Текст
• ..... : : ) > ' ' . . ' 1 " ' ' :
Ю. В. КОРИЦКИЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством высшего и среднего специального
образования СССР в качестве учебника для техникумов
«ЭНЕРГИЯ»
МОСКВА 1968
6П2.1.06
К 66
УДК 621.315.61+621.315.5
Корицкий Ю. В.
К 66 Электротехнические материалы. М., изд. 2-е,
переработанное и дополненное, «Энергия», 1968
320 стр. с илл.
В книге освещены вопросы по физике диэлектриков, физико-меха-
ническим и химическим свойствам диэлектриков и их поведению в экс-
плуатации, жидким диэлектрикам, твердым электроизоляционным ма-
териалам, проводниковым материалам, полупроводникам, магнитным
материалам.
Книга представляет собой учебник для учащихся техникумов
следующих специальностей: электромашиностроение, электроаппарато-
строение, электрооборудование промышленных предприятий и установок,
электрооборудование судов, электросварочное .оборудование и электро-
аппаратура бытового назначения. Книга может быть также полезна
инженерно-техническим работникам.
3-3-10
142-68
6П2.1.06
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Со времени выхода из печати первого издания произо-
шли известные изменения в требованиях к разным материа-
лам в сторону повышения их качества, что нашло свое
выражение при составлении и пересмотре ГОСТ и техни-
ческих условий. Появились новые материалы, способст-
вующие прогрессу в производстве различных изделий.
Наряду с тем некоторые из старых материалов утратили
в той или иной мере свое прежнее значение. Все эти изме-
нения были приняты во внимание при подготовке второго
издания. Второе издание учебника «Электротехнические
материалы» предназначено для техникумов следующих
специальностей: электромашиностроение, электроаппарато-
строение, электрооборудование промышленных предприя-
тий и установок, электрооборудование судов, электросва-
рочное оборудование и электроаппаратура бытового на-
значения.
В связи с тем что в существующих ГОСТ и технических
условиях на электротехнические материалы еще сохра-
нилось обозначение различных характеристик и их коли-
чественных выражений в ранее принятых системах единиц,
эти обозначения сохранены в настоящем издании. Для
возможности перевода отдельных значений в международ-
ную систему единиц СИ в конце книги помещена соответ-
ствующая таблица.
Автор
1*
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Учебник по курсу «Электротехнические материалы» предназначен
для техникумов следующих специальностей: электромашиностроение,
электроаппаратостроение, электроприборостроение, электрооборудова-
ние промышленных предприятий и установок, автотранспортное элект-
рооборудование, производство кабелей и проводов, аппаратостроение
проводной связи. Понятно, что такой курс является по своему содержа-
нию энциклопедическим. Тем не менее при рассмотрении разных мате-
риалов приводятся конкретные случаи их применения в той или иной
отрасли электротехники.
История электротехники наглядно показывает, что ее прогресс
тесно связан с получением и применением специальных электротехни-
ческих материалов. Пока электротехника находилась в первоначальной
стадии своего развития, пригодными оказывались материалы общетех-
нического назначения. В качестве проводников можно было применять
медь со значительным количеством примесей (не электролитическую),
в качестве магнитных материалов — обычные мягкое железо и угле-
родистую сталь, в качестве электроизоляционных материалов/— обыч-
ные стекла, фарфор, резину, бумагу, хлопчатобумажную пряжу, пара-
фин и др. В частности, так было в работах русских ученых, проклады-
вавших первые пути развития электротехники: В. В. Петрова, создав-
шего впервые сравнительно мощную батарею гальванических элементов
в 1802 г.; П. Л. Шиллинга, создавшего в 1832 г. первую телеграфную
наземную линию и в 1837 г. первую подводную телеграфную линию;
Б. С. Якоби, создавшего в 1834 г. первый электродвигатель.
Вскоре оказалось, что для удовлетворения специфических требо-
ваний, выдвигаемых электротехникой, нужны материалы с особыми
свойствами. Пришлось создавать новые электротехнические
материалы. Медь стали применять с минимальным содержанием
примесей — электролитическую; создали специальные сплавы метал-
лов, в частности с повышенным удельным сопротивлением, для контак-
тов разрывающих и включающих различные электрические цепи.
Были созданы разнообразные магнитные материалы как для пере-
менных, так и для постоянных магнитных полей. Для создания элект-
рических машин, приборов и аппаратов, для линий передач электри-
ческой энергии понадобился целый ряд электроизоляционных мате-
риалов; сейчас имеется большой ассортимент электроизоля-
ционных бумаг, картонов, лаков, тканей, пластмасс, стекол, кера-
мических и других материалов. Без применения всех этих электротех-
нических материалов нельзя было бы создать современные электротех-
нические изделия, необходимые как для развития энергетики, так и
4
для народного потребления. Нередко создание новых материалов
с особыми свойствами не только стимулирует ускоренное развитие
отдельных отраслей электротехники, но даже порождает их. Ярким
примером тому являются полупроводниковые материалы, в частности
германий и кремний, благодаря применению которых совершался
переворот в радио и электротехнике. Для создания новых материалов
с необходимыми (наперед заданными) свойствами нужно хорошо знать
связь этих свойств со структурой и составом материалов и технологиче-
ские пути получения их. Иными словами, необходимы глубокие теоре-
тические познания в области физики, химии и технологии отдельных
видов материалов. Например, без разработки теории ферромагнетизма,
без доведения ее до сегодняшнего уровня и установления связи между
магнитными свойствами и составом и структурой металлов не моглй бы
быть созданы как электротехнические стали с минимальными потерями
энергии в переменных электромагнитных полях, так и постоянные маг-
ниты с большой стабильностью, с большим запасом магнитной энергии.
Значительный вклад в развитие теории ферромагнетизма внесли совет-
ские ученые Н. С. Акулов, Л. Д. Ландау, В. К- Аркадьев, С. В. Вон-
совский, А. С. Займовский и др.
Без создания специального раздела физики, посвященного поведе-
нию диэлектриков в электрическом поле — физики диэлектриков, тео-
ретических основ химического синтеза высокомолекулярных соедине-
ний, определения связей между свойствами и строением диэлектриков,
нельзя было бы создать ряд новых электроизоляционных материалов,
обеспечивших развитие электромашине-, аппарате- и приборостроения
до современного уровня.
В развитии физики диэлектриков большую роль сыграли работы
советских ученых А. Ф. Иоффе, В. А. Фока, Н. Н. Семенова, А. Ф. Валь-
тера, П. П. Кобеко, Б. М. Вула, Г. И. Сканави, Н. П. Богородицкого,
А. А. Воробьева и др. Промышленный тип кремнийорганических соеди-
нений, весьма важных для развития электроизоляционной техники, был
создан советским ученым К- А. Андриановым. Ряд новых керамических
электроизоляционных материалов получен в результате глубокого
изучения их теории Н. П. Богородицким, Г. И. Сканави и др.
Автор
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
глава ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
первая
1-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЗНАЧЕНИЮ
Электротехнические материалы по их назначению можно разбить
на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и
электроизоляционные — диэлектрики. Проводниковые материалы от-
личаются большой удельной проводимостью и используются в электро-
технических устройствах в качестве путей прохождения электрического
тока: всевозможные обмотки в машинах, аппаратах и приборах, кон-
тактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электри-
ческой энергии, в том числе и в линиях связи.
Полупроводники занимают по величине удельной проводимости
промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особен-
ности свойств полупроводников позволяют широко использовать их
в различных отраслях электротехники: в технике связи, в широком
диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в тех-
нике сильного тока. Их применяют в выпрямителях, в усилителях,
в фотоэлементах, в качестве специальных источников тока и т. п.
Магнитные материалы отличаются способностью усиливать маг-
нитное поле, в которое их помещают, и обладают большой магнитной
проницаемостью. Они используются в качестве магнитопроводов, для
экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов,
создающих магнитное поле вокруг себя.
Электроизоляционные материалы отличаются очень малой удель-
ной проводимостью. Количественно разница между проводимостью
диэлектриков и проводников столь велика, что она обусловливает и
качественную разницу между ними; в диэлектриках преобладают не
электродинамические явления, характеризующиеся направленным дви-
жением огромного числа свободных зарядов (электронов или ионов),
а электростатические, характеризующиеся наличием электрического
поля. Вследствие того что реальные диэлектрики имеют удельную
проводимость, не равную нулю, в них, наряду с электростатическими
явлениями, всегда наблюдаются и электродинамические, в нормальных
условиях работы выраженные очень слабо. Диэлектрики служат в лю-
бом электрическом устройстве для изоляции друг от друга различных
токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами,
или для создания электрической емкости в конденсаторах.
Технические диэлектрики бывают газообразные, жидкие и твер-
дые. В качестве газообразных диэлектриков используют воздух, азот и
6
некоторые другие газы. Жидкие диэлектрики бывают естественные и
искусственные. К числу первых относятся широко применяемые мине-
ральные (нефтяные) электроизоляционные масла.
Твердые диэлектрики весьма разнообразны. К ним относятся мно-
гие органические материалы как естественного происхождения, напри-
мер бумага и ткани из растительных волокон, парафин и другие, так и
искусственные, например смолы, пленки и др. Широкое применение
находят и многие неорганические материалы: стекло, керамика, слюда.
В последние годы широкое применение получили новые материалы,
занимающие по своему составу и свойствам промежуточное положение
между органическими и неорганическими соединениями, так называё-
мые кремнийорганические соединения, разработанные К. А..Андриа-
новым. Как известно, органическими соединениями называют встре-
чающиеся в животном и растительном мире соединения углерода с неко-
торыми другими элементами, преимущественно с водородом, кислоро-
дом, азотом. В электроизоляционной технике часто применяются со-
единения углерода с водородом — углеводороды. В качестве примера
укажем на синтетическую смолу — полиэтилен (С2Н4)Л, где п достигает
значений нескольких тысяч. Такие соединения, в молекулах которых
содержится большое количество атомов, называют высокомолекуляр-
ными в отличие от низкомолекулярных, молекулы которых содержат
сравнительно небольшое количество атомов (десятки, сотни). Соедине-
ния, молекулы которых состоят из системы одинаковых звеньев и полу-
чаются в результате объединения друг с другом молекул сравнительно
простых по своему составу веществ (мономеров), называются полимерами.
Полиэтилен — полимер. Молекулы полиэтилена состоят из одина-
ковых звеньев С2Н4 и имеют структуру
н н н н н н
Кремнийорганические соединения являются одним из видов нового
типа материалов — элементорганических соединений, отличающихся
от органических тем, что в цепи главных валентностей в системе моле-
кул вместо атомов углерода находятся атомы кремния и кислорода,
образующих силоксанную связь, а за счет свободных валентностей ато-
мов кремния присоединены различные радикалы — группировки ато-
мов органических соединений, например метильная СН3, этильная
С2Н5, фенильная С6Н5 и др.
Линейная структура кремнийорганического высокомолекулярного
соединения такова:
R R К R
.. .—о—о—s'i—О—Si—О—Si—...
1111
R R R R
Здесь R — радикалы.
Это дает возможность получать большое разнообразие кремнийор-
ганических материалов: жидкости, смолы, каучуки.
Среди твердых диэлектриков имеются и аморфные и кристалличе-
ские материалы.
Способность проводников, полупроводников и диэлектриков в раз-
ной степени проводить электрический ток связана с особенностями их
7
строения. Достаточно наглядное представление о причинах, определяю-
щих разный порядок проводимости в проводниках, полупроводниках
и диэлектриках, дает так называемая зонная теория электропроводно-
сти. В металлах — проводниках с электронной проводимостью — элек-
троны, находящиеся на внешних орбитах атомов, имеют возможность
достаточно легко переходить от одного атома к другому, что и соответ-
ствует большой электропроводности, т. е. появлению достаточно боль-
шого тока при сравнительно невысоком напряжении. Для осуществле-
ния такого перемещения внутри тела электроны должны возбуждаться,
т. е. приобретать некоторое добавочное количество энергии по срав-
нению с тем, которое они имели в атомах до выхода из них. Согласно
современным физическим представлениям увеличение энергии электро-
нов может происходить только определенными порциями — «квантами».
В нормальном невозбужденном состоянии электроны в совокупности
атомов, образующих данное
ПроМник Полупробод- Диэлектрик
ник
Ш Заполненная электронами зона
тело, могут иметь только опре-
деленные количества энергии,
занимать определенные энерге-
тические уровни, причем на
каждом энергетическом уровне
может быть не более двух элек-
тронов. Эти уровни образуют
целую полосу — зону, которая
может быть заполнена электро-
нами, если на каждый уровень
цц Зона сЬобадно/х энергетических
“ уровней
I I Запрещенная энергетическая
1—1 зона
Рис. 1-1 Энергетические уровни
в проводниках, полупроводниках
и диэлектриках.
энергии в данном теле прихо-
дится по два внешнеорбитальных
электрона. Если для данного
тела не существовало бы других
«дозволенных» уровней энергии,
то электроны не могли бы пере-
мещаться от одного атома к дру-
гому, ибо они не могли бы ме-
нять своего энергетического со-
стояния и вынуждены были бы оставаться в заполненной зоне. При
наличии возможных, но не заполненных в нормальных условиях более
высоких энергетических уровней электроны могут, вбзбуждаясь, пе-
ремещаться от одних атомов к другим (в соответствии с приобретенной
энергией).
Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости
перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут
переходить из заполненной зоны в зону проводимости — материал будет
обладать большой электропроводностью. Это будет проводник. Ска-
занное схематически представлено на рис. 1-1.
В случае, когда между уровнями энергии, соответствующими за-
полненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона
«недозволенных» уровней, т. е. таких значений энергии, которые не
могут иметь электроны данного тела, оно уже не может быть проводни-
ком и не будет обладать присущей проводнику удельной проводимостью.
В диэлектриках при нормальных условиях электронная проводимость
может быть очень небольшой. В большинстве диэлектриков электро-
проводность в основном бывает не электронная, а ионная, вызванная
движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся
вследствие диссоциации части молекул диэлектрика. Если разница
между уровнями энергии заполненной зоны и зоны проводимости не-
8
велика, ширина «запрещенной» зоны мала — для перехода электронов
в зону проводимости требуется сравнительно небольшое возбуждение
их, например, за счет усиления теплового движения атомов при повы-
шении температуры. Такой материал будет полупроводником. У полу-
проводников ширина запрещенной зоны, т. е. разница между уровнями
энергии заполненной и запрещенной зоны невелика (рис. 1-1). Для полу-
проводниковых химических элементов ширина запрещенной зоны со-
ставляет от 0,12 до 5,3 эв. При более широкой запрещенной зоне тепло-
вого возбуждения уже будет недостаточно для перевода электронов из
заполненной зоны в зону проводимости, что имеет место у диэлектри-
ков. В них переход электронов в зону проводимости может иметь только
случайный характер, например за счет каких-либо дефектов структуры.
1-2. ОСОБЕННОСТИ ГАЗООБРАЗНОГО, ЖИДКОГО
И ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ
В атомах газов все электроны имеют прочные связи с ядрами;
благодаря малой плотности газов атомы и молекулы можно рассматри-
вать отдельно, не образующими одну систему, как это имеет место
в более плотных телах, жидких и твердых. Все тела в газообразном
состоянии являются диэлектриками, если нет особых условий, вызы-
вающих образование из атомов и молекул большого количества свобод-
ных зарядов, электронов и ионов. Газы отличаются большой подвиж-
ностью своих частиц, находящихся в непрерывном движении, скорость
которого зависит от абсолютной температуры, повышаясь е увеличе-
нием последней. Это тепловое движение носит хаотический характер:
частицы газа движутся в разных направлениях, описывая в простран-
стве зигзагообразные траектории. Скорости всех частиц в данный
момент времени оказываются неодинаковыми. Имеется определенное
распределение количества молекул по величине скорости. Средняя
арифметическая скорость определяется формулой
-i/W ,
Vcp= V ~т' м1сек' (bо
где k — постоянная Больцмана, равная 1,38- 10~23 дж/град\
Т — абсолютная температура, 0 К;
т — масса молекулы газа, г.
Для водорода при температуре 300° К vCp = 1 600 м/сек.
В своем непрерывном тепловом движении молекулы сталкиваются
друг с другом. Среднее расстояние, пробегаемое молекулами до столк-
новения с соседними, называется средней длиной свободного пробега;
ее величина находится в зависимости от плотности газа.
При давлении, равнОхМ 1 атм, температуре 273° К в 1 см3 любого
газа будет находиться 2,687* 1019 молекул. Средняя длина свободного
пробега составляет при этом около 10-6 см, а скорость теплового дви-
жения — несколько сот метров в 1 сек.
Жидкое состояние характеризуется резким увеличением плотности
тела по сравнению с газообразным состоянием при наличии определен-
ной текучести.
Одной из важнейших характеристик жидких диэлектриков яв-
ляется их вязкость. Следует различать абсолютную динамическую
вязкость г|, измеряемую в системе СГС в паузах (из), и кинематическую
вязкость, измеряемую в той же системе в стоксах (ст)', эти единицы свя-
, 1 пз
заны между собой таким равенством: 1 ст = । г/с^з’ •
9
Величина, обратная абсолютной вязкости, называется текучестью.
Чем больше вязкость жидкости, тем больше будет сила F, требующаяся
для перемещения твердого тела в этой жидкости. По закону Стокса
скорость v движения твердого шарика радиусом г в жидкости с абсо-
лютной вязкостью г) под действием силы F определится по формуле
О==-6^Г- сл,!сек- <’-2)
Представление о паузе можно получить из следующего факта:,
при температуре 20° С вязкость воды равна (приблизительно) 0,01 пз.
В системе единиц СГС \пз~ г/см* сек\ в системе МКС 1 пз = 0,1 н* сек/м2.
Характер теплового движения молекул жидкостей отличается от
характера теплового движения молекул газов тем, что молекулы жид-
костей, двигаясь, как и газы, по зигзагообразной траектории, в каж-
дой точке изменения направления как бы задерживаются на некоторое
время, совершая в этом положении колебания с частотой 1012—1013 ко-
лебаний в 1 сек, (тепловые колебания). Чем больше подвижность жид-
кости, чем меньше ее вязкость, тем короче период колебательного дви-
жения, связанный со временем релаксации (пребывания в фиксирован-
ном состоянии):
Т = xoew/kr, (1-3)
где т0 — период колебания;
w — энергия активации, необходимая для перехода молекулы из
одного положения в другое, соседнее.
Частота тепловых колебаний может быть выражена уравнением
ft^, (1-4)
где h — постоянная Планка, равная 6,624* 10“34 дж* сек.
Тепловое движение молекул твердых тел отличается от движения
молекул газов и жидкостей, как правило, отсутствием зигзагообразных
перемещений и наличием колебаний около положений равновесия.
В твердом теле отдельные его частицы (атомы, молекулы, ионы) занимают
определенные положения в пространстве, чего нельзя сказать о жидко-
стях и газах. В силу этого вязкость твердых тел очень велика.
В отдельных местах твердых тел могут быть нарушения регуляр-
ной структуры: свободные места, не занятые структурными частицами,
характерными для данного тела (атомами, молекулами, ионами), опре-
деляющие возможность для поступательного перемещения частиц.
Однако оно затрудняется вследствие большого значения энергии акти-
вации.
По структуре твердые тела можно разделить на три группы: аморф-
ные, кристаллические и смешанные. Аморфные тела отличаются не-
упорядоченным расположением атомов и молекул; можно сказать, что
они являются как бы переохлажденными жидкостями. Примерами
аморфных тел являются многие стекла и смолы.
В отличие от них кристаллические тела представляют собой сово-
купность атомов, молекул или ионов, расположенных в пространстве
по вполне определенному закону и образующих кристаллическую ре-
шетку, узлами которой они являются. По виду этих частиц различают
кристаллы атомные, молекулярные и ионные. В качестве примеров
атомных кристаллов можно назвать кремний и германий, молекуляр-
ных — фосфор, мышьяк, ионных — каменную соль, слюду. Кристаллы
последних состоят из чередующихся положительных и отрицательных
10
ионов. Особую структуру имеют кристаллы металлов — проводников.
Они состоят из положительных ионов и «свободных» электронов.
Смешанными твердыми телами являются многие керамические
материалы, имеющие в своем составе кристаллическую и стекловидную
фазы. Кристаллическую структуру могут иметь не только неоргакиче-
Ф
Рис. 1-2. Примеры кристаллических решеток.
а — хлористый натрий; б — хлористый цезий
ские соединения. Сейчас известен ряд синтетических органических
смол с кристаллической и смешанной структурами. Кристаллическую
структуру имеет парафин. Одно и то же тело может иметь и кристалли-
ческую и аморфную структуру. Если расплавить кристаллы кварца и
достаточно быстро охладить этот расплав, то мы получим аморфное
кварцевое стекло, так как в процессе охлаждения не успевает произойти
кристаллизация.
На рис. 1-2 показаны примеры кри-
сталлических решеток. Аморфные тела в
отличие от кристаллических не имеют
явно выраженной температуры плавле-
ния — перехода в жидкое состояние. При
повышении температуры происходит по-
степенное уменьшение вязкости без рез-
кого перехода, в ряде случаев вплоть до
жидко-текучего состояния.
На рис. 1-3 дана типичная кривая
зависимости вязкости аморфного вещества
от температуры. При температуре Т± вяз-
кость становится настолько малой, что ее
можно принять за температуру плавления.
Ниже температуры Tg вещество находится
в твердом состоянии. Интересно, что при
вязкости аморфного тела
от температуры.
температуре Tg вязкость всех аморфных
веществ оказывается практически одинаковой, порядка 1013 пз. Вслед-
ствие такой большой вязкости охлаждение вещества ниже темпера-
туры Tg не может вызвать его кристаллизации, наблюдается устойчи-
вое аморфное состояние.
Упорядоченное расположение частиц (в виде решетки) определяет
анизотропию кристаллов: их свойства не во всех направлениях одина-
ковы. Это относится к механическим свойствам, к электрическим харак-
теристикам (например, удельной проводимости) и др.
11
глава
вторая
ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ
2-1. ДИЭЛЕКТРИК КАК СРЕДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Все электроизоляционные материалы — диэлектрики —
в рабочем режиме являются средой электрического поля.
Диэлектрики вместе с токопроводящими металлическими
деталями, находящимися под разными потенциалами, об-
Рис. 2-1 Твер-
дый диэлектрик
между электро-
дами.
ХОДИТЬ только
разуют конденсатор, схематически показан-
ный на рис. 2-1. Металлические обкладки —
электроды — или обе изолированы от земли,
или одна из них заземлена, что не меняет
схемы принципиально. В идеальной среде
электрического поля с электрической про-
водимостью, равной нулю, при приложе-
нии переменной разности потенциалов к
электродам при возникновении электриче-
ского поля, через диэлектрик будет про-
реактивный емкостный ток, не вызывающий
выделения тепла. Как известно, величина емкостного тока
определяется формулой
Ic=.aCUt а, (2-1)
где со = 2л/ (/ — частота, число периодов в 1 сек, гцу,
С — емкость конденсатора, ф;
U — приложенное напряжение, в.
При переменном напряжении емкостный ток будет про-
ходить в течение всего времени воздействия напряжения,
при постоянном — только вначале, пока создается электри-
ческое поле и происходит зарядка конденсатора. При этом
заряд конденсатора изменяется во времени. К концу зарядки
Q= CU, к. (2-2)
12
Энергия электрического поля, т. е. энергия заряженного
конденсатора, равна CLP/2, вт *сек. Эта энергия обрати-
ма — она полностью выделяется при разряде конденса-
тора. Это соответствует тому, что емкостный ток является
реактивным, на 90° опережающим напряжение.
Через реальный диэлектрик, проводимость которого не
равна нулю, помимо емкостного тока, будет проходить
и активный ток, величина которого будет определяться
по закону Ома
/а = W, а, (2-3)
где G — проводимость.
Когда диэлектрик находится в рабочем режиме под на-
пряжением, кроме обратимого поглощения энергии элек-
трическим полем, будет происходить и необратимое погло-
щение энергии, определяющееся переходом части электри-
ческой энергии в тепловую, — рассеивание электрической
энергии в диэлектрике.
Потери энергии в диэлектрике называются диэлектри-
ческими потерями.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью,
называется током утечки. В твердых диэлектриках разли-
чают два тока утечки: объемный (/об или Iv), проходящий
между электродами через толщу диэлектрика, и поверх-
ностный (/пов или /5), проходящий по поверхности диэлек-
трика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки.
Соответственно двум видам токов утечки различают объем-
ное удельное сопротивление (роб, или р) и поверхност-
ное удельное сопротивление (рпов или ps). Удельное объем-
ное сопротивление диэлектриков определяют обычно как
сопротивление образца кубика с ребром 1 см, когда по-
стоянный ток проходит через две параллельные его грани.
Единица измерения ру при таком определении — ом умно-
жен на сантиметр. Удельное поверхностное сопротивление
численно равно сопротивлению квадрата (любого размера)
поверхности материала, когда постоянный ток проходит
через две противоположные стороны квадрата. Единица
измерения ps при таком определении сопротивления — ом.
Удельное сопротивление диэлектрика является характери-
стикой, определяющей ток утечки в нем. Токи утечки
в диэлектрике обусловливают мощность диэлектрических
потерь
вт. (2-4)
13
При подсчете диэлектрических потерь обычно учиты-
вается только объемный ток утечки. Поверхностный ток
утечки создает потери мощности на поверхности. Рассеи-
вание энергии происходит при этом в основном в окружаю-
щую атмосферу; на нагрев диэлектрика поверхностная
утечка, в большинстве случаев, не влияет.
На рис. 2-2 дана векторная диаграмма токов в диэлек-
трике, соответствующая электрической схеме замещения
конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями. Кон-
денсатор <с потерями заменен идеальным конденсатором,
шунтированным активным сопротивлением (параллельное
Рис. 2-2. Векторная
диаграмма токов в ди-
включение емкости С и сопротивле-
ния /?).
В хороших диэлектриках, вели-
чина удельной проводимости которых
очень мала, мощность диэлектриче-
ских потерь также мала. В большин-
стве диэлектриков, кроме емкостного
тока, опережающего напряжение на
90°, и тока утечки, совпадающего по
фазе с напряжением, наблюдается до-
полнительный ток, отстающий отобыч-
электрике. ного емкостного тока на некоторый
угол а (ток /д на рис. 2-2). Этот допол-
нительный ток, обусловленный дополнительной поляриза-
цией (§2-3 —§2-6), имеет емкостную реактивную составляю-
щую /дс и активную составляющую /да. В результате через
диэлектрик будет проходить суммарный ток /, имеющий
емкостную составляющую, 1С = Гс + /дс и активную со-
ставляющую /а = /а + /да. Очевидно, что наличие тока
/д приведет к увеличению обратимой энергии заряженного
конденсатора и рассеиваемой в диэлектрике энергии.
Для общего случая, соответствующего векторной диа-
грамме на рис. 2-2, мощность диэлектрических потерь
может быть определена следующим образом: Р = (Га +
+ /да) U; выражая суммарный активный ток через реак-
тивный, получим Р = tg S (Гс + /дС) t/J учитывая, что
любой емкостный ток выражается уравнением Ic = &CU,
где С соответствующая данному току емкость, преобра-
зуем формулу мощности диэлектрических потерь следую-
щим образов:
Р = tgSco (С' + Сд)£72, или Р = tgScoO/2, вт,. (2-5)
при (7, в, со, сек1, С, ф.
14
Здесь tg 6 — тангенс угла диэлектрических потерь;
С — фактическая емкость диэлектрика, через ко-
торый проходят токи Гс и /дс.
Формула мощности диэлектрических потерь в таком
виде определяет количество энергии, рассеиваемой в ди-
электрике за единицу времени. Тангенс угла диэлектриче-
ских потерь имеет очень важное значение как электриче-
ская характеристика диэлектрика. Согласно (2-5) мощность
диэлектрических потерь прямо пропорциональна частоте.
Однако следует иметь в виду, что и tg 6 и С зависят от
частоты, причем большим изменениям может подвергаться
величина tg 6. В диапазоне частот, в котором произведение
tg б -С растет с ростом частоты, рост диэлектрических по-
терь будет происходить быстрее, чем рост частоты; в диа-
пазоне частот, в котором произведение tg б -С уменьшается
с ростом частоты, величина диэлектрических потерь может
увеличиваться с ростом частоты более медленно.
Как правило, при высоких частотах диэлектрические
потери больше, чем при низких, что создает определенные
трудности при выборе электроизоляционных материалов
для высокочастотной техники. В высокочастотной технике
вместо tg б часто пользуются понятием добротности изоля-
ции, которую обозначают обычно величиной Q, обратной
величине tg б. Тангенс угла диэлектрических потерь, или
добротность, могут характеризовать не только конкретный
материал, но и изоляционную конструкцию машины, аппа-
рата или прибора в целом. Величина tg б для большинства
жидких и твердых диэлектриков колеблется в пределах
от десятитысячных до десятых долей единицы.
Как известно, емкость любого конденсатора зависит не
только от его геометрических размеров, но и от свойств его
диэлектрика. Например, емкость конденсатора с плоскими
параллельными электродами определяется величиной вы-
ражения eS/4jr/i, где 8 — диэлектрическая проницаемость,
S — площадь электрода, h — расстояние между электро-
дами — толщина диэлектрика.
При S, выраженной, в квадратных сантиметрах; h —
в сантиметрах, емкость получим в сантиметрах. Соотноше-
ние емкостей двух конденсаторов, отличающихся друг от
друга только диэлектриком, будет равно соотношению их
диэлектрических проницаемостей.
Для вакуума диэлектрическую проницаемость прини-
мают за единицу. Относительная диэлектрическая прони-
цаемость показывает, во сколько раз емкость конденсатора
15
с данным диэлектриком больше емкости аналогичного ва-
куумного конденсатора. В таком определении диэлектри-
ческая проницаемость есть величина безразмерная. Сле-
довательно, в выражении (2-5) от качества диэлектрика за-
висит не только tg 6, но и диэлектрическая проницаемость.
Величиной, полностью определяющей влияние свойств
диэлектриков на диэлектрические потери, является коэф-
фициент диэлектрических потерь, равный произведению
tg б *8. В этом произведении сильно меняющейся величиной
является tg б. Поэтому при изучении зависимости диэлек-
трических потерь от различных факторов часто ограничи-
ваются определением tg б. Для определения удельных
диэлектрических потерь, т. е. мощности потерь в единице
объема обычно пользуются формулой
Р = £2^ > вт/см3> (2-6)
где 8 и tg б — характеристики диэлектрика;
Е — напряженность в данном месте поля, в!см\
f — частота, сек1.
Удельные потери при постоянном напряжении будут
выражаться уравнением
р = --, вт/см\ (2-7)
где р — удельное объемное сопротивление.
При повышении .напряжения на электродах может про-
изойти пробой — потеря диэлектриком его электроизоля-
ционных свойств, приводящая к короткому замыканию
электродов. Напряжение, при котором происходит пробой,
называется пробивным напряжением (/пр; напряженность
электрического поля, при которой произошел пробой,
равная в случае однородного электрического поля (/пр : h,
кв/см (или кв/мм), где h — толщина диэлектрика, — назы-
вается электрической прочностью, обозначаемой обычно
Епр. Это важная электрическая характеристика диэлектри-
ков. На твердых образцах вместо пробоя — короткого за-
мыкания через толщу диэлектрика — может наблюдаться
явление поверхностного разряда или перекрытия, когда
происходит короткое замыкание не за счет пробоя твердого
диэлектрика, а за счет пробоя окружающей среды, напри-
мер воздуха по поверхности диэлектрика. Напряжение
перекрытия является характеристикой данной электро-
изоляционной конструкции.
16
2-2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ, НЕ ВЫЗЫВАЮЩАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПОТЕРЬ
Обратимое поглощение энергии диэлектриком при соз-
дании электрического поля связано с определенным со-
стоянием. которое характеризуется изменением формы
орбит электронов в атомах или ионах (в зависимости от
структуры диэлектрика). В электрическом поле электроны
будут испытывать притяжение со стороны положительных
зарядов одного из электродов и отталкивание со стороны
отрицательных зарядов другого, в
силу чего произойдет некоторое сме-
щение их по направлению к положи-
тельному электроду. Это смещение
электронов внутри атомов или ионов
называется электронной поляриза-
цией. Она превращает каждый атом
или ион в диполь, так как центры по-
Рис. 2-3. Схема поля-
ризованного атома.
ложительного и отрицательного заря-
дов уже не будут совпадать и между ними появится неко-
торое расстояние / (рис. 2-3). Поляризованная частица
будет обладать элементарным электрическим моментом,
определяющимся уравнением
(2-8)
где q — элементарный заряд.
Сумма элементарных электрических моментов в единице
объема данного поляризованного диэлектрика численно
определяет собой так называемую интенсивность поляриза-
ции или поляризованность. Она является векторной вели-
чиной, для большинства диэлектриков пропорциональной
величине напряженности электрического поля
J = k3 Е, (2-9)
где J — поляризованность (интенсивность поляризации);
k3 — диэлектрическая восприимчивость;
Е — напряженность электрического поля.
Диэлектрическая восприимчивость определяет вели-
чину практически важной характеристики диэлектриков —
диэлектрической проницаемости. Связь между ними опре-
деляется формулой
8= 1 Н-4л£э, (2-10)
где 8 — диэлектрическая проницаемость.
17
Поляризованность для электронной поляризации в боль-
шой степени зависит от плотности тела.
В газах, обладающих очень малой плотностью, элек-
тронная поляризация сравнительно слаба. Этим объяс-
няется тот факт, что у всех газов диэлектрическая прони-
цаемость очень мало отличается от единицы и в небольшой
степени зависит от плотности. Ниже приведены значения
диэлектрической проницаемости некоторых газов при дав-
лении 760 мм рт. ст и 20° С:
Гелий . .
Водород .
Азот . . .
Кислород
Метан . .
. 1,000074
. 1,00027
. 1,00060
. 1,00055
. 1,00095
Степень зависимости диэлектрической проницаемости
газов от давления видна на примере воздуха, у которого
при давлении 1 ат (760 мм рт •ст.) и при температуре
20° С диэлектрическая проницаемость равна 1,00058, при
20 ат — 1,0109, при 100 ат — 1,055. При изменении давле-
ния на 1 ат диэлектрическая проницаемость воздуха увели-
чивается на 0,00058.
В жидких и твердых телах интенсивность электронной
поляризации значительно выше. Так, например, в жидком
диэлектрике — трансформаторном масле, являющемся про-
дуктом переработки нефти, диэлектрическая проницаемость
достигает порядка 2,2.
С увеличением температуры поляризованность при элек-
тронной поляризации уменьшается за счет расширения
тела. Однако в соответствии с малым значением коэффи-
циента теплового расширения диэлектрическая проницае-
мость при электронной поляризации очень слабо снижается
с увеличением температуры. Эта зависимость определяется
величиной температурного коэффициента диэлектрической
проницаемости
ТК8 = ^|, 1/град. (2-11)
UL с
Заметим, что температурный коэффициент любой функции А
имеет единицу измерения град \ так как
ткл =^- 1
Для неполярных газов
ТКе = --^,
(2-12)
18
для жидких и твердых тел при электронной поляризации
ТКе --------------------<е~1)<е+А (2-13)
□8
где Рг, — температурный коэффициент объемного расшире-
ния.
Температурный коэффициент е воздуха имеет значение
около — 2 «Ю-6, а жидкого диэлектрика с электронной
поляризацией (бензола) около — 0,9 *10 3.
При электронной поляризации происходит смещение
электронов на очень малые расстояния в пределах данных
атомов или ионов. Для завершения электронной поляриза-
ции требуется очень небольшое время, порядка 10 15 —
10 16 сек. Этим объясняется тот факт, что диэлектрическая
проницаемость при электронной поляризации не зависит от
частоты: даже при очень малой продолжительности поло-
вины периода электроны успевают сместиться до предела.
Смещение электронов при электронной поляризации носит
чисто упругий характер, и при исчезновении электрического
поля — при разряде конденсатора — электроны возвра-
щаются в свое исходное состояние, причем весь процесс
происходит без необратимого поглощения энергии. Энер-
гия, израсходованная при создании электрического поля
за счет электронной поляризации, т. е. энергия заряжен-
ного конденсатора, вся освобождается в процессе разряда —
в процессе распада электрического поля. Следовательно,
электронная поляризация создает в диэлектрике только
реактивный ток, соответствующий вектору I с на рис. 2-2.
Кроме электронной поляризации, не связанной с появ-
лением активного тока, в некоторых твердых диэлектри-
ках может быть и другой вид поляризации — ионная,
также не вызывающая появления активного тока. Наибо-
лее характерна ионная поляризация ионных кристаллов.
Сущность ее заключается в смещении ионов электрическим
полем: положительных — в сторону отрицательного элек-
трода, отрицательных — в сторону положительного. Это
смещение происходит на незначительные расстояния от
положения равновесия при отсутствии электрического поля
и носит упругий характер, чем и объясняется тот факт, что
ионная поляризация создает чисто реактивный ток, доба-
вочный к току электронной поляризации. Следовательно,
ионная поляризация, накладывающаяся на электронную,
приводит к увеличению емкостного тока в диэлектрике,
а значит — к увеличению емкости, к увеличению диэлек-
19
трической проницаемости. В ионных кристаллах с рыхлой
структурой, с так называемой неплотной упаковкой частиц,
когда расстояния между ионами в узлах кристаллической
решетки велики по сравнению с радиусами самих ионов,
смещение последних может быть довольно велико. При
этом возникают значительные суммарные электрические
моменты в единице объема, наблюдается значительное воз-
растание емкости. Следовательно, такой диэлектрик будет
иметь диэлектрическую проницаемость, намного превосхо-
дящую ее значение, обусловленное одной электронной поля-
ризацией. Профессор Г. И. Сканави, изучая явление ион-
ной поляризации, обнаружил у минерала перовскита
диэлектрическую проницаемость, равную 160. Позднее
им же были получены керамические материалы, у которых
вследствие интенсивной поляризации ионного смещения
диэлектрическая проницаемость имеет еще большие зна-
чения. Такие материалы представляют большой интерес
для практики, так как даюг возможность получать конден-
саторы с большой удельной емкостью в единице объема.
Время установления ионной поляризации несколько
больше, чем электронной, что объясняется большей массой
ионов. Однако оно достаточно мало, обычно не более
10 13 сек, что обеспечивает практическую независимость
соответствующей диэлектрической проницаемости от ча-
стоты.
В большинстве случаев при интенсивной ионной поля-
ризации диэлектрики имеют положительный температур-
ный коэффициент диэлектрической проницаемости. Эта
закономерность объясняется тем, что при повышении тем-
пературы ослабляются упругие силы связи между ионами
в узлах кристаллической решетки и усиливается тепловое
движение, что облегчает смещение ионов в электрическом
поле. Повышение температуры приводит за счет теплового
расширения к ослаблению электронной поляризации, однако
этот эффект оказывается в большинстве случаев слабее
указанного выше эффекта увеличения ионной поляризации,
в результате чего диэлектрическая проницаемость растет.
