Электротехнические полимерные материалы

ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ

МАТЕРИАЛАМ

РАЗДЕЛ: ДИЭЛЕКТРИКИ

АСТАНА

УДК 621.315

Автор: И.А. Пястолова.

Рецензенты: доктор технических наук, профессор С.Н. Асамбаев

и кандидат технических наук, доцент В.И. Красников

доцент В.И. Красников

И.А. Пястолова Практикум по электротехническим материалам. Раздел диэлектрики. -Астана: Казахский аграрный университет им. С. Сейфуллина. 2003. – 86 с.

Рассмотрены вопросы определения характеристик электроизоляционных материалов и особенности их испытания.

Для студентов электротехнических специальностей энергетического факультета.

© Казахский аграрный университет им. С. Сейфуллина, 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материалы играют большую роль в развитии цивилизации. Целые эпохи истории были названы по материалам, которые применялись в то время. Вначале использовались природные материалы, затем стали применяться комбинации из природных материалов. В настоящее время создаются материалы, которые не существуют в природе, причем они в основном заменили классические материалы.

Электротехника является исторически довольно таки молодой наукой. Ее прогресс тесно связан с получением и применением новых материалов. Первоначально применялись материалы общетехнического назначения. В качестве проводникового материала – обычная медь, в качестве магнитных материалов – мягкое железо, сталь, в качестве электроизоляционных материалов – обычные стекла, фарфор, бумагу и хлопчатобумажную пряжу, парафин, льняное масло и т. д.

Вскоре оказалось, что для электротехнических изделий нужны материалы с особыми свойствами: специальную электролитическую медь, специальные сплавы, специальные магнитные материалы и целый ряд электроизоляционных материалов. Создание полупроводников, привело к порождению новых отраслей электротехники.

Материаловедение – наука о структуре и свойствах материалов. Электротехнический материал в широком смысле – любой материал, который используется в производстве электротехнических изделий.

В узком смысле, который рассматривается в курсе электротехническое материаловедение – это только материал, который имеет специальные свойства в отношении электромагнитного поля.

Материалы, которые являются вспомогательными (кожухи, рычаги и т.д.) называются конструкционными материалами.Многие электротехнические материалы способны выполнять функции конструкционных материалов, но экономически это невыгодно, а вот противоположная замена бывает невозможной.

Различают четыре основные группы электротехнических материалов: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные материалы.

Настоящее пособие посвящено одной группе, наиболее объемной – диэлектрическим материалам, к которым относятся и электроизоляционные материалы. Эти материалы делятся в зависимости от агрегатного состояния: газообразные, жидкие и твердые. Большинство из них относятся к твердым, которые делятся на природные и синтетические, а также органические и неорганические. По размерам молекул – на низкомолекулярные и высокомолекулярные, последние делятся также на термопластичные и термореактивные. С точки зрения электрофизических свойств гораздо ценнее их классификация на полярные и неполярные.

Идеальный электроизоляционный материал определяется как материал, не содержащий свободных носителей заряда. Реально все электроизоляционные материалы содержат некоторое количество свободных носителей, но их удельная электропроводность настолько мала, что они считаются непроводящими. Между электроизоляционным материалом и полупроводниковым нет четкой границы. Все электроизоляционные материалы являются средой электрического поля преимущественно с ионной проводимостью и имеющие удельное сопротивление больше 10^8-10 Ом. м. Хорошим электроизоляционным материалом считается материал удельное электрическое сопротивление которого при комнатной температуре больше 10¹² Ом. м. или материалы ширина запрещенной зоны которых больше 3 э.В.

Диэлектриком называется материал, характерным свойством которого, является способность к поляризации, что качественно характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Они в основном применяются для накопления энергии в конденсаторах, к ним относятся многие полупроводники.

Изолятором называется изделие из электроизоляционного материала, предназначенного для крепления и изоляции друг от друга проводников, находящихся под разными потенциалами (изоляторы ЛЭП). Обычно это фарфор, стекло, пластмассы.

Электрической изоляцией называется система определенного электротехнического изделия, выполненная из одного или нескольких электроизоляционных материалов.

Настоящий лабораторный практикум посвящен самой многочисленной группе электротехнических материалов – диэлектрикам.

Настоящий практикум составлен в соответствии с программой дисциплины «Электротехническое материаловедение» для студентов высших учебных заведений всех энергетических специальностей.

На основании настоящего практикума студент должен освоить методику испытания и определения основных характеристик наиболее распространенных электроизоляционных материалов и приобрести практические навыки работы на лабораторном оборудовании, а также уметь правильно оценить целесообразность выбора и использования материалов.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

О ЛАБОРАТОРНО – ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ

Принцип постоянной связи теории и практики, составляющих основную подготовку инженерных кадров реализуется при проведении лабораторно – практических занятий.

Общая цель лабораторных занятий состоит в приобретении навыков по испытанию электроизоляционных материалов, изделий и электрооборудования, необходимых в будущей деятельности инженеров-электриков, а также в проверке экспериментом отдельных теоретических положений.

Достижение поставленной цели преподаватель оценивает по качеству письменного отчета к лабораторной работе и правильности ответов студентов на контрольные вопросы.

Необходимый и достаточный для студентов материал в практикуме изложен по единой структуре.

v Цель работы.

v Программа работы.

v Теоретические предпосылки.

v Методика выполнения работы.

v Содержание отчета.

v Контрольные вопросы.

v Список используемых источников.

В некоторых теоретических предпосылках содержатся теоретические закономерности, которые предстоит проверить экспериментально, или описываются навыки, которые необходимо приобрести в процессе выполнения лабораторной работы. Эти положения не заменяют материал лекций и учебников, а лишь конкретизируют то, что относится к лабораторной работе.

Программа работ содержит перечень этапов лабораторной работы, последовательность выполнения которых приводит к достижению поставленной цели.

Методический раздел посвящен подробному описанию изучаемой схемы (установки) и рациональной последовательности выполнения каждого этапа работы. Сообщаются особенности проведения отдельных опытов, обработки полученных данных и оформления отчета.

