Механические, термические и физико-химические свойства диэлектриков

Механические свойства диэлектриков. Они характеризуют спо­собность диэлектрика выдерживать внешние статические и динами­ческие нагрузки без недопустимых изменений первоначальных раз­меров и формы. Статическая нагрузка на материал при эксплуата­ции или испытаниях плавно возрастает с обусловленной скоростью, динамическая воздействует мгновенно, рывком, ударом, быстро из­меняясь по величине и (или) направлению.

Способность диэлектрика выдерживать статические нагрузки ха­рактеризуется разрушающим напряжением при растяжении, сжа­тии или изгибе, пределом текучести, относительным удлинением при разрыве, относительной деформацией при сжатии и другими ха­рактеристиками. Перечисленные параметры определяются стандар­тизированными методами.

Для испытаний используют образцы определенной формы и раз­меров. Например, определение прочности на разрыв тонких листов бумаги и картона производят на образцах в виде по­лосок шириной 15 мм (для бумаги) или 50 мм (для картона), длиной 180 или 100 мм. При статических испытаниях анизотропных листо­вых материалов образцы вырезают вдоль и поперек рулона; образцы, вырезанные вдоль рулона, имеют большее разрушающее напряже­ние и меньшее относительное удлинение при растяжении по сравне­нию с образцом, вырезанным поперек рулона.

Для пластмасс важным параметром является сопротивле­ние раскалывания. Для его определения используют образцы размерами 15х15х10мм. В ходе испытаний в торец образ­ца, размещенного на нижней опорной плите разрывной машины, вдавливается клин, укрепленный на верхней плите. Сопротивление раскалывания рассчитывается по формуле S_p,=F/b где F – наибольшая нагрузка в момент раскалывания образца, Н; b – ши­рина средней части образца, м.

Механические свойства гибких материалов (бумага, лакотка-ни, пленки) характеризуются таким условным параметром, как стойкостью к надрыву. Для его определения исполь­зуют полоски материала шириной от 8 до 20мм. Полоска пропуска­ется в закрепленную в верхнем зажиме разрывной машины скобу, перегибается на 180^о, после чего оба ее конца закрепляют в нижнем зажиме. Скоба имеет форму полукольца. В зависимости от ширины полоски радиус полукольца может иметь размеры от 5 до 13мм. Таким образом, при натяжении полоски наибольшие усилия переда­ются на ее крап. Стойкость к надрыву численно равна нагрузке в ньютонах, при которой происходит надрыв краев полоски.

Рис. 7.23. Схема работы маятникового копра для определения ударной вязкости материалов.

Твердостью называют способность материала сопротив­ляться внедрению в него другого, более твердого материала. В боль­шинстве случаев при определении твердости электроизоляционных материалов, используется статический метод вдавливания индентера в поверхность образца при заданной нагрузке. Обычно индентер представляет собой полированный шарик из закаленной стали с ди­аметром 5 мм. Твердость H(Н/ мм²) определяется глубиной вдавли­вания индентера по истечении 30 с после нагрузки и рассчитывает­ся по формуле H=F/πdh, где F– нагрузка, Н; d – диаметр ша­рика, мм; h– глубина вдавливания. Способность диэлектрика выдерживать динамические механичес­кие нагрузки характеризуют ударной вязкостью и стойкостью к вибрации. Удельная ударная вязкость - отношение энергии удара при изломе образца к площади его по­перечного сечения. Она характеризует прочность материала при ди­намическом изгибе. В таком режиме работают многие узлы электро­технического оборудования, выполненные из пластмасс, слоистых пластиков и других материалов. Ударную вязкость измеряют с по­мощью маятниковых копров, схема работы которых приведена на рис. 7.23. Тяжелый маятник 1 поднимают на высоту h₂ и фиксируют. Образец 2 испытуемого материала, который имеет форму бруска без разреза и с разрезом посередине для вязких материалов, размещают на двух опорах копра. При освобождении фиксатора маятник пада­ет, ломает образец и поднимается по инерции на высоту h₁, которая зависит от свойств испытуемого материала. Разность потенциаль­ных энергий маятника в положениях h₂ и h₁ определяет работу удара А_уд = G (h₂–h₁), где G – вес маятника, Н. Удельная ударная вязкость W_уд (Дж/м² или Н·м) рассчитывается но форму­ле W_уд=А_уд/S, где S – площадь поперечного сечения образ­ца, м².

Стойкость материалов и изделий к вибрациям определяется от­сутствием механических повреждений, нарушением герметичности в случае герметизированных конструкций, сохранением в задан­ных пределах электрических параметров изоляции после воздейст­вия в течение определенного времени вибрации с заданными пара­метрами (амплитудой ускорения, диапазоном частот и др.). Для вибрационных испытаний материалов и изделий используют­ся специальные вибрационные стенды.

