«Электротехническое материаловедение»
Ставропольский государственный аграрный университет
Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛЕКЦИИ
«ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
для студентов специальностей:
140400.62 – «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА»
ТЕМА № 4 Электроизоляционные материалы
ЛЕКЦИЯ № 9 Пассивные и активные диэлектрики
Ставрополь 201_г.
Учебные и воспитательные цели:
- ЗНАТЬ основные сведения о строении и свойствах полимеров;
- ЗНАТЬ свойства неорганических стекол и ситаллов;
- ЗНАТЬ классификацию и свойства керамических материалов;
- ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ об электроизоляционных компаундах;
- ВОСПИТЫВАТЬ у студентов чувство бережливости к используемым в оборудовании электроизоляционным материалам.
ВРЕМЯ: 90 мин.
Учебно-методическое обеспечение
Комплект учебной литературы по дисциплине.
Плакаты и стенды по теме № 4.
Распределение времени лекции
Учебные вопросы лекции
Введение 5 мин
1. Классификация диэлектрических материалов 15мин
2. Строение и свойства полимеров 25 мин
3. Пластмассы, пластики и ситаллы 20 мин
4. Керамические материалы 20мин
Заключение 5 мин
Содержание лекции
1 Классификация диэлектрических материалов
В электроустановках применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в электрооборудовании и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики).
Электроизоляционные материалы используют для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электроустановок и отделяет друг от друга элементы оборудования или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Применение диэлектриков в конденсаторах электроустановок позволяет получать требуемые значения емкости. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.
Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (например, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционного материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость ε и большое удельное сопротивление ρ, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную диэлектрическую проницаемость ε и малое значение параметра tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электрической схеме электроустановки.
Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний. На рисунке 7.1 показаны пассивные и активные диэлектрики. Управляемые материалы подразделены по принципу управления.
Классификация материалов осуществлена на основе особенностей строения их в тех состояниях, в которых их применяют на практике, а следовательно, на основе особенностей их свойств. К таким особенностям относятся: инертная высокополимерная структура пластичных в технологии материалов - пластмасс, высокоэластичное состояние других полимерных материалов - эластомеров (каучуков), волокнистое строение, монокристалличность, поликристалличность, стеклообразное состояние или многофазность. Из-за разнообразия применяемых на практике диэлектриков, различия их свойств и некоторых исторически сложившихся традиций подразделения материалов такую классификацию не всегда удается строго выдерживать.
2 Строение и свойства полимеров
Реакции образования полимеров. Подавляющее большинство органических материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, относится к группе полимеров. Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев - мономеров.
Реакцию образования полимера из мономеров называют полимеризацией. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. Полимеризация соединений с двойными связями, как правило, протекает по цепному механизму.
Рассмотрим полимеризацию этилена (СН2 = СН2), который в нормальных условиях находится в газообразном состоянии. Структурную формулу полиэтилена можно записать в виде:
где п - степень полимеризации, т. е. число молекул мономера, объединяющихся в молекулу полимера. По мере увеличения степени п полиэтилен становится все более вязкой жидкостью, а при п = 1250 и молекулярной массе 35000 он представляет собой твердый диэлектрик.
В реальных условиях полимерные материалы - это смеси веществ с различной степенью полимеризации. Степень полимеризации во многом определяет возможности применения полимеров (лаки, пластмассы, пленки, волокна, стекла).
Помимо реакции полимеризации могут быть более сложные случаи образования высокомолекулярного соединения. Такова, например, поликонденсация - реакция, связанная с перегруппировкой атомов полимеров и выделением из сферы реакции воды или других низкомолекулярных веществ. Путем поликонденсации получают, например, феноло-формальдегидные и полиэфирные смолы. К числу веществ, получаемых по реакции полимеризации, кроме полиэтилена относятся полистирол, поливинилхлорид, полиизобутилен, полиметилметакрилат и др.
Линейные и пространственные полимеры. В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры делят на два основных типа - линейные и пространственные. Между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются существенные различия.
Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них при умеренном повышении температуры легко размягчается и расплавляется. Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, расплавление их происходит при высоких температурах, а многие из них до достижения температуры плавления разрушаются химически (сгорают, обугливаются).
В связи с этими свойствами линейные полимеры в практике называют термопластичными материалами, а пространственные - термореактивными.
