А.2 Газообразные диэлектрики

А.1. Классификация диэлектрических материалов

 

 

Рис 1 Классификация диэлектриков

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики), как показано на рис.1.

Электроизоляционные материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схем или конструкции, находящиеся под разными электрическими потенциалами. В этом случае его роль чисто пассивная

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает определенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию. Иногда конденсатор используется для разделения цепей постоянного и переменного тока, для изменения сдвига фазы и т. д. Роль диэлектрика и в данном случае нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электрической схеме.

Один и тот же материал можно употреблять и для электрической изоляции, и как диэлектрик в электрическом конденсаторе (например, слюда, керамика, стекла, полистирольные и другие пленки). Однако требования к этим материалам имеют существенные различия. Если для электроизоляционного материала желательно возможно меньшая величина относительной диэлектрической проницаемости материала, то для диэлектрика конденсатора желательно возможно большее значение.

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.

а.2 Газообразные диэлектрики

 

Преимуществами газов перед остальными видами диэлектрических материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. Кроме воздуха в качестве диэлектриков широко используют двух- и трехатомные газы - азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха.

Газ	Плотность кг/м3	Температура кипения, oC	Eпр.г/Епр.в
Азот	1.25	-196	1.0
Гексафторид серы (элегаз)	6.70	-64	2.3
Дихлорфторметан (фреон-12)	6.33 (при -30oC)	-30	2.4
Гексафторэтан	9.01	-78	2.0
Трифторметилпентафторсера	-	-20.4	3.05

В таблице приведены отношения электрической прочности некоторых газов Е_пр.г к электрической прочности воздуха Е_пр.в, которое принято за единицу, а также даны точки кипения газов при нормальном давлении. Наилучшим образом требова-

ниям к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяет элегаз и фреон. Зависимость Епр/p от произведения p.h (h- расстояние между электродами, p -давление) в однородном поле для воздуха, элегаза и фреона-12 показана на рисунке. Гексафторэтан нельзя использовать при повышенных давлениях из-за низких критических параметров (Ркр=3.3МПа; Ткр=-24оС). Следует отметить нежелательность использования фторсодержащих газов из-за их отрицательного воздействия на озоновый слой Земли.

А.3 Жидкие диэлектрики.

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них тепло, выделяющееся при работе.

Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов. По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей.

Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую опасность. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров жидкого диэлектрика в смеси с воздухом. Эта температура должна быть не ниже 135-140^оС.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандартном разряднике составляет

50-60КВ при 50Гц

и примерно 120КВ при воздействии импульсного напряжения

Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tgδ (до 2^.10^-4).

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка:

	|
-	Si	-	O	-,
	|

атомы кремния которой связаны с органическими радикалами.

По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фтороорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Они получили применение для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям.

А.4 Твердые диэлектрики.

А.4.1. Полимеры.

Общие свойства

Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров.

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых получаются при соединении друг с другом большого числа молекул более простых по составу веществ, так называемых мономеров. Например, в молекуле поливинилхлорида:

-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl-

повторяющимся звеном является группировка:

-CH₂-CHCl-.

Степень полимеризации является важной характеристикой полимеров - она равна числу элементарных звеньев в молекуле. Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде

(-CH₂-CHCl-)_n,

где n - степень полимеризации.

Так как полимеры представляют собой смеси молекул с различной длиной цепи, то под молекулярной массой полимера понимают ее среднее статистическое значение. Молекулярная масса полимера может достигать значение несколько миллионов.

Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этой реакции в мономере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Примером реакции является полимеризация этилена:

nH₂C=CH₂ --> (-H₂C-CH₂-)_n.

Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с одновременным образованием побочных низкомолекулярных продуктов реакции (воды, спирта и др.). Элементный состав мономерной молекулы отличается от элементного состава полимерной молекулы. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших высокополимеров, таких как фенолформальдегидные, полиэфирные смолы и др. Термином смола в промышленности иногда пользуются наряду с названием полимер.

Полимеры делят на два типа - линейные и пространственные в зависимости от пространственной структуры макромолекул. В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку.

Термопластические полимеры получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они легко размягчаются и расплавляются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. Они гибки и эластичны. Из их можно изготавливать нити или пленки. Они растворяются в подходящих по составу растворителях.

Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в жесткое, неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.

Линейные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

1. Стеклообразное состояние. Материал в этом состоянии обладает хрупкостью и при весьма больших механических напряжениях он лишь незначительно деформируется перед разрушением. Температуру, при которой полимер в процессе нагревания перестает быть стеклообразным и приобретает высокую эластичность, обозначают Т_с.

2. Высокоэластичное состояние. В этом состоянии материалы при сравнительно небольших механических напряжениях обладают весьма большой упругой деформацией. Так, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз. При дальнейшем нагревании и достижении температуры Т_т полимер переходит в состояние текучести.

3. Вязкотекучее состояние. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляет необратимую пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.

При понижении температуры линейные полимеры вновь проходят через все перечисленные стадии.

Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз - степени кристалличности.

Электрические свойства полимеров.

Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.) характерны большие значения ρ (10¹⁴ - 10¹⁶ Ом^.м), малый tgδ (порядка 10 ^{- 4}), малое значение ε (2.0 - 2.4), Е_пр ~ 20 - 40 МВ/м.

