Структура называется взаимопроникающей, если не выполняется условие матричности и геометрические характеристики обоих компонентов (форма частиц) одинаковы.

Например, материал, приготовленный методами порошковой металлургии, когда смешивают два, или несколько разных порошков и полученную смесь прессуют.

Матричные структуры. Расчет электрических характеристик гетерогенных систем достаточно точен в случае разбавленных суспензий. Для этих условий применимы известные формулы Максвелла, Вагнера-Винера, Оделевского. В случае малых концентраций они дают близкие значения. При достаточно больших концентрациях, и при большом различии параметров компонентов практически все известные выражения непригодны.

Анализ зависимостей диэлектрической проницаемости от концентрации твердой фазы показывает, что при малых концентрациях все зависимости дают примерно одинаковые значения. Экспериментальные данные не противоречат расчетам. Однако при повышении концентрации до 25-30% все зависимости, кроме формулы Нильсена дают значительно меньшие значения чем эксперимент. До концентрации 50-55% формула Нильсена дает блестящее совпадение с экспериментом. Причем это проверено на ряде жидкостей, начиная с трансформаторного масла и заканчивая сульфоланом. После 50-55% формула Нильсена начинает давать значения, большие чем зарегистрировано в эксперименте.

Контрольные вопросы по теме:

1. Дать определение композиционным материалам.

2. Перечислить достоинства и недостатки композиционных материалов.

3. Дать характеристику структурам композиционных материалов.

Лекция 3.

Тема: Классификация, свойства и область применения проводниковых материалов.

План лекции:

1. Основные характеристики проводниковых материалов.

2. Зависимость электропроводности металлов от температуры.

 

Основная характеристика проводника - это его электропроводность.

Как известно, и мы рассматривали этот вопрос на 2 лекции, в любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

Здесь n_i - концентрация носителей заряда i-ого сорта, q_i - значение заряда, v_i - скорость заряда. Для металлов носителями заряда являются электроны. Примерное количество электронов в металле составляет около 10²² шт/см³. Если оценить концентрацию атомов типичного металла, то она составит примерно те же значения. Это означает, что все атомы ионизованы и электроны не принадлежат каждому атому, а обобществлены во всем кристалле. Классическая теория металлов рассматривала электроны как идеальный газ, частицы которого сталкиваются с дефектами решетки, колебаниями атомов, за счет чего их скорость остается ограниченной в электрическом поле. До столкновения электрон должен ускоряться в течение времени. Можно показать, что длина свободного пробега, из классической механики, составит

Заряд, который протекает через единичную площадку в течение времени  заполняет цилиндр длиной  с плотностью n. Приравнивая  n произведению плотности тока на длительность , получим.

J =

Из этого выражения следует закон Ома для металлов, выражение для удельной электропроводности будет иметь вид

Если те же операции провести для переноса тепла электронным газом, то значение удельной теплопроводности  составит

Здесь k - постоянная Больцмана, Т - температура. Отсюда можно получить, что известная из практики закономерность, что чем больше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность имеет под собой теоретическое обоснование.

Экспериментальные значения удельной электропроводности металлов, по порядку величины составляют (10⁸ - 10⁷) См/м.

Для практики важно, что электропроводность металлов зависит от температуры. Экспериментально установлено в ряде случаев, что эта зависимость близка к линейной зависимости. Обычно ее приводят в виде температурной зависимости удельного сопротивления.

(T)= (T₀)(1+ TК(T-T₀)) Здесь (T₀) - удельное сопротивление при какой—то температуре T₀, обычно это 20С. TК - температурный коэффициент удельного сопротивления. Он имеет размерность 1/К (или 1/С), для металлов TК всегда положителен. Оценим значимость этого фактора - температурной зависимости удельного сопротивления. Например для меди он составляет 4.310^-3 1/К, что означает, что сопротивление удвоится при увеличении температуры на 232 градуса.

Для электрических проводов значение удельного сопротивления является самым важным фактором. Он определяет удельную мощность потерь электроэнергии в проводах, т.е. мощность в единице объема провода

р_потерь = j²

Проведем оценку для энерговыделения, например определим, через какое время материал проводов нагреется на 1 градус. Взяв в качестве материала проводов алюминий,  =2.810^-8 Ом·м, для плотности тока возьмем два значения j=10-100 А/мм². Получим для удельной мощности потерь р_потерь= (2.8-280) МВт/м³. Много это или мало? Мощность Новосибирской ГЭС составляет около 500 МВт в период максимальной мощности. Насколько быстро при этом нагреваются провода? Сопоставим с известным выражением для тепловой мощности, требуемой для нагрева материала dQ/dt=cddT/dt, где d -плотность материала d=2.7 10³ кг/м³, с- теплоемкость, с= 386 Дж/(кгК). Приравнивая тепловую мощность электрической мощности потерь получим

dT/dt~ (2-200) K/с

Нижняя граница, при j = 10 А/мм² означает, что провод может нагреться примерно на 2 градуса за 1 секунду, верхняя - на 200 градусов за 1 секунду. Ясно, что второе значение плотности представляется слишком большим.

