. Чаще всего воздух является вспомогательным диэлектриком, окружающим детали и узлы. По причине своей распространенности он входит в состав многих устройств.

Азот N₂ - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он бесцветен также в жидком и твердом состоянии. Обладает одинаковой с воздухом электрической проницаемостью, но менее активен, чем воздух, который содержит кислород.

В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных конденсаторов постоянной емкости, для наполнения баллонов осветительных ламп). В микроэлектронике газообразный азот применяют в качестве защитной среды, а жидкий - для наполнения ловушек в вакуумных системах.

Элегаз (также Гексафторид серы или шестифтористая сера, SF6) —электротехнический газ, неорганическое вещество, при нормальных условиях тяжёлый газ, в 5 раз тяжелее воздуха. Элегаз является основным изолятором в элементах ячеек с элегазовой изоляцией. Элегаз не стареет, т. е. не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует, восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность.

Гелий Не - инертный газ, самый легкий из всех инертных газов. Применяется в системах глубокого охлаждения и устройствах дугогашения.

Аргон Ar₂ - бесцветный инертный газ, почти в два раза тяжелее воздуха. Применяется в газоразрядных приборах и осветительных лампах, в микроэлектронике в качестве защитного газа при микропайке и микросварке; при сборке и межоперационном хранении приборов в инертной среде; как газ-носитель при производстве полупроводниковых материалов.

Водород Н₂ - самый легкий газообразный химический элемент, бесцветный газ. Применяется в турбогенераторах.

Неон Ne - инертный газ без цвета и запаха. Применяется в разрядниках, лампах.

Фреон (Хладон-12) - бесцветный газ или жидкость без запаха. Применяется в электрических аппаратах.

Лекция 7, 8. Активные диэлектрики

Основным используемым явлением обычных (пассивных) ди­электриков является поляризация, индуцируемая (вынужденное относительное смещение противоположно заряженных частиц, входящих в состав атомов или молекул диэлектрика, под действием электрического поля) внешним элект­рическим полем.

Активные диэлектрики используют для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов.

К активным диэлектрикам относят сегнетодиэлектрики, пьезо­электрики, электреты, диэлектрики для оптической генерации, электрооптические материалы.

Сегнетодиэлектрики

Сегнетодиэлектриками называются материалы, которые обла­дают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определен­ном интервале температур.

Спонтанная поляризация - это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетодиэлектриков.

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектриками называют твердые, анизотропные кристалли­ческие вещества, обладающие пьезоэффектом.

Явление образования электрического заряда на поверхности соответствующих граней диэлектрика (поляризации) при его дефор­мации под действием механических напряжений называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Электреты

Электретами называются диэлектрики, которые длительное вре­мя создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

В зависимости от способа формирования заряда различают:

1)Электроэлектреты получают воздействием на диэлектрик только электрического поля при комнатной температуре. Свобод­ные носители зарядов (ионы и электроны), ускоренные электричес­ким полем, бомбардируют поверхность диэлектрика в промежутке между диэлектриком и электродом (рис. 5.10, а) и создают тем са­мым заряженный поверхностный слой.

2)Термоэлектреты получают при охлаждении нагретого или расплавленного диэлектрика в сильном электрическом поле. Пос­ле охлаждения подвижность полярных молекул или свободных за­рядов резко уменьшается и диэлектрик может сохранять остаточ­ную поляризацию длительное время (рис. 5.10, б)

3) Фотоэлектреты получают при совместном действии элек­трического поля и световой энергии на материалы, обладающие фо­топроводностью. После прекращения воздействия световой энер­гии носители разноименных зарядов оказываются «замороженны­ми» у противоположных сторон диэлектрика, который превраща­ется в электрет (рис. 5.10, в).

При условии хранения в темноте фотоэлектрики могут удержи­вать заряды от нескольких суток до нескольких месяцев.

4) Радиоэлектреты получают при воздействии на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). В ре­зультате ударной ионизации поверхностного слоя или внедрения в поверхностный слой диэлектрика ускоренных заряженных частиц на поверхности диэлектрика образуется заряженный слой (рис. 5.10, г).

5) Трибоэлектреты получают при трении двух диэлектриков. При плотном контакте двух диэлектриков электроны диэлектрика с меньшей работой выхода переходят в диэлектрик с большей ра­ботой выхода (рис. 5.10, d).

С течением времени заряд электрета изменяется, что связано с разрушением остаточной поляризации. Время, в течение которого значение стабилизированного заряда уменьшается в 2,72 раза, на­зывают временем жизни электрета. Оно может равняться десят­кам лет, а для хороших электретов - сотням лет.

В качестве электретов могут использоваться органические и не­органические материалы. Электреты из органических материалов условно делят на элект­реты, полученные из природных материалов, и электреты из синте­тических материалов.