Классификация и свойства диэлектриков
Классификация и свойства диэлектриковДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
=== Скачать файл ===
Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных 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 электрической изоляции 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. 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 о С. Из характеристик трансформаторного масла следует отметить кинематическую вязкость при температуре 20 и 50 о С, знание которой весьма важно, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов ухудшается теплоотвод от обмоток и магнитопровода трансформатора, а это может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также кислотное число, которое необходимо контролировать для учета старения масла в процессе его эксплуатации. 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 КВ при 50Гц и примерно КВ при воздействии импульсного напряжения. С целью повышения устойчивости масел к процессам старения в масла вводят синтетические ингибиторы - ионол, ДВРС и др. Ингибиторы замедляют процесс старения масла в раза. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенерации. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием 'молекулярные сита '. Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tg б до 2. Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высококой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированнных углеводородов их применеие сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество. Значения тангенса угла диэлектрических потерь для трихлордифенила, совтола и гексола при 90 о С лежит в пределах 0. Удельное объемное сопротивление полихлордифенилов при рабочих температурах в пределах 3. Наименее полярные свойства проявляются у гексола, у которого Е при 70 о С не превышает 2. 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:. 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. Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. По составу в большинстве случаев пластмассы представляют собой композиции из связующего и наполнителя. Кроме связующих и наполнителя применяют пластификаторы для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. В некоторые пластмассы вводятся стабилизаторы - химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс и повышению стойкости пластмасс к воздействию тепла, света, кислорода воздуха. По способности к формованию полимерные материалы подразделяются на две группы - термопласты термопластичные и реактопласты термореактивные. Широкое применение в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преимущственно электроизоляционного назначения. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые пластики. Гетинакс получается путем горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Гетинакс выпускается нескольких марок. Отметим гетинакс марки Х, который имеет повышенную штампуемость и гетинакс марки ЛГ, изготовляемый на основе лавсановой бумаги и эпоксидной смолы. Для изготовления печатных схем радиоэлектронной аппаратуры выпускается около 10 различных марок фольгированного с одной и с двух сторон гетинакса. Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Применение стеклопластиков в качестве электроизоляционного и конструкционного материала в электромашиностроении позволяет создавать электрические машины разных классов нагревостойкости, повышать их надежность в эксплуатации и решать ряд новых технических задач. 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: 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. Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na 2 O 3 , K 2 O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов. Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO 2 и B 2 O 3. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность. Q стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 10 8 до 10 15 Ом. Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных. Стекла с большим содержанием оксидов PbO и BaO имеют низкий tg б. Самую низкую Е имеет кварцевое стекло 3. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, Е стекол увеличивается и становится высокой порядка Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до кВ переменного и до кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава до о С. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов. Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице. В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tg б на частоте 1МГц не должен превышать 0. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил TiO 2. Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция -CaTiO 3 и SrTiO 3. Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой. В качестве электрической изоляции в настоящее время применяют два вида минеральных слюд - мусковит и флогопит. Кроме природных слюд применяются также и синтетические. Использование слюды в качестве изоляции крупных турбо- и гидрогенераторов, тяговых электродвигателей и в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах связано с ее высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, механической прочностью и гибкостью. Сравнение свойств мусковита, флогопита и фторфлогопита - синтетической слюды приведено в таблице. На основе природной и синтетической слюды может быть изготовлено много различных интересных для техники материалов. Многочисленные новые слюдинитовые и слюдопластовые материалы обеспечивают в настоящее время повышение надежности электротехнического оборудования, улучшения качества и повышение удельной мощности электрических машин. Электроизоляционные лаки представляют собой коллоидные растворы лаковой основы, образующие после удаления растворителя пленку, обладающую электроизоляционными свойствами. Растворители - летучие жидкости, применяемые для растворения лаковых основ, улетучивающиеся в процессе образования пленки. Растворителями могут служить ароматические углеводороды, спирты, сложные и простые эфиры, скипидар и др. В состав лака, кроме того, могут входить следующие дополнительные вещества. Сиккативы - вещества, ускоряющие процесс высыхания растительных масел и лаков. Пластификаторы - вещества, придающие эластичность и ударную прочность лаковой пленке. Отвердители - соединения, способствующие отверждению пленки лака. Инициаторы и ускорители - вещества ускоряющие процесс образования полимеров. Электроизоляционные эмали представляют собой лаки, в составе которых имеются пигменты - высокодисперсные неорганические вещества, повышающие твердость и механическую прочность лаковой пленки, теплопроводность, дугостойкость. В качестве пигментов часто применяют двуокись титана, железный сурик и др. По способу сушки электроизоляционные лаки делятся на три основные группы: По назначению и выполняемым функциям электроизоляционные лаки принято подразделять на три основные группы: Электроизоляционные компаунды - в основном состоят из тех же веществ, которые входят в состав лаковой основы электроизоляционных лаков, но, в отличие от лаков, не содержат растворителей. В момент применения при нормальной и повышенной температуре компаунды находятся в жидком состоянии и твердеют после