Выражение (6.7) можно привести к измеряемым величинам: току I и площади сечения провода S, пересчитав его на потери в проводе, на единице его длины (1 м)

Р_потери= I²/S²

В зависимости от плотности тока в проводах потери могут сильно различаться. Ясно, что при пропускании определенной мощности по линии электропередач, например для трехфазной линии Р = 3U_aI_, чем больше напряжение сети, тем больше мощность при том же значении тока. Поскольку потери определяются током, а передаваемая мощность произведением тока на напряжение, то выгоднее переходить на более высокие классы напряжения. Поэтому переходят на все более высокие напряжения, чтобы относительно меньшая доля энергии терялась в проводах. Однако, как будет рассказано в лекции по диэлектрическим характеристикам воздуха, невозможно бесконечно повышать напряжение.

Ясно также, что чем больше ток, тем больше мощность, причем зависимость линейная. Однако с ростом тока потери энергии растут квадратично, т.е. гораздо сильнее, чем рост передаваемой мощности. Увеличение площади сечения провода ослабляет проблему, но, с другой стороны, происходит увеличение стоимости строительства линии электропередач, т.к. стоимость цветного металла проводов значительна. Кроме того, увеличение веса проводов влечет увеличение массы опор, усложнение монтажа и т.п. В результате компромисса между увеличением потерь и увеличением строительства договорились рассчитывать провода линии на определенную компромиссную плотность тока, т.н. экономическую плотность тока. Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), для меди она составляет 2,5 А/мм² в случае открытых проводов при эксплуатации 1000-3000 часов в год, и снижается до 1.8 А/мм² при эксплуатации свыше 5000 в год. Для алюминия все цифры примерно в два раза ниже. Для кабелей все определяется условиями теплоотвода через изоляцию и оболочку кабелей, в ПУЭ допустимая плотность тока нормируется для каждого вида кабелей отдельно, как правило допустимая плотность тока еще ниже.

 

Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1.410^-8 Омм, теплопроводность 418 Вт/(мК). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности

Сопоставление этих материалов по наиболее важным для практики параметрам показывает, что они сильно отличаются по плотности, теплоемкости, прочности при растяжении. Любопытно, что произведение теплоемкости на плотность - мало отличается у этих материалов (~30%) Тот факт, что у алюминия малая механическая прочность вынуждает армировать алюминиевые провода стальными сердечниками. При этом ток протекает по алюминию (у стали удельное сопротивление примерно в 5-10 раз выше, чем у алюминия), а механическую прочность обеспечивает сталь.

Для изготовления проводов используют алюминий, медь, бронзу, а также сочетания этих элементов со сталью. При сечении до 10-15 мм² обычно используют однопроволочные провода, при большем сечении - много проволочные, скрученные провода. Марки проводов А, АЖ, АН, АКП, АС, Б, БрФ, М, Мк и т.п. Наиболее популярные провода для ВЛ - сталеалюминиевые марки АС, например АС 95/16 означает, что в поперечном сечении 95 мм² алюминия и 16 мм² стали.

Контрольные вопросы по теме:

1. Как определяется электропроводность проводника?

2. Как зависит электропроводность металлов от температуры?

 

 

Лекция 4.

Тема: Строение и свойства полупроводниковых материалов.

План лекции:

1. Классификация полупроводниковых материалов.

2. Характеристики полупроводниковых материалов.

3. Область применения полупроводниковых материалов.

 

Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов, (например, к германию добавить мышьяк) то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа.

Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т.е. вещества, легко захватывающие электроны, например к германию добавить индий, то создается полупроводник с т.н. "дырочной" проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость. Это как бы эквивалентно появлению в полупроводнике положительных носителей заряда с примерно такими же свойствами, что и электроны, но противоположно заряженных. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи.

Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.

Рассмотрим некоторые характеристики кремния:

Плотность, кГ/м³ 2300

Т плавления,°С 1400

Теплоемкость, кДж/(кг×К) 0.8

Теплопроводность, Вт/(м×К) 167

Энергия активации

(ширина запрещенной зоны), эВ 1,1

Концентрация собственных носителей, 0.04/мкм³.

 

Из других видов полупроводников можно отметить арсенид галлия, селен (фоторезисторы).

Отметим, что электропроводность растет с ростом температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры электроны имеют повышенную энергию и они легче могут ионизоваться.

В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла. Если снова обратиться к формуле (7.1), то скорость V (и подвижность) должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки.

 

К полупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делят на 4 группы:

 

1. материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;

2. материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;

3. материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этой группе относятся соединениясурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомов второй и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;

4. полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

 

Согласно кристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы: монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.

