Занятие № 4

4 Диэлектрические материалы

4.1 Твердые диэлектрики

Теоретическая часть

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Полимеры - высокомолекулярные соединения. Они имеют большую молекулярную массу. Молекулы полимеров - макромолекулы - состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:

повторяющееся звено.

Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев.

Степень полимеризации - весьма важная характеристика, она равна числу элементарных звеньев в молекуле.

Для поливинилхлорида:

n - степень полимеризации.

Полимеры с малым n называются агломератами.

Полимеризация - реакция образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов или полимеризация — это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества в большие молекулы высокополимерного вещества без изменения его элементарного состава.

Пример реакции полимеризации этилена:

nH2C = CH2 [ - CH2 - CH2 - ]n .

Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта и др.) или поликонденсация — это процесс составления молекул нескольких исходных (мономерных) веществ в большие молекулы высокополимерного вещества.

Полимеры делят на два типа - линейные и пространственные в зависимости от структуры молекул.

Термопластичные полимеры (термопласты) - на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагреве - размягчаются, а при остывании - затвердевают без химических изменениях (растворимы, формуются).

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 (процесс необратим).

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

Совокупность характеристик, определяющих поведение полимеров в электрическом поле ( ), в значительной мере зависит от полярности звеньев макромолекул, наличия остаточных функциональных групп и разных примесей и изменяется от температуры, частоты, амплитуды внешнего электрического поля. Диэлектрические свойства связанны со строением, молекулярной структурой и зависят от температуры.

Значение полимеров определяется наличием в них носителей заряда ионов, полярных групп и их подвижностью.

Полярные полимеры имеют более низкие значения , большие значения и чем неполярные (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен).

В кабельной технике и при высоких частотах применяют материалы с малой (неполярные и слабополярные), в конденсаторостроении при низких частотах - с повышенным (полярные). Длительная рабочая температура линейных полимеров (кроме фторосодержащих и полифенилов) не выше 120 ⁰C. Особенно нагревостойки кремнийорганические и некоторые другие элементоорганические полимеры, температура которых достигает 180-200 ⁰C. Высокая термоустойчивость проявляется у полимеров пространственного строения.

Пластические массы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

Состав и свойства пластмасс

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

Термопластичные пластмассы. В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен — продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению. Имеет высокую прочность, эластичен, длительная нагревостойкость обычного необлученного полиэтилена 90 ⁰С, хороший диэлектрик, морозостоек. Это легкий, водостойкий материал, из которого изготовляют в основном пленки, трубы и емкости для агрессивных жидкостей, изоляцию кабелей и СИП.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С).

Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный или бесцветный, аморфный полимер, продукт полимеризации стирола. Производится в виде листов, стержней, порошка и блоков. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Полистирол - хороший диэлектрик, широко используется как электроизоляционный материал в высокочастотной технике. Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.

Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.

Полярные термопластичные пластмассы.

Фторопласт-3 — полимер трифторхлортилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость.

Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки, имеют высокую прочность и упругость.

Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды — это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон, анид и др. Они продолжительное время могут работать на истирание, ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях.

Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.

Поликапроамид - (капрон, перлон и др. ) - термопласт, стоек к щелочам, кислотам, бензину и маслам. Используют главным образом в производстве пленок, волокна, а также подшипников, втулок, червячных и зубчатых колес, электроизоляционных и бытовых изделий.

Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом — майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Термостойкие пластики

Ароматический полиамид — фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов.

Термореактивные пластмассы

Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.

Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс получают посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Плотность гетинакса 1350-1450 кг/м³, электрическа прочность (перпендикулярно слоям) 20-40 МВ/м, = 5-6 (диэлектрическая проницаемость). Дугостойкость невысокая (после дуги образуется науглероженный след - трекинг - повышенной проводимости).

Слоистая структура приводит к анизотропии, т.е. объемное сопротивление вдоль слоев в 50-100 раз выше, а электрическая прочность в 5-8 раз ниже, чем поперек.

Текстолит - пластик, аналогичный гетинаксу, но изготовляемый из пропитанной ткани. Он намного дороже гетинакса и применяется для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание.

Наиболее нагревостойкими, влагостойкими и механически прочными являются стеклотекстолиты.

Вывод

Пластмассы широко используют в машиностроении, электротехнике, радиотехнике, в строительстве. Детали из пластмасс имеют высокие фрикционные и антифрикционные свойства, хорошую химическую и коррозионную стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, низкую теплопроводность, малую плотность, высокую удельную прочность, хорошо склеиваются, свариваются и обрабатываются резанием. По сравнением с металлами и сплавами пластмассы имеют малые ударную вязкость и модуль упругости.

Одним из важнейших минеральных (природных) электроизоляционных материалов является слюда, обладающая ценными качествами - высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью.

Слюда встречается в виде кристаллов, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на тонкие пластинки по плоскостям спайности. Крупнейшие месторождения высококачественной слюды имеются в Индии.

По химическому составу слюда - водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: мусковит и флогопит.

Электротехнический фарфор является основным керамическим материалом среди низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с V_раб до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металокерамических и других изделий, которые имеют высокую механическую прочность, нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.

Можно выделить основные виды изделий из керамических материалов: это высоковольтные изоляторы - стационарные для оборудования распредустройств и аппаратуры (опорные, проходные, вводы, маслонаполненные и др.) и линейные для линий электропередач - подвесные и штырьевые.

Закаленные изоляторы из обычного стекла эффективно используются в качестве подвесных изоляторов. Подвесные закаленные стеклянные высоковольтные изоляторы ПС-4-5 установлены на линиях электропередачи 35, 110, 220 кВ.

