ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

2.   ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

 

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

Нагревостойкость. 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 правила, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tg d 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. Для различных диэлектриков по этому получаются следующие численные значения:

Эбонит – 65-75° C

Полистирол - 70-85° С

Гетинакс - 150-180° С

В качестве примера употребляющегося в практике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов можно отметить способ кольца и шара. Испытуемый материал 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.

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.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружится 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 медленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно возрастает с повышением температуры старения, подчиняясь общим закономерностям изменения скорости химических реакций.

Продолжительность старения tсвязана с абсолютной температурой старения T зависимостью вида

где А и В - величины, постоянные для данного материала и данных условий старения.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовыми лучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, в особенности хрупких, весьма важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут образовываться трещины.

В результате испытаний устанавливается стойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различны случаях может быть неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытание на действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременным воздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации 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 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.

Теплопроводимость. Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью g_т, входящей в уравнение Фурье

 

 

где, ∆P_t - мощность теплового потока сквозь площадку ∆S, нормальную к потоку , dT/dl - градиент температуры.

Значения удельной теплопроводимости некоторых диэлектриков приведены в таблице 1.

Таблица 1

Значения теплопроводимости некоторых диэлектриков

Материал	gt, Вт/(м*К)
Фарфор Стеатит Двуокись титана Кристаллический кварц Алюминооксид Окись магния Окись бериллия	1,6 2,2 6,5 12,5 30 36 218

 

Значения g_t электроизоляционных материалов за исключением окиси бериллия меньше, чем большинства металлов. Наименьшими значениям g_t, обладают пористые электроизоляционные материалы с воздушными включениями. При пропитке, а также при уплотнении материалов внешним давлением g_t увеличивается. Как правило кристаллические диэлектрики имеют более высокие значения g_t, чем аморфные. Величина g_t несколько зависит от температуры.

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.

В качестве примера в табл. 2 приведены средние ТКЛР некоторых электроизоляционных материалов в интервале 20-100° С.

Таблица 2

Температурный коэффициент линейного расширения некоторых диэлектриков

Материал	al*106, К-1
Поливинилацетат Поливинилхлорид Полиэтилен Ацетат целлюлозы Найлон Политетрафторэтилен Нитроцеллюлоза Полиметилметакрилат Полистирол	265 160 145 120 115 100 100 70 68

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.   ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТИКОВ

Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

При длительной работе диэлектрики должны не разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими : склеиваться, растворяться в растворителях с образование лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, преходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие, гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.