Вторая группа материалов — это полупроводники, состоящие из множества небольших кристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводниками являются: селен, карбид кремния и пр.

По величине удельного объемного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Некоторые из них резко уменьшают электрическое сопротивление при воздействии на них высокого напряжения. Это явление нашло применение в вентильных разрядниках для защиты линий электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление под действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общим свойством для полупроводников является то, что они обладают электронной и дырочной проводимостью.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. На какие группы делятся полупроводники по химическому составу?

2. Указать область применения полупроводниковых материалов.

3. Указать общее свойство все полупроводников.

 

Лекция 5.

Тема: Сплавы повышенного электросопротивления.

План лекции:

1. Область применения сплавов повышенного электросопротивления.

2. Классификация сплавов повышенного электросопротивления.

3. Свойства сплавов повышенного электросопротивления.

 

 

Такие материалы имеют применение для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротивления, резисторов термопар, тензометрических датчиков) и нагревательных элементов.

 

Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электросопротивления, а также высокой жаростойкость, что особенно важно для нагревательных элементов.

 

При использовании сплавов в электроизмерительных приборах в паре с медью от них требуется малая ТЭДС. В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью.

 

Все сплавы с повышенным электросопротивлением делят на две группы:

Реостатные сплавы, рабочая температура которых не выше 500⁰С, и сплавы для нагревательных элементов рабочая температура которых значительно выше и доходит до 1100⁰С.

 

Реостатные сплавы включают на медной основе с никелем и марганцем. Сплавы с содержанием никеля 40-50% обладают максимальным электросопротивлением. Наименьший температурный коэффициент имеет манганин МНМц 3-12-0,3 дополнительно легированный алюминием и железом.

 

Сплавы константан и копель в паре с медью обладают большой ТЭДС, поэтому в измерительных схемах используют манганин.

Константан и копель используют для термопар.

 

Для получения стабильных значений электросопротивления и коэффициента электросопротивления проволоку из манганина подвергают рекристализационному отжигу в вакууме при температуре 400⁰С, а после изготовления подвергают повторному невысокому нагреву (250⁰С) для устранения остаточных напряжений.

 

Сплавы для нагревательных элементов включают сплавы на железной и никелевой основе, что обеспечивает высокое электросопротивление. Для повышения жаростойкости сплавы должны иметь высокий процент хрома и алюминия. Так как сплавы на железной основе дешевы, их используют для грубых реостатов и нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках.

 

При температурах выше 1200⁰С используют сплавы на основе тугоплавких металлов- вольфрама, молибдена, тантала, а также керамические материалы (селит). Силитовые стержни спекают из карбида кремния и используют в качестве нагревателей в электрических печах до 1500⁰С. Силит является полупроводниковым материалом и имеет высокое электросопротивление.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислить общие свойства сплавов повышенного электросопротивления.

2. На какие группы делятся сплавы повышенного электросопротивления?

3. Из каких материалов изготовляются термопары и терморезисторы?

 

 

Лекция 6.

Тема: Классификация и свойства электроконтактных материалов.

План лекции:

1. Классификация электрических контактов.

2. Материалы для разрывных контактов.

3. Материалы для слабонагруженных контактов.

4. Материалы для неподвижных контактов.

5. Материалы для высоконагруженных контактов.

 

Электрические контакты подразделяют на разрывные, скользящие и неподвижные. Основное требование для всех контактов- малое переходное электросопротивление.

 

Материалы для разрывных контактов. Эти контакты предназначаются для периодического замыкания и размыкания цепи и работают в тяжелых условиях. В процессе работы разрывных контактов возникает искра или электрическая дуга, что вызывает коррозию или электрический износ. Коррозия приводит к окислению контакта. Это повышает переходное электросопротивление, вызывает разогрев и сваривание (или прилипание) контакта.

Материал для разрывных контактов должен иметь не только небольшое переходное электросопротивление, но и хорошее сопротивление коррозии и электрическому износу.

 

В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяются на слабонагруженные и высоконагруженные.

 

Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов: золота, серебра, платины, палладия и их сплавов, которые обладают низким переходным электросопротивлением и повышенной стойкостью против окисления.

Наибольшее распространение получило серебро и сплавы на его основе, также широко применяются сплавы серебра с медью. Такие сплавы сохраняют высокую электропроводность и имеют более высокую твердость и сопротивление электрическому износу, чем чистое серебро.

 

Высоконагруженные контакты изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и металлокерамических композиций.

Вольфрам вследствие тугоплавкости хорошо сопротивляется электрическому износу, такие контакты можно применять при большой частоте переключений и высоких давлениях.

