Слюда и материалы на ее основе

Слюда – это природный кристаллический минерал с хорошими электрическими свойствами и высокой нагревостойкостью. Ее характерной особенностью является слоистая структура и анизотропия свойств. Кристаллиты слюды легко расщепляются по плоскостям спайности на пластинки толщиной 0,5–5 мкм и более.

Известно несколько десятков разновидностей слюды. Все они по химическому составу являются водными алюмосиликатами. В электроизоляционной технике применяют два вида слюды: мусковит, состав которого приблизительно выражен формулой – K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O, и флогопит - К₂О·6MgO·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O. Фактически состав слюд может существенно изменяться; в них могут входить и другие окислы (Fe₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃, MnO, CaO, Na₂O).

Слюда мусковит бывает бесцветной или имеет красноватый, бурый, зеленый или другие оттенки. Флогопит чаще имеет более темную окраску: янтарную, золотистую, коричневую до почти черной. Слюда электротехнического назначения не должна содержать пятен (загрязнений) и воздушных включений. Мусковиты по электрическим свойствам лучше, чем флогопиты (табл. 4.4), у них более высокие механическая прочность, твердость, гибкость и упругость. Однако у флогопитов более высокая нагревостойкость и, что очень важно для изоляции коллекторных пластин электромашин, практически одинаковая с медью истираемость.

Таблица 4.4

Электрические свойства слюды

Вид слюды	ρ при температуре 20°С, Ом·м	ε при частоте 1 МГц и температуре 20°С	tgδ·10^4при частоте			Епр при толщине 0,025–0,05 мм, кВ/мм
			50 Гц	1 кГц	1 МГц
Мусковит	10^12–10^14	6,1–8,4	4–80	2–10	1–6	100–250
Флогопит	10^11–10^12	5–7	6–150	3–60	2–40	70–150
Фторфлогопит	10^12–10^14	6,1–7,5	–	–	3	100–400

При нагревании кристаллизационная вода начинает выделяться у мусковита при температуре 500–600°С, у флогопита при 800–900°С. Слюда при этом вспучивается в результате расслаивания, теряет прозрачность, электрические и механические свойства резко ухудшаются.

При температуре 1260–1330°С слюда плавится. У некоторых видов флогопита с повышенным содержанием кристаллизационной воды электрические и механические свойства ниже и заметно ухудшаются при нагреве до температуры 150–250°С.

Слюдяную руду очищают от посторонних примесей, вручную расщепляют на отдельные пластинки, у которых обрезают дефектные края, и получают так называемую щепаную слюду. Щепаную слюду применяют для производства миканитов, а из лучших сортов мусковита готовят конденсаторную слюду. Конденсаторную слюду используют для изготовления слюдяных конденсаторов постоянной емкости типов: КСО (конденсатор слюдяной опрессованый), КГС (конденсатор герметизированный слюдяной), СГМ (слюдяной герметизированный малогабаритный). В настоящее время в производстве конденсаторов вместо слюды широко используют синтетические полимеры (полистирол, политетрафторэтилен).

Кроме слюды природной, в электроизоляционной технике получила распространение слюда синтетическая – фторфлогопит, отличающаяся от флогопита тем, что в ее кристаллической решетке гидроксильные группы ОН^– замещены ионами фтора F^–. Фторфлогопиты имеют более высокую нагревостойкость (до 1000°С), обладают более высокими электрическими свойствами (см. табл. 4.4), химически более устойчивы.

Микалексы представляют собой прессованную массу, в которой связующим являются легкоплавкие стекла (борно–свинцовые или борно–баритовые), а наполнителем – порошкообразный мусковит. Прессование производится при температуре размягчения стекла около 600°С и давлении 50–70 МПа, при этом стекло химически взаимодействует с поверхностью слюды. Электрические свойства микалексов: e=6–8,5; ρ=10¹⁰–10¹¹ Ом·м; tgδ=(3–10)·10^–3 при 1 МГц; Е_пр =10–20 кВ/мм.

Выпускают микалексы в виде листов или стержней разного сечения, из которых методом механической обработки (точения, фрезерования, сверления) изготавливают детали нужных форм и размеров. Применяют микалексы для изготовления держателей мощных радиоламп, каркасов катушек индуктивности, плат переключателей, панелей воздушных конденсаторов.

При использовании в качестве наполнителя синтетической слюды образуется материал под названием новомикалекс. Его электрические свойства: ε=7,5–8; ρ=10¹⁰ – 10¹²Ом·м; tgδ=(8–15)·10^–4 при 1 МГц; Е_пр= 30 кВ/мм.

Миканиты представляют собой композиционный материал листового или рулонного строения, полученный путем склеивания отдельных пластинок щепаной слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани. Подложка наклеивается с одной или обеих сторон, увеличивая прочность материала на разрыв и затрудняя отслаивание пластинок слюды при изгибе материала.

Классифицируют миканиты с помощью двух или трех букв и цифры. Первая буква обозначает тип миканита: К–коллекторный, П–прокладочный, Ф–формовочный, М–микафолий, Г–гибкий, Л–микалента. Вторая буква характеризует вид слюды: М–мусковит, Ф–флогопит, С–смесь мусковита и флогопита. Третья и дальнейшие буквы и цифры указывают на вид клеящего вещества и дополнительные характеристики материала.

