Физические і хімічні властивості диэлектриков

року міністерство освіти РФ.

Рязанська Державна Радіотехнічна Академия.

Реферат по хімії на тему:

«Фізичні і хімічні властивості диэлектриков».

Виконав ст. грн. 319.

Мираков А.В.

Проверил.

Трегулов В.Р.

Рязань 2003.

При виборі электроизоляционного матеріалу конкретної застосування доводиться зважати як з його електричні властивості в нормальних умов, але розглядати також їхніх стабільність при вплив вологості навколишнього повітря, підвищених температур, морозу і радіоактивних излучений.

Нормальне використання вироби більшою мірою залежить від механічних властивостей матеріалів: їх міцності на розтягнення, стиснення, вигин, удар, твердості чи еластичності. Нерідко до виробів, а, отже певною мірою і до матеріалів пред’являються вимоги вибропрочности що за різних амплітудах і частотах коливань. Для деталей, де є поєднання різних матеріалів, велике значення мають температурні коефіцієнти лінійного расширения.

Розробка технологічних процесів виготовлення електричних машин і апаратів також вимагає знання фізичних і хімічних властивостей. (наприклад, окисляемость, розчинність, склеиваемость) материалов.

1. ВЛАЖНОСТНЫЕ ВЛАСТИВОСТІ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

Електроізоляційні матеріали більшою або меншою мірою гигроскопичны, тобто. у змозі вбирати у собі вологу з довкілля, і влагопроницаемы, тобто. здатні пропускати крізь себе пари води. Атмосферне повітря завжди містить певна кількість водяного пара.

Абсолютної вологістю повітря оцінюють масою (m) водяного пара, що міститься у одиниці обсягу повітря (мі). Кожній температурі відповідає певне значення абсолютної вологості при насиченні (m нас). Більшого кількості води повітря утримувати неспроможна, і її випадає в вигляді роси. Абсолютна вологість, необхідна насичення повітря, різко зростає збільшенням температури, тобто. росте, і тиск водяних паров.

Відносної вологістю повітря називають яке виражається у відсотках отношение.

За нормальну вогкість повітря (щодо різноманітних випробувань, для визначення властивостей гигроскопичных матеріалів стандартних умовах зволоження тощо.) приймають відносну вогкість повітря (=65%. У повітрі із нормальною вологістю при 20(З зміст водяних парів m=17,3*0,65=11,25 г/м (.

Вода є сильно дипольным діелектриком з низьким питомим опором. Порядку 10і-104 Ом*м, тож потрапляння їх у пори твердих діелектриків веде до різкого зниження їх електричних властивостей. Особливо помітно вплив вологості при підвищених температурах (30−40є З) і високих значеннях (, близьких до 98−100%. Такі умови спостерігаються в країнах із тропічним кліматом. Передусім вплив підвищеної вологості повітря віддзеркалюється в поверхневому опір діелектриків. Для запобігання поверхні электроизоляционных деталей з полярних твердих діелектриків від дії вологості їх покривають лаками, не смачивающимися водою. а) б) Рис. 2 Крапля рідини на смачиваемой поверхні диэлектрика (а на несмачиваемой поверхні (б).

Здатність діелектриків смачиваться водою (або інший рідиною) характеризується крайовим кутом змочування (краплі води, нанесену на пласку поверхню тіла. Чим менший (, тим більше змочування; для смачиваемых поверхонь (< 90((рис. 2, а), для несмачиваемых (> 90((рис 2, б).

За наявності диэлектрике об'ємної відкритої пористости або за нещільної структурі волога потрапляє й всередину материала.

