3.2.2. Твердые диэлектрики

3.2.2.1. Термопласты, или термопластичные полимеры, это группа диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами. Это аморф-ные или аморфно-кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). При комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают различные изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние.

Почто все термопласты горючи и изделия из них пожароопасны.

В электроизоляционной технике термопласты применяют для изоляции проводов и кабелей, катушек индуктивности, а также как составную часть клеев, лаков, пластмасс и др. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две группы: термопласты неполярные и полярные.

Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления электрической прочности и низкие диэлектрические потери. Неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков.

Полиэтилен (ПЭ) – бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена. Они пожароопасны, горят голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

Различные марки полиэтилена, отличаются плотностью, индексом расплава, наличием или отсутствием стабилизаторов. Отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ обладает высокой водостойкостью. Изделия из него, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться. На стойкость к растрескиванию влияют продолжительность действия нагрузки, температура и окружающая среда.

Полиэтилен широко используется в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых.

Полипропилен (ПП) – бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света.

Пропилен, в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под действием агрессивных сред. Электрические свойства полипропилена того же порядка, что и у полиэтилена.

Полистирол (ПС) – это твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола). Полистирол пожароопасен, горит с образование сильнокоптящего пламени.

Полистирол – один из первых синтетических материалов, используемых в электро- и радиотехнике, хороший диэлектрик. Его электрические свойства не зависят от влажности окружающей среды и температуры в пределах от – 80 до + 90С. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов. Относительно хрупок и при старении хрупкость увеличивается. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8% каучука. Полученный материал называют «ударопрочным полистиролом». Удельная ударная вязкость повышается в 2 – 3 раза и увеличиваются показатели других физико-механических свойств.

Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко применяют ПС в производстве электрических конденсаторов.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). При нагревании он практически не плавится, а при температуре 415С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30 – 40 МПа, а удельная ударная вязкость до 100 кД/м² – это полимер молочно-белого цвета, отечественное название – фторопласт-4, а за рубежом – тефлон.

ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к кислотам и щелочам. На него не действует даже НNО₃ и HCl (царская водка).

ПТФЭ – хороший диэлектрик, его электрические свойства не меняются в пределах от – 60 до +200С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве ВЧ – изоляции, в производстве термо- и влагостойких электрических конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, тонкой (эмалевой) изоляции проводов, пластин, дисков, прокладок и других уплотнительных деталей.

Полярные термопласты характеризуются повышенными значениями диэлектрической проницаемости и большими диэлектрическими потерями, которые зависят от температуры и частоты напряжения. Удельное сопротивление и электрическая прочность у них ниже, чем у неполярных материалов.

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) – слабополярный диэлектрик, практически негорюч, отечественное название – фторопласт-3. В сравнении с фторопластом-4 имеет более высокую эластичность и удельную ударную вязкость. Применяется ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, для изготовления сложных по форме радиоэлектротехнических деталей.

Поливинилхлорид (ПВХ) – практически негорюч, стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Выпускается под названием «винипласт». Это листовой или трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Используется для изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т. п.

Полиакрилаты (ПАК) – представляют собой термопластичный, аморфный, прозрачный и бесцветный материал, имеющий хорошую холодо-, масло- и щелочестойкость. Наиболее распространенным из этой группы материалов является полиметилметакрили (ПММА), известный под названием органическое стекло (плексиглас).

Блочный ПММА поддается формованию и вытяжке при температуре 120С и выше. Его используют в приборостроении обычно в качестве вспомогательного конструкционного материала либо электроизоляционного, но при низких частотах и в слабых полях. ПММА используют в переключателях и разрядниках высокого напряжения. Применяют для изготовления шкал приборов и линз, пленок, клеев и лаков. Выпускают в виде листов различной толщины, стержней, листовых блоков и т. п. Он растворяется в дихлоэтане и ацетоне. ПММА горит, при горении потрескивает.

3.2.2.2. Реактопласты, или термореактивные полимеры (смолы) – это такие материалы, которые при нагревании претерпевают необратимые изменение свойств. Материал при этом отверждается – переходит из расплавленного состояния в твердое. При повторном нагревании он уже не плавится, в растворителях не растворяется. Отверждение происходит при помощи специальных веществ – отвердителей, вводимых в материал. Электрические свойства их примерно такие же, что и у полярных термопластов.

Эпоксидные смолы (ЭП) – полярный диэлектрик, это очень большая группа материалов. Все ЭП смолы в исходном состоянии растворяются в ацетоне и ряде других растворителей. Они могут длительное время храниться без изменения свойств. Если к ним добавить отвердитель (1:10), то произойдет отверждение. Отверждение происходит за счет процессов полимеризации без выделения побочных продуктов.

В зависимости от типа отвердителя ЭП смолы могут отверждаться при комнатной температуре «холодное отверждение», либо при нагревании до 80 – 150С «горячее отверждение». Отвердители горячего отверждения дают возможность получить полимеры с более высокими электрическими и механическими характеристиками и с большей нагревостойкостью.

ЭП смолы широко применяют в электро- и радиотехнике в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов. Они обладают высокой адгезией к различным материалам (металлам, органическим стеклам, керамике, пластмассам и т. п.). Их используют для изготовления клеев, лаков и различных компаундов. Пленки из ЭП смол отличаются высокой механической прочностью, химической стойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям.

3.2.2.3. Резины – вулканизированная многокомпонентная система на основе каучуков. Из-за своей высокой эластичности резины относятся к классу эластомеров. Отличительной особенностью эластомеров является высокая эластичность. К ним принадлежат такие материалы как полиуретаны, некоторые виды кремнийорганических полимеров и др. Вулканизация каучуков протекает при температуре 138 – 200С. Каучуки вулканизируют, чтобы устранить их пластичность и повысить эластичность (упругость). У технических резин относительное удлинение при разрыве составляет 150 – 500 % и сохраняется при температуре от – 40 до – 60С.

