Механические и физико-химические свойства диэлектриков

В процессе эксплуатации диэлектрик испытывает нагрузки не только электрические, но также тепловые (очень высокие или очень низкие температуры) и механические (статические или динамические), ему приходится работать в условиях повышенной влажности, в химически агрессивной среде. Поэтому при выборе материала необходимо учитывать весь комплекс воздействующих на него нагрузок.

1.8.1. Механические свойства диэлектриков

Большое практическое значение для диэлектриков, несущих статические механические нагрузки, имеет прочность – способность материала, не разрушаясь, оказывать сопротивление внешним силам. Это свойство материала характеризуют значениями предела прочности при растяжении (), сжатии () и изгибе (), которые чаще всего выражают в кгс/см² или в единицах СИ – в Па; 1 кгс/см²≈0,1 МПа:

                                     ;                                                  

                                     ;                                                  

                               .                                            

где , ,  – наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца при статическом растяжении, сжатии и изгибе соответственно; ‑ площадь поперечного сечения бруска до испытания; l – длина бруска между опорами; b – ширина; h – высота бруска.

При измерении  можно одновременно определить значение относительного удлинения () материала перед разрывом, являющееся важной технической характеристикой.

У металлов значения , ,  одного порядка, поэтому их механическую прочность обычно характеризуют только пределом прочности на разрыв и обозначают .

У многих диэлектриков (неорганические стекла, керамика, пластмассы)  намного больше, чем  и  (например, у кварцевого стекла ≈2·10³ МПа, а ≈50 МПа), поэтому их механическую прочность (в зависимости от вида приложенной нагрузки) оценивают значениями σ_р, σ_с, σ_и. Для материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых) значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Механическая прочность диэлектриков зависит от температуры и с ее ростом, как правило, уменьшается.

Ряд диэлектриков обладает пластичностью – способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил.

Некоторые материалы (например, ПТФЭ) способны деформироваться при длительном воздействии небольшой механической нагрузки. Это явление называется хладотечением. С повышением температуры хладотечение возрастает.

Для ряда диэлектриков важными характеристиками являются твердость и эластичность. Твердость – это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого тела. Эластичность (упругость) – это свойство материала проявлять упругую (обратимую) деформацию без разрушения под воздействием небольших усилий. Эластичность – свойство, обратное пластичности.

При динамических нагрузках материал характеризуется удельной ударной вязкостью (испытание на ударный изгиб) . Это свойство обратно хрупкости, поэтому  фактически указывает на степень хрупкости материала. Величину  на практике измеряют в кгс·см/см² или единицах СИ – в Дж/м².

Важной механической характеристикой жидких диэлектриков (электроизоляционных масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов) является вязкость. Различают вязкость динамическую, и кинематическую. Динамическая вязкость η – это коэффициент внутреннего трения жидкости. Кинематическая вязкость ν равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости.

Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением снижается.

1.8.2. Влажностные свойства диэлектриков

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропускать ее через себя, т.е. они в определенной мере гигроскопичнывлагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количество водяных паров, содержание которых можно оценить по абсолютной влажности – по массе водяных паров , находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности ψ _в.

На практике содержание водяных паров в воздухе, т.е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью ψ _в, так как экспериментально определить ее проще, чем абсолютную влажность. Относительную влажность воздуха ψ _в измеряют с помощью специальных приборов, гигрометров, психрометров и т.п. Абсолютная и относительная влажности зависят от температуры: с увеличением температуры возрастают (табл. 1.2).

Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой включений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Таблица 1.2

Абсолютная влажность воздуха при насыщении m_н для различных значений температуры Т

T,˚С	mн, г/м³	T,˚С	mн, г/м³
-10	2,15	50	89,5
0	4,86	60	131,3
10	9,4	70	200,0
20	17,3	80	295,0
30	28,9	90	425,0
40	50,6	100	600

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки) имеет влагопроницаемость материалов. Вдагопроницаемостъ характеризует способность материала пропускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепроницаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

                           ,                                        

где  – количество влаги, кг, проходящее за время t,с, сквозь участок поверхности образца материала площадью S,м², и толщиной h,м, под действием разности давлений Р ₁ и Р ₂, Па, с двух сторон слоя. Величина  является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время t.