Вологість матеріалів. Зразок электроизоляционного матеріалу, розміщені у умовах певної вологості і температури оточуючої середовища, через необмежено велике час сягає деякого рівноважного стану вологості. Якщо порівняно сухий зразок матеріалу буде поміщений у вологий повітря (відносною вологістю (), ми будемо спостерігати поступове поглинання матеріалом вологи з повітря, причому вологість матеріалу (, тобто. зміст вологи в одиниці маси матеріалу, в перебіг часу (підвищиться, асимптотически наближаючись до рівноважної вологості (р, відповідної даному значенням (Навпаки, тоді як повітрі тієї ж відносної вологості (буде поміщений зразок тієї самої матеріалу з початковій вологістю, більшої (р, то вологість зразка зменшуватиметься, асимптотически наближаючись до значенням рівноважної вологості (р; у разі відбувається сушіння матеріалу (крива 2). Для різних матеріалів значення рівноважної вологості за одного й те ж значенні відносної вологості повітря (можуть бути различны.

Визначення вологості электроизоляционных матеріалів дуже важливо задля уточнення умов, у яких виробляється випробування електричних властивостей цього матеріалу. Для текстильних та інших матеріалів встановлюється так звана кондиційна вологість, відповідна рівноважної вологості матеріалу під час перебування їх у повітрі в нормальних умовах. На гігроскопічність матеріалу істотно впливає будову та хімічну природу. Велику роль грають наявність і величину капілярних проміжків всередині матеріалу, у яких проникає волога. Дуже пористі матеріали, зокрема волокнисті, більш гигроскопичны, ніж матеріали щільного строения.

Визначення гигроскопичности до збільшення маси увлажняемого образу хоч і віддає деяку уявлення про спроможність матеріалу поглинати вологу, але цілком відбиває ступінь зміни електричних властивостей цієї статті при зволоженні. У разі, якщо поглинута волога здатна утворювати нитки чи плівки за «товщиною ізоляції, що потенційно можуть пронизувати весь проміжок між електродами (чи значну область між проміжками), вже дуже малі кількості поглинутою вологи наводять до різкого погіршення електричних властивостей ізоляції. Якщо ж волога розподіляється за обсягом матеріалу як окремих, не об'єднуються між собою малих включень, вплив вологи на електричні властивості матеріалу менш существенно.

Влагопроницаемость. Крім гигроскопичности, велике практичне значення має тут влагопроницаемость электроизоляционных матеріалів, тобто. здатність їх пропускати крізь себе пари води. Ця характеристика надзвичайно важлива оцінки якості матеріалів, що застосовуються захисних покровів. Наявність щонайменшої пористости більшість матеріалів має піддається виміру влагопроницаемостью.

Для різних матеріалів влагопроницаемость змінюється на досить межах. Як приклад наведемо значення влагопроницаемости наступних материалов:

Парафін — 1,5*10−16 с.

Полістирол — 6,2*10−15 с.

Триацетат целюлози — 2,1*10−13 з Для зменшення гигроскопичности і влагопроницаемости пористих ізоляційних матеріалів широко застосовується їх просочування. Треба мати у вигляді, що просочування целлюлозных волокнистих матеріалів та інших органічних діелектриків дає лише рекомендацію уповільнення зволоження матеріалу, не впливаючи на величину (після тривалого впливу вологості; це пояснюється лише тим, що молекули просочувальних речовин, що мають дуже великі розміри по порівнянню з розмірами молекул води, неспроможна створити повну непроникність пір матеріалу для вологи, а найбільш дрібні пори пропитываемого матеріалу вони взагалі можуть проникнуть.

2. ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

До найважливішим властивостями діелектриків ставляться нагревостойкость, холодостойкость, теплопровідність і теплове расширение.

Нагревостойкость. Здатність электроизоляционных матеріалів і виробів без шкоди них як короткочасно, і довго витримувати вплив високої температури називають нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганічних діелектриків визначають, як правила, по початку істотного зміни електричних властивостей, приміром з помітному зростанню tg (чи зниження питомої електричного опору. Нагревостойкость оцінюють відповідними значеннями температури (в (З), коли він з’явилися ці зміни. Нагревостойкость органічних діелектриків часто визначають по початку механічних деформацій розтяги чи вигину, зануренню голки у матеріал під тиском при нагріванні (визначення «теплостойкости »). Але й їм можливо визначення нагревостойкости по електричним характеристикам.

