Электроизоляционные материалы

1.  Введение

2.  Проводниковые материалы

3.  Электроизоляционные  материалы

4.  Электроизоляционные  лаки и эмали

5.  Электроизоляционные  компаунды

6.  Непропитанные волокнистые  электроизоляционные  материалы

7.  Электроизоляционные  лакированные ткани  (лакоткани)

8.  Пластические массы

9.  Слоистые электроизоляционные  пластмассы

10.  Намотанные электроизоляционные  изделия

11.  Минеральные электроизоляционные  материалы

12.  Слюдяные электроизоляционные  материалы

13.  Слюдинитовые электроизоляционные  материалы

14.  Слюдопластовые электроизоляционные  материалы

15.  Электрокерамические  материалы и стекла

16.  Магнитные материалы

17.  Электротехническая  листовая сталь

18.  Пермаллои

19.  Магнитно-твердые  материалы

20.  Ферриты

21.  Полупроводниковые  материалы и изделия

22.  Электроугольные изделия (щетки для электрических машин) 
 
 

1.  Введение

Электротехнические  материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых  материалов, предназначенных для  работы в электрических и магнитных  полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые  полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических  машин, аппаратов и электрических  установок в основном зависит  от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических  машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных  и других материалов можно создать  надежное в эксплуатации электрооборудование  при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

2.  Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление  довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе  сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых  материалов, стойких к окислению  при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые  сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или  волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые  материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным  металлическим проводникам прежнюю  величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке - отжигу без доступа кислорода.

3.  Электроизоляционные  материалы

Электроизоляционными  материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых  осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое  электрическое сопротивление. По химическому  составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу  получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут  быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются  в электротехнике.

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

По агрегатному  состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой  является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных  материалов оценивают с помощью  величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное  сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической  проницаемости, тангенс угла диэлектрических  потерь и электрическая прочность  материала.

Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность  оценить электрическое сопротивление  материала при протекании через  него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить  электрическое сопротивление материала  при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной  проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления - величина, определяющая изменение удельного сопротивления  материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление  уменьшается, следовательно, их температурный  коэффициент удельного сопротивления  имеет отрицательный знак. Диэлектрическая  проницаемость - величина, позволяющая  оценить способность материала  создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая  проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической  проницаемости - величина, дающая возможность  оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь - величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность - величина, позволяющая оценить  способность диэлектрика противостоять  разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных  и других материалов оценивается  при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при  растяжении, относительное удлинение  при растяжении, предел прочности  материала при сжатии, предел прочности  материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление  раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число - это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость - это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам  диэлектриков относятся: температура  плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура  вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость.

Большое применение в электротехнике получили пленочные  электроизоляционные материалы, изготавливаемые  из полимеров. К ним относятся  пленки и ленты. Пленки выпускают  толщиной 5-250 мкм, а ленты - 0,2-3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой  гибкостью, механической прочностью и  хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20-100 мкм и шириной 8-250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30-200 мкм, а ширина 230-1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5-40 мкм и шириной 10-200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки.

Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25-100 мкм и шириной 50-650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила - 20-200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабо пластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм.

4.  Электроизоляционные  лаки и эмали

Лаки - это растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел, эфиров целлюлозы  или композиций этих материалов в  органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. По своему назначению электроизоляционные  лаки делят на пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток  электрических машин и аппаратов  с целью закрепления их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. Покровные лаки позволяют создать  защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначаются для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями с целью получения слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микалента и др.).

Эмали представляют собой лаки с введенными в них  пигментами - неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик и др.). Пигменты вводятся с  целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дутостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали относятся к покровным материалам.