1.8.3. Тепловые свойства диэлектриков

В процессе эксплуатации диэлектрические материалы подвергаются кратковременному или длительному воздействию повышенной температуры. Нередко происходит резкая смена температуры (термо-удары). При охлаждении электрические свойства материалов всегда улучшаются. Механические свойства ниже некоторого значения температуры, называемой температурой хрупкости Т_хр, ухудшаются; наступает хрупкое разрушение.

У полимеров Т_хр всегда ниже, чем T_с. Разность Т_с – Т_хр определяет температурный интерват вынужденной эластичности. Чем больше разность Т_с – Т_хр, тем шире температурный интервал эксплуатации полимера.

С повышением температуры электрические свойства диэлектрика всегда ухудшаются. Выше некоторой температуры начинают ухудшаться и механопрочностные свойства. Например, у многих органических диэлектриков при нагревании, начиная с некоторой температуры, возникает необратимая деформация. Эта температура и будет определять их нагревостойкость.

Нагревостойкостью материала называют его способность без недопустимого ухудшения эксплуатационно-технических характеристик выдерживать кратковременное и длительное воздействие высоких температур, а также термоудары. Нагревостойкость материала определяют также и такие его свойства, как стойкость к тепловому старению, искро- и дугостойкость, а у жидких диэлектриков – температуру вспышки и температуру воспламенения. Максимально допустимая температура, до которой может работать диэлектрик без ухудшения своих эксплуатационно-технических характеристик, и является его нагревостойкостью.

Возможность повышения рабочей температуры диэлектрика имеет важное практическое значение. Увеличивая нагревостойкость изоляции электрических машин и аппаратов, можно повышать мощность или же снижать габариты и массу. Однако при достаточно высокой температуре многие органические диэлектрики размягчаются, расплавляются. Поэтому их нагревостойкость определяется температурой появления необратимой деформации (т.е. размягчения). У неорганических диэлектриков при нагревании обычно наблюдается резкое ухудшение электрических свойств. Поэтому нагревостойкость неорганических диэлектриков определяется, как правило, по температуре начала резкого роста тангенса угла диэлектрических потерь или диэлектрической проницаемости.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при которой смесь ее образующихся паров с воздухом вспыхивает при поднесении к ней открытого пламени. Температура воспламенения – это еще более высокая температура, при которой загорается вся жидкость при поднесении открытого пламени.

Ухудшение свойств материала при длительном воздействии повышенной температуры за счет медленно протекающих химических процессов термоокислительной деструкции (разрушения) или структурирования («сшивания» молекул) называется тепловым старением изоляции.

В результате теплового старения у лаковых пленок, резины повышаются твердость, хрупкость, образуются трещины или, наоборот, они размягчаются, появляется липкость. Тепловое старение ускоряется под действием озона, окислов азота, ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, увеличения давления воздуха.

Для оценки стойкости электрической изоляции электротехнических изделий к воздействию температуры принят межгосударственный стандарт (ГОСТ 8865–93), которым введены классы нагревостойкости. Для каждого класса определена максимальная рабочая температура, до которой можно эксплуатировать электротехнические изделия длительно в нормальных эксплуатационных условиях.

Холодостойкость – способность материала работать без ухудшения эксплуатационно-технических характеристик при низких температурах, например от минус 60°С и ниже. Как указывалось выше при низких температурах электрические свойства улучшаются, ухудшаются механопрочностные характеристики При низких температурах жидкие диэлектрики загустевают, твердые становятся хрупкими, что вызывает затруднения при эксплуатации.

Теплопроводность материалов имеет важное практическое значение Энергия, выделяющаяся в виде тепла в проводниках и магнитопроводах электрических машин, трансформаторов и других аппаратов, должна, по сути, переходить в окружающую среду через слой изоляции. Поэтому температура нагрева проводников и магнитопроводов будет зависеть от теплопроводности электроизоляционного материала. С увеличением же температуры изоляции значения ее e и tgδ возрастают, а Е_пр снижается.

В ряде случаев диэлектрические материалы оцениваются температурным коэффициентом линейного расширения ТКЛР, измеряемым в К^–1

                          ,                                        

где l – длина испытуемого бруска.