Миканиты К и П являются твердым материалом, из которых изготавливают изоляционные прокладки, не подвергающиеся изгибу. При ударе они издают характерный звенящий звук.

Коллекторный миканит (К) изготавливают из слюды флогопит, как более легко истирающийся. В качестве связующего используют шеллак, глифталиевую или другую смолы в минимальном количестве – до 4%. Миканит К имеет хорошие механические свойства и малую усадку. Применяют в качестве изоляции медных коллекторных пластин (междупластинная изоляция) электрических машин.

Прокладочный миканит (П) производят из слюды мусковит, флогопит и их смеси. В качестве связующего используют шеллак, глифталевую или кремнийорганическую смолы. Содержание слюды в миканите П составляет 80–97%; применяют для изготовления различных электроизоляционных прокладок, шайб.

Формовочный миканит (Ф) изготавливают в виде листов толщиной от 0,1 до 0,5 мм с содержанием слюды 80–95%, остальное связующее – шеллак, глифталевая или кремнийорганическая смолы. При нормальной температуре миканит Ф тверд, однако при нагревании размягчается и становится способным принимать заданную форму, которая при охлаждении сохраняется. Применяют для изготовления коллекторных манжет (изоляция коллектора от вала в электромашинах), каркасов катушек, фланцев, трубок и других фасонных изделий.

Микафолий (М) – разновидность формовочного миканита; изготавливают его из флогопита или мусковита. В качестве связующего используют глифталевый, шеллачный, полиэфирный или кремнийорганический лаки. Содержание слюды в нем не менее 45–50%. Имеет с одной стороны подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Выпускается в листах или рулонах толщиной от 0,15 до 0,30 мм. У микафолия из флогопита Е_пр ≥13 кВ/мм, а из мусковита Е_пр ≥15–16 кВ/мм. Применяют для изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напряжения, где требуются большие усилия при намотке.

Гибкий миканит (Г) получают на основе мусковита или флогопита в виде листов толщиной от 0,15 до 0,50 мм. В качестве связующего применяют масляно-битумные, масляно-глифталевые или кремнийорганические лаки. Содержание слюды (без подложек) составляет 75–90%. Выпускают также гибкие миканиты на подложке, т.е. оклеенные с обеих сторон бумагой; содержание слюды в них – не менее 50%. Эти миканиты обладают гибкостью и применяются в качестве изоляции обмоток секций, гибких прокладок, пазовой изоляции электрических машин и аппаратов.

Микалента (Л) – разновидность гибкого миканита. Получают из крупных пластин слюды, склеенных в один слой с перекрытием примерно на одну треть. Имеет с одной или с обеих сторон подложки из бумаги, стеклоткани или стеклосетки. Микалента выпускается толщиной 0,10; 0,12; 0,15 и 0,17 мм и шириной от 10 до 35 мм. Является одним из основных видов изоляции электрических машин высокого напряжения. Хранят в закрытой металлической таре, заполненной насыщенным паром соответствующего лакового растворителя. При пересыхании микаленту необходимо выдержать в парах лакового растворителя.

Нагревостойкие миканиты производят на основе природной и синтетической смолы. В качестве связующего используют неорганические вещества – фосфорнокислый аммоний (аммофос), алюмофосфаты. Этот вид миканитов выпускают в листах толщиной от 0,2 до 1,0 мм, нагревостойкостью в несколько сот градусов (до 850°С).

Слюдиниты (за рубежом – самика) и слюдоспласты получают с помощью бумагоделательных машин, отсюда и другое название – слюдяные бумаги. В отличие от миканитов их производство максимально механизировано и практически исключает ручной труд. Получают слюдиниты и слюдопласты из измельченной специальным способом очищенной исходной (нещепаной) слюды мусковит или флогопит, или их отходов. При измельчении слюды образуются пластинки (чешуйки) толщиной до 1 мкм, длиной и шириной порядка десятых долей миллиметра. Из массы измельченной слюды и воды с помощью бумагоделательной машины получают слюдинитовую бумагу толщиной от 10 до 150 мкм для производства слюдинитов или толщиной от 40 до 200 мкм – для слюдопластов. Полученный материал пропитывают связующим веществом на основе эпоксидной, кремнийорганической или другой смол. Слюдиниты используют и в сухом виде, т.е. без пропитки электроизоляционными лаками в качестве связующего. Такие слюдиниты легко разрушаются при соприкосновении с водой и имеют невысокую электрическую прочность (Е_пр =15–20 кВ/мм). В ряде случаев полученную слюдинитовую бумагу отпрессовывают. К слюдинитам и слюдопластам с одной или обеих сторон наклеивают подложку из бумаги, стеклоткани или стеклосетки, получая коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий слюдинит или слюдопласт, в том числе слюдинитофолий и слюдопластовые ленты. Слюдопласты, как правило, имеют более высокую механическую прочность и большую короностойкость, чем слюдиниты.