Тепловые свойства диэлектриков

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

Нагревостойкость — способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообраз­ном, высокоэластичном или вязкптекучем состояниях.

Для электроизоляционных материалов установлено семь клас­сов нагревостойкости (табл. 10.1).

К классу Y относят органические диэлектрики: полистирол, по­лиэтилен, непропитанные волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картон).

К классу Аотносят те же волокнистые материалы, по пропитан­ные полиамидными смолами, масляно-смоляными и поливинилацетатными лаками.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем, где в качестве связующего используют фенолоформальдегиды и подобные им смолы (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнителями из древесной муки и т. п.) Сюда же относят эпоксидные, полиэфирные, полиуретяновые смолы и компаунды.

К классу В относят материалы, для которых характерно боль­шое содержание неорганических компонентой. Это диэлектрики на основе слюды, стекловолокна, асбеста с органическим связующим, например стеклоткань, стеклотекстолит на фенолоформальдегидной смоле.

К классу F относят материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста, полученные с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости (кремнийорганических, эпоксидных смол).

К классу Н относят кремнийорганические лаки и резины, а так­же композиционные материалы, состоящие из слюды, стеклянных полокон, асбеста, склеенных с помощью кремнийорганическнх смол н лаков, отличающихся высокой нагрсвостойкостыо.

К классу С относят преимущественно диэлектрики неорганичес­кого происхождения, совершенно без склеивающих или пропиты­вающих органических составов. Это слюда, стекло, кварц_; асбест, микалекс. Из органических электроизоляционных материалов в класс С входят только фторопласт-4 и полиимиды (пленки, волокна и т. п.).

Теплопроводность. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока в окруженных изоляцией проводниках и магнитопроводах, в различных электрических аппаратах и приборах, а так же тепло, выделяющееся вследствие диэлектрических потерь в изо­ляции, должно проходить через слой изоляции в окружающую среду. Теплопроводность изоляции влияет на степень нагрева про­водников, магнитопроводов, на электрическую прочность самой изоляции и на стойкость материала к термоударам.

Тепловое расширение. Это свойство диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом длины (ли­нейного расширения) ТКl. Средние значения ТКl некоторых элект­роизоляционных материалов в интервале температур от 20 до 100° С приведены в табл, 10.3.

Холодостойкость — способность электрической изоляции рабо­тать при низких температурах без недопустимого ухудшения экс­плуатационных характеристик. При низких температурах, как пра­вило, электрические свойства изоляционных материалов улучшают­ся, однако ряд механических свойств ухудшается.

Органические полимеры

Органические полимеры используют для изготовления электрический изоляции. Полимерами называются молекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров.

Полимеризация — это химическая реакция, при которой из ннзкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементар­ного химического состава вещества. Обычной предпосылкой для возможности осуществления процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода. Непрочная двойная или трой­ная связь под влиянием тех или иных факторов (повышенных температуры и давления, действия катализаторов, радиационного облучения) разрывается и сближающиеся молекулы соединяются друг с другом, образуя цепочку из одинаковых повторяющихся звеньев.

Например, из стирола (мономера) - органической бесцветной жидкости, имеющей состав С8H8 и строение молекулы

в результате реакции полимеризации получают твердое вещество-полистирол (полимер); его молекула имеет строение

Здесь n - степень полимеризации, т. е. число молекул моно­мера, объединяющихся в одну молекулу полимера. Для полисти­рола величина п может доходить до 6000 и более.

Поликонденсация — это химическая реакция между раз­нородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с вы­делением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденса­ции, как правило, обладают несколько пониженными электроизо­ляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, получен­ными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропро­водность материала.

По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом. От­ношение, длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может доходить до 1000 (например, у полистирола). Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что они имеют более компактную форму.

Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем рас­плавляются, например капрон, нейлон. Пространственные полиме­ры обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достиже­ния температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются). Линей­ные полимеры растворяются в подходящих по составу раствори­телях. Пространственные полимеры растворяются с трудом, многие из них практически нерастворимы.

По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в гус­тые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов поль­зуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при производстве деталей методом литья под давлением. К этой группе следует отнести полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. В настоящее время термопластичные материалы со­ставляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротех­нической промышленностью полимерных материалов.

Термореактивные (термоотверждающиеся) ма­териалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значи­тельную механическую прочность и твердость, теряя при этом спо­собность плавиться и растворяться. К термореактивным диэлек­трикам относят резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.