Цель и задачи практических занятий

Введение

Данные методические указания к практическим занятиям предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника». Они позволяет решить вопросы практических занятий по дисциплине «Конструкционные и электротехнические материалы» полностью, опираясь на теоретический курс и на дополнительные источники указанные в пункте 6 данного методического указания.

Выполнение практических занятий, объём которых определяется учебным планом дисциплины, является предварительной стадией подготовки к диф. зачету, являющимся логическим завершением курса.

Цель данного цикла работ – закрепить теоретические знания и обеспечить практическую подготовку инженеров электротехнических специальностей по разделу «Конструкционные и электротехнические материалы». Это позволит будущему инженеру на основе сведений о перспективных направлениях совершенствования материалов и способов их обработки грамотно выбирать и эксплуатировать электротехнические материалы, правильно оценить надежность, экономичность и экологическую целесообразность их выбора при разработке новой электротехнической аппаратуры, предназначенной для различных условий эксплуатации.

Практические занятия базируются на знаниях, полученных в средней школе и при прохождении курсов изучаемых в университете таких как: введение в физику, физика, химия, высшая математика и широко используются в последующих дисциплинах специализации таких как: электроэнергетика, электроснабжение, энергоснабжение, эксплуатация электроэнергетических систем.

Объем каждого занятия выбран с таким расчетом, чтобы студент за одно практическое занятие имел возможность полностью выполнить задание и составить отчет по работе.

Цель и задачи практических занятий

Целью практических занятий является формирование знаний в области физических основ электроматериаловедения, углубление знаний о современных методах получения электротехнических материалов, закрепление знаний студентов, полученных на лекциях при изучении курса «Конструкционные и электротехнические материалы».

Задачами практических занятий является усвоение обучающимися классификации современных материалов, взаимосвязи между основными характеристиками материалов, их структурой и процессами, происходящими в них при воздействии таких внешних факторов, как высокие и низкие температуры, высокая влажность, механические нагрузки, химические агрессивные среды, ионизирующие излучения, приобретения студентами практических навыков проведения исследований и расчетов в области электроматериаловедения.

План практического занятия

1) Контроль подготовленности студентов к занятиям.

2) Знакомство с теоретическими сведениями к очередному занятию.

3) Решение типовых задач на доске при консультации преподавателя.

4) Самостоятельное решение задач и оформление отчета.

5) Обработку результатов занятия преподавателем.

6) Подведение итогов занятия.

Методические указания к проведению практических занятий

Трудоемкость практических занятий в третьем семестре составляет 17 часов.

Наименование тем практических занятий	Трудоемкость (час.)	Методические материалы
1 Основные характеристики электротехнических материалов		п. 6.1 - 6.4
2 Основные характеристики электротехнических материалов		п. 6.1 - 6.4
3 Диэлектрические материалы		п. 6.1 - 6.4
4 Диэлектрические материалы		п. 6.1 - 6.4
5 Диэлектрические материалы		п. 6.1 - 6.4
6 Проводниковые материалы и изделия		п. 6.1 - 6.4
7 Полупроводниковые материалы		п. 6.1 - 6.4
8 Магнитные материалы		п. 6.1 - 6.4
Всего

Для лучшего усвоения тем каждое практическое занятие разбито на следующие части: выполните задания, ответьте на вопросы, выберите правильный ответ.

Занятие № 1

Механические характеристики

Теоретическая часть

К механическим свойствам можно отнести: упругость, прочность, вязкость, прочность на разрыв, сжатие и изгиб и др. Они характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы.

Способность диэлектрика выдерживать статические нагрузки характеризуются разрушающим напряжением при растяжении, сжатии или изгибе, пределом текучести, относительным удлинением при разрыве, относительной деформацией при сжатии и др. характеристиками. Перечисленные параметры определяются стандартизированными методами.

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых) значения мех. прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Так же надо отметить, что для ряда диэлектриков (стекол, керамических материалов, многих пластмасс) предел прочности при сжатии значительно больше чем при разрыве и изгибе (у металлов величины s_р, s_с,s_и имеют один и тот же порядок). Пример: у кварцевого стекла s_с 200 МПа, s_р 50 МПа.

Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит от температуры, как правило, уменьшаясь с её ростом. Прочность гигроскопичных материалов может зависеть от влажности.

Определение предела прочности и деформации при разрушении даёт представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (пластичность).

Большое практическое значение имеют хрупкость, твердость, вязкость электроизоляционных материалов.

К основным механическим характеристикам материалов относятся:

- разрушающее напряжение при растяжении s_р, Н/м²,

s_р = P_p/S₀, (1)

где Р_р — разрушающее усилие при растяжении образца материала, Н; S_o — площадь поперечного сечения образца до испытания, м²;

- разрушающее напряжение при сжатии s_c,Н/м²,

s_c = P_C/ S₀, (2)

где Р_с — разрушающее усилие при сжатии образца материала, Н;

- разрушающее напряжение при статическом изгибе s_н, Н/м²,

s_н =1,5Р_нL/bh², (3)

где Р_н — разрушающее усилие при статическом изгибе, Н; L — расстояние между опорами в испытательной машине, м; b, h — соответственно ширина и толщина образца, м;

- ударная вязкость a, Дж/м²,

a = DА/S₀, (4)

где DА — работа, совершенная маятником при разрушении образца.

Выполните задания

1.1. Определите разрушающее напряжение при растяжении опытного образца с площадью поперечного сечения до испытания 10 см², если разрушающее усилие при растяжении образца материала составляет 200 Н.

1.2. Определите площадь поперечного сечения образца до испытания, если известно, что разрушающее усилие при растяжении опытного образца равно 200 Н, а разрушающее напряжение при растяжении этого образца составляет 3 000 Н/м².

1.3. Определите разрушающее напряжение при сжатии опытного образца цилиндрической формы высотой 15 мм и диаметром 10 мм, если разрушающее усилие при сжатии составляет 200 Н.

1.4. Определите разрушающее усилие при сжатии опытного образца цилиндрической формы высотой 20 мм, диаметром 10 мм, если разрушающее напряжение при сжатии материала образца составляет 2 000 Н/м².

1.5. Определите разрушающее напряжение материала при статическом изгибе опытного образца шириной 5 мм, толщиной 4 мм, если расстояние между стальными опорами в испытательной машине равно 50 см, а изгибающее усилие составляет 200 Н.

1.6. Определите ударную вязкость испытуемого материала, если работа, затраченная маятником на разрушение образца, составляет 120 Дж, а площадь образца равна 20 см².

Ответьте на вопросы

1.7. Как ударная вязкость испытуемого материала зависит от хрупкости этого материала?

1.8. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при растяжении?

1.9. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при сжатии?

1.10. Образцы какой формы используются для определения разрушающего напряжения при статическом изгибе?

Занятие № 2

Тепловые характеристики

Теоретическая часть

Тепловые характеристики позволяют оценить поведение электроизоляционных материалов при нагревании. Это имеет важное значение, так как большинство электроизоляционных материалов в электрических машинах и аппаратах работает при повышенных температурах.

Поведение диэлектрического материала при нагревании характеризуется рядом свойств, которые в совокупности определяют его допустимую рабочую температуру.

К важнейшим термическим свойствам материала относятся: температура плавления; температура размягчения; теплопроводность; теплоемкость; тепловое расширение; нагревостойкость, температура вспышки паров, стойкость к термоударам, холодостойкость.

Весьма важна способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшения эксплуатационной надежности, т.к. от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура прибора или устройства.

Нагревостойкость электрической изоляции определяют по изменениям ее электрической прочности, тангенсу угла диэлектрических потерь, потере массы, механической прочности, а так же других параметров при выдержке при повышенных, по сравнению с рабочей, температурах.

Теплопроводность - один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры.

От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев проводников и магнитопроводов. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к термоударам.

Количественно теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности , определяемым как количество тепла, прошедшего через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м (К - кельвин).

Большинство диэлектриков имеет значения намного меньше, чем проводниковые.

Ответьте на вопросы

2.1. У каких материалов определяется температура плавления?

2.2. В чем отличие аморфных материалов от кристаллических?

2.3. Почему нельзя применять материалы при температурах, близких к температуре размягчения?

2.4. В чем отличие теплостойкости материала от его нагревостойкости?

