Диэлектрики, сегнетоэлектрики

2.  Жидкие диэлектрики

Подразделяются на 3 группы:

1)     нефтяные масла;

2)     синтетические жидкости;

3)     растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого  они выполняют функции теплоносителя  в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.  

 

Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового (С_nН_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.

Трансформаторное  масло получают из нефти путем перегонки. Электрические свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от качества очистки масла от примесей, содержания в нем воды и степени обезгаживания. Диэлектрическая проницаемость масла 2,2, удельное электрическое сопротивление 10¹³ Ом·м.

Назначение трансформаторных масел – повышать электрическую  прочность изоляции; отводить тепло; способствовать дугогашению в масляных выключателях, улучшать качествоэлектроизоляции в электротехнических изделиях: реостатах, бумажных конденсаторах, кабелях с бумажной изоляцией, силовых кабелях - путем заливки и пропитки.

Трансформаторное масло  в процессе эксплуатации стареет, что  ухудшает его качество. Старению масла  способствуют: контакт масла с  воздухом, повышенные температуры, соприкосновение  с металлами (Сu, Рb, Fе), воздействие света. Для увеличения срока службы масло регенерируют очисткой и удалением продуктов старения, добавлением ингибиторов.

Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки. 

 

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики  по некоторым свойствам превосходят  нефтяные электроизоляционные масла.  

 

Хлорированные углеводороды

Совол – пентахлордифенил С₆Н₂Сl₃ – С₆Н₃Сl₂, получают при хлорировании дифенила С₁₂Н₁₀  

 

С₆Н₅ – С₆Н₅ + 5Сl₂ → С₆Н₂Сl₃ – С₆Н₃Сl₂ + 5НСl 

 

Совол применяется для пропитки и заливки конденсаторов. Обладает более высокой по сравнению с нефтяными маслами диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость совола 5,0, удельное электрическое сопротивление 10¹¹ ¸ 10¹²Ом·м.  Применяется совол для пропитки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью и невысоким рабочим напряжением.

Совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов. 

 

Кремнийорганические жидкости

Наибольшее распространение  имеют полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые, полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые  жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость, химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Жидкие полиорганосилоксаны  представляют собой полимерные соединения с низкой степенью полимеризации, молекулы которых содержат силоксанную группировку атомов 

 

, 

 

где атомы кремния связаны  с органическими радикалами R: метилом CH₃, этилом C₂H₅, фенилом C₆H₅. Молекулы полиорганосилоксановых жидкостей могут иметь линейную, линейно-разветвленную и циклическую структуру. 

 

Жидкие полиметилсилоксаны получают при гидролизе диметилдихлорсилана в смеси с триметилхлорсиланом.

Образующиеся жидкости бесцветны, растворяются в ароматических углеводородах, дихлорэтане и ряде других органических растворителей, не растворяются в спиртах  и ацетоне.Полиметилсилоксаны химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством органических диэлектриков и резин. Диэлектрическая проницаемость 2,0 ¸ 2,8, удельное электрическое сопротивление 10¹² Ом·м, электрическая прочность 12 ¸ 20 МВ/м

Формула полидиметилсилоксана имеет вид

– Si(СН₃)₃ – О – [Si(СН₃)₂ – О]_n – Si(СН₃) = О

Жидкие кремнийорганические  полимеры находят применение как:

1) смазочные масла и  смазки; 2) гидрофобизация; 3) при литье металлов  для смазки форм; 4) диэлектрик для пропитки  бумажных конденсаторов; 5) амортизационные и гидравлические  масла; 6) масла для конденсационных  насосов.

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана. Имеют широкий интервал температур кипения. Строение выражается формулой:

Свойства зависят от температуры  кипения. Электрические свойства совпадают  со свойствами полидиметилсилоксана.

Жидкие полиметилфенилсилоксаны имеют строение, выражаемое формулой

Получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

При γ – облучении вязкость кремнийорганических жидкостей сильно возрастает, а диэлектрические характеристики резко ухудшаются. При большой дозе облучения жидкости превращаются в каучукоподобную массу, а затем в твердое хрупкое тело. 

 

Фторорганические  жидкости

Фторорганические  жидкости – С₈F₁₆ – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости.  

3.  Органические полимерные материалы

Полиэтилен

Полиэтилен, структурная формула которого имеет вид

(– СН₂ – СН₂ –)_n,

представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С₂Н₄ при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

Молекулы полиэтилена  обладают способностью образовывать участки  материала с упорядоченным расположением  цепей (кристаллитов), поэтому полиэтилен состоит из двух фаз (кристаллической  и аморфной), соотношение которых  определяет его механические и тепловые свойства. Аморфная придает материалу  эластичные свойства, а кристаллическая  – жесткость. Аморфная фаза имеет  температуру стеклования +80 °С. Кристаллическая фаза обладает более высокой нагревостойкостью.

Агрегаты молекул полиэтилена  кристаллической фазы представляют собой сферолиты с орторомбической  структурой. Содержание кристаллической  фазы (до 90 %) в полиэтилене низкого  давления выше, чем в полиэтилене  высокого давления (до 60 %). Благодаря  высокой кристалличности полиэтилен низкого давления имеет более  высокую температуру плавления (120 -125 °С) и более высокую прочность при растяжении. Структура полиэтилена в значительной степени зависит от режима охлаждения. При его быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, при медленном охлаждении – крупные. Быстро охлажденный полиэтилен отличается большой гибкостью и меньшей твердостью.