Благодаря слабому межмолекулярному взаимодействию линейные полимеры обладают способностью набухать и растворяться в подходящих по составу растворителях с образованием вязких растворов, из которых затем получают прочные пленки и волокна. Пространственные полимеры с трудом поддаются растворению, а значительная часть из них нерастворима. Типичными пространственными полимерами являются феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, сильно вулканизированный каучук (эбонит).
Гибкость и химическая связь. Высокая гибкость линейных полимеров определяется двумя одинаково важными факторами - размером макромолекул и природой химической связи между атомами. Например, в полиэтилене, как и в других насыщенных углеводородах, каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи, направленные к углам правильного тетраэдра.
Тепловые толчки не в состоянии вызвать движение всей макромолекулы в структуре полимера. Однако благодаря гибкости молекулярных цепей в тепловом движении могут участвовать отдельные участки макромолекулы, называемые сегментами. Чем меньше размер сегментов, способных к самостоятельному перемещению, тем больше гибкость макромолекулы. У линейных полимеров сегменты обычно состоят из нескольких десятков звеньев.
Структурные формы и физические состояния полимеров. Макромолекулы могут быть регулярными и нерегулярными. Полимер построен регулярно, если соблюдается совершенный дальний порядок расположения звеньев по цепи. За счет сил межмолекулярного взаимодействия несколько соседних макромолекул могут организоваться в пачки (пучки параллельных молекул). Полимеры с гибкими макромолекулами регулярного строения обладают способностью образовывать кристаллическую фазу, которая характеризуется упорядоченным расположением молекул. Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трехмерного дальнего порядка в расположении макромолекул.
Состав полимерных цепей. По химическому составу полимеры можно разделить на органические и элементоорганические. К органическим полимерам относят такие высокомолекулярные соединения, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором.
Электрические свойства. Строение макромолекул во многом определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи углерода с другими элементами в той или иной степени полярны из-за различия электроотрицательностей атомов, участвующих в связи. Суммарный дипольный момент молекулы определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Если молекула имеет симметричное строение, то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешивать друг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равен нулю.
Вещества с несимметрично построенными звеньями полимерных молекул являются дипольными и обычно обладают известной гигроскопичностью, невысокими или средними электрическими характеристиками. Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными молекулами неполярные или слабополярные. Гигроскопичность их ничтожно мала и поэтому высокомолекулярные углеводороды имеют малое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость.
Нагревостойкость. Большинство органических полимеров может длительно работать при температурах ниже 100°С. Выше этой температуры, как правило, происходит быстрое тепловое старение материала. Поэтому основной проблемой всегда было создание нагревостойких материалов при сохранении у них гибкости и эластичности. Такими материалами являются фторсодержащие полимеры, кремнийорганические соединения, полиимиды.
Линейные полимеры
Неполярные материалы. К ним относятся такие полимеры, у которых мономерные звенья макромолекул не обладают дипольным моментом. Из материалов этой группы наиболее важное техническое значение имеют полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (таблица 7.1).
Полиэтилен, является продуктом полимеризации этилена в присутствии катализаторов. При полимеризации получают полиэтилены высокого, среднего и низкого давления, отличающиеся друг от друга степенью кристалличности и механической прочностью. Так, если предел прочности при растяжении первого равен в среднем 14МПа, то второго и третьего приблизительно 30МПа, относительные удлинения при разрыве соответственно 600 и 400%. Полиэтилен обладает сравнительно большой эластичностью. Его отличает высокая стойкость к действию кислот и щелочей.
Полистирол получают из мономера стирола.
Материал представляет собой легкую бесцветную синтетическую жидкость с характерным запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную и бесцветную, как стекло, массу. Для полистирола среднее значение степени полимеризации п может доходить до 6000. С целью предотвращения нежелательной самопроизвольной полимеризации стирола во время хранения к нему добавляют специальные вещества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества получили название ингибиторов.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Макромолекула ПТФЭ имеет регулярное симметричное строение.
Диэлектрик выделяется высокой нагревостойкостью (около 300°С) и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Материал не горит, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.
Как видно из таблицы 7.1, все неполярные полимеры характеризуются небольшой диэлектрической проницаемостью, малыми диэлектрическими потерями, высокой электрической прочностью и высоким удельным сопротивлением. Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией. Поэтому значение параметра ε не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением температуры.
