Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λ_т. λ_т – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м² при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λ_т имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λ_т = 0,025 Вт/(м·К), для воды λ_т = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λ_т = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварцаλ_т = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения:  . Материалы с малым тепловым расширением, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловое расширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз) превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеров деталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительно выше по сравнению с органическими.

 

Радиационная стойкость диэлектриков

Современная техника может подвергаться воздействию корпускулярных или волновых излучений высокой энергии, которое изменяет физические и химические свойства материалов. Степень стойкости физико-химических свойств материала, степень сохранения ими электрических, механических и других свойств к воздействию излучения называется радиационной стойкостью.

Взаимодействие излучения с веществом зависит от природы вещества и излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном за счет ионизации (внутренний фотоэффект), возбуждения атомов, комптоновского рассеяния, при очень больших энергиях из-за ядерных преобразований. Часть энергии излучения расходуется на выбивание атомов в междоузлия, т.е. на создание дефектов структуры – вакансий и междоузельных атомов, в основном в поверхностном слое материала. Но воздействие излучений, обладающих большой длиной пробега частиц, например, нейтронов, вызывает нарушение структуры по всему объему облучаемого материала.

Воздействие излучения может сопровождаться химическими превращениями - разрываются и перемещаются химические связи, образуются свободные радикалы. Так в органических полимерах происходит выделение газов, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация образование поперечных связей, вулканизация. Химические превращения сопровождаются изменением физических свойств материала.

Стойкие к воздействию излучения материалы должны:

           должны обладать способностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации;

           способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв связей.

Наиболее стойкими к облучению неорганическими диэлектриками являются: кварц, слюда, глинозем, оксид циркония оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связующим. Воздействие излучения приводит у них к снижению удельного сопротивления и электрической прочности, После прогрева облученных неорганических диэлектриков при высоких температурах (отжига) у них возможно восстановление первоначальных свойств.

Изучение влияния радиоактивного излучения на органические полимеры: полиэтилен, полистирол, синтетический и натуральный каучуки и др. – показывает, что ароматические соединения^[5]проявляют большую стойкость к действию радиации по сравнению с алифатическими соединениями^[6]. Полагают, что бензольные кольца^[7] поглощают значительную часть радиоактивного излучения без деструкции. В результате повышается радиационная устойчивость соединений с бензольными кольцами (полистирол) по сравнению с полимерами алифатического ряда без бензольных колец (полиэтилен, фторопласт). Наименее устойчивы к действию радиации полидиметилсилоксаны^[8]. Фенильные группы^[9] в полимерах увеличивают стойкость к радиации.

 

Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы классифицируются по:

           агрегатному состоянию – газообразные, жидкие, твердые и твердеющие (лаки, компаунды) материалы;

           по химической природе – органические, неорганические, элементоорганические материалы. 

 

Газообразные диэлектрики

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. При ионизации космической радиацией, нагревом их электроизоляционные свойства резко снижаются.

Электрическая прочность воздуха при нормальном давлении 2,1 МВ/м. Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты электрического поля. Воздух при высоком давлении превосходит по электрической прочности такие диэлектрики, как фарфор и трансформаторное масло.

 

Жидкие диэлектрики

Подразделяются на 3 группы:

1)     нефтяные масла;

2)     синтетические жидкости;

3)     растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др. 

 

Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового (С_nН_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.

Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Электрические свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от качества очистки масла от примесей, содержания в нем воды и степени обезгаживания. Диэлектрическая проницаемость масла 2,2, удельное электрическое сопротивление 10¹³ Ом·м.

Назначение трансформаторных масел – повышать электрическую прочность изоляции; отводить тепло; способствовать дугогашению в масляных выключателях, улучшать качествоэлектроизоляции в электротехнических изделиях: реостатах, бумажных конденсаторах, кабелях с бумажной изоляцией, силовых кабелях - путем заливки и пропитки.

Трансформаторное масло в процессе эксплуатации стареет, что ухудшает его качество. Старению масла способствуют: контакт масла с воздухом, повышенные температуры, соприкосновение с металлами (Сu, Рb, Fе), воздействие света. Для увеличения срока службы масло регенерируют очисткой и удалением продуктов старения, добавлением ингибиторов.

Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.