2.5. Что происходит с диэлектрическими материалами при низких температурах?

2.6. Каким параметром определяется холодостойкость жидких диэлектриков?

Выберите правильный ответ

2.7. Характеристикой, позволяющей оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву, является:

A. Нагревостойкость;

B. Теплостойкость;

C. Температура размягчения.

Выполните задания

2.8. Дайте определение. Температура размягчения — это:

2.9. В чем отличие аморфных материалов от кристаллических?

2.10. Почему нельзя применять материалы при температурах, близких к температуре размягчения?

2.11. В чем отличие теплостойкости материала от его нагревостойкости?

2.12. Что происходит с диэлектрическими материалами при низких температурах?

2.13. Каким параметром определяется холодостойкость жидких диэлектриков?

Выберите правильный ответ

2.14. Характеристикой, позволяющей оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву, является:

A. Нагревостойкость;

B. Теплостойкость;

C. Температура размягчения.

Выполните задания

2.15. Дайте определение.

Холодостойкость – это:

Температура размягчения – это:

Температура вспышки жидких диэлектриков – это:

2.16. Перечислите тепловые характеристики материалов.

Занятие № 3

Диэлектрические материалы

Теоретическая часть

Диэлектрические материалы имеют важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы которые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под разными электрическими потенциалами.

Назначение электрической изоляции – не допускать прохождения электрического тока по каким – либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства.

Электроизоляционные материалы классифицируются по агрегатному состоянию и подразделяются на газообразные, жидкие и твердые диэлектрики. Из твердых диэлектриков можно выделить группу так называемых твердеющих диэлектриков.

Так же электроизоляционные материалы подразделяются в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат водород, кислород, азот. Прочие вещества считаются неорганическими; они содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород.

К газообразным диэлектрикам относятся воздух и двух- и трехатомные газы - азот, водород, углекислый газ. Их широко используют в качестве электрической изоляции. Электрическая прочность у них примерно одинакова и близка к прочности воздуха.

Жидкие диэлектрики применяются в электрических аппаратах высокого напряжения, в блоках электронной аппаратуры (изоляция, отвод тепла). К ним относятся нефтяные электроизоляционные масла (трансформаторное масло), синтетические жидкие диэлектрики которые применяют, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасной среде, а также жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений.

В группу твердых диэлектриков входят полимеры, пластмассы, эластомеры, волокнистые материалы, слюда, керамические изоляционные материалы, стекло.

Газообразные диэлектрики

Теоретическая часть

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух, представляющий собой смесь газов и паров воды. Основными характеристиками газообразных диэлектриков являются электропроводность, напряжение пробоя в однородном электрическом поле, напряжение пробоя в неоднородном электрическом поле.

Преимуществами газов являются высокое удельное сопротивление, (малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая (~1) диэлектрическая проницаемость). Наиболее важное свойство - востановление электрической прочности после разряда.

Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы - азот, водород, углекислый газ. Электрическая

прочность у них примерно одинакова и близка к прочности воздуха.

В учебнике Богородицкого Н.П. на стр. 91 (табл. 6-1) приведены свойства воздуха и некоторых широко применяемых в технике газов, а также свойства тех же газов в сжиженном состоянии.

Лучше всего требованиям к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяют элегаз SF6 (гексафторид серы) и фреон CCl2F2 (дихлорфторэтан). Гексафторэтан нельзя использовать при повышенных давлениях из-за низких критических параметров (PКР = 3,3 МПа, Т= -24 0С).

Азот применяется часто вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и др., так как не содержит кислород, который является окислителем.

Водород имеет весьма высокий коэффициент теплопроводности, несмотря на его меньшую электрическую прочность по сравнению с воздухом и применяется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах.

Элегаз и гексафторид серы (SF6) имеют электрическую прочность примерно в 2,5 раза больше чем у воздуха. Поскольку элегаз обладает низкой температурой кипения и высокой плотностью (примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха), он может быть сжат до давления 2 МПа без сжижения. Он нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800 0C. При повышенных давлениях он обладает существенно более высокой дугогасящей способностью. Применение: элегазовые выключатели, распредустройства в которые входят разъединители, короткозамыкатели, трансформаторы тока и напряжения, элегазовые кабели (высоковольтные).