Контрольные вопросы разделены на три группы. Первая группа включает 3 – 4 вопроса, которые позволяют контролировать подготовленность студентов к занятию. По ним осуществляется допуск к работе. Вторая группа посвящена контролю исходных положений, а 3-я умению объяснить ход эксперимента и получение результата.

За несколько дней до проведения цикла лабораторных работ студенты знакомятся с графиком выполнения лабораторных работ и методикой их выполнения.

При подготовке к выполнению лабораторной работы студентам необходимо ознакомиться с ее содержанием по настоящему пособию.

Студенты должны придерживаться следующих правил выполнения лабораторных работ:

v Входить в лабораторию с преподавателем или с учебным мастером, или лаборантом.

v Занимать рабочие места в соответствии с графиком выполнения работ.

v Не уходить с рабочего места без разрешения преподавателя.

v Иметь рабочую тетрадь (12 листов) для записи плана выполнения работ, перечень приборов, оборудования, расчетных формул, электрических схем, таблиц и т.д.

v После получения задания еще раз внимательно ознакомиться с работой, проработать теоретический материал, вычертить схему испытательной установки и подготовить устные объяснения по схеме.

v После окончания лабораторной работы бригада показывает результаты, полученные в процессе опыта, руководителя. Если все сделано правильно бригада сдает резиновые диэлектрические перчатки, электрооборудование, образцы электроматериалов и убирает рабочее место. После чего черновик должен быть подписан руководителем и приложен к одному из отчетов бригады.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

v Лаборатория электротехнических материалов по степени опасности поражения людей электрическим током относится к категории «помещений без повышенной опасности». Однако в лаборатории исполь­зуются электроустановки с напряжением 70 кВ и, поэтому суще­ствует возможность поражения людей электрическим током. Поэтому к работе в лаборатории студенты допускаются только после прохождения инструктажа по охране труда на рабочих местах лаборатории. Запись о проведении инструктажа производится в журнале с обязательной подпи­сью проинформированных студентов и преподавателей, проводивших инструктаж.

v К выполнению очередной лабораторной работы студенты могут присту­пить только после изучения методических указаний, ознакомления с уст­ройством и правилами использования оборудования, приборов, после прохождения допускного контроля знаний на право выполнения работы.

v Перед началом работы проверить исправность заземляющего провода и исправную работу блок контактов установок, находящихся под высоким напряжением.

v Если возникает необходимость работ в зоне испытания, то отключают аппарат автомата, о чем свидетельствует погашенная красная лампочка, регулятор напряжения устанавливают в нулевое положение, отключают шнур питания аппарата, только потом открывают двери. До входа в зону испытания, следует надеть резиновые перчатки, взять штанги с заземляющим проводом, не касаясь последнего и разрядить После изменения расстояния между электродами, последний, кто уходит из испытательной зоны, закрывает за собой двери на механический замок, если в зоне испытания отсутствуют люди. Член бригады, выключающий установку должен работать в диэлектрических перчатках и находиться на коврике, не касаясь заземленных частей и членов бригады. Перед включением схемы включающий обязан предупредить об этом бригаду, а после окончания опыта, сообщить об отключении.

v Студенты несут ответственность за нарушение правил охраны труда.

Требования безопасности перед началом работы.

v Проверить наличие и исправность всех предусмотренных средств за­щиты и пожаротушения.

v Убедиться, что схема рабочего стола отключена. При этом сигнальные лампочки не горят.

v Убрать с рабочего места посторонние предметы и не используемые в данной работе приборы.

Требования безопасности во время работы.

v Необходимо выполнять только ту работу, которая предусмотрена программой эксперимента или заданием преподавателя.

v Не прикасаться ни к какому оборудованию, кроме того, которое предназначено для выполнения заданной лабораторной работы.

v Работать разрешается только на исправных установках с исправными измерительными приборами и электрическими машинами.

v Сборку электрических схем производить только на исправных уста­новках при обесточенном оборудовании. Монтажные провода должны иметь надежную изоляцию, хорошо пропаянные наконеч­ники.

v Перед пуском электроустановки необходимо осмотреть и убрать с нее лишние проводники и посторонние предметы. Нужно убедиться в том, что никто из присутствующих не прикасается к неизолированным то­коведущим частям электрической цепи или вращающимся частям электрических машин, а металлические нетоковедущие части элек­троустановок занулены.

v Включать электрическую цепь под напряжением в начале работы, а также после внесения в нее каких либо изменений можно только с разрешения руководителя занятий, предупредив об этом присутст­вующих на рабочем месте членов бригады.

v Категорически запрещается производить любые изменения в элек­трической цепи под напряжением. При необходимости внесения та­ких изменений нужно обязательно отключить автоматический вы­ключатель на рабочем месте.

v Запрещается опираться локтями на установку и элементы электриче­ской цепи, переступать через токоведущие проводники и подвижные части электрических машин.

v При прекращении подачи электроэнергии отключить автоматический выключатель ввода на панели стола.

v Выполнение лабораторных работ одним человеком не допускается.

v Нельзя оставлять включенной под напряжением схему и всем студен­там отходить от рабочего места.

v Разбирать электрическую цепь можно только при выключенном на­пряжении после проверки преподавателем результатов выполненной работы.

Требования безопасности в аварийных ситуациях.

v Электрическая установка подлежит немедленному отключению в слу­чае попадания человека под напряжение ; появление дыма или огня из оборудования или приборов ; замыкание стрелок приборов ; нарушение нормаль­ной работы схемы ; нарушения изоляции.

v При возникновении пожара:

v Немедленно сообщить о пожаре по тел. 01 ,указав точный адрес.

v Принять меры к тушению пожара. Первичные средства пожаротуше­ния находятся в лаборатории и вестибюле корпуса.

v Сообщить о случившемся пожаре в ближайшие комнаты для выхода людей.

v Поставить в известность руководство того участка, где произошел пожар.