охлаждения или в результате происходящих в них химических процессов. Кроме того, в состав компаундов могут входить активные разбавители, понижающие вязкость компаунда, пластификаторы, отвердители, инициаторы и ингибиторы назначение которых то же, что и в лаках. В состав компаунда могут также входить наполнители - неорганические и органические порошкообразные или волокнистые материалы, применяемые для уменьшения усадки, улучшения теплопроводности, уменьшения температурного коэффициента расширения и снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют пылевидный кварц, тальк, слюдяную пыль, асбестовое и стеклянное волокно и ряд других. По химическому составу электроизоляционные компаунды делятся на компаунды, изготовляемые на основе нефтяных битумов, растительных масел и канифоли, и компаунды на основе синтетических смол. Компаунды на основе синтетических смол изготовляются на основе полиэфирных, эпоксидных, эпоксидно-полиэфирных, кремнийорганических и прочих смол и композиций. По отношению к нагреву электроизоляционные компаунды делятся на термопластичные и термореактивные. Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков. К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рисунке, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса и резко выраженная температурная зависимость , в которой максимум достигается при температуре Кюри. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:. Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используют для модуляции изменением электрического поля прикладываемого к кристаллу, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Посмотрите, как изменяется от температуры для некоторых конденсаторных сегнетоэлектрических материалов. Отметим, что все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное не справедливо. Пьезоэлектрики - это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. В различных пьезопреобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном на основе твердых растворов цирконата-титоната свинца сокращенно ЦТС. К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, то есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария стронция, триглицинсульфат - ТГС, ниобат и танталат лития. Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок элементарных звеньев , соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:. Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. 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. Степень полимеризации является важной характеристикой полимеров - она равна числу элементарных звеньев в молекуле. Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде. 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:. 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 поимерной 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 термопласты получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. Для электрической изоляции применяются в основном в форме нитей или пленок, получаемых из расплавов. Способность к формированию и к растворению в подходящих по составу растворителях сохраняется у них и при повторных нагревах. Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул отверждения переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым. Линейные аморфные и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех физических состояниях: Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз - степени кристалличности. Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др. Полярные полимеры имеют более низкие значения Q , большие значения Е и tg б. Относительная диэлектрическая проницаемость слабополярных полимеров составляет обычно 2. Влияние строения полимера на Е в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема. Увеличение степени кристалличности также приводит к увеличению Е. Так, у аморфного полистирола Е составляет 2. Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой Е неполярные и слабополярные полимеры , в конденсаторостроении - с повышенными значениями Е. При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых мала Е и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями Е в стеклообразном состоянии. Значения tg б зависят от химического строения, структуры полимера. Низкомолекулярные примеси и, в частности, влага, включения пузырей воздуха, пыль, частицы низко- и высокомолекулярных веществ могут привести к появлению дополнительных максимумов в температурной зависимости tg б. Значения tg б для неполярных полимеров лежат в пределах от 10 -4 до 10 Вблизи и выше Т с - температуры стеклования возможен рост tg б при повышении температуры, что обусловлено повышением ионной проводимости полимера. Значения tg б полярных полимеров в сильной степени зависят от частоты и температуры, что ограничивает их применение при высоких частотах. Электрическая прочность Е пр с повышением температуры резко снижается в области Т с для аморфных и Т пл для кристаллических полимеров. Полярные полимеры имеют более высокую Е пр , чем неполярные в области комнатных и низких температур. Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторсодержащих полифенилов не превышает о С, особенно нагревостойкость кремнийорганических и некоторых элементоорганических полимеров, длительная рабочая температура которых достигает - о С. Высокую устойчивость к действию повышенной температуры проявляют полимеры пространственного строения. Природные полимеры - целлюлоза, шеллак, лигнин, латекс, протеин и искусственные, получаемые путем переработки природных - натуральный каучук, целлюлоза и др. В некоторых областях, например в целлюлозо-бумажной промышленности они остаются незаменимыми. Однако для производства и потребления диэлектрических материалов в настоящее время наибольшее значение имеют синтетические полимеры. Классификация диэлектриков по функциональному назначению Газообразные диэлектрики Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Жидкие диэлектрики Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных по температуре вспышки и вязкости. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка: Пластмассы и пленочные материалы Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. Стекло и керамика Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп: Слюда и слюдяные материалы Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой. Лаки, эмали, компаунды Электроизоляционные лаки представляют собой коллоидные растворы лаковой основы, образующие после удаления растворителя пленку, обладающую электроизоляционными свойствами. Активные диэлектрики Диэлектрики, предназначенные для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий, относятся к группе активных диэлектриков. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы: H 2 SO 4 , дигидрофосфат калия KH 2 PO 4 и др. Общие свойства Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Например, в молекуле поливинилхлорида: Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде -CH 2 -CHCl- n , где n - степень полимеризации. Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами. Примером реакции является полимеризация этилена:
Наумов олег геннадьевич лор где принимает
Структура справочно правовых систем
Пример автобиографии по контракту