Гелий - обладает уникальными свойствами: самая низкая температура сжижения; диэлектрическая проницаемость жидкого гелия весьма мала (того же порядка, что и газов); мало различие коэффициентов теплопроводности жидкого и газообразного гелия. Теплота испарения жидкого гелия чрезвычайно низка, что существенно для криогенной техники. Сжиженный гелий применяют в качестве низкотемпературного хладагента, в частности для устройств, в которых используется явление сверхпроводимости.

Иногда в качестве криогенного хладагента применяют жидкий неон (инертный газ, невзрывоопасен), но стоимость его очень высока (в 15000 раз дороже жидкого водорода).

Выполните задания

3.1. Заполните табл. 3.1 и среди перечисленных газов выберите обладающий наилучшими изоляционными свойствами. Укажите область его применения.

Таблица 3.1 - Основные характеристики газообразных диэлектриков

Газообразный диэлектрик	Плотность, г/см3	Диэлектрическая проницаемость	Электрическая прочность, МВ/м	Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К)
Воздух
Азот
Водород
Углекислый газ
Элегаз

Ответ:

3.2. Почему в области малых расстояний между электродами (h < 0,1 мм) пробой газа происходит при повышенных значениях пробивного напряжения?

3.3. В чем отличие однородного электрического поля от неоднородного?

3.4. Как однородность электрического поля влияет на пробой газа?

Выберите правильный ответ

3.5. Иногда в слое воздуха, непосредственно соприкасающемся с поверхностью проводов высокого напряжения, наблюдается светлое фиолетовое свечение — электрическая корона. Причиной ее возникновения является:

A. Ухудшение электроизоляционных свойств воздуха;

B. Воздействие на воздух повышенного напряжения;

C. Обе перечисленные причины;

D. Причина, не указанная в предыдущих ответах.

3.6. В нормальных условиях работы газообразных диэлектриков их проводимость:

A. Высокая;

B. Низкая;

C. Не зависит от условий работы;

D. Не соответствует ни одному из предыдущих ответов.

3.7. Изменение тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается в виде кривой, называемой:

A. Газовой характеристикой;

B. Характеристикой электрической проводимости;

C. Вольт-амперной характеристикой;

D. Характеристикой с иным названием, чем перечисленные.

3.8. В момент пробоя газа напряжение и ток в нем ведут себя следующим образом:

A. Ток резко возрастает, а напряжение стремится к нулю;

B. Ток уменьшается, а напряжение увеличивается;

C. Ток и напряжение остаются неизменными, а изменяется давление газа;

3.9. Большое влияние на пробой газа в неоднородном поле оказывает:

A. Полярность электродов;

B. Наличие ионизированных частиц в газе;

C. Напряженность электрического поля;

D. Все перечисленные факторы.

3.10. Чтобы избежать возникновения электрической короны и повысить величину пробивного напряжения газообразного диэлектрика, необходимо:

A. Закруглить острые кромки электродов или закрыть их металличе скими колпаками (экранами) большего диаметра;

B. Изменить полярность электродов;

C. Заземлить электроды;

D. Выполнить все перечисленные действия.

Жидкие диэлектрики

Теоретическая часть

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и неполярными. Их электрофизическое свойства в значительной степени зависят от строения молекул и наличия примесей.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью, электропроводностью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью.

Жидкие диэлектрики применяются в электрических аппаратах высокого напряжения, в блоках электронной аппаратуры (изоляция, отвод тепла).

Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти и представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического радов с небольшой примесью других компонентов (атомов серы, кислорода и азота). Свежее трансформаторное (конденсаторное) масло имеет обычно соломенно-желтый цвет (чем глубже очистка, тем светлее).

Нефтяные электроизоляционные масла - горючие жидкости, поэтому правила пожарной безопасности должны тщательно соблюдаться. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров в смеси с воздухом, - должна быть не ниже 135-140 ⁰С. Важно и значение температуры застывания (гашение дуги, отвод тепла). Наиболее важные свойства нормированы ГОСТ 982-80. Это: кинематическая вязкость; кислотное число- количество граммов КОН, которым можно полностью нейтрализовать все кислые продукты в 1кг масла (для учета старения масла при эксплуатации); плотность масла (0,85-0,9 мг/м³); температурный коэффициент объемного расширения (0,00065 К-1); удельная теплоемкость 1,5 Дж/(кг*К); коэффициент теплопроводности (1 Вт/м*К).