Требования безопасности по окончании работы.

v Выключить питание приборов и оборудования с помощью автомати­ческого выключателя ввода на панели стола.

v Разобрать электрические цепи и сложить на место электрические про­вода и электроизмерительные приборы.

v Навести порядок на рабочих местах. Сдать преподавателю электронные приборы, микрокалькуляторы и методические указания.

v Отключить питание столов, установленных на рабочих местах, автоматическими выключателями силового щита лаборатории.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

По каждой лабораторной работе (до начала следующей) студент составляет индивидуальный отчет. Если перед началом следующей лабораторной работы не представлен отчет по предыдущей работе, то студент не допускается к следующей работе. Отчет должен содержать следующие данные:

v Название и номер лабораторной работы, Ф.И.О. студента, факультет, номер группы;

v Цель работы;

v Краткая характеристика исследуемого материала;

v Схема лабораторной установки, на которой выполнялась работа;

v Полный перечень используемого оборудования, приборов и аппаратов;

v Результаты опытов, расчетов, занесенные в соответствующие таблицы;

v Осциллограммы, графики, характеризующие электротехнические материалы;

v Выводы, заключения, касающиеся данного электротехнического материала, в соответствии с проведенной работой.

В расчетах записываются все использованные формулы в общем виде, а также с подстановкой чисел и их значений. В таблицах и на графиках обязательно указываются единицы измерения каждой величины. Графики выполняют на миллиметровой бумаге. На одной координатной сетке допускается наличие нескольких кривых зависимостей от одного и того же аргумента, но не более 3 – 4.

Лабораторная работа №1

Электротехнические полимерные материалы

Цель работы: Изучение свойств твердеющих электроизоляционных материалов: смол, пластмасс, слоистых пластиков, заливочных компаундов, лаков.

Программа работы

Изучить теоретические предпосылки, ознакомиться с образцами электроизоляционных материалов, представленных на стенде.

Теоретические предпосылки

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегат­ному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном сос­тоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отвергаются и в готовой, находящейся в эксплуатации, изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и и компаунды).

Электроизоляционные смолы

Смолы - обширная группа материалов, характеризующаяся как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органи­ческих веществ, глазным образом, высокомолекулярных), так и некото­рыми общими для них физическими свойствами.

Применяемые в электротехнике смолы большей частью нераство­римы в воде и малогигроскопичны, но растворимы в близких по хими­ческой природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое, прочно прилипают к соприкасающимся с ними твердыми телами.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетичес­ких волокнистых материалов.

По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (например, шеллак) или растений смолоносов (канифоль): их получают в готовом виде и подвергают операциям очистки, переплавки.

Синтетические смолы - наиболее широко распространены в электрической изоляции. Синтетические смолы могут быть полимеризационные и конденсационные.

Полимеризация – химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения химического состава вещества.

Поликонденсация – это химическая реакция между однородными низкомолекулярными соединениями.

Смолы (как и другие соединения) могут классифицироваться по их поведению при нагревании на термопластичные и термореактивные. Термопластичныесмолы при нагревании плавятся, а при охлаждении снова затвердевают. При повторных нагреваниях они не теряют способность плавиться и растворяться в тех же растворителях, что и до нагревания. К ним относятся, как правило, полимеризационные смолы. Термореактивныесмолы при нагревании плавятся, но при выдержке при высокой температуре затвердевают и уже не плавятся и не размягчаются при повторном нагревании. При этом теряется их способность растворяться в тех же растворителях, что и исходная смола. При нагревании в них происходит поперечная сшивка. Придающая всей молекуле жесткость.

Кроме полимеров с поперечностными сетчатными и пространственными молекулами, имеются полимеры с длинными молекулами без поперечных сшивок. Они называются линейными (например, полистирол при коэффициенте полимеризации равном 6000 длина молекулы в поперечном размере меньше).Эти полимеры более гибки и легко растворимы. Из них делают пленки и волокна.

Недостаток конденсационных смол - приих отверждении происходит выделение воды или других низкомолекулярных веществ, остатки которых могут ухудшить электроизоляционные свойства смолы.

Рассмотрим свойства основных синтетических смол.

Термопластичные смолы

К важнейшим термопластичным смолам относятся неполярные и слабополярные пластичные полимеры. Их характеризует высокие электрические свойства негигроскопичность, независимость электрических свойств от влаги, высокая химическая стойкость, широкий диапазон частот электрического поля. Самые распространенные: полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт – 4).

Полиэтилениспользуется в четырех модификациях – высокого давления, низкого давления, вспененный и сшитый.

Получают путем полимеризации этилена: при высоком давлении (до 300 МПа) и температуре 200°С-ПЭВД (высокого давления); при низком давлении (0,5 МПа) и температуре 80°С-ПЭНД (низкого давления); при среднем давлении (5 МПа), температуре 160-275 ⁰С.

Основные характеристики: плотность-0,97 Мг/м³; прочность-до 33 МПа; нагревостойкость - до 90⁰C; холодостойкость -до -65°С); диэлектрическая проницаемость-до 2,4; тангенс угла диэлектрических потерь - 5 10 ^-4; электрическая прочность - до 20МВ/м.

По электроизоляционным свойствам они примерно одинаковы, од­нако технология переработки ПЭД б изделия значительно легче техно­логии переработки полиэтилена других типов. Нагревостойкость полиэтиленов низкая, резко снижаются механическая прочность, происходит старение. Полиэтилены НД и СД отличаются от полиэтилена ВД большей плотностью, повышенной механической прочностью и большей жесткостью, но они менее устойчивы к тепловому старению.

Облученный в деформированном состоянии полиэтилен обладает весьма интересной способностью при умеренном нагреве восстанавли­вать размеры и форму изделия, которая существовала до облучения - термоусадка.