Для многих электроизоляционных материалов важным параметром является гибкость, которая обеспечивает сохранение вы­соких механических и электрически: параметров изоляции при самых раз­нообразных механических деформа­циях. Методы определения гибкости основаны на определении числа пере­гибов тонкого материала, вызывающих его разрушение. Гибкость определяют с помощью приборов, называемых эластометрами. Для испытаний используют образец в виде полоски 25x200мм, которая располагает­ся вертикально и зажимается между двумя парами губок. Верхняя пара губок может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на за­ранее установленный угол. К ниж­ней паре губок подвешивается чашка с грузами. Гибкость определяется числом двойных переги­бов, которые доводят образец до разрыва. При определении гибко­сти лаковых пленок тонкую медную фольгу с нанесенной лаковой пленкой изгибают вокруг стержней разных диаметров. Показателем гибкости служит наименьший диаметр стержня, при изгибе вокруг которого пленка еще не растрескивается.

Термические свойства диэлектриков. Поведение диэлектрика при нагревании характеризуется рядом свойств, которые в совокуп­ности определяют его допустимую рабочую температуру. К важней­шим термическим свойствам материала относятся теплопроводность, теплоемкость, плавление и размягчение материала, тепловое расши­рение, нагревостойкость, стойкость к термоударам.

Теплопроводность определяет процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой электриче­ской изоляции, а также и отвод теплоты из толщи электрической изоляции, нагретой за счет диэлектрических потерь. Количествен­но теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопровод­ности λ Вт/(м·К) или Вт/(м·°С), который равен количеству теплоты, прошедшей за единицу времени через единицу площади при гради­енте температуры 1К/м. Как правило, диэлектрики являются пло­хими проводниками теплоты и коэффициент теплопроводности λ их мал. Коэффициент теплопровод­ности имеет значение для газов (2-5)·10^-2, а для твердых диэлект­риков 0,02-3,0 Вт/(м·К).

Теплоемкость С [Дж/(кг·К)] вещества определяет то количество теплоты Q (Дж), которое необходимо для нагрева тела массой т (кг), от температуры Т₀ до T (К) и входит в уравнение Q=Ст(Т-Т₀). Время нагрева или охлаждения электроизоляци­онных конструкций зависит от теплоемкости используемых в них материалов, теплоемкость определяет количество теплоты, необхо­димой для их нагрева в ходе технологии изготовления и целый ряд других процессов. Удельная теплоемкость некоторых диэлектри­ков при нормальных температурах имеет значения: щелочные алюмосиликатные стекла – 300 – 1000 Дж/(кг·К), электротехниче­ский фарфор и стеатит – 800-900, органические полимеры – 1200-2200, нефтяные электроизоляционные масла – 1800-2500, вода – 4200Дж/(кг·К).

Твердые кристаллические диэлектрики при нагреве плавятся и для них характерным параметром является температура плавления Т_пл (К). Аморфные материалы переходят из твер­дого состояния в жидкое в интервале температур. Такой переход характеризуют температурой размягчения Т_разм. Температуру размягчения таких диэлектриков, как битум, воск, и некоторых видов компаундов определяют методом «кольца и шара». Для этого испытуемый диэлектрик заливается в цилиндрическое кольцо до самого верха (рис. 7.24, а).После затвердевания ди­электрика кольцо помещают на стойку и в центре поверхности кла­дут стальной шар. Стойку помещают в сосуд с жидкостью. При на­гревании происходит размягчение диэлектрика и под нагрузкой, создаваемой шариком, он выдавливается из кольца. За Т_разм при­нимают температуру, при которой выдавленная масса коснется пла­стины, расположенной на глубине h.

Температура размягчения пластмасс определяется по Вика (рис. 7.24, б). Образец нагревают в термостате и одновременно под­вергают воздействию сжимающего усилия. Усилие создается на­грузкой 10 или 50 Н и передается на образец через стержень и индентер в виде трубочки с диаметром 1,13мм и длиной 3мм. За Т_разм жестких пластмасс принимают температуру, при которой индентер внедрится в образец на глубину 1мм. Температура размягчения пластмасс и других материалов определяется также при одновре­менном воздействии температуры и изгибающей нагрузки на обра­зец. Так определяют Т_разм по Мартенсу (рис. 7.24, в). Образец рас­полагают вертикально, закрепляя консольно в нижнем зажиме. Верхний зажим жестко скреплен с рейкой-рычагом, на которой перемещается груз. Таким образом можно изменять изгибающую нагрузку. Деформацию образца при нагреве контролируют с помощью указателя деформации. За Т_разм принимают температуру где фиксируемая указателем деформация равна 6 мм. Стандартом предусмотрено определение Т_разм по прогибу расположенного горизонтально на двух опорах стержня из диэлектрика под действием на­грузки, которая прикладывается к середине стержня. Стержень имеет размеры 110х10x4мм. За Т_разм принимают температуру, при которой прогиб составит 0,33 мм.

Диэлектрик, как и другие материалы, при нагревании расши­ряется. Термическое расширение оценивают темпе­ратурным коэффициентом длины ТКl (К^-1) и температурным ко­эффициентом объема ТКV (К^-1). Температурный коэффициент объ­ема равен утроенному коэффициенту длины: TKV=3TKl.Значение ТКl большинства диэлектриков изменяется в пределах (0,3÷ 20)·10^-5 К^-1. Весьма мал ТКl кварцевого стекла: 0,055 х10^-5 К^-1, поэтому изделия из него не разрушаются при резких перепадах тем­ператур. В композиционном электроизоляционном материале со­стоящем из диэлектриков с разными ТКl, при нагревании или ох­лаждении возникают внутренние механические напряжения. При многократном повторении цикла нагрев-охлаждение втаких ма­териалах образуются трещины, расслоения и другие механические повреждения, сопровождаемые резким снижением их электрических параметров.

Для жидких и аморфных вязких материалов (смол, компаундов) важным параметром является вязкость. Вязкость свойственна текучим телам, где имеет место сопротивление перемещению одной части (одного слоя) тела относительно другой. Это сопротивление характеризуется динамической вязкостью (Па·с) и кине­матической вязкостью (м²/с), равной отношению динамической вяз­кости к плотности материала.

Рис. 7.24. Схемы определения температуры – размягчения по методу «кольца и шара» (а), по Вика (б) и по Мартенсу (в).

 

На практике пользуются услов­ной вязкостью (ВУ), которая связана с динамической и кинемати­ческой эмпирическими соотношениями. Условная вязкость измеря­ется с помощью вискозиметров разных типов. С помощью капилляр­ных или универсальных вискозиметров ВУ измеряется по времени истечения заданного объема жидкости через капилляр или сопло заданного диаметра. В ротационных вискозиметрах испытуемая жидкость загружается в пространство между коаксиальными ци­линдрами, один из которых неподвижный, а другой вращается. ВУ определяется по затрате мощности на вращение цилиндра. Вяз­кость определяет электрические свойства электроизоляционных ма­териалов и такие технологические процессы производства электри­ческой изоляции, как пропитка твердых материалов лаками, ком­паундами, прессование материалов и изделий из них. Вязкость ми­нерального масла определяет конвекционный теплоотвод от нагре­тых частей в окружающую среду в масляных трансформаторах, выключателях и других устройствах.

В процессе эксплуатации материалы и изделия подвергаются воз­действию различных старящих их факторов. В первую очередь к ним относятся нагрев и электрическое напряжение. Одновременно могут воздействовать влажность, химически активные вещества, ра­диация, механические нагрузки, в том числе вибрационные, глу­бокое охлаждение и целый ряд других. Способность электрической изоляции без повреждения и без недопустимого ухудшения практи­чески важных для нее свойств выдерживать действие одного или нескольких факторов в течение времени, сравнимого со сроком экс­плуатации, определяет ее стойкость к воздействию таких факторов.

Нагревостойкость электрической изоляции опреде­ляют по изменениям ее электрической прочности, тангенсу угла ди­электрических потерь, потере массы, механической прочности, а также других параметров при выдержке при повышенных по срав­нению с рабочей температурах. Например, при температуре размяг­чения сильно снижается механическая прочность диэлектрика и де­формация изделий увеличивается до опасных пределов и они выхо­дят из строя.

Поэтому оценкой нагревостойкоети материала может служить Т_разм по Мартенсу. Критерием выхода из строя изоляции может служить также уменьшение ее электрической прочности вдвое по сравнению со значением до испытаний. Показателем нагревостойкости может быть также и время выхода из строя всех образцов при каждой температуре испытаний.

Материалы, используемые в изоляции электрических машин, трансформаторов и аппаратов, по нагревостойкости разделяют на семь классов. Для каждого класса устанавливается определенная максимальная температура, при которой материал может длитель­но работать без ухудшения свойств (табл. 7.2).

Для материалов, работающих при больших температурах, клас­сы нагревостойкости характеризуются температурами 200, 220 и 250°С, а при еще более высоких – 275, 300°С и так далее через каждые 25 С.

Изоляция целого ряда электротехнического и радиоэлектрон­ного оборудования должна сохранять свои свойства при охлажде­нии до -(60-70)°С, а в ряде случаев и при температуре жидкого азота (-196 °С), водорода (-252 °С) и гелия (-268,7°С). При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются. Но механические свойства эластичных и гиб­ких в нормальных условиях материалов при низких температурах изменяются, они становятся жесткими, хрупкими и легко разруша­ются, особенно при вибрациях. Холодостойкость элект­рической изоляции определяется путем сравнения механических характеристик при отрицательной и нормальной температурах. Например, измеряют деформации при растяжении при низкой и при нормальной температурах, возникающие под действием одинакового усилия, и рассчитывают коэффициент холодостойкости: К_хол = l₂/l₁. Холодостойкость определяется предельно низкой темпера­турой Т_хол , при которой К_хол остается еще постоянным.

Стойкость к термоударам определяется для хруп­ких материалов и изделий из них. Например, изоляторы из электро­технического фарфора должны выдерживать трехкратное нагрева­ние без заметного ухудшения основных свойств.

Таблица 7.2