Як приклад давно існуючого способу оцінки нагревостойкости электроизоляционных матеріалів можна назвати спосіб Мартенса. У цій способу нагревостойкость пластмас та інших матеріалів характеризують таким значенням температури, у якому изгибающее напруга 5 Мпа викликає помітну деформацію випробуваного зразка. У цьому швидкість підвищення температури має становити близько 1 К/мин. Для різних діелектриків у цій виходять такі чисельні значения:

Ебоніт — 65−75(C.

Полістирол — 70−85(С.

Гетинакс — 150−180(С.

Як приклад употребляющегося на практиці способу оцінки температури розм’якання электроизоляционных матеріалів можна назвати спосіб кільця і кулі. Перевірюваний матеріал заливають в металеве каблучку й поміщають нею сталевої кулька певного діаметра; відзначається температура, коли він випробовуваний матеріал настільки розм’якшується, що кулька у його продавити і відбути крізь кольцо.

Температурою спалахи називають температуру рідини, при нагріванні до якої суміш парів її з повітрям спалахує при поднесении до неї невеликого полум’я. Температура запалення — ще більше висока температура, коли він при поднесении полум’я испытуемая рідина загорается.

Ці характеристики представляють особливий інтерес в оцінці якості трансформаторного олії, і навіть розчинників, що застосовуються у виробництві электроизоляционных лаков.

Якщо погіршення якості ізоляції може виявиться лише за тривалому вплив підвищеної температури внаслідок повільно що протікають хімічних процесів, це явище називають тепловим старінням ізоляції. Старіння може виявлятися, наприклад, у лакових плівок і целлюлозных матеріалів вигляді підвищення твердості і тендітності, освіти тріщин і т.п. для перевірки стійкості электроизоляционных матеріалів до тепловому старіння зразки цих матеріалів довго витримують при порівняно невисокою температурі, яка викликає повільного руйнації матеріалу. Властивості зразків, старіли певний час, порівнюється зі властивостями вихідний матеріал. За інших рівних умов швидкість теплового старіння органічних і элементоорганических полімерів значно зростає підвищенням температури старіння, підпорядковуючись загальним закономірностям зміни швидкості хімічних реакций.

Тривалість старіння (пов'язані з абсолютної температурою старіння (залежністю виду де Проте й У — величини, постійні для цього матеріалу та об'єктивності даних умов старения.

Крім температури значний вплив на швидкість старіння можуть надати зміна тиску повітря, або концентрації кисню, присутність озону, що є сильнішим окислювачем, ніж кисень, і навіть різних хімічних реагентів, прискорювальних чи які уповільнюють старіння. Теплове старіння пришвидшується від висвітлення зразка ультрафіолетовими променями, впливу електричного поля, механічних навантажень і т.п.

Для низки электроизоляционных матеріалів, особливо тендітних, дуже важлива стійкість стосовно різким змінах температури (термоударам), в результаті чого у вихідному матеріалі можуть утворюватися трещины.

Через війну випробувань встановлюється стійкість матеріалу до тепловим впливам, причому вона у різні випадках то, можливо неоднаковою: наприклад, матеріал, выдерживающий короткочасний нагрівання до деякою температури, може бути хистким, стосовно тепловому старіння якщо вплив навіть за дешевше температури і т.п. як вказувалося, випробування на дію підвищеної температури іноді доводиться вказувати з одночасним впливом підвищеної вологості повітря, або електричного поля.

Холодостойкость. В багатьох випадках експлуатації важлива холодостойкость, тобто. здатність ізоляції працювати без погіршення експлуатаційної надійності при низьких температурах, наприклад, від -60 до -70(З. При низьких температурах, зазвичай, електричні властивості ізоляційних матеріалів поліпшуються, проте багато матеріалів, гнучкі і еластичні в нормальних умовах, при низьких температурах стають крихкими і жорсткими, що створює труднощі до роботи ізоляції. Випробування электроизоляционных матеріалів і виробів із них як на дію низьких температур нерідко проводяться за одночасного вплив вибраций.