 

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

 

Хлорированные углеводороды

Совол – пентахлордифенил С₆Н₂Сl₃ – С₆Н₃Сl₂, получают при хлорировании дифенила С₁₂Н₁₀

 

С₆Н₅ – С₆Н₅ + 5Сl₂ → С₆Н₂Сl₃ – С₆Н₃Сl₂ + 5НСl

 

Совол применяется для пропитки и заливки конденсаторов. Обладает более высокой по сравнению с нефтяными маслами диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемостьсовола 5,0, удельное электрическое сопротивление 10¹¹  10¹²Ом·м.  Применяется совол для пропитки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью и невысоким рабочим напряжением.

Совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов.

 

Кремнийорганические жидкости

Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые, полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость, химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Жидкие полиорганосилоксаны представляют собой полимерные соединения с низкой степенью полимеризации, молекулы которых содержат силоксанную группировку атомов

 

,

 

где атомы кремния связаны с органическими радикалами R: метилом CH₃, этилом C₂H₅, фенилом C₆H₅. Молекулы полиорганосилоксановых жидкостей могут иметь линейную, линейно-разветвленную и циклическую структуру.

 

Жидкие полиметилсилоксаны получают при гидролизе диметилдихлорсилана в смеси с триметилхлорсиланом.

Образующиеся жидкости бесцветны, растворяются в ароматических углеводородах, дихлорэтане и ряде других органических растворителей, не растворяются в спиртах и ацетоне.Полиметилсилоксаны химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством органических диэлектриков и резин. Диэлектрическая проницаемость 2,0  2,8, удельное электрическое сопротивление 10¹² Ом·м, электрическая прочность 12  20 МВ/м

Формула полидиметилсилоксана имеет вид

– Si(СН₃)₃ – О – [Si(СН₃)₂ – О]_n – Si(СН₃) = О

Жидкие кремнийорганические полимеры находят применение как:

1) смазочные масла и смазки; 2) гидрофобизация; 3) при литье металлов для смазки форм; 4) диэлектрик для пропитки бумажных конденсаторов; 5) амортизационные и гидравлические масла; 6) масла для конденсационных насосов.

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе^[10] диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана. Имеют широкий интервал температур кипения. Строение выражается формулой:

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Жидкие полиметилфенилсилоксаны имеют строение, выражаемое формулой

Получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

При γ – облучении вязкость кремнийорганических жидкостей сильно возрастает, а диэлектрические характеристики резко ухудшаются. При большой дозе облучения жидкости  превращаются вкаучукоподобную массу, а затем в твердое хрупкое тело.

 

Фторорганические жидкости

Фторорганические жидкости – С₈F₁₆ – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости.

 

Органические полимерные материалы

Полиэтилен

Полиэтилен, структурная формула которого имеет вид

(– СН₂ – СН₂ –)_n,

представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С₂Н₄ при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

Молекулы полиэтилена обладают способностью образовывать участки материала с упорядоченным расположением цепей (кристаллитов), поэтому полиэтилен состоит из двух фаз (кристаллической и аморфной), соотношение которых определяет его механические и тепловые свойства. Аморфная придает материалу эластичные свойства, а кристаллическая – жесткость. Аморфная фаза имеет температуру стеклования +80 °С. Кристаллическая фаза обладает более высокой нагревостойкостью.

Агрегаты молекул полиэтилена кристаллической фазы представляют собой сферолиты с орторомбической структурой. Содержание кристаллической фазы (до 90 %) в полиэтилене низкого давления выше, чем в полиэтилене высокого давления (до 60 %). Благодаря высокой кристалличности полиэтилен низкого давления имеет более высокую температуру плавления (120 -125 °С) и более высокую прочность при растяжении. Структура полиэтилена в значительной степени зависит от режима охлаждения. При его быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, при медленном охлаждении – крупные. Быстро охлажденный полиэтилен отличается большой гибкостью и меньшей твердостью.

Свойства полиэтилена зависят от молекулярного веса, чистоты, посторонних примесей. Механические свойства зависят от степени полимеризации. Полиэтилен обладает большой химической стойкостью. Как электроизоляционный материал широко применяется в кабельной промышленности и в производстве изолированных проводов.

В настоящее время изготовляются следующие виды полиэтилена и полиэтиленовых изделий:

1.      полиэтилен низкого и высокого давления - (н.д.) и (в.д.);

2.      полиэтилен низкого давления для кабельной промышленности;

3.      полиэтилен низкомолекулярный высокого или среднего давления;

4.      пористый полиэтилен;

5.      полиэтиленовый специальный шланговый пластикат;

6.      полиэтилен для производства ВЧ кабеля;

7.      электропроводящий полиэтилен для кабельной промышленности;

8.      полиэтилен, наполненный сажей;

9.      хлорсульфированный полиэтилен;

10. пленка полиэтиленовая.