Такие изделия - электроизоляционные трубки и муфты, герметич­ные покрытия обмоток после монтажа. и последующего нагрева дают за­метную усадку и изоляция плотно обжимает проводники, находящиеся внутри её. Намотка из нескольких слоев, облученной полиэтиленовой пленки после термоусадки становится практически монолитной, т.к. отдельные слои соединяются друг с другом.

Помимо облучения возможен химический способ получения полиэти­лена пространственного строения. Следует заметить, что все полиэти­леновые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения свето­стойкости вводят сажу, но она снижает эл. изоляционные свойства.

Полиэтилен - термопластичный материал. Он поступает на заводы в виде гранул. Изделия из них получают методом литья под давлением, горячим прессованием и методом экструзии при нанесении полиэтиленовой изоляции на провод, а также при изготовлении изоляционных шлангов и трубок. Из полиэтилена ВД получают электроизоляционные полупрозрачные пленки толщиной от 30 до 200 мкм и шириной от I до 1,5 м. Из более твердых сортов полиэтилена (СД и НД) изготавливают негибкие электроизоляционные изделия: каркасы катушек, платы и др. При ком­натной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из раство­рителей. Только при температуре 70°С и выше они растворяются в ксилоле, четыреххлоридном углероде и минеральных маслах.

Поведение в пламени: при поджигании полиэтилен горит синева­тым пламенем без копоти, распространяя запах горящего парафина; при горении от полиэтилена. легко отделяются прозрачные капли распла­ва. Стоит по объему производства на втором месте после поливинилхлорида. Пригоден для изоляции жил кабелей, эксплуатируемых в воде и как защитный материал. Относительно дешев.

Полистирол получают путем полимеризации стирола. Основные ха­рактеристики: плотность - 1,05 Мг/м³; прочность - до 60 МПа; нагревостойкость - до 80°С; холодостойкость - до (-60°С); диэлектрическая проницаемость - 2,4; тангенс угла диэлектрических потерь - до 4 10^-4; электрическая прочность - до 30 МВ/м.

Полистирол - термопластичный диэлектрик, размягчающийся при 110 - 120°С. Растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, четыреххлористом углероде и др. Имеет отличные электрические свойства, высокую стойкость к влажности и низкую цену.

Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные пане­ли, основания и изоляторы для измерительных приборов. Экструзией можно получить гибкие полистирольные пленки толщиной от 20 до 100 мкм и шириной до 300 мм. Для изоляции жил высокочастотных кабелей в производстве изоляторов. Недостаток - хрупкость, т.е. низкая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

Ударопрочный полистирол - смесь полистирола с синтетическими каучуками. Ударная вязкость увеличивается в два раза, а диэлектрическая проницаемость - в 1,5 раза.

Поведение в пламени: при нагреве до 150°С становится каучуко - подобным, при 300°С разлагается с образованием стирола. Загорает­ся легко, горит сильно коптящим пламенем.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4, фторлон-4, тефлон и др.) Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Получается в ре­зультате полимеризации тетрафторэтилена.

Основные характеристики: плотность-2,1 Мг/м³; прочность до 30 МПа; нагревостойкость-25О°С; холодостойкость-(-2б9°С); диэлектри­ческая проницаемость-2,0; тангенс угла диэлектрических потерь-2,4 10^-4;электрическая прочность-до 30 МВ/м, а у пленок до 180 МВ/м, при 415°С - термическое разложение.

Химическая стойкость - не растворяется ни в одном из растворителей, как при комнатной температуре, так и при нагреве. Нa него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость равна нулю и он не смачивается водой. Электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот.

Недостатки: текучесть при комнатной температуре, т.е. он начинает деформироваться при напряжениях в материале от 130 10⁵ Н/м² и выше; малая радиационная стойкость;низкая короностойкость.

По электроизоляционным свойствам принадлежит к лучшим, диэлектрикам. Ограничен высокой стоимостью и сложностью технологии изготовления. По хим. стойкости превосходит золото и платину.

Из него получают листы, гибкие пленки, изоляцию кабельных изделий: и др. Его применяют в особо ответственных случаях - при одновременном воздействии на изоляцию высоких или низких температур, химичес­ки активных сред, влаги и т.п.

Поведение в пламени: не горит и не плавится. При температуре плавления теряет кристалличность, становится прозрачным, а при 415⁰ начинает разлагаться.

Политрифторхлорэтилен(фторопласт-3) является дешевым заменителем фторопласта 4. Он полярен, имеет худшие электрические свойства и более низкую нагревостойкость.

Перспективным заменителем фторопласта-4 является полифенилепоксид. У него лучшие механические свойства, легко обрабатывается. Из него можно сделать тонкостенные детали сложной формы, используется для пропитки и поверхностной защиты.

Поливинилкарбазолпо свойствам аналогичен полиэтилену, но превосходит его по нагревостойкости.

Полизобутилен используется для изоляции высокочастотных кабелей и как компонент электроизоляционной смеси и каучуков.

Поливинилхлорид (ПВХ)является самым старым синтетическим высокомолекулярным материалом, его изготавливают с 1930 года. ПВХ получается в результате полимеризации винилхлорида. На основе поливинилхлорида выпускается два вида материалов: поливинилхлоридный пластикат (мягкий эластичный) и винипласт(жесткий).Поливинилхлоридный пластикат. Гибкий, эластичный материал в виде лент толщиной от 0,8 до 2, 5 мм и шириной до 400 мм в рулонах. Листовой пластикат - изготовляют 1¸5 мм толщиной, размеры листов 600 х10О мм. Основные характеристики: плотность - до 1,7 Мг/м³ прочность - до 50 МПа; нагревостойкость - до 70°С; температура разложения 220⁰С;диэлектрическая проницаемость - до 6; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,1; электрическая прочность - 20 МВ/м.

Винипласт - твердый, жесткий материал, получаемый горячим прессованием. Основные характеристики: плотность-1,4 Мг/м²; прочность - до 50 МПа; нагревостойкость - до 70°C; холодостойкость до (-25°С); диэлектрическая проницаемость - до 4; тангенс диэлектрических потерь - до 0,02; Электрическая прочность - до 22 МВ/м.

