Конструкционные электротехнические материалы

При различных ремонтных и других работах с материалами на основе фторопласта не следует забывать, что при высокотемпературной обработке деталей (под влиянием электрической дуги, нагретого жала паяльника) в результате деструкции фторопласта--4 выделяются токсичные газообразные продукты, которые способны вызвать тяжелые отравления организма человека.

Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости е = 3-6 и повышенными диэлектрическими потерями tgд = (1 - 6)?10^-2 на частоте 1 МГц. Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация. Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен), полиамидные смолы. Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот.

Поливинилхлорид (ПВХ) представляет собой полимер, получаемый полимеризацией хлористого винила с образованием высокомолекулярного соединения.

Молекула хлористого винила асимметрична и поэтому обладает резко выраженными полярными свойствами. ПВХ благодаря высокому содержанию хлора не воспламеняется и не горит. Разложение ПВХ начинается при температуре 170 °С. ПВХ нерастворим в воде, спирте, бензине и многих других растворителях. При нагревании он растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, обладает высокой стойкостью к действию сильных и слабых кислот и щелочей, смазочных масел.

ПВХ хорошо совмещается с пластификаторами, которые улучшают его эластичность, но несколько ухудшают диэлектрические свойства. В электротехнике жёсткий материал, называемый винипластом, находит ограниченное применение. Для электрической изоляции, в частности для кабельной изоляции, применяется пластифицированный ПВХ, называемый пластикатом.

Обычно применяют такие пластификаторы, как дибутилфталат и трикрезилфосфат. Введение пластификатора не только улучшает пластичность ПВХ, но и повышает его морозостойкость. Введением специальных пластификаторов можно получить пластикаты, которые можно использовать при температуре (-60) °С, однако следует учитывать, что при введении большого их количества резко возрастают диэлектрические потери.

Материалы на основе ПВХ имеют высокую влагостойкость, что обеспечивает широкое их применение для изоляции кабельных изделий, проводов, а также в виде трубок, вент, листов в электрических машинах и аппаратах, работающих на промышленных частотах. ПВХ применяют также в качестве материала, гасящего электрическую дугу в отключающей аппаратуре.

Полиметилметакрилат ([-СН₂ - С (СНз) -]_n(П.) -

СООСНз

линейный термопластичный полимер, получаемый радикальной полимеризацией в массе (так называемое органическое стекло), - бесцветный прозрачный полимер, обладающий высокой проницаемостью для лучей видимого и УФ-света, высокой атмосферостойкостью, хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойствами.

При нагревании выше 120 °С П. размягчается, переходит в высокоэластическое состояние и легко формуется; выше 200 °С - начинается заметная деполимеризация П., которая с достаточно высокой скоростью протекает при температуpax выше 300 °С. Практически количественно П. может быть деполимеризован [при (300-400)) °С в вакууме (66,7-266,6) н/м^г, или (0,5-2) мм рт. ст.]. В промышленности деполимеризацией отходов П. получают мономер.

Применение и переработка. Промышленностью П. поставляется главным образом в виде листового органического стекла. В качестве конструкционного материала П. применяют в лазерной технике.

Суспензионный П., получаемый в виде порошка, предварительно гранулируется на экструзионных машинах. Гранулированный П. перерабатывают прессованием, литьём под давлением или экструзией. Суспензионные полимеры используют в автомобильной промышленности (задние фонари, подфарники, шкалы, световые отражатели и др.), в приборостроении (линзы, призмы, шкалы), для изготовления изделий широкого потребления (посуда, пуговицы и др.) и канцелярских принадлежностей. Экструдированные из суспензионных полимеров и сополимеров листы используются для изготовления светотехнических изделий (например, рассеивателей света для светильников), вывесок и т. п.

Суспензионный П. с размером частиц (0,05-0,15) мм или высушенный эмульсионный П. применяют для изготовления самоотверждающихся пластмасс [(55-60) % П., (35-40) % мономера, содержащего инициатор, с добавкой красителя]. Эти пластмассы используются в производстве зубных протезов, для изготовления штампов, литейных моделей, абразивного инструмента.

Акриловые дисперсии и полимеры, полученные в растворе, используются как лаки для кузовов автомобилей, для отделки тканей, волокон, бумаги, кож и т. д. В качестве клея для склеивания органического стекла используют мономерно-полимерную смесь или (20-30) % растворы П.

За рубежом блочный П. производится под названиями: плексиглас (США, ФРГ, Франция), перспекс (Великобритания), кларекс (Япония), леофлекс (Швейцария) и др.; суспензионный - люсайт (США), диакон (Великобритания), плексигум (ФРГ), ведрил (Италия); сополимер М. с акрилонтрилом - илексидур (ФРГ), имплекс (США).

Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) получают полимеризацией трифторхлорэтилена. Фторопласт-3 - кристаллический полимер с температурой плавления кристаллической фазы примерно 215 °С. Фторопласт-3 по сравнению с фторопластом-4 имеет меньшую термическую стойкость и способен отщеплять хлор при температуре выше 260 °С. Как и фторопласт-4, этот полимер имеет высокую химическую устойчивость, но в отличие от него может перерабатываться в различные электротехнические изделия методом прессования при температуре (220 - 250) °С. По своим электроизоляционным свойствам фторопласт-3 занимает промежуточное положение между поливинилхлоридом и фторопластом-4. Фторопласт-3 применяют для изоляции проводов и кабелей, для изготовления различных деталей радио- и электротехнической промышленности, производства плёнок, в производстве конденсаторов и фольгированных диэлектриков.