В тех же целях используют вольфрамовые сплавы с молибденом. Сплавы с содержанием 40- 50% молибдена обладают высоким сопротивлением электрическому износу, но пониженным сопротивлением к газовой коррозии, так как молибден способствует получению легко испаряющихся окисных пленок. Поэтому такие сплавы можно использовать в мощных контактах, но в среде инертных газов или в вакууме.

Сплавы вольфрама с содержанием молибдена 45% помимо контактов можно использовать для нитей накаливания электрических ламп и катодов, как сплавы повышенного сопротивления.

 

 

Материалы для скользящих контактов. К ним предъявляются те же требования, что и к разрывным, но основное требование- это высокое сопротивление свариванию. В связи с этим применяются метало- керамические композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, который препятствует свариванию (МГ3, МГ5, СГ3,СГ5). Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.

 

Материалы для неподвижных контактов. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного сопротивления. Кроме этого, это значение должно быть стабильным при небольших контактных усилиях, поэтому материал для зажимных контактов должен быть коррозионностойким и не образовывать окисных пленок. Таким требованиям удовлетворяют: медь, латунь, цинк.

 

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислить материалы для слабонагруженных контактов и дать им характеристику.

2. Перечислить материалы для высоконагруженных контактов и дать им характеристику.

3. Перечислить материалы для скользящих контактов и дать им характеристику.

4. Перечислить материалы для неподвижных контактов и дать им характеристику.

 

Лекция 7.

Тема: Пайка металлов.

План лекции:

1. Классификация видов пайки металлов.

2. Низкотемпературная пайка металлов.

3. Высокотемпературная пайка металлов.

4. Припои для пайки металлов.

5. Типы паянных соединений.

6. Технология процесса пайки металлов.

 

Если сравним пайку со сваркой, то различие заключается в том, что при сварке плавятся соединяемые кромки металла, а при пайке расплавляется только припой, температура плавления которого намного ниже, чем у свариваемых частей металла. Сразу надо отметить, что пайка предусматривает применение преимущественно швов внахлестку, а это предполагает повышенный расход металла и применение довольно дорогих припоев. Поэтому пайка не находит такого широкого распространения, как сварка.

Существуют два вида пайки: низкотемпературная и высокотемпературная. Низкотемпературная пайка предусматривает применение припоев с температурой плавления ниже 550°С, а высокотемпературная — выше 550°С. Для низкотемпературной пайки используются электропаяльники и газовоздушные горелки, а для высокотемпературной — горелки, работающие на смеси ацетилена, бутана или пропана с кислородом. Если производится работа с крупногабаритным изделием, могут использоваться многопламенные горелки.

Для низкотемпературной пайки лучше всего применять оловянисто-свинцовые припои, а для высокотемпературной — медно-фосфористые, медно-цинковые и серебряные припои. Медно-фосфористые припои довольно хрупки и их нельзя применять в конструкциях, испытывающих нагрузки. А так припой широко используется при пайке металлов медной группы (меди, латуни, бронзы). Этот припой при пайке меди вообще не требует флюса. Медно-цинковые припои используются для пайки стали, никеля, чугуна. Могут использоваться и для пайки металлов медной группы. Самый широкий спектр применения имеют серебряные припои. Они обеспечивают высокое качество соединений практически всех черных и цветных металлов (исключение — алюминий, цинк).

 

 

Марка	Область применения
Оловянисто-цинковые
Олово 45% Цинк 50% Алюминий 5%	Пайка алюминия
Оловянисто-свинцовые
ПОС-10	Пайка контактных поверхностей электрических аппаратов, приборов, реле
ПОСС-4-6	Пайка белой жести, железа, латуни, меди, свинца
ПОС-90	Пайка внутренних швов пищевой и медицинской аппаратуры
ПОС-61	Пайка электро- и радиоаппаратуры, печатных схем точных приборов
ПОС-40	Пайка деталей из оцинкованного железа, латуни и медных проводов

 

Таблица припоев высокотемпературной пайки
Марка	Область применения
Медно-фосфористые
ПМФОПрб-4-0,03	Пайка меди и сплавов на основе меди
Медно-цинковые
МЦН 48-10 ЛОК 59-1-03 ЛК 62-50	Пайка серого чугуна
ПМц-36	Пайка латуней марки Л 58-1 и Л 59
Л 63 Л 68	Пайка меди и углеродистых сталей
ПМц-48	Пайка латуни марки Л 62
ЛОК 62-06-04	Пайка чугуна и стали
ПМц-54, Л 62	Пайка стали, меди и бронзы
Серебряные
ПСр-45	Пайка меди и бронзы
ПСр-65 ПСр-70	Пайка токоведущей арматуры
ПСр-10	Пайка участков, где рабочая тем­пература достигает 800°С
ПСр-12	Пайка деталей медной группы (со­держание меди до 58%)

 

 

Особенности паяных швов. Уже упоминалось, что при пайке применяются главным образом нахлестанные швы. Прочность соединения при этом напрямую зависит от величины нахлеста. Для улучшения механических свойств стыкового соединения практикуется увеличение рабочего сечения за счет применения косого или зубчатого стыка. Последний вид стыка часто используют при пайке полотен циркулярных ленточных пил. Однако такая конструкция паяного шва требует механической обработки и усложняет сборку соединяемых деталей. Типы паяных соединений показаны на рис.