2-3. ДИПОЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
На процессы поляризации большое влияние оказывает
структура молекул. Во многих диэлектриках в различном
агрегатном состоянии — ив газообразных, и в жидких,
и в твердых — молекулы обладают электрическим диполь-
20
ным моментом при отсутствии внешнего электрического
поля. У таких молекул центры положительных и отрица-
тельных зарядов смещены друг относительно друга на
некоторое расстояние, они представляют собой диполи,
аналогичные диполю, показанному на рис. 2-3. Дипольные,
или, как их еще называют, полярные молекулы поляризо-
ваны без воздействия электрического поля. Причиной такой
поляризации является несимметричная структура молекул.
Ниже приведены примеры, поясняющие понятия симмет-
ричности структуры молекул.
Углеводороды парафинового или метанового ряда
СЛН2,и2 имеют симметричные, молекулы
НН НН
н—с—i—-с—н
II II
НН НН
Количество п атомов углерода в молекуле может быть
различно. В зависимости от этого углеводород может быть
газообразным, жидким или твердым. При п = 22 4- 28 имеем
твердое тело — парафин. При меньших значениях жид-
кость — нефтяное (трансформаторное) масло. Эти диэлек-
трики неполярны: их молекулы не имеют дипольных мо-
ментов. Искусственный жидкий диэлектрик совол С12Н5С15
является типичным полярным диэлектриком. Он представ-
ляет собой хлорированный дефинил С12Н10; замещение
атомов водорода атомами хлора нарушает симметричную
структуру молекулы.
Примером твердого неполярного диэлектрика, имеющего
симметричные молекулы, может служить синтетическая
смола полиэтилен (С2Н4)Д, молекула которого состоит из
п одинаковых звеньев С2Н4 симметричной структуры
Н Н
-LL
н н
Молекула другой синтетической смолы — полихлор-
винила (СзНзС!)^ — по своей структуре похожа на моле-
кулу полиэтилена, но в каждом звене один атом водорода
заменен одним атомом хлора, чем и нарушена симметрия
структуры. Полихлорвинил является полярным диэлектри-
ком. В сложных молекулах некоторых твердых диэлектри-
ков содержатся иногда отдельные группы атомов, обладаю-
21
щие дипольными моментами, придающими дипольные свой-
ства молекулам в целом. В качестве примера укажем на
клетчатку (целлюлозу), являющуюся основой всех орга-
нических волокнистых материалов растительного проис-
хождения. Ее химический состав определяется формулой
(С6Н10О5)л, т. е. молекула состоит из одинаковых звеньев
С6Н10О5; п лежит в пределах 1 000—2 000. В каждом звене
содержится по три гидроксильных группы ОН, являю-
щихся диполями. Вследствие этого клетчатка обладает
свойствами полярного диэлектрика.
Диполями являются и некоторые другие группировки
атомов, встречающиеся в органических соединениях, как,
например, карбонильная СО, карбоксильная СООН и др.
Полярными могут быть как органические, так и элементо-
органические и неорганические диэлектрики. Без электри-
ческого поля сумма дипольных моментов всех молекул
равна нулю, потому что полярные молекулы или полярные
группы атомов расположены в пространстве неупорядо-
ченно, хаотично вследствие теплового движения частиц
вещества; следовательно, отдельные дипольные моменты
направлены в разные стороны. При приложении к поляр-
ному диэлектрику разности потенциалов происходит сле-
дующее: во-первых, диполи растягиваются электрическим
полем, расстояния между центрами положительных и отри-
цательных зарядов несколько увеличиваются, величина
дипольного момента возрастает; во-вторых, происходит
известная ориентация диполей в электрическом поле —
поворот их так, чтобы положительный полюс диполя был
повернут к отрицательному электроду, отрицательный
полюс к положительному. Фактически вследствие наличия
теплового движения картина расположения диполей в про-
странстве не будет постоянной, но эффект упорядоченности
сохранится. При этом суммарный дипольный момент уже
не будет равняться нулю. Растяжение диполей и их ориен-
тация соответствуют направлению смещения электронов за
счет электронной поляризации и потому усиливают поля-
ризацию, увеличивают наведенный в диэлектрике заряд,
емкость и соответственно — емкостный ток. Эта дополни-
тельная поляризация, связанная с ориентацией дипольных
молекул, называется дипольной поляризацией. Очевидно,
что дипольная поляризация будет тем интенсивней, чем
больше дипольный момент молекул данного диэлектрика.
В диэлектриках с малой плотностью и сравнительно
небольшими размерами молекул (газы, жидкости) в элек-
22
трическом поле происходит непосредственно поворот самих
молекул. В твердых диэлектриках поворот молекул обычно
невозможен, но иногда входящие в их структуру отдельные
дипольные группы атомов могут ориентироваться полем
без нарушения их связи с молекулами, без отрыва от них.
При этом будут наблюдаться все закономерности дипольной
поляризации. Примером может служить клетчатка, поляр-
ность которой обусловлена наличием гидроксильных групп
ОН.
Полярные диэлектрики имеют повышенную диэлектри-
ческую проницаемость. В газообразных диэлектриках вслед-
ствие их малой плотности дипольный характер молекул
незначительно сказывается на абсолютной величине ди-
электрической проницаемости, которая остается практи-
чески равной единице. У полярных жидких и твердых
диэлектриков дипольная поляризация вызывает значи-
тельное увеличение диэлектрической проницаемости. Так,
например, у неполярного обычного трансформаторного масла
диэлектрическая проницаемость 2,2, у полярного совола
около 5; у неполярного полиэтилена 2,3—2,4, у полярного
полихлорвинила 3,1—3,8. Эти примеры показывают, что
в полярных диэлектриках дипольная поляризация преоб-
ладает над электронной поляризацией, вследствие чего
зависимость изменения величины диэлектрической прони-
цаемости от ряда факторов определяется особенностями
дипольной поляризации.
Важнейшими из этих особенностей являются зависимость
диэлектрической проницаемости от температуры и частоты.
Повышение температуры действует на дипольную поляри-
зацию двряко: за счет ослабления межмолекулярных свя-
зей ориентация диполей должна облегчаться, а за счет
усиления теплового движения — ослабляться, так как
сильное тепловое хаотическое движение будет мешать
упорядочению расположения молекул. При достаточно низ-
ких температурах за счет усиления межмолекулярных
связей и резко пониженной подвижности молекул диполь-
ная поляризация проявляется очень слабо и диэлектри-
ческая проницаемость диэлектрика оказывается небольшой.
При достаточно высокой температуре за счет большого
усиления теплового движения, затрудняющего ориента-
цию диполей электрическим полем, дипольная поляризация
также будет ослаблена. При некотором промежуточном
значении температуры дипольная поляризация выражена
наиболее сильно и величина диэлектрической проницае-
23
мости достигает максимума. На рис. 2-4 показана зависи-
мость диэлектрической проницаемости совола от темпера-
туры при разных частотах. Температурный коэффициент
диэлектрической проницаемости при разных температурах
имеет разные числовые значения и даже разные знаки.
Резкий рост диэлектрической проницаемости с ростом
температуры происходит, когда вязкость жидкости дости-
гает достаточно малой величины, что облегчает ориента-
цию дипольных молекул электрическим полем. Из кривых
рис. 2-4 видно, что диэлектрическая проницаемость поляр-
ного диэлектрика зависит и от частоты. При больших ча-
стотах температурный максимум диэлектрической проницае-
мости сдвигается в область более высокой температуры,
причем величина максимума снижается.
Рис. 2-4. Зависимость диэлек-
трической проницаемости совола
от температуры при разных ча-
стотах /3 > /2 > А-
Рис. 2-5. Зависимость диэлек-
трической проницаемости по-
лярной жидкости от частоты.
На рис. 2-5 показана зависимость диэлектрической про-
ницаемости полярной жидкости от частоты при комнатной
температуре.
До некоторой частоты /0 диэлектрическая проницае-
мость остается почти постоянной, а при частоте /0 начи-
нается снижение, причем при достаточно высокой частоте
диэлектрическая проницаемость приближается к постоян-
ному значению (Воо), обусловленному электронной поляри-
зацией. При частотах, меньших /0, величина диэлектри-
ческой проницаемости приближается к значению 80, полу-
чаемому при постоянном напряжении. При таких частотах
дипольные молекулы успевают ориентироваться при сменах
полярности электродов. При достаточно большой частоте
молекулы, отличающиеся сравнительно большой массой,
не будут полностью следовать за изменениями направления
24
поля, ориентация их уменьшается. Однако практически
дипольная поляризация наблюдается и в области высоких
частот.
Частота /0 (рис. 2-5) может быть выражена уравнением
“ 2лтв ~ 8л2 т)г3 ’ (2‘14)
где Tg _ время релаксации, необходимое для ослабления
под влиянием теплового движения в е раз ориен-
тации полярных молекул, вызванной электри-
ческим полем, после его снятия;
т] — вязкость;
г — радиус молекулы, принятой за сферу.
Следует отметить, что условное принятие молекулы за
сферу в ряде случаев приводит к большим погрешностям,
так как молекулы могут значительно отличаться от сферы.
Рис. 2-6. Зависимость диэлектрической проницае-
мости резины от температуры.
Закономерности дипольной поляризации в твердых
полярных диэлектриках в основном аналогичны законо-
мерностям, указанным для полярных жидкостей. Естест-
венно, что характеристические значения температуры и
частоты в разных диэлектриках будут различны. На
рис. 2-6 для примера приведена зависимость диэлектри-
ческой проницаемости от температуры при 60 гц и 300 кгц
для полярного твердого диэлектрика — резины.
Дипольная поляризация вызывает не только обратимое
поглощение энергии за счет увеличения емкости, но и не
обратимое за счет наличия в токе дипольной поляризации
активной составляющей. Ток дипольной поляризации соот-
ветствует вектору 1д на рис. 2-2. Ориентация диполей не
является чисто упругим их перемещением. Она связана
с преодолением сил внутреннего трения, на что необратимо
25
расходуется часть энергии электрического поля, переходя
в тепло. Следовательно, полярные диэлектрики будут иметь
вследствие дипольной поляризации не только повышенную
диэлектрическую проницаемость, но и повышенное зна-
чение tg б, повышенные диэлектрические потери. При
изучении диэлектрических потерь в полярных диэлектри-
ках следует помнить, что они складываются из двух со-
ставляющих: потерь от токов утечки и потерь от диполь-
может преобладать та или иная составляющая. Это поло-
жение иллюстрирует график зависимости tg б совола от
температуры, представленный на рис. 2-7. При невысоких
температурах преобладают дипольные потери; потери от
токов утечки очень малы. При отрицательных температурах
вследствие высокой вязкости совола, малой тепловой по-
движности его молекул ориентация их электрическим полем
затруднена. Молекулы находятся как бы в заторможенном
состоянии. При повышении температуры вязкость падает,
подвижность молекул возрастает и облегчается ориента-
ция их электрическим полем, что приводит к увеличению
интенсивности дипольной поляризации и к росту tg б.
Температурный максимум приходится на некоторые опти-
мальные условия: подвижность молекул достаточно ве-
лика для интенсивной их ориентации полем, но тепловое
движение не настолько велико, чтобы оказывать серьезное
26
препятствие упорядочению в расположении диполей. Для
жидких диэлектриков этот максимум обычно наблюдается
при потере жидкостью текучести; жидкость еще не пре-
вратилась в твердое тело, не замерзла, но из-за большого
возрастания вязкости потеряла свою подвижность. Даль-
нейшее повышение температуры приводит к снижению
tg б за счет сильно возросшего теплового движения. После
достижения некоторого минимума tg б начинает увели-
чиваться за счет увеличения потерь от токов утечки вслед-
ствие увеличения электропроводности с увеличением тем-
пературы. (Подробнее об элек-
тропроводности диэлектриков
сказано в § 2-8 и 2-9.)
У полярных диэлектриков
tg б зависит от частоты. На
рис. 2-8 показаны графики за-
висимости tg б и мощности ди-
электрических потерь от частоты
для полярного жидкого диэлек-
Рис. 2-8. Зависимость tg б и
диэлектрических потерь (р)
полярной жидкости от ча-
стоты.
трика при постоянной темпера-
туре. Частотный максимум tg б
может быть объяснен следую-
щим образом. При малых часто-
тах количество поворотов дипо-
лей за единицу времени невелико, следовательно, рассеи-
вается сравнительно немного энергии. При достаточно вы-
сокой частоте tg б начинает падать с ростом частоты вслед-
ствие ослабления ориентации молекул, не успевающих
следовать аа изменением направления поля. При частоте,
равной 1/2лтв [формула (2-14)], tg б имеет частотный макси-
мум. Согласно определению tg б равен отношению актив-
ного тока в диэлектрике к реактивному току; заменяя токи
через отношения напряжений к соответствующим сопро-
тивлениям (/а = U/R; 1с = (&CU), получим выражение
tg6 = 3Z7T
(2-15)
Отсюда видно, что при постоянном напряжении при со = О,
tg б = со. При этом формула мощности диэлектрических
потерь (2-5) примет такой вид: Р = оо О С(72. Физический
смысл этого следующий: при постоянном напряжении по-
тери определяются токами утечки. При постоянном напря-
жении дипольные потери будут наблюдаться только в мо-
мент образования электрического поля в течение времени,
27
необходимого для завершения дипольной поляризации,
пока происходит изменение зарядов дипольной поляри-
зации во времени.
График зависимости диэлектрических потерь от частоты
выражается сложной кривой, сущность которой сводится
к тому, что при высоких частотах диэлектрические потери
у полярных диэлектриков всегда больше, чем при низких
частотах. В этом заключаются принципиальные трудности,
имеющие место при решении ряда вопросов электрической
изоляции при высоких частотах.
Закономерности, отмеченные выше для диэлектрических
потерь в полярных жидкостях, в основном соответствуют
и закономерностям в твердых полярных диэлектриках.
В органических твердых диэлектриках диэлектрические
потери, связанные с ди-
польной поляризацией, изу-
чены более полно, чем в не-
органических, в частности
в кристаллических, имею-
щих в узлах решетки по-,
лярные молекулы или по-
о п п о л лярные группы атомов.
Рис. 2-9. Зависимость tg о поляр- г П
ного полимера от температуры. 11. 11. 1\ооеко и 1 . 11.
Михайлов установили, что
у высокомолекулярных органических соединений (у полиме-
ров), состоящих из мономерных звеньев с большим диполь-
ным моментом, наблюдается два температурных максимума
tg б: один в области низких температур, другой в области
высоких температур; при низких температурах вследствие
повышения вязкости твердого тела, достижения большой
жесткости структуры ориентироваться электрическим по-
лем могут только непосредственно те группы атомов (ра-
дикалы), которые обладают дипольным моментом; в это
вращательное движение не вовлекаются соседние атомы.
Максимум в области низких температур получил название
дипольно-радикального. При повышенных температурах
вследствие уменьшения вязкости твердого тела, умень-
шения жесткости структуры наблюдаются повороты элек-
трическим полем не только самих дипольных радикалов,
но и целых звеньев, секторов молекул. Этот высокотемпе-
ратурный максимум получил название дипольно-эласти-
ческого максимума. Объяснение каждого максимума в от-
дельности аналогично приведенному выше для темпера-
турного максимума tg б полярной жидкости. На рис 2-9
28
показан график зависимости tg 6 от температуры для поляр-
ного полимера с двумя максимумами. В точке 1 имеет
место дипольно-радикальный максимум, в точке 2 — ди-
польно-эластический. Рост tg 6 в крайней правой части
кривой объясняется большим ростом тока утечки.
Рис. 2-10. Зависимость tg б резины от температуры.
На рис. 2-10 показана зависимость tg б" полярного
диэлектрика — резины — от температуры при 60 гц и
300 кгц. Явно виден температурный максимум и зона роста
за счет увеличения токов утечки. Имеет место закономерное
смещение максимума tg б при повышенной частоте в область
Рис. 2-11. Зависимость tg б высушенной бумаги от тем-
пературы.
более высокой температуры, что связано с изменением вяз-
кости: при большей частоте оптимальные условия роста
потерь требуют меньшей вязкости.
У полярного органического диэлектрика — клетчатки,
содержащей дипольные гидроксильные группы в своих
элементарных звеньях, но отличающейся малыми измене-
ниями жесткости структуры с ростом температуры, тем-
пературный максимум лежит в области низких температур
(рис. 2-11).
29
В качестве примера дипольных потерь в неорганиче-
ском диэлектрике можно указать на потери в слюде. Слюда
Рис. 2-12 Зависимость tg б и диэлектрической
проницаемости слюды флогопит от температуры
представляет собой ионный кристалл с наличием в узлах
решетки гидроксильных групп. На рис. 2-12 показана зави-
симость tg б и диэлектрической проницаемости от темпера-
Рис. 2-13. Зависимость tg б бумаги, пропитанной масло-
канифольным составом, от температуры.
туры для слюды флогопит при частоте 50 гц. Дипольные
потери в этом случае объясняются вращением полярных
гидроксильных групп. В тех случаях, когда температурный
30
дипольный максимум tg б имеет место при той же темпера-
туре, при которой наблюдается также и достаточно боль-
шой ток утечки., этот максимум может быть значительно
размытым, почти исчезающим.
В составных диэлектриках, представляющих собой ме-
ханическую смесь разных веществ, закономерности отдель-
ных составляющих могут проявляться самостоятельно, как
зто видно на рис. 2-13, на котором представлена зависимость
tg б от температуры для конденсаторной бумаги (клетчатки),
пропитанной составом из 80% канифоли и 20% Трансфор-
маторного масла. Низкотемпературный максимум объяс-
няется ориентацией гидроксильных групп в молекулах
клетчатки, высокотемпературный — дипольными потерями
в канифоли.
2-4. ИОННО-РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
В некоторых неорганических диэлектриках имеет место
ионно-релаксационная поляризация. Она заключается в об-
разовании пространственных поляризационных зарядов
внутри диэлектрика за счет переброса электрическим полем
неупруго связанных ионов, имеющих с соседними части-
цами данного тела ослабленные связи. Эти слабо связан-
ные ионы отличаются от нормально связанных тем, что
они способны совершать сильные тепловые колебания и
даже перебрасываться тепловым полем из своих положений
равновесия на сравнительно большие расстояния, превосхо-
дящие расстояния, соответствующие ионной поляризации
смещения. В кристаллических телах ослабление связей
ионов в решетке бывает как за счет различных примесей,
так и за счет нарушений закономерного роста кристалла
при его образовании, что может быть вызвано многими
причинами. Слабо связанные ионы при наличии достаточ-
ной тепловой подвижности могут перебрасываться на зна-
чительные расстояния электрическим полем, положитель-
ные — в сторону отрицательного электрода, отрицатель-
ные — в сторону положительного электрода. Особенностью
этих ионов является то, что они не «уходят» далеко от перво-
начального своего местоположения, не становятся «свобод-
ными», т. е. ионами электропроводности, определяющими
ток утечки. На некоторых расстояниях происходит закреп-
ление слабо связанных ионов с образованием пространст-
венных зарядов: положительных в зоне отрицательного
31
электрода, отрицательных в зоне положительного элект-
рода. Изменение этих зарядов во времени и обусловливает
появление тока ионно-релаксационной поляризации, соот-
ветствующего вектору 1д на векторной диаграмме рис. 2-2.
Ионно-релаксационная поляризация, являясь добавочной
к основной, т. е. электронной поляризации, увеличивает
емкостный ток в диэлектрике за счет увеличения его ем-
кости вследствие увеличения диэлектрической проницае-
мости. Неупругий характер перемещения ионов при ионно-
релаксационной поляризации связан с необратимым по-
глощением энергии, следовательно, с увеличением tg б,
с увеличением мощности диэлектрических потерь. Интен-
сивность ионно-релаксационной поляризации зависит от
частоты. Вследствие образования добавочных зарядов за
счет переброса ионов, частиц со сравнительной большой
массой, на довольно большие расстояния время установле-
ния ионно-релаксационной поляризации по сравнению
с установлением поляризации упругого ионного смещения
велико и различно для разных диэлектриков. Тем не менее
она наблюдается вплоть до сверхвысоких радиочастот.
Зависимость диэлектрической проницаемости и tg б, обус-
ловленных ионно-релаксационной поляризацией, от ча-
стоты в принципе объясняется так же, как и в случае ди-
польной поляризации. При малых частотах tg б оказы-
вается небольшим из-за малого числа переформирований
зарядов по направлению электрического поля; при доста-
точно больших частотах переформирование зарядов начи-
нает отставать от изменений направления электрического
поля.
Как и в случае дипольной поляризации, потери при
ионно-релаксационной поляризации при постоянном на-
пряжении наблюдаются только в первый период времени
при подаче напряжения; они исчезают при установлении
ионно-релаксационной поляризации.
Поляризованность, связанная с ионно-релаксационной
поляризацией, зависит от температуры. Эта зависимость,
как и в случае дипольной поляризации, определяется влия-
нием тепловой подвижности частиц, образующих добавочные
заряды. С повышением температуры может наблюдаться
и рост диэлектрической проницаемости и рост tg б за счет
облегчения переброса электрическим полем ионов, ставших
более подвижными. При достаточно высоких температурах
сильно возросшее тепловое движение слабо связанных
ионов будет препятствовать образованию пространст-
32
венных зарядов, будет преобладать над направленным
движением ионов, вызванным электрическим полем. В ре-
зультате этого после некоторой температуры и диэлектри-
ческая проницаемость и tg б будут уменьшаться с ростом
температуры; будет наблюдаться температурный максимум
диэлектрической проницаемости и tg б.
Ионно-релаксационная поляризация сильно зависит от
структуры диэлектрика, в частности от плотности упаковки.
В одном и том же веществе при разных модификациях его
структуры за счет изменения плотности происходит боль-
шое изменение tg б. В качестве примера можно указать
на модификации окиси алюминия (глинозема), а — глино-
зем (корунд) имеет плотность 3,99 г! см3 и tg б, равный
0,0003 (при 1 Мгц и 100Q С), а у —глинозем с плотностью
3,60 имеет tg б (при тех же условиях), равный 0,0040.
Ионно-релаксационная поляризация установлена также
в различных видах электротехнических керамических ма-
териалов и в стеклах.
В кристаллических диэлектриках при нарушении нор-
мальной структуры кристаллической решетки, иногда даже
ничтожными количествами примесей может быть вызвано
появление местной неШютности упаковки, приводящей к
резкому увеличению tg б за счет появления ионно-релак-
сационной поляризации.
В стеклах структура сильно зависит от режима тепло-
вой обработки. Поэтому различные режимы тепловой обра-
ботки одного и того же стекла могут вызвать сильные из-
менения величины tg б. Ниже показана зависимость tg б
так называемых щелочно-силикатных стекол от режима
их тепловой обработки, иллюстрирующая зависимость
tg б от структуры (при 1 Мгц и 20Q С).
Нормальный отжиг.................................... 0,0075
Длительный отжиг при низкой температуре с последующим
быстрым охлаждением................................. 0,0085
Кратковременный отжиг при высокой температуре с после-
дующим быстрым охлаждением...................... . . . 0,0105
Закалка..............................................0,0130
В технических силикатных стеклах вследствие значи-
тельной электропроводности при повышенных температурах
особенности ионно-релаксационных потерь могут не про-
являться, сглаживаться потерями от токов утечки. Выделяя
из общих потерь потери, вызванные токами утечки, можно
проследить закономерности ионно-релаксационной поляри-
2 Ю. В. Корицкий 33
зации и в этом случае, применив формулу
tg6„.p = tg& —(2-16)
где tg 6и р есть тангенс части угла диэлектрических потерь,
определяющейся ионно-релаксационной поляризацией. На
основе теоретических представлений о процессах поляри-
зации в кристаллических структурах Г. И. Сканави были
получены новые керамические материалы, у которых благо-
даря интенсивной ионной поляризации смещения и ионно-
релаксационной поляризации диэлектрическая проницае-
мость имеет сверхвысокие значения. Это стронций-висмут-ти-
танатная керамика, состав которой определяется формулой
SrTiO3 -Bi2O3 -пТЮ2. Была получена стронций-висмут-
титанатная керамика двух марок: СВТ-1, у которой ди-
электрическая проницаемость достигает значения 1 000,
и СВТ-2 с диэлектрической проницаемостью, доходящей
до 6 000. Вследствие наличия интенсивной ионно-рела-
ксационной поляризации стронций-висмут-титанатная кера-
мика имеет сравнительно большую величину tg 6, значи-
тельно зависящую от частоты. В области частот, не совпа-
дающих с максимумом tg б, у СВТ-1 tg б порядка тысяч-
ных долей единицы, у СВТ-2 порядка сотых долей единицы.
Положение облегчается тем, что эта керамика имеет до-
вольно острый частотный максимум tg б. Для конденсаторо-
строения стронций-висмут-титанатная керамика представ-
ляет определенный интерес.
2-5. МЕЖСЛОЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ,
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Добавочная поляризация обычно наблюдается в слои-
стой изоляции, состоящей из диэлектриков с различными
значениями электрических характеристик, в частности,
диэлектрической проницаемости и удельной электропро-
водности. Для простоты рассмотрим случай с двухслойной
изоляцией согласно схеме, показанной на рис.‘ 2-14.
Рассмотрим сначала двухслойную изоляцию при по-
стоянном напряжении. В момент подачи напряжения вслед-
ствие практически мгновенного установления электронной
поляризации распределение напряженности электрического
поля в обоих слоях будет подчиняться емкостному закону
Е^Е^ъ^ (2-17)
34
е2 * = у2 : уь что
Рис. 2-14. Схема двухслойного
диэлектрика и распределение
потенциалов в нем.
/ — стационарное состояние; 2 —
начальный момент.
где Z?! и Z?2 — напряженности, 8t и е2 — диэлектрические
проницаемости соответственно в первом и во втором слоях,
если 8Х е.2, то£г< Е2 и распределение потенциала в изо-
ляции в начальный момент будет соответствовать рис. 2-14.
Но такое распределение не соответствует в общем случае
распределению по закону Ома для последовательных участ-
ков цепи, согласно которому
: Е2 = Y2 : Yi> (2-18)
гдеу2 и Vi — удельные проводимости, так как соответствие
возможно только при условии
иметь место только в силу
случайного совпадения. В ре-
зультате в первый момент вре-
мени плотности токов утечки
в обоих слоях окажутся не-
одинаковыми, что приведет к
накоплению свободных заря-
дов на границе между слоями,
которые изменят напряжен-
ности электрического поля в
слоях. Если взять, например
8г >82 И у2г то полу-
чится следующее. В первый
момент Е2 будет больше,
чем Ех, а так как у2 >Yi,
плотность тока утечки во вто-
в первом. Значит, на границе
между диэлектриками будут
накапливаться положитель-
ные заряды, поскольку прилегающий ко второму слою
электрод согласно рис. 2-14 заряжен положительно. Созда-
ние положительного заряда на границе между слоями
связано с появлением соответствующего тока, определяю-
щегося скоростью изменения (нарастания) этих зарядов.
Таким образом, возникает переходный процесс, который
приведет к окончательному стационарному распределению
напряжения между двумя последовательными слоями, как
показано на рис. 2-14. Это распределение находится в пол-
ном соответствии с законом Ома, с формулой (2-18). Теперь
же напряженность электрического поля, выражающаяся
на графике рис. 2-14 тангенсом угла наклона прямой изме-
нения потенциала к оси абсцисс, во втором слое оказы-
2* 35
ром слое будет больше, чем
вается меньше, чем в первом. Весь переходный период
от первоначального распределения напряженностей по
закону £*! : £2 = 82 : 8i ДО конечного, по закону Ег : Е2 =
= ?2 : Vi продолжается обычно на образцах высококачест-
венных диэлектриков в течение 1—3 мин, причем скорость
перехода наибольшая в начале процесса. Продолжитель-
ность перехода тем меньше, чем больше удельная прово-
димость диэлектриков. Иное положение получим-при пере-
менном напряжении. Вследствие периодического измене-
ния полярности электродов (периодического изменения
направления электрического поля) тот процесс, который
при постоянном напряжении был переходным, конечным
по времени, при переменном напряжении будет происходить
все время, пока подается напряжение, ибо не прекратится
изменение (распределение) зарядов во времени. В резуль-
тате в диэлектрике будет все время проходить ток доба-
вочной межслойной поляризации, который будет соответ-
ствовать вектору 1д на рис. 2-2. Возникновение и перерас-
пределение пространственных зарядов на пограничном
слое приведет к наличию емкостной составляющей этого
тока, вызовет увеличение емкости изоляции, а неупругий
характер перемещения зарядов приведет к необратимому
поглощению энергии, к добавочным потерям, к наличию
активной составляющей тока межслойной поляризации.
В некоторых случаях эта активная составляющая может
превосходить ток проводимости.
Заряды, возникающие внутри диэлектрика, при поля-
ризации создают некоторую противо-э. д. с. поляризации
по отношению к разности потенциалов на электродах.
В большинстве случаев эта противо-э. д. с. поляризации
невелика. Однако в рйде случаев происходит образование
сильно сосредоточенных пространственных зарядов, вызы-
вающих появление весьма больших разностей поляриза-
ционных потенциалов, направленных противоположно по-
тенциалам, приложенным к электродам. Эта разновидность
поляризации получила название поляризации высокого
напряжения. Она была достаточно подробно изучена
А. Ф. Иоффе, который показал, что поляризация высокого
напряжения устанавливается довольно медленно, иногда
часами, что она практически не наблюдается при частотах
выше звуковых, а также и при достаточно высоких темпе-
ратурах.
При последовательном соединении двух диэлектриков
tg 6 всей изоляции может быть выражен следующей фор-
36
мулой:
tg S № , (2-19)
~Г ^2
где Ci и tg бь С2 и tg б2 соответственно емкость и tg 6
первого и второго слоев.
Емкость двухслойной изоляции при последовательном
соединении слоев определяется по общеизвестной формуле
(2-20>
где С — суммарная емкость: С, и С2 — емкости первого
и второго слоев. Общая диэлектрическая проницаемость
двух последовательно соединенных слоев может быть
определена по формуле
Здесь 8х и е2 — диэлектрические проницаемости первого
Л. *
и второго слоев; а = b = где
и /г2 — толщины первого и второго слоев (соответственно).
При параллельном соединении двух диэлектриков tg 6
всей изоляции можно определить по формуле
‘8в“сттс7'§в>+ <2-22>
где С и tg б, С2 и tg б2 — емкости и tg б обоих слоев (соот-
ветственно). Как видно из формулы (2-22), tg б изоляции,
состоящей из параллельно соединенных диэлектриков,
может быть достаточно мал даже при значительной вели-
чине tg б одного из слоев при условии, что емкость этого
слоя мала по сравнению с емкостью слоя, имеющего ма-
лый tg б.
Емкость и tg б двухслойного диэлектрика будет раз-
личной при параллельном и последовательном включении
отдельных слоев. Очевидно, что на изменение емкости и
tg б слоистой изоляции будет влиять изменение характе-
ристик отдельных слоев.
2-6. СПОНТАННАЯ И ЭЛЕКТРЕТНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация присуща особому
классу диэлектриков — сегнетоэлектрикам, получившим свое назва-
ние от сегнетовой соли, на которой впервые были обнаружены особен-
ные свойства, характеризующие этот класс материалов. Сегнетоэлектри-
37
ческими свойствами обладают некоторые неорганические кристаллы.
Эти кристаллы состоят из областей — доменов, представляющих собой
диполи с определенными электрическими моментами. Таким образом,
сегнетоэлектрики отличаются от полярных диэлектриков с дипольными
молекулами тем, что последние имеют самопроизвольно поляризован-
ные молекулы, а первые — самопроизвольно поляризованные области,
элементарные ячейки кристаллической решетки. Под влиянием прило-
женной разности потенциалов происходит ориентация дипольных мо-
ментов доменов в направлении электрического поля, что приводит
к созданию очень большого суммарного электрического момента, к боль-
шому поляризационному заряду, к большому емкостному току. Следо-
вательно, такие материалы
будут обладать очень боль-
шой диэлектрической прони-
цаемостью. Ориентация до-
менных электрических мо-
ментов под влиянием элек-
трического поля связана с
известным искажением кри-
сталлической решетки. При
постоянном напряжении при
спонтанной поляризации, как
и при других видах поляри-
зации, после установления
поляризации вызванный ею
ток становится равным нулю.
При переменном напряжении
вследствие непрерывно про-
исходящего изменения на-
правления электрического
поля токи спонтанной поля-
ризации существуют в тече-
ние всего времени приложе-
ния напряжения. Спонтан-
ная поляризация наблюдает-
ся при разных частотах
Рис. 2-15. Зависимость диэлектриче-
ской проницаемости метатитаната ба-
рия от температуры.
вплоть до сверхвысоких ра-
диочастот. Токи спонтанной поляризации имеют не только боль-
шую реактивную составляющую, но и большую активную состав-
ляющую, благодаря чему сегнетоэлектрики имеют сравнительно
большой tg б. Особенностью сегнетоэлектриков является своеобразная
зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. На
рис. 2-15 показана зависимость от температуры диэлектрической про-
ницаемости одного из промышленных материалов — сегнетоэлектрика
титаната бария (BaTiO3), впервые изученного в качестве диэлектрика
Б. М. Вулом и И. М. Гольдман. Эта кривая снята при напряженности
электрического поля 30 в/см. При температуре, близкой к абсолютному
нулю, а именно — 271° С, диэлектрическая проницаемость оказалась
равной 100, при температуре — 259° С она была равна 114, при — 213° С
была равна 165, при комнатной температуре составляла I 000—1 200
и при 80° С достигла максимума, лежащего в пределах от 6 000 до 7 000.
При дальнейшем повышении температуры диэлектрическая проницае-
мость резко падает. Температура, соответствующая максимуму диэлект-
рической проницаемости, называется точкой Кюри. Выше точки Кюри
спонтанная поляризация уже не наблюдается, и материал теряет свои
38
сегнетоэлектрические свойства. Сегнетоэлектрические свойства титаната
бария в значительной степени зависят от примесей. Так, например,
точка Кюри для титаната бария, содержащего минимальное количество
примесей равна температуре 120° С.
Зависимость tg 6 сегнетоэлектриков от температуры обычно ана-
логична зависимости диэлектрической проницаемости, с некоторым
смешением максимума (у титаната бария в область более низких тем-
ператур).
Для сегнетоэлектриков характерна зависимость диэлектрической
проницаемости от напряженности электрического поля (рис. 2-16).
Эта зависимость наблю-
дается как при весьма
низких температурах, так
и при положительных. Но
при + 130° С, т. е. при
температуре выше точки
Кюри, зависимость ди-
электрической проницае-
мости от напряженности
пропадает.
Величина tg 6 сегнето-
электриков также зависит
от напряженности элек-
трического поля и имеет
соответствующий макси-
мум. У титаната бария
максимум tg 6 в зависи-
мости от напряженности
электрического поля не-
сколько смещен по сравне-
нию с расположением
максимума диэлектриче-
ской проницаемости в об-
Рис. 2-16. Зависимость диэлектрической
проницаемости метатитаната бария от
напряженности электрического поля.
ласть более слабых полей
на участок, соответствую-
щий наиболее быстрому
росту диэлектрической
проницаемости. Величи-
на tg 6 титаната бария при частоте 50 гц в слабых электрических
полях лежит в пределах 0,02—0,03. Сверхвысокая диэлектрическая
проницаемость керамического сегнетоэлектрика — титаната бария —
представляет интерес с точки зрения использования его в мало-
габаритных конденсаторах. Однако такие конденсаторы обладают
низкой температурной стабильностью емкости. В этом отношении зна-
чительно лучше керамические материалы со сверхвысокой диэлектри-
ческой проницаемостью не сегнетоэлектрического типа, например, опи-
санная в § 2-4 стронций-висмут-титанатная керамика. Сегнетоэлектрики
обладают нелинейными свойствами: вследствие изменения их диэлектри-
ческой проницаемости при изменениях напряженности электрического
поля и величина зарядов сегнетоэлектрического конденсатора нелинейно
изменяется с изменением напряжения. Эта нелинейность связана с тем,
что при циклическом изменении напряжения заряд сегнетоэлектриче-
ского конденсатора изменяется по закону петли гистерезиса (рис. 2-17).
При увеличении напряжения от нуля происходит увеличение заряда
по первоначальной кривой зарядки, достигающей насыщения; при
39
снижении напряжения уменьшение заряда происходит с большим от-
ставанием, и при (У == 0 получается некоторое остаточное значение за-
ряда; для доведения его до нуля требуется приложить некоторое напря-
жение обратной полярности. Высокие нелинейные свойства некоторых
сегнетоэлектриков используются в специальных конденсаторах — ва-
рикондах, применяющихся в разных устройствах для замены электрон-
ных ламп, для диэлектрических усилителей постоянного и переменного
тока, умножителей и делителей частоты, стабилизаторов напряжения и
ряда других целей.
Электретная поляризация создает в диэлектрике так называемое
электретное состояние, превращающее его в электрет. Электрет отли-
чается способностью очень длительно сохранять поляризованное состоя-
ние, иногда в течение нескольких лет, со-
Рис. 2-17. Зависимость
величины заряда от на-
пряжения метатитаната
бария при циклическом
изменении напряжения.
здавая в окружающем его пространстве
электрическое поле.
Первоначально электреты были по-
лучены из органических воскообразных
сильно полярных диэлектриков. Способ
получения их заключался в охлажде-
нии — отверждении размягченного или
расплавленного диэлектрика при воздей-
ствии достаточно сильного постоянного
электрического поля. Предполагалось,
что электретное состояние определяется
«замороженной» • ориентацией диполей.
Было установлено, что наведенный в
электрете заряд является по существу
результативным эффектом двух различ-
ных зарядов, появившихся вследствие
электретной поляризации: 1) гетерозаря-
дов, противоположных по полярности
зарядам электродов, создавших поляри-
зующее поле при получении электрета;
2) гомозарядов, совпадающих по полярности с поляризующим полем.
Предполагалось, что гетерозаряды являются следствием «заморо-
женной» дипольной поляризации, а гомозаряды — следствием про-
никновения зарядов в диэлектрик извне. Характерно, что при сравни-
тельно слабых поляризующих полях, не превышающих 5 кв/см,
обычно появлялись только гетерозаряды, а в сильных полях порядка
10—20 кв/см, наряду с гетерозарядами, появлялись и гомозаряды.
В электретном состоянии на поверхности диэлектриков наблюдается
определенная плотность зарядов. Со временем может происходить обра-
щение зарядов, изменение полярности поверхностных зарядов, приво-
дящее к изменению полярности внешнего электрического поля, созда-
ваемого электретом.
В дальнейшем была установлена возможность получения электре-
тов из неполярных органических и даже из неорганических диэлектри-
ков, в частности керамических. Необходимое для этого условие поля-
ризации сводится к длительному воздействию сильного постоянного
электрического поля при повышенной температуре. В сравнительно
слабых поляризационных полях получаются при этом электреты с гете-
розарядами, а в сильных — с гомозарядами. Плотность зарядов дости-
гает обычно значений порядка 10-9 к/см\ но при соблюдении некотррых
специфических условий можно получить электреты с большей плотно-
стью зарядов.