В промышленности выпускается большое число сополимеров рассмотренных полимеров, т. е. таких соединений, которые получаются из нескольких мономеров и поэтому содержат в цепи неодинаковые элементарные звенья. Сополимеры могут быть получены с нужным комплексом свойств.

Полимеры, получаемые поликонденсацией. Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта и др.). Элементный состав полимерной молекулы отличается от элементного состава мономерной молекулы.

Реакция поликонденсации протекает, если мономерные соединения содержат химически активные группы, способные вступать во взаимодействие. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших полимеров, таких как фенолоформальдегидные, полиэфирные смолы и др. Термином смола в промышленности иногда пользуются, наряду с названием полимер.

Термореактивные пластмассы можно классифицировать по типу связующего и виду товарной продукции. По типу связующего вещества пластмассы подразделяются на фенолоформальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные; по типу товарной продукции, поступающей на переработку, - на пресс-порошки, гранулированные пластмассы, волокниты, компаунды, премиксы, препреги.

Премиксы представляют собой тестообразную массу, полученную в результате смешения рубленого стекловолокна с пастой и содержащую ненасыщенную полиэфирную смолу, инициатор полимеризации, минеральный наполнитель и другие добавки.

Препреги - это листовые материалы, полученные пропиткой термореактивным связующим веществом волокнистых наполнителей, используемых для изготовления изделий из стеклопластиков различными методами.

Фенолоформальдегидные полимеры (смолы) - это продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. В зависимости от условий проведения поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными, или термореактивные, называемые резольными. Термореактивные смолы называют также бакелитом.

Новолачные смолы получают при избытке фенола в присутствии кислоты, а резольные - при избытке формальдегида в щелочной среде. Новолачные смолы сохраняют плавкость и растворимость в этиловом спирте и других растворителях при нагревании. Их можно перевести в резолы действием формальдегида или уротропина. Непосредственно после получения бакелит находится в стадии А (резол), в которой он сохраняет плавкость и растворимость в спирте. При нагревании бакелита в стадии А до температуры (110 - 140) °С он проходит через промежуточную стадию В (резитол), когда смола растворяется лишь частично, и переходит в неплавкую и нерастворимую стадию С (резит). Новолачные смолы применяются для производства лаков и пресс-порошков для изготовления электрической изоляции, причем процесс перехода линейного полимера в пространственный осуществляется в прессах при изготовлении изделий после смешения смолы с уротропином.

Резит (бакелит в стадии С) отличается высокой механической прочностью и сравнительно хорошими электроизоляционными характеристиками. Полярность новолачных смол и бакелита в стадии С связана с наличием в их молекулах гидроксильных групп. Разложение резитов, сопровождаемое обугливанием, происходит при температуре выше 300 °С.

При замене фенола анилином или крезолом получаются анилино- и крезолоформальдегидные смолы. Электрические свойства и водостойкость резитов этих смол лучше, чем у полученных на основе фенола и формальдегида. Все смолы резольного типа широко применяются при изготовлении слоистых пластиков (гетинакса и текстолита). Фенолоформальдегидные смолы находят широкое применение и качестве связующего в производстве композиционных материалов, называемых фенопластами.

Полиэфирные смолы получают при поликонденсации многоосновных кислот с многоатомными спиртами. Для электроизоляционых целей используют преимущественно этиленгликоль и глицерин. Линейные полиэфиры терефталевой кислоты являются термопластичными полимерами и применяются в виде плёнок, а термореактивные полиэфиры используются в качестве основы лаков.

Термореактивные полиэфиры на основе фталевой кислоты называют глифталевыми смолами. Они находят применение после модификации жирными кислотами. Электроизоляционные лаки на основе модифицированных глифталевых смол применяются для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов и других аппаратов, работающих погружёнными в минеральное масло. Глифталевые лаки применяют в кабельной промышленности в качестве связующего вещества стекловолокнистой изоляции обмоточных проводов.

Гранулированные полиэфирные пластмассы приобрели промышленное значение для изготовления электротехнических деталей.

Термопластичный полимер, получаемый из этиленгликоля и кислоты, называется полиэтилентерефталатом. В нашей стране этот полимер называется лавсаном.

Плёнки и нити лавсана применяют при производстве конденсаторов и в качестве пазовой изоляции электрических машин, а также для производства синтетической бумаги. Прочность пленок из лавсана в 10 раз выше, чем пленок из полиэтилена (до 290 МПа). Они имеют высокую электрическую прочность (до 180 МВ/м) и повышенную нагревостойкость. Лавсан отличается стойкостью к подавляющему большинству органических растворителей. По диэлектрическим показателям лавсан относится к слабополярным диэлектрикам и отличается высокими диэлектрическими свойствами.

Для изготовления гибких печатных плат, кабелей и шлейфов применяется композиционный материал на основе лавсановой плёнки и эпоксиднокаучукового покрытия, облицованный электролитической фольгой толщиной 35 или 50 мкм.

Плёнка лавсановая черная, получаемая методом экструзии из расплава, применяется для вычислительной техники в качестве носителя информации, средств связи и автоматики.

Эпоксидные полимеры широко применяются в различных областях техники, что связано с рядом их ценных свойств, среди которых важное значение имеет способность отвердевать без давления при действии теплоты и отвердителей в толстых слоях с малыми усадками. Эпоксидные смолы характеризуются наличием в их молекулах эпоксидных групп (колец).