Тавровые соединения при пайке применяют очень редко. Пайка широко применяется при получении трубчатых соединений. Соединения типов 1 и 2 используют, когда допускается увеличение наружного диаметра трубы, а соединения 3 и 4 — при необходимости его сохранения.

 

 

Практически любая пайка предполагает применение флюсов. Флюсы предохраняют металл и припой от окисления, растворяют оксиды, которые образуются при пайке, флюсы способствуют смачиванию металла припоем.

При низкотемпературной пайке наиболее распространенным флюсом является канифоль. Используются также флюсы, содержащие хлориды металлов, чаще других хлористый цинк и хлористый аммоний.

 

При высокотемпературной пайке черных и цветных металлов обычно применяют флюсы на основе буры. Иногда добавляют борную кислоту, когда необходимо повысить рабочую температуру пайки (при использовании более тугоплавких припоев). В случае применения легкоплавких припоев в флюс вводят хлористый цинк, фтористый калий и другие щелочные металлы. Для пайки алюминиевых и магниевых сплавов применяют системы солей, состоящие из хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов. Если ведется газопламенная пайка, то лучше всего применять порошкообразные флюсы или флюсы в виде паст.

Предлагаются две таблицы по применению флюсов при низкотемпературной и высокотемпературной пайке.

Флюсы при низкотемпературной пайке

Состав	Применение
Хлористый цинк 85% Хлористый аммоний 10% Фтористый натрий 5%	Пайка алюминия
Канифоль	Пайка меди и ее сплавов
Насыщенный раствор хлористого цинка в соляной кислоте	Пайка нержавеющей стали
Хлористый цинк 25—30% Хлористый аммоний 5—20% Вода 50-70%	Пайка стали, меди, медных сплавов

При высокотемпературной пайке черных и цветных металлов обычно применяют флюсы на основе буры. Иногда добавляют борную кислоту, когда необходимо повысить рабочую температуру пайки (при использовании более тугоплавких припоев). В случае применения легкоплавких припоев в флюс вводят хлористый цинк, фтористый калий и другие щелочные металлы. Для пайки алюминиевых и магниевых сплавов применяют системы солей, состоящие из хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов. Если ведется газопламенная пайка, то лучше всего применять порошкообразные флюсы или флюсы в виде паст.

Флюсы при высокотемпературной пайке

Состав	Применение
Борная кислота 40% Бура 40% Сода 20%	Латунь, медь
Углекислый литий 20%, Борная кислота 50—60%	Чугун
Борная кислота 50% Плавленая бура 50%	Нержавеющая сталь
Фтористый литий 1,5% Фтор-борат калия 2—8% Фтористый калий 4—10% Борная кислота 60—80%	Пайка нержавеющей стали с медью
Борная кислота 55—45%, Калий фтористо-водородный 45—55%	Пайка высокоуглеродистой инструментальной стали и сверхтвердых сплавов
Флюс марки № 34	Алюминий
Бура 100 (кристаллическая или плавленая)	Пайка меди, латуни, бронзы, стали, чугуна
Марка № 7	Тоже
Марка № 209	Пайка конструкционных не­ржавеющих и жаропрочных сталей
Марка № 284	Пайка стали, никелевых и медных сплавов

Технология процесса пайки.

Сначала соединяемые детали надо хорошо очистить. Затем эти детали надо подвергнуть процессу лужения. После этого детали соединяются вместе, но с тем расчетом, чтобы между ними оставался небольшой зазор — 1—2 мм. На поверхность в месте будущего соединения наносится флюс. Затем горелкой расплавляется припой, который должен затекать в зазор и заполнить поверхность деталей вокруг зазора.

Последовательность операций при высокотемпера­турной пайке имеет свои особенности. Очистка деталей и их лужение происходят по той же схеме. Затем детали обязательно закрепляются с соблюдением требуемого зазора и нахлеста. Затем детали нагреваются факелом пламени. Нагревание происходит в зоне 25—30 мм от центра спайки. Больше нагревать всегда надо детали, имеющие большую (по сравнению с другой соединяемой деталью) толщину и теплопроводность. Когда место спая нагрето факелом горелки до температуры растекания припоя, нанести флюс. Припой после этого разогреть и тоже окунуть во флюс. Когда флюс на припое расплавился, ввести припой в место спая и расплавлять его путем касания разогретых ранее деталей, но ни в коем случае не плавить припой в пламени горелки.