Обычно материалы с малым значением ТКЛР имеют наиболее высокую нагревостойкость.

ТКЛР – важный параметр для узлов, работающих в режиме изменяющейся температуры, в которых контактируют или соединены различные материалы, например электрические вводы в электролампах, полупроводниковых приборах, конденсаторах, трансформаторах.

1.8.4. Химические свойства диэлектриков

Важной характеристикой диэлектрических материалов является их химическая, радиационная и световая стойкость, а для материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и температуры, – стойкость к плесени (тропикостойкость). При работе твердых диэлектриков в соприкосновении с жидкостями необходимо знать их взаимную растворимость и растворяемость.

При эксплуатации электроизоляционных материалов в местности загазованной химически агрессивными веществами, необходимо, чтобы эти материалы обладали достаточной химической стойкостью, не разрушались, а также не вызывали коррозию металлов, с которым они соприкасаются, например, трансформаторное масло с повышенным кислотным числом может вызывать коррозию металлических частей трансформатора.

Кислотное число характеризует содержание в масле свободных кислот; оно определяется количеством миллиграммов едкого калия КОН, которое необходимо для нейтрализации всех свободных кислот в одном грамме образца (мгКОН/1г).

Радиационная стойкость – это способность материалов работать, не ухудшая своих основных свойств в условиях интенсивного ионизирующего излучения (нейтронного и гамма-излучения) или после его воздействия. Обычно предельно допустимой дозой нейтронного и гамма-излучения считают такую, получив которую диэлектрический материал снижает хотя бы одну из своих основных электрических или механических характеристик на 25% и более. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади материала и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик.

Многие диэлектрики имеют высокую радиационную стойкость, выдерживая плотность облучения до 10²³ нейтрон/м², в то время как полупроводники заметно повреждаются при плотности в 10⁸ нейтрон/м². Из диэлектриков наибольшая радиационная стойкость отмечается у неорганических материалов: кварца, слюды, наименьшая – у органических полимеров.

Светостойкость – это стойкость электроизоляционных материалов к действию ультрафиолетовых лучей. Под действием светового облучения некоторые материалы (например, резины) утрачивают эластичность, необходимую механическую прочность, в них появляются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек.

Тропикостойкость характеризует работоспособность диэлектрических материалов в районах с тропическим климатом (ψ _в =100%, Т =30–40°С). При длительной работе электроустановок во влажном воздухе (ψ _в =98–100%) электрические характеристики многих органических материалов существенно ухудшаются.

В тропическом климате на органических диэлектриках может развиваться плесень, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению удельного поверхностного сопротивления, росту диэлектрических потерь, снижению электрической прочности, коррозии металлических частей. Наименее стойкие к образованию плесени – материалы на основе целлюлозы, в том числе пропитанной (гетинакс, текстолит). Наиболее стойкие – неорганические диэлектрики (стекла, керамика, слюда), кремнийорганические и некоторые органические материалы (эпоксидные смолы, политетрафторэтилен, полиэтилен, полистирол).

Немаловажной характеристикой является растворимость. Это свойство необходимо учитывать при подборе растворителей для лаков, пластификаторов для полимеров, а также для оценки стойкости твердого диэлектрического материала к действию различных жидкостей с которыми он может соприкасаться при изготовлении изоляции (например, при пропитке лаками) и в процессе эксплуатации (например, твердая изоляция маслонаполненных трансформаторов).

1.9. Контрольные вопросы к главе 1

1.1. Какие основные характеристики принимают во внимание при выборе материалов для электрооборудования?

1.2. На какие группы делятся материалы, используемые для изготовления любого электрооборудования?

1.3. Для каких целей применяются электротехнические материалы?

1.4. Какие элементы РЭА изготавливаются из электротехнических материалов?

1.5. Для чего используют конструкционные материалы?

1.6. Приведите примеры использования конструкционных материалов.

1.7. На какие классы делятся электротехнические материалы по своему поведению в электрическом поле?

1.8. Какие материалы относятся к магнитным?

1.9. Приведите основную способность диэлектрических материалов.

1.10. На какие подклассы подразделюятся диэлектрические материалы?

1.11. Для чего используют пассивные диэлектрики?

1.12. Для чего применяют активные диэлектрики?