Диэлектрические потери в неполярных полимерах очень чувствительны к полярным примесям. Тщательной очисткой материала удается снизить релаксационные потери.
Полярные полимеры. У линейных полимеров из-за асимметрии строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами. Материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамидные смолы.
Поливинилхлорид (ПВХ) - твердый продукт полимеризации газообразного винилхлорида Н2С = СН - Cl представляющего собой этилен, в молекуле которого один атом Н замещен атомом Cl. Название винилхлорид происходит от слова «винил» для группы атомов Н2С = СН - Cl представляющий собой этилен, молекуле которого один атом H замещен атомом Cl. Поливинилхлорид имеет состав (С2Н3Cl).
Благодаря сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы. Введение полярного пластификатора ухудшает электрические свойства полимера.
Полиэтилентерефталат (лавсан) - это термопластичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Материал обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размягчения. Это - дипольный диэлектрик. Свойства лавсана характеризует рисунок 7.6.
Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок. При повышенных температурах диэлектрик быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала производят в атмосфере нейтрального газа (азота).
Полярные полимеры по сравнению с неполярными, характеризуются примерно на два порядка большим значением параметра tgδ и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением ρ. Поэтому полярные полимеры используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот. Следствием полярности является сильная зависимость удельного поверхностного сопротивления от влажности окружающей среды.
Из лавсана можно получать тонкие пленки для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделий, рассчитанных на рабочую температуру - 60 - +150°С. Пленки из лавсана с наиболее высокой механической прочностью имеют толщину около 6,5мкм. Конденсаторы из таких пленок обладают большей рабочей температурой до 150°С.
3 Пластмассы, пластики и ситаллы
Композиционные порошковые пластмассы предназначены для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением. Состоят из связующего вещества (искусственные смолы - пространственные или линейные полимеры) и наполнителей (древесная мука, кварцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно). Кроме того, в массу добавляют красители и для получения наилучших технологических свойств - пластификаторы.
Наполнитель удешевляет пластмассу и в то же время улучшает механические характеристики изделия. В ряде случаев при введении наполнителя, например, кварцевой муки, наблюдается улучшение электрических свойств диэлектриков. При массовом производстве изделий одинаковой формы и размеров применение пластических масс обеспечивает высокую производительность труда.
В качестве связующего вещества используют феноло-формальдегидные, крезолоформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы. На основе этих смол промышленность выпускает более 60 марок порошков, обладающих различными свойствами, для производства электротехнических изделий.
Феноло - формальдегидные смолы благодаря наличию в их молекулах гидроксильных групп - ОН, полярны.
Крезолоформальдегидные смолы (СН3 – С6Н4 - ОН) имеют менее выраженные полярные свойства по сравнению с фенольными.
Использование кремнийорганических смол позволяет получить пластмассы с нагревостойкостью более 300°С.
В электротехнике в качестве электроизоляционных и чисто конструкционных материалов используют композиционные пластмассы. Из них изготавливают корпуса различного электрооборудования, радиоприемников, телевизоров, измерительных приборов, клеммные щитки, головки кнопок, рукоятки, штепсельные разъемы. Изготовление таких изделий обычной механической обработкой было бы весьма трудоемко, прессование же из пластмассы позволяет получить их за одну технологическую операцию.
Слоистые пластики. Разновидностью композиционных пластмасс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит.
Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой или другими смолами этого же типа.
Слоистое строение гетинакса приводит к анизотропии свойств. Так, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50 – 10раз ниже, чем поперек; электрическая прочность вдоль слоев в 5 - 8раз ниже, чем поперек. Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами. Его электрическая прочность мала и составляет около 30МВ/м.
Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей автоматики электроустановок используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной или с двух сторон электрической красно - медной фольгой толщиной 0,,05мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путем избирательного травления.
Ситаллы - это стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Диэлектрики занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считается процесс местной кристаллизации – расстекловывание. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой. Механическая прочность их мало меняется при нагревании до температуры °С. Типичные зависимости параметров ε и tgδ от частоты для ситаллов показаны на рисунке 7.11.
Диэлектрические потери в ситаллах во многом определяются свойствами остаточной стекловидной фазы. По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко используют в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов.
Достоинством ситалловых конденсаторов являются повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
4 Керамические материалы
Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.
Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.
Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделять на электротехнические (установочные) и конденсаторные.