Высокотемпературная пайка производится газовым пламенем нормального состава. Возможен небольшой избыток горючего. Удельная мощность пламени (по ацетилену) принимается [л/(ч • мм)]: для углеродистой ста­ли — 100—200, нержавеющей стали не более 70, меди— 150—200, латуни—100—120.

Закончив пайку, пламя надо отвести в сторону и дать соединенным деталям остыть естественным путем, не пытаясь ускорить процесс охлаждения. Затем надо очистить шов от флюса ветошью с использованием теплой воды.

 

Контрольные вопросы по теме:

1.Перечислить припои, применяемые для высокотемпературной пайки металлов.

2.Перечислить припои, применяемые для низкотемпературной пайки металлов.

3.Указать отличие между пайкой и сваркой металлов.

4.Указать назначение флюсов.

5.Кратко описать технологический процесс пайки металлов.

 

Лекция 8.

Тема: Материалы для изготовления кабелей и эл. шнуров.

План лекции:

1. Классификация кабельных изделий по назначении.

2. Материалы токопроводящих жил кабелей.

3. Материалы изоляции кабелей.

 

 

Кабельные изделия предназначены для передачи и распределения электрической энергии и сигналов связи и информации, выполнения электрических соединений в различных электротехнических устройствах, изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.

В соответствии с ГОСТ 22483-77 установлен следующий ряд сечений жил кабелей и проводов, мм²:

0,03; 0,05; 0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,50; 0,75; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10; 16; 25; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 625; 800; 1000; 1200; 1600; 2000.

Неизолированные провода предназначены в основном для использования при строительстве воздушных линий электропередачи. Провода изготавливаются из меди, алюминия, бронзы, а также комбинированными (стальной сердечник, поверх которого накладываются один или несколько повивов алюминиевой проволоки).

Силовые кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Кабели выпускаются с медными и алюминиевыми токопроводящими жилами с изоляцией из бумажных лент, пропитанных маслом или специальными составами, а также изоляцией из поливинилхлоридного пластиката, полиэтилена, сшитого полиэтилена, резины. Диапазон переменного напряжения, в котором используются силовые кабели, - от 660 В до 500 кВ. Кабели имеют свинцовые, алюминиевые или пластмассовые оболочки.

Кабели связи предназначены для передачи сигналов связи и информации. Кабели имеют медные жилы и бумажную или пластмассовую изоляцию. В качестве пластмасс используются полиэтилен, поливинилхлоридный пластикат, полистирол. Изоляция может быть комбинированной: воздушно-бумажной или воздушно-полиэтиленовой. Кабели имеют свинцовые, алюминиевые, стальные, пластмассовые или металлопластмассовые оболочки. Кабели связи делятся на высокочастотные и низкочастотные. Высокочастотные кабели - это кабели дальней связи, низкочастотные - кабели местной связи (городские телефонные, внутрирайонные и т. п.).

Контрольные кабели предназначены для питания приборов, аппаратов и других электротехнических устройств и используются в цепях контроля. Контрольные кабели имеют токопроводящие жилы из меди, биметалла алюминий-медь, алюминия. Изоляция в основном из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката. Используется также резиновая изоляция.
Число токопроводящих жил - от 4 до 37, сечения - от 0,75 до 10 мм².

Кабели управления используются для целей дистанционного управления и имеют медные жилы. В качестве изоляции используются полиэтилен, поливинилхлоридный пластикат, фторопласт, резина. Число токоведущих жил — от 3 до 108. Все или отдельные токопроводящие жилы могут быть экранированными. Оболочки кабелей — пластмассовые. Поверх оболочки может накладываться панцирная броня из стальных проволок. Кабели управления могут иметь круглую или плоскую форму.

Монтажные провода используются для выполнения групповых соединений в различных схемах, т. е. для межблочного и внутриблочного монтажа аппаратуры. Токопроводящие жилы - медные, в том числе с покрытиями из серебра, никеля и олова, изоляция — полиэтилен, поливинилхлоридный пластикат, фторопласты. Часть монтажных проводов выпускается с изоляцией на основе стекловолокна, волокон лавсана и капрона, наложенной методом обмотки, с поверхностным лаковым покрытием. Монтажные провода могут выполняться не только круглыми, но и плоскими.

Силовые (установочные) провода предназначены для распределения электрической энергии в силовых и осветительных сетях на открытом воздухе и внутри помещений, в том числе для скрытой прокладки под штукатуркой, для выводов электродвигателей и питания различной переносной аппаратуры и приборов. Провода выпускаются одно- и многожильными (до 30 жил) и в основном рассчитаны на напряжения до 3 кВ.

Установочные провода изготавливаются с токопроводящими жилами из алюминия, меди и биметалла алюминий-медь. Изоляция - поливинилхлоридный пластикат, полиэтилен, резина, асбест, стекловолокно, резиностеклоткань.