1.13. Приведите характерную особенность полупроводниковых материалов.

1.14. На какие подклассы подразделяются полупроводниковые материалы?

1.15. Что такое материалы высокой проводимости?

1.16. Что представляют собой сверхпроводники?

1.17. Что такое криопроводники?

1.18. Какие электротехнические изделия изготавливают из контактных материалов?

1.19. Для каких изделий РЭА применяют магнитные материалы?

1.20. Какие материалы входят в группу конструкционных материалов?

1.21. Классифицируйте типы кристаллических структур в зависимости от типа частиц, находящихся в узлах решетки?

1.22. Что такое монокристалл?

1.23. Что такое текстурирование?

1.24. Какое состояние вещества называется аморфно-кристаллическим?

1.25. Какие материалы имеют атомное строение кристаллической решетки?

1.26. Какие материалы имеют металлическую структуру кристаллической решетки?

1.27. Какие материалы имеют ионное строение кристаллической решетки?

1.28. Какие материалы имеют молекулярное строение кристаллической решетки?

1.29. Что называется дефектом? Приведите примеры дефектов.

1.30. Какие виды дефектов существуют?

1.31. Приведите классификацию точечных дефектов.

1.32. Под действием каких факторов образуются вакансии?

1.33. Как называются линейные дефекты?

1.34. Приведите простейшие виды дислокаций.

1.35. Дайте определение термина «плотность дислокаций».

1.36. Что представляет собой поверхностный дефект?

1.37. Какие дефекты относятся к объемным?

1.38. Приведите качественные характеристики, присущие только полимерам.

1.39. Дайте определение термина «степень полимеризации полимера».

1.40. Как различают макромолекулы одного и того же полимера в зависимости от величины молекулярной массы?

1.41. Какими основными методами получают полимеры? Поясните каждый из них.

1.42. Как полимеры разделяют по строению макромолекул? Какие классы они образуют?

1.43. Что такое аморфные полимеры?

1.44. Какими свойствами обладают полимеры, находящиеся в различных состояниях?

1.45. Дайте определение термина «пластификация».

1.46. Как классифицируют пластификацию в зависимости от характера распределения молекул пластификатора в полимере и образовавшейся при этом структуры? Приведите описание различных типов.

1.47. Приведите зонные диаграммы металла, полупроводника и диэлектрика. Поясните отличия.

1.48. Что изучает зонная теория твердого тела?

1.49. На каком энергетическом уровне и орбитали находится отдельный свободный атом, находящийся в нормальном состоянии?

1.50. При каких условиях электроны атома переходят на следующий энергетический уровень?

1.51. Устойчиво ли состояние атома находящегося на высшем уровне?

1.52. Какую зону называют запрещенной?

1.53. Чем обусловлен электрический ток в твердом теле?

1.54. При каких условиях кристалл является проводником?

1.55. Какие влияющие факторы следует учитывать при эксплуатации диэлектриков?

1.56. Что такое пластичность диэлектриков?

1.57. Поясните явление хладотечения.

1.58. Дайте определение твердости диэлектрика.

1.59. Что такое удельная ударная вязкость?

1.60. Какая механическая характеристика присуща жидким диэлектрикам?

1.61. Как называют свойство диэлектриков поглощать влагу из окружающей среды?

1.62. Какими параметрами характеризуется влагопроницаемость?

1.63. Как определить коэффициент влагопроницаемости материала?

1.64. Почему с повышение температуры диэлектрические свойства материалов ухудшаются? Приведите примеры.

1.65. Что называют нагревостойкостью материалов?

1.66. Что называется температурой вспышки?

1.67. Какими внешними факторами интенсифицируется тепловое старение лаковых пленок?

1.68. Дайте определение холодостойкости.

1.69. Что понимают под теплопроводностью материалов?

1.70. Что такое ТКЛР?

1.71. Приведите наиболее важные характеристики диэлектрических материалов.

1.72. Что необходимо для эксплуатации электроизоляционных материалов в местности, загазованной химически агрессивными веществами?

1.73. Что характеризует кислотное число?

1.74. Дайте определение радиационной стойкости.

1.75. Что такое светостойкость?

1.76. Приведите материалы, стойкие в образованию плесени.

1.77. Дайте определение растворимости.