Полярные полимеры имеют более низкие значения ρ(~ 10¹⁴), большие значения ε (для слабополярных полимеров составляет обычно 2.8 - 4.0; для полярных в зависимости от строения полимера она меняется от 4 до 20) и повышенные значения tgδ. (порядка 10 ^{– 2}), Е_пр ~ 15 - 50 МВ/м.

Увеличение степени кристалличности приводит к увеличению ε. Так, у аморфного полистирола ε составляет 2.49 - 2.55, у кристаллического - 2.61.

Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой ε (неполярные и слабополярные полимеры), в конденсаторостроении - с повышенными значениями ε.

При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых мала ε и диэлектрические потери.

В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями ε в стеклообразном состоянии.

Нагревостойкость полимерных материалов.

Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторсодержащих не превышает 120^оС (исключение фторопласт-4 - 300⁰С), нагревостойкость кремнийорганических и некоторых элементоорганических полимеров достигает 180 - 200^оС. Высокую устойчивость к действию повышенной температуры проявляют полимеры пространственного строения.

Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией. Мономерные звенья макромолекул этих полимеров не

обладают дипольным моментом. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией. Применяют для изготовления высокочастотных конденсаторов и ВЧ изоляции радиомонтажных проводов и кабелей.

Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (ε=3 - 6) и повышенными диэлектрическими потерями (tgδ=1^.10^-2 - 6^.10^-2 на частоте 1МГц).

Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация.

Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, фторолон-3 (политрифторхлорэтилен), полиамидные смолы. Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конденсаторные в диапазоне низких частот.

Полимеры, получаемые поликонденсацией. В зависимости от особенностей проведения реакции поликонденсации могут быть получены полимеры как с линейной, так и с пространственной или сетчатой структурой молекул. В связи с тем, что при поликонденсации происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов, которые не всегда могут быть полностью удалены из полимера, диэлектрические параметры поликонденсационнных полимеров несколько ниже, чем у получаемых с помощью полимеризации.

Эпоксидная диановая смола Линейный кремнийорганический полимер Фенолформальдегидная смола

Однако поликонденсационные полимеры могут быть получены с рядом ценных свойств, обусловливающих их широкое применение для материалов, применяемых в электротехнических целях. Так, линейные поликонденсационные полимеры имеют высокую прочность и большое удлинение при разрыве. Многие из них способны вытягиваться в тонкие нити, из которых можно получать электроизоляционные ткани, пряжу. Некоторые полимеры применяются для изготовления пленочных материалов. Поликонденсационные полимеры с линейной структурой макромолекул, которым присущи свойства термопластичных материалов в исходной стадии, являются в своей конечной стадии термореактивными. Например, фенолформальдегидная смола (резол), молекулы которой при нагревании легко переходят в пространственное строение(бакелит), благодаря наличию групп (-CH2OH-) Поликонденсационные полимеры широко применяются как связующее в пластмассах, в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков. Из числа наиболее широко применяемых поликонденсационных полимеров можно назвать фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и полиэфирные.

В таблице приведены основные показатели некоторых упомянутых полимеров.

Диэлектрические параметры	Полиэтилен	Фторопласт-4	Поливинилхлорид	Эпоксидные смолы
ρ, Ом.м	1015	1015 - 1018	1011 - 1013	1012 - 1013
ε, 1МГц	2.2 - 2.4	1.9 - 2.2	3.1 - 3.4	3.9 - 4.2
tgδ, 1МГц	(2 - 4).10-4	(2 - 2.5).10-4	0.015 - 0.018	-
Епр, МВ/м	45 - 55	25 - 27	35 - 45	20 - 80
Траб, оС				120 - 140

Электроизоляционные органические полимерные пленки - тонкие и гибкие материалы нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. Электроизоляционным пленкам для отличия их от пленок другого назначения присваиваются специальные марки. Органические полимерные пленки могут быть разделены на две большие группы, разделяющиеся по электрофизическим свойствам: неполярные и полярные пленки. Для изоляции обмоток низковольтных электрических машин важную роль играют полимерные пленки с повышенной нагревостойкостью. Малая толщина пленок, наряду с высокими значениями электрической и механической прочности, обеспечивает не только увеличение надежности, но и существенное улучшение технико-экономических показателей. Марки наиболее важных электроизоляционных пленок приведены в таблице.

Неполярные пленки	Полярные пленки
Полиэтиленовая (ПЭ), марки М, Т, Н	Поливинилхлоридная (ПВХ)
Полипропиленовая (ПП), марки К, О	Полиимидная пленка
Политетрафторэтиленовая (ПТФЭ), марки КО, ЭО, ЭН, ИО, ПН	Полиэтилентерефталатная (ПЭТ), марки Э, КЭ

А.4. 2. Каучуки.

Каучуки (эластомеры) представляют собой полимеры, находящиеся в состоянии высокой эластичности. По сравнению с рассмотренными линейными полимерами интервал температур между Тт и Т_с данных материалов наиболее широкий; причем рабочая температура для их эксплуатации находится в середине этого интервала.

Эластомеры были получены методами органической химии в качестве искусственных заменителей натурального каучука, близких к нему по строению и свойствам. Поэтому эластомеры называют также каучуками.

Основные свойства каучуков:

- высокая эластичность, превосходящая эластичность большинства материалов

- малая проницаемость для влаги и газов

- хорошие диэлектрики.

Подробнее поговорим о каучуках в разделе «Конструкционные материалы»