Диапазон сечений - от 0,50 до 120 мм².

Обмоточные провода предназначаются для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов. Токопроводящие жилы изготовляются из меди, алюминия, сплавов сопротивления (нихром, манганин, константан). В качестве изоляции применяются эмалевые покрытия на основе синтетических лаков, пропитанное лаками волокно, натуральный шелк, синтетическая и хлопчатобумажная пряжа, пленки, бумага, пластмассы. В ограниченном объеме выпускаются обмоточные провода со сплошной стеклянной и стеклоэмалевой изоляцией.
Диапазон размеров — от диаметра 12 мкм для круглых проводов до сечения 60×80 мм для прямоугольных проводов.

Радиочастотные кабели предназначены для передачи высокочастотной энергии между антеннами и различными радиотехническими и электронными устройствами, а также для соединений внутри этих устройств. Выпускаемые кабели в основном имеют коаксиальную конструкцию. Внутренний проводник медный, изоляция из полиэтилена, фторопласта или полувоздушная (пористые пластмассы, шайбы, кордель и т. п.). Поверх изоляции наложены внешний проводник и защитная оболочка из полиэтилена или поливинилхлоридного пластиката.

Рассмотренные группы кабельных изделий далеко не исчерпывают номенклатуру кабелей и проводов, насчитывающую около 30000 макроразмеров. В частности, выпускаются судовые, грузонесущие, геофизические кабели, кабели для электрофильтров, бортовые провода, провода зажигания, жгуты автомобильных и автотракторных проводов и др.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислить виды кабелей.

2. Указать основные материалы токопроводящей части кабелей.

3. Какие используют материалы в качестве изоляции кабелей?

 

Лекция 9.

Тема: Характеристика диэлектрических материалов.

План лекции:

1. Общие характеристики диэлектриков.

Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление.

Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся:

1. удельное объемное сопротивление,

2. удельное поверхностное сопротивление,

3. диэлектрическая проницаемость,

4. температурный коэффициент диэлектрической проницаемости,

5. тангенс угла диэлектрических потерь

6. электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление — величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью.

 

Удельное поверхностное сопротивление — величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами.

 

Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак.

 

Диэлектрическая проницаемость — величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости.

 

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры.

 

Тангенс угла диэлектрических потерь — величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

 

Электрическая прочность — величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением.

 

Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость.

 

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков.

 

Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной.

 

Водопоглощаемость — это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше.

 

Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

 

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислить электрические характеристики диэлектриков.

2. Перечислить механические характеристик электроизоляционных материалов.

3. Перечислить физико – химические характеристики диэлектриков.

4. Указать тепловые характеристики диэлектриков.

 

 

Лекция 10.

Тема: Классификация и свойства диэлектрических материалов.

План лекции:

1. Классификация диэлектриков по химическому составу.

2. Классификация диэлектриков по способу получения.

3. Классификация диэлектриков по строению.

 

По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

 

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики.

Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

 

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные.

Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия — узла кристаллической решетки.

Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

 

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков.

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, озоно, - термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

Применение в энергетике:

- линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;

- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;

- конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.

С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.

1. Нагревостойкая электрическая изоляция. Это в первую очередь изделия из слюдяных материалов, некоторые из которых способны работать до температуры 700 С. Стекла и материалы на их основе (стеклоткани, стеклослюдиниты). Органосиликатные и металлофосфатные покрытия. Керамические материалы, в частности нитрид бора. Композиции из кремнийорганики с термостойким связующим. Из полимеров высокой нагревостойкостью обладают полиимид, фторопласт.

2. Влагостойкая электрическая изоляция. Эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны. Ярким представителем этого класса является фторопласт. В принципе возможна гидрофобизация путем создания защитных покрытий на других негидрофобных диэлектриках.

3. Радиационно стойкая изоляция. Это, в первую очередь, неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен).

4. Тропикостойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие - бумага, картон.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Как делятся диэлектрики по строению?

2. Перечислить органические диэлектрики.

3. Перечислить неорганические диэлектрики.

4. Привести классификацию диэлектрических материалов по условиям применения.

 

 

Лекция 11.

Тема: Назначение, состав классификация пластических масс керамических и других электроизоляционных материалов.

План лекции:

1. Свойства полимеров.

2. Классификация полимеров.

3. Бумага и картон.

4. Материалы изоляторов.

5. Керамика.

6. Слюдяные диэлектрические материалы.

Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств. По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.

Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля.