В исходном состоянии эпоксидные смолы представляют собой вязкие жидкости, которые под действием особых веществ - отвердителей - переходят в твёрдое состояние, становясь термореактивными материалами. В процессе отвердевания, который протекает равномерно, эпоксидные смолы приобретают пространственное строение. Процесс отвердевания является полимеризацией, то есть протекает без выделения побочных продуктов.

Эпоксидные смолы могут отвердевать при комнатной температуре (холодное отверждение) или при нагревании до температуры (80 - 150)°С. В последнем случае получается более высокая электрическая прочность. Выбор отвердителя оказывает большое влияние на различные свойства отвердевших эпоксидных смол, такие как эластичность, нагревостойкость и др. Для холодного отвердевания эпоксидных смол часто применяют азотсодержащие вещества (амины), для отвердевания при нагревании - ангидриды органических кислот. Применению в электротехнике эпоксидных смол способствует их малая усадка при отвердевании, которая не превышает (0,5 - 2) %.

В качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов эпоксидные полимеры широко применяют в радиоэлектронике, приборостроении, электротехнике. Как высокопрочные конструкционные материалы они находят применение в ракетной и космической технике, авиации, судостроении, машиностроении. Благодаря хорошей адгезии к стеклу, керамике, дереву, пластмассам, металлам эпоксидные полимеры применяются для изготовления высокопрочных клеев. Клеевые швы устойчивы к действию воды, неполярных растворителей, кислот, щелочей и характеризуются высокой механической прочностью. Эпоксидные полимеры применяются для изготовления лакокрасочных покрытий. На основе эпоксидных полимеров изготовляют компаунды горячего и холодного отвердевания. В качестве наполнителей широко применяют минеральные и органические вещества.

Многие эпоксидные смолы и их отвердители оказывают на организм человека токсическое действие, поэтому работа с ними требует соблюдения необходимых правил предосторожности. Отвердевшие эпоксидные смолы не токсичны.

Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны, силиконы) впервые синтезированы в Советском Союзе в 1937 г. благодаря работам К. А. Андрианова. В настоящее время промышленностью выпускается значительное количество кремнийорганических (высокомолекулярных) соединений, которые находят широкое применение благодаря ряду ценных свойств, прежде всего высокой термо-, тепло-, водо-, атмосферостойкости и хорошим диэлектрическим свойствам.

Кремнийорганические полимеры могут быть получены в виде эластичных смол, твёрдых тел и жидких диэлектриков. Благодаря тому, что кремнийорганические соединения не смачиваются водой, их используют для придания водоотталкивающих свойств пластическим массам, керамике и другим материалам.

К недостаткам этих смол относятся их сравнительная дороговизна, низкая механическая прочность, плохая адгезия к большинству других материалов и низкая маслостойкость.

Полиорганосилоксановые лаки находят применение в качестве связующих веществ для различных композиционных электроизоляционных материалов, например слюдяных материалов, пластмасс, слоистых пластиков, стеклотканей, пропиточных составов для изоляции электрических материалов, а также для работы в условиях тропиков, для заливки и компаундирования узлов и деталей электронного оборудования.

Полиимиды - полимеры, содержащие имидную группировку атомов.

Они относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров. При температуре 500 °С плёнка из полиимидов вдвое прочнее, чем пленка из полиэтилена при температуре 20 °С. Разложение полимера начинается при температуре выше 400 °С, плёнка не плавится и не размягчается при температуре до 800 °С. Наряду с высокой нагревостойкостью полиимиды обладают исключительной холодостойкостью (до -269 °С), хорошими диэлектрическими показателями. Применяют полиимиды для изготовления пленок, лаков, нагревостойких волокон.

Композиционные материалы. Наиболее широко применяют гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Гетинакс получается в процессе горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Для ряда марок гетинакса применяется сульфатноцеллюлозная бумага. Гетинакс марки X, который имеет повышенную штампуемость, и марки ЛГ изготовляют на основе лавсановой бумаги и эпоксидной смолы.

Основные особенности лавсанового гетинакса - повышенная способность к штампованию, высокие влагостойкость, механические и электрические свойства. Благодаря высокому уровню электрических свойств в условиях повышенной влажности детали из него не требуют лакировки.

Электрическая прочность гетинакса в направлении, перпендикулярном слоям, Е_п = (20 - 40) МВ/м, диэлектрическая проницаемость е = (5 - 6). Дутостойкость гетинакса с феноло-формальдегидным связующим веществом невысока: после воздействия дуги на поверхности материала остаётся науглероженный след. Так как гетинакс слоистый материал, то его электрические свойства вдоль и поперёк слоёв не одинаковы.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Текстолит, изготовленный на основе хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой, можно использовать при температурах от (-60) до 105 °С. Отличительной особенностью текстолита является повышенное сопротивление раскалыванию и истиранию. Текстолит в (5 - 6) раз дороже гетинакса.

Промышленностью освоен и серийно выпускается ряд марок листовых электротехнических стеклотекстолитов. Применение стеклопластиков в качестве электроизоляционного и конструкционного материала в электромашиностроении позволяет создавать электрические машины разных классов нагревостойкости, повышать их надежность в эксплуатации и решать ряд новых технических задач.

Высокие температуры эксплуатации электротехнического оборудования обусловливают преимущественное применение термореактивных связующих для изготовления деталей из стеклопластиков. Наиболее широкое применение для стеклопластиков электротехнического назначения нашли связующие вещества на основе фенолоформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и кремнийорганических полимеров.