Изготавливают листы, трубы, пластины, стержни, баки для аккумуляторов и различные изоляционные детали (платы и др., стойкие к ударным нагрузкам). Хорошо обрабатывается резанием, сваривается и склеивается. Недостатки: малая тепло- и холодостойкость, разлагается при температуре 180°С.

Поведение в пламени: горит в пламени, при выносе из пламени прекращает горение.

Полиметилметакрилат – (плексигласс, орг.стекло, полиакрилат) высокополимерный термопластичный материал. Смесь исходных компонентов перемешивают в формы при температуре до 120°С. После охлаждения в форме получают листы толщиной от 0,8 до 24 мм и пластины от 400х500 мм2 до 1400х1600 мм2. Орг. стекло - материал аморфного cтроения. Оно обладает высокой оптической прозрачностью (пропускает до 92% лучей видимой области спектра).

Основные характеристики: плотность - 1,2 Мг/м ; прочность - до 70 Мпа; нагревостойкость - до 90°С; холодостойкость - до (-60°С); диэлектрическая проницаемость - 3,6; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,06; электрическая прочность – 18 МВ/м.

Орг.стекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, бензину и минеральным маслам. Растворяется в бензоле, толуоле, ксилоле, хлорбензоле, ацетоне.

В нагретом состоянии при температуре 140°С, легко формуется, хорошо

обрабатывается резанием, склеивается дихлорэтановым клеем (15г. стружки на 100 г. дихлорэтана). Сваривается под давлением при температуре 140-150°С. Дугогасящий материал -при воздействии электрической дуги выделяет большое количество газов (СО,Н₂, СО₂, пары Н₂О). Применение: как конструкционный материал из- за полярности и разрядники высокого напряжения. Поведение в пламени:горит желтым, с синеватой каймой у краев, пламенем с характерным потрескиванием, без копоти, распространяя ароматный запах продук­тов разложения.

Полиамидные смолы отличаются наибольшей из всех органических материалов нагревостойкостью и негорючестью, могут работать при температуре до 315°С. Имеют выдающиеся механические свойства (стойкость фенилона российского производства имеет стойкость к истиранию в 25 раз выше стойкости бронзы и в три раза выше стойкости подшипникового металла). Используется для изготовления лаков и пленок. Их недостатком является большая гигроскопичность. Они улучшают механические свойства лаков за счет ухудшения электрических.

Перспективными материалами являются ароматические полиамиды, поликрилаты, ароматические полисульфоныиполибензидазолы.

Полиамиды широко применяются для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и пластических масс. Полиамидные смолы обла­дают относительно высокой гигроскопичностью малой радиационной стойкостью, низкой светостойкостью и, легко деформируются при повы­шенных температурах. В нашей стране широко применяются поликапроамид-капрон. Капрон - синтетический материал, получаемой в результате полимеризация капролактама, устойчив против плесневых грибков, но неустойчив к атмосферным воздействиям, для повышения которой вводят стабилизаторы; у него наблюдается деформация (холодная текучесть под действием постоянной нагрузки).

Капроновое волокно обладает высокой механической прочностью и стойкостью к истиранию. Основные характеристики: температура плавления 215⁰ С; плотность – 1,1 Мг/м; прочность - до 90 МПа; нагревостойкость - до 120°С; диэлектрическая проницаемость - 4,0; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,04; электрическая прочность - до 20МВ/м.

Применение: капроновое волокно - в электрической изоляции обмо­точных и некоторых типов монтажных проводов, а также в качестве ос­новы электроизоляционных лакированных тканей; электромонтажные и конструкционные детали.

Поведение в пламени: при нагревании слабо размягчается, затем плавится при температуре 215°С. Горит без копоти с образованием темнеющей зоны расплава, при горении распространяется неприятный "мышиный" запах.

Полиэтилентерефтолат (лавсан) – линейный полиэфир имеет хорошие механические, электрические и химические свойства, нагревостойкость до 150°С, но не выносят присутствия влаги и высокой температуры. Лавсан - прозрачный высокополимерный диэлектрик.

Основные характеристики: плотность 1,45 Мг/м; нагревостойкость до 100°С; холодостойкость до (-60°С); прочность до 70 МПа; тангенс угла электрических потерь 0,06; диэлектрическая проницаемость3,5;электрическая прочность до150 МВ/м.

Лавсановые пленки стойки к растворителям, к плесневым грибам и влаге. Они нестойки к электрической короне. При длительном нахождении в трансформаторном масле при 110-120°С пленки охрупчиваются. Применяется в виде текстурованных волокон и пленок до двух мкм, а также изготовление лаков, изоляции проводов и пазовой изоляции электродвигателей серии 4А и АИ.

Линейные полиуретаныимеют лучшие электрические свойства, чем полиамиды, при равноценных механических свойствах. Используются для изготовления изоляции кабелей, в смеси с другими материалами, в электроизоляционных лаках и клеях.

Триацетатцеллюлозы, ацетобутиратцеллюлозыиэтиленцеллюлозаиспользуются для изоляции электродвигателей

Термореактивные смолы

К важнейшим термореактивным электроизоляционным материалам относятся: фенолформальдегидные смолы, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные и аминные смолы.

Фенолформальдегидные смолы являются наиболее древними (нача­ло ХХ в) синтетическими смолами. Производятся в значительном коли­честве. Продукт поликонденсации фенола и формальдегида. Представитель термореактивной - бакелит. Малоэластичен. Склонность к трекингу (образование на его поверхности проводящих электрический ток (науглероженных) следов при воздействии электрических разрядов).

Основные свойства: плотность 1,25 Мг/м³ ; прочность до 60 МПа; нагревостойкость до 120°С; электрическая проницаемость 6,5; тан­генс угла диэлектрических потерь до 0,1; электрическая прочность до 20 МВ/м.

Фенолформальдегидные смолы используются для изготовления лаков, клеев, пластмасс, слоистых материалов и компаундов. При различной технологии изготовления (креазольные, фенольные, резольные, новолачные) могут быть термореактивными или термопластичными. Все фенолформальдегидные смолы не стойки против действия пластичных разрядов.

Эпоксидные смолы получают в результате реакции поликонденса­ции, в качестве отвердителей применяются ангидриды малеиновой и фталевой кислот. Качество и количество отвердителя влияют на свойства результирующего материала. После добавления отвердителя они переходят в термореактивное состояние. Процесс отвердения может происходить при комнатной температуре или при нагреве (100-16О)°С и при добавлении специальных примесей – ускорителей. Основные характеристики: в твердом состоянии: плотность -1,2 Мг/м³ ; прочность до 6О МПа, нагревостойкость -до 140°С; диэлектрическая проницаемость 3,8; тангенс угла диэлектрических потерь до 0,03; электрическая прочность - до 25 МВ/м.

Достоинства: очень малая объемная усадка при отвердении, механическая прочность, нагревостойкость, высокая стойкость к атмосферным факторам и химостойкость, а также влагостойкость.

Объем производства и область их применения постоянно расширяется. Самостоятельно и в комбинации с другими материалами эпоксидные смолы применяются во всех областях электротехники: для пропитки и заливки, как связующее в пластмассах, как компонент электроизоляционных лаков и слоистых пластиков, как конструкционный материал.

Ненасыщенные полиэфирные смолы.К ним относятся глифталевые и алкидныесмолы.

Глифталевые смолы: получают поликонденсацией глицерина и фталевого ангидрида. Обладают высокой клеющей способностью, стойкость к поверхностным разрядам и повышенной нагревостойкостью. Основные характеристики в твердом состоянии: плотность - 1,45Мг/м³; нагревостойкость до 150⁰С; диэлектрическая проницаемость 4,5; тангенс угла диэлектрических потерь - до 0,02; электрическая прочность - до 25 МВ/м. Глифталевые смолы имеют ярко выраженные дипольные потери. Они легко модифицируются другими смолами, растительными маслами и жирными кислотами, эфирами целлюлозы, поэтому их свойства широко варьируются.

Применение: основа для клеющих, пропиточных и покрывных лаков пленки которых после запекания стойки к нагретому минеральному маслу для клейки слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканиты, микаленты).

Кремнийорганические смолы.К ним относятся термореактивные полиорганосилоксаны, силиконовые неорганические диэлектрики. Обладают высокой нагревостойкостью до 220°С. Могут длительно работать в интервале темпе­ратур от (-60)°С до 220°С. Отличаются высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, коронному разряду, действию озона и действию солнечной радиации, на них не остается науглероженных проводящих следов. Имеют довольно таки низкие механические свойства. Модификация этих смол с полиэфирными смолами улучшает механические свойства, но снижает нагревостойкость. Применение: для изготовления миканитов, стеклотканей, пластмасс, различных лаков и компаундов. Имеют довольно таки низкие механические свойства. Модификация этих смол с полиэфирными смолами улучшает механические свойства, но снижает нагревостойкость. Применение: для изготовления миканитов, стеклотканей, пластмасс, различных лаков и компаундов.

Основные свойства всех выше приведенных смол перечислены в таблице 1.1

Пластические массы

Пластмассы, как правило, являются многокомпонентными материала­ми, состоящими из связующего вещества, наполнителей и других компо­нентов.

Связующие вещества - синтетические смолы. Они могут быть термопластичными и термореактивными. В зависимости от этого и готовое изделие будет термопластичным и термореактивным.

Наполнители - порошкообразные и волокнистые вещества. Порошковые наполнители - кварцевый, слюдяной порошок, древесная мука и др. Волок­нистые -стеклянные, асбестовые, хлопковые волокна. Наличие наполните­лей повышает механическую прочность, теплопроводность и нагревостойкость. В пластмассах содержатся до 60% наполнителей. Большинство порошковых пластмассовых изделий электроизоляционного назначения по­лучают методом горячего прессования в нагретых до 120-200°С пресс-формах. Наибольшее применение получили слоистые пластмассы.

Слоистые пластмассы

Эти пластмассы состоят из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага, х/б или стеклянная ткань) и связующего вещества. Наиболее широко применяются- гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

Гетинакс

Гетинакс - листовой слоистый материал, в котором наполнителем являются листы пропитанной бумаги толщиной 0,1¸0,12 мм. Согласно ГОСТ 2718-74 листовой электротехнический гетинакс выпускается различ­ных марок: 1 - для панелей распределительных устройств, щитов, изоля­ционных перегородок в устройствах низкого напряжения; У-для деталей работающих в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения.

Пропитанные бакелитовыми лаками листы бумаги прессуют с нагревом до 160°С. Гетинакс изготавляют в виде листов и досок толщиной от 0,2 до 50 мм. Марки 1,11,111, 1У, У - для работы в оборудовании промышленной частоты (50Гц), марки У1,УII,УIII - для работы на высоких частотах. Гетинакс имеет низкую дугостойкость и после нескольких искровых разрядов на его поверхности остается науглероженный след с большой проводимостью; может применяться при температурах не выше 105⁰С, класс нагревостойкости А. Хорошо механически обрабатывается, тонкие листы штампуются в подогретом состоянии. Основные свойства: плотность - 1,4 Мг/м³, предел прочности - 120 МПа, нагревостойкость - 185°С, класс нагревостойкости А, диэлектрическая проницаемость - 7, тангенс угла диэлектрических потерь 0,07, электрическая прочность 16.

Применяют гетинакс для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований, высоко - и низковольтной аппаратуры.

Текстолит

Текстолит - листовой слоистый материал, наполнителем в котором является хлопчатобумажная ткань, пропитанная бакелитовой смолой. Смола склеивает листы и после охлаждения переходит в неплавкое состояние.

Текстолит выпускается в листах толщиной от 0,5 до 50 мм и площадью до 750 х1000 мм. Обладает низкой дугостойкостью (т.к бакелитовая смола легко науглероживается под действием электрических искр). Основные характеристики: класс нагревостойкости А; плотность 1,4 Мг/м³, прочность 60 МПа, нагревостойкость I60⁰ С диэлектрическая проницаемость 7, тангенс угла диэлектрических потерь 0,13, электрическая прочность 8 МВ/м.

Применение: для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или истиранию (переключатели или другие), т.к. он дороже гетинакса в 5-6 раз.

Стеклотекстолит

Стеклотекстолит - наполнителем является электроизоляционная бесщелочная стеклянная ткань. Стеклотекстолит изготавливают нескольких марок: СТ,СТБ - на основе бесщелочных тканей со связующим фенолформальдегидной смолой; СТЭФ, СТЭФ-1 -связующая смесь эпоксидной и кремнийорганической смол; СТК и CTK-4I/5 - на кремнийорганическом связующем. Наиболее нагревостойкий, влагостойкий и механически прочный слоистый пластик.

Основные характеристики стеклотекстолита на различных связующих приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Основные характеристики стеклотекстолита

Характеристики	Стеклотекстолит на основе связующей смолы
фенолформальдегиды	кремнийорганические	эпоксидной и кремнийорганической
Плотность, Мг/м3	1,65	1,75	1,85
Предел прочности при растяжении, МПа
Нагревостойкость, 0С
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь (при 50 Гц)	0,07	0,009	0,011
Электрическая прочность МВ/м

Применение: для изоляции сухих трансформаторов и выключателей, держателей нагретых электродов, трансформаторов залитых совтолом, аппаратуры тропического исполнения.

Компаунды

Компаундами называются не содержащие летучих растворителей смеси смол, битумов, масел и др., которые при температуре заливки являются жидкими (текучими). Назначение заливочных компаундов– заполнение пустот в изоляции, заливка кабельных муфт и др. Компаунды служат также для герметизации электротехнического и электронного оборудования. Компаунды в зависимости от состава могут быть как термопластичными, в которых переход в твердое состояние и наоборот обратимый, так и термореактивными. Термореактивные заливочные компаунды после заливки в форму и термообработки необратимо отверждаются; они используются при изготовлении трансформаторов тока и напряжения, для заливки катушек и обмоток электрических машин, для механического укрепления деталей, несущих повышенные нагрузки, и для изготовления литых изоляционных деталей сложной формы.

Наиболее важными термореактивными заливочными компаундами являются эпоксидные смолы. В отвержденное состояние они переходят после добавления отвердителя. Свойства эпоксидных смол можно регулировать путем добавления соответствующего наполнителя (кварцевое стекло, кварцевая мука) или других примесей. Кроме эпоксидных смол применяются более дешевые полиэфирные и полистирольные смолы.

Лаки

Состав электроизоляционных лаков зависит от того, о каких лаках идет речь – о лаках с растворителями или без растворителя.

Лаки с растворителями содержат пленкообразующий материал и растворитель, а очень часто также разбавитель и различные примеси.

В качестве пленкообразующего материала используются различные смолы, чаще всего синтетические. Название лака, как правило, определяется пленкообразующим материалом. Пленкообразующие материалы оказывают решающее влияние на конечные свойства лаковой пленки.

Растворителиявляются вспомогательными компонентами лаков, которые при образовании лаковой пленки испаряются. Они оказывают решающее влияние на однородность и технологичность лаков. В качестве растворителей используются углеводороды, спирты, ацетаты, кетоны, скипидар и хлорированные углеводороды.

Разбавителииспользуются для разбавления лаков и служат для уменьшения вязкости лаков перед их использованием тогда, когда разбавление растворителем экономически невыгодно.

Каждому типу лака соответствует определенные растворители и разбавители.

Лаки без растворителя состоят только из пленкообразующего материала, к которому добавляются отвердители и другие примеси. Полимеризующиеся лаки отверждаются без испарения каких - либо веществ. Они позволяют получить электроизоляционную пленку без пор, что особенно важно для высоковольтной изоляции.

Применение электроизоляционных лаков разнообразно. С точки зрения применения различают следующие лаки.

4.1. Эмаль-лаки и лаки для обмоточных проводов с волокнистой изоляцией используются для получения очень тонкой (десятки микрометров), гладкой, равномерной и непрерывной изоляции обмоточных или монтажных проводов различного диаметра. Необходимая толщина эмалевого покрытия достигается многократным лакированием (как правило, 5-8 слоев). Функция лака для проводов с волокнистой изоляцией – приклейка волокон поверхности провода и друг к другу. К этой группе относятся лаки фенолформальдегидные, меламиноформальдегидные, полиамидные, полиимидные, эфиримидные, кремнийорганические, эпоксидные, полиамидрезольные, полиэфирные, поливинилацеталевые и полиуритановые. Особенностью проводов, эмалированных полиуритановым лаком, является возможность пайки без необходимости предварительного устранения слоя лака.

4.2. Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и трансформаторов, катушек электромагнитов и т.п. После пропитки обмотка превращается в монолитное целое, что существенно улучшает ее механические свойства. Это особенно важно для вращающихся или вибрирующих частей и при возникновении электродинамических ударных сил, например в случае короткого замыкания. Пропиточный лак одновременно улучшает электрические свойства обмотки, особенно ее электрическую прочность, и защищает обмотку от воздействия внешних факторов, таких как влажность, пыль и т.п. Одновременно она улучшает отвод теплоты от обмотки в окружающую среду. К этой группе лаков относятся лаки фенольные, алкиднофенольные, терефталатные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические, полиимидные, полиамидимидные и др.

4.3. Лаки для изготовления слоистых пластиков и электроизоляционных трубок. Функция лака в этом случае заключается в пропитке и склеивании волокон основы и заполнении пространства между ними. При этом лак определяет электрические свойства системы, а волокнистая основа – механические. Для основы – бумаги и хлопчатобумажных тканей - используются лаки масляные, алкидные, ацетилцеллюлозные, этилцеллюлозные, масляно-битумные. Для стекловолокна используются лаки полиуретановые кремнеорганические, полиимидные и др.

4.4. Клеящие лакииспользуются в качестве связующего, например, при изготовлении миканитов и микафолия, бескаркасных обмоток и т.п. К ним относятся лаки шеллачные, глифталевые, масляно-битумные, эпоксидные, кремнийорганические, алкидные, полиэфирные и др.

4.5. Покрывные лакииспользуются для поверхностной защиты пропитанных обмоток электрических машин и аппаратов, лакирование листовой электротехнической стали, поверхностной защиты высокочастотных деталей. К ним относятся лаки масляные, алкидные, полиуретановые, эпоксидные, кремнийорганические, полистирольные, поливинилхлоридные и др.

По технологии применения различаются лаки холодной сушки, сохнущие при комнатной температуре, и лаки горячей сушки, требующие для образования лаковой пленки высокой температуры.

По химическому составу пленкообразующих материалов различаются две главные группы лаков – масляные и синтетические лаки.

Отдельную группу составляют целлюлозные лаки.

В масляных лаках основными пленкообразующими компонентами являются растительные масла и природные смолы. Эти лаки имеют низкую нагревостойкость (110⁰С), поэтому они вытесняются синтетическими лаками, которые помимо высокой нагревостойкости имеют лучшие механические свойства и лучшую стойкость к действию растворителя. Кроме того, в отличие от масляных лаков они не требуют для отверждения кислорода.

Основными пленкообразующими компонентами синтетических лаков являются синтетические смолы (полиэфирные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические и др.).

Клеи

В настоящее время склеивающие материалы – клеи – находят все более широкое применение в электроаппарато- и приборостроении, а также в производстве небольших электрических машин. Это объясняется прежде всего разработкой и освоением клеев с высокой адгезией, обеспечивающей высокую механическую прочность клеевых соединений. Следует также иметь в ввиду и такое преимущество клеевых соединений, как обеспечение совершенно равномерного распределения механических напряжений в клеевых соединениях, чего нельзя добиться в других соединениях, включая и сварочные швы, в которых неизбежная некоторая неравномерность механических напряжений.

В промышленности широко применяются клеи серии БФ, представляющие собой раствор модифицированной фенольной смолы в спирте. Твердая пленка этого клея образуется при воздушной сушке, но для получения наиболее прочного клеевого шва рекомендуется тепловая обработка склеиваемых деталей для перевода смолы в неплавкое состояние, обеспечивающее наиболее высокую механическую прочность клеевого соединения. Из клеев БФ трех марок – БФ-2, БФ-4 и БФ-6 –первые два применяют для склеивания различных металлов и сплавов (алюминий, медь, сталь), а также для склеивания различных электроизоляционных материалов: керамики, стекла, пластмасс, картонов. Возможно склеивание перечисленных материалов в различных сочетаниях.

За последние годы широкое применение нашли клеи на основе эпоксидных смол как холодного, так и горячего отверждения. Как правило, клеи горячего отверждения дают более высококачественный клеевой шов. Эпоксидные клеи практически склеивают все металлы и сплавы, хотя особенно хорошие результаты получаются при склеивании легких металлов и сплавов, в частности алюминиевых. Из числа неметаллических материалов эпоксидные клеи слабо склеивают только термопластичные пластмассы. Для холодного отверждения эпоксидных клеев в качестве отвердителей обычно применяют полиэтиленполиамин или гексаметилендиамин А для горячего отверждения разные ангидриды. Высокая механическая прочность эпоксидных клеевых швов объясняется как особенностями строения молекул самой смолы, в частности наличием концевых полярных эпоксигрупп, так и очень малой усадкой при отверждении, отсутствием выделения разных побочных продуктов. При применении эпоксидных клеев некоторые затруднения вызывает малый срок жизни подготовленного состава с отвердителем.

В настоящее время известен и ряд других клеев, в частности пленочных, работа с которыми производится по такой технологии: из пленки вырезают соответствующей формы прокладки, закладывают между соединенными деталями, которые в зажатом состоянии проходят термообработку.

Для клеевых электропроводящих соединений в различных электрических схемах применяются специальные клеи – контактолы, наполненные серебряным порошком.

Содержание отчета

Указать наименование и цель работы, привести краткую характеристику выше описанных материалов и область их применения.

Контрольные вопросы

1. Что изучает наука материаловедение?

2. Какие материалы называются электротехническими?

3. В чем отличие конструкционных материалов от электротехнических?

4. Перечислите основные группы электротехнических материалов?

5. Что называется диэлектриком?

6. Что называется изолятором?

7. Что называется электроизоляцией?

8. Что называется смолами?

9. Перечислите натуральные смолы?

10. На какие виды делятся смолы?

11. К каким смолам относится полоиэтилен?

12. Какие виды полиэтилена вам известны. Перечислите основные свойства полиэтилена?

13. Как получают полистирол? Где он применяется, его основные свойства?

14. Что такое фторопласт?

15. 2 каких вида поливинилхлорида вы знаете?

16. Перечислите основные достоинства и недостатки области применения орг. стекла?

17. К каким смолам относится капрон?

18. Как получают фенолформальдегидные смолы?

19. Как получают поливинилхлорид?

20. Как получают эпоксидные смолы, их основные свойства?

21. Как получают глифталивые полимеры?

22. Какие термопластичные материалы являются важнейшими и для каких целей применяются ?

23. Какие термопластичные полимеры являются важнейшими электроизоляционными материалами и для каких целей используются?

24. Из чего состоят и для каких целей используются слоистые пластики?

25. Какими свойствами обладает стеклолист?

26. Что называется компаундом? Где они применяются?

27. Из чего изготавливаются и для каких целей применяются электроизоляционные лаки?

28. Какие клеи применяются в электротехнике?

Литература:1 - 9

Лабораторная работа № 2.