Теплопроводимость. Практичне значення теплопровідності пояснюється тим, що тепло, яке вирізняється внаслідок втрат потужності оточених електричної ізоляції провідниках і магнитопроводах, і навіть внаслідок діелектричних втрат надходжень у ізоляції, перетворюється на довкілля через різні матеріали. Теплопроводимость впливає електричну міцність при тепловому пробое і стійкість матеріалу до тепловим імпульсам. Теплопровідність матеріалів характеризують теплопроводностью (т, що входить у рівняння Фурье.

де, ?P (- потужність теплового потоку крізь майданчик? P. S, нормальну до потоку, dT/dl — градієнт температуры.

Значення удільної теплопровідності деяких діелектриків наведені у таблиці 1.

Таблиця 1.

Значення теплопровідності деяких діелектриків |Матеріал |((, | | |Вт/(м*К) | |Порцеляна |1,6 | |Стеатит |2,2 | |Двоокис титану |6,5 | |Кристалічний кварц |12,5 | |Алюминооксид |30 | |Окис магнію |36 | |Окис берилію |218 |.

Значення ((электроизоляционных матеріалів крім окису берилію менше, ніж більшості металів. Найменшими значенням ((, мають пористі електроізоляційні матеріали з повітряними включеннями. При пропитке, і навіть при ущільнення матеріалів зовнішнім тиском ((збільшується. Зазвичай кристалічні діелектрики мають вищі значення ((, ніж аморфні. Величина ((кілька залежить від температуры.

Теплове розширення діелектриків, як та інших матеріалів, оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР), що вимірюється в К-1 :

Матеріали, які мають малими значеннями ТКЛР, мають, зазвичай, найвищий нагревостойкость і наоборот.

Як приклад в табл. 2 наведено середні ТКЛР деяких электроизоляционных матеріалів інтервалі 20−100(С.

Таблиця 2.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення деяких діелектриків |Матеріал |(l*106, | | |К-1 | |Поливинилацетат |265 | |Полівінілхлорид |160 | |Поліетилен |145 | |Ацетат целюлози |120 | |Найлон |115 | |Политетрафторэтилен |100 | |Нитроцеллюлоза |100 | |Полиметилметакрилат |70 | |Полістирол |68 |.

3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИЭЛЕКТИКОВ.

Хімічні властивості. Знання хімічних властивостей діелектриків важливо задля оцінки надійності в експлуатації й у розробки технологии.

При тривалої роботі діелектрики повинні не руйнуватися із побічних продуктів і викликати корозії соприкасающимися із нею металів; не реагувати з різними речовинами (наприклад, газами, водою, кислотами, лугами, розчинами солей тощо.). Стійкість до дії всіх таких речовин в різних діелектриків дуже разнообразна.

Матеріали у виробництві деталей можуть оброблятися різними химико-технологическими: склеиваться, розчинятися в розчинниках з освіту лаків тощо. Розчинність твердих матеріалів можна оцінена кількістю матеріалу, тимчасовим в розчин за одиницю часу з одиниці поверхні матеріалу, дотичної з розчинником. З іншого боку, нерідко оцінюють розчинність у тій найбільшій кількості речовини, що може бути розчинене у цьому розчині (тобто. за концентрацією насиченого розчину). Найлегше розчиняються речовини близькі до растворителю з хімічного природі й містять в молекулах схожі угруповання атомів; дипольные речовини легше розчиняються в дипольных рідинах, нейтральні в нейтральних. Так, неполярные чи слабополярные вуглеводні (парафін, каучук) легко розчиняються в рідких вуглеводнях, наприклад, в бензині; полярні смоли, містять, гидроксильные угруповання (фенолформальдегидные та інші смоли), розчиняються в спирті та інших полярних розчинниках. Розчинність зменшується на підвищення ступеня полімеризації, високомолекулярні речовини з лінійної структурою молекул розчиняються порівняно легко, і з просторової структурою — дуже важко. При підвищенні температури розчинність зазвичай увеличивается.

———————————- [pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].