Резины. Широкое применение в электропромышленности, особенно при производстве кабельных изделий, получила резина. Резина состоит из многокомпонентной смеси на основе каучуков и близких к ним по свойствам веществ, называемых эластомерами. Для получения необходимых свойств резины подвергают процессу так называемой вулканизации.

Натуральный каучук получают из млечного сока (латекса) растений - каучуконосов. Он представляет собой полимерный углеводород, в отдельных звеньях молекулы которого имеются двойные связи.

Высокая эластичность каучука обусловлена тем, что его молекулы имеют зигзагообразную, «шарнирную» форму. При действии растягивающих усилий форма цепочки каучука приближается к прямолинейной, при этом получаются рентгенограммы, характерные для кристаллических тел, имеющих упорядоченное расположение молекул в пространстве. В нерастянутом состоянии каучук имеет свойства аморфных тел. Чистый натуральный каучук для изготовления электрической изоляции не применяется, так как он имеет малую стойкость к действию повышенных и пониженных температур. Эти недостатки устраняются после процесса вулканизации, то есть нагревания и введения в каучук серы. При вулканизации двойные связи некоторых молекул разрываются и «сшивают» цепочки молекул атомами серы с образованием пространственной структуры.

По своим диэлектрическим характеристикам натуральный каучук близок к неполярным диэлектрикам.

При высокой степени вулканизации в структуре молекулы каучука почти полностью исчезают двойные связи и получается твёрдый электроизоляционный материал, называемый эбонитом. Эбонит содержит от 30 до 35 % серы, отличается высокой твёрдостью, не эластичен, имеет малую холодостойкость. Относительное удлинение перед разрывом для технических резин составляет (150 - 500) %, а для эбонита - (2 - 6) %. Выпускают эбонит в виде прутков и трубок, которые хорошо поддаются механической обработке. В электротехнической промышленности эбонит применяется как материал, имеющий конструкционное и электроизоляционное значение.

Синтетический каучук широко применяют наряду с натуральным, особенно в кабельной промышленности. Резины для защитных оболочек кабелей изготовляются исключительно на его основе, а в изоляционных смесях более половины натурального каучука заменяют синтетическим.

Бутиловый каучук (бутилкаучук) получают совместной полимеризацией изобутилена с небольшим количеством изопрена или бутадиена. Бутилкаучук отличается более высокой стойкостью к тепловому старению, чем натуральный. Резины на основе бутилкаучука отличаются влагостойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами, имеют более высокую озоностойкость, чем резины на основе натурального каучука, что определяет их применение для изготовления резиновой изоляции, работающей при относительно высоких температурах и высоких напряжениях. К недостаткам бутилкаучука относятся значительные остаточные деформации при растяжении и сжатии.

Хлоропреновый каучук получают полимеризацией хлоропрена. Химическое строение хлоропренового каучука обусловливает его весьма ценные специфические свойства из-за присутствия атомов хлора в молекуле хлоропрена, который является полярным диэлектриком и обладает невысокими электроизоляционными свойствами, но имеет высокую стойкость к действию масла, керосина, бензина. Резины на основе этого каучука имеют значительно более высокую стойкость к действию озона и большую устойчивость к старению, чем резины на основе натурального каучука. С наличием хлора связано и другое свойство хлоропренового каучука - негорючесть.

Недостаток хлоропренового каучука и резин на его основе - низкие электроизоляционные характеристики, повышенная влагопроницаемость, низкая холодоустойчивость, резкое снижение прочности и относительного удлинения при повышении температуры.

Кремнийорганические каучуки в основе каркаса молекулы имеют полисилоксановую цепочку. Для получения резиновых смесей на основе кремнийорганического каучука к нему добавляют наполнители - кремнекислоту (белая сажа), диоксид титана и вулканизующий агент - пероксид бензоила. Резины на основе кремнийорганических каучуков обладают высокой нагревостойкостью. Длительная рабочая температура 250 °С; разложение наступает при температуре 400 °С. К числу преимуществ кремнийорганических резин относится их высокая холодоустойчивость: они сохраняют гибкость при температуре (70 - 100)°С и имеют высокие электроизоляционные свойства.

Недостатками кремнийорганических каучуков и резин на их основе являются невысокие механические свойства, малая стойкость к растворителям и дороговизна.

Лаки, эмали, компаунды, клеи. Электроизоляционные лаки представляют собой коллоидные растворы на лаковой основе, образующие после удаления растворителя плёнку, которая обладает электроизоляционными свойствами.

Лаковая основа представляет собой ту часть лака, которая образует плёнку и состоит из битумов, высыхающих растительных масел, природных или синтетических смол, а также из их композиций.

Растительные масла, получаемые из семян различных растений, способны при нагревании, освещении, соприкосновении с кислородом воздуха и под воздействием других факторов переходить в твёрдое состояние. Высыхание масел является сложным химическим процессом, связанным с полимеризационными процессами и поглощением маслом некоторого количества кислорода из воздуха, поэтому масса масел при сушке может несколько увеличиваться.

Наиболее широко применяют льняное и тунговое масла. Если их нанести на поверхность, то они быстро высыхают с образованием твёрдой неплавкой плёнки. Плёнки из тунгового масла не растворяются в органических растворителях, стойки к действию воды, а плёнки льняного масла почти не растворяются в растворителях.

Наиболее высокими электроизоляционными свойствами обладает тунговое масло, которое является токсичным продуктом. Катализаторами реакций высыхания масел являются соединения свинца, кобальта, кальция, вводимые в масла в виде солей, различных кислот. Такие вещества называются сиккативами.