Трансформаторное масло в работе постепенно стареет - потемнение; образуются загрязняющие продукты (кислоты, смолы), которые заиливают электроаппарат и ухудшают электропровод от нагревающихся деталей. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число, ухудшаются электроизоляционные свойства.

Скорость старения возрастает:

а) при доступе воздуха (окисление);

б) при повышении температуры (наивысшая - 95 ⁰С);

в) при соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) - катализаторами старения;

г) при воздействии света;

д) при воздействии электрического поля.

Добавки ингибиторы - антиокислительные присадки (ионол, пирамидон и др.).

Регенерация масла достигается обработкой специальными адсорбентами. Кроме трансформаторного масла используют и другие виды: конденсаторные, кабельное масла, масла для масляных выключателей, контакторных устройств.

Синтетические жидкие диэлектрики применяются, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасной среде. Стоимость синтетических масел выше нефтяных.

Выполните задания

3.11. Заполните табл. 3.2 и среди перечисленных масел выберите обладающее наименьшей плотностью, наибольшей электрической прочностью и наименьшей диэлектрической проницаемостью. Укажите область применения этого масла.

Таблица 3.2 - Основные характеристики нефтяных изоляционных масел

Характеристика	Трансформаторное масло	Конденсаторное масло	Кабельное масло
Плотность, кг/м3
Температура вспышки паров, °С
Температура застывания, °С
Удельное электрическое сопротивление Ом • м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 50 Гц
Электрическая прочность, МВ/м

Ответ:

3.12. Заполните табл. 3.3 и среди перечисленных жидкостей выберите обладающую наименьшей температурой вспышки паров, наибольшей электрической прочностью и наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь. Укажите область применения этой жидкости.

Таблица 3.3 - Основные характеристики синтетических изоляционных жидкостей

Характеристика	Совол	Севтол-10	ПЭСЖ
Плотность, кг/м3
Температура вспышки паров, °С
Температура застывания, °С
Удельное электрическое сопротивление, Ом • м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность, МВ/м

Ответ:

3.13. Сравните характеристики, приведенные в табл. 3.2 и 3.3, и выберите изоляционную жидкость, обладающую лучшими диэлектрическими характеристиками. Назовите область применения этой жидкости.

3.14. Перечислите компоненты, входящие в состав электроизоляционных нефтяных масел.

3.15. Перечислите способы очистки масла.

3.16. Почему нефтяные диэлектрики нашли большее применение, чем синтетические?

3.17. Перечислите основные области применения жидких диэлектриков.

3.18. Каким способом получают нефтяные электроизоляционные масла?

3.19. Какие примеси образуются при старении масла и как от них избавляться?

3.20. Как замедлить старение масла?

Выберите правильный ответ

3.21. Химический состав нефтяных масел определяется:

A. Составом нефти;

B. Наличием примесей;

C. Состоянием окружающей среды.

3.22. Наиболее вязкое масло применяют:

A. Для кабелей с бумажной изоляцией;

B. В масляных выключателях;

C. Для заполнения внутреннего пространства силовых трансформаторов.

3.23. Старение масла вызывает:

A. Повышенная температура;

B. Электрическое поле;

C. Соприкосновение с металлическими частями электрооборудова­ния;

D. Все перечисленные факторы.

3.24. Недостатками нефтяных масел являются:

A. Высокая горючесть и невысокая температура вспышки паров;

B. Малая величина диэлектрической проницаемости;

C. Все перечисленные факторы;

D. Факторы, не указанные в предыдущих ответах.

3.25. Этот жидкий диэлектрик является негорючим веществом, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами, однако он имеет и существенные недостатки, ограничивающие его применение, например большую вязкость. Приведенному описанию соответствует:

А. Совол;

В. Октол;

С. Трансформаторное масло.

Занятие № 4

Диэлектрические материалы

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,