При изготовлении резины в ее состав, кроме каучука, вводят вулканизирующие агенты (серу или тиурам, а чаще их смесь), ускорители вулканизации, наполнители (мел, тальк, каолин, окись цинка и др.), которые улучшают механические свойства и удешевляют резину (наполнители дешевле каучуков в 20 –70 раз), а также мягчители (стеарин, парафин) – для улучшения технологических свойств, антиокислители, красители и другие ингредиенты, которые составляют вместе до 65% и более, а остальное каучук.

В зависимости от количества серы, вводимой в каучук, различают резину мягкую и твердую. Мягкая резина содержит 1 – 3 % серы и обладает высокой эластичностью, твердая резина – «эбонит» содержит 30 – 35% серы – это твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам, но низким относительным удлинением при разрыве (2 – 5 %).

Резина широко используется в производстве проводов и кабелей, диэлектрических перчаток, галош и т. п. Ее существенный недостаток – низкая стойкость к действию озона, кислорода, света (особенно ультрафиолетового), тепла, электрических разрядов. Под действием этих факторов резина стареет, становится хрупкой и растрескивается. Если старение резины вызвано термоокислительной деструкцией, то она размягчается и становится липкой. При непосредственном контакте резины с медью сера взаимодействует с ней образуя сернистую медь. В таких случаях жила провода покрывается слоем оловянно – свинцового припоя. В кабельной технике используют также резины содержащие сажу. Они имеют черный цвет и стойки к действию солнечного света, обладают хорошими механическими свойствами, но очень низкими электроизоляционными. Такие резины используют только в качестве шланговой изоляции кабелей.

3.2.2.4. Пластические массы. Пластмассы – это композиционные материалы, состоящие из связующего полимера, наполнителей и других ингредиентов. При эксплуатации они находятся в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Основными их компонентами являются связующее и наполнители.

Связующее образует матрицу, которая объединяет в единое целое все составные части пластмассы и в значительной мере обуславливает комплекс ее свойств.

В качестве связующего используют органические смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при нагреве и одновременном воздействии давления формоваться и приобретать заданную форму.

Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим. По своей природе они разделяются на органические и неорганические, которые бывают порошкообразные, волокнистые и листовые.

К органическим порошкообразным наполнителям относятся древесная мука, лигнин и другие дисперсные материалы. К волокнистым – хлопковые и льняные очесы, синтетические волокна, текстильная и бумажная крошка. К листовым – бумага, ткань.

К неорганическим порошкообразным наполнителям относятся молотые слюда и горные породы, тальк, каолин, кальций, кварцевая мука и др. К волокнистым – стекловолокно, длинноволокнистый асбест. К листовым – слюда, стеклоткань. Наполнители улучшают механические характеристики пластмасс и удешевляют их. В пластмассы, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, наполнители обычно не вводят.

Кроме наполнителя, в пластмассы для придания им тех или иных свойств вводят пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества и другие специальные добавки. Таким образом, пластмасса является многокомпонентной системой.

Слоистые пластики – пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал: бумага, ткань, нетканый материал с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств. Производят слоистые пластики листового строения, профильные и в виде трубок и цилиндров. Последние называют намотанными изделиями. В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах.

Наиболее распространенные виды этого материла: гетинакс и текстолит.

Гетинакс слоистый пластик полученный прессованием бумаги в несколько слоев, пропитанной феноло- или крезолоформальдегидными смолами, или их смесями. Его прессуют при температуре 150 – 160С, при которой алигомер расплавляется, заполняет поры между листами и волокнами и затвердевает.

Гетинакс на основе полиэтилентерафталатной бумаги и эпоксидной смолы имеет высокую влагостойкость механические и электрические свойства.

Текстолит – слоистый пластик изготовленный из нескольких слоев ткани, предварительно пропитанной каким-либо реактопластом. В качестве наполнителя используются ткани: хлопчатобумажная, стеклянная (стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распространен текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. У него более высокие значения удельной ударной вязкости, стойкости к истиранию, чем у гетинакса. Электрические свойства у них одинаковы. Стоимость текстолита в несколько раз выше; поэтому его целесообразно использовать для изделий подвергающихся ударным нагрузкам и истиранию (детали переключателей и т. п.). У стеклотекстолита электрическая прочность в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

3.2.2.5. Керамические диэлектрики. Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества.

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т. п.

Низкочастотная установочная керамика применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных изоляторов (переменного тока до напряжения 1150 кВ и постоянного – до напряжения 1500 кВ): штыревых и подвесных, опорных и проходных. Эта керамика обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации.

Основным представителем этой керамики является электротехнический фарфор. В его состав входят: глина – 50 %, кварц – 25 % и полевой шпат – 25 %. С повышением температуры электрические и механические свойства электрофарфора значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших 20 – 30 лет, наблюдается потускнение глазури и краев шапки и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамики относится высоковольтная стеатитовая керамика, изготовленная на основе минерала талька, глинистых веществ и окиси бария. Эта керамика в сравнении с электротехническим фарфором, имеет повышенные электрические и механические свойства. Она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов относится термодугостойкая керамика, способная многократно выдерживать большие термоудары. Она используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, высоковольтных выключателей и т. п.

Этими сведениями не ограничивается группа диэлектрических материалов. Эти материалы, их составы и свойства рассматриваются более подробно при изучении специальных электротехнических дисциплин.