Выполните задания

4.1. Заполните табл. 4.1 и среди перечисленных диэлектриков выберите обладающий наибольшей электрической прочностью и наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь. Укажите область применения этого диэлектрика.

Таблица 4.1 - Основные характеристики полимеризационных диэлектриков

Характеристика	Полистирол	Полиэтилен	Винипласт	Органическое стекло	Капрон
Плотность, кг/м3
Теплостойкость (по Мартенсу), °С
Холодостойкость, °С
Удельное электрическое сопротивление, Ом *м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность, МВ/м

Ответ:

4.2. Определите вид полимеризационного диэлектрика по следующему описанию: «Твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь, получается из газа этилена (Н2С = СН2) посредством его полимеризации под давлением». Назовите область применения данного диэлектрика.

4.3. Определите вид полимеризационного диэлектрика по следующему описанию: «Высокополимерный термопластичный прозрачный материал, легко окрашивается во многие цвета, обладает оптической прозрачностью (пропускает 0,2 % лучей видимой области спектра)». Назовите область применения данного диэлектрика.

4.4. Заполните табл. 4.2 и среди перечисленных диэлектриков выберите обладающий наилучшими электрическими характеристиками. Укажите область применения этого диэлектрика.

Таблица 4.2 - Основные характеристики поликонденсационных диэлектриков

Характеристика	Бакелитовая смола (бакелит)	Новолачные смолы (новолаки)	Глифталевые смолы (глифтали)	Лавсан	Эпоксидная смола
Плотность, кг/м3
Теплостойкость (по Мартенсу), °С
Удельное электриче­ское сопротивление, Ом*м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность, МВ/м

Ответ:

4.5. Определите вид твердого поликонденсационного диэлектрика по следующему описанию: «Этот материал получают в результате реакции поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при избытке последнего. Отличительной способностью этого материала является высокая клеящая способность при хороших электрических характеристиках». Назовите область применения данного диэлектрика.

4.6. Определите вид твердого поликонденсационного диэлектрика по следующему описанию: «Прозрачный высокополимерный материал кристаллического или аморфного строения, относящийся к полиэфирам и получаемый в результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля». Назовите область применения данного диэлектрика.

4.7. Заполните табл. 4.3.

Таблица 4.3 - Достоинства, недостатки и области применения твердых полимеризационных диэлектриков

Диэлектрик	Достоинства	Недостатки	Область применения
Полистирол
Полиэтилен
Винипласт
Полиформальдегид
Органическое стекло
Капрон

4.8. Заполните табл. 4.4.

Таблица 4.4 - Достоинства, недостатки и области применения твердых поликонденсационных диэлектриков

Наименование смол	Достоинства	Недостатки	Область применения
Резольные смолы
Новолачные смолы (новолаки)
Глифталевыс смолы (глифтали)
Эпоксидные смолы

Ответьте на вопросы

4.9. Почему диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденсации, обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, полученными в результате полимеризации?

4.10. Какие вещества вводят в капрон для повышения его стойкости к атмосферным воздействиям?

4.11. Какой из полимеризационных диэлектриков устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, бензину и минеральным маслам?

4.12. Почему пластмассовые изделия, изготовленные на основе резольных смол, не рекомендуется применять там, где возможно образование электрических искр?

Выберите правильный ответ

4.13. Нагревостойким органическим диэлектриком, который может длительно использоваться при температуре 200...220 0С, является:

A. Полиимид; B. Фторопласт;

C. Эпоксидная смола; D. Лавсан.

4.14. Этот негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета получается в результате полимеризации сжиженного газа тетрафторэтилена (F2C = CF2) и имеет нагревостойкость до 250 ⁰С. Приведенному описанию соответствует:

A. Полиимид; B. Фторопласт;

C. Эпоксидная смола; D. Лавсан.

4.15. Кремнийорганические электроизоляционные материалы (пластмассы, резины, лаки и др.) могут работать в интервале температур:

A. От-60 до 180 °С; B. От-100 до 100 °С;

C. От 0 до 60 °С; D. От-20 до 100 °С.

4.16. Отличительная особенность всех кремнийорганических диэлектриков:

A. Высокая нагревостойкость;

B. Низкая холодостойкость;

C. Оба перечисленных фактора.

4.17 Фторопласт-4 работает в интервале температур:

A. От 0 до 180 °С;

B. От-100 до 200 °С;

C. От-269 до 250 °С.

4.18. Полиимидные пластмассы обладают:

A. Высокой нагревостойкостью (220...250 °С);

B. Низкой нагревостойкостью (80... 100 °С);

C. Низкими электрическими и механическими характеристиками;

D. Всеми перечисленными свойствами;

E. Ни одним из перечисленных свойств.

4.19. Эти смолы представляют собой сиропообразную жидкость либо твердое вещество желтой или светло-коричневой окраски. Они нашли широкое применение в электротехнике как основа электроизоляционных заливочных компаундов, а также в качестве клеящих лаков и клеев. Приведенному описанию соответствуют:

A. Эпоксидные смолы;

B. Глифталевые смолы;

C. Новолачные смолы.

4.20. Этот высокополимерный термопластичный прозрачный материал поддается всем видам механической обработки (сверление, фрезерование и др.) Детали из него легко склеиваются дихлорэтановым клеем. Приведенному опиисанию соответствует:

A. Полиэтилен; B. Органическое стекло;

C. Фторопласт-4; D. Полиамид.

4.21. Теплостойкость полиэтилена составляет:

А. 70 °С; В. 100 °С; С. 150 °С; D. 200 °C.