Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 20 )

Пленки из полиамидных смол имеют предел прочности при растяжении до 150 МПа, относительное удлинение перед разрывом от 150 до 400%.

Поликарбонатные пленки (макрофоль) имеют плотность 1,2 Mкг/м3, предел прочности при растяжении от 100 до 200 МПа и относительное удлинение перед разрывом от 30 до 100%.

К наиболее нагревостойким органическим пленкам помимо поли-тетрафторэтиленовых принадлежат полиимидные пленки (каптон). Их рабочая температура от 200 до 240°С, плотность 1,42 Mкг/м3. Перспективны двухслойные пленки - из полиимида и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом.

Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола, политетрафторэтилена. Электроизоляционные пленки из полистирола (стирофлекс) изготовляются механически ориентированными без введения пластификаторов, которые заметно ухудшили бы высокие электроизоляционные свойства полистирола. Эти пленки малонагревостойки.

Различные виды синтетических пленок применяются для изготовления конденсаторов, причём неполярные пленки (в частности полистирольная) обеспечивают высокое сопротивление изоляции, конденсатора, малые токи абсорбции (что важно для ряда устройств).

7.5 Волокнистые материалы

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, т. е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы - волокон. В некоторых из этих материалов, а именно в текстильных, волокнистое строение совершенно очевидно. В других волокнистых материалах таких, как дерево, бумага, картон, волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются:

- невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волокнами, заполненными воздухом);

- гигроскопичность - более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними).

Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улуч-шены путем пропитки, поэтому эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов - органические вещества. К ним принадлежат материалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие, в основном, из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого (в основном целлюлозного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно большую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных групп - ОН, так и с особенностями строения растительных волокон, а также невысокую нагревостойкость. Некоторые искусственные, и в особенности синтетические, волокнистые материалы имеют значительно меньшую гигроскопичность и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными материалами.

В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая температура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не в состоянии, применяют неорганические волокнистые материалы на основе стеклянного волокна, асбеста и в последние годы базальтового волокна.

7.5.1 Дерево

Благодаря своей распространенности, дешевизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает неплохими механическими свойствами, в особенности, если учесть его легкость: прочность дерева, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Более тяжелые породы деревьев прочнее, чем более легкие. Прочность дерева в разных направлениях различна: поперек волокон она меньше, чем вдоль; плохо работает дерево на раскалывание вдоль волокон.

Недостатки дерева:

1) высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое снижение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробление и растрескивание деталей, изготовленных из влажного дерева, при его высушивании (вследствие того, что влажное дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях);

2) нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы;

3) неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличия сучков и других дефектов;

3) низкая нагревостойкость, а также горючесть.

Свойства дерева улучшаются при его пропитке парафином, льняным маслом, различными смолами и т. д. Для плотных пород дерева (наиболее широко применяются в электротехнике береза, бук и граб) увеличение массы при пропитке составляет от 60 до 70%. Пропитку дерева следует производить только после окончания всей механической обработки (распиловки, сверления и пр.). Наиболее интенсивно дерево всасывает влагу вдоль волокон, и поэтому торцы досок должны быть защищены особенно тщательно, их следует после пропитки дополнительно лакировать. Если деревянные детали предназначаются для работы в трансформаторном масле, то их после сушки пропитывают тем же маслом.

Дерево в электротехнике применяется для изготовления штанг приводов разъединителей и масляных выключателей, рукояток рубильников, опорных и крепежных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения, пазовых клиньев электрических машин, фанерного шпона для производства клееных материалов, деревянных опор линий электропередачи и связи и т. п.

7.5.2 Бумаги и картоны

Бумаги и картоны - это листовые или рулонные (ролевые) материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из целлюлозы. Для производства бумаг обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин (придающий древесине хрупкость), смолы (особенно в древесине хвойных пород), соли и др. Для удаления примесей размельченная в щепу древесина подвергается варке в котлах, содержащих водные растворы щелочей или кислот, которые переводят примеси в растворимые в воде соединения, затем целлюлоза тщательно отмывается водой от примесей. Обычные писчие и печатные бумаги, в том числе и бумага, на которой мы пишем, изготовляются из сульфитной целлюлозы, полученной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту. Такая целлюлоза в процессе ее изготовления легко приобретает белый цвет.

При изготовлении же бумаг для электрической изоляции, а также особо прочных упаковочных и тому подобных бумаг применяется сульфатная и натронная целлюлоза, получаемая путем варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий NaOH. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный неудаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергается деструкции (разрушению макромолекул) и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон, чем в процессе кислотной варки, щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению, что для технических бумаг, в частности электроизоляционных, чрезвычайно важно. Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с большим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. При удалении воды сквозь ячейки сетки, уплотнении и сушке, при пропускании между стальными валками (некоторые из которых имеют обогрев) получается бумага в виде рулона. Прочность бумаги при растяжении больше в направлении вдоль рулона, т. е. вдоль длины сетки бумажной машины, чем поперек, так как вероятность ориентации волокон вдоль рулона больше, чем поперек него. Прочность также сильно зависит от влажности бумаги: как слишком сухая, так и увлажненная бумага имеет пониженную механическую прочность.

Кабельная бумага согласно нормативной документации выпускается различных марок, обозначаемых буквами К, KM, KB, КВУ, КВМ и КВМУ (эти буквы обозначают: К - кабельная, М - многослойная, В - высоковольтная, У - уплотненная) и цифрами от 015 до 240 (обозначающими номинальную толщину бумаги - от 15 до 240 мкм). Бумаги марок К и КМ применяются для силовых кабелей напряжением до 35 кВ, KB и КВУ - 35 кВ и выше, КВМ и КВМУ - 110 кВ и более. Объемная масса неуплотненных кабельных бумаг двух различных марок составляет 0,76 или 0,87, а уплотненных бумаг 1,09-1,10 Мг/м3. Уплотненные бумаги, пропитанные нефтяным маслом, имеют более высокую диэлектрическую проницаемость (примерно 4,3), чем неуплотненные (примерно 3,5). В связи с этим в конструкциях кабелей на напряжение выше 35 кВ используется следующая комбинация уплотненных и неуплотненных бумаг: ближайшие к жиле слои ее выполняются из уплотненной бумаги, а последующие слои из неуплотненной, поэтому при удалении от жилы диэлектрическая проницаемость изоляции уменьшается, что (имеется в виду работа кабеля под переменным напряжением) обеспечивает более равномерное распределение напряженности электрического поля в изоляции.

В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местами - очагами развития пробоя - являются зазоры между отдельными лентами бумаги.

Телефонная бумага марок КТ и КТУ согласно ГОСТ 3553-73 имеет толщину 50 мкм. Объемная масса телефонных бумаг должна быть малой (не более 0,80…0,82 Мг/м3), чтобы уменьшить емкость изоляции телефонных кабелей (в этих кабелях, работающих при сравнительно низком напряжении, бумага находится в непропитанном состоянии). Телефонная бумага выпускается как натурального (желтоватого, свойственного сульфатной целлюлозе) цвета, так и окрашенной в красный, синий или зеленый цвета (различная расцветка служит для различения жил телефонных кабелей). Телефонная бумага используется, кроме того, для изоляции обмоточных проводов марок ПБ и ПББО.

Пропиточная бумага марок ЭИП-50, ЭИП-63 и ЭИП-75 (числа обозначают массу 1 м2 бумаги в граммах; толщины этих бумаг 0,09; 0,11 и 0,13 мм соответственно) употребляется для изготовления листового гетинакса.