Тема 3.2 Механические, тепловые и физико – химические характеристики диэлектриков

Поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться от механических напряжений.

Прочность на разрыв, сжатие и изгиб.Значения пределов прочности при растяжении (σ_р), сжатии (σ_с) и изгибе (σ_и) в системе единиц СИ выражаются в Паскалях (Н/м²). Так как в практике еще очень распространено выражение пределов прочности в кгс/см², а 1 Па ≈ 10 ^-5 кгс/см², то для перевода в паскали численных значений механических прочностей, выраженных в кгс/см², их надо умножить примерно на 10⁵.

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых,
волокнистых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от на-
правления приложения нагрузки. Важно отметить, что для ряда диэлектриков
(стекол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности
при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе. Так, например, у кварцевого стекла при сжимающих напряжениях можно получить σ_с ≈200 МПа,
а при растяжении σ_р - всего около 50 МПа.

Механическая прочность ряда диэлектриков сильно зависит от площади
поперечного сечения образцов.

Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит
от температуры, как правило, уменьшаясь с ее ростом.

Определение предела прочности и относительной деформаций при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его
способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах матери-
ала). Однако эти испытания еще не дают исчерпывающих сведений о поведении
материала во многих практически важных случаях механической нагрузки. Так,
для некоторых материалов (в особенности термопластичных) характерна способность при длительном воздействии сравнительно малых нагрузок давать заметные деформации. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры. При повышении температуры и приближении ее к температуре размягчения данного материала пластическое течение материала сильно увеличивается.

Многие материалы хрупки, т. е., обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями.

Распостраненый прием для оценки способности материала сопротивляться действию динамических нагрузок — испытание на ударный изгиб (определение ударной вязкости). Ударную вязкость σ_уд материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца S. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м². 1 Дж/м² ≈ 10 ^-3 кгс·см/см².
Поэтому для сохранения неизменными численных значений ударной вязкости,
часто выражаемых на практике в кгс-см/см², их удобно приводить в кДж/м².

Очень высокой ударной вязкостью обладает полиэтилен, у которого σ_уд превышает 100 кДж/м²; для керамических материалов и микалекса σ_уд составляет
всего 2—5 кДж/м².

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма. Определение вибропрочности важно, например, для изоляции ракетного и самолетного
электрооборудования.

Твердость, т. е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение и определяется различными методами: для неорганических материалов — по минералогической шкале Мооса, для органических диэлектриков — по способу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова.

Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п. важной механической характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, жидкости
представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики
вязких сред, а именно в закон Пуазейля — истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон Стокса — движения шарика в вязкой среде под
действием небольшой постоянной силы. Динамическая вязкость η в системе СИ
измеряется в Паскалях, умноженных на секунды. В системе единиц СГС динамическая вязкость выражается чаще всего в сантипуазах (сП):

1Па.с=10 П =1000 сП.

Кинематическая вязкость ν равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в м²/с,. 1 м²/с = 10⁴ Ст
(стокс—единица кинематической вязкости в системе СГС).

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается с повышением температуры.

«Тепловые свойства диэлектриков»

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения
электрических свойств, например по заметному росту tg δ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение «теплостойкости»). Однако
и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим
характеристикам.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод
Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Для различных диэлектриков по этому методу получаются следующие численные значения:

Эбонит... ………..65—75° С
Полистирол ……….70—85° С
Гетинакс …………..150—180° С

В качестве примера употребляющегося в практике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов можно отетить способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в металлическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть, что этот способ определения температуры размягчения и ему подобные в значительной мере условны, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания температуры и предельные деформации выбираются произвольно.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения— еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуре решается на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т. п. Для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому
старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала.

Согласно ГОСТу предусматривается разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для, которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение ряда лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях:

Класс нагревостойкости.. Y А Е В F Н С
Наибольшая допустимая ра-
бочая температура, °С.........90 105 120 130 155 180 Более 180

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.

К классу А относятся те же самые органические волокнистые материалы, если они работают в готовой изоляции, будучи пропитаны лаками либо компаундами или же погружены в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищены от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией
в пропитанной лаком обмотке электрической машины или же и погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных или битумно-масляных лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А относятся также ацетобутиратцеллюлозные и полиамидные пленки, литые полиамидные смолы,

изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т. п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой и т. п.), полиэтилентерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на поли уретановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляционные материалы.

В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами; таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолита на фенолоформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т. п.

К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости; эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнийорганических.

Материалы класса Н получаются при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости.

К классу нагревостойкости С относятся чисто неорганические
материалы, совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов. Таковы слюда, стекло и стекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, шифер, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т. п. Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторопласт-4) и материалы на основе полиимидов (пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов и т. п.).

Во многих случаях эксплуатации изоляции важна холодостойкость, т. е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при
низких температурах, например от —60 до —70° С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью γ_Т, входящей в уравнение Фурье

где ΔР_Т – мощность теплового потока сквозь площадку ΔS,

dT/dl – градиент температуры

Таблица 9 Значения теплопроводности некоторых диэлектриков

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К^-1:

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют,
как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Таблица 10 Температурный коэффициент линейного расширения некоторых диэлектриков

«Физико-химические свойства диэлектриков»

При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха, повышенных температур, мороза и радиоактивных излучений.

Нормальное использование изделия в большой степени зависит
от механических свойств материалов: их прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, твердости или эластичности. В ряде случаев к изделиям, а, следовательно, в известной степени и к материалам предъявляются требования вибропрочности при различных амплитудах и частотах колебаний. Для деталей, в которых имеется сопряжение разных материалов, большое значение имеют температурные
коэффициенты линейного расширения.

Разработка технологических процессов изготовления электрических машин и аппаратов также требует знания физических, механических и химических свойств (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов.

Срок службы изделий в тропических условиях зависит от надежности химической защиты материалов против гнилостных бактерий, насекомых и образования плесени.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка.
Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых
материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину ρ после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие
поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

При длительном использовании электроаппаратуры, особенно
в тропических условиях, на органических диэлектриках наблюдается развитие плесени. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее уязвимы для развития плесени целлюлозные материалы, в том числе
и пропитанные (гетинакс, текстолит), канифоль, масляные лаки
и др. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики: керамика, стекла, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

С целью повышения плесенеустойчивости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгицидов.

Воздействие излучения может привести к ряду молекулярных преобразований и химических реакций. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимерирация, образование поперечных связей, вулканизация и пр.