Свойства полиэтилена  зависят от молекулярного веса, чистоты, посторонних примесей. Механические свойства зависят от степени полимеризации. Полиэтилен обладает большой химической стойкостью. Как электроизоляционный  материал широко применяется в кабельной  промышленности и в производстве изолированных проводов.

В настоящее время изготовляются  следующие виды полиэтилена и  полиэтиленовых изделий:

1.      полиэтилен низкого и высокого давления - (н.д.) и (в.д.);

2.      полиэтилен низкого давления для кабельной промышленности;

3.      полиэтилен низкомолекулярный высокого или среднего давления;

4.      пористый полиэтилен;

5.      полиэтиленовый специальный шланговый пластикат;

6.      полиэтилен для производства ВЧ кабеля;

7.      электропроводящий полиэтилен для кабельной промышленности;

8.      полиэтилен, наполненный сажей;

9.      хлорсульфированный полиэтилен;

10. пленка полиэтиленовая. 

 

Фторопласты

Существует несколько  видов фторуглеродных полимеров, которые  могут быть полярными и неполярными.

Рассмотрим свойства продукта реакции полимеризации газа тетрафторэтилена

(F₂С = СF₂).

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен) – рыхлый порошок белого цвета. Структура молекул имеет вид

Молекулы фторопласта  имеют симметричное строение. Поэтому  фторопласт является неполярным диэлектриком 

Симметричность молекулы и высокая чистота обеспечивают высокий уровень электрических  характеристик. Большая энергия  связи между С и F придает ему высокую холодостойкость и нагревостойкость. Радиодетали из него могут работать от  -195 ÷ +250°С. Негорюч, химически стоек, негигроскопичен, обладает гидрофобностью, не поражается плесенью. Удельное электрическое сопротивление составляет 10¹⁵ ¸ 10¹⁸ Ом·м, диэлектрическая проницаемость 1,9 ¸ 2,2, электрическая прочность 20 ¸ 30 МВ/м

Радиодетали изготавливают  из порошка фторопласта холодным прессованием. Отпрессованные изделия  спекают в печах при 360 - 380°С. При  быстром охлаждении изделия получаются закаленными с высокой механической прочностью. При медленном охлаждении – незакаленные. Они легче обрабатываются, менее тверды, имеют высокий уровень электрических характеристик. При нагреве деталей до 370° из кристаллического состояния переходят в аморфное и приобретают прозрачность. Термическое разложение материала начинается при > 400°. При этом образуется токсичный фтор.

Недостаток фторопласта  – его текучесть под действием  механической нагрузки. Имеет низкую стойкость к радиации и трудоемок при переработке в изделия. Один из лучших диэлектриков для техники ВЧ и СВЧ. Изготовляют электро- и радиотехнические изделия в виде пластин, дисков, колец, цилиндров. Изолируют ВЧ кабели тонкой пленкой, уплотняющиеся при усадке.

Фторопласт можно модифицировать, применяя наполнители – стекловолокно, нитрид бора, сажу и др., что дает возможность получать материалы  с новыми свойствами и улучшить имеющиеся  свойства. 

 

2. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики - кристаллич. диэлектрики (полупроводники), обладающие в определённом диапазоне темп-р спонтанной поляризацией, к-рая существенно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Структуру С. можно представить как результат фазового перехода кристалла с искажением структуры (понижением симметрии) из неполярной структуры (параэлектрич. фазы) в полярную (сегнетоэлектрич. фазу). В большинстве случаев это искажение структуры такое же, как и при воздействии электрич. поля на кристалл в неполярной (параэлектрич.) фазе. Такие С. наз. собственными, а искажение неполярной структуры связано с появлением спонтанной электрич. поляризации. В ряде С. поляризация возникает как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры, к-рая не связана непосредственно с поляризацией и не может быть вызвана электрич. полем. Такие С. наз. несобственными.

Как правило, наблюдается фазовый  переход непосредственно между  сегнето- и параэлектрической (более симметричной) фазами. Однако есть кристаллы, в к-рых между этими фазами осуществляется промежуточная фаза с особыми свойствами - т. н. несоразмерная фаза (см. ниже).

Особенностью всех С. является относит. близость структур пара- и сегнетоэлектрич. фаз. Изменения ср. положений ионов при возникновении спонтанной поляризации обычно гораздо меньше, чем межионные расстояния. Поэтому спонтанная поляризация С. легко изменяется под влиянием внеш. воздействий - электрич. полей, упругих напряжений, изменений темп-ры и др. С этим связаны весьма высокие (по сравнению с обычными диэлектриками) значения диэлектрич. проницаемости, пьезоэлектрических (см. Пъезоэлектрики)и пироэлектрических (см. Пароэлектрики)постоянных. Сегнетоэлектрич. свойства были впервые обнаружены у кристаллов сегнетовой соли KNaC₄H₄O₆*4H₂O (1921), а затем у дигидрофосфата калия КН₂РО₄ (1935). Интенсивные исследования С. начались в 1945, когда были обнаружены сегнетоэлектрич. свойства керамики ВаТiO₃ - родоначальника обширного семейства С. кислородно-октаэдрич. типа. В 60-х гг. начались исследования несобств. С., в сер. 70-х гг.- С. с несоразмерной фазой. К 1990 известно неск. сотен С.; характеристики нек-рых из них приведены в табл.