40
2-7. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Закономерности электропроводности различных газо-
образных диэлектриков по существу мало отличаются друг
от друга. Наиболее распространенным газообразным ди-
электриком является воздух, поэтому мы на его примере
познакомимся с электропроводностью газов. Воздух яв-
ляется смесью газов, в основном состоящей из азота и
кислорода, находящихся в молекулярном состоянии. Под
влиянием ряда факторов, как-то: радиоактивные излу-
чения (радиоактивность земной коры), космические лучи,
ультрафиолетовые лучи солнечного спектра, называемых
факторами естественной ионизации, происходит иониза-
ция газов, заключающаяся в отрыве электронов от ней-
тральных молекул. Естественная ионизация газов вызы-
вает появление в них одновременно в одинаковых коли-
чествах отрицательных и положительных зарядов: свобод-
ных электронов и положительных ионов (молекул, лишив-
шихся каждая одного электрона).
При изменении интенсивности естественной ионизации
изменяется и количество свободных зарядов, возникающих
в газе в единицу времени. Однако в среднем за достаточно
большой отрезок времени интенсивность естественной иони-
зации можно считать практически постоянной. Непрерыв-
ное действие сил естественной ионизации не может привести
к ионизации всех молекул воздуха в данном объеме потому,
что наряду с ионизацией имеет место нейтрализация за
счет воссоединения электронов с ионами — рекомбинация.
Рекомбинация получается при достаточном сближении
ионов с электронами, происходящем вследствие теплового
хаотического непрерывного движения частиц газов. Веро-
ятность такого сближения достаточно велика, так как до-
статочно велико количество молекул в единице объема
газа: при 760 мм рт. ст. и 273° К в 1 см3 любого газа на-
ходится 2,687 -1019 молекул. Скорость теплового движения
молекул при комнатной температуре составляет несколько
сот метров в 1 сек. Число рекомбинаций в единицу времени
пропорционально произведению числа свободных положи-
тельных и отрицательных зарядов, находящихся в данном
объеме; таким образом, с усилением интенсивности иони-
зации усиливается и интенсивность рекомбинации
= anjj, (2-23)
41
где nr — число рекомбинаций;
п0 — число свободных электронов, равное числу сво-
бодных ионов;
а — коэффициент рекомбинации.
Хотя согласно кинетической теории газов все частицы
их, в том числе и ионы и свободные электроны, находятся
в непрерывном движении, эффект электрического тока без
приложения разности потенциалов к электродам не наблю-
дается, и направленный перенос свободных зарядов отсут-
ствует вследствие хаотического характера теплового движе-
ния. Если же приложить к электродам некоторое напряже-
ние, в движении ионов и электронов появляется направлен-
ная составляющая, появляется эффект направленного дви-
жения свободных зарядов — электрический ток, ток утечки.
В электрическом поле свободные заряды могут переме-
щаться на значительные расстояния, электроны к положи-
тельному электроду, ионы — к отрицательному. Из ска-
занного выше следует, что электропроводность газов имеет
смешанный характер — ионный и электронный.
В слабых электрических полях ток утечки настолько
мал, что им практически можно пренебречь.
При наличии электрического поля справедливо уравнение
2и0 = пг + л2, (2-24)
где — количество зарядов (обоих знаков), нейтрали-
зующихся за счет рекомбинации;
п2 — количество зарядов (обоих знаков), нейтрализую-
щихся на соответствующих электродах (вследствие направ-
ленного переноса).
Количество зарядов, нейтрализующихся на электро-
дах, связанное с направленным переносом электрическим
полем, определяет величину тока утечки, согласно формуле
/ = n2g, (2-25)
где q — заряд.
В слабых электрических полях при Е, близком к нулю,
п2 очень мало, им можно пренебречь, так как явно преобла-
дающей является не направленная составляющая движе-
ния свободных зарядов, а хаотическая. Величина тока
утечки при этом близка к нулю и может быть выражена
уравнением
I = nQq (v+ + v_), (2-26)
где v+ — скорость направленного движения ионов;
v_ — скорость направленного движения электронов.
42
Скорость направленного движения свободных зарядов
в электрическом поле прямо пропорциональна напряжен-
ности
V = kE, (2-27)
где k — подвижность.
Для скорости движения ионов в формулу (2-27) надо
подставить соответствующую подвижность &+, для ско-
рости движения электронов Численно подвижности
равны скорости при напряженности электрического поля,
равной единице.
Подвижность электронов больше подвижности ионов,
потому что электроны обладают меньшей массой, меньшей
инерцией. Формула (2-26) с учетом формулы (2-27) может
быть переписана так:
I = nQqE (6+ + k_).
(2-28)
Из этой формулы следует, что ток утечки в газах в сла-
бых электрических полях прямо пропорционален напря-
женности, а значит и напряже-
нию, т. е. подчиняется закону
Ома. При достаточно большой
напряженности электрического
поля вследствие увеличившейся
скорости направленного движе-
ния свободных зарядов, скорости
переброса их электрическим по-
лем на электроды нейтрализация
зарядов за счет рекомбинации
прекратится. Все заряды, воз-
Рис. 2-18. Зависимость тока
утечки в воздухе от напря-
жения
никающие в данном объеме за единицу времени, будут
достигать электродов. При этом ток утечки будет опре-
деляться только формулой (2-25); он будет зависеть не
от приложенного напряжения, а только от интенсивно-
сти естественной ионизации. На рис. 2-18 показана зави-
симость тока утечки в воздухе от напряжения между элек-
тродами. В слабых полях соблюдается закон Ома, при не-
котором значении напряженности наступает насыщение —
ток перестает зависеть от напряженности. При применении
искусственных ионизирующих воздействий, увеличиваю-
щих число свободных зарядов в газе, ток насыщения уве-
личивается.
Для примера заметим, что в воздухе при расстоянии
между плоскими электродами 1 см насыщение наступает
при напряженности электрического поля, равной 0,006 в/см,
43
и плотность тока насыщения устанавливается порядка
IO*19 а! см2.
При большой напряженности электрического поля (для
воздуха при напряженности выше ~ 1,5-10* в!см) ток
утечки выходит из состояния насыщения и начинает расти
быстрей, чем растет напряжение, быстрей, чем по закону
Ома. Это возможно только при условии, что с ростом на-
пряженности будет увеличиваться количество свободных
зарядов в пространстве между электродами. При доста-
точно большой напряженности свободные заряды переме-
щаются с такой большой скоростью, что приобретают жи-
вую силу, достаточную для выбивания электрона из моле-
кулы при столкновении с нею. Вновь отщепившийся элек-
трон быстро разгоняется электрическим полем и при столк-
новении с молекулой в свою очередь может ее ионизиро-
вать — выбить из нее электрон. Благодаря такой ударной
ионизации количество свободных зарядов возрастает в
геометрической прогрессии, что и приводит к резкому уве-
личению тока утечки в газе. При этом токи утечки приобре-
тают такие значения, которыми уже часто нельзя пренеб-
речь. В газах появляются ощутимые потери. Электропро-
водность, вызванная ударной ионизацией, обычно называют
самостоятельной, в отличие от электропроводности, вы-
званной естественной ионизацией, которую называют не-
самостоятельной.
Величина электропроводности газов в обычных условиях
эксплуатации не зависит от температуры.
2-8. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Все жидкие тела, в том числе и жидкие диэлектрики, лег-
ко загрязняются, причем характер загрязнений может
быть различным. В качестве загрязнений можно рассмат-
ривать примеси, сопутствующие данному диэлектрику по
его природе, например органические кислоты в трансфор-
маторном (нефтяном) масле, которое само по себе является
смесью химически нейтральных углеводородов. Загрязне-
нием в жидком диэлектрике является и вода, попадающая
в него часто непосредственно из атмосферного воздуха
вследствие гигроскопичности жидкости. При этом следует
иметь в виду, что вода в жидком диэлектрике может быть
в трех состояниях: а) в молекулярно-растворенном; б) в виде
эмульсии (коллоидно-растворенное состояние) — в виде
мельчайших капелек, находящихся в жидком диэлектрике
44
во взвешенном состоянии; в) в виде избыточной воды, не
удерживающейся в эмульсии, выпадающей из нее. Избы-
точная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность
меньше единицы (например, трансформаторное масло),
или всплывает на его поверхность, если плотность диэлек-
трика больше единицы (например, хлорированный дифенил-
совол). Вода в жидком диэлектрике может переходить из
одного состояния в другое. При повышении температуры
растворяющая способность обычно увеличивается й эмуль-
сионная вода может переходить (полностью или частично)
в молекулярно-растворенное состояние, а избыточная вода—
в эмульсионное состояние. При снижении температуры
происходит обратный процесс. При длительном воздей-
ствии высокой температуры сказывается эффект испарения
воды из жидкого диэлектрика — эффект сушки. Жидким
загрязнением может быть не только вода, но и какая-
либо другая посторонняя жидкость. В жидком диэлектрике,
особенно при недостаточной чистоте производственных
условий, могут быть и всевозможные твердые загрязнения,
находящиеся во взвешенном состоянии: волоконца, со-
ринки и т. п. Все эти загрязнения обусловливают появле-
ние в жидкости так называемой примесной электропровод-
ности, накладывающейся на собственную электропровод-
ность, присущую данному диэлектрику после полного
удаления всех примесей. Собственная электропроводность
жидких диэлектриков при самой тщательной их очистке
не равна нулю; всегда имеется какая-то остаточная электро-
проводность. Собственная электропроводность жидкого ди-
электрика имеет ионный характер. Она определяется пере-
носом электрическим полем ионов, образовавшихся вслед-
ствие частичной диссоциации основных молекул жидкости.
Отличие жидкого диэлектрика от жидкого проводника
электрического тока — электролита — заключается в том,
что в первом диссоциация молекул происходит очень слабо
и степень диссоциации, т. е. отношение числа диссоцииро-
вавших молекул к общему числу молекул, очень мала.
При этом надо иметь в виду, что степень диссоциации моле-
кул жидкого диэлектрика зависит от структуры: нейтраль-
ные молекулы менее подвержены диссоциации, чем поляр-
ные. Поэтому, как правило, диэлектрики с малой величиной
диэлектрической проницаемости имеют меньшую электро-
проводность, чем имеющие большую проницаемость. Оста-
точная удельная проводимость неполярного нефтяного
масла имеет величину порядка 10 18 ом1 -см1.
45
Во всех технических жидких диэлектриках примесная
электропроводность играет очень большую роль; она часто
оказывается больше собственной электропроводности, осо-
бенно в случае неполярной жидкости. Сравнительно легко
диссоциирующие примеси (как кислотные примеси в нефтя-
ном масле) обусловливают добавочную ионную электропро-
водность. Особенно сильно диссоциирующие примеси повы-
шают электропроводность полярных жидких диэлектри-
ков, в которых степень диссоциации молекул примесей
больше, чем в неполярных жидкостях.
Эмульсионная вода, твердые примеси и загрязнения
вызывают добавочную электропроводность иного харак-
тера. Капельки эмульсионной боды и твердые частицы за-
ряжаются в электрическом поле и становятся носителями
тока. Такая электропроводность называется молионной.
Обычно коллоидные частицы (и более крупные загрязнения)
заряжаются в электрическом поле в жидком диэлектрике
положительно, если их диэлектрическая проницаемость
больше, чем диэлектрическая проницаемость жидкой среды.
В противном случае посторонние частицы заряжаются отри-
цательно. Очевидно, что количественно влияние примесей
связано с их концентрацией. В производственных условиях
для удаления примесей и загрязнений жидкие диэлектрики
подвергаются ряду технологических операций, приводящих
жидкости в технически чистое состояние. Надо иметь в виду,
что чем тщательнее очищен жидкий диэлектрик от различ-
ных примесей, тем труднее сохранить его в таком состоянии.
При прохождении постоянного тока через загрязненные
жидкие диэлектрики наблюдается спад тока с течением вре-
мени, сопровождающийся явлением электрической очистки.
Эта очистка объясняется тем, что ионы примесей и всевоз-
можные другие загрязнения переносятся электрическим
полем на электроды, где и нейтрализуются, оставаясь
вблизи последних. Из зоны электродов эти продукты могут
быть легко удалены. Однако таким путем трудно очищать
большие массы жидкостей.
В зависимости от концентрации ионов величина прово-
димости жидкости может быть выражена уравнением
Y = noq (&+ + (2-29)
где п0 — число пар ионов в 1 см3;'
q — заряд иона;
k+ — подвижность положительных ионов;
k_ — подвижность отрицательных ионов.
46
В общем случае подвижности положительных и отрица-
тельных ионов не равны; различие в значениях подвиж-
ности ионов определяется разницей в их массах.
Для ионной электропроводности характерно ее резкое
увеличение с увеличением температуры. Эта закономер-
ность объясняется усилением диссоциации с увеличением
температуры и увеличением подвижности ионов. Если при-
нять, что подвижность положительных и отрицательных
ионов одинакова, то зависимость ионной удельной прово-
димости от температуры выражается следующим уравне-
нием:
у = Ае т , омг1 • см~\ (2-30)
л _ ngWf
“ ЫгТ ’
где п — общее число ионов в 1 rf;
I — расстояние между частицами жидкости;
f — частота собственных колебаний частиц;
k — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура;
а — w/k, где w — энергия активации ионов, энергия,
необходимая для отрыва ионов от соседних молекул, к кото-
рым «прилипают» ионы при своем движении в электриче-
ском поле. Величину А в первом приближении можно
считать независимой от температуры, особенно по сравне-
____________________а_
нию с величиной е т. Формулу (2-30) часто представ-
ляют в логарифмическом виде
1пу = 1пД —у. (2-31)
От формул (2-30) и (2-31) легко перейти к зависимости
удельного сопротивления от температуры
а
р = A'e?, (2-32)
1пр = 1пД'+у. (2-33)
Графики зависимости удельного сопротивления жидких
диэлектриков от температуры в полулогарифмическом мас-
штабе координат практически очень близки к прямым.
На рис. 2-19 показана зависимость удельного сопротивле-
ния трансформаторных масел разной степени очистки от
температуры (масштаб по оси ординат логарифмический).
47
Для более узкого интервала температур с достаточной сте-
пенью точности может быть применена формула
pt = p^~at>
(2-34)
где р — удельное сопротивление при температуре t, °C;
ро — удельное сопротивление при температуре 0° С;
а — коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика.
С увеличением температуры увеличивается и молионная
электропроводность за счет увеличения подвижности частиц
Рис. 2-19. Зависимость удельного со-
противления жидких диэлектриков от
температуры.
/ — трансформаторное масло, тщательно
очищенное; 2 — трансформаторное масло,
очищенное; 3 — вазелиновое масло; 4 —
трансформаторное масло промышленное;
5 — касторовое масло; 6 — совол.
вследствие снижения
вязкости жидкости.
В жидкостях повы-
шенной чистоты, но не
доведенных до предель-
но чистого состояния,
проводимость практи-
чески не зависит от
величины напряженно-
сти электрического поля
до значений порядка
100 кв/см. При больших
напряженностях наблю-
дается более резкий
рост тока, чем по зако-
ну Ома, наблюдается
увеличение проводимо-
сти, по-видимому, за
счет увеличения подвиж-
ности ионов. В жидких
диэлектриках обычной
технической чистоты за-
висимость тока утечки
от напряженности имеет
довольно неопределен-
ный характер. При до-
статочно больших зна-
чениях напряженности
в обычных недегазиро-
ванных жидкостях на-
блюдается увеличение,
тока утечки за счет про-
исходящей ударной ионизации газов, находящихся в жид-
кости в растворенном состоянии.
48
2-9. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Явления, связанные с электропроводностью твердых
диэлектриков, благодаря большому разнообразию послед-
них в отдельных случаях могут сильно отличаться друг
от друга, что затрудняет вывод соответствующих теорети-
ческих обобщений. К тому же следует иметь в виду и боль-
шое влияние всевозможных примесей и структурных дефек-
тов на величину проводимости твердых диэлектриков.
Поэтому еще сравнительно недавно считалось, что объем-
ные токи утечки в твердых диэлектриках часто имеют ано-
мальный характер, их закономерности не всегда уклады-
ваются в общепринятые теоретические представления. В на-
стоящее время благодаря проведению большого количества
тщательно поставленных экспериментальных исследований,
теоретических работ и обобщений физическая природа
электропроводности твердых диэлектриков стала доста-
точной ясной. При этих работах в качестве объектов иссле-
дований часто брались (и берутся) диэлектрики, не имею-
щие практического использования как технические электро-
изоляционные материалы, например щелочногаллоидные
кристаллы, представителем которых является каменная
соль. Объясняется это тем, что такие кристаллы имеют
простую форму кристаллической решетки, все параметры
которой теоретически известны и могут быть проверены
экспериментально. Поэтому все теоретические предположе-
ния могут быть проверены экспериментально, и на основа-
нии достоверного экспериментального материала легко
делать теоретические обобщения.
Прежде чем познакомиться с физической природой элек-
тропроводности твердых диэлектриков и ее особенностями,
рассмотрим одну закономерность, имеющую практическое
значение при определении удельного объемного сопротив-
ления по величине тока объемной утечки. При возникно-
вении в твердом диэлектрике высоковольтной поляризации,
описанной в § 2-5, при измерении объемного тока утечки-
наблюдается его зависимость от времени: ток утечки от
некоторой начальной величины снижается до почти по-
стоянного значения (рис. 2-20). На рис. 2-20 ток в диэлек-
трике показан не с самого момента подачи постоянного
напряжения, а спустя короткий отрезок времени, в течение
которого прекращаются токи, вызванные быстро устанав-
ливающимися поляризационными процессами. Часть тока,
спадающая со временем, — разность между начальным
49
и конечным токами утечки — называют током абсорбции;
остаточный ток называют сквозным током. Первоначально
существовало мнение, что спад со временем объясняется
увеличением объемного сопротивления диэлектрика. Ра-
боты А. Ф. Иоффе и его учеников показали, что зависимость
тока объемной утечки от времени связана с явлением поля-
ризации высокого напряжения. С учетом противо-э. д. с.
поляризации высокого напряжения величина тока утечки
должна быть выражена так:
= (2-35)
Рис. 2-20. Изменение тока объ-
емной утечки в твердом ди-
электрике со временем.
где U — разность потенциалов на электродах;
£р — противоэлектродвижущая сила поляризации.
В начальный момент при включении напряжения Ер
практически равна нулю; затем величина противо-э. д. с.
поляризации начинает уве-
личиваться, снижая величину
тока утечки; при некотором
конечном значении времени
(на рис. 2-20 это время обо-
значено тк) Ер достигает своего
предельного значения, после
чего ток утечки перестает
уменьшаться. Практически в
условиях эксплуатации изо-
ляции ток утечки и связан-
ные с ним потери энергии в ди-
электрике будут определяться величиной сквозного тока,
иначе говоря величиной сопротивления, зафиксированного
по сквозному току, хотя истинным сопротивлением ди-
электрика будет сопротивление, соответствующее началь-
ному току. При определении удельного объемного сопро-
тивления диэлектрика учитывают только сквозной ток.
В большинстве случаев в измеряемых образцах диэлектри-
ков сквозной ток устанавливается сравнительно быстро.
Поэтому при определении удельного объемного сопротив-
ления отсчет тока делают через 1 мин после включения по-
стоянного напряжения на образец. В работах академика
А. Ф. Иоффе и его учеников экспериментально было доказано
образование внутри диэлектрика объемных поляризацион-
ных зарядов, вызывающих искажение электрического поля.
В некоторых диэлектриках, например в неоргани-
ческом стекле, каменной соли и других, распределение
50
поляризационных зарядов внутри диэлектрика оказы-
вается симметричным или со слабым нарушением симмет-
рии, как, например, в кварце. При этом поляризационные
заряды оказываются сосредоточенными преимущественно
в тонких приэлектродных слоях.
На рис. 2-21, а показано первоначальное и конечное
распределение потенциала внутри диэлектрика с симметрич-
ными поляризационными зарядами, характеризующее ис-
кажение электрического поля. Первоначально падение
потенциала в диэлектрике по длине силовой линии происхо-
дит по прямой, что соответствует равномерному полю, таккак
для всех точек силовой линии скорость падения потенциала
Рис. 2-21. Искажение электрического поля твер-
дых диэлектриков поляризацией высокого напря-
жения.
а — в кварце (слабое нарушение симметрии); б — в каль-
ците (несимметричное).
(напряженность) будет одна и та же, определяемая танген-
сом угла наклона графика падения потенциала к оси абс-
цисс. К завершению формирования поляризации высокого
напряжения падение потенциала происходит уже по кри-
вой, показывающей усиление напряженности у обоих
электродов (в одинаковой степени) и ослабление в средней
зоне. Эта кривая свидетельствует об образовании поляри-
зационных зарядов ионами обоих знаков. В других слу-
чаях, например в минерале кальцита, искажение электри-
ческого поля поляризацией высокого напряжения резко не-
симметрично. Этот случай показан на рис. 2-21, б, согласно
которому почти все падение потенциала сосредоточивается
в тонком слое вблизи отрицательного электрода. Здесь,
очевидно, поляризационный пространственный заряд со-
здан только положительными ионами.
Эффективность поляризации высокого напряжения раз-
лична не только для разных диэлектриков, но и для разных
51
образцов одного и того же диэлектрика в зависимости от
их чистоты, потому что наиболее активны в образовании за-
рядов поляризации высокого напряжения именно ионы
примесей. Так, например, при последовательном увели-
чении чистоты кристалла каменной соли перекристаллиза-
цией, наряду с уменьшением величины тока объемной
утечки, наблюдалось и снижение его зависимости от вре-
мени.
В настоящее время можно считать установленным, что
в твердых диэлектриках могут быть ионная, электронная
и смешанная (ионно-электронная) электропроводность.
Правда, большинство известных в электроизоляционной
технике диэлектриков: органические естественные и синте-
тические полимеры (смолы, резины), неорганические стекла
и кристаллы, многие виды керамических материалов —
обладают ионной электропроводностью.
Как и в жидких диэлектриках, на величину проводи-
мости твердых диэлектриков большое влияние оказывают
различные примеси. В большинстве случаев эти примеси
значительно легче диссоциируют с образованием свобод-
ных ионов, чем основной диэлектрик. В кристаллических
диэлектриках примеси, помимо того, что они являются
источником свободных ионов, могут влиять на увеличение
проводимости за счет ослабления связей решетки, в част-
ности в кристаллах ионного типа; при этом ионы основного
состава диэлектрика легче срываются со своих мест в узлах
решетки и становятся носителями тока.
В случае ионной электропроводности твердых диэлек-
триков зависимость проводимости от температуры подчи-
няется таким же закономерностям, как и при ионной
электропроводности жидких диэлектриков, поэтому и в
данном случае могут быть применены формулы (2-30) —
(2-34). Как и в случае жидкого диэлектрика, рост объемной
проводимости при ионной электропроводности твердых
диэлектриков объясняется увеличением количества сво-
бодных ионов за счет усиления диссоциации и увеличе-
нием их подвижности. Доля участия в росте проводи-
мости увеличения количества свободных ионов и их по-
движности неодинакова. В большинстве керамических
материалов согласно результатам ряда исследований боль-
шее значение имеет увеличение подвижности ионов.
При низких температурах объемная проводимость твер-
дых диэлектриков может целиком определяться примесями
и дефектами структуры. При повышенных температурах
52
ток утечки может определяться переносом ионов основного
вещества диэлектрика.
Чистота имеет огромное влияние на качество техниче-
ских диэлектриков — электроизоляционных материалов,
особенно в тех случаях, когда основной состав сам отли-
чается особенно малой проводимостью. Среди синтетиче-
ских диэлектриков, как правило, наименьшей проводи-
мостью и наименьшими диэлектрическими потерями обла-
дают те материалы, технологический процесс получения
которых обеспечивает высокую степень их чистоты (исключе-
ние представляют полярные диэлектрики, которые при
предельно возможной чистоте имеют сравнительно высокие
потери за счет дипольной поляризации).
Ниже в качестве примера ионной электропроводности
рассмотрены явления, наблюдающиеся при прохождении
тока через кристалл каменной соли. Ионный характер
электропроводности в данном случае предопределяется
соотношениями энергий активации ионов и электронов:
энергия активации ионов натрия равна 0,85 эв, ионов
хлора 2,55 эв, а электронов 6 эв (при комнатных темпера-
турах). Заметная электронная электропроводность в ка-
менной соли может быть вызвана некоторыми примесями,
радиоактивным и ультрафиолетовым облучениями, приво-
дящими к отрыву электронов от ионов, находящихся
в узлах решетки. В обычных условиях при комнатной тем-
пературе подвижность наиболее слабо закрепленных в ре-
шетке ионов натрия еще настолько мала, что срыва их
электрическим полем из узлов решетки при нормальной
ее структуре не происходит. Наблюдающаяся при этом
очень малая проводимость носит примесный характер.
При сравнительно высокой температуре порядка 220° С
проводимость определяется в основном уже движением по-
ложительных ионов натрия, их переносом на катод. Усилен-
ное тепловое движение, связанное с увеличением ампли-
туды колебания в узлах решетки, настолько ослабляет
связи с соседними узлами, что становится возможным срыв
ионов электрическим полем. Нейтрализующиеся на катоде
ионы натрия приводят к образованию внутри кристалла
ветвистых отложений металлического натрия — дендри-
тов (рис. 2-22), могущих при достаточно длительном про-
хождении тока вызвать даже короткое замыкание между
электродами. Отрицательные ионы хлора становятся носи-
телями тока, начиная с более высокой температуры 600° С.
При этом на аноде наблюдается выделений хлора. В опытах
S3
Лукирского и Щукарева, применявших серебряные элек-
троды, на аноде образовывалось хлористое серебро. Для
кристаллических диэлектриков, у которых проводимость
при некоторой температуре начинает определяться ионами
обоих знаков, в графике зависимости удельного объемного
сопротивления от температуры обычно наблюдается харак-
Рис. 2-22. Дендриты натрия
в каменной соли.
терный излом. При этом за-
висимость проводимости от
температуры хорошо опреде-
ляется двучленной формулой
a t Оо _
у = Л1е-Т + Лге-Т (2-36)
где А± и аг относятся к ионам
одного знака, Л2 и а2 — к ио-
нам другого знака.
Ионная электропровод-
ность наблюдается и в аморф-
ных твердых диэлектриках
как неорганических, так и ор-
ганических. В неорганических
технических стеклах ионная
электропроводность обычно
связана с наличием в них оки-
слов натрия и калия, что обус-
ловливает появление свобод-
ных ионов натрия и калия,об-
ладающих вследствие сравни-
тельно малых размеров боль-
шой подвижностью. В кера-
мических материалах, со-
стоящих из кристаллической
и стекловидной аморфной
фазы, ионная электропроводность в первую очередь
определяется стекловидной фазой, содержащей обычно
достаточно легкоподвижные ионы. В этих случаях, как
в каменной соли, при повышенных температурах наблю-
даются все закономерности ионной электропроводности-:
перенос ионов на электроды, образование дендритов,
а также соблюдается общеизвестный закон Фарадея, гла-
сящий, что количество вещества, выделяющегося при
электролизе за единицу времени, прямо пропорционально
химическому эквиваленту вещества и количеству прошед-
шего электричества.
54
В органических диэлектриках, в частности в широко
распространенных синтетических, закономерности элек-
тропроводности определяются примесями. В последнее
время были опубликованы работы, показавшие, что при
получении полимеризационных смол из очень чистых полу-
фабрикатов по технологическим процессам, исключающим
попадание загрязнений в конечный продукт, можно до-
биться устранения примесной электропроводности. Оста-
точная электропроводность таких материалов, в частности
полистирола и полихлорвинила, подчиняется другим за-
кономерностям: она не зависит от температуры до следую-
щих ее значений: у полистирола 130° С, у полихлорвинила
70° С.
У некоторых керамических материалов, отличающихся
отсутствием стекловидной фазы, электропроводность имеет
электронный характер до температуры в несколько сот
градусов. В таких случаях величина проводимости оказы-
вается очень малой и ее зависимость от температуры менее
резкой, чем в случае ионной электропроводности, что имеет
большое практическое значение.
В сравнительно слабых электрических полях объемная
проводимость твердых диэлектриков не зависит от напря-
женности электрического поля и соблюдается закон Ома.
В достаточно сильных электрических полях проводимость
начинает сильно увеличиваться с ростом напряженности.
Согласно формуле Я. И. Френкеля, представленной здесь
в упрощенном виде, эта зависимость выражается следую-
щим образом:
у = (2-37)
где у — проводимость в сильном поле при напряженности
Е\
у0 — проводимость, не зависящая от напряженности;
а — коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика.
Установлено, что добавочная электропроводность в силь-
ном электрическом поле электронная. В. И. Пружининой-
Грановской было проведено исследование, показавшее,
что при напряженности порядка 500 кв!см и 325° С объем-
ный ток утечки в слюде почти на 100% электронный. При
более низких напряженностях ток утечки определяется
движением положительных ионов алюминия и отрицатель-
ных ионов кислорода.
У гигроскопичных материалов объемная проводимость
возрастает при нахождении их во влажном воздухе за счет
55
поглощения влаги, которое происходит тем сильней, чем
больше относительная влажность воздуха. Это явление
обратимое: при удалении гигроскопической воды сушкой
сопротивление восстанавливается. У диэлектриков, не
обладающих объемной гигроскопичностью, например у
плотной керамики, объемная проводимость практически
не зависит от влажности окружающего воздуха. У влаж-
ных диэлектриков на практике часто наблюдается зависи-
мость сопротивления от температуры аналогично представ-
ленной на рис. 2-23. Максимум в графике зависимости
сопротивления от темпера-
туры объясняется удале-
нием гигроскопической вла-
ги за счет подсушки.
В анизотропных мате-
риалах (слоистых и кри-
сталлах) объемная прово-
димость различна в разных
направлениях. Поверхност-
Рис. 2-24. Капля жидкости
на смачиваемой и на несма-
чиваемой поверхности.
Рис. 2-23. Изменение
сопротивления влаж-
ного диэлектрика с
ростом температуры.
ная проводимость диэлектриков, определяющая собой ве-
личину поверхностного тока утечки, на практике часто
зависит не столько от свойств самого диэлектрика, сколько
от состояния его поверхности: степени увлажнения и за-
грязнения. У материалов, смачивающихся водой, к ка-
ковым относится большинство твердых диэлектриков, по-
верхностная проводимость сильно увеличивается с ростом
относительной влажности окружающего воздуха за счет
образования пленки воды, абсорбированной поверхностью.
Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой
жидкостью) оценивается по величине краевого угла смачи-
вания 0 капли воды, нанесенной на плоскую поверхность
тела. Чем меньше 0, тем сильнее смачивание; для смачи-
ваемых поверхностей 0< 90°, для несмачиваемых 0 >90°
56
(рис. 2-24). Чем больше относительная влажность, тем
толще абсорбированная пленка воды. Наличие на поверх-
ности диэлектрика загрязнений под действием воды при-
водит к образованию пленки с большой электрической про-
водимостью. Если твердый диэлектрик способен раство-
ряться или хотя бы набухать в воде, то увеличение отно-
сительной влажности окружающего воздуха вызывает осо-
бенно резкое увеличение поверхностной проводимости.
Наличие поверхностных пор и трещин способствует обра-
зованию проводящих участков на поверхности диэлектрика
и поэтому влияет на величину поверхностной проводи-
мости. У гидрофобных диэлектриков, поверхность кото-
рых не смачивается водой (например, парафин, некоторые
виды кремнийорганических соединений), поверхностное
сопротивление практически не зависит от относительной
влажности вплоть до весьма высоких ее значений. Так,
для парафина удельное поверхностное сопротивление
остается более 101в ом при изменении относительной влаж-
ности окружающего воздуха от 0 до 100%.
2-10. ПРОБОЙ ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается
с ударной ионизации. Для начала ударной ионизации необ-
ходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разго-
няемых электрическим полем, стала больше энергии иони-
зации. Кинетическая энергия электрона может быть вы-
ражена уравнением
Г = £qZ, (2-38)
где Е — напряженность электрического поля;
q — заряд движущегося электрона;
I — длина пути, проходимого электроном до столкно-
вения с молекулой.
Эта длина называется длиной свободного пробега. Энер-
гия ионизации
1ГИ = ^, (2-39)
где ик — ионизационный потенциал, имеющий значение
для разных газов от 4 до 25 в; энергия ионизации лежит
в пределах от 4 до 25 эв. Ударную ионизацию начинают
электроны более подвижные. При достаточной напряжен-
ности ударную ионизацию могут производить и ионы. Для
завершения пробоя воздуха, проявляющегося внешне в виде
искры, проскакивающей между электродами, необходимо,
57
чтобы лавинообразный процесс увеличения количества
свободных зарядов в данном искровом промежутке привел
к достаточной плотности свободных зарядов. Это дости-
гается благодаря некоторым вторичным явлениям, со-
путствующим ударной ионизации, а именно вследствие
выхода дополнительных свободных электронов из катода
под воздействием фотонов, излучаемых атомами газа,
возбудившимися под влиянием соударений с электронами.
Имеет место фотоионизация газа. Современные представ-
ления о механизме пробоя воздуха, началом которого
является ударная ионизация, связывают его завершение
с распределением зарядов в промежутке между электро-
дами. Большое значение имеет тот факт, что в зоне иониза-
ции вследствие большей подвижности электронов по срав-
нению с ионами всегда возникает положительный простран-
ственный заряд: электроны быстрей покидают зону иони-
зации, а ионы «оседают» в ней. При формировании искро-
вого разряда после прохождения первой лавины электро-
нов за ней остается положительный пространственный за-
ряд, в который втягиваются электроны вторичных, дочер-
них лавин, что приводит к образованию плазмы, состоя-
щей в основном из ионов и электронов. Головка канала
плазмы, имеющей избыточный положительный заряд, пере-
двигается к катоду. Когда этот заряд — так называемый
стриммер — подходит к катоду, напряженность в этом
месте поля резко возрастает, усиливая ионизацию. Обра-
зующаяся при этом масса новых свободных электронов
устремляется по стриммеру к аноду. Пробивным напряже-
нием газа является напряжение искрового разряда. Кроме
искрового разряда, как известно, может быть и дуговой
разряд, характеризующийся большей плотностью тока,
причем увеличение тока сопровождается падением напря-
жения на электродах (короткое замыкание). Переход ис-
крового разряда в дуговой связан с очень быстрым расши-
рением главного искрового разряда и взрывной волной
в радиальном направлении. При дуговом разряде имеет
место термическая ионизация газа.
Основные закономерности пробоя газов достаточно хо-
рошо объясняются механизмом начальной стадии пробоя —
ударной ионизацией.
Электрическая прочность газов зависит от их плотности,
которая прямо пропорциональна давлению и обратно про-
порциональна абсолютной температуре. На рис. 2-25 пока-
зана зависимость электрической прочности газов рт давле-
58
ния при постоянной температуре. На графике показана
точка, соответствующая нормальному атмосферному дав-
лению 760 мм рт. ст. В правой части графика рост элек-
трической прочности объясняется уменьшением длины
свободного пробега, вследствие чего затрудняется накопле-
ние электронами живой силы, необходимой для начала
ударной ионизации. В левой части графика рост электри-
ческой прочности с уменьшением давления объясняется
тем, что при достаточно большом разрежении ионизация
затрудняется вследствие уменьшения вероятности столк-
новения электронов с молекулами газа. В вакууме разряд
определяется уже не ударной ионизацией, а выходом элек-
Рис. 2-25. Зависимость электрической проч-
ности газов от давления.
при относительно малых изменениях температуры и давле-
ния газа для определения t/Iip воздуха при давлении р и
температуре t может быть использовано уравнение
£/np = £W. (2-40)
где Unp — пробивное напряжение при плотности б;
Uпр о — пробивное напряжение при нормальной плот-
ности, условно принимаемой за единицу;
б — отношение плотности воздуха при давлении р
и температуре f С к плотности воздуха при
нормальных условиях
(2'«)
Второй закономерностью, характерной для механизма
ударной ионизации, является зависимость электрической
прочности от расстояния между электродами. Эта зависи-
мость для воздуха в однородном электрическом поле пока-
59
зана на рис. 2-26. При малых расстояниях между электро-
дами ударная ионизация затрудняется вследствие малой
Рис. 2-26. Зависимость электрической прочности воздуха
от расстояния между электродами в однородном поле.
общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается
более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых
с длиной свободного пробега, среднее значение которого
при нормальных баро-
жлг рт.ст-см
Рис. 2-27. Графики, иллюстрирующие
закон Пашена.
метрических условиях
составляет 10'5 см. При
достаточно больших рас-
стояниях между элек-
тродами влияние рас-
стояния сильно сни-
жается.
Рассмотрение одно-
временного влияния на
пробой газов плотности р
и расстояния между
электродами h привело
к установлению зависи-
мости пробивного на-
пряжения газа не от ве-
личин р и h в отдельности, а от произведения этих ве-
личин. Это положение известно под названием закона
Пашена. На рис. 2-27 даны иллюстрации закона Пашена
для воздуха и водорода. Как видно, для газов существует
60
определенное минимальное пробивное напряжение. Для
воздуха оно равно около 300 в, для разных газов лежит
в пределах 195—420 в. Увеличение электрической прочно-
сти газов при больших давлениях и при больших разре-
жениях практически используется в
высоковольтных конденсаторах.
Как правило, пробивные напряжения
газов при одинаковых расстояниях ме-
жду электродами тем меньше, чем меньше
однородность электрического поля. В не-
однородных полях имеются места с по-
вышенной напряженностью электриче-
Рис. 2-28. Схема
возникновения ко-
роны между двумя
коаксиальными ци-
линдрами.
ского поля, где и начинается ударная
ионизация при сравнительно небольшом
напряжении на электродах. В качестве
примера рассмотрим явления, происхо-
дящие в газе при высоких напряже-
ниях между двумя коаксиальными ци-
линдрами (рис. 2-28). В любой точке силовой линии, начи-
нающейся на внутреннем цилиндре и оканчивающейся на
внешнем, с радиусом х напряженность электрического поля
выражается уравнением
Ех =
и
xln —
Г
(2-42)
Максимальная напряженность будет на поверхности вну-
треннего цилиндра, она равна:
Е
‘-'макс
и
Г1П —
(2-43)
При достаточно высоком напряжении на. поверхности вну-
треннего цилиндра начнется-ударная ионизация, вокруг
него создается слой ионизированного воздуха толщиной
Аг; поскольку в зоне ионизации воздух становится проводя-
щим, появление этого слоя будет равноценно увеличению
радиуса внутреннего электрода на величину Аг. Произойдет
некоторое изменение электрического поля, максимальный
градиент будет на поверхности ионизированного слоя, ве-
личина его будет
U_____
(г + Дг) In —Дт—
41 ' г + Дг
Р
‘-'макс,к
(2-44)
61
Анализ зависимости Емакс от г показывает, что при — > е
с увеличением г максимальный градиент растет, а при —
<^е максимальный градиент с увеличением г падает.