Битумы - чёрные, твёрдые или пластичные вещества с аморфной структурой, состоящие в основном из сложной смеси углеводородов и продуктов их полимеризации и окисления. Природные битумы, называемые также асфальтами, содержат различные минеральные примеси. Битумы при нагревании переходят в жидкое состояние, при охлаждении затвердевают. При низких температурах они хрупки и дают характерный излом в виде раковины. Лучшие электроизоляционные свойства, как правило, имеют более тугоплавкие битумы, они труднее растворяются и более хрупки. Температура размягчения битумов может быть повышена пропусканием воздуха через расплавленный битум. По своим диэлектрическим характеристикам битумы могут быть отнесены к слабополярным соединениям.

Растворители - летучие жидкости, применяемые для растворения лаковых основ и улетучивающиеся в процессе образования пленки. Растворителями могут служить ароматические углеводороды, спирты, сложные и простые эфиры, скипидар и др. В состав лака, кроме того, могут входить следующие дополнительные вещества.

Сиккативы - вещества, ускоряющие процесс высыхания растительных масел и лаков. Пластификаторы - вещества, придающие эластичность и ударную прочность лаковой плёнке. Отвердители - соединения, способствующие отвердеванию плёнки лака. Инициаторы и ускорители - вещества, ускоряющие процесс образования полимеров. Ингибиторы - соединения, препятствующие преждевременному загустеванию.

Электроизоляционные эмали представляют собой лаки, в состав которых входят пигменты - высокодисперсные неорганические вещества, повышающие твёрдость и механическую прочность лаковой плёнки, теплопроводность, дугостойкость. В качестве пигментов часто применяют диоксид титана, железный сурик и др.

Электроизоляционные компаунды в основном состоят из веществ, которые входят в состав лаковой основы электроизоляционных лаков, но в отличие от лаков не содержат растворителей. В момент применения при нормальной и повышенной температуре компаунды находятся в жидком состоянии и твердеют после охлаждения или в результате происходящих в них химических процессов.

В состав компаундов могут входить активные разбавители, понижающие вязкость компаунда, пластификаторы, отвердители, инициаторы и ингибиторы, назначения которых те же, что и в лаках. В состав компаунда могут также входить наполнители - неорганические и органические порошкообразные или волокнистые материалы, применяемые для уменьшения усадки, улучшения теплопроводности, уменьшения температурного коэффициента расширения и снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют пылевидный кварц, тальк, слюдяную пыль, асбестовое и стекляное волокно и ряд других.

По химическому составу лаковой основы электроизоляционные лаки делят на масляные, смоляные, эфироцеллюлозные.

Масляные (маслосодержащие) лаки состоят из высыхающих растительных масел и натуральных, синтетических смол или битумов с добавлением сиккативов. Из высыхающих масел наиболее часто применяют льняное, тунговое или их смеси. Растворителями являются алифатические углеводороды (керосин, уайт-спирит), ароматические (толуол, ксилол) или их смеси, а также скипидар. К группе масляных лаков относят масляно-битумные, масляно-канифольные, масляно-алкидные лаки. В состав масляно-битумных лаков входят растительные масла в композиции с асфальтами и асфальтитами или искусственными нефтяными битумами с добавлением сиккатива. В состав масляно-канифольных лаков входят, кроме высыхающих растительных масел, препараты, содержащие канифоль. Масляно-алкидные лаки представляют собой продукт реакции поликонденсации многоатомных спиртов с многоосновными кислотами.

Смоляные лаки получают на основе синтетических смол. Примером являются фенолоформальдегидные смолы, растворенные в этиловом спирте, водные феноло- или крезолоформальдегидные лаки, не содержащие спирта. К этой же группе относят лаки на основе полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических смол, лаки на основе натуральных смол или битумов.

Эфироцеллюлозные лаки представляют собой растворы различных эфиров целлюлозы (нитроцеллюлоза, этилцеллюлоза) с добавлением пластификаторов - смеси со сложными эфирами, спиртами, кетонами и ароматическими углеводородами. Они ограниченно применяются в электротехнической промышленности.

Электроизоляционные компаунды по назначению и выполняемым функциям делят на пропиточные и заливочные.

Пропиточные компаунды служат для заполнения пор, капилляров и воздушных включений в электроизоляционных материалах, используемых, главным образом, для обмоток электрических машин, катушек аппаратов, трансформаторов и других электротехнических конструкций. После пропитки повышается электрическая прочность материала и всей конструкции в целом, улучшаются теплопроводность, теплоотдача обмоток.

По химическому составу электроизоляционные компаунды делят на компаунды, изготовляемые на основе нефтяных битумов, растительных или минеральных масел и канифоли, и компаунды на основе синтетических смол.

Кремнийорганические компаунды получили распространение благодаря их высокой нагревостойкости. Широко применяют кремнийорганические эластичные заливочные компаунды на основе кремнийорганических каучуков. Изоляция, выполненная с применением кремнийорганических материалов, надёжно работает до температуры (180 - 200) °С, а иногда и выше, обладает высокими электрическими свойствами. Компоненты кремнийорганических каучуков малотоксичны.

Волокнистые материалы. Волокнистые материалы состоят преимущественно из частиц удлинённой формы - волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом у непропитанных материалов и природными или синтетическими смолами у пропитанных. Преимуществами многих волокнистых материалов являются невысокая стоимость, довольно большая механическая прочность, гибкость и удобство обработки. Недостатки - невысокие электрическая прочность и теплопроводность, более высокая, чем у массивных материалов того же состава, гигроскопичность. Пропитка улучшает свойства волокнистых материалов.

Непропитанные волокнистые материалы по виду исходного сырья можно подразделить на материалы: из растительных волокон; бумаги, картона, хлопчатобумажной пряжи и ткани; животных волокон (натуральный шёлк); искусственных и синтетических волокон (ацетатный шелк, капрон и др.); неорганических волокон (стеклянное волокно, асбест).

Дерево является одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике, чему способствовали его дешевизна и легкость механической обработки. Основой дерева, как и всякого растительного волокна, является органическое вещество - целлюлоза, представляющая собой полимерный углеводород, молекулы которого имеют вид длинных цепей с числом звеньев до двух тысяч.

Более тяжёлые породы деревьев имеют бьльшую механическую прочность, чем лёгкие. Прочность поперёк волокон у дерева меньше, чем вдоль.

К недостаткам дерева относятся высокая гигроскопичность, нестандартность свойств, низкая нагревостойкость и горючесть. При пропитке дерева льняным маслом или различными смолами его свойства улучшаются. Если детали из дерева предназначены для работы в трансформаторном масле, то после сушки они пропитываются тем же маслом.

В электротехнике дерево применяется для изготовления деревянных опор линий электропередачи, крепёжных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения, пазовых клиньев электрических машин и т. п.

Бумага и картон - листовые или рулонные материалы коротковолокнистого строения, состоят в основном из целлюлозы. Наиболее тонкий и высококачественный вид электроизоляционной бумаги - конденсаторная бумага, применяемая для изготовления диэлектрика конденсаторов. Конденсаторную бумагу изготовляют из сульфатной древесной целлюлозы. В нашей стране был разработан простой способ производства борированной целлюлозы, обеспечивающий конденсаторной бумаге резко сниженную зависимость tgд от плотности бумаги.

При использовании конденсаторной бумаги в качестве диэлектрика обычно используют несколько слоёв с применением различных пропиточных масс.

Для производства электроизоляционных картонов наиболее широко применяют сульфатную целлюлозу, а в некоторые виды картонов добавляют хлопковую целлюлозу высокой степени чистоты. Картон, в который добавляется хлопковая целлюлоза, имеет лучшие электрические характеристики. Электроизоляционные свойства картона улучшаются при пропитке его жидким диэлектриком, поэтому электроизоляционный картон широко применяется в качестве основного твёрдого материала в силовых трансформаторах.

Из материалов волокнистого строения широко применяется листовая и трубчатая фибра, в основном в качестве конструкционного и изоляционного материалов. Так как под действием электрической дуги фибра выделяет большое количество газов, то в электрических аппаратах она используется также и в качестве дугогасительного элемента, однако использование фибры для этой цели сокращается из-за возможности применения других материалов с более высокими диэлектрическими и механическими характеристиками (органическое стекло, винипласт, фенолоформальдегидные смолы). Изготовляют фибру из тонкой бумаги, пропускаемой через раствор хлористого цинка. После намотки на стальной барабан и получения слоя нужной толщины, в котором отдельные слои бумаги прилипают друг к другу, фибру срезают с барабана, тщательно промывают водой и прессуют. Промывка необходима для удаления следов хлористого цинка, ухудшающего электроизоляционные свойства фибры.

Фибра неустойчива к воздействию влаги, поэтому её не применяют для деталей, требующих сохранения точных размеров, так как при поглощении влаги фибра меняет свои размеры. При нагревании до температуры 180 °С фибра медленно обугливается и при температуре примерно 300 °С воспламеняется.

Лакоткани - гибкие электроизоляционные материалы, представляющие собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. К пропитанным волокнистым материалам относятся также лакобумаги и электроизоляционные ленты. Основа пропитанных материалов - ткань или бумага - обеспечивает высокую механическую прочность, гибкость и определённую эластичность. Электроизоляционные лаки, заполняя при пропитке поры ткани, образуют на поверхности после высыхания прочную плёнку, которая обеспечивает хорошие электрические свойства и стойкость к действию влаги.

Лакоткани изготовляют на основе хлопчатобумажных, шёлковых и стеклянных тканей из синтетических волокон. Они находят применение в электрических машинах, аппаратах, кабельных изделиях в виде различных лент, прокладок, обёрток и др.

В зависимости от типа пропитывающего лака лакоткани подразделяют на светлые, изготовляемые на масляных лаках, и чёрные - на масляно-битумных лаках.

Светлые лакоткани имеют высокие электрические характеристики, устойчивы к воздействию нефтяных масел, бензина, воды, но имеют повышенную склонность к тепловому старению, в процессе которого возрастает жёсткость при нагревании.

Чёрные лакоткани обладают более высокими, чем светлые, электрическими характеристиками, влагостойкостью и меньшим тепловым старением, но не стойки к воздействию масел и бензина. Лакоткани, в которых в качестве основы используется капроновая ткань, превосходят по своей эластичности шёлковые, но они менее устойчивы к резкому повышению температуры, например при пайке изолированных проводников.

Используют также стеклоткань с различными типами пропитывающих составов (масляных, кремнийорганических, фторопластовых), многие марки которых отличаются высокой устойчивостью к воздействию температуры, влажной среды и других факторов.

Основой лакотканей является, как это было отмечено, различного рода ткань, выполненная методами специальной обработки длинноволокнистого сырья, называемого волокном. Для электроизоляционной техники используют различные типы волокон, в том числе асбестовые волокна, получаемые из минерала асбеста сложного состава.

Асбестовые волокна по сравнению с органическими менее прочны и более жёстки, поэтому в ряде случаев к асбестовому волокну добавляют хлопковые синтетические и другие волокна. Асбестовую пряжу применяют для оплётки нагревостойких проводов и кабелей, предназначенных для работы при температуре (50 - 450) °С. В электропромышленности выпускают асбестовые электро- и теплоизоляционные ленты, шнуры, картоны, доски.

Широко используют электроизоляционные гибкие трубки. Наиболее широкое применение получили лакированные трубки и трубки, изготовляемые на основе каучука, называемые эластомерными.

Слюда и слюдяные материалы. Слюды представляют собой группу материалов, относящихся к водным алюмосиликатам с ярко выраженной слоистой структурой, которая обусловливает высокую анизотропию свойств, т. е. неодинаковость физико-механических и электрических характеристик в направлениях вдоль и поперек слоев. В качестве электрической изоляции в настоящее время применяют два вида минеральных слюд - мусковит и флогопит. Кроме природных слюд применяются также и синтетические. Слюда является весьма ценным природным минеральным электроизоляционным материалом. Использование её в качестве изоляции крупных турбо- и гидрогенераторов, тяговых электродвигателей и в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах связано с её высокой электрической прочностью, нагревостойкостью, механической прочностью и гибкостью. В природе слюда встречается в виде кристаллов, которые способны легко расщепляться на пластинки в параллельных друг другу плоскостях (плоскостях спайности).

Слюда - достаточно широко распространенный минерал и составляет 3,8 % массы земной коры, однако промышленные месторождения мусковита и флогопита, содержащие кристаллы достаточно крупных размеров, немногочисленны.

В месторождениях слюду обычно находят вместе с кварцем, полевым шпатом и другими минералами. Примесь трехвалентного железа придаёт мусковиту коричневую или красноватую окраску, причём мусковит с такой окраской считается наилучшим. Мусковит зеленоватого цвета с примесью двухвалентного железа имеет ухудшенные диэлектрические свойства, в частности пониженное удельное объёмное сопротивление.

Слюдяная изоляция из мусковита или флогопита имеет высокую химическую стойкость, причем мусковит более стоек, чем флогопит. Сильные кислоты и щелочи действуют на мусковит и флогопит только при значительной концентрации, нагревании и длительном контакте.

По электрическим свойствам мусковит является одним из лучших электроизоляционных материалов и превосходит в этом отношении флогопит. Мусковит более механически прочен, более твёрд, гибок и упруг, чем флогопит.

При нагревании слюды до некоторой температуры из неё начинает выделяться входящая в её состав вода. При этом в результате вспучивания слюда теряет прозрачность, толщина её увеличивается, механические свойства и электрические характеристики ухудшаются. Для различных слюд температура обезвоживания колеблется в широких пределах: у мусковитов она обычно не менее 200 °С, у флогопитов - не менее 800 °С. Некоторые разновидности флогопита имеют более низкие температуры обезвоживания (150 - 250) °С, что связано с повышенным содержанием воды. Такие слюды находят применение только для малоответственных целей. Температура плавления слюды (1145 - 1400) °С. Расплавленная слюда при застывании не образует кристаллов прежнего состава. Получаемый после остывания расплава стекловидный материал не является слюдой.

Синтетическая слюда - фторфлогопит получается в процессе расплавления шихты специально подобранного состава в высокотемпературной печи с последующим весьма медленным охлаждением расплава.

Слюдяные материалы изготовляют на основе так называемой щипаной слюды. После очистки слюды от посторонних минералов при её извлечении из горных пород она носит название забойного сырца. Забойный сырец разбирают вручную, раскалывают ножом на пластинки и обрезают. Полученная щепаная слюда применяется для производства миканитов.

Миканиты представляют собой листовые или рулонные материалы, получаемые склеиванием между собой пластинок щепаной (щипанной) слюды. В качестве склеивающих материалов применяются различные, преимущественно синтетические, смолы или лаки. Часто миканитами называют листовые материалы на основе щепаной слюды. Гибкие или рулонные материалы называются микалентой или микафолием.

Разновидностью формовочного миканита является микафолий - один или несколько слоев щепаной слюды, склеенных лаком между собой с бумажной или стекловолокнистой подложкой, покрывающей слюду с одной стороны. Он применяется для изготовления твёрдой изоляции стержней якорных обмоток машин высокого напряжения, а изготовляется из флогопита или мусковита с глифталевым, полиэфирным или кремнийорганическим связующим веществом.

Микалента является разновидностью гибкого миканита. Она клеится из щепаной слюды крупных размеров в один слой и имеет подложки из стеклоткани, стеклосетки или микалентной бумаги с двух сторон. Микалента является основной изоляцией обмоток многих электрических машин высокого напряжения.

Термоупорный (нагревостойкий) миканит не содержит органического связующего вещества. Изготовляется он на основе флогопита, связующим веществом которого служит фосфорнокислый аммоний (аммофос). Такой миканит, применяемый для изготовления изоляции электронагревательных приборов, можно использовать при температуре несколько сотен градусов.

Слюдиниты и слюдопласты являются разновидностью слюдяной бумаги, получаемой из слюдяных отходов без предварительной ручной щепки. Слюдиниты, называемые за рубежом самикой, изготовляют из мусковита.

Слюдопластовая бумага служит для изготовления слюдопластов (делится по применению на те же группы, что и слюдиниты). Слюдопластовая бумага изготовляется, как и слюдинитовая бумага, на бумагоделательной машине, но без применения связующего вещества. Такая технология возможна благодаря тому, что сразу после расщепления кристаллы (чешуйки) природной слюды способны прочно соединяться благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. По сравнению со слюдинитами слюдопласты имеют, как правило, более высокую механическую прочность и более высокую устойчивость к воздействию электрической короны (короностойкость).

Стекло и керамика. Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества.

Стеклами называют аморфные тела, получаемые в результате переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, приобретающие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твёрдых тел, причём процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое является обратимым.

В составы стекол введена большая часть элементов периодической системы Д.И. Менделеева. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO₂, GeO₂, В₂О₃, Р₂О₅, А1₂О₃), галогенидные - на основе галогенидов (BeF₂, фторбериллатные стекла), халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стёкла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

по виду оксида-стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и т.д;

по содержанию щёлочных оксидов - бесщелочные (могут содержать щёлочно-земельные оксиды MgO,С CаО, ВаО), малощёлочные, многощёлочные.

Стёкла получают в результате варки исходных компонентов стекла в стекловаренных печах и при быстром охлаждении расплавленного материала. Изготовленные стеклянные изделия подвергаются отжигу при достаточно высокой температуре с последующим медленным охлаждением для устранения механических напряжений.

Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщёлочные стёкла, а наиболее низкие - стёкла с повышенным содержанием оксидов РbО, Na₂O, K₂O.

Плотность стёкол обычно от 220 до 6500 кг/м³. Теплопроводность стекла по сравнению с другими телами исключительно низкая (наибольшую теплопроводность имеют кварцевое и боросиликатное стекла). Термическая стойкость стекла прямо пропорциональна его прочности при разрыве и обратно пропорциональна его упругости и коэффициенту линейного расширения.

Химическая устойчивость стекла зависит от сопротивляемости его разрушающему воздействию различных реагентов - воды, кислот, щелочей. Для электротехнических стекол химическая устойчивость имеет в ряде случаев существенное значение. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла сильно зависят от состава стекла. Большинство стекол характеризуется ионной проводимостью. Некоторые специальные виды стекол - халькогенидные, ванадиевые (полупроводниковые) - имеют электронную или смешанную проводимость. Наиболее сильно понижают электропроводность стекол SiO₂ и В₂О₃. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую - высокощелочное. Обычно более химически устойчивые стекла имеют меньшую электропроводность. Электропроводность стёкол очень быстро возрастает при увеличении температуры из-за увеличения подвижности ионов. Удельное объёмное сопротивление промышленных стекол при невысоких температурах колеблется в пределах (10⁸ - 10¹⁵) Ом?м. Существенное влияние на электропроводность стекол имеет поверхностная проводимость, сильно зависящая от адсорбированной водяной плёнки.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных; tgд стёкол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов РbО и ВаО имеют низкий tgд.

Самую низкую диэлектрическую проницаемость имеет кварцевое стекло и стеклообразный борный ангидрид, у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стёкол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, она увеличивается примерно до 20.

Пробой стекол вызывается электрическими и тепловыми процессами. При постоянном напряжении электрическая прочность стекла весьма велика и достигает 500 МВ/м, а при увеличении температуры резко снижается. В переменном электрическом поле электрическая прочность стёкол (17 - 80) МВ/м.

Лучшими свойствами обладает кварцевое стекло, выплавляемое из горного хрусталя или чистых кварцевых песков. Кварцевые стёкла отличаются высокой оптической прозрачностью, механической прочностью при высоких температурах (свыше 1000 °С), инертностью к действию многих химических реагентов, высокими электрическими характеристиками.

Кварцевое стекло применяется для изготовления различных изделий в электрорадиовакуумной промышленности: трубчатые, опорные и проходные изоляторы для электрических газоочистительных установок, высоковольтные изоляторы для высоковольтных линий, различные детали переменных конденсаторов, катушек индуктивности, ламп, приборов, аппаратов и пр.

Закалённые изоляторы из обычного щелочного стекла, хотя и уступают по своим свойствам таким же изоляторам из малощелочного стекла, могут эффективно использоваться в качестве подвесных изоляторов.

Разнообразие и особенности свойств полупроводниковых стёкол открывают широкие возможности для их применения в электронных приборах и устройствах, например в термосопротивлениях, светофильтрах и фотосопротивлениях, сочетающих в себе избирательное поглощение света с повышенной электропроводностью.

Триплекс (безосколочное стекло) представляет собой два листа закалённого стекла, склеенных прозрачной полимерной пленкой. При разрушении триплекса осколки удерживаются на плёнке. Применяются триплексы для остекления транспортных средств.

Пеностекло получают путём спекания при температуре (700-900) С смеси стекольного порошка с газообразователями (мел, известняк, уголь и др.). Оно отличается малой плотностью, низкой теплопроводностью, относительно высокой прочностью. Применяется в качестве тепло-, звуко- и электроизоляционного материала.

Ситаллы представляют собой материалы, полученные путём кристаллизации стёкол. Ситаллы изготовляют путём плавления стёкольного материала с добавкой катализаторов кристаллизации. Далее расплав охлаждается до пластического состояния и из него формуются изделия. Кристаллизация обычно происходит при повторном нагревании изделий.