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH₂)_nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название - полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения - повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. Другие характеристики практически одинаковы: удельное сопротивление 10¹⁴-10¹⁵ Омм, удельное поверхностное сопротивление 10¹⁵ Ом, диэлектрическая проницаемость 2.2-2.4, тангенс угла диэлектрических потерь 10^-4, электрическая прочность 45-55 кВ/мм, теплопроводность 0.3-0.4 Вт/(мК), теплоемкость 2 кДж/(кгК), плотность 920-960 кг/м³. Класс нагревостойкости Y. Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. "сшитый" полиэтилен. (В зарубежной литературе - cross-linked polyethylene). Его получают либо облучением высокоэнергетичными частицами (электронами, фотонами, тяжелыми частицами), либо вулканизацией. При этом образуется пространственная сетка, подобно тому, как это реализуется в резине. Модифицированный материал может эксплуатироваться при температуре до 200 С, кроме того, он становится более стойким по отношению к агрессивным средам и растворителям, механически более прочным, его удельное сопротивление повышается примерно на два порядка.

Из других термопластичных полимеров, используемых в энергетике в виде электроизоляционных пленок отметим полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки - не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах. Так делают изделия из эпоксидных полимеров, кремнийорганической резины.

Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.

Эпоксидные полимеры обладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов - простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью - капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100С до +250С) - полиимиды и композиты на их основе.

Бумага и картон.

Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном растворе с добавками. Целлюлозные волокна разделяются, полученная пульпа загущается удалением некоторого количества воды, из нее удаляются металлические примеси. Затем следует прокатка между вальцами, при повышенных давлении и температуре. Чем выше плотность бумаги, тем выше как механическая, так и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м³, т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 МВ/см.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз)

Материалы для изоляторов.

В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины. Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых - эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.

Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны:

R R

| | НО-Si-O-{-Si-O-}nH

| | R R

Где R - одинаковые, либо разные органические радикалы. В зависимости от типа этих радикалов меняются свойства кремнийорганической резины. Иногда в основной цепи чередуются не только кремний и кислород, но и бор (боросилоксановые каучуки), углерод (силкарбоновые каучуки), азот (силоксазановые каучуки). Получают кремнийорганическую резину из исходного каучука с помощью вулканизации, т.е. сшивки в пространственные комплексы исходных молекул. При этом химическая связь возникает либо по концевым H и OH группам, либо по радикалам. Реакция протекает за счет радиационного облучения, либо за счет химических агентов при повышенной температуре. Как правило, с завода-изготовителя поступает готовая к вулканизации масса.

Свойства чистых кремнийорганических резин неудовлетворительны, в первую очередь ввиду низкой прочности и недостаточной свето-озоностойкости. В настоящее время изоляторы делают из композиционных материалов на основе кремнийорганических каучуков. В качестве усиливающих активных наполнителей используют нанопорошки двуокиси кремния (аэросил, белая сажа) и двуокиси титана. Из электрофизических и теплофизических свойств композиционного материала отметим:

диэлектрическая проницаемость = 2.9-3.6;

удельное объемное сопротивление 10¹²-10¹³ Омм;

удельное поверхностное сопротивление 10¹²-10¹⁴ Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 510^-4-210^-3;

электрическая прочность 18-24 кВ/мм,

теплоемкость 1.2-1.5 кДж/(кГК);

плотность 1100-1600 кГ/м³;

прочность на разрыв 4-6 МПа.

Резюмируя свойства кремнийорганических резин, отметим, что они имеют удовлетворительные электрофизические свойства, высокую теплоемкость, сравнительно невысокую механическую прочность. Из других свойств выделим, то, что они стойки к действию озона, света и масла, морозостойки (- 50-90)С и нагревостойки (180250)С, влагонепроницаемы, но газопроницаемы, масло-бензонестойки.

Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов. Основные характеристики:

диэлектрическая проницаемость 7;

удельное объемное сопротивление 10¹¹ Омм;

удельное поверхностное сопротивление 10⁹-10¹² Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 210^-2;

электрическая прочность 25-30 кВ/мм,

теплопроводность 1.0-1.2 Вт/(мК);

теплоемкость 1.2-1.5 кДж/(кгК);

плотность 2300-2500 кг/м³;

прочность на разрыв 90 МПа.

Сравнивая данные по фарфору и кремнийорганическим резинам, можно выделить, что недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность, высокие диэлектрические потери.

Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия, натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно загустевшую жидкость вследствие переохлаждения. Обычное, щелочное стекло непригодно для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное стекло. Его характеристики:

диэлектрическая проницаемость 7;

удельное объемное сопротивление 10¹² Омм;

удельное поверхностное сопротивление 10¹⁴ Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 2.410^-2;

электрическая прочность 48 кВ/мм,

теплопроводность 0.92 Вт/(мК);

теплоемкость 1 кДж/(кгК);

плотность 2500 кг/м³;

прочность на разрыв 90 МПа.

К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.

 

Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl₂(АlSi₃О₁₀)(ОН)₂ и флогопит КMg₃(АlSi₃О₁₀(ОН)₂. Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды