Электротехническая керамика

Комментарии к рис. 4.34

Керамическими называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре. В результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое (обожженное) изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Впоследствии появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит лишь в очень малом количестве или же совсем не входит.

Многие керамические электроизоляционные материалы имеют высокую механическую прочность, очень малый угол диэлектрических потерь, значительную нагревостойкость и другие ценные свойства. По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика, как правило, более стойка к электрическому и тепловому старению, не дает остаточных деформаций при продолжительном приложении к ней механической нагрузки. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

Фарфор.С самого начала развития электротехники фарфор был широко использован как электроизоляционный материал, и по настоящее время он является одним из основных материалов изоляторного производства. Для изготовления фарфора применяют специальные сорта глин (каолин — высококачественная светлая глина большой чистоты, а также другие виды огнеупорных пластичных глин) и минералы кварц SiO₂ и полевой шпат.

В качестве прогрессивного метода изготовления изделий точных размеров, допускающего широкую механизацию, отметим способ горячего литья из порошка керамического сырья с технологической связкой (например, парафином), удаляемой при обжиге.

Радиофарфор и ультрафарфор созданы для работы при высоких частотах. Они имеют тангенс до 0,001; повышенную механическую прочность: ультрафарфор на изгиб 1500-2000 кг/см^г. Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого окисла ВаО. Ультрафарфор, изготовляемый различных марок и представляющий собой дальнейшее усовершенствование радиофарфора, характеризуется большим содержанием Аl₂О₃.. Кроме того, ультрафарфор имеет существенно повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность.

Алюминоксидимеетвысокую нагревостойкость: до 1600°С; высокая мех прочность, ε =10-11.Теплопроводность в 10 раз выше, чем фарфора.

Стеатит -вид керамики на основе минерала талька. Стеатитовая керамика обычно изготовляется обжигом массы, составляемой из талькового порошка с некоторыми добавками. Весьма малый угол диэлектрических потерь, хорошие механические свойства ( на изгиб 1200-1600кг/см²). Малая усадка при обжиге (точные размеры изделий); не нуждается в глазуровке. Широко используется в радиоаппаратуре для установочной изоляции. Тальк — хорошо известный минерал, обладающий способностью благодаря его чрезвычайной мягкости легко размалываться в порошок. Возможно также изготовлять детали из талькового камня путем его непосредственной механической обработки (которая проста ввиду мягкости материала) с последующим обжигом. Специальные сорта стеатита с особо малым содержанием примесей окислов железа, предназначенные для высокочастотной изоляции, имеют хорошие механические свойства. Преимуществом стеатитовой керамики является также малая усадка при обжиге, позволяющая получать изделия сравнительно точных размеров. К тому же он не нуждается в глазуровке (благодаря плотной структуре) и может сравнительно легко дополнительно обрабатываться шлифовкой. Стеатит широко используется для установочной изоляции в радиотехнической аппаратуре, а также и в силовой электротехнике.

Конденсаторная керамика изготавливают на основе рутила - двуокиси титана. Имеет s до 250; tg δ до 0,0005, Е_пр=20-25кВ/мм.

Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью.Эта группа материалов содержит в виде основной кристаллической фазы кварц, корунд, муллит, цельзиан, клиноэнстатит, форстерит, шпинель, периклаз, анортит, волластонит и циркон.

Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из окиси алюминия (глинозема) Аl₂О₃. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с весьма высокой температурой обжига (до 1750°С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600°С), чрезвычайно высокой механической прочностью и теплопроводностью (его теплопроводность в 10—20 раз выше, чем у фарфора). Значение алюминоксида — порядка 10.

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности Аl₂О₃) поликор (за рубежом — люкалокс), в отличие от обычной непрозрачной корундовой керамики, прозра­чен; кроме того, он имеет р на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика. Поликор, в частности, применяется для изготовления колб некоторых специальных электрических источников света.

Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью.Такая керамика применяется, в частности, для изготовления керамических конденсаторов; такие конденсаторы имеют значительно меньшие размеры и массу.

Двуокись титана существует в различных кристаллических модификациях; одна из них— рутил— имеет в направлении главной кристаллографической оси диэлектрическую проницаемость e=173. В керамических материалах на основе рутила благодаря беспорядочному расположению в пространстве кристаллов рутила и наличию различных добавок диэлектрическая проницаемость получается меньшей указанного значения, но все жепревосходящей большинство практически применяемых твердых диэлектриков.

Многие радиокерамические конденсаторные материалы снижают значение e при повышении температуры.

Сегнетокерамика- это особая группа материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами: аномально большими значениями диэлектрической проницаемости (e=900÷8000), резкой зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности электрического поля, наличием диэлектрического гистерезиса. Применяются:

•в качестве датчиков температуры при измерении ее электрическими методами;

•для изготовления миниатюрных конденсаторов большой емкости. Диэлектрическая проницаемость резко возрастает с ростом приложенного напряжения, что позволяет использовать их в диэлектрических усилителях.

Первый керамический диэлектрик - титанат бария BaTi0₃ синтезирован в 1943 г. Керамические сегнетоэлектрика не поглощают влагу, не растворяются в воде, работают в широком интервале температур.

Добавлением к титанату бариянекоторых других материалов (как сегнетоэлектрических, так и несегнетоэлектрических) удается существенно изменять его свойства, и в частности сильно смещать точку Кюри в область более низких или более высоких температур. Сейчас известны: титанат кадмия, цирконат свинца и т.д. Весьма большой нелинейностью емкости обладают сегнетокерамические конденсаторные материалы, получившие название вариконды (сокращение слов «вариация» и «конденсатор»).

Тесты к главе 4

Вопрос 1 (мт=0,7)

В электротехническом оборудовании трансформаторное масло используется:

1 Для дугогашения

2 Для отвода тепла

3 Для смазки

4 Для защиты от коррозии

Вопрос 2 (мт=0,6 )

Напряженность поля, соответствующая напряжению пробоя

1 Электрическая прочность

2 Поляризация

3 Электротепловой пробой

4 Механическая прочность

Вопрос 3 (мт=0,6)

Пробивное напряжение U_пр жидких диэлектриков соответствует

1 Действующему значению

2 Амплитудному значению

3 Мгновенному значению

4 Максимальному значению

Вопрос 4 (мт=0,7)

К неупругим (замедленным) поляризациям относятся:

1 Ионная поляризация

2 Миграционная поляризация

3 Электронная поляризация

4 Ионно-релаксационная поляризация

Вопрос 5 (мт=1)

Для каких материалов характерна электрофоретическая проводимость:

1 Для коллоидных растворов

2 Для суспензий

3 Для твердых диэлектриков ионного строения

4 Для аморфных материалов

Вопрос 6 (мт=0,7)

Процесс, в результате которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул называется…

1 Электрический пробой

2 Электрохимический пробой

3 Электротермомеханический пробой

4 Электромеханический пробой

Вопрос 7 (мт=0,8)

Как называется процесс увеличения числа электронов и ионов за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами

1 Ударной ионизацией

2 Поляризация

3Электропроводность

4 Диэлектрическая проницаемость

Вопрос 8 (мт=0,9)

Ток, вызванный релаксационными видами поляризаций и перераспределением свободных зарядов в диэлектрике называется:

1 Ток абсорбции

2 Ток сквозной проводимости

3 Переменный ток

4 Емкостной ток

 Вопрос 9 (мт=0,3)

Потеря диэлектриком электроизоляционных свойств под действием электрического поля

называется

1: Пробой диэлектрика

2: Диэлектрические потери

3: Электрическая прочность

4: Тепловое старение

Вопрос 10 (мт=0,6)

Как называются вещества, повышающие стойкость полимеров к воздействию света, тепла, кислорода

1: Стабилизаторы

2: Сиккативы

3: Ингибиторы

4: Стабилитроны

Вопрос 11 (мт=0,8)

Как называются вещества способные длительное время сохранять поляризованность и создавать в окружаемом их пространстве электрическое поле в отсутствии внешнего энергетического воздействия 

1: Электреты

2: Пироэлектрики

3: Мартенситы

4: Пьезоэлектрики

Вопрос 12 (мт=0,5)

Процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля называется

1: Пробой

2: Ионизация

3: Электропроводность

4: Поляризация

Вопрос 13 (мт=0,7)

Какие из перечисленных ниже материалов относятся к слюдяным

1: Гетинакс

2: Миканиты

3: Фибра

4: Микафолий

Вопрос 14 (мт=0,2)

Способность материала впитывать в себя влагу из окружающей среды называется:

1: Гигроскопичность

2: Смачиваемость

3: Влагопроницаемость

4: Сушка

Вопрос 15 (мт=0,4)

В состав электрофарфора входят:

1: Шеллак

2: Кварц

3: Сажа

4: Каолин

Вопрос 16(мт=0,6)

О потерях активной мощности в диэлектриках судят по:

1: tgd

2: Е_пр

3: r_v

4: l

Вопрос 17мт=0,6)

Механическая деформация кристалла под действием приложенного электрического поля наблюдается у…

1: Пьезоэлектриков

2: Сегнетоэлектриков

3: Пироэлектриков

4: Электретов

Вопрос 18(мт=1)

Расположите в правильной последовательно этапы развития электрического пробой газообразного диэлектрика

1: Развитие электронной лавины как следствие множественных актов ударной ионизации.

2: Главный разряд происходит при замыкании каналом разряда разрядного промежутка.

3: Появление свободного электрона в газовом промежутке (случайного, из металлического электрода, в результате фотоионизации молекулы газа и т.п.)
4: Разгон свободного электрона электрическим полем до энергии, достаточной для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом ионизировать последний (ударная ионизация).
5: Рост стримера – проводящего плазменного канала, формирующегося из положительных ионов, оставшихся после прохождения лавины, и отрицательных зарядов, втягиваемых в положительную плазму.

Вопрос 19 (мт=0,6)

Какой вид поляризации наиболее характерен для неоднородных диэлектриков, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью

1: Миграционная

2: Спонтанная

3: Ионная

4: Дипольная

Вопрос 20 (мт=0,7)

При длительном воздействии повышенной температуры у некоторых материалов происходит ухудшение качества изоляции из-за медленно протекающих химических процессов. Что это за явление?

1: Тепловое старение

2 : Электрохимический пробой

3 : Электрический пробой

4 : Теплостойкость

Вопрос 21 (мт=1)

При работе на постоянном напряжении одной и той же величины ток сквозной электропроводности будет наибольшим у диэлектрика:

1: Эбонит R_v=10¹⁴ – 10¹⁶ Ом*см

2: Полихлорвинил R_v=10¹² – 10¹⁴ Ом*см

3: Парафин R_v=10¹⁶ – 10¹⁸ Ом*см

4: Мрамор R_v=10⁹ – 10¹⁰Ом*см

Вопрос 22 (мт=0,5)

Из перечисленных эластомеров самую высокую нагревостойкость имеет:

1: Тиурамовая резина

2: Эбонит

3: Мягкая резина

4: Натуральный каучук

Вопрос 23 (мт=0,5)

Вещества, предназначенные для замедления процесса старения трансформаторного масла называются:

1: Катализаторы

2: Присадки кремния

3: Адсорбенты

4: Ингибиторы

Вопрос 24 (мт=0,6)

Какие стекла предназначены для изготовления изоляторов?

1: Конденсаторные

2: Установочные

3: Ламповые

4: Электровакуумные