3.2.2. Твердые диэлектрики

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

Почти все термопласты горючи, а изделия из них пожароопасны.

В электроизоляционной технике термопласты применяют для изоляции проводов и кабелей, катушек индуктивности, а также как составную часть клеев, лаков, пластмасс и др. Все термопласты по восприятию воздействия на них электрического поля делятся на неполярные и полярные.

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

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

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

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

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

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

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

Полистирол – один из первых синтетических материалов, используемых в электро- и радиотехнике, хороший диэлектрик, его электрические свойства не зависят от влажности окружающей среды и температуры в пределах от – 80 до + 90С, обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов, относительно хрупок, при старении полистирола его хрупкость увеличивается. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8 % каучука. Полученный материал называют «ударопрочным полистиролом», его ударная вязкость выше, чем у ПС, в два – три раза, улучшаются показатели других физико-механических свойств.

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

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

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

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

Полярные термопласты характеризуются повышенными значениями диэлектрической проницаемости и существенными диэлектрическими потерями, которые зависят от температуры и частоты напряжения, удельное сопротивление и электрическая прочность у полярных термопластов ниже, чем у неполярных материалов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2.2.4. Пластические массы (пластмассы) – это композиционные материалы, состоящие из связующего полимера, наполнителей и других ингредиентов. При эксплуатации они находятся в стеклообразном или кристалли-ческом состоянии, основными их компонентами являются связующее и наполнители.

Связующее образует матрицу, которая объединяет в единое целое все составные части пластмассы и в значительной мере обусловливает комплекс ее свойств. В качестве связующего используют органические смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при нагреве и одновременном воздействии давления формоваться и приобретать заданную форму.

Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим, по своей природе они разделяются на органические и неорганические, которые бывают порошкообразными, волокнистыми и листовыми.

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

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

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

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

Наиболее распространенными видами этого материла являются гетинакс и текстолит.

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

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

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

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

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

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

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

Основным видом низкочастотной установочной керамики является электротехнический фарфор, в его состав входят глина (50 %), кварц (25) и полевой шпат (25). С повышением температуры и после длительного воздействия постоянного напряжения электрические и механические свойства электрофарфора значительно снижаются. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, которые изготовлены из низкочастотной установочной керамики, проработавших 20 – 30 лет, наблюдается потускнение глазури и краев «шапки» и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамике относится высоковольтная стеатитовая керамика, изготовленная на основе минерала талька, глинистых веществ и окиси бария. Эта керамика в сравнении с электротехническим фарфором имеет повышенные электрические и механические свойства, она применяется там, где необходимо обеспечение повышенной механической прочности, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики применяется также термодугостойкая керамика, способная многократно выдерживать значительные термоудары. Термодугостойкая керамика используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, высоковольтных выключателей и т. п.

Более подробно состав и свойства группы диэлектрических материалов рассматриваются при изучении специальных электротехнических дисциплин.