Электротехническая керамика. Этот материал, получают в результате обжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. При соответствующем выборе состава керамики из нее можно получить диэлектрики, обладающие разнообразными свойствами. В электротехнической промышленности керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, хорошие электрические характеристики. У диэлектриков отсутствуют механические деформации при длительном приложении нагрузки, они имеют большую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.
Электротехнический фарфор. Диэлектрик является основным керамическим материалом, используемым для производства низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150кВ переменного и до 1500кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Свойства диэлектрика определяются химическим и фазовым составами, структурой и технологией изготовления.
Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения - глинистые вещества (каолин и глина, кварц, гипс).
Изделия из фарфоровой массы получают обточкой, прессовкой, отливкой в гипсовые формы, выдавливанием через отверстие нужной конфигурации. После оформления изделия производится сушка полуфабриката для удаления воды, вводимой в массу для придания ей пластичности. Следующая операция - глазурование фарфоровых изоляторов - выполняется для предохранения от загрязнения и создания поверхности, легко очищаемой в условиях эксплуатации. При обжиге глазурное покрытие плавится и покрывает поверхность изолятора тонким стекловидным слоем. Глазурь увеличивает механическую прочность, «заглаживая» трещины и другие дефекты, уменьшает ток утечки по поверхности изоляторов и повышает их напряжение перекрытия.
Наличие стекловидной фазы определяет довольно высокую механическую прочность фарфора. Фарфор имеет высокий предел прочности на сжатие (400...700МПа), значительно меньший предел прочности при растяжении (45...70МПа) и изгибе (80МПа). Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре позволяют использовать его при низких частотах. Угол диэлектрических потерь электротехнического фарфора быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.
Стеатитовая керамика - изготовляется на основе тальковых минералов. Стеатитовые материалы характеризуются высокими значениями удельного сопротивления, в том числе при высокой температуре, малым углом диэлектрических потерь за исключением материала, предназначенного для производства крупных высоковольтных изоляторов. Стеатитовая керамика характеризуется высокими механическими свойствами, стабильностью параметров при воздействии различных внешних факторов (влаги, температуры, высокого напряжения и др.). Благодаря высоким электромеханическим свойствам стеатит применяют для изготовления высоковольтных и низковольтных конденсаторов, высоковольтных изоляторов электроустановок.
Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида бария, что позволило снизить диэлектрические потери и проводимость стекловидной фазы.
Ультрафарфор является усовершенствованным радиофарфором. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и теплопроводность.
Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из оксида алюминия (глинозема). Этот материал требует высокой температуры обжига (до 1750°С), затрудняющей его изготовление. Диэлектрик отличается хорошими характеристиками: нагревостойкостью до температуры 1600°С, высоким удельным сопротивлением и малым параметром tgδ при повышенных температурах, чрезвычайно высокой теплопроводностью и механической прочностью.
Конденсаторная керамика имеет высокую диэлектрическую проницаемость. К конденсаторной керамике предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.
Основу низкочастотной керамики составляют титанат бария и твердые растворы на его основе. Эти материалы отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости и ее нелинейной зависимостью от напряженности электрического поля.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Привалов материалы. Часть I. Проводники. - Ставрополь: СтГАУ, 2008. – 30с.
2. Привалов материалы. Часть ІI. Полупроводники: Учебное пособие. - Ставрополь: Изд-во «Фабула», 2009. – 36с.
3. Привалов материалы. Часть III. Свойства диэлектриков: Учебное пособие. - Ставрополь: Изд-во «Фабула», 2010. – 45с.
4. Привалов материалы. Часть IV. Диэлектрики: Учебное пособие. - Ставрополь: Изд-во «Фабула», 2011. – 54с.
5. , Материалы электронной техники: Учебник.- СПб.: Изд-во «Лань», 2003. – 308с.
6. Электротехнические и конструкционные материалы / , , и др. Под ред. . – М.: Высшая школа, 2000. – 280с.
7. Конструкционные и электротехнические материалы / , , и др. Под ред. . – М.: Высшая школа, 1990. – 296с.
8. Справочник по электротехническим материалам / , , . – М.: 1, 1986. – 308с. Т.2 , 1987. – 296с.
Методические указания составил
доцент кафедры электроснабжения ___________________
Учебно-методический комплекс «Электробезопасность» рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования».
Протокол №_____ от_______ _______ ______2010г.___
(число) (месяц) (год)