В последнем случае при появлении ионизированной зоны
воздуха вокруг внутреннего цилиндра максимальный гра-
диент может стать равным минимально необходимому для
ударной ионизации и она не будет распространяться дальше
по направлению к внешнему цилиндру; будет ограниченная
зона ионизированного воздуха — так называемая корона,
являющаяся формой неполного пробоя газа. В случае,
когда с увеличением радиуса внутреннего электрода ма-
ксимальный градиент возрастает, ионизация, начавшаяся на
поверхности внутреннего электрода, распространится сразу
до внешнего электрода, произойдет полный искровой про-
бой без явления короны. Следует иметь в виду, что в зоне
ионизации воздуха всегда возникают озон и окислы азота;
при наличии влаги могут образоваться азотистая и азотная
кислоты. Эти продукты ионизации воздуха могут вызывать
коррозию окружающих металлических деталей и разрушать
расположенные вблизи диэлектрики в той или иной мере
в зависимости от степени их короностойкости. Между двумя
шаровыми электродами одинакового диаметра пробой без
короны происходит при условии, что расстояние между
шарами не больше диаметра шаров. В этом случае с учетом
изменения плотности воздуха и при сохранении чистой по-
верхности шаров пробивное напряжение между ними ока-
зывается настолько стабильным, что по расстоянию искро-
вого промежутка можно судить о величине пробивного на-
пряжения. На этом принципе основано применение шаро-
вых разрядников для измерений высоких напряжений.
При возникновении в газообразной изоляции короны —
местных очагов ионизации — появляются потери мощно-
сти, которые могут быть довольно большими. Они выра-
жаются следующей формулой:
Рк = Л/(^/-ад (2-45)
где А — коэффициент, зависящий от плотности газа и гео-
метрических параметров устройства;
f — частота;
U — рабочее напряжение;
Uo — напряжение начала ионизации, зависящее, в ча-
стности, от состояния поверхности электродов.
62
Пробой воздуха развивается весьма быстро, поскольку
он связан с разгоном электрическим полем частиц с большой
подвижностью. При расстоянии между электродами 1 см
пробой успевает завершиться за 10'7—10“8 сек. Поэтому
практически скорость подъема напряжения на испытатель-
нрм трансформаторе не влияет на электрическую прочность
газов. Но при достаточно кратковременном воздействии на-
пряжения, например отдельными импульсами, разряд в газе
может и не оформиться, особенно при значительных рас-
стояниях между электродами. В силу этого коэффициент
импульса, равный отношению пробивного напряжения при
импульсах к пробивному напряжению при постоянном токе
или при 50 гц, оказывается для газов больше 1. Коэффи-
циент импульса зависит от формы самого импульса, от формы
электродов и расстояния между ними, как правило, он не
более 2. Благодаря большой скорости развития пробоя газов
при повышении переменного напряжения пробой происхо-
дит при условии достижения определенной величины ам-
плитудным значением, а не действующим. Это обстоятель-
ство может привести к неправильной оценке величины про-
бивного напряжения, если кривая переменного напряже-
ния искажена, а измеряется только действующее значение.
При точно синусоидальном напряжении частотой 50 гц в од-
нородном электрическом поле при расстоянии между элек-
тродами 1 см и нормальных атмосферных условиях элек-
трическая прочность воздуха, рассчитанная по максималь-
ному напряжению, равна 30 кв/см, а рассчитанная по дей-
ствующему напряжению — 21 кв/см. При постоянном на-
пряжении пробой газов происходит при условии, что на-
пряжение достигает значения, соответствующего макси-
мальному пробивному напряжению при 50 гц.
При несимметричных электродах и постоянном напря-
жении пробивное напряжение зависит от полярности элек-
тродов. Так, при электродах острие — плоскость пробир-
ное напряжение больше при отрицательном острие. Это
объясняется тем, что образующийся в зоне начальной иони-
зации около острия положительный пространственный за-
ряд в случае положительного острия вызывает неблаго-
приятное перераспределение падения потенциала по длине
силовых линий, увеличивающее напряженность по направ-
лению к плоскому электроду, как показано на рис. 2-29,
на котором сплошными линиями дано первоначальное па-
дение потенциала, а пунктирными — перераспределение
после начала ионизации у острия.
63
При изменении частоты приложенного напряжения в не-
больших пределах электрическая прочность воздуха не
меняется, например при 50 и 60 гц, она практически одина-
кова. При переходе к более высоким частотам электриче-
ская прочность падает с ростом частоты сначала быстро,
потом медленно, достигая при частоте около 1 Мгц мини-
мума; при дальнейшем повышении частоты электрическая
прочность начинает довольно быстро расти, достигая зна-
ф ®
Область 'ударной
ионизации ®
е
ф
Рис. 2-29. Распределение потенциала между электродами острие,—
плоскость в воздухе.
0 — первоначальное; /—2 — искаженное пространственными зарядами у острия.
® о
чений, превосходящих полученные при постоянном напря-
женин. Такая зависимость электрической прочности от ча-
стоты объясняется следующим образом: падение с ростом
частоты вызвано искажением поля вследствие образования
положительных пространственных зарядов в высокочастот-
ном поле из-за сравнительно малой подвижности ионов,
которые не успевают достигать электродов за полпериода;
увеличение с дальнейшим ростом частоты, при очень боль-
ших частотах вызвано затруднением развития пробоя за
очень малое время полупериода.
На электрическую прочность газов влияет их химический
состав. В табл. 2-1 показаны отношения электрической
прочности некоторых газов к электрической прочности воз-
духа и температура кипения этих газов.
м
Таблица 2-1
Электрическая прочность и температура кипения разных
газов
Газ Химический состав Отношение электрической прочности к таковой для воздуха Температура кипения, °C
Азот n2 1,0 —195,8
Кислород О2 0,9 —183
Водород Н2 со2 0,6 —252,8
Углекислота 0,9 —78,5
Гектафторид серы (элегаз) SF0 2,3—2,5 —63,8
Дихлордифторметан (фреон- 12) CC12F2 2,4—2,6 —28
Трихлорфторметан (фреон- 11) CC13F 3—4,4 24,1
Тетрахлорметан СС14 6,3 76
Фторфенантрен C14F24 10 205
Для технического применения разных газов, кроме элек-
трической прочности, большое значение имеют также хи-
мическая инертность, стойкость к электрическим разрядам
и низкая температура сжижения. Последнее важно в связи
с высокими давлениями в различных устройствах высокого
напряжения. Наиболее благоприятными свойствами для
применения в качестве газовой изоляции с повышенной
электрической прочностью, обладает элегаз, который был
с этой точки зрения подробно исследован Б. М. Гохбергом.
2-11. ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
В жидких диэлектриках механизм пробоя сильно зави-
сит от чистоты жидкости. С этой точки зрения можно гово-
рить о трех степенях чистоты: 1-я — диэлектрики загряз-
ненные, содержащие эмульсионную воду и твердые механи-
ческие загрязнения; 2-я — диэлектрики технически чистые,
практически не содержащие эмульсионной воды и механи-
ческих загрязнений (последние могут попасть в жидкость
чисто случайно); 3-я — диэлектрики особо тщательно очи-
щенные, совершенно не содержащие воды и механических
загрязнений и хорошо дегазированные.
Пробой загрязненных жидкостей может происходить
вследствие образования между электродами мостиков из
3 Ю3 В. Корицкий 65
капелек эмульсионной воды и механических загрязнений,
затягиваемых электрическим полем в пространство между
электродами. Особенно вредно, с этой точки зрения, наличие
в масле различных волокон, которые абсорбируют влагу
и легко образуют сплошные цепочки — мостики, замыкаю-
щие электроды. При таком механизме пробоя электрическая
прочность жидких диэлектриков оказывается катастрофи-
чески низкой. Очевидно, что на образование таких мостиков
требуется сравнительно много времени, которое зависит
как от концентрации загряз-
нений, так и от формы элек-
тродов и расстояния между
ними. При кратковременном
приложении напряжения, на-
пример в виде импульсов, об-
разование сплошных мости-
ков невозможно.
В месте пробоя выделяется
тепло, вследствие чего воз-
никает конвекция жидкости,
разрывающая, рассеивающая
мостики из скопившихся за-
грязнений, и электрическая
Рис. 2-30. Зависимость пробив-
ного напряжения трансформа-
торного масла от содержания
в нем воды.
прочность может восстано-
виться даже без снижения
приложенного напряжения.
Спустя некоторое время, от не-
скольких секунд до несколь-
ких минут, может образовать-
ся новый мостик, новое короткое замыкание между электро-
дами — новый разряд. В силу изложенного электрическая
прочность сильно загрязненного жидкого диэлектрика яв-
ляется довольно неопределенной величиной.
Практически гораздо больший интерес, чем пробой за-
грязненного жидкого диэлектрика, представляет пробой
технически чистой жидкости. В этом случае, как правило,
уже не могут образовываться сплошные мостики из загряз-
нений. Однако и в этом случае эмульсионная вода, находя-
щаяся в масле даже в очень небольших количествах, сильно
снижает электрическую прочность жидкого диэлектрика,
как это видно на рис. 2-30, на котором показано влияние
содержания эмульсионной воды на электрическую проч-
ность трансформаторного масла при частоте 50 гц при пробое
в разряднике между двумя дисками диаметром 25 мм с за-
66
кругленными краями при расстоянии между дисками 2,5 мм.
Начальной стадией пробоя технически очищенного, но не
дегазированного жидкого диэлектрика является ионизация
находящихся в нем газовых объемов * Причины нахождения
газов в жидкостях могут быть различны. Прежде всего надо
иметь в виду, что все жидкости способны растворять в себе
газы, в том числе воздух, причем количество растворенных
газов тем больше, чем выше действующее на жидкость дав-
ление. Кроме того, микроскопические объемы газов оста-
ются на поверхности твердых тел, погруженных в жидко-
сти (например, электродов), даже в тех местах, где от поверх-
ности оторвался первоначально возникший на ней пузырек
воздуха (например, при погружении в жидкость).
Газообразные продукты могут образоваться в жидких
диэлектриках и вследствие местного нагрева в электриче-
ском поле в микрообъемах с повышенными потерями, на-
пример, за счет повышенной электропроводности. Такая
возможность была принята за основу теории пробоя.жидкого
диэлектрика, разработанной Н. Н. Семеновым. Очевидно,
что в зависимости от принятого механизма газообразования
в жидкостях можно создавать разные теории начальной
стадии их пробоя. В соответствии с этим имеется ряд тео-
рий пробоя недегазированных жидкостей, сущность кото-
рых сводится к тому, что начальной стадией пробоя явля-
ется ионизация газов в жидкости. Видимо, в зависимости
от конкретных условий большую вероятность может при-
обретать та или иная теория. В том месте, где началась иони-
зация газов, резко усиливается напряженность электри-
ческого поля — как бы возникают проводящие острые
включения, усиливается газовыделение, что и приводит
в конечном счете к пробою. Газовый характер пробоя жид-
ких диэлектриков подтверждается наличием зависимости
их электрической прочности от внешнего давления, отсут-
ствующей в хорошо дегазированной жидкости. Жидкости
практически не сжимаемы, но по закону Паскаля давление
в жидкости передается равномерно во все стороны, благода-
ря чему находящиеся в жидкости газы уплотняются под
действием внешнего давления. У тщательно дегазирован-
ных жидкостей электрическая прочность не зависит от дав-
ления.
На рис. 2-31 показана зависимость пробивного напря-
жения химически простой органической жидкости ксилола
С6Н4(СН3)2 от температуры при разных давлениях. Резкое
падение электрической прочности с ростом температуры
3* 67
происходит при температурах, близких к температурам ки-
пения, когда в жидкости появляется большое количество ее
паров. Это характерно для простых жидкостей с определен-
Рис. 2-31. Зависимость пробив-
ного напряжения ксилола от
температуры при разных дав-
лениях.
нои температурой кипения.
Своеобразная зависимость
электрической прочности от
температуры наблюдается в
жидких диэлектриках, содер-
жащих эмульсионную воду
(рис. 2-32). При повышении
температуры выше комнатной
эмульсионная вода переходит
в молекулярно растворенное
состояние, в котором вода
более слабо влияет на величи-
ну электрической прочности.
Вследствие этого электриче-
ская прочность жидкого ди-
электрика, в частности трансформаторного масла, возрастает
до некоторого максимума, после чего падает. При снижении
температуры при условии, когда вода не успевает испариться
из масла, электрическая прочность изменяется по той же
Рис. 2-32. Зависимость пробивного напряже-
ния от температуры сухого (/) и содержащего
следы воды (2) трансформаторного масла.
кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электриче-
ская прочность не обнаруживает мексимума при повышен-
ной температуре.
С увеличением расстояния между электродами электри-
ческая прочность жидкостей падает, что находится в полном
68
соответствии с описанным выше механизмом пробоя техни-
чески очищенных жидких диэлектриков. Влияние экспо-
зиции — времени воздействия высокого напряжения — в
жидких диэлектриках больше, чем в газах. Кроме формы
и продолжительности импульса напряжения, формы элек-
тродов и расстояния между ними, на коэффициент импульса
жидких диэлектриков большое влияние оказывает их чи-
стота. Согласно описанному выше механизму пробоя за-
грязненных жидкостей, чем больше они содержат загряз-
нений, тем больше коэффициент импульса: он доходит до
5—7. Форма электродов оказывает на пробой жидких ди-
электриков такое же влияние, как и на пробой газов: с уве-
личением степени неоднородности электрического поля про-
бивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается.
В неоднородных электрических полях, так же как и в газах,
может быть неполный пробой — корона. Длительно корона
в жидких диэлектриках недопустима, так как она вызывает
разложение жидкости. Многократно повторяющиеся искро-
вые разряды в сравнительно небольшом объеме жидкости
могут вызывать как падение электрической прочности, так
и повышение. Первое наблюдается в жидкостях, образую-
щих под влиянием электрических разрядов большое коли-
чество копоти, например в соволе. Второе возможно в том
случае, когда повторные разряды приводят к осушению
жидкости, несклонной под влиянием разрядов к большому
выделению углеродистых образований — копоти; это на-
блюдается в нефтяном масле.
С увеличением частоты электрическая прочность жидких
диэлектриков уменьшается. В силу особенностей пробоя
технически чистых жидких диэлектриков электрическая
прочность их мало зависит от химической природы, а по
существу характеризует степень чистоты. Обычно она лежит
в пределах 100—200 кв!см. У жидкостей, особо тщательно
очищенных, электрическая прочность достигает значений
порядка 1 000 кв/см. В таких сильных электрических полях
может иметь место выход электронов из катода, осложняю-
щий картину пробоя. У сверхчистых дегазированных жид-
костей пробой, очевидно, происходит за счет ударной иони-
зации электронами, вырванными полем из катода. В связи
с исключительно большими трудностями сохранения высо-
кой степени чистоты жидких диэлектриков особо тща-
тельно очищенные жидкости не имеют промышленного
значения.
69
2-12. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Пробой твердых диэлектриков представляет собой еще
более сложное явление, чем пробой жидкостей. В силу боль-
шого многообразия твердых диэлектриков опытные законо-
мерности по их пробою подчас противоречивы. Однако в
настоящее время благодаря проведенной большой работе
физиков, в том числе советских (большая заслуга в этом
деле принадлежит школе академика А. Ф. Иоффе), осно-
вные явления пробоя твердых диэлектриков можно доста-
точно хорошо систематизировать. В твердых диэлектриках
возможны три вида пробоя: электротепловой, электрохи-
мический и чисто электрический. На практике наибольшее
значение имеют электротепловой и чисто электрический.
Вид пробоя зависит в очень большой степени от условий
пробоя; меняя условия, можно по желанию получить элек-
тротепловой или чисто электрический пробой на одном
и том же образце.
Электротепловой пробой твердого диэлектрика заклю-
чается в его разрушении, вызванном нагреванием диэлектри-
ческими потерями. В соответствии со сказанным в § 2-3
выделение тепла в единице объема данного материала за
единицу времени при переменном напряжении прямо про-
порционально величинам напряженности электрического
поля Е и частоте
p=E2fi¥&- <2-46)
Твердые диэлектрики являются более или менее плохими
проводниками тепла, что связано с их низкой электропровод-
ностью. Величина диэлектрических потерь в них, как пра-
вило, сильно возрастает с ростом температуры. В этом и
заключается предпосылка к электротепловому пробою.
Если при приложении данного напряжения во внутренних
объемах диэлектрика не может установиться тепловое
равновесие, то при достаточно длительном воздействии на-
пряжения произойдет разрушение диэлектрика: он обу-
глится или расплавится, что приведет к короткому замы-
канию электродов — к электротепловому пробою. Воз-
можность электротеплового пробоя сводится к вопросу
теплового равновесия: если количество тепла, выделяюще-
гося внутри диэлектрика за счет диэлектрических потерь,
будет все время больше количества тепла, выделяющегося
в данных условиях в окружающую среду, то электротеп-
70
ловой пробой неизбежен при достаточно длительном при-
ложении напряжения. В большинстве случаев изменение
мощности диэлектрических потерь технических твердых
диэлектриков может быть выражено следующей формулой
температурной зависимости коэффициента диэлектрических
потерь:
tg de = tg 6080еа('"Ч (2-47)
где tg бе — коэффициент диэлектрических потерь при тем-
пературе t\
tg б080 — коэффициент потерь при начальной темпе-
ратуре /0;
а — коэффициент, зависящий от свойств диэлек-
трика.
Количество тепла, выделяющегося в твёрдом диэлектрике
за единицу времени в результате потерь, будет изменяться
в зависимости от температуры
согласно формуле (2-47). Ко-
личество тепла, отдаваемого
нагретым телом в окружаю-
щую среду с более низкой
температурой, прямо пропор-
ционально разности темпера-
тур и зависит от теплопровод-
ности диэлектрика, от вели-
чины теплоотдачи его поверх-
ности в окружающую среду.
В соответствии с этим графики
зависимости количества тепла,
выделяющегося внутри ди-
электрика за счет потерь (Q')
и количества тепла, выделяю-
щегося в окружающую среду
(Q"), представлены на рис.
Рис. 2-33. Зависимость количе-
ства тепла, выделяемого в ре-
зультате диэлектрических по-
терь при разных напряженно-
стях (кривые QJ, Q2, Q3;
Ех > Е2 > Е3), и отводимого
тепла (прямая Q") от темпера-
туры.
2-33.
При сравнительно неболь-
шой напряженности поля Е3,
которой соответствует кривая
выделяющегося в диэлек-
трике тепла Q3, температура внутри диэлектрика повысится
до значения t19 при котором наступит тепловое равновесие:
количество тепла, выделяющегося внутри диэлектрика,
будет равно количеству тепла, отдаваемого в окружающую
среду. При напряженности Е3 в данных условиях диэлек-
трик будет работать без опасности электротеплового про-
71
боя: теоретически с повышением температуры условия
охлаждения становятся более интенсивными, чем условия на-
грева. Изменение условий, например повышение окружаю-
щей температуры, что ухудшит теплоотдачу диэлектрика,
может поднять температуру в диэлектрике до величины t2\
тогда тепловое равновесие нарушится и произойдет электро-
тепловой пробой. При более высокой напряженности Е2,
которой соответствует кривая Q2, тепловое равновесие не-
устойчивое; ему соответствует только одно значение тем-
пературы — абсцисса точки касания кривой Q2 с прямой
Q". Такую напряженность диэлектрик может выдерживать
только кратковременно, пока происходит его нагревание
диэлектрическими потерями. При достаточно большой на-
пряженности Ех, которой соответствует кривая QJ, тепло-
вое равновесие совершенно невозможно. Однако и в этом
случае пробой произойдет не мгновенно при достижении
приложенным напряжением величины, обеспечивающей зна-
чение напряженности Еъ так как температура не может
подняться мгновенно до опасного предела. Напряженность
Еъ большую Е2, диэлектрик может выдерживать до про-
боя в течение более короткого времени, чем напряжен-
ность Е2*
При электротепловом пробое очень большое значение
имеют условия охлаждения. При пробое образца диэлек-
трика в виде пластинки между плоскими электродами теп-
лоотдача может происходить в двух направлениях: через
торцы диэлектрика и через его толщу на электроды. Направ-
ление основного теплопотока внутри диэлектрика имеет
важное значение. В первой теории электротеплового про-
боя, предложенной К. В. Вагнером, было принято, что
электротепловой пробой возможен только в случаях, когда
твердый диэлектрик обладает резко выраженной неоднород-
ностью; в нем имеется место с резко повышенными диэлек-
трическими потерями, в котором выделяется наибольшее
количество тепла. Это место является предопределенным
местом электротеплового пробоя. Если представить себе
это место в виде «канала» с очень малым диаметром
(резко выраженная неоднородность), то почти вся теп-
лоотдача из него будет происходить в «радиальном» напра-
влении, как показано схематически на рис. 2-34, так
как в этом направлении будут более благоприятные усло-
вия для отвода тепла: большая разность температур и
большое сечение, пропорциональное толщине диэлектрика.
Количество тепла, отводимого из этого канала, может быть
71
в таком случае выражено следующей формулой:
(2-48)
где Р — коэффициент, определяющий совокупность усло-
вий охлаждения;
h — толщина диэлектрика;
t2 — температура диэлектрика;
— температура окружающей среды.
Количество тепла, отдаваемое «каналом» в осевом на-
правлении, будет ничтожно мало по сравнению с теплом,
передаваемым в радиальном направлении, поскольку по
оси канала будет большое тепловое сопротивление (из-за
малости его диаметра) и малый перепад температуры. По-
этому К. В. Вагнер пренебрег этой величиной.
Количество *гепла, выделяющееся внутри
канала, при постоянном напряжении будет
О' = 0,24 = 0,24 U2 -Д-, (2-49)
где U — приложенное напряжение;
S — сечение канала;
р — удельное объемное сопротивление
диэлектрика;
h — его толщина.
Из условия теплового равновесия, приравняв значения
Q' и Q", можно найти минимальное значение пробивного
напряжения. Получим:
Рис. 2-34.
Схема тепло-
отдачи в
твердых ди-
электриках
по Вагнеру.
^пр — h 0 24 S
(2-50)
Из этой формулы видно, что пробивное напряжение прямо
пропорционально толщине, т. е. электрическая прочность
не зависит от толщины. Экспериментальные данные не
подтвердили этого: при электротепловом пробое электри-
ческая прочность падает с увеличением толщины, пробивное
напряжение растет медленнее, чем толщина. В. А. Фок,
изучавший явления пробоя диэлектриков, теоретически
доказал возможность электротеплового пробоя в идеально
однородном диэлектрике, в котором нет никаких мест с по-
вышенными потерями. В своих расчетах В. А. Фок принял
образец диэлектрика в виде пластинки бесконечно большой
площади между такими же электродами. Это дало возможность
рассматривать только среднюю часть пластинки со строго
однородным электрическим и тепловым полем и пренебречь
73
краевыми условиями, искажающими поле. Очевидно, что
в таком случае всю теплоотдачу от диэлектрика в окру-
жающую среду надо считать через толщу диэлектрика на
электроды, так как тепловое сопротивление на торцы будет
бесконечно велико. Увеличение толщины диэлектрика дол-
жно вызывать теперь ухудшение условий охлаждения и
в силу этого снижать электрическую прочность, что и на-
блюдается в действительности. Расчеты В. А. Фока по-
казали, что в выше указанных условиях электротепловой
пробой твердых диэлектриков теоретически вполне воз-
можен. Согласно теории В. А. Фока, пробивное напряже-
ние твердого диэлектрика при переменном токе определя-
ется следующим уравнением:
77.Р..* = 7 78о/лг^-лИ, т, (2-51)
где X — теплопроводность диэлектрика, кал/сек -см -град;
f — частота, гц\
tg ^о8о и а из (2-47); tg 60 и 80 соответствуют температуре
окружающей среды;
с — безразмерная величина, равная -р <уА) -
— теплопроводность материала электродов,
кал!сек -см -град',
о — теплоотдача от электродов в окружающую среду,
кал/сек -см2 -град;
h — толщина диэлектрика, см\
А — толщина электродов, см.
График функции ср (с) показан на рис. 2-35. С неогра-
ниченным ростом аргумента с ср (с) стремится к пределу,
равному 0,66.
Из формулы В. А. Фока ясно видно влияние условий
нагрева и охлаждения на электрическую прочность твер-
дого диэлектрика при электротепловом пробое. Эта формула
имеет важное теоретическое и прикладное значение, так
как дает возможность правильно оценить закономерности
электротеплового пробоя, часто наблюдающегося на прак-
тике.
Следует заметить, что зависимость электрической проч-
ности от температуры по В. А. Фоку несколько сильней за-
висимости, получаемой опытным путем. Это объясняется
тем, что на практике, кроме теплоотдачи непосредственно
на электроды, существует и теплоотдача через торцы ди-
электрика, которую В. А. Фок по условиям своего расчета
74
совсем не учитывал. Исходя из теории электротеплового
пробоя, для расчета пробивного напряжения электроизо-
ляционных конструкций можно пользоваться такой форму-
лой:
tg6coCt/2 = oS(/pa6 —/0), (2-52)
где о — коэффициент теплоотдачи поверхности данной
конструкции, etn/см2 -град',
S — поверхность охлаждения, см2\
/раб —допустимая температура на поверхности данной
изоляционной конструкции;
t0 — температура окружающей среды, ° С.
Допустимая температура определяется свойствами ди-
электрика, его способностью переносить более или менее
Рис. 2-35. График ф (с) к формуле для определения
пробивного напряжения по теории В. А. Фока.
длительно рабочую температуру без снижения своих ха-
рактеристик до опасного предела. Из условий развития
электротеплового пробоя можно установить следующие
условия, способствующие такому пробою: большая толщина,
повышенная температура (как самого диэлектрика, так и
окружающей среды), длительное воздействие высокого на-
пряжения, наличие больших диэлектрических потерь (боль-
шой tg S). Можно сказать, что при большой толщине, вы-
сокой температуре, длительном воздействии напряжения
более вероятным является именно электротепловой пробой.
При высоких частотах вследствие наличия больших диэлек-
трических потерь обычно бывает электротепловой пробой.
75
В соответствии с ростом диэлектрических потерь электри-
ческая прочность при электротепловом пробое падает с
увеличением частоты. При импульсах напряжения электро-
тепловой пробой обычно не успевает развиться из-за недо-
статочной длительности воздействия напряжения. Форма
электродов влияет на электрическую прочность при электро-
тепловом пробое за счет изменения конфигурации электри-
ческого поля: в менее однородном поле вследствие наличия
мест с электрической перегрузкой пробой при прочих рав-
ных условиях должен происходить при меньшем напряже-
нии, чем в поле однородном. ,Однако при электротепловом
пробое эта общая для всех диэлектриков закономерность
может искажаться за счет изменения условий нагревания —
охлаждения. Электротепловой пробой может быть более
чувствителен к изменению тепловых условий, чем к неодно-
родностям электрического поля. В качестве примера, по-
ясняющего это положение, приведен результат опыта, про-
веденного А. Ф. Вальтером и Л. Д. Инге по пробою стек-
лянной пластинки при электротепловом и электрическом
механизмах. В первом случае пробой производился при
высоких температурах. При этом места пробоя всегда но-
сили следы сильного оплавления всегда вблизи от центра
электродов, представлявшихчсобой круглые диски, несмотря
на то что на их краях напряженность электрического поля
была повышена за счет краевого эффекта. Пробой в сере-
дине обусловлен тем, что здесь были хуже условия охлаж-
дения. Результат этого опыта воспроизведен на рис. 2-36,
на котором показана фотография стеклянной пластинки
с местами пробоя: вблизи от центра электродов при элек-
тротепловом пробое (нижний ряд) и у края электродов при
электрическом пробое (верхний ряд). Электрический про-
бой при комнатной температуре происходил всегда у края
электрода в местах повышенного значения напряженности
электрического поля. На рис. 2-36 места пробоя показаны
стрелками.
На рис. 2-37 наглядно видно тепловое воздействие при
электротепловом пробое образца каменной соли, пробитого
в двух местах (по А. Ф. Вальтеру и Л. Д. Инге). Одно место
пробоя имело форму выплавленной воронки, второе выпла-
вилось в значительных размеров дыру. Иногда при элек-
тротепловом пробое кристаллических неорганических ди-
электриков тепловое разрушение незначительно и может
иметь место самовосстановление за счет заплавления места
пробоя аморфной разновидностью данного материала, ко-
76
торая электрически прочней кристаллической разновид-
ности.
При электротепловом пробое следует учитывать возмож-
ность сильного падения напряжения в испытательной цепи
Рис. 2-36. Фотография пластинки стекла,
пробитой при электротепловом пробое (ниж-
ний ряд) и электрическом пробое (верхний
ряд) (по А. Ф. Вальтеру и Л. Д. Инге)
высокого напряжения, например в цепи обмотки испытатель-
ного трансформатора, за счет большого роста токов утечки
через диэлектрик. Если мощность источника высокого на-
пряжения (трансформатора)
будет недостаточно велика, это
падение напряжения может
вызвать завышение измерен-
ного пробивного напряжения.
Электрохимическая форма
пробоя, строго говоря, не
представляет собой самостоя-
тельного механизма пробоя.
Под электрохимическим про-
боем обычно подразумевают
пробой, вызванный структур-
ными изменениями в диэлек-
трике, находящемся в элек-
Рис. 2-37. Фотография кри-
сталла каменной соли, проби-
того при высокой температуре
(по А. Ф. Вальтеру и- Л. Д.
Инге).
трическом поле, например,
вследствие появления в нем проводящих включений. Элек-
трохимический пробой возникает главным образом при повы-
шенных температурах и высокой влажности воздуха и разви-
77
вается, когда в материале наблюдаются электролитические
процессы, способствующие уменьшению сопротивления изо-
ляции. Последнее может иметь место при длительном дей-
ствии постоянного напряжения на диэлектрики, в которых
наблюдается достаточно большой ток утечки при ионной
проводимости, аналогично тому, как это описано в § 2-9.
2-13. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Теории электрического пробоя начали разрабатываться
раньше теорий электротеплового пробоя. Однако от ранних
теорий пришлось впоследствии отказаться, так как они не
соответствовали или опытным закономерностям (теория не
подтверждалась практикой), или новым представлениям
физики твердого тела, или и тому и другому вместе. Сейчас
еще не разработана общепризнанная теория электрического
пробоя, могущая быть распространенной на все виды твер-
дых диэлектриков, аналогично теории электротеплового
пробоя, но все же можно сформулировать некоторые общие
принципы электрического пробоя, совпадающие во многих
случаях с опытными закономерностями. Электрический про-
бой происходит обычно при весьма высоких напряженно-
стях электрического поля порядка 106 в/см, когда в диэлек-
трике появляется добавочная электронная электропровод-
ность. Механизм электрического пробоя увязывают с элек-
тронными процессами, возникающими в предпробивном
состоянии. Сам пробой происходит в две стадии — первая
стадия собственно нарушение электрической прочности,
связанное с нарастанием электрической проводимости, и
вторая стадия — разрушение диэлектрика как вторичное
явление. Вторая стадия связана уже с тепловыми процес-
сами, по-видимому, с нагреванием в узком канале, в котором
развивалась первая стадия. В отличие от электротеплового
пробоя тепловое разрушение при электрическом пробое
является не причиной самого пробоя, а его следствием.
В силу большого разнообразия твердых диэлектриков по
их структуре и составу, а также по возможным их наруше-
ниям и.дефектам механизмы первой и второй стадий электри-
ческого пробоя могут протекать по-разному, так как элек-
тронные процессы сильно зависят от особенностей структуры.
Наибольшее количество теоретических и научно-экспери-
ментальных работ выполнено по электрическому пробою
щелочно-галоидных кристаллов; такой выбор объектов ис-
78
следования, не имеющих практического значения в каче-
стве электроизоляционных материалов, пояснен в § 2-9.
На основании этих работ можно сделать вывод, что наи-
более вероятным механизмом электрического пробоя мно-
гих твердых диэлектриков, в первую очередь кристаллов,
является ударная ионизация электронами. В твердом теле
этот процесс протекает с известным отличием по сравнению
с тем, что происходит в газах. В кристаллах электроны, раз-
гоняемые электрическим полем, теряют часть своей кине-
тической энергии от взаимодействия с узлами решетки.
Этим можно объяснить тот факт, что электрическая проч-
ность твердых диэлектриков значительно превосходит элек-
трическую прочность газов. В качестве примера возможного
механизма электрического пробоя ниже приведены основ-
ные положения теоретических работ А. А. Воробьева
и К. Е. Завадовской. Изучая пробой щелочно-галоидных
кристаллов, эти ученые обнаружили прямую пропорцио-
нальность между электрической прочностью и энергией
решетки. Отсюда был сделан вывод, что для начала ударной
ионизации электронами необходимо, чтобы последние при
разбеге в электрическом поле приобретали кинетическую
энергию, составляющую некоторую часть энергии решетки.
Скорость электрона, разгоняемого полем, к моменту столк-
новения с узлом решетки может быть выражена уравнением
v = ^Ex, (2-53)
где q — заряд электрона;
т — его масса;
Е — напряженность электрического поля;
т — время, в течение которого электрон проходит путь
свободного пробега.
Величина кинетической энергии в момент соударения
с узлом решетки
W = ± EW. (2-54)
Приравняв эту энергию энергии решетки А с введением
коэффициента пропорциональности В, получим из этого
уравнения минимальное значение пробивной напряженно-
сти
£ПР = |]Л^. (2-55)
Эта формула не дает возможности производить техни-
ческие расчеты электрической прочности, поскольку ко-
79
эффициент В является величиной неопределенной, да и ве-
личина т определяется только в кристаллах правильной
формы. Учет длины свободного пробега в реальных кри-
сталлах с разными дефектами решетки сильно затруднен.
Для механизма ударной Ионизации характерна зави-
симость электрической прочности от толщины диэлектрика;
при этом, чем больше толщина, тем слабее влияет ее уве-
личение на электрическую прочность. В силу малой длины
свободного пробега электронов в твердых телах (по Плес-
неру для слюды она составляет 0,5 • 10“в см) рост электри-
ческой прочности с уменьшением толщины может быть за-
метен только при очень малых толщинах. Ниже показана
зависимость электрической прочности кристаллов фтори-
стого кальция от толщины при импульсах напряжения
продолжительностью 10 мксек.
Толщина,
см
Электрическая
прочность,
0,4 • 10“5
2,7 . Ю~5
7,35 • 10“б
8,1 .10“5
Кв[СМ
6 400
5 400
4 600
4000
Этой закономерностью подтверждается механизм удар-
ной ионизации. При сравнительно больших толщинах, ха-
рактерных для производственных условий применения ди-
электриков (сотые доли миллиметра и выше), электрическая
прочность при электрическом пробое может практически
не зависеть от толщцны. Увеличение электрической прочно-
сти с уменьшением экспозиции, характерное для ударной
ионизации, у многих твердых диэлектриков при электри-
ческом пробое наблюдается в строго однородных полях
при импульсах порядка 10~7—10'8 сек. При сравнительно
больших экспозициях электрическая прочность цри элек-
трическом пробое практически не зависит от величины экспо-
зиции, -если длительная экспозиция не вызывает вредных
явлений, например, разложения диэлектрика под влиянием
возникающей ионизации окружающего воздуха или воздуш-
ных пор внутри диэлектрика.
Увеличение электрической прочности твердых диэлек-
триков при электрическом пробое при очень малой экспо-
зиции объясняется одной из двух причин: во-первых, за
очень короткое время в диэлектрике не успевает развиться
разряд, приводящий к пробою; вО-вторых, энергия кратко-
временного импульса может оказаться недостаточной (хотя
80
для электрического пробоя требуется меньше энергии, чем
для элецтротеплового). Эти же причины объясняют и такое
явление, как импульс-
ный пробой лишь после
повторного приложения
достаточного количества
совершенно одинаковых
импульсов напряжения
(ударов). В стеклах
иногда наблюдается «за-
живление»: при повтор-
ных импульсах разряды
могут идти по новым пу-
тям. В кристаллических
диэлектриках при им-
пульсных пробоях такие
«заживления» обычно не
наблюдаются. На рис.
2-38 приведена иллюстрация зависимости пробивного на-
пряжения твердых диэлектриков от числа импульсов.
При быстро повторяющихся импульсах определенное
влияние могут иметь и тепловые процессы. На пробивное
Рис. 2-39. Зависимость пробивного^
напряжения фарфора от температуры.
электрическая прочность от температуры не зависит,
при более высоких — резко падает с увеличением тем-
пературы. В первом случае мы имеем область электриче-
Рис. 2-38. Зависимость пробивного на-
пряжения слд)ды от числа импульсов
(по Б. М. Вулу).
напряжение твердых ди-
электриков влияет фор-
ма импульса.
У многих техниче-
ских диэлектриков при
электрическом пробое
электрическая проч-
ность практически не
зависит от температуры
в сравнительно широком
диапазоне темпер атур.
При построении графи-
ков зависимости элек-
трической прочноститех-
ническйх диэлектриков
от температуры часто об-
наруживаются две обла-
сти: при сравнительно
низких температурах
81
ского пробоя, во втором — электротеплового (рис. 2-39).
В кристаллах при импульсах продолжительностью порядка
10 6 сек и меньше наблюдается слабый рост электрической
прочности с ростом температуры, а при импульсах большей
длительности и при постоянном напряжении в кривой тем-
пературной зависимости электрической прочности может
быть максимум. При пробое тонких пленок органических
высокомолекулярных соединений с увеличениемтемпературы
О 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 OfiO
Рис. 2-40. Зависимость пробивного напряжения
от толщины для стекла при переменном напряже-
нии при разных степенях неоднородности электри-
ческого поля.
наблюдается рост электрической прочности. Следует заме-
тить, что пробой тонких слоев диэлектриков (пленок) изу-
чен еще недостаточно.
Из сказанного об электрическом пробое следует, что его
область определяется малыми толщинами, невысокими тем-
пературами, низкой частотой; при импульсах, как правило,
бывает только электрический пробой.
При электрическом пробое большое значение имеет не-
однородность электрического поля, что находится в полном
соответствии с имеющимися представлениями об этом виде
пробоя. Кроме рис. 2-36, это положение иллюстрируется
рис. 2-40, на котором показаны графики зависимости про-
бивного напряжения стекла от толщины при разных сте-
пенях неоднородности электрического поля, при перемен-
ном напряжении при электрическом пробое. Как видно,
82
величины пробивного напряжения в однородном и резко
неоднородном полях (нижняя кривая на рис. 2-40) сильно
отличаются между собой. Замедленный рост пробивного
напряжения с увеличением толщины (падение электриче-
ской прочности) объясняется увеличением степени неод-
нородности за счет краевого эффекта у пластинчатых элек-
тродов. Увеличение степени неоднородности электрического
поля снижает электриче-
скую прочность обычно до
некоторого минимального
значения, ниже которого
оно не снижается при даль-
нейшем усилении неодно-
родности (на рис. 2-40 кри^
вая «неоднородное поле»).
Таким образом, на прак-
тике закономерность элек-
трического пробоя может
исказиться за счет неодно-
родности электрического
поля. Одни и те же образцы
в полях разной степени
неоднородности будут обна-
руживать разные значения
электрической прочности.
Рис. 2-41. Образцы, обеспечиваю-
щие пробой в однородном поле.
Радиус jR равен половине диаметра
электрода: h — не более 2 мм.
Создание однородного поля требует особых условий:
или придания образцам и электродам особой формы, или
устранения краевого эффекта помещением образца с элек-
тродами в жидкость с повышенной проводимостью. В по-
следнем случае краевой эффект сглаживается повышенной
поверхностной утечкой. Примеры форм образцов, обеспечи-
вающих пробой в практически однородном поле, показаны
на рис. 2-41. При сферических выточках в образцах созда-
ются условия пробоя практически в однородном поле, если
толщина в месте выточки мала по сравнению с радиусом
вщочки. У тонких неоднородных диэлектриков электри-
ческая прочность снижается с увеличением площади элек-
тродов, что объясняется повышением вероятности попадания
слабых мест под электроды.
2-14. ПЕРЕКРЫТИЕ (ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД)
Поверхностный разряд — есть пробой окружающей сре-
ды по ее границе с твердым диэлектриком. Основные законо-
мерности перекрытия определяются в первую очередь за-
83
кономерностями пробоя окружающей среды. Например,
напряжение поверхностного разряда в газе увеличивается
с увеличением плотности газа, так что при достаточной плот-
ности напряжение перекрытия может стать больше напря-
жения пробоя данной изоляционной конструкции (изоля-
тора) и она может быть скорее пробита, чем перекрыта.
В масле, имеющем электрическую прочность, большую чем
газ, напряжение перекрытия данной изоляционной кон-
струкции больше, чем в газе. На величину напряжения
перекрытия большое влияние оказывает характер распре-
деления потенциала по поверхности данной электроизоля-
ционной конструкции. Чем равномернее падение потенциала
по поверхности, чем равномерней распределяется поверх-
ностная напряженность электрического поля, тем больше
при прочих равных условиях напряжение перекрытия. При
местной поверхностной электрической перегрузке наступает
поверхностная корона, приводящая к еще большей нерав-
номерности распределения потенциала по поверхности
и в результате — к перекрытию. Большое значение имеет
и состояние поверхности твердого диэлектрика. Наличие
грязи, влаги на поверхности приводит к искажению по-
верхностного распределения потенциала, что снижает на-
пряжение перекрытия. На загрязненных и влажных по-
верхностях создается неравномерное распределение потен-
циала даже в тех случаях, когда геометрически данное уст-
ройство должно было бы дать строго однородное поле. В
результате напряженность электрического поля, вызываю-
щая перекрытие, обычно бывает меньше электрической
прочности среды между теми же электродами. На рис. 2-42
показана электрическая прочность воздуха между двумя
параллельными пластинами й напряженность перекрытия
по фарфоровому цилиндру между теми же пластинами в за-
висимости от расстояния между ними (высота цилиндра).
Напряжение перекрытия твердых диэлектриков уменьша-
ется с увеличением влажности окружающего воздуха вслед-
ствие образования на поверхности пленок воды, искажаю-
щих распределение потенциала по поверхности, приводящих
к местным поверхностным электрическим перегрузкам. В
этом отношении не спасает и несмачиваемость поверхности
диэлектрика водой; на такой поверхности, хотя и невозможно
образование сплошной пленки воды, но отдельные капельки
на ней оседают, смачивание загрязнений имеет место.
Напряжение перекрытия увеличивается с увеличением
пути поверхностного разряда. С этой целью поверхности
84
изоляционных конструкций, например изоляторов, часто
делают ребристыми. У ребристого изолятора по сравнению
с гладким, напряжение перекрытия больше при равной
и даже меньшей высоте. При конструировании изоляторов
следует добиваться по возможности более равномерного
распределения потенциала по поверхности. На изоляторах,
работающих под открытым небом, предусматривают такие
ребра, чтобы они хотя бы частично оставались сухими во
Рис. 2-42. Зависимость электрической прочности воздуха
(верхняя кривая) и напряженности перекрытия по фар-
форовому цилиндру (нижняя кривая) при 65%-ной от-
носительной влажности от расстояния между двумя па-
раллельными пластинами (от высоты цилиндра).
время дождя, чем достигается сохранение определенной
величины поверхностного сопротивления и мокроразряд-
ного напряжения (напряжения перекрытия под дождем).
Неорганические диэлектрики, имеющие достаточную ме-
ханическую прочность (например, керамические изоляторы),
перекрытием в форме искрового разряда не повреждаются.
При достаточно мощном дуговом перекрытии изоляторы
обычно повреждаются: оплавляются и вследствие сильного
местного перегрева могут растрескаться. На механически
менее прочных минеральных диэлектриках, как, например,
на слюде, даже поверхностный искровой разряд может
оставить некоторые следы разрушения, а при повторных
воздействиях привести к пробою. На органические диэлек-
85
трики поверхностный разряд оказывает обычно гораздо
более сильное воздействие, так как под его влиянием может
произойти местное обугливание материала, часто оставляю-
щее сильно проводящий след после снятия напряжения,
особенно при повторных воздействиях.
2-15. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ДИЭЛЕКТРИКОВ
Основные методики измерения электрических характеристик ди-
электриков стандартизованы. Для определения удельных сопротивле-
ний — объемного и поверхностного — необходимо разделить в образце
объемный и поверхностный токи и измерить их в отдельности, после
Ч
Рис. 2-43. Схема и электроды для определе-
ния удельных сопротивлений плоских твер-
дых диэлектриков.
О — образец диэлектрика; V — вольтметр; G —
зеркальный гальванометр; rt — защитное сопро-
тивление; г2 — шунт гальванометра; /7, и
П2 — переключатели; Э — металлический экран;
а — присоединение в схему электродов для опре-
деления удельного объемного сопротивления;
б — присоединение в схему электродов для опре-
деления удельного поверхностного сопротивления;
1 — верхний измерительный электрод; 2 — охран-
ное кольцо; 3 — образец диэлектрика; 4 — ниж-
ний электрод; 5 — экран.
чего, подсчитав по напряжению и току соответствующие сопротивле-
ния, находят значения удельных сопротивлений. По стандартной мето-
дике для этой цели используется трехэлектродная гальванометрическая
(по ГОСТ 6433-65) схема, показанная на рис. 2-43. При включенном
переключателе П1 и ключе /72 в точке 1 при измерении объемного сопро-
86
тивления (включение образца по схеме а) под положительным потенциа-
лом оказывается нижний электрод 4, охранное кольцо — электрод 2 —
заземлено; верхний — измерительный электрод / соединен с гальвано-
метром, снабженным шунтом. В этом случае через толщу диэлектрика
с нижнего электрода, на измерительный проходит основной объемный
ток утечки, величина которого измеряется зеркальным динамическим
гальванометром. Между нижним электродом и охранным кольцом про-
ходит частично объемный ток и поверхностный ток, отводимые мимо
гальванометра. После определения объемного тока утечки и вычисле-
ния объемного сопротивления R по формуле
(2-56)
вычисляют удельное объемное сопротивление, по формуле
Р = -г- = R -гг , ом ‘ см> (2-57)
г h 4h ’ '
где /? — объемное сопротивление, ом',
di — диаметр измерительного электрода, см*,
h — толщина диэлектрика, см.
В международной системе единиц СИ формула (2-57) примет такой
Ted2
вид: р = 0,009• 1012« R ом* м. Расчет удельного объемного сопро-
тивления производится по сечению измерительного электрода, под ко*
торым электрическое поле практически однородно, благодаря тому,
что охранное кольцо переносит краевой эффект на свой внешний край.
Следовательно, в этом объеме имеет место и равномерная плотность объ-
емного тока утечки. Во избежание искажения результатов измерений
вследствие действия поляризации высокого напряжения отклонение
гальванометра отмечается через 1 мин после включения переключателя
П2 в положение /.
Погрешности при определении удельного объемного сопротивления
могут быть вызваны недостаточно плотным контактом между электро-
дами и образцом; плохой контакт приводит к появлению переходного
сопротивления, которое завышает измеряемое сопротивление диэлект-
рика. Вследствие снижения переходного сопротивления с увеличением
приложенной разности потенциалов измеряемое сопротивление будет
падать с ростом последнего даже в случае, когда еще не появится доба-
вочная электронная проводимость. Поэтому при измерении удельного
сопротивления необходим плотный контакт между образцом и электро-
дами. У/анизотропных материалов, например слоистых, помимо объем-
ного сопротивления перпендикулярно слоям важно знать и сопротивле-
ние параллельно слоям, называемое обычно внутренним сопротивле-
нием. Для его определения используют образец и электроды согласно
ГОСТ. 6433-65, показанные на рис. 2-44, а. Сопротивление определяется
по замеренному току утечки при постоянном напряжении, по формуле
закона Ома. Для определения удельного объемного сопротивления
трубчатых образцов применяют электроды согласно рис. 2-44, б.
Для определения удельного объемного сопротивления жидких
диэлектриков применяются металлические электроды-сосуды или в виде
плоской чашки, или цилиндрические, как показано на рис. 2-44, в,
согласно ГОСТ 6581-66.
Для определения удельного поверхностного сопротивления на
схеме рис. 2-43 к точке а присоединяется электрод 2 — охранное кольцо,
87
нижний электрод 4 присоединяется к точке в — т. е. заземляется, изме-
рительный электрод 1 остается присоединенным к точке б. В этом
случае в кольцевом зазоре между охранным кольцом и измерительным
электродом будет проходить измеряемый поверхностный ток, а частич-
опре-
6)
3 — образец, 4 — электрод
Рис. 2-44. Электроды для
деления сопротивлений разных
образцов.
а — для определения внутреннего
сопротивления: 1 — измерительный
электрод, 2 — экран, 3 — образец,
4 — электрод высокого потенциала;
б — для определения удельного объ-
емного сопротивления цилиндриче-
ских образцов: 1 — измерительный
электрод, 2 — охранный электрод,
высокого потенциала; в — цилиндрические электроды для жидких
диэлектриков: / — измерительный электрод, 2 — электрод вы-
сокого напряжения: 3 — электроизоляционное кольцо, 4 — ох-
ранный электрод, 5 электроизоляционное кольцо, 6 —под-
нимаемая часть, 7 — винт М4. На образцах поз, а, просвер-
ленных насквозь между конусными электродами определяется
«сопротивление изоляции», соответствующее суммарному току
утечки.
88
ный объемный ток и поверхностный между охранным кольцом и нижним
электродом будет отводиться мимо. По величине поверхностного соп-
ротивления, определенного из значений приложенного к электродам
напряжения и измеренного поверхностного тока утечки и геометриче-
ских размеров электродов, находят значение удельного поверхностного
сопротивления по формуле
_ л (d2 + ^1)
’ом’
(2-58)
где Rs — поверхностное сопротивление, ом;
d2 и <4 — соответственно внутренний диаметр охранного кольца
и диаметр измерительного электрода, см.
Определение tg б и диэлектрической проницаемости при частоте
50 гц производят обычно по стандартизованной методике на мосте высо-
кого напряжения (мосте Шеринга). Принципиальная схема моста МДП
для определения tg б и диэлектрической проницаемости дана на
Рис. 2-45. Принципиальная схема моста для
определения tg б и диэлектрической прони-
цаемости.
Т — трансформатор; О — образец; CQ — образцо-
вый конденсатор без потерь. С4 — магазин емко-
стей; г3 — переменное сопротивление; г4 — по-
стоянное сопротивление; G —- гальванометр с уси-
лителем; Р — разрядники; Э — экран.
рис. 2-45. В плечи моста включены: 1) испытываемый образец О с элект-
родами (обычно по трехэлектродной схеме); 2) постоянный конденсатор
высокого напряжения без диэлектрических потерь Со; 3) безындуктив-
ный магазин сопротивлений г3; 4) конденсатор переменной емкости С4,
шунтированный постоянным сопротивлением г4. В диагональ моста вклю-
чен индикатор равновесия — отсутствия разности потенциалов между
соответствующими точками. Обычно в качестве индикатора включают
вибрационный гальванометр; для увеличения чувствительности при-
меняют различные усилители. Буквами Р на схеме обозначены разряд-
ники, устанавливаемые для защиты работающих в случае, если часть
схемы низкого напряжения окажется под высоким напряжением. Для
устранения помех от внешних полей применяется экранировка, ука-
занная на рис. 2-45 пунктирной линией.
Равновесие моста достигается регулировкой сопротивления R3 и
емкости С4. Из уравнения равновесия моста можно определить величины
89
tg б и емкости образца или конденсатора и т. п. по формуле
tg д = 2л/С4/?4 10-6, (2-59)
где f — частота напряжения, питающего мост, гц;
С4 — отсчет по магазину С4, микрофарады;
/?4 — сопротивление магазина г4, ом.
При выводе этой формулы испытываемый диэлектрик замещается
схемой параллельно соединенных емкости и активного сопротивления.
Для облегчения подсчета величины tg 6 значение Т?4 обычно берут рав-
ным 1 000/л или 10 000/л, ом; тогда формула 2-59 упрощается, а именно
при частоте 50 гц
tg б = 0,1 С4, (2-60)
или
tgd = C4. (2-61)
Емкость образца Сх вычисляется по формуле
где /?3 — отсчет по магазину сопротивлений г3, ом.
В тех случаях, когда tg б меньше 0,1, величиной tg2 б в формуле
(2-62) можно пренебречь.
Для измерения tg б и емкости образцов диэлектриков обычно
пользуются такими же образцами и электродами, что и для определе-
ния удельного объемного сопротивления.
После определения величины Сх диэлектрическая проницаемость
образца 8 вычисляется по различным формулам в зависимости от формы
образцов и электродов.
При плоских образцах толщиной h с нанесенными на них электро-
дами площадью S
e = JtaCi = !WCA
•э о
где Сх — емкость, см;
h — толщина, см;
S — площадь, см2.
При плоских образцах и круглых электродах диаметром d удобно
пользоваться формулой
где Сх — емкость, пикофарадах, h и d, сантиметрах.
Если диэлектрик имеет цилиндрическую форму (изоляция Круглых
проводов, кабелей и т. п.), то 8 вычисляется по формуле
2С^ПТ
е = ----(2-65)
где Сх — емкость, см;
d2 и — соответственно наружный и внутренний диаметры, см;
I — длина цилиндра, см.
Для определения tg б и диэлектрической проницаемости при зву-
ковых частотах обычно пользуются различными мостовыми приборами.
90
В качестве примера на рис. 2-46 приведена принципиальная схема
одного из распространенных мостовых приборов типа МЛЕ1. Непосред-
ственным методом этот прибор позволяет измерять образцы емкостью
от 100 пф до 1,1 мкф, имеющих tg б в пределах от 10-4 до 0,5. Звуковой
Рис. 2-46. Принципиальная схема моста МЛЕ1.
генератор имеет мощность не менее 2 вт с напряжением на выходе 30 в.
Из условий равновесия измеряемые величины определяют по формулам:
tg б = tfiCDiCi, (2-66)
СХ = ^СО. (2-67)
При высоких частотах определение tg б и диэлектрической прони-
цаемости производится различными методами. Широкое применение
имеют так называемые куметры, пред-
ставляющие собой колебательные кон-
туры, настраиваемые в резонанс.
Тангенс угла диэлектрических потерь
и емкость измеряемых образцов опре-
деляется из условий резонанса кон-
тура без подключения образца и с под-
ключенным образцом.
Определение электрической проч-
ности производится по величине про-
бивного напряжения и толщине ди-
электрика между электродами, даю-
щими более или менее однородное
электрическое поле. В некоторых слу-
чаях электродам придается специаль-
ная форма, как указано в § 2-13.
В большинстве случаев при испыта-
нии листовых образцов применяют
плоские электроды с закругленными краями, которые обладают крае-
вым эффектом, в силу чего создаваемое ими поле, строго говоря, не
является однородным. Тем не менее на практике при пользовании этими
электродами электрическая прочность определяется как отношение про-
бивного напряжения к толщине диэлектрика Епр = кв/мм. Для
определения электрической прочности при частоте 50 гц пользуются
испытательными пробивными трансформаторными установками. На
рис. 2-47 показана принципиальная схема пробивной установки. Мощ-
Рис. 2-47. Принципиальная
схема пробивной установки.
1 — регулирующее устройство;
2 — повышающий трансформа-
тор; 3 — испытываемый образец;
R — защитное сопротивление.
91
ность испытательных трансформаторов должна обеспечивать величину
тока короткого замыкания на стороне высшего напряжения не менее
40 ма.
Измерение напряжения можно производить или на стороне низ-
шего напряжения, или на стороне высшего напряжения, на образце.
В первом случае подсчет пробивного напряжения производят по градуи-
ровочной кривой, определяющей соотношения между напряжениями на
стороне высшего и низшего напряжений. Для измерения высокого на-
пряжения непосредственно на образце могут быть использованы различ-
ные способы: статический вольтметр, трансформатор напряжения,
шаровой разрядник.
Для определения электрической прочности при постоянном напря-
жении используют схемы выпрямления высокого напряжения, а для
импульсных высоковольтных испытаний специальные схемы — генера-
торы импульсных напряжений, работающие на принципе разряда кон-
денсаторов.
Определение напряжения перекрытия обычно производят на тех же
пробивных установках, которые используют для испытания на пробой —
определения электрической прочности.
глава
третья
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ
В ЭКСПЛУАТАЦИИ
В эксплуатации диэлектрики подвергаются воздействию ряда фак-
торов, вредно отражающихся на свойствах изоляции. Кроме электри-
ческой нагрузки, твердые диэлектрики, как правило, испытывают раз-
ные виды механической нагрузки. В некоторых случаях эта нагрузка
явно выражена, как, например, в подвесных изоляторах, на которых
подвешены провода линий электропередачи. Во вращающихся обмотках
электрических машин большой мощности, например в роторах турбоге-
нераторов, большие механические нагрузки на изоляцию создаются
центробежными усилиями; большие нагрузки возникают под действием
электродинамических сил в мощных трансформаторах. Вибрация во вре-
мя работы машин и аппаратов передается и на изоляцию. Если изоляция
обмоточных проводов значительно размягчается при повышенной тем-
пературе, то возникающие в обмотках механические усилия могут при-
вести к продавливанию витковой изоляции и короткому замыканию
между витками. В некоторых видах электрооборудования на изоляцию
оказывают воздействие усилия, вызванные большими ускорениями.
Большие механические нагрузки могут быть опасными не только сами
по себе, но и в сочетании с электрической нагрузкой — действием высо-
кой напряженности; такая комбинированная нагрузка обычно снижает
электрическую прочность, что, в частности, хорошо известно на примере
фарфоровых изоляторов высокого напряжения.
Весьма серьезной эксплуатационной нагрузкой является тепловое
воздействие. В большинстве случаев, особенно в сильноточных устрой-
ствах, изоляционным материалам приходится работать при повышенных
температурах, вызванных как потерями энергии в электротехнических
материалах, главным образом проводниковых и магнитных (по край-
ней мере при невысоких1 частотах), так и повышенной температурой
окружающей среды. Воздушная изоляция наименее чувствительна к
действию повышенных температур, как правило, не превышающих
нескольких сот градусов, при которых работают различные электротех-
нические устройства (за исключением некоторых особых случаев, как,
например, электрическая дуга). В жидких диэлектриках, помимо непо-
средственного воздействия на электрические характеристики, что само
по себе может лимитировать предел рабочей температуры, повышенная
температура вызывает различного вида деструкцию (разложение), в
частности термоокислительную. Окислительному процессу особенно
сильно подвержены чисто органические жидкости, например трансфор-
маторное масло. Сильно окислившееся масло не может нормально вы-
полнять свои функции.
93
При достаточно высоких температурах может произойти вспышка
паров, выделяемых жидкостью, и ее воспламенение.
В твердых диэлектриках повышенная температура вызывает соот-
ветствующие изменения электрических характеристик и снижение ряда
механических характеристик; кроме того, повышенная температура
размягчает большинство твердых диэлектриков и даже может их распла-
вить. Низкая температура плавления некоторых материалов лимити-
рует даже область их применения, например, у стандартного парафина
разных марок температура плавления лежит в пределах 49—54° С.
Органические и элементоорганические соединения при воздействии вы-
сокой температуры подвергаются термоокислительной деструкции, ко-
торая приводит к необратимому изменению их свойств и тепловому ста-
рению. К числу непосредственно тепловых воздействий относится «теп-
ловой удар» — резкое изменение температуры. Многие твердые диэлект-
рики плохо переносят резкие температурные колебания, которые вызы-
вают растрескивание. Очень низкие температуры не опасны с точки
зрения непосредственного воздействия на электрические характерис-
тики, но могут вызывать хрупкость твердой изоляции, которая по усло-
виям использования должна оставаться гибкой. Например, изоляция
электрических монтажных проводов, применяемая для многих марок
проводов, резиновая изоляция в области достаточно низких температур
становится хрупкой, ломкой. Жидкие диэлектрики при понижении тем-
пературы повышают свою вязкость, а при достаточно низких темпера-
турах совсем застывают и теряют текучесть.
В эксплуатации электрической изоляции вредное влияние оказы-
вает повышенная влажность окружающей среды. Влага, проникая в изо-
ляцию, ухудшает ее электроизоляционные свойства и может быть при-
чиной пробоя. Степень влияния влажности окружающей среды на изо-
ляцию зависит от гигроскопичности последней.
На недостаточно химостойкую изоляцию разрушающее воздейст-
вие оказывает агрессивность окружающей среды: наличие в ней паров
кислот, сернистых соединений, аммиака и других химически активных
соединений. В конструкциях высокого напряжения может добавиться
и разрушающее воздействие ионизированного воздуха. Сказанное сви-
детельствует о том, что для правильного выбора материалов электри-
ческой изоляции нельзя ограничиваться знанием свойств, изученных на
образцах в исходном состоянии. Требуется достаточно полное исследо-
вание их поведения в определенных изоляционных конструкциях,
с учетом различных воздействий, возможных в условиях эксплуа-
тации.
Для определения механических свойств твердых диэлектриков поль-
зуются как характеристиками, обычными для других твердых тел, так
и некоторыми специфическими. К числу первых относятся: твердость,
пределы прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, удар-
ном изгибе и удлинение при растяжении. Методики определения этих
характеристик стандартизованы. Для многих материалов, в частности
для пластмасс как слоистых, так и прессовочных композиций, особый
интерес представляет предел прочности при ударном изгибе — проч-
ность на удар или удельная ударная вязкость, определяемая как работа,
затраченная на излом образца, отнесенная к его сечению. Единица из-
мерения удельной ударной вязкости кГ • см/см2. Она определяется на
маятниковом копре типа Шарли по ГОСТ 4647-62; схема этого копра
показана на рис. 3-1. При испытании образца маятник копра падает
с определенной высоты, ударяя по образцу; по углу Р подъема маят-
ника после излома образца судят о работе, затраченной на его излом.
94
При испытании применяют как образцы в виде брусков прямоуголь-
ного сечения так и образцы со специальной зарубкой посередине.
Твердость образцов типа пластмассы толщиной не менее 10 мм
определяют по методу вдавливания стального шарика по ГОСТ 4670-61
и выражают в кГ/мм2 или кГ/см2. В некоторых случаях, например для
хрупких материалов, твердость определяется по высоте отскакивания
стального шарика (метод Шора). Твердость лаковых пленок и некоторых
других материалов определяется по методу В. Д. Кузнецова, основан-
ному на измерении скорости затуханий колебаний маятника, опираю-
щегося на испытываемый образец двумя стальными шариками. Чем
Рис. 3-1. Схема маятника Шарпи для опре-
деления удельной ударной вязкости.
1 — маятник; 2 — грань бойка; 3 — ось маятника;
4 — испытываемый образец; 5 — станина.
тверже материал, тем медленнее происходит затухание. Модель М3
маятника Кузнецова для испытания лаковых пленок показана на
рис. 3-2.
Твердость лаковых пленок, определенная на маятнике Кузнецова,
зависит от толщины пленки и от материала, на который она нанесена.
Полагается наносить пленку на стекло.
Гибкость лаковых пленок определяют путем изгибания тонкой
медной фольги с нанесенной на нее лаковой пленкой вокруг стержней
разных диаметров; показателем гибкости является тот диаметр, при
огибании вокруг которого пленка начинает растрескиваться.
Для тонких листовых и ролевых материалов, каковы, например,
бумаги, пленки, характерными показателями механических свойств,
кроме предела прочности при растяжении и удлинении, являются:
прочность на излом, прочность на раздирание (надрыв) и на продавли-
вание. Испытание на излом осуществляется на специальном приборе,
на котором полоска испытываемого материала многократно изгибается
около тонкой планки при определенном натяжении с чередованием на-
правления изгиба. Схема действия прибора для испытания бумаг на
излом дана на рис. 3-3 (вид сверху). Этот прибор представляет собой
95
Рис. 3-2. Маятник В. Д. Кузнецова
для определения твердости лаковых
пленок.
маленький шатун, действующий от эксцентрика (на схеме не показан).
У свободного конца шатуна расположены пружинные зажимы /, между
которыми с определенным натяжением закрепляют полоску испытывае-
мого материала. При этом
полоску пропускают через
вырез 2 в планке, закреплен-
ной на конце шатуна между
вертикальными роликами 3.
При возвратно-поступатель-
ном движении шатуна планка
тянет за собой полоску бу-
маги, зажимные пружины
вытягиваются, полоска бу-
маги перегибается то в одну,
то в другую сторону около
края выреза в планке. Опре-
деляется число двойных пе-
регибов, вызывающих разрыв
полоски. Для испытания на
раздирание применяется спе-
циальный прибор, воспроиз-
водящий ту операцию, кото-
рую мы осуществляем, раз-
рывая в руках лист бумаги.
Определяется усилие разди-
рания в кГ• см/см2 анало-
гично удельной ударной вяз-
кости. Определение проч-
ности на продавливание осуществляется на специальном приборе
путем разрыва бумажной диафрагмы и выражается в килограммах
на 1 см2.
Для многих органических диэлектриков типа* смол, битумов, не
имеющих ярко выраженной температуры плавления, характерной ве-
Рис. 3-3. Схема действия прибора для испытания бумаг
на излом.
личиной является температура размягчения, определяемая различ-
ными методами, из коих широко применяются: метод кольца и шара,
метод Кремер-Сарнова и метод Уббелоде. Сущность метода кольца и
шара заключается в определении температуры, при которой стандарт-
ный шарик продавливает образец материала, заполняющего стандарт-
96
пое кольцо. По Кремер-Сарнову определяют температуру, при которой
через слой испытываемого материала в стандартном приборе продавли-
вается ртуть. По Уббелоде определяют точку каплепадения, т. е. тем-
пературу, при которой из специальной насадки на конец термометра
вытекает первая капля испытуемого материала.
У горючих жидких диэлектриков часто определяют температуру
вспышки в закрытом тигле, т. е. температуру, при которой выделяемые
жидкостью пары вспыхивают от действия газового пламени, длиной
3—4 мм, создаваемого при помощи специальной маленькой горелки.
Рис. 3-4. Схема аппарата для определения
теплостойкости по Мартенсу.
1 — образец; 2 — нижняя зажимная клемма;
3 — подставка; 4 — верхняя зажимная клемма;
5 — рычаг; 6 — груз; 7 — корпус печи; 8 — термо-
метр; 9, 10 — указатель прогиба; 11 — шкала.
Для определения вязкости жидких диэлектриков известно много
методов. Практически чаще всего используют методы, основанные
на определении скорости истечения жидкостей из узких отверстий:
1) вискозиметр Энглера, на котором определяют градусы Энглера,
показывающие, во сколько раз испытываемая жидкость при данной тем-
пературе вытекает медленнее, чем вода при температуре 20° С; 2) виско-
зиметры-воронки ВЗ с разными диаметрами сопла, с помощью которых
определяют время истечения данной жидкости в секундах.
Для многих твердых диэлектриков, в частности различных пласт-
масс, важно сохранять форму под влиянием механической нагрузки и
повышенной температуры. Это свойство контролируется теплостойко-
стью по Мартенсу. Сущность этого метода заключается в определении
той температуры, при которой вертикально закрепленный брусок ис-
пытываемого материала даст определенный прогиб под воздействием
4 Ю. В. Корицкий 97
постоянного изгибающего момента. Схема аппарата Мартенса дана на
рис. 3-4. За теплостойкость по Мартенсу принимают температуру, при
которой указательная стрелка опустится на 6 мм.
Для многих твердых диэлектриков важна стойкость к воздейст-
вию электрической дуги или искры, возникающей на поверхности;
под их влиянием могут образоваться проводящие мостики как следствие
расплавления или обугливания материала под дугой или искрой. Суще-
ствующие методы определения искро- и дугостойкости заключаются
в воздействии на материал искрового или дугового разряда между
штифтовыми электродами, установленными на поверхности образца.
В условиях эксплуатации на материалы электрической
изоляции повышенная температура воздействует в течение
длительного времени, вызывая необратимые изменения
свойств — тепловое старение. Органические диэлектрики,
как правило, сильней подвержены тепловому старению,
чем неорганические. В разных веществах, при разных тем-
пературных уровнях интенсивность термоокислительной
деструкции, являющейся основным механизмом теплового
старения, протекает по-разному. В первой стадии теплового
старения за счет удаления остатков влаги и растворителей,
улетучивания некоторых низкомолекулярных составных
частей и других процессов электрические свойства твердых
диэлектриков могут даже улучшаться без существенного
снижения механических свойств. В дальнейшем термоокис-
лительная деструкция, сопровождающаяся в органических
диэлектриках выделением разных продуктов окисления,
в том числе СО, СО2, Н2О и других продуктов иногда кис-
лого характера с химическими агрессивными свойствами,
будет вызывать прогрессивное ухудшение механических
характеристик, в первую очередь тех, которые особенно
чувствительны к появлению хрупкости материала: падает
удлинение при разрыве, число перегибов, удельная удар-
ная вязкость, гибкость при изгибании вокруг стержней.
В материале могут появляться сперва микроскопические,
потом и более крупные трещины. При воздействии влаги,
проникающей в эти трещины, может сильно снижаться
удельное объемное сопротивление, возрастать tg 6, падать
электрическая прочность. Появление хрупкости особенно
опасно при наличии динамических механических нагрузок,
тряски, вибраций. Поэтому для выявления влияния тепло-
вого старения на электрические характеристики часто
пользуются циклическими испытаниями: чередующимися
воздействиями на образцы высокой температуры, вибрации
и влажности. При достаточно глубоком тепловом старении
может произойти сильное науглероживание органического
98
диэлектрика, приводящее к резкому ухудшению электри-
ческих характеристик.
Известно, что скорость реакции окисления зависит от
температуры. Поэтому и срок службы диэлектрика при
нагревании зависит от температуры: чем она выше, тем срок
службы меньше. Срок службы диэлектрика зависит от
условий его нагрузки в эксплуатации и теснейшим образом
связан с его нагревостойкостью, которая согласно ГОСТ
8865-58 «Материалы электроизоляционные для электриче-
ских машин, трансформаторов и аппаратов, классификация
по нагревостойкости» определяется как способность мате-
риала выполнять свои функции при воздействии рабочей
температуры в течение времени, сравнимого с расчетным
сроком нормальной эксплуатации электрооборудования.
В соответствии со сказанным выше между допустимой ра-
бочей температурой и сроком службы существует такая
зависимость: при более коротких сроках службы в зави-
симости от конструктивных особенностей и условий эксплуа-
тации рабочая температура может быть принята более вы-
сокая, чем при длительной службе, исчисляющейся для
электрооборудования общего назначения годами. ГОСТ
8865-58 установлены следующие классы нагревостойкости:
Класс нагревостойкости......... YA Е В F НС
Предельная температура, °C..... 90 105 120 130 155 180 Выше
180
Гигроскопичность диэлектриков зависит от их структуры
и состава. Неполярные органические диэлектрики, как,
например, парафин, полиэтилен, полипропилен, обладают
очень малой гигроскопичностью, почти не поглощают влаги
из воздуха и даже при длительном пребывании во влажной
среде сохраняют хорошие диэлектрические свойства. По-
лярные диэлектрики обладают обычно большей гигроско-
пичностью, причем закрепление полярных молекул воды
около полярных групп молекул диэлектрика замедляет по-
глощение влаги и равновесное состояние (предельное вла-
гопоглощение) наступает в них за большее время, чем у не-
полярных. Некоторые вещества, поглощая влагу, образуют
с ней твердый коллоидный раствор — набухают. У таких
диэлектриков (например, целлюлозные материалы) влаго-
поглощение может быть очень большим и может вызывать
сильное ухудшение электрических характеристик. Нали-
чие в диэлектриках водорастворимых составных частей
и солей повышает их гигроскопичность. Многие неоргани-
4* 99
ческие диэлектрики, обладающие плотной структурой, на-
пример стекло, плотная керамика, практически не обнару-
живают объемного поглощения воды. Проникновение влаги
в диэлектрик может происходить через имеющиеся в нем
поры. По своему характеру пористость может быть открытой
в виде каверн на поверхности; закрытой — в виде внутрен-
них воздушных включений, не сообщающихся с окружаю-
щей средой; сквозной — в виде каналов, пронизывающих
диэлектрик насквозь. Наибольшее влияние на диэлектри-
ческие характеристики оказывает влага, попадающая в
сквозные поры. Конденсируясь на их стенках, вода образует
сплошные пленки повышенной проводимости. Имеют зна-
чение и размеры пор, которые могут быть разными: от макро-
скопических до субмикроскопических размером 5—10 Анг-
стрем (1А = 10'8 см).
Особый вид гигроскопического диэлектрика представ-
ляют волокнистые материалы. Все они обладают пористо-
стью, определяемой наличием расстояний между отдельными
волокнами; материалы на основе растительных волокон
(клетчатки) имеют, кроме того, капиллярные поры в самих
волокнах. Общепринятым способом борьбы с гигроскопич-
ностью твердых диэлектриков является пропитка их мало-
гигроскопичными жидкими или твердыми диэлектриками
(масло, лаки, смолы, воскообразные материалы). Следует
иметь в виду, что пропитка материалов с субмикроскопи-
ческой пористостью мало эффективна, так как в мельчайшие
поры сравнительно крупные молекулы пропитывающего
вещества могут не проникнуть, в то время как для молекул
воды они вполне доступны. Для полярных и набухающих
материалов пропитка обычно только замедляет процесс вла-
гопоглощения, что тоже имеет большое практическое зна-
чение. Для вполне надежной защиты от влаги необходимо
устранить соприкосновение гигроскопичного диэлектрика
с влажным воздухом, что достигается в последнее время соз-
данием литой монолитной изоляции из некоторых синтети-
ческих смол.
Тяжелые условия эксплуатации наблюдаются в странах
с влажным тропическим климатом, где в течение большей
части года преобладает большая влажность, доходящая до
98—100%, при температуре окружающего воздуха 30° С
и выше. В этих условиях развиваются различные грибковые
плесени, могущие вызывать разрушение некоторых орга-
нических диэлектриков, особенно на основе клетчатки.
Надежной изоляцией для работы в тропических условиях
100
являются материалы на основе неорганических волокон
в сочетании с некоторыми высокомолекулярными соеди-
нениями, в частности кремнийорганическими, а также
чисто минеральные диэлектрики.
При пропитке, т. е. при заполнении пор диэлектрика
другим, жидким или твердым диэлектриком, наблюдаются
вполне определенные изменения электрических характе-
ристик. Замещение воздуха в порах приводит к увеличению
электрической прочности, так как воздушные включения
обладают меньшей электрической прочностью, чем жидкие
и твердые диэлектрики; к тому же в воздушных прослойках
при переменных напряжениях всегда будут большие элек-
трические напряженности, которые при последовательном
соединении разнородных диэлектриков распределяются об-
ратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям
этих диэлектриков. Ионизация внутренних воздушных пор
приводит к увеличению диэлектрических потерь, искажению
формы поля и может вызвать разрушение изоляции. При
достаточно низких напряжениях, не вызывающих ударной
ионизации воздушных прослоек, наличие последних в по-
следовательном соединении с твердой изоляцией снижает
tg S за счет уменьшения токов утечки, а также снижает
емкость изоляции. На рис. 3-5 показана зависимость tg S
и емкости изоляции из двух последовательно соединенных
слоев — стекла и воздуха и одного стекла без воздушного
зазора между ним и электродами — от напряжения. При
малых напряжениях наличие воздушного зазора сказыва-
ется благоприятно, но при некотором значении напряжения,
вызывающем ионизацию воздуха, tg 6* резко возрастает,
увеличивается и емкость. Сочетание твердой изоляции с га-
зообразной при нормальных давлениях допустимо только
при низких напряжениях, гарантирующих отсутствие иони-
зации. Примером является бумажно-воздушная изоляция
телефонных кабелей. Для получения малой величины tg 6
пропитанного материала необходимо, чтобы пропитываю-
щий диэлектрик обладал возможно меньшим tg 6. Для
пропитки бумажных конденсаторов применяют материалы
с повышенной диэлектрической проницаемостью в целях
получения большей удельной емкости.
Во время эксплуатации на загрязненных и увлажненных
поверхностях твердых электроизоляционных деталей могут
возникать ползучие разряды, представляющие собой очаги
местной ионизации воздуха, появляющиеся вследствие уве-
личения напряженности, вызванного перераспределением
101
падения потенциала. Ползучие разряды могут появляться
не непосредственно у электродов. Под их влиянием благо-
даря выделению тепла может иметь место подсыхание по-
верхности, перемещение искрения по поверхности. Ползу-
чие разряды могут вызывать сильный нагрев диэлектрика
и термоокислительную деструкцию. Последняя у многих
органических диэлектриков вызывает образование проводя-
щих мостиков. Стойкость против образования проводящих
электриков стекло — воздух и одно стекло
от напряжения.
1 — емкость стекла; 2 — tg б стекла; 3 — емкость
стекло — воздух; 4 — tg б стекло — воздух.
мостиков зависит от химического состава диэлектриков, от
способности к образованию летучих продуктов деструк-
ции, содержащих углерод: чем больше образуется летучих
соединений углерода, тем, при прочих равных условиях,
трудней образуются проводящие мостики. Введение в элек-
троизоляционные композиции, например, пластмассы, мине-
ральных наполнителей, повышающих теплопроводность и
обладающих большей нагревостойкостью, повышает стой-
кость против ползучих разрядов. Явление ползучих раз-
рядов при неблагоприятных условиях возникает на деталях
низковольтной аппаратуры.
В настоящее время условия эксплуатации электрообо-
рудования могут быть связаны с воздействием ионизирую-
102
щих излучений — радиаций. К таковым относятся: а-, 0-
и у- излучения, медленные и быстрые нейтроны, протоны,
электроны с большой энергией, рентгеновские лучи. Иони-
зирующие излучения, проходя через диэлектрики, отдают
свою энергию, вызывают ионизацию (образование свобод-
ных электронов и ионов) и некоторые структурные изме-
нения — разрыв химических связей, деструкцию с образо-
ванием газообразных продуктов, образование новых связей
между молекулами, приводящие к появлению более крупных
молекул, придающих веществу более жесткую структуру,
благодаря чему повышается его температура плавления.
Таким образом, в зависимости от особенностей состава и
структуры разные диэлектрики претерпевают различные
изменения под влиянием ионизирующих излучений, обла-
дают различной радиационной стойкостью. Ионизирующие
излучения вызывают в диэлектриках как обратимые, так
и необратимые явления. К первым относится, в частности,
увеличение электропроводности в процессе самого облуче-
ния, зависящее от интенсивности последнего. Ко вторым
относятся различные структурные изменения, зависящие
от суммарного количества поглощенной энергии, так назы-
ваемой дозы. Интенсивность ионизирующих излучений
ядерного реактора выражается обычно потоком — числом
нейтронов, проходящих через 1 см2 в 1 сек. Доза характери-
зуется разными величинами: рентген — количество энергии,
которое, будучи поглощено 1 см3 сухого воздуха при 0° С
и 760 мм рт. ст., вызывает образование в нем вследствие
ионизации одной электростатической единицы заряда обоих
знаков; радиан — соответствует поглощению 1 г вещества
энергии, равной Ю-5 дж. Как правило, неорганические ве-
щества обладают большей радиационной стойкостью, чем
органические.
глава
четвертая
ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
4-1. НЕФТЯНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСЛА
Основные области применения нефтяных электроизоляционных
масел: масляные трансформаторы и выключатели, конденсаторы, изоля-
торы высокого напряжения, силовые кабели. В трансформаторах, вы-
ключателях и конденсаторах масло является диэлектриком, пропиты-
вающим бумажную изоляцию и заполняющим пространство между от-
дельными конструктивными элементами, масляные промежутки в этих
конструкциях могут быть подразделены твердой барьерной изоляцией.
В изоляторах высокого напряжения в зависимости от их конструкции
масло образует обычно бумажно-масляную или масляно-барьерную изо-
ляцию в сочетании с бумагой или с бумажно-смоляными твердыми ци-
линдрами и служит заливочным материалом. В силовых трансформа-
торах, выключателях и конденсаторах масло обычно заливается в ме-
таллические кожухи, в изоляторах — в фарфоровые покрышки (ру-
башки). Наряду с выполнением чисто электроизоляционных функций,
в маслозаполненных конструкциях масло выполняет также функции
охлаждающей среды. Омывая горячие части (обмотки, магнитопровод),
масло нагревается, и благодаря конвекции происходит отдача тепла
через стенки кожуха в окружающую среду.
На охлаждающую способность жидкости большое влияние оказы-
вают ее теплоемкость и вязкость. Чем меньше вязкость, тем интенсив-
нее конвекция, тем сильнее охлаждение. Прямая теплопроводность
через жидкость не играет такой роли, как конвекция.
В масляных выключателях масло является средой, в которой при
разрыве цепи возникает и гасится электрическая дуга. Вследствие
теплового воздействия дуги происходит интенсивное разложение масла
с образованием большого количества газообразных продуктов. Факти-
чески дуга создается в газовом пузыре, окруженном маслом. Темпера-
тура в середине дуги в масле около 2 000° С, вблизи электродов дости-
гает значений около 3 000° С. Такая высокая температура вызывает
сильное химическое разложение и обугливание масла (образование ко-
поти), ионизацию и увеличение давления как следствие сильного газо-
образования. На разложение и ионизацию масла может расходоваться
до 90% всей энергии, выделяемой дугой.
В силовых кабелях на напряжения до 35 кв нефтяные масла при-
меняют для пропитки бумажной изоляции; масла малой вязкости при-
меняются с добавкой канифоли в количестве от 10 до 35% в зависимо-
104
сти от марки кабеля. Кабели на рабочее напряжение ПО кв и выше
делаются в СССР или маслонаполненными, или в стальных трубах с
маслом под давлением. В маслонаполненных кабелях внутри жилы
(в одножильном кабеле) или между жилами (в трехжильном кабеле)
по всей длине кабеля проходят каналы, заполненные маловязким мас-
лом, находящимся все время под избыточным давлением. Таким обра-
зом, при возникновении опасности образования внутри изоляции пу-
стот, например вследствие изменений теплового режима, происходит
подпитка изоляции, для чего эти кабели подключаются к специальным
подпитывающим бакам или автоматическим подпитывающим установ-
кам. Основной изоляцией маслонаполненных кабелей и кабелей в сталь-
ных трубах с маслом под давлением является бумажная изоляция про-
питанная тем же маслом, которым заполняется канал или стальной тру-
бопровод. Без подпитки кабели на напряжения ПО кв и выше надежно
работать не могут, так как рабочие напряженности в них таковы, что
вызывают в пустотах ионизацию, постепенно разрушающую основную
изоляцию.
Для масляных трансформаторов (силовых и измерительных), для
выключателей и изоляторов применяется трансформаторное масло одной
марки, нормы электрической прочности которого согласно Правилам
технической эксплуатации (ПТЭ) электростанций зависят от рабочего
напряжения аппаратов и тем выше, чем выше рабочее напряжение
аппаратов. Для конденсаторов и кабелей высокого напряжения приме-
няются масла, подвергнутые тщательной очистке адсорбентами, бла-
годаря чему они имеют улучшенные электрические свойства.
По своему происхождению нефтяные электроизоляционные масла
разного назначения принципиально не отличаются друг от друга, но
удовлетворение специфических требований работы в том или ином
изделии заставляет прибегать к разным режимам технологии получения
масел, а иногда и отбирать масла определенного месторождения (напри-
мер, для высоковольтных кабелей).
Нефтяные электроизоляционные масла получают путем фракцион-
ной перегонки нефти. По химическому составу различают два основных
вида масел, получаемых из соответствующих нефтей парафинового или
метанового ряда, с общей формулой Сд Н2Д+2 и нафтенового ряда с фор-
мулой СпН2п. Углеводороды парафинового ряда (грозненская нефть)
являются насыщенными, отличаются значительной химической инерт-
ностью, хотя и способны к окислению кислородом воздуха при длитель-
ном воздействии повышенной температуры. Углеводороды нафтенового
ряда (к ним относятся бакинские и эмбинские нефти) имеют особую
циклическую структуру, придающую им повышенную стабильность —
стойкость против окисления и пониженную температуру застывания по
сравнению с маслами парафинового ряда. Для получения трансформа-
торного, конденсаторного и кабельного масел,в качестве исходного
полуфабриката применяется так называемый соляровый дистиллят —
фракция вакуумной перегонки нефти, соответствующая температурному
интервалу 280—350° С. Это сырое масло — дистиллят нуждается в
очистке, в процессе которой удаляются менее стойкие углеводороды,
асфальтообразные и смолистые вещества, понижается содержание орга-
нических кислот, повышается стабильность.
Получение трансформаторного масла из дистиллята сводится к
следующему: обработка серной кислотой (удаление нестойких приме-
сей), обработка раствором едкого натрия (нейтрализация остающейся
в масле серной кислоты), промывка водой (удаление продуктов нейтра-
лизации кислоты щелочью — натровых мыл), сушка и очистка центри-
105
фугами. Иногда применяют дополнительную очистку масла адсорбен-
тами — поверхностно-активными минеральными веществами (глинами,
обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной
поверхностью — до 1 000 м2 на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом,
при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно сое-
динения, состоящие из дипольных молекул. Этим достигается повыше-
ние качества масла, в частности снижение органической кислотности
без разрушения основных углеводородов. Снижение кислотности умень-
шает электропроводность. Получение масел с пониженными диэлектри-
ческими потерями (кабельные, конденсаторные масла с tg 6 порядка
0,0002—0,0005) требуют очень хорошей очистки с применением адсор-
бентов.
За последние годы большое значение для трансформаторостроения
приобрело применение масел из сернистых нефтей новых месторожде-
ний. Получение из них стабильных масел, достаточно стойких против
окисления, потребовало разработки новых методов очистки дистиллята.
Даже очень хорошо очищенные масла из любого исход-
ного сырья окисляются при повышенной температуре. Ста-
бильность масел зависит не только от качества исходного
сырья, но и от степени очистки. Необходим определенный
оптимум очистки. Масла недоочищенные, содержащие в себе
нестойкие соединения, окисляются быстро с выделением
большого количества кислых шламообразных осадков, при
этом кислотность масла повышается. Масла переочищенные,
более светлые, в первый период старения — воздействия
повышенной температуры и кислорода воздуха — окисля-
ются медленней, но через некоторое время быстро повышают
кислотность, хотя осадков образуют меньше, чем масла
недоочищенные. Повышение кислотности масел при окис-
лении вызывает увеличение электропроводности и tg S, осо-
бенно при повышенной температуре. У сильно окислив-
шегося масла наблюдается и некоторое повышение диэлек-
трической проницаемости.
Выпадающие из масла при его окислении осадки покры-
вают находящиеся в нем обмотки и магнитопроводы, вслед-
ствие чего ухудшается их теплоотдача, возникают перегре-
вы, что может привести к тепловому старению твердой изо-
ляции: бумаги, картона, лакоткани и пр. Кислые продукты
окисления масла агрессивно действуют на многие органи-
ческие твердые диэлектрики, отличающиеся невысокой хи-
мостойкостью.
При доступе воздуха заметное окисление масла происхо-
дит сравнительно быстро при температуре порядка 70—80° С.
На окисление масла каталитически действуют некоторые
металлы и сплавы, в том числе медь, латунь, свинец. Уско-
ренное старение масла вызывают и некоторые твердые ди-
ЮФ
электрики, например лакоткани, лаковые пленки на об-
мотках, из которых в масло могут диффундировать содер-
жащиеся в них органические кислоты. Большинство сортов
органических резин не стойко против действия нефтяного
масла, особенно горячего: резины набухают в масле, а не-
которые даже растворяются. Во избежание быстрой порчи
масла не следует допускать соприкосновения с ним таких
материалов. Ограничение доступа к маслу свежего воздуха
замедляет окисление масла. Такой эффект достигается в си-
ловых трансформаторах благодаря расширителям, которые
Рис. 4-1. Расширитель-консерватор на крышке транс-
форматора.
ограничивают площадь соприкосновения масла с воздухом
(зеркало масла) и снижают температуру масла в зоне со-
прикосновения с воздухом, так как находящееся в них масло,
соединенное с основной массой в баке трубой ограниченного
сечения, как бы застаивается в расширителях, не участвуя
в полной мере в конвекции масла внутри бака. На рис. 4-1
показана установка расширителя на крышке трансформатора.
Применение специальных методов ограничения доступа
свежего воздуха к маслу вплоть до герметизации бака
с азотной подушкой может сильно замедлить окисление
масла в эксплуатации. Положительный результат дает
непрерывное удаление из масла продуктов его окисления,
которые действуют каталитически на процесс окисления.
107
Для повышения стабильности масел могут быть исполь-
зованы особые присадки-ингибиторы, являющиеся замед-
лителями окисления. Ингибитором обычно является веще-
ство, которое само поглощает кислород, предохраняя тем
самым воздействие последнего на масло. В СССР известна
ингибирующая присадка Всесоюзного теплотехнического
института (ВТИ-1). Наилучший результат дает эта присадка
при добавлении ее к трансформаторному маслу, дополни-
тельно очищенному адсорбентами.
Согласно действующему ГОСТ 982-56 на свежее транс-
форматорное масло оно может быть двух марок: без присадки
и с присадкой ВТИ-1. Основные показатели качества све-
жего масла следующие:
1) Вязкость, определяемая при температуре 20 и 50° С,
должна быть не более соответственно 30,0 и 9,6 сст (сан-
тистокс).
2) Кислотное число масла без присадки — не более
0,05 мг КОН/г масла с присадкой ВТИ-1 — не более 0,03.
3) Температура вспышки при определении в закрытом
тигле по ГОСТ 6356-52 не менее 135° С.
4) Температура застывания — не выше — 45° С;
5) tg 6 при частоте 50 гц не более: 0,003 при 20° С,
0,025 при 70° С.
6) Зольность — не более 0,005%.
7) Стойкость против окисления проверяют по особой
методике, по следующим показателям:
а) склонности к образованию водорастворимых кислот
в начале старения путем определения нелетучих и летучих
водорастворимых кислот (и в том и в другом случаях кис-
лотность должна быть не более 0,005 мг КОН/г);
б) общей стабильности путем определения количества
осадка после окисления (не более 0,1% для масла без при-
садки и не более 0,05 для масла с присадкой ВТИ-1) и кис-
лотного числа окисленного масла (не более 0,35 мг КОН/г
для масла без присадки и не более 0,20 для масла с присад-
кой). Из числа нестандартизованных характеристик транс-
форматорного масла, представляющих интерес, отметим сле-
дующий: удельный вес при температуре 20° С в пределах
0,87—0,89; теплоемкость 0,43—0,58 ккал/кг0 С; теплопро-
водность при 20° С лежит в пределах от 0,0015 до 0,00164
вт/см° С и зависит от удельного веса, давления и темпе-
ратуры. Например, у масла с теплопроводностью 0,0015
при 20°С она возросла до 0,00215 при 103°С. Характери-
стикой охлаждающей способности масла считают произве-
108
дение теплоемкости, удельного веса и теплопроводности.
Нормально очищенные масла имеют желтоватые цвета: от
слабой желтизны до светло-желтого. При окислении масла
сильно темнеют. На масло из сернистых нефтей есть ГОСТ
10121-62.
Конденсаторные и кабельные масла работают в условиях,
существенно отличающихся от условий работы в трансфор-
маторах: герметичность кон-
струкций исключает наличие ин-
тенсивных окислительных про-
цессов, а высокие напряженно-
сти электрического поля, дости-
гающие в масляных прослойках
сотен киловольт на 1 см, могут
быть причиной местной иониза-
ции остающихся в масле раство-
ренных газовых объемов. Под
влиянием этих явлений в масле
происходят физико-химические
изменения, приводящие к обра-
зованию твердого воскообраз-
ного вещества и выделению во-
дорода. Появление новых газо-
вых объемов вызывает усиление
Рис. 4-2. Следы разрушений
изоляции кабеля высокого
напряжения.
ионизационных процессов, по-
степенно разрушающих изоля-
цию. На рис. 4-2 показана фо-
тография слоев бумажной изо-
ляции кабеля высокого напряжения со следами раз-
рушений ионизационными процессами.
Согласно ГОСТ 5775-51 на конденсаторное масло к нему
предъявляются большие требования, чем к трансформатор-
ному по электрическим характеристикам и степени очистки;
tg б при 100° С и 50 гц должен быть не более 0,005, при
1 000 гц — 0,002; диэлектрическая проницаемость должна
быть в пределах 2,1—2,3; удельное объемное сопротивление
при 20° С не менее 1 -1014, при 100° С — не менее 1 -1013
ом -см\ электрическая прочность в стандартном разряднике
при 20° С и 50 гц не менее 200 кв/см-, кислотное число не
более 0,02 мг КОН/г; зольность не более 0,0015%.
На масла для кабелей высокого напряжения ГОСТ нет.
Масла, бывшие в эксплуатации, подвергаются регенера-
ции — восстановлению разными способами, в зависимости
от степени окисления масла.
109
4-2. СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ
Совол получают хлорированием дифенила С12Н10; фак-
тически он представляет собой смесь молекул дифенила раз-
ной степени хлорирования, но с преимущественным преоб-
ладанием пентахлордифенила С12НбС15. Совол тяжелее во-
ды — его удельный вес 1,50—1,56. Это типичный полярный
диэлектрик с соответствующими зависимостями tg 6 и ди-
электрической проницаемости
от температуры и частоты
(рис. 2-4 и 2-7). Благодаря
сильной полярности совол
имеет повышенную диэлек-
трическую проницаемость,
равную 4—4,5 при комнат-
ной температуре. Как у
полярного диэлектрика, у
совола электрические ха-
рактеристики очень сильно
зависят от чистоты, что ил-
люстрируется рис. 4-3, на
котором показана зависи-
мость tg 6 совола разной
степени очистки от темпе-
Рис. 4-3. Зависимость tg д совола
разной степени очистки от темпе-
ратуры.
1 — после первой перегонки; 2 — после
второй перегонки; 3 — после первой
обработки глиной; 4 — после второй
обработки глиной.
ратуры (область положи-
тельных температур, где
диэлектрические потери в
основном определяются
электропроводностью). Хо-
рошо очищенный совол яв-
ляется бесцветной жид-
костью с характерным раздражающим слизистые обо-
лочки запахом. Вязкость совола значительно выше,
чем трансформаторного масла. Применяется он для про-
питки и заливки бумажных конденсаторов, где повышенная
диэлектрическая проницаемость является ценным свойст-
вом, повышающим емкость конденсаторов. Однако значи-
тельное снижение диэлектрической проницаемости в обла-
сти низких температур является определенным недостат-
ком, так как снижает температурную стабильность емкости.
Совол не горюч; при длительном нагревании при темпера-
туре 120—150° С у него увеличиваются кислотность и tg 6.
Температура застывания зависит от степени хлорирования.
Практически она составляет —5, —7° С, хотя у чистого
пентахлордифенила она выше 0° С.
по
При нейтральной реакции водной вытяжки совол об-
ладает кислой реакцией. У электроизоляционного совола
кислотное число имеет значения 0,015—0,020 мг КОН/г,
что далеко не является пределом: возможно получение со-
вола с более низким кислотным числом. Удельное объемное
сопротивление хорошо очищенного совола при комнатной
температуре 1013—1014 ом -см, при 100° С—1010—
1011 ом -см. Электрическая прочность совола при комнатной
температуре в стандартном разряднике может быть порядка
200 кв/см. На практике чаще приходится иметь дело с более
низкими значениями порядка 150 кв/см. При воздействии
электрических разрядов в соволе выделяется большое ко-
личество копоти, приводящей к снижению электрической
прочности. Повышенная диэлектрическая проницаемость
совола способствует более равномерному распределению
напряженности электрического поля в пропитанной бумаж-
ной изоляции при переменном напряжении, что дает воз-
можность применять более высокие значения средней на-
пряженности.
При работе в цепях постоянного тока при повышенных
температурах происходит старение совола, приводящее к
ухудшению электрических характеристик и коррозии алю-
миниевой фольги, служащей электродами в бумажных со-
воловых конденсаторах. Добавка к соволу антрахинона
(С14Н8О2) замедляет этот процесс. При технической обра-
ботке совола (сушка, очистка адсорбентами, фильтрация)
необходим подогрев для снижения вязкости. При работе
с соволом следует учитывать токсичность его паров и разд-
ражающее действие на кожу. В качестве жидкого негорю-
чего диэлектрика для трансформаторов находит применение
совтол, являющийся смесью совола с трихлорбензолом. Со-
втол имеет более низкую вязкость, чем совол, и более низ-
кую температуру застывания. Совтол сильно полярный
диэлектрик и обладает большой чувствительностью к за-
грязнениям, повышенной растворяющей способностью, что
необходимо учитывать, выбирая твердые диэлектрики для
производства трансформаторов с совтоловым заполнением.
Совтол с низкой температурой замерзания порядка—40
—45° С получается при содержании 65% совола и 35% три-
хлорбензола. Для трансформаторов, поставляемых в страны
с тропическим климатом, применяется смесь, содержащая
90% совола и 10% трихлорбензола. Совтол токсичен: его
пары действуют на дыхательные пути, слизистые оболочки
и кожу. Кроме совола разработаны новые хлорированные
111
жидкости, обладающие пониженной зависимостью tg 6 и
диэлектрической проницаемости от температуры.
В качестве жидких диэлектриков с повышенной нагре-
востойкостью используют кремнийорганические жидкости.
Они бесцветны и прозрачны, имеют удельный вес в пределах
0,90—0,97. Вязкость разных кремнийорганических жидко-
стей может колебаться в больших пределах. Для пропитки
конденсаторов применяют жидкости с вязкостью, меньшей
вязкости трансформаторного масла. Большим преимуще-
ством кремнийорганических жидкостей является малая за-
Рис. 4-4. Зависимость tg 0 и диэлектриче-
ской проницаемости кремнийорганической
жидкости «Калория-2» от температуры при 103
и 1,5 • 10е гц.
висимость вязкости от температуры. Например если у транс-
форматорного масла в интервале температур от —40 до
+ 100° С вязкость падает в 2 500 раз, то у кремнийоргани-
ческой жидкости всего в 10 раз. Температура застывания
кремнийорганической конденсаторной жидкости«Калория-2»
ниже — 60° С, температура вспышки выше 145° С, горю-
честь ниже, чем у нефтяного масла. У жидкости «Калория-2»
tg 6 и диэлектрическая проницаемость сравнительно мало
изменяются в интервале температур от —60 до +100° G
(рис. 4-4). При 20° С tg 6 жидкости «Калория-2» равен
0,0003, при 100° С — 0,0008; удельное сопротивление при
20° С равно 1014 ом -см, при 100° С — 1013 ом -см. Электри-
ческая прочность при комнатной температуре 180 кв/см.
Электрические характеристики жидкости «Калория-2» мало
112
изменяются в широком диапазоне частот. Под влиянием
повышенной температуры эти жидкости практически не
окисляются. Кремнийорганическая жидкость ГКЖ при-
меняется для придания разным материалам и деталям гидро-
фобных свойств. Для этой цели после пропитки детали под-
вергаются термообработке.
В последнее время стали известны фторорганические
жидкости разных составов, например (C4F9)3N, (C4F9)aO
и др. Эти жидкости обладают очень большой химической
стабильностью. При воздействии температуры до 500° С не
было обнаружено выделения токсичных продуктов. Начало
распада наблюдается не ниже, чем при 450° С. Электриче-
ские характеристики примерно следующие: tg 6 меньше
0,0005, удельное сопротивление в пределах 1014—1017 ом -см,
диэлектрическая проницаемость 1,77—1,86. Известны фтор-
органические жидкости с большой диэлектрической прони-
цаемостью. К числу недостатков фторорганической жидко-
сти можно отнести сильное ухудшение электрических ха-
рактеристик под действием влаги и сильную летучесть, за-
ставляющую применять ее только в герметизированных кон-
струкциях.
глава
пятая
ТВЕРДЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
5-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ ПО СТРУКТУРЕ, СОСТАВУ И ПРИМЕНЕНИЮ
Ниже дается классификация, учитывающая особенности струк-
туры, состава и основные области применения. К числу твердых элект-
роизоляционных материалов отнесены и такие, которые в процессе
технологии изолирования из жидкостей превращаются в твердые мате-
риалы и работают в качестве таковых: например, лаки, заливочные
составы.
1. Волокнистые материалы
а) Бумаги, картоны. Изготовляются как из органических (расти-
тельных и синтетических) волокон, так и из неорганических (стекло,
асбест). Основное применение: изоляция обмоточных проводов и кабе-
лей, основной диэлектрик конденсаторов, волокнистая основа слоистых
пластиков (гетинакс и намоточные изделия), подложки слюдяной изо-
ляции, пазовая изоляция электрических машин, изоляция трансфор-
маторов (обмотка отводов, барьеры, прокладки и пр.).
б) Пряжа, ткани, ленты, трубки (чулки). Изготовляются как из
органических волокон (хлопок, натуральный и искусственный шелк,
синтетические волокна, например капрон, полиэтилентерефталат —
лавсан и др.), так и из неорганических (стекло, асбест). Основное при-
менение: изоляция проводов, изоляция и крепление различных обмоток
и катушек, подложки для слюдяной изоляции, производство лакотка-
ней, слоистых пластиков (текстолитов и стеклотекстолитов), основа изо-
ляционных трубок.
в) Древесина. Применяется в качестве конструкционно-изоля-
ционного материала древесина лиственных пород (бук, граб) в масля-
ных трансформаторах и выключателях, для изготовления некоторых
деталей высоковольтной аппаратуры, например штанг, а также как
основа при изготовлении древесно-слоистых пластиков.
2. Пропиточные, покровные, заливочные
и склеивающие материалы
Их основой являются чаще всего искусственные и синтетические
высокомолекулярные соединения органические и элементоорганические:
смолы, твердые эфиры целлюлозы; кроме того, растительные масла,
материалы нефтяного происхождения (битумы).
114
а) воскообразные материалы природные и искусственные, напри-
мер парафин, церезин;
б) электроизоляционные лаки, являющиеся растворами того или
иного пленкообразующего вещества;
в) пропиточные и заливочные компаунды — составы, не содержа-
щие растворителей;
г) склеивающие материалы.
Основное применение: пропитка волокнистой изоляции и заливка —
герметизация как отдельных изоляционных частей и деталей (напри-
мер, секций конденсаторов, катушек, обмоток электрических машин и
аппаратов), так и целых узлов, аппаратов и схем (например, высоко-
частотной аппаратуры); производство лакотканей и слоистых пласти-
ков (пропитка бумаг и тканей); производство деталей из прессующихся
композиций (пластмасс); изоляция обмоточных и монтажных проводов;
склеивание различных электроизоляционных материалов и деталей, а
также металлических деталей.
3. Пропитанные волокнистые материалы
Лакоткани, лакобумаги, изоляционные трубки (чулки). Изготов-
ляются путем пропитки или лакировки различных тканей, бумаг и чул-
ков соответствующими пропиточными составами (лаками).
Основное применение: изоляция некоторых видов монтажных про-
водов, изоляция обмоток электрических машин, аппаратов, трансфор-
маторов, гибкие тонкие электроизоляционные прокладки, гибкая изо-
ляция соединений обмоток электрических машин, аппаратов, транс-
форматоров, приборов.
4. Поделочные пластики
1. Слоистые: а) прессованные в виде листов с различными связую-
щими материалами или из бумаги — гетинакс, или из ткани (хлопчато-
бумажной, асбестовой, стеклянной) — текстолиты, или из древесного
шпона — древеснослоистый пластик;
б) фасонные изделия на основе бумаги или ткани;
в) намоточные цилиндрические изделия — трубки и цилиндры на
основе бумаги и ткани.
Применение: всевозможные изоляционные прокладки и детали,
обладающие значительной механической прочностью; основания для
печатных схем.
2. Смолы, из которых получают разные детали, в основном путем
механической обработки.
5. Прессующиеся составы (пластмассы)
Изготовляются на основе различных связующих (преимущественно
синтетических смол) с всевозможными наполнителями (органическими
и минеральными) и без наполнителей.
Основное применение: изготовление всевозможных фасонных дета-
лей и узлов разными методами прессования и литья, сочетающих в
весьма широких диапазонах разнообразные электрические, механиче-
ские и физические свойства. Особенно широко применяются в произ-
водстве аппаратуры низкого напряжения и приборов.
115
6. Электроизоляционные пленки
Пленки изготовляются из некоторых синтетических смол и эфиров
целлюлозы. Применяются в качестве основного диэлектрика конденса-
торов, изоляции обмоток электрических машин, трансформаторов и
различных катушек, а также для изоляции некоторых видов проводов
и высокочастотных кабелей. В ряде случаев используются на волокни-
стой основе.
7. Резина
Резина получается из смесей, основой которых является натураль-
ный или синтетический каучук. Некоторые синтетические смолы и ма-
териалы на их основе, например кремнийорганические, полихлорви-
ниловый пластикат и другие, обладают эластичностью, приближаю-
щейся к эластичности резины, вследствие чего могут применяться так
же, как резина: для изоляции различных проводов и кабелей, в виде
различных гибких прокладок. Из натурального и синтетического кау-
чука может быть получена твердая резина — эбонит, применяющаяся
для получения различных деталей методом формования и механической
обработки.
8. Слюда и слюдяные
электроизоляционные материалы
Слюда — минерал — в чистом виде применяется как основной ди-
электрик конденсаторов и в электронных лампах. В сочетании с различ-
ными склеивающими, а иногда и волокнистыми материалами (подлож-
ками) широко применяется для изготовления различных видов элект-
роизоляционных материалов.
9. Керамические материалы
Это различные по химическому составу неорганические материалы.
Изделия получают из разных видов минерального сырья путем обжига
полуфабрикатов соответствующей формы.
Применяют в виде различных изоляторов (высокого напряжения,
телефонно-телеграфных, высокочастотных), установочных деталей (кар-
касы катушек, панели, детали выключателей, штепсельных разъемов),
основного диэлектрика конденсаторов, деталей в электронных лампах,
в нагревательных приборах.
10. Стекло
Неорганический диэлектрик получается при медленном охлажде-
нии расплава некоторых окислов. Применяется для изготовления
колб и других деталей различных ламп и вакуумных приборов, конден-
саторов, изоляторов, а также для производства стекловолокна, стекло-
пряжи, стеклоткани, стеклобумаги и стеклоэмалевых покрытий.
5-2. ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Основным отличительным признаком волокнистых ма-
териалов является их структура: они состоят из отдельных
тонких, обычно гибких элементов — волокон, отличающихся
116
большой величиной отношения длины к толщине. Напри-
мер, средняя длина волокон хлопка составляет 25 мм при
толщине 0,015 мм, льняного волокна соответственно 25
и 0,02 мм. Стеклянное волокно имеет диаметр в пределах
0,003—0,050 мм, волокно из синтетической смолы — кап-
рон — от 0,01 до 0,03 мм\ при непрерывном способе произ-
водства эти волокна имеют длину, исчисляемую километ-
рами, при штапельном — 5—50 см.
Волокнистые материалы бывают тканые (всевозмож-
ные ткани, ленты) и нетканые (пряжа, бумаги, картоны).
В первом случае материалы представляют собой вполне
упорядоченную структуру в виде определенного перепле-
тения нитей. Бумаги и картоны представляют собой довольно
сложно перепутанную систему волокон (войлок), в которой
может быть и направление преимущественной ориентации.
Особый вид волокнистого материала представляют собой
плетеные или вязаные чулки (пустотелые шнуры), являю-
щиеся основой лакированных трубок. Структура волокни-
стых материалов предопределяет некоторые их видовые
свойства. К числу таковых относятся: большая поверхность
при сравнительно малой толщине в исходном состоянии,
неоднородность, вызванная наличием макроскопических
пор — промежутков между отдельными волокнами и ни-
тями и связанная с ней гигроскопичность. Растительные
волокна сами по себе обладают известной пористостью,
микроскопической и субмикроскопической, к которой от-
носятся, например, мельчайшие капилляры. Некоторые во-
локнистые материалы имеют в своем составе гидрофильные
(«водолюбивые») составные части, способные поглощать
влагу из воздуха, набухая при этом за счет образования кол-
лоидных систем; примерами таких волокон является клет-
чатка и др. Материалы, состоящие из волокон, не обладаю-
щих объемной гигроскопичностью, как правило, абсорби-
руют влагу из воздуха за счет наличия пор и смачиваемости
поверхности волокон водой, что вследствие сильно развитой
поверхности волокон может послужить причиной значитель-
ной общей гигроскопичности; само собой понятно, что ма-
териалы из объемногигроскопичных волокон будут обла-
дать особенно большой гигроскопичностью. У тканей элек-
трическая прочность определяется пробоем воздуха в мак-
роскопических порах. В бумагах и картонах образование
крупных сквозных пор менее вероятно. Так или иначе, но
наличие воздушных пор приводит к тому, что все пористые
волокнистые материалы обладают сравнительно низкой
117
электрической прочностью, тем меньшей, чем меньше струк-
турная плотность материала. В связи с вышеописанными
общими свойствами волокнистых материалов в большин-
стве случаев их применения требуется пропитка, в резуль-
тате которой повышается электрическая прочность и сни-
жается скорость поглощения влаги.
Клетчатка является природным органическим полиме-
ром с дипольными группами, чем объясняется высокое зна-
чение диэлектрической проницаемости самой клетчатки
(5—8) без учета пористости и значительная величина
tg S материалов на основе клетчатки, обнаруживающего
максимум при отрицательных температурах (§ 2-3).
Элементарные волокна клетчатки (мицеллы) образуются
группами молекул клетчатки, между которыми существуют
зазоры, размером около 10 А — субмикроскопические поры.
Группы мицелл образуют элементарные волокна — фиб-
риллы, в которых имеются поры размером порядка 100 А.
Для изготовления бумаг и картона преимущественно при-
меняется древесная целлюлоза, получаемая путем варки
измельченной древесины. В зависимости от способа варки
различают следующие виды целлюлозы: сульфитную, по-
лучаемую по кислому способу варки (тепловой обработки)
с раствором сернистой кислоты H2SO3 и бисульфита каль-
ция Ca(HSO3)2, и сульфатную, получаемую по щелочному
способу варки с раствором едкого натра NaOH и добавкой
сульфида натрия Na2S. При варке целлюлозы из древесины
удаляются химически менее стойкие составные части (смо-
листые вещества), остающиеся в целлюлозе в сравнительно
небольших количествах. Таким образом, целлюлоза состоит
в основном из клетчатки. Целлюлоза получается в виде бес-
форменной волокнистой массы, для удобства транспорти-
ровки часто отливаемой на особых машинах в листы.
Из сульфатной целлюлозы получаются материалы, как
правило, обладающие большей механической прочностью
и более стойкие против воздействия повышенной темпера-
туры, чем из сульфитной. Поэтому электроизоляционные
бумаги в большинстве случаев вырабатывают из сульфатной
целлюлозы. Для получения бумаг и картонов целлюлоза
подвергается размолу в воде в специальных размалываю-
щих агрегатах-роллах. Различают следующие виды размола:
длинный — когда волокна не разрубаются на отдельные
куски и их длина остается в большинстве близкой к перво-
начальной длине; короткий — когда волокна разрубаются
на короткие куски. Кроме того, различают жирный размол —
118
Рис. 5-1. Бумажная масса длин-
ного тощего размола.
когда волокна расчесываются по длине на фибриллы или
даже превращаются в жирную на ощупь осклизлую массу;
тощий — когда волокна не расчесываются на фибриллы,
не оводняются.
На рис. 5-1 показан пример длинного тощего размола.
Длинный размол обеспечивает большую механическую проч-
ность; при жирном размоле получаются более плотные бу-
маги. Наиболее тонкие бумаги могут быть получены при
жирном размоле. Для получения у бумаг с жирным размолом
высоких электрических ха-
р а ктер исти к необходи мо
избегать образования слизи
при размоле.
Из жидкой бумажной
массы — взвеси размолотой
целлюлозы, так называе-
мой пульпы, на специаль-
ных машинах изготовляют
ролевые и листовые бумаги
и картоны. При этом во-
локна стремятся располо-
житься преимущественно
«по ходу машины» по на-
правлению движения пуль-
пы в долевом направлении;
этим объясняется различие
механических свойств бу-
маг и картонов в разных
направлениях: «вдоль» и «поперек». «Вдоль» прочность на
разрыв выше, удлинение при разрыве меньше.
Для придания бумагам и картонам большей гладкости
и плотности их часто пропускают через специальные вал-
ковые станки — каландры. Электрические характеристики
бумаг и картонов в значительной степени зависят от чистоты
самой клетчатки и производственной воды, из которой во-
локна адсорбируют соли, растворенные в жесткой воде
(грязная вода для производства электроизолирующих бу-
маг не допускается). Показателем чистоты бумаг в первом
приближении является их зольность. На электрические
свойства большое влияние оказывают находящиеся в бумаге
водорастворимые соли. Это иллюстрируется рис. 5-2, на
котором показана зависимость tg 6 кабельных бумаг от
их общей зольности и от содержания водорастворимых
солей.
119
В. Т. Ренне установил, что в непропитанных бумагах
можно считать волокно и воздушные поры включенными по-
следовательно, а в пропитанных — соответственно после-
довательно включенными волокно и пропитывающие ма-
Рис. 5-2. Зависимость tg б кабельной бумаги при
температуре 100° С от зольности и содержания
водорастворимых солей.
О---О ~~ зольность; 0—0 — водорастворимые соли.
териалы, замещающие при пропитке воздух. На основа-
нии этого им выведены следующие формулы для расчета
электрических характеристик пропитанной и непропитан-
ной бумаги (в частности конденсаторной):
120
5-3. Зависимость электрической
Рис.
прочности непропитанной конденсатор-
ной бумаги от плотности и толщины
при 50 гц (по В. Т. Ренне).
1 — расчет; 2 — опыт.
В этих формулах ек и ем — диэлектрические проницае-
мости клетчатки и пропитывающего диэлектрика; tg 6Е
и tg 6М —tg 6 — клетчатки и пропитывающего диэлектрика;
d — объемный вес бумаги; dK — объемный вес клетчатки;
^пр.в — пробивное напряжение воздуха в тонких слоях;
С7пр.м — пробивное на-
пряжение пропитываю-
щего диэлектрика; h —
толщина бумаги.
Хорошее совпадение
расчетных значений
электрической прочно-
сти и опытных видно на
рис. 5-3. При достаточно
больших напряжениях в
изоляции из органиче-
ских волокон нельзя до-
пускать остатков возду-
ха в порах, так как в
зоне ионизации воздуха
наблюдается быстрое
старение этих волокон
как под влиянием повы-
шенной температуры,
так и под влиянием об-
разующихся озона и
окислов азота. При низ-
ких напряжениях, когда
ионизация воздуха не-
возможна, воздушные
зазоры могут быть по-
лезны, так как они сни-
жают tg 6 и емкость
изоляции, например в
бумажновоздушной изо-
ляции телефонных ка-
белей.
Материалы на основе клетчатки, не пропитанные или не
погруженные в жидкий диэлектрик, относят к классу нагре-
востойкости Y, а пропитанные или погруженные в жид-
кость — к классу А. Тепловое старение целлюлозных матери-
алов при температурах примерно до 130—140° С происходит
главным образом за счет окисления клетчатки кислородом
воздуха. При этом прежде всего наблюдается уменьшение
121
гибкости и материалы становятся хрупкими. Сильно со-
старенные бумаги, картоны, ткани при изгибах ломаются,
их можно истереть в руках в труху. При таком сильном
старении целлюлозные материалы темнеют, становятся ко-
ричневыми. При тепловом старении в первую очередь умень-
шается число перегибов, прочность на раздирание, удли-
нение при разрыве, т. е. те характеристики, которые наи-
более чувствительны к потере волокном гибкости. На элек-
трические характеристики целлюлозных материалов теп-
Рис. 5-4. Влияние пропитки картона
парафином на скорость поглощения
влаги.
1 — непропитанный высушенный; 2 — па-
рафинированный.
ловое старение влияет
слабее. Ускоренное ста-
рение целлюлозных ма-
териалов наблюдается
при наличии кислых
продуктов, например в
окисленном в результате
старения трансформа-
торном масле. В обла-
сти температур порядка
150° С и выше происхо-
дит, помимо окисления,
чисто термическая де-
струкция, связанная с
тепловой возгонкой,
причем выделяется ряд
продуктов, каталити-
чески действующих на
ускорение процесса старения. В таких условиях особенно
опасно присутствие даже следов воды, что может иметь ме-
сто в замкнутых объемах.
При пропитке материалов из растительных волокон
сравнительно легко могут быть заполнены макропоры; мик-
роскопические и особенно субмикроскопические поры не
могут быть заполнены большинством пропитывающих ма-
териалов и остаются открытыми.
Сказанное иллюстрируется рис. 5-4, на котором пока-
зано изменение поглощения влаги от времени пребывания
в атмосфере 65% относительной влажности образцов кар-
тона с первоначальной нулевой влажностью, пропитанного
парафином и непропитанного (по данным М. М. Михайлова).
Практически важно, что у пропитанных материалов
увлажнение происходит значительно медленнейшем у непро-
питанных. При увлажнении материалов из клетчатки из-
вестную роль играет способность воды вызывать набухание
122
клетчатки. Только при полной герметизации изоляции, как,
например, в кабелях с защитными оболочками или при мо-
нолитной заливочной изоляции, можно полностью предо-
хранить волокнистую изоляцию от увлажнения.
Ниже приведены краткие сведения об основных видах
электроизоляционных бумаг и картонов. Конденсаторная
бумага вырабатывается согласно ГОСТ 1908-66 двух видов
КОН — обычная и СИЛКОН с улучшенными диэлектриче-
скими свойствами следующих марок: 0,8 — плотностью
0,8 г/см3 (только вида СИЛКОН); 1 — плотностью 1,0 г/см3',
2 — плотностью 1,17 и 1,25 г/см3. По соглашению сторон
допускается выпуск КОН-2 плотностью более 1,3 a/cjw3.
Стандартная толщина укладывается в пределы 4—30 мк.
Чистота бумаги контролируется такими характеристиками:
зольность не более 0,4% для вида КОН и не более 0,3%
для вида СИЛКОН; содержание железа и меди (суммарно)
не более 0,02% (нормируется только для КОН); удельная
электропроводность водной вытяжки бумаги при 25° С
не более 3,5 -10~5 олг1-слГ1 для КОН и не более
2,5 •10-5ол1'1 -см 1 для СИЛКОН. Для удельной емкости
конденсаторов существует формула
Суд = 8,84-10'8 ~, мкф)см\ (5-7)
где 8 — диэлектрическая проницаемость диэлектрика кон-
денсатора;
h — толщина изоляции конденсатора, см.
Из этой формулы становится ясным значение повышенной
плотности конденсаторной бумаги: для получения большой
удельной емкости выгодно иметь более плотную бумагу,
так как клетчатка имеет диэлектрическую проницаемость,
большую чем широко применяющиеся пропиточные мате-
риалы. Понятно и стремление получить возможно малую
толщину бумаги. В тех случаях, когда необходимо получить
конденсаторы с минимальными диэлектрическими потерями,
применяют соответствующие пропитывающие материалы
и бумагу с пониженной плотностью. При этом в пропитан-
ной изоляции величина tg 6 снижается за счет уменьшения
содержания полярного диэлектрика — целлюлозы. Очень
часто в конденсаторах бумага работает в несколько слоев.
Такая слоистая изоляция имеет повышенную электриче-
скую прочность в силу того, что в ней практически исклю-
чено наличие сквозных дефектов. С точки зрения повышен-
ной однородности хорошие результаты дает двуслойная
бумага, вырабатываемая на специальных машинах.
123
Кабельную бумагу вырабатывают из сульфатной целлю-
лозы. Телефонная бумага, применяющаяся в производстве
телефонных кабелей, вырабатывается по ГОСТ 3553-60
с объемным весом 0,80 г/сж3, толщиной 0,04 и 0,05 мм,
четырех цветов: красная, синяя, зеленая и натурального
цвета (желтоватая). Бумага для изоляции силовых кабе-
лей выпускается по ГОСТ 645-67 из сульфатной целлюлозы
с объемным весом от 0,76 г/см3 (для кабелей напряжением
до 35 кв включительно) до 1,1 г!см3 (для кабелей на более
высокие напряжения), толщиной от 0,015 мм до 0,24 мм.
Бумага для кабелей на высокие напряжения отличается
повышенной чистотой (пониженные зольность, содержание
железа, электропроводность водной вытяжки, tg 6).
Кабельная бумага вырабатывается однослойная, дву-
слойная и четырехслойная, для кабелей на напряжение до
35 кв натурального цвета, зеленая, красная и синяя, а на
более высокие напряжения —• только натурального цвета.
Получение кабельных и конденсаторных бумаг с минималь-
ными диэлектрическими потерями требует применения спе-
циальной водоочистки.
Для получения бумаг с особо малыми величинами tg 6
в последнее время при их производстве стали применять
деионизированную воду.
Для производства слоистых пластиков выпускается бу-
мага двух видов: пропиточная для производства гетинакса
и намоточная для производства намоточных изделий. Стан-
дартные пропиточные бумаги выпускают по ГОСТ 3441-63
с тремя значениями веса 1 ж2: 50, 63 и 75 г/м2 из сульфатной
целлюлозы. Для некоторых марок гетинакса применяется
бумага из смеси сульфитной целлюлозы и тряпичного во-
локна, с повышенной впитываемостью. В связи с тем что
пропиточные бумаги вообще должны хорошо пропитываться
смолами, к стандартным бумагам предъявляются следую-
щие требования по впитывающей способности: по полоске
бумаги (в двух направлениях — вдоль и поперек хода ма-
шины) за 5 мин вода должна подниматься в среднем на 28—
40 мм.
Намоточные бумаги не пропитываются, а лакируются,
т. е. покрываются пленкой смолы только с одной стороны;
поэтому их впитывающая способность должна быть меньше:
в пределах 4—10 мм за 10 мин.
Для выполнения многих изолировочных работ приме-
няют крепированную бумагу из сульфатной целлюлозы,
выпускаемую в жатом виде, в мелкую складку, благодаря
124
чему она имеет повышенное удлинение при растяжении,
что обеспечивает плотную намотку.
Электроизоляционные картоны разделяются на два ос-
новных класса: для работы на воздухе и в масле. Выпуска-
ются они в рулонах толщиной до 0,8 мм и в листах толщиной
от 1 до 3 мм.
Картон для работы в воздухе (например, в качестве па-
зовой изоляции электрических машин и всевозможных про-
кладок в машинах и аппаратах) выпускается по ГОСТ
2824-60 в большинстве случаев из смеси тряпичных волокон
и целлюлозы. Объемный вес для картона разных марок
и толщин лежит в пределах от 0,95 до 1,25 г/см3, предел
прочности при растяжении в продольном направлении от
8,5 до 12 кПмм\ в поперечном — от 3,25 до 3,5 кПмм*\
электрическая прочность после сушки лежит в пределах
8—12 кв/мм. Целлюлозный картон, предназначенный для
работы в масле, по ГОСТ 4194-62 должен иметь для разной
толщины объемный вес от 0,9 до 1,0 г/см3, предел прочности
при растяжении в продольном направлении 3,5—4,0 кГ1мм2\
картон, пропитанный трансформаторным маслом, при од-
номинутном испытании в масле при 90° С должен выдер-
живать без пробоя напряжения, приведенные ниже для
различных толщин картона.
При толщине 0,5 мм...............19 кв
То же 1,0 мм...............28 кв
» » 1,5 мм...............37 кв
> » 2,0 мм...............46 кв
т> » 2,5 мм...............53 кв
> > 3,0 мм...............57 кв
В производстве высоковольтных силовых трансформа-
торов для деталей продольной изоляции (прокладки между
катушками, ярмовая изоляция) следует применять твердый
картон с повышенной плотностью и малой усадкой при
сушке и давлении. Для главной изоляции — цилиндров,
следует применять мягкий картон с пониженной плотно-
стью, нерасслаивающийся при изгибании, более стойкий
к повреждению разрядами вдоль слоев.
В связи с этим ГОСТ на электроизоляционный картон
пересматривается.
В последнее время бумаги и картоны начали изготовлять
из различных синтетических волокон. Их свойства зависят
в основном от свойств полимеров, из которых изготовлены
волокна. Эти новые бумаги и картоны являются весьма
прогрессивными материалами для электрической изоляции.
125
На их основе можно получать изоляцию с повышенными
электрическими, механическими и физическими свойствами
по сравнению с целлюлозными материалами. Последние
дешевле синтетических материалов, которые целесообразно
применять в тех случаях, когда их повышенные свойства
дают соответствующий технико-экономический эффект.
К числу целлюлозных материалов относится фибра, пред-
ставляющая собой ролевой или листовой материал, полу-
ченный из бумаги, обработанной водным раствором хлори-
стого цинка. Последний вызывает сильное набухание воло-
кон клетчатки, образование на их поверхности особого
клейкого соединения, способного как бы сваривать волокна
в более или менее монолитное целое. Фибра обладает срав-
нительно высокими механическими свойствами; из нее
можно изготовлять различные детали и прокладки. Толстая
фибра обрабатывается резанием. Электрические свойства
фибры сравнительно невысоки. Благодаря сравнительно
большой плотности фибра практически не пропитывается
обычными пропитывающими материалами. Вследствие гиг-
роскопичности фибры изготовленные из нее детали меняют
свои размеры при изменении относительной влажности воз-
духа. Фибра выпускается также в виде стержней и трубок.
В электромашиностроении фибра имеет ограниченное
применение в виде пазовых клиньев некоторых типов ма-
шин, концевых шайб пакетов статора и ротора.
Фибра отличается интенсивным газовыделением при воз-
действии на нее электрической дуги, что обеспечило ей из-
вестное применение в трубчатых разрядниках (на линиях
электропередачи), в которых возникающая при перенапря-
жении внутри трубок дуга быстро гасится выделяющимися
газами, и в некоторых сильноточных низковольтных вы-
ключающих аппаратах, где она применяется в дугогася-
щих камерах.
В разрядниках фибра сейчас заменяется некоторыми
синтетическими смолами. Ролевая фибра, так называемый
летероид, представляет большой интерес в качестве пазовой
изоляции маломощных электрических машин. По сравне-
нию с обычным электрокартоном летероид обладает боль-
шой твердостью, большей упругостью, меньше повреждается
при проведении изоляционно-обмоточных работ.
Путем достаточно глубокой химической обработки из
целлюлозы могут быть получены твердые материалы нево-
локнистой структуры — эфиры целлюлозы. Обработка цел-
люлозы кислотами дает сложные эфиры, в которых одна,
126
две или все три гидроксильные группы элементарного звена
молекулы реагируют с кислотой.
Эфиры целлюлозы относятся к группе материалов, из-
вестных под названием «смолы», описанные в § 5-3. Эфиры
целлюлозы находятся на грани между природными и синте-
тическими полимерами и имеют в электроизоляционной
технике ограниченное применение, поэтому в дальнейшем
они выделяются из группы материалов, определяемых по-
нятием «смолы».
Электроизоляционные органические пряжи, ленты и тка-
ни изготовляются из хлопкового волокна, льняного волокна
и шелка, естественного и искусственного, а также из синте-
тических смол. В непропитанном состоянии они в силу по-
ристости и гигроскопичности имеют практически невысокие
электрические характеристики. Применяются для произ-
водства обмоточных проводов, изоляции всевозможных
катушек, обмоток электрических машин, главным образом
в пропитанном состоянии, хотя для систем низкого напря-
жения, работающих в условиях ограниченной влажности,
могут быть использованы и в непропитанном виде. Хлоп-
чатобумажные ткани применяются в сочетании с различ-
ными связующими смолами для изготовления текстолита.
Материалы из синтетических органических волокон не
имеют микроскопических и субмикроскопических пор; по-
этому при достаточной влагостойкости вещества, из кото-
рого изготовлено волокно, изделия из него имеют меньшую
гигроскопичность, чем изделия из клетчатки и пропитка
их более эффективна.
Неорганические волокна — асбест и стекловолокно —
отличаются от органических волокон прежде всего более
высокой рабочей температурой.
Асбестовое волокно получается из минерала асбеста,
который имеется в СССР в больших количествах. Для целей
электрической изоляции применяется преимущественно хри-
зотиловый асбест. Основной состав его 3MgO-2SiO2-2H2O;
вода здесь кристаллизационная, входящая в состав кри-
сталлической решетки. Длина асбестовых волокон — от
долей миллиметра до нескольких сантиметров. В асбесте
обычно имеются различные примеси: окислы железа, алю-
миния, кальция. Значительное содержание магнитного
окисла железа — магнетита сильно снижает электроизоля-
ционные свойства асбеста. Поэтому для получения асбесто-
вых изделий с хорошими электроизоляционными характе-
ристиками следует применять волокно специальной очистки.
127
Кроме кристаллизационной воды, в асбесте есть так назы-
ваемая адсорбционная вода, выделяющаяся при более вы-
сокой температуре, чем гигроскопическая. Значительная
часть адсорбционной воды удаляется при 110° С, осталь-
ная — при нагревании до 350—370° С. Кристаллизационная
вода выделяется при 450—470° С; потеря кристаллизацион-
ной воды сопровождается разрушением асбестовых воло-
кон. Плавится асбест при температуре 1 500° С. Сильно
железистый асбест имеет удельное объемное сопротивление
порядка 106 ом -см.
Механическая прочность асбестовых волокон не велика:
предел прочности при растяжении составляет 300—
400 кПсм2. Вследствие этого при производстве асбестовых
бумаг, лент и тканей, обычно добавляется определенное коли-
чество органических волокон, что приводит к снижению ме-
ханической прочности при высокой температуре за счет выго-
рания органической части. Тем не менее асбестовые мате-
риалы по нагревостойкости относятся к классу С. Электро-
изоляционная асбестовая бумага выпускается сейчас тол-
щиной 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,8 и 1,0 мм с минимальным про-
бивным напряжением в отдельных точках от 0,9 до 2,4 кв
в зависимости от толщины. Может изготовляться и более
тонкая бумага с повышенными электрическими характери-
стиками, по сравнению со стандартной, за счет лучшей очи-
стки волокна, без введения органических волокон.
К числу материалов на основе асбестового волокна от-
носится электронит — композиционный материал из асбе-
стового волокна с каучуковым связующим. Выпускается
электронит в листах толщиной 0,2—0,3 мм и выше. Предел
прочности при растяжении электронита толщиной до 1 мм
не менее 1,4 кПсм\ электрическая прочность при толщине
0,5 мм — не менее 7 кв!мм. Применяется он в качестве изо-
ляции класса В в аппаратуре и электрических машинах
низкого напряжения (пазовая изоляция, прокладки).
При использовании асбестобумаг и асбестотканей, как
и стекловолокнистой бумаги, стеклопряжи и стеклоткани,
целесообразно применять более нагревостойкие пропиты-
вающие материалы, с тем чтобы максимально использовать
большую нагревостойкость неорганических волокон.
Сравнивая изделия из асбестовых и стеклянных волокон,
следует отметить, что асбестовые изделия отличаются более
высокими диэлектрическими потерями. Благодаря отсутст-
вию микроскопических и субмикроскопических пор у стек-
лянных волокон они не обладают объемной гигроскопич-
на
ностью. Однако вследствие хорошей смачиваемости поверх-
ности стекла водой и большой удельной поверхности волок-
нистых материалов изделия из стекловолокна обладают
заметной гигроскопичностью, сказывающейся и в их ком-
позиции с различными пропитывающими материалами.
Стеклянные волокна обладают очень высокой прочностью
на разрыв, однако гибкость их меньше, чем у растительных
волокон. Они и менее стойки против истирания.
Стеклянные пряжи, ленты и ткани применяются вместо
органических для получения нагревостойкой изоляции.
Стекловолокно получается из расплава неорганического
стекла путем вытягивания массы, вытекающей через филь-
еры диаметром около 1 мм. Скорость вытягивания около
2 000 м/мин; диаметр получаемых нитей несколько мик-
рон. При вытягивании происходит ориентация молекул,
способствующая повышению гибкости и механической проч-
ности стекловолокна.
При диаметре 10 мк стекловолокно имеет предел проч-
ности при растяжении порядка 100 кГ/мм*. Для возмож-
ности выполнения прядильной и ткацкой технологии с при-
менением стекловолокна поверхность элементарных воло-
кон при собирании в пучок смазывается специальным
водноэмульсионным замасливателем, придающим элемен-
тарным волокнам свойства поверхностного сцепления. Для
получения электроизоляционных материалов на основе
стеклоткани с высокой влагостойкостью готовая ткань
подвергается особой термохимической обработке, удаляю-
щей замасливатель. Из стекловолокна изготовляют стекло-
ткани, стеклоленты и стеклочулки, находящие применение
в производстве стеклотекстолита, стекло л акотканей, стек-
лослюдяной изоляции, стеклолакочулков, отличающихся
при соответствующих пропиточных и склеивающих мате-
риалах высокой нагревостойкостью (до класса С включи-
тельно) и влагостойкостью.
В последнее время из стекловолокон стали получать
бумагу, т. е. нетканый стекловолокнистый материал, кото-
рый может во многих случаях заменять стеклоткань. Для
получения изделий с более высокими электрическими и
механическими характеристиками и меньшей поверхностной
гигроскопичностью и стойкостью против действия воды
(гидролитической стойкостью) в электроизоляционной тех-
нике применяется стекловолокно так называемой бесщелоч-
ной рецептуры (о свойствах стекла подробнее говорится
в § 5-17).
б Ю. В. Корицкий
129
5-3. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СМОЛЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
ПРИРОДНЫЕ СМОЛЫ
Смолы представляют собой обширный класс органических и эле-
ментоорганических высокомолекулярных соединений, обладающих в
большинстве случаев следующими общими признаками: способностью
размягчаться при нагревании и даже плавиться (по крайней мере в ис-
ходном виде), переходя в вязко-текучее состояние; способностью рас-
творяться в тех или иных органических растворителях, не растворяясь
в воде. Следует подчеркнуть, что некоторые смолы не удовлетворяют
всем этим признакам. Например, фторопласт-4 (политетрафторэтилен)
не растворяется ни в одном из известных растворителей и практически
не плавится.
В электроизоляционной технике применяются как природные
смолы, так и синтетические, получаемые методом химического синтеза.
Сейчас преимущественное значение имеют многообразные синтетиче-
ские смолы, обладающие весьма ценными и разнообразными свойствами;
природные смолы, хотя еще и применяются, но уже не имеют такого
большого значения, как синтетические. Развитие производства синте-
тических смол сыграло выдающуюся роль в прогрессе электроизоля-
ционной техники.
Синтетические смолы могут быть получены двумя принципиально
различными способами: полимеризацией и поликонденсацией. Поли-
меризация — такая химическая реакция, при которой из низкомоле-
кулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное
соединение без изменения элементарного химического состава веще-
ства. При полимеризации происходит сшивка ряда молекул мономера
в одну молекулу полимера — высокомолекулярного соединения. Обыч-
ной предпосылкой для возможности процесса полимеризации является
наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных)
между атомами углерода, которые под влиянием тех или иных факто-
ров (повышенные температура и давление, катализаторы) разрываются
и обеспечивают сшивку с соседними молекулами. Таким путем из газо-
образных и жидких мономеров могут быть получены твердые полимеры,
называемые полимеризационными. Примером такого полимера может
служить смола полистирол, получаемая из органической жидкости
стирола, имеющей строение с двойной связью между атомами углерода
Н Н
При полимеризации стирола получается твердая смола — полистирол
г н Н п
_ A AeH6Jn
где п — коэффициент полимеризации — достигает значений нескольких
тысяч. В § 1-1 был приведен пример высокомолекулярного соединения
полиэтилена, являющегося, так же как и полистирол, полимеризацион-
ной смолой.
130
Такая полимеризация, при которой происходит соединение моле-
кул одного и того же вещества, называется гомополимеризацией. Воз-
можна и сополимеризация (кополимеризация), при которой полимер,
называемый в данном случае сополимером (кополимером), образуется
в результате полимеризации двух или нескольких различных мономе-
ров по схеме
nA + тВ —> • • • А— В—А—В-
Здесь А и В — два мономера.
Путем сополимеризации могут быть получены материалы с новыми
интересными свойствами. В последнее время возможность получения
различных полимеров часто с наперед заданными свойствами увеличи-
лась благодаря освоению новых приемов ведения полимеризации.'
Получают сейчас блок-полимеры — линейные полимеры, в молекулах
которых чередуются блоки мономеров А и В, с такой структурой:
----ААААА — ВВВВВВВ — ААААА---------
Привитые полимеры представляют собой вещества с разветвленной
структурой: к основной цепи полимера присоединяются в виде боковых
цепей молекулы мономера или полимера
—АААААААА— •••
I
ВВВВ
Такие полимеры сочетают в себе в известной мере свойства обоих по-
лимеров, отдельно взятых. Особый интерес представляют также поли-
меры с упорядоченной кристаллической структурой, что отличает их
от ранее известных смол с чисто аморфной структурой. Не так давно
одним из основных признаков смол считалась их аморфная структура.
Сейчас такое определение уже устарело. В качестве примера аморфной
и кристаллической структуры полимеров рассмотрим разновидности
полистирола. Обычный полистирол имеет такое строение:
НН Н Н Н Н
... _d—d—d—cLd—d— •••
A Авн5 свн5 А А А„н6
Так называемые остатки бензольного кольца СбН5 расположены без
какой-либо системы, неупорядоченно. Однако Можно так вести процесс
полимеризации стирола, что получится полистирол с упорядоченной
кристаллической структурой. При этом возможны два случая: изотак-
тический и синдеотактический полистирол. Первый из них имеет такую
структуру:
НН НН НН
... —А—А—А—А—d—d—...
А Авн6 А Авн6 А А„н6
Группы С6Н5 расположены регулярно по одну и ту же сторону основ-
ной цепи атомов углерода. Синдеотактический полистирол имеет такую
Ь* 131
структуру:
НН Н СвН5 Н Н
Il U II
... —с—С-------С—С-----С—С----...
II II II
Н СбН5 НН н свн5
Образование кристаллической структуры вызывает очень большие
изменения свойств полимера: увеличивается его плотность, повышается
температура размягчения, при одновременном сокращении ее интер-
вала, так что становится возможным говорить уже о температуре плав-
ления. Благодаря повышению температуры размягчения заметно повы-
шается теплостойкость по Мартенсу. Например, у обычного полисти-
рола плотность 1,04—1,06 а/си3, у изотактического 1,08 г/см3', у обыч-
ного полистирола температура размягчения 70—100° С, у изотактиче-
ского 230—250° С.
Поликонденсация — это химическая реакция между разнородными
низкомолекулярными соединениями, сопровождающаяся обычно выде-
лением побочных продуктов, как, например, воды, водорода, аммиака,
хлористого водорода и других, способных в той или иной мере сказы-
ваться на свойствах конечного продукта. Поликонденсация — реакция
необратимая. Продукты полимеризации могут быть получены более
чистыми, поэтому они, как правило, обладают более высокими электро-
изол яционнымй свойствами, чем продукты поликонденсации. Исклю-
чение могут представлять сильно полярные полимеризационные смолы.
Смолы (как и другие органические и элементоорганические соеди-
нения) могут классифицироваться по их поведению при нагревании.
Некоторые материалы при нагревании плавятся, при охлаждении снова
затвердевают, но при повторных нагревах снова плавятся — не теряют
способности плавиться. При этом обычно не теряется и способность
растворяться в тех растворителях, в которых эти материалы растворя-
лись до расплавления. Такие материалы называют термопластичными.
К ним относятся, как правило, полимефизационные смолы. Другой вид
материалов — термореактивные. Они при нагревании в исходном со-
стоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой темпе-
ратуре затвердевают, после чего уже не плавятся при повторном нагре-
вании и даже часто не размягчаются. Одновременно теряется способ-
ность растворяться в тех растворителях, в которых растворялась исход-
ная смола. Способность переходить в неплавкое состояние при нагре-
вании объясняется наличием в молекулах термореактивной смолы двой-
ных связей или реакционно способных (функциональных) групп атомов,
которые производят поперечную сшивку молекул, придавая им сетча-
тую или пространственную структуру, придающую1 всей молекуле боль-
шую жесткость, неподвижность. Иногда для поперечной сшивки добав-
ляют тот или иной инициатор этого процесса.
В отличие от полимеров с поперечносшитыми молекулами, сетча-
тыми или пространственными, полимеры с длинными молекулами без
поперечных сшивок называются линейными. Линейные полимеры отли-
чаются большой длиной молекулы при малом ее поперечнике. Напри-
мер, у полистирола при коэффициенте полимеризации п, равном 6 000,
длина молекулы составляет около 1,5* 10‘4 см, при поперечном раз-
мере— 1,5* 10“7 см, т. е. в 1 000 раз больше. Линейные полимеры
обычно более легко растворимы и более гибки, чем пространственные.
Многие линейные полимеры способны перерабатываться в тонкие во-
локна и пленки.
132
Из числа природных смол следует упомянуть о шеллаке, канифоли,
копале и янтаре.
Шеллак получают очисткой гуммилака, который выделяется неко-
торыми видами насекомых на ветвях тропических деревьев. Молекулы
шеллака содержат гидроксильные группы, в силу чего он обладает из-
вестной полярностью. Свежий шеллак, поступающий в продажу в виде
чешуек от светло-желтого до темно-коричневого цвета, плавится при
температуре около 100° С. При длительном воздействии высолой тем-
пературы температура плавления шеллака повышается, и он можег
фактически даже потерять способность плавиться. Одновременно сни-
жается и растворимость шеллака. В свежем виде он хорошо раство-
ряется в спирте. Благодаря хорошей склеивающей способности шеллак
применяется в производстве клееной слюдяной изоляции.
Канифоль получают из смолы (живицы) некоторых хвойных де-
ревьев, главным образом сосны. Канифоль — полярный диэлектрик.
Применяется в производстве некоторых электроизоляционных лаков
и пропиточных составов, а также как добавка к нефтяному маслу для
увеличения вязкости при пропитке бумажной изоляции некоторых
кабелей.
Копалы — ископаемые смолы, добываемые преимущественно в
Африке и юго-восточной Азии. Раньше довольно широко применялись
в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вы-
теснены синтетическими смолами.
Янтарь также ископаемая смола, добываемая в СССР, обладающая
очень высокими электрическими характеристиками: удельное объемное
сопротивление до 1019 ом* см, tg б при 50 гц 0,001. Янтарь очень мало
гигроскопичен, хорошо полируется. Его температура плавления выше
300° С. Применяется главным образом для изготовления изоляционных
деталей некоторых электроизмерительных приборов.
5-4. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫЕ СМОЛЫ
В этом параграфе описаны важнейшие полимеризацион-
ные смолы, применяющиеся в электроизоляционной тех-
нике.
Полистирол, общие данные о котором были приведены
в качестве примера в предыдущем параграфе, изготовляется
сейчас из синтетического стирола, благодаря чему он стал
недефицитен и дешев. (Раньше применялся натуральный
стирол из каменноугольной смолы.) Различают полистирол
блочный, получаемый при полимеризации непосредственно
самого стирола, и эмульсионный, получаемый из водно-
стирольной эмульсии. Полистирол растворяется в бензоле,
толуоле и некоторых других растворителях, благодаря
чему из него могут быть получены лаки. Полистирол бес-
цветен, обладает высокой прозрачностью. Как полимериза-
ционная смола с весьма малым дипольным моментом обла-
дает очень хорошими электроизоляционными свойствами,
благодаря чему получил широкое применение в высокоча-
стотной технике для прессовки различных деталей, для
133
пленочной изоляции. Этому способствует и ничтожная
гигроскопичность полистирола. Серьезным недостатком
обычного аморфного полистирола является низкая тепло-
стойкость по Мартенсу, что делает его практически непри-
годным для применения в сильноточной аппаратуре. Про-
дукты полимеризации хлорированного стирола: полиди-
хлорстирол (получаемый из дихлорстирола — стирола с за-
мещением двух атомов водорода двумя атомами хлора)
и полимонохлорстирол (из монохлорстирола) — обладают
более высокой нагревостойкостью, чем полистирол. У поли-
дихлорстирола благодаря относительной симметрии моле-
кул tg S мало отличается от такового для полистирола,
в то время как у монохлорстирола он значительно больше.
В последнее время широкое применение получили сополи-
меры стирола с другими соединениями, в частности с нитри-
лом акриловой кислоты, дивинилом, метилметакрилатом
и другими, обладающими повышенной удельной ударной
вязкостью и значительно повышенным tg S. Сравнительные
характеристики разных смол на основе стирола даны
в табл. 5-1.
Широкое применение имеет в электроизоляционной тех-
нике полиэтилен, получаемый путем полимеризации газа
этилена, молекула которого имеет двойные связи
Н Н
Н Н
Известно два вида полиэтилена: высокого и низкого
давления. Оба типичные термопласты. Первый был известен
раньше; он получается в виде бесцветной смолы при поли-
меризации этилена, происходящей при давлении порядка
2 000—3 000 ат и температуре 150—200° С в присутствии
кислорода. Полиэтилен низкого давления получают при
применении специального катализатора при нормальном
и немного повышенном давлении при температуре до
100° С. Он отличается от полиэтилена высокого давления
большой степенью кристалличности, что приводит к более
высокой температуре плавления и повышенной плотности
(0,95—0,97 г/см3 против 0,915—0,925).
У полиэтилена высокого давления она порядка 125® С,
а у полиэтилена низкого давления на 10—15® С выше.
Полиэтилен низкого давления имеет и более высокие меха-
134
Свойства термопластичных смол
Таблица 5-1
Характеристика Полистирол Полидихлорстирол Сополимер стирола с акрилнит- рилом Полиэтилен Фторопласт-4 (политетрафтор- этилен)
высокого давления низкого давления
Удельный вес, г]см3 1,05—1,07 1,38—1,40 1,08 0,92—0,93 0,94 2,1—2,3
Удельная ударная вязкость, кГ • см/см2 6—9 3—5 18 — — > 100
Предел прочности при растяже- нии, кГ/см2 350—600 350—520 550—650 120—160 до 300 140—250
Удлинение при разрыве, . 1—5 — 2—3 150—600 до 1 000 250—500
Теплостойкость по Мартенсу, °C 70—80 110—120 84 — — —
Водопоглощаемость за 24 ч, %. . 0,00—0,07 до 0,04 —— до 0,01 — 0,00
Электрическая прочность при температуре 20° С, кв/мм .... 25—40 15 32 40 — 25—27
р, ом • см, при 20° С крв—1018 Ю16—1017 1012 1015—Ю17 1018 Ю1в—10ls
ps, ом, при 20° С 1015—1018 Ю16—1017 — 10й — 1015
tg В при 50 гц и 20° С 0,0001—0,0006 0,0005—0,001 — 0,0004 0,0004 0,0002—0,0003
tg В при 10е гц и 20° С 0,0001—0,0008 0,0002—0,0004 0,019 0,0004 0,0010 0,0002—0,0003
Диэлектрическая проницаемость при 50 гц и 20° С 2,5—2,8 2,55—2,65 — 2,3—2,4 2,2 1,9—2,3
То же при 106 гц 2,5—2,6 2,62 — 2,2—2,6 2,2 1,9—2,2
нические характеристики. Он дешевле, так как не требует
для своего производства дорогой аппаратуры и дает боль-
ший выход готовой продукции. Полиэтилен — неполярная
полимеризационная смола, отличающаяся очень высокими
Рис. 5-5. Зависимость tg й и диэлектрической прони-
цаемости полиэтилена от температуры.
диэлектрическими характеристиками. Известным недостат-
ком его являются структурные изменения при воздействии
высокого напряжения, что ограничивает его применение.
Электрические характеристики полиэтилена в довольно
широком диапазоне практически не зависят от частоты и
Рис. 5-6. Зависимость tg д и диэлектрической проницаемости
полиэтилена от частоты.
температуры (рис. 5-5 и 5-6). Полиэтилен практически
негигроскопичен, обладает высокими химо- и морозостой-
костью, сохраняет гибкость даже при —60° С. Полиэтилен
не растворяется в большинстве растворителей. При повы-
шенной температуре на воздухе заметно окисляется, при
этом tg 6 повышается, а механические свойства снижаются.
Ускоренное старение наблюдается при прямой солнечной
136
радиации. Ослабить вредное действие солнечных лучей
можно небольшими добавками сажи без заметного изменения
диэлектрических свойств. Применяется полиэтилен в виде
пленок, изделий сложной формы, изоляции проводов и
кабелей. Особое значение он приобрел для высокочастотной
изоляции. Под влиянием ионизирующих излучений в поли-
этилене происходит частичное отщепление водорода и
поперечная сшивка молекул по освобождающимся боковым
связям. Приобретая за этот счет сетчатую структуру, облу-
ченный полиэтилен теряет свою термопластичность, ста-
новится практически неплавким, сохраняя склонность
к старению на воздухе при повышенной температуре. Облу-
ченный полиэтилен имеет повышенные теплостойкость,
механическую прочность и химостойкость. Облучению
обычно подвергают готовые детали или пленку. Характе-
ристики полиэтилена (необлученного) приведены в табл. 5-1.
Полиизобутилен получается полимеризацией ненасыщен-
ного углеводорода изобутилена и имеет такое строение:
сн3 сн3
I I
-----СН,—С—СН,—С---------
л &
I I
сн3 сн3
В зависимости от степени полимеризации полиизобутилен
может быть получен в виде вязкой жидкости (при молеку-
лярном весе 3 000) или в виде твердого вещества с различ-
ной эластичностью (при молекулярном весе 200 000 подобен
каучуку).
Диэлектрические свойства полиизобутилена близки к
свойствам полиэтилена.
Применяется полиизобутилен как добавка к различным
заливочным компаундам, а также в смеси с полиэтиленом
для изоляции проводов и кабелей. Такая смесь обладает
большей эластичностью, чем чистый полиэтилен.
Из газа пропилена СН2—СН ♦ СН3 получена полимериза-
ционная смола — полипропилен. В качестве электроизоля-
ционного материала используется изотактический поли-
пропилен с температурой размягчения 160—170° С, обла-
дающий электрическими характеристиками такого же по-
рядка, что и у полиэтилена. Величина tg 6 и удельное
объемное сопротивление полипропилена практически не
зависят от температуры до начала заметного размягчения.
Из полипропилена могут быть получены пленки, волокна
137
и ткани и фасонные детали методом литья под давлением.
Полипропилен ^фактически негигроскопичен.
Полихлорвиниловая смола (поливинилхлорид) полу-
чается при полимеризации газообразного продукта хлор-
винила
Н Н
I I
Н С1
молекулы которого обладают дипольным моментом. Вслед-
ствие этого полихлорвинил обладает сравнительно боль-
шим углом диэлектрических потерь. Полихлорвиниловая
смола тверда, но сравнительно хрупка, неморозостойка,
обладает большой влагостойкостью. В электроизоляцион-
ной технике широко применяется пластифицированная
полихлорвиниловая смола — пластикат, представляющий
собой смесь смолы с пластификаторами, например трикре-
зилфосфатом и дибутилфталатом — высококипящими орга-
ническими жидкостями. Пластикат обладает большим удли-
нением при разрыве — большей эластичностью, более вы-
сокой морозостойкостью (некоторые сорта морозостойки
до —50° С), атмосфероустойчивостью, химостойкостью, чем
чистая смола.
Полихлорвиниловая смола обладает небольшой нагрево-
стойкостью; она по нагревостойкости ниже класса Y.
. Полихлорвиниловый пластикат применяется для изго-
товления пленок, липких монтажных лент, электроизоля-
ционных трубок, широко используемых в различных низко-
вольтных схемах, изоляции телефонных и различных
установочных проводов, для получения внешних оболочек
кабелей. При воздействии электрической дуги полихлор-
винил выделяет большое количество газообразных продук-
тов, что способствует гашению дуги.
Полихлорвинил без введения пластификаторов приме-
няется в виде листового материала — винипласта. При
нагревании выше 150° С из полихлорвинила начинается
заметное выделение НС1. В силу большой хймостойкости
полихлорвиниловых продуктов сополимер хлорвинила с ме-
тилакрилатом применяется для изготовления аккумулятор-
ных баков.
Кроме обычной полихлорвиниловой смолы, может быть
изготовлена хлорированная полихлорвиниловая смола, на-
138
зываемая также перхлорвиниловой. Эта смола отличается
лучшей растворимостью и применяется для изготовления
некоторых покровных лаков (эмалей), а также волокон
и пленок.
Полиметилметакрилат является полимером метилметак-
рилата. Он имеет такое строение:
СН3 СН3
• • • -СН2- С-СН2- L- • • •
С=О С=О
I I
О о
сн3 сн3
В связи с прозрачностью эта смола часто называется
органическим стеклом; полиметилметакрилат бесцветен, но
может быть окрашен в разные цвета.
Органическое стекло — полярный диэлектрик; оно мало
гигроскопично и обладает значительной химостойкостью;
применяется в различных электроизоляционных конструк-
циях, широко используется для изготовления прозрачных
корпусов приборов, шкал, линз и пр.; обладает большой
удельной ударной вязкостью. Под воздействием электриче-
ской дуги органическое стекло выделяет большое количе-
ство газов, что придает ему довольно высокие дугогасящие
свойства. Листовое органическое стекло хорошо поддается
механической обработке.
Фторопласт-4, или политетрафторэтилен, имеет следую-
щую структуру:
F F F F
1111
.. . —С—с—с—с— .•.
F F F F
Благодаря замене всех атомов водорода, имеющихся
в структуре полиэтилена, атомами фтора, обеспечивающей
большую энергию связи, этот продукт обладает исключи-
тельно высокой нагревостойкостью. Его рабочая темпера-
тура доходит до 250° С и выше (в зависимости от продолжи-
тельности службы); он исключительно морозостоек (сохра-
няет эластичность при температуре до —100° С). При тем-
139
пературе, превышающей 400е С, фторопласт-4 довольно
быстро разлагается с выделением фтора, газа весьма ядови-
того и химически активного. Фторопласт-4 отличается
практически полной влагостойкостью и очень низким углом
диэлектрических потерь, негорюч, не смачивается водой.
По химостойкости он превосходит благородные металлы:
золото и платину, что позволило широко использовать его
для изготовления химической аппаратуры. При медленном
охлаждении имеет мелкокристаллическую структуру. Вы-
сокие электрические характеристики мало зависят ©т тем-
пературы. Фторопласт-4 не стоек против воздействий
ионизированного воздуха и имеет малую радиационную
стойкость.
Существенным недостатком политетрафторэтилена яв-
ляется связанная с его термопластичностью хладотекучесть:
при комнатной температуре под нагрузкой 30 кПсм2 мате-
риал «течет» — в нем происходят пластические деформации.
Это свойство в известной мере ограничивает область при-
менения фторопласта-4. Из него делают пленки (можно
получить толщиной менее 10 мк), применяющиеся для
производства конденсаторов и изоляции всевозможных
обмоток, а также изделия сложной формы. Применяется
фторопласт-4 и для изоляции проводов и кабелей. В послед-
нее время его стали применять в комбинации со стеклотка-
нями для изготовления нагревостойких материалов. Харак-
теристики фторопласта-4 даны в табл. 5-1.
Вследствие сложности технологии производства и пере-
работки фторопласта-4 изоляция на его основе является
дорогой.
Фторопласт-3 — есть политрифторхлорэтилен с такой
структурой:
F F F F
... —С—С—С—С— ...
1111
F Cl F С1
Замена в элементарном звене одного атома фтора атомом
хлора вызывает появление дипольного момента, в силу чего
фторопласт-3 полярен и обладает значительно большими
диэлектрическими потерями, чем фторопласт-4; нагрево-
стойкость его ниже.
Производство фторопласта-3 и технология его перера-
ботки проще и-дешевле, чем фторопласта-4. В последнее
140
время получена фторорганическая смола на основе политет-
рафторэтилена и полигексафторпропилена, обладающая вы-
сокими свойствами и хорошей способностью к переработке.
Путем полимеризации безводного формальдегида полу-
чают термопластичный полиформальдегид с высококристал-
лической структурой (степень кристаллизации около 75%).
Он имеет высокую механическую прочность, малозавися-
щую от действия влаги и температуры до 120° С, высокие
механические свойства, химостоек; температура плавления
полиформальдегида 180° С, размягчается он при 170° С.
Наибольший интерес представляет получение из полифор-
мальдегида разных деталей методом литья под давлением
и экструзией.
5-5. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННЫЕ
СМОЛЫ
Поликонденсационные смолы бывают двух типов: про-
дукты пространственной конденсации и продукты линейной
конденсации. Первые могут быть термопластичными и тер-
мореактивными; их применяют как связующее для произ-
водства пластмасс, в качестве лаковых основ, в производстве
слоистых пластиков. Они отличаются малой растяжимостью.
Вторые — линейные высокомолекулярные соединения,
имеют высокую прочность на разрыв, большое удлинение
при разрыве. Как правило, они способны вытягиваться
в тонкие нити; из них можно получать пряжу, ткани,
пленки.
Наиболее давно применяемой поликонденсационной смо-
лой первого типа является феноло (крезоло) формальдегид-
ная смола (бакелитовая). Она получается путем конденса-
ции фенола (С6Н5 «ОН) или крезола (СН3 «СвН4 «ОН) с фор-
мальдегидом (СН2О) в присутствии катализатора. Смола,
сварейная со щелочным катализатором, например аммиа-
ком, называется резольной; она термореактивна, обладает
большой скоростью перехода в неплавкое и нерастворимое
состояние при не очень высокой температуре (порядка
НО—120° С). Скорость отверждения фенолоформальдегид-
ной смолы в зависимости от температуры показана на
рис. 5-7. В исходной смоле остается непрореагировавший
свободный фенол (крезол), остатки воды, катализатора.
Поэтому в исходном состоянии в стадии А смола обладает
невысокими электрическими характеристиками. Она яв-
ляется в этой стадии смесью низкомолекулярных соедине-
141
ний, имеет невысокую температуру плавления (порядка
55—70° С), хорошо растворяется в спирте, ацетоне. При
нагревании (или длительном хранении при комнатной тем-
пературе) смола переходит в стадию В, представляющую
собой смесь высокомолекулярных продуктов и прежних
низкомолекулярных.
В стадии В смола уже не плавится, а только размягчается,
в спирте не растворяется, в ацетоне только набухает. Даль-
нейшее нагревание приводит к переходу смолы в конечную
стадию С, в которой смола состоит из высокомолекулярных
Рис 5-7. Зависимость скорости отверждения
фенолоформальдегидной смолы от темпера-
туры.
соединений, неплавких и нерастворимых с пространствен-
ной структурой (трехмерный полимер). При отверждении —
переходе в стадию С — происходит дальнейшая поликон-
денсация с выделением воды и ряда продуктов, бывших
в смоле стадии А.
В стадии С бакелитовая смола тверда, но хрупка, мало-
гигроскопична, имеет более высокие электроизоляционные
свойства. На рис. 5-8 показана зависимость удельного
сопротивления фенолоформальдегидной смолы от продол-
жительности отверждения при 105° С и содержания в исход-
ной смоле свободного фенола, а на рис. 5-9 — зависимость
tg 6 фенолоформальдегидной и крезолоформальдегидной
смолы от времени отверждения при температуре 105° С.
Из этих кривых видно, что крезольная смола обладает
меньшим углом диэлектрических потерь, чем фенольная.
Скорость отверждения у последней больше.
142
При варке смолы с избытком фенола и с кислым катали-
затором получаются так называемые новолачные или иди-
толовые фенолоформальдегидные смолы; они термопла-
стичны. При добавлении к новолачной смоле уротропина
она становится термореактивной.
Рис. 5-8. Зависимость удельного объемного сопро-
тивления фенолоформальдегидной смолы от вре-
мени отверждения при температуре 105° С и со-
держания свободного фенола.
Резольные смолы применяются для производства слои-
стых пластиков и композиционных пресс-материалов. Но-
волачные смолы с добавкой уротропина применяются для
изготовления пресс-материалов с более низкими диэлект-
рическими характеристиками, но с большей скоростью
отверждения, чем у резольных смол.
Фенолоформальдегидные смолы под влиянием электри-
ческих разрядов легко образуют на своей поверхности
проводящие науглероженные следы — мостики. Они не
стойки против действия ползучих разрядов.
143
Для производства некоторых марок слоистых пластиков
применяется жидкая водная фенолоформальдегидная смола
с большим содержанием свободного фенола. Материалы,
Рис. 5-9. Зависимость tg д резольных
смол от времени отверждения при
температуре 105° С.
1 — фенолоформальдегидная смола; 2 —
крезолоформальдегидная смола.
изготовленные с приме-
нением этой смолы, обла-
дают несколько пони-
женными электрически-
ми характеристиками.
Анилинофор м а л ь де-
гидная смола получается
при конденсации анили-
на (C6H5NH2) с формаль-
дегидом. От фенолофор-
мальдегидных смол она
отличается отсутствием
способности полного от-
верждения при высокой
температуре; даже после
длительного воздействия
таковой анилинофор-
мальдегидная смола со-
храняет способность к
размягчению хотя и не
плавится.
Существенным преимуществом анилиновых смол яв-
ляются: слабо выраженная дипольная поляризация и
отсутствие добавочной конденсации при отверждении, что
обеспечивает им большую чистоту и более высокие электро-
Рис. 5-10. Зависимость tg д и диэлектрической проницае-
мости анилиноформальдегидной смолы от частоты.
изоляционные свойства по сравнению с бакелитовыми
смолами и позволяет применять их в качестве высокочастот-
ного материала. Зависимость tg 6 и е анилиноформальде-
гидной смолы от частоты представлена на рис. 5-10. Ани-
144
линоформальдегидная смола после термообработки менее
хрупка, чем фенолоформальдегидные смолы.
К числу смол пространственной конденсации относятся
меламиноформальдегидные и карбамидоформальдегидные
(мочевиноформальдегидные). Первые — продукт конденса-
ции меламина (C3HeNe) с формальдегидом, вторые — про-
дукт конденсации карбамида (мочевины) (NH2)2 -СО с фор-
мальдегидом.
В этих смолах явно выражены дипольные потери,
поэтому они обладают не очень высокими электроизоля-
ционными свойствами.
Их отличительной особенностью является большое вы-
деление газообразных продуктов, в частности азота, при
Рис. 5-11. Зависимость tg д глифталевой смолы
от температуры (по К. А. Андрианову и
С. А. Яманову).
смолах не образуются проводящие науглероженные мо-
стики, как в бакелитовых смолах. Но по сравнению с по-
следними меламино- и карбамидоформальдегидные смолы
имеют меньшую нагревостойкость и большую гигроскопич-
ность. Применяются эти смолы в производстве пластмасс
и лаков.
Глифталевые (алкидные) смолы получают путем про-
странственной поликонденсации глицерина С3Н5(ОН)3 и
фталевого ангидрида (окисленного нафталина); они отно-
сятся к числу так называемых полиэфирных смол.
Глифталевые смолы имеют явно выраженные дипольные
потери (рис. 5-11).
Для их перевода в неплавкое состояние требуется более
высокая температура, чем для фенолоформальдегидных
смол. Даже при температуре выше 150° С скорость отвер-
ждения глифталевых смол остается довольно низкой,
поэтому в изделиях глифталевые смолы бывают обычно
далеко не полностью переведены в неплавкое состояние.
145
При термической деструкции не образуют сильно наугле-
роженных следов.
Глифталевые смолы легко модифицируются, т. е. видо-
изменяются другими смолами, растительными маслами и их
жирными кислотами, эфирами целлюлозы, в силу чего могут
быть получены с различными свойствами. Основное их
применение — производство электроизоляционных лаков
разных назначений и производство слюдяных изоляцион-
ных материалов.
Для производства лаков применяют также пентафтале-
вые смолы, получаемые в результате конденсации фталевого
ангидрида с пентаэритом. Эти смолы имеют некоторые пре-
имущества по сравнению с глифталевыми.
Кремнийорганические смолы — полиорганосилоксаны —
получают по довольно сложной технологии, основными
элементами которой являются реакции гидролиза и кон-
денсации. Термореактивные полиорганосилоксаны отли-
чаются от термопластичных способностью образовывать
сетчатую структуру при помощи силоксановых поперечных
мостиков, как показано на следующей схеме:
R R R R R
I I I I I
-----Si—О—Si—О—Si—О—Si—О—Si—О-----------
I I I I I
R R I R R
О
R R I R R
I I I I I
-----Si—О—Si—О—Si—О—Si—О—Si—О----------
I I I I I
R R R R R
На свойства смол большое влияние оказывает вид ра-
дикала R. Наиболее распространены смолы со следующими
радикалами: метильным (СН3), этильным (С2Н5), фениль-
ным (С6Н6) и винильным(СгНз). Смолы с фенильным ради-
калом — полифенилсилоксаны — обладают большей нагре-
востойкостью. Широкое применение находят также смолы,
содержащие разные радикалы: полиметилфенилсилоксаны и
полиэтилфен илси локсаны.
Отличительными свойствами полиорганосилоксановых
смол являются: высокая нагревостойкость, стойкость против
действия озона и солнечной радиации. На рис. 5-12 пред-
ставлены потери веса смол при длительном нагревании. При
146
полной термической деструкции полиорганосилоксанов не
остается науглероженных проводящих следов.
Рис. 5-12. Потеря веса смол при длительном воздействии
температуры 350° С.
1 — фенолоформальдегидная; 2 — полиметилсилоксановая; 3 — поли-
фенилсилоксановая.
Полиорганосилоксановые смолы обладают высокими
электроизоляционными свойствами, мало изменяющимися
при повышении темпе-
ратуры, как видно из
рис. 5-13.
Большинство полиор-
ганосилоксановых смол
требуют для перехода в
неплавкое состояние вы-
сокой температуры (по-
рядка 180—200° С), что
связано с рядом произ-
водственных затрудне-
ний. В последнее время
получены смолы с более
низкой температурой от-
верждения. Полиоргано-
силоксаны имеют срав-
нительно слабую адге-
зию и довольно низкие
Рис. 5-13. Зависимость tg 6 полиме-
тилфенилсилоксановой смолы (/) и
органической полиэфирной смолы (2)
от температуры.
механические свойства. Сочетание полиорганосилоксановых
смол с органическими, в частности с полиэфирными
смолами, в значительной степени устраняет эти недо-
147
статей. Такие модифицированные смолы имеют пониженную
нагревостойкость по сравнению с чисто кремнийорганиче-
скими смолами.
Для многих целей хорошие результаты дает сочетание
кремнийорганических соединений с другими элементоорга-
ническими соединениями, например полиалюмоорганоси-
локсаны, которые лучше сохраняют гибкость при длитель-
ном воздействии высокой температуры.
Полиорганосилоксановые смолы, немодифицированные
и модифицированные, применяются для производства слои-
стых пластиков, пластмасс, различных лаков и компаундов.
В настоящее время известны чисто органические поли-
меры, обладающие весьма высокой нагревостойкостью. Это
так называемые полиимиды. Они получаются из ангидрида
пиромиллитовой кислоты и соединений, в состав которых
входят амины (диаминодифенилоксид, диаминодифенилсуль-
фид). Из полиимидов получают лаки, позволяющие изготов-
лять эмальпровода с нагревостойкостью выше, чем класс Н,
а также высококачественные пленки. Полиимиды представ-
ляют большой интерес для электромашиностроения и аппа-
ратостроения; они позволяют получить прогрессивную,
высоконагревостойкую изоляцию высокой надежности. Мо-
дифицированные полиимиды, например полиэфиримиды и
полиамидимиды, имеют несколько меньшую нагревостой-
кость, но за то более высокие механические свойства.
К числу продуктов линейной поликонденсации отно-
сится ряд термопластичных смол, некоторые из них спо-
собны к отверждению путем соединения с добавляемыми
отвердителями.
Полиамидные смолы являются типичными термопласти-
ками. В их состав, кроме углерода и водорода, входят азот
и кислород. Полиамиды получаются в результате поликон-
денсации двух основных кислот и гексаметилендиамина.
Эти смолы имеют такую структуру:
- Н Н
—N—(CH2)e—N—С—(CH2)m—С— .
II II
L О О
Представителями этой группы смол являются наш анид,
американский найлон. В зависимости от качества исходного
сырья т получается разным, причем смолы условно обозна-
чаются по его величине: А-4, А-8.
148
Полиамиды получаются также в результате поликонден-
сации капролактама в присутствии небольшого количества
воды. Поликапролактам (капрон) имеет такую структуру:
Г И Н и
I I
—N—(СН2)ОТ—С—N—(CH2)m—С— .
Полиамидные смолы при благоприятных условиях охла-
ждения расплава приобретают кристаллическую структуру.
Детали, получившие при слишком быстром охлаждении
аморфную структуру, путем соответствующей тепловой
обработки могут быть переведены в кристаллическое состоя-
ние, в котором смола обладает большей твердостью.
Полиамиды имеют высокие механические свойства, боль-
шую упругость, малый коэффициент трения, большую
износоустойчивость при трении. Их химостойкость довольно
высока. Электроизоляционные характеристики полиамидов,
являющихся полярными смолами, не очень высоки и сильно
подвержены изменению при воздействии повышенной тем-
пературы и влажности. Способность полиамидов хорошо
перерабатываться в изделия методом литья под давлением
в сочетании с высокими механическими свойствами привела
к широкому применению их для изготовления различных
изоляционно-конструкционных и чисто конструкционных
деталей: каркасов, втулок, а также шестерен для различ-
ных приборов и аппаратов.
Из полиамидных смол изготовляются очень прочные
нити и ткани, применяющиеся в электроизоляционной тех-
нике взамен шелковых, а также пленки.
Полиамидные смолы обладают ограниченной нагрево-
стойкостью — класс А. Созданные в последнее время новые
ароматические полиамиды обладают повышенной нагрево-
стойкостью — до класса Н. Из них получаются очень
прочные волокна с высокой влагостойкостью, из которых
могут изготовляться бумага и картон. Их применение
взамен материалов из целлюлозных волокон позволяет
получить высоконагревостойкую изоляцию с повышенными
эксплуатационными свойствами.
Полиуретановые смолы получаются в результате взаи-
модействия диизоцианатов с многоатомными спиртами и
с соединениями, содержащими аминогруппы (NH2).
149
Полиуретаны могут быть получены как термопластич-
ные, так и отверждающиеся — термореактивные. Такие
возможности объясняются тем, что реакция поликонденса-
ции полиуретанов может быть прервана на промежуточном
этапе, а конечные продукты могут образовываться при
последующей обработке. От полиамидов полиуретаны отли-
чаются меньшей водопоглощаемостью.
Из термопластичных полиуретанов могут быть получены
нити, пряжа, ткани. Нити из полиуретана имеют вдвое
большую прочность на разрыв, чем натуральный шелк.
На основе полиуретанов могут быть получены высокока-
чественные лаки. Полиуретаны могут быть использованы
в качестве пропиточных и заливочных масс, создающих
монолитную изоляцию.
Полиэтилентерефталат (лавсан) является полиэфирной
смолой, продуктом поликонденсации двухатомного спир-
та — этиленгликоля НО—СН2—СН2—ОН с двухосновной
терефталевой кислотой НООС—С6Н4—СООН; он имеет
линейную структуру -----СН2 —СН2 —О—СО—С6Н4 —
Из него могут быть изготовлены высокопрочные пленки и
волокна, пряжа, ткани, а также лаки. Он может быть
в аморфном и кристаллическом состоянии. В кристалличе-
ском состоянии температура плавления 250—260° С. По-
лиэтилентерефталат — полярный диэлектрик, что отра-
жается на его электрических характеристиках (рис. 5-14).
Как видно из рис. 5-14, большое влияние на электрические
характеристики оказывает структура полиэтилентерефта-
лата. Полиэтилентерефталат обладает малой гигроскопич-
ностью.
В последние годы в электроизоляционной технике нашли
широкое применение непредельные полиэфирные смолы.
Они представляю!4 собой смеси непредельных линейных
полиэфиров с низкомолекулярными полимеризующимися
соединениями.
Непредельные линейные полиэфиры получают путем
поликонденсации непредельных кислот (например, малеи-
новой, фумароновой) с двухатомными спиртами (например,
этиленгликолем, диэтиленгликолем и др.).
В качестве низкомолекулярных полимеризующихся сое-
динений могут применяться стирол, винилтолуол и др.
В исходном состоянии непредельные полиэфирные смолы
являются жидкостями. При добавлении к ним различных
катализаторов полимеризации, в частности перекисей (на-
150
пример, перекиси бензоила), происходит реакция сополи-
меризации непредельных полиэфиров с низкомолекуляр-
ными соединениями, вследствие которой образуются не-
плавкие и нерастворимые продукты. Теми же смолами
в соответствующих формах можно залить отдельные узлы
иди целые приборы и аппараты, заключив их, таким обра-
зом, в монолитную, негигроскопичную оболочку. В зали-
вочные смолы (компаунды) можно добавлять минеральный
цаемости полиэтилентерефталата от температуры при
10* гц.
1 — аморфное состояние; 2 — кристаллическое состояние;
3 — ориентировганное состояние.
наполнитель, повышающий твердость, снижающий усадку,
что уменьшает вероятность растрескивания и снижает
стоимость. Полиэфирные смолы применяются и для про-
изводства слоистых пластиков.
Отверждение в зависимости от состава может происхо-
дить без подогрева или с подогревом.
Время сохранения смолы с катализатором полимериза-
ции в рабочем состоянии ограниченное.
Эпоксидные смолы являются вязкими жидкостями или
твердыми веществами в зависимости от молекулярного веса;
это продукты щелочной конденсации эпихлоргидрина с дио-
151
ксидифенилпропаном. Благодаря наличию в молекулах
этих смол реакционноспособных эпоксидных групп
О
/\ они способны вступать в реакцию с раз-
Н2С—От-
личными соединениями — отвердителями, образуя твердые
и неплавкие продукты. Применение в качестве отвердителей
полиаминов обеспечивает отверждение при комнатной тем-
пературе; применение различных ангидридов — малеино-
вого, фталевого и других кислых продуктов требует повы-
шенной температуры. Как правило, смолы горячего отвер-
ждения имеют более высокие свойства, чем смолы холодного
отверждения. Отверждение представляет собой процесс
полимеризации, без выделения летучих продуктов, вслед-
ствие чего усадка при отверждении не велика, в пределах
0,5—2%, что имеет важное технологическое значение.
Обычные эпоксидные смолы с отвердителями — малеино-
вым и фталевым ангидридами — имеют нагревостойкость
класса В. Применение некоторых разновидностей смол и
отвердителей в сочетании с неорганическими наполните-
лями повышает их нагревостойкость до класса Н, повышает
их короностойкость и дугостойкость, которые у обычных
смол низкие.
Ценным свойством эпоксидных смол является очень
высокая адгезия к металлам (особенно легким сплавам),
керамическим материалам, стеклу, термореактивным пласт-
массам, благодаря чему эпоксидные смолы широко приме-
няются в качестве склеивающего материала. Плохую
адгезию имеют эпоксидные смолы к термопластичным мате-
риалам. Они применяются для высококачественной литой
изоляции (пропитка и заливка) различных деталей и аппа-
ратов, в том числе высоковольтных, например, для измери-
тельных трансформаторов тока и напряжения. Для повыше-
ния механических свойств литой изоляции, уменьшения
усадки и предотвращения растрескивания при сменах тем-
пературы вследствие разных значений температурных
коэффициентов расширения смолы и металла залитых
изделий в смолу для литой изоляции вводят разные на-
полнители.
Эпоксидные составы применяются для изготовления
высококачественной термореактивной стеклослюдяной изо-
ляции высоковольтных электрических машин, а также
в производстве слоистых пластиков и электроизоляционных
лаков.
152
Благодаря наличию в своем составе групп атомов с ди-
польными моментами эпоксидные смолы имеют дипольные
потери, tg 6 у них при 50 гц имеет величину нескольких
тысячных долей единицы. Гигроскопичность этих смол не
велика.
Перспективным прогрессивным полимером является по-
ликарбонат — термопластичный полимер, являющийся аро-
матическим полиэфиром угольной кислоты. При длительном
нагревании при 80—130° С поликарбонат кристаллизуется,
что придает определенную жесткость и повышает теплостой-
кость. Закристаллизованный поликарбонат плавится при
температуре 268° С, обычный — при 220—230° С, размяг-
чается при 140° С. Поликарбонат имеет высокие электри-
ческие и механические свойства, он хймо- и влагостоек,
практически не изменяется при кипячении в воде.
Из поликарбоната получают пленки, имеющие нагрево-
стойкость класса В, и детали методом литья под давлением.
5-6. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОПИТКИ И ЗАЛИВКИ
Для пропитки всевозможных обмоток и волокнистых
материалов широко применяют лаки — жидкие материалы,
являющиеся растворами того или иного пленкообразую-
щего вещества в том или ином растворителе. Пленкообра-
зующее вещество является лаковой основой, которая в виде
пленки, остающейся после высыхания лака, используется
в качестве твердого диэлектрика.
По применению лаки делятся на три основные вида:
пропиточные, покровные и клеящие. Пропиточные лаки
применяются для пропитки изоляции обмоток электриче-
ских машин и аппаратов; они повышают электрическую
прочность изоляции, уменьшают ее гигроскопичность, повы-
шают теплопроводность и нагревостойкость органических
волокнистых материалов, цементируют между собой от-
дельные витки обмотки. Назначение этих лаков — запол-
нение пор изоляции обмоток. Особые пропиточные лаки
используются для производства лакотканей, лакобумаг.
Покровные лаки бывают разного назначения. Одни
применяются для получения на поверхности твердой изоля-
ции, часто предварительно пропитанной пропиточными
лаками, защитной пленки, твердой, гладкой, влаго- и химо-
стойкой; такие пленки предохраняют изоляцию и от повре-
ждений механически менее прочной пленки пропиточного
лака и от проникновения внутрь изоляции или обмоток
153
пыли и грязи, химически активных реагентов и от действия
поверхностных искровых разрядов. В покровные лаки
нередко вводят мелкодисперсный неорганический напол-
нитель, который повышает твердость пленки, искростой-
кость, теплопроводность, окрашивая ее одновременно в опре-
деленный цвет, т. е. являясь пигментом (красителем).
Такие пигментированные лаки обычно называют эмалями.
Лаки, непосредственно наносимые на металл, также назы-
вают эмалями, хотя они могут и не содержать никакого
пигмента — наполнителя. Они применяются для произ-
водства обмоточных эмальпроводов, для получения изоля-
ционного слоя на поверхности листовой электротехнической
стали.
Клеящие лаки применяются для получения некоторых
видов электрической изоляции путем склеивания между
собой тех или иных полуфабрикатов, например, щипаной
листовой слюды между собой и с волокнистыми подложками
в производстве слюдяной изоляции, ролевого картона
с пленками в производстве пленкоэлектрокартона и т. д.
Желательно, чтобы лаковые пленки всех лаков, незави-
симо от области их применения, обладали возможно луч-
шими электроизоляционными, механическими и физиче-
скими свойствами, в частности большой влагостойкостью.
Но поскольку таких универсальных материалов, удовле-
творяющих в одинаковой степени хорошо всем требованиям
не существует, к лакам разных областей применения предъ-
являются неодинаковые требования.
Пропиточный лак должен хорошо пропитывать волок-
нистую изоляцию, заполняя все поры; высыхать он должен
равномерно по всей толщине пропитываемого материала,
по всему сечению пропитанной обмотки; пленки пропиточ-
ного лака должны быть достаточно гибкими, чтобы не сни-
жать гибкость пропитываемого волокнистого материала;
лак, применяющийся для пропитки обмоток, особенно вра-
щающихся, должен хорошо цементировать друг с другом
витки обмоточных проводов, которые могут быть изолиро-
ваны волокнистыми материалами или одними лаковыми
пленками (эмаль — провод).
Пропиточный лак для вращающихся обмоток должен
давать пленку, не выбрызгивающуюся из обмотки при вы-
сокой температуре и большом числе оборотов, и не оказы-
вать химического воздействия на сам провод.
Пленка покровного лака должна обладать хорошей
адгезией к покрываемому материалу, повышенной твер-
154
достью и механической прочностью, большой плотностью,
искростойкостью, химостойкостью, влагостойкостью. Эта
пленка должна быть гладкой и нелипкой, чтобы на ней не
задерживалась всевозможная пыль и другие загрязнения.
Для клеящих лаков определяющим свойством является
адгезия пленки к поверхности соответствующих склеивае-
мых материалов.
Качество лаковых пленок определяется в основном
пленкообразующим веществом. Поэтому особое значение
имеет классификация лаков по основному пленкообразую-
щему веществу. По этому признаку лаки разделяются
на: 1) смоляные, 2) масляные, 3) масляно-смоляные, 4) мас-
ляно-битумные, 5) эфироцеллюлозные. Последние в элект-
ромашине- и аппаратостроении имеют очень ограниченное
применение.
Лаки могут быть воздушной (холодной) сушки и печной
(горячей) сушки. Первые для получения твердой пленки не
требуют повышенной температуры; процесс высыхания
заключается в испарении легко летучего растворителя.
Лаки печной сушки требуют для образования твердой
пленки повышенной температуры, чтобы после испарения
растворителя вызвать необходимое отверждение пленко-
образующего вещества. Последнее необходимо при исполь-
зовании в качестве лаковой основы термореактивных смол
или растительного масла. В первом случае нагрев необхо-
дим, чтобы перевести лаковую пленку в неплавкое, нерас-
творимое состояние, во втором — для окисления масла.
Окислительный процесс отверждения масляных пленок
приводит к неровному высыханию по толщине: наружные
слои окисляются скорее, вызывая появление поверхност-
ной пленки, затрудняющей высыхание внутренних слоев.
Этот недостаток не устраняется применением ускорителей
сушки масляных лаков — сиккативов. Таким недостатком
не обладают некоторые новые пропиточные лаки, так назы-
ваемые термореактивные, равномерно высыхающие в тол-
стом слое; основным пленкообразующим веществом в этих
лаках являются синтетические смолы.
Первой стадией сушки любого лака является испарение
растворителей, остатки которого улетучиваются через фор-
мирующуюся пленку. В силу этого пленки всех лаков обла-
дают известной пористостью, через которую могут проникать
молекулы паров воды. Поэтому лаковые пленки являются
ограниченной защитой от действия влаги, хотя они могут
значительно сократить скорость проникновения влаги.
155
При работе с лаками следует иметь в виду, что пары
многих растворителей (бензол, толуол) токсичны.
В настоящее время особенно большое значение в качестве
лаковой основы имеют искусственные смолы.
Полихлорвиниловые и перхлорвиниловые лаки являются
растворами соответствующей смолы в смеси бутилацетата,
ацетона, толуола и тому подобных растворителей. Их
отличительной особенностью является высокая водо- и
химостойкость; пленки этого лака стойки против действия
кислот, щелочей, хлора, аммиака. Поэтому эти лаки при-
меняются главным образом как покровные для покрытия
обмоток низковольтных двигателей с повышенной химо-
стойкостью.
Бакелитовый лак —- раствор феноло- или крезолофор-
мальдегидной смолы в спирте. Высыхает на воздухе, но
требует запечки для перевода в стадию С. Во избежание
образования пузырей перед печной сушкой необходима
хорошая воздушная сушка и постепенное повышение тем-
пературы. Применяется главным образом в производстве
слоистых пластиков некоторых видов, иногда для пропитки
обмоток, когда требуется сильная цементация и допускается
известная хрупкость.
Пропиточные глифталевые лаки изготовляются обычно
из смолы, модифицированной растительными маслами или их
жирными кислотами для получения более гибкой пленки.
Пленки этих лаков, обладают хорошей цементирующей
способностью, маслостойкостью, но при недостаточной
запечке имеют повышенную гигроскопичность. Для уско-
рения перевода в неплавкое состояние в глифталевые и
глифтале-масляные лаки часто вводится меламиноформаль-
дегидная смола. Глифтале-масляные лаки применяют для
пропитки обмоток, работающих в масле. В большинстве
случаев глифтале-масляные лаки являются лаками печной
сушки.
На основе глифтале-масляных лаков изготовляются
покровные пигментированные эмали печной сушки марки
ГФ-92-ГС с добавлением сиккатива и эмали воздушной
сушки марки ГФ-92-ХС. Эмаль ГФ-92-ГС применяется
главным образом для покрытия обмоток электрических
машин; эмали ГФ-92-ХС серая и ГФ-92-ХС красная —
для отделки различных деталей аппаратов и приборов,
а также электрических машин. Некоторые глифтале-масля-
ные лаки являются клеящими для производства гибкой
слюдяной изоляции. Растворителями для глифтале-масля-
156
ных лаков обычно бывают смеси специального лакового
бензина с толуолом или бензолом. Чисто глифталевые
лаки — растворы глифталевой смолы в смеси этилового
спирта с бензолом или толуолом — применяются преиму-
щественно в производстве слюдяной изоляции.
На основе глифталевых и модифицированных феноло-
формальдегидных смол изготовляются термореактивные
пропиточные лаки класса В (под марками ФЛ-98 и АФ-17)
с высокой цементирующей способностью.
На основе кремнийорганических смол могут быть полу-
чены высококачественные лаки для разных областей при-
менения: для пропитки обмоток электрических машин и
различных аппаратов с высокой рабочей температурой до
класса Н включительно, с повышенной влагостойкостью;
для поверхностной отделки пропитанных обмоток в качестве
покровных эмалей; для производства стеклолакотканей,
стеклотекстолита; для производства клееной слюдяной
изоляции, обладающей повышенной нагревостойкостью.
Кремнийорганическим лакам присущи следующие не-
достатки: малая цементирующая способность, в большинстве
случаев высокая температура запечки. Пленки кремнийор-
ганических лаков обладают хорошей короностойкостью,
но малой масло- и химостойкостью.
Для получения высококачественной изоляции электри-
ческих машин после пропитки их кремнийорганическими
лаками необходима довольно длительная сушка при темпе-
ратуре не ниже 200° С. Хотя современные кремнийоргани-
ческие лаки высыхают и при более низкой температуре,
но высокой влагостойкости, твердости и оптимальной
адгезии их пленки достигают только при достаточно высокой
температуре сушки. Пигментированные покровные кремний-
органические эмали при недостаточной температуре сушки
дают недостаточно твердую пленку, размягчающуюся при
рабочих температурах; к поверхности ее легко пристает
пыль от износа щеток в машинах постоянного тока. При
хорошей сушке эти недостатки исчезают. Кремнийоргани-
ческая изоляция электрических машин отличается быстрым
восстановлением сопротивления при сушке после увлаж-
нения. Ни один вид изоляции на основе органических
полимеров не может в этом отношении сравниться с кремний-
органической. Для ремонтных целей может быть применена
эмаль ПВЭ, высыхающая даже при температуре 20° С,
хотя для более высокого качества покрытия рекомендуется
сушка при 105° С.
157
А, К. Варденбургом разработаны так называемые лаки
без растворителей. Фактически это не лаки, а смеси поли-
эфирных смол, жидких при комнатной температуре, но
отверждающихся путем полимеризации при повышенной
температуре с добавлением катализаторов (например, пе-
рекиси бензоила). Эти составы серии КП (компаунды поли-
эфирные) при отверждении не выделяют никаких летучих,
что обеспечивает получение монолитных пленок с хорошей
цементирующей способностью. Нагревостойкость их не выше
класса В. Отсутствие пожароопасных растворителей и
большая скорость отверждения при повышенной темпера-
туре позволяют механизировать операции пропитки и сушки
обмоток с включением этих операций непосредствен-
но в поточное производство деталей электрических
машин.
Основой масляных лаков являются высыхающие расти-
тельные масла, преимущественно льняное и тунговое.
Возможно применение и других масел, например хлопко-
вого. Тунговое масло получается из семян тунгового дерева.
Наиболее высокое качество имеет масляная пленка из смеси
тунгового масла с льняным при достаточно большом содер-
жании тунгового масла. Тунговое масло затвердевает по
толщине при сушке пленки несколько равномернее, чем
льняное. Это объясняется тем, что при отверждении
тунгового масла известную роль играет процесс полиме-
ризации. Тунговое масло в СССР — в основном предмет
импорта.
Масляные лаки являются, как правило, лаками печной
сушки (температура свыше 100° С).
Пленки масляных лаков отличаются большой гибкостью,
но сравнительно малой твердостью и заметной гигроскопич-
ностью; они сравнительно быстро стареют при повышенной
-температуре и доступе воздуха за счет последующего окис-
ления. Лаки на основе тунгового масла менее гигроскопичны
и менее подвержены тепловому старению. В состав масляных
лаков часто входят продукты обработки канифоли, которые
являются ускорителями сушки, но одновременно пленко-
образующими материалами.
Тепловое старение замедляется с уменьшением количе-
ства введенного в лак ускорителя сушки. Поэтому долго сох-
нущие лаки являются обычно более стойкими против теп-
лового старения. Растворителями масляных лаков являются
обычно бензин; скипидар, иногда с добавлением бензола,
толуола, ксилола.
158
Применяются масляные лаки преимущественно для про-
изводства лакотканей и лакобумаг, а также некоторых марок
эмальпроводов. Пленки масляных лаков стойки против
действия нефтяных масел. В ближайшие годы в производ-
стве эмальпроводов намечено заменить масляные лаки
синтетическими.
В настоящее время довольно широкое применение для
пропитки обмоток низковольтных машин нашел впервые
разработанный в СССР так называемый масляный водно-
эмульсионный лак без растворителей, представляющий
собой масляноводную эмульсию. В строгом понятии тер-
мина «лак» этот материал, фактически не являющийся
раствором пленкообразующего вещества, не есть лак.
Пленки этого лака имеют практически такие же свойства,
как и пленки обычного масляного лака, но водноэмульсион-
ный лак значительно дешевле, пожаро- и взрывобезопасен
и безвреден. Масляные водноэмульсионные лаки очень
удобны для массового поточного производства. При их
применении происходит гидролитическое повреждение изо-
ляции обмоточных проводов, в частности эмалированных,
в процессе сушки после пропитки, вследствие чего их не
следует считать перспективными.
Кроме масляных водноэмульсионных лаков, известны
и смоляные водноэмульсионные лаки, которые могут
заменять масляные водноэмульсионные лаки, им присущи
общие недостатки водных лаков.
Основой масляно-битумных лаков является смесь расти-
тельных масел с битумами (твердыми углеводородами).
Благодаря наличию битумов эти лаки имеют черный цвет.
Битумы бывают искусственные (нефтяные), получаемые при
переработке нефти, и естественные (ископаемые) — асфальты
и асфальтиты. У нас преимущественное применение имеют
нефтяные битумы. Битумы являются типичными термопла-
стичными материалами. Температура размягчения биту-
мов колеблется в довольно широких пределах. При темпе-
ратуре 270—280° С они хорошо растворяются в льняном
масле, что используется для получения масляно-битумных
лаков. В производстве электроизоляционных лаков наи-
большее применение находят спецбитумы с повышенной
температурой размягчения в пределах ПО—135° С (по
методу кольца и шара). Битумы не гигроскопичны.
Пленки масляно-битумных лаков менее гигроскопичны,
чем чисто масляных лаков, имеют более высокие электри-
ческие характеристики, но менее стойки против действия
159
растворителей и минерального масла. Известной маслостой-
костью обладают так называемые жирные лаки с большим
содержанием масла. Жирные лаки дают более гибкие
пленки и имеют большее применение, чем тощие (с малым
содержанием масла). Жирные лаки обычно печной еушки;
тощие лаки могут быть лаками воздушной сушки. Раство-
рителями масляно-битумных лаков являются: уайт-спирит,
толуол, ксилол, сольвент, скипидар. В качестве разбави-
теля' может быть применен бензин.
Масляно-битумные лаки применяются для пропитки
обмоток (по нагревостойкости до класса В). Масляно-битум-
ные лаки применяются для производства лакотканей,
а также в качестве склеивающих материалов в производстве
различных видов слюдяной изоляции. Сейчас широкое
применение получили полиэфирно-эпоксидные лаки с раз-
ным соотношением полиэфирных и эпоксидных смол. На
этой основе известны высококачественные пропиточные лаки
класса нагревостойкости F с хорошей цементирующей
способностью при высокой температуре и при тепловом
старении, а также склеивающие лаки для слюдяной изоля-
ции класса F. Недостатком этих лаков является значитель-
ное снижение объемного сопротивления их пленок при
высоких температурах, что не исключает возможности
успешного применения их в большом количестве машин,
в том числе в мощных двигателях для прокатных станов.
В табл. 5-2 даны характеристики некоторых пропиточ-
ных лаков соответствующие ГОСТ и ТУ (техническим усло-
виям).
По значению слова компаундом является любой сложный
состав. В электроизоляционной технике под компаундами
подразумеваются обычно составы, применяющиеся в ка-
честве материалов для пропитки обмоток электрических
машин (пропиточные компаунды), для заливки различных
электротехнических устройств, с целью получения водо-
и влагостойкой изоляции (заливочные компаунды), и для
заполнения пустот и обмазок в некоторых изоляционных
конструкциях (обмазочные компаунды). Некоторые ком-
паунды являются одновременно и пропиточными и заливоч-
ными.
По своему составу компаунды могут быть разделены на
битумные и смоляные.
Битумные компаунды термопластичны; при комнатной
температуре они тверды; для пропитки и заливки их плавят,
после чего они, охлаждаясь, затвердевают, не теряя спо-
160
Таблица 5-2
Характеристики некоторых пропиточных лаков
Марка лака
Характеристики лаков Масляно-битум- ный № 447 Маслгно-глитале- вый ГФ-95 Меламино-масля- но-глифталевый МЛ-92 Алкидно-резоль- ный ФЛ-98 Полиэфирно- эпоксидный ПЭ-933 Кремний-органи- ' ческий К-47к
Время сушки, ч, не более,
при:
105—110° С 6 2 1 — — —
120° С — — — 2 — —
150—155° С — — — — 2 —
200° С — — — — — 0,25
Термоэластичность, ч, не
менее, при:
150° С 7 48 24 30 — —
180° С — — — — 24 —
200° С — — — — — 50
Электрическая прочность о/жж, не менее, при:
20° С 55 70 60 70 80 60
90° С 25 — — — — —
155° С — — — — 40 —
200° С — — — — — 30
После выдержки 24 ч в воде при- 20° С 22 20 30 40 40 —
После выдержки при 95% относительной влажности
24 ч при 20° С — — — — — 25
pD ом* см, не менее, при:
20° С — — 5- 1013 — 1 . 1014 1 . 1013
155° С — —- — — 1.1010 —
200° С — — — — — 1.1012
После выдержки при 95% относительной влажности
24 ч при 20°С — — 5 • 1012 — 1.1014 1.1012
6 Ю. В. Корицкий
161
собности плавиться. Смоляные компаунды обычно термо-
реактивны; при комнатной температуре часто жидки; после
пропитки и заливки их отверждают, после чего они уже
не плавятся. Битумные компаунды могут быть пропиточные
или заливочные. Для пропитки обмоток высоко вольных
электрических машин применяют битумные компаунды,
представляющие собой смесь специальных битумов, с повы-
шенной температурой размягчения, с растительным маслом,
иногда с канифолью. Иногда применяется и чистый битум,
например ухтинский.
Термопластичность и малая механическая прочность
битумных компаундов делают их мало надежными для
современных сверхмощных генераторов. Здесь находят
применение термореактивные компаунды на основе эпо-
ксидных и полиэфирных смол.
Заливочные битумные компаунды представляют собой
обычно битум с добавками вязких нефтяных масел и мине-
ральных порошкообразных наполнителей, например талька.
Добавка масла несколько снижает температуру размягче-
ния, но повышает морозостойкость (битумы имеют склон-
ность к растрескиванию при низких температурах); мине-
ральный наполнитель снижает усадку при затвердевании,
что имеет существенное значение, ибо сам битум имеет при
охлаждении большую усадку, а также снижает склонность
к растрескиванию. Битумные компаунды имеют слабую
адгезию к металлу, что важно при заливке металлических
корпусов и муфт. Кроме заливки муфт, битумные ком-
паунды применяют при заливке разных устройств, например
специальных трансформаторов, катушек зажигания авто-
мобилей и пр. К числу смоляных компаундов относятся
компаунды КГМС — композиции из полиэфирных смол со
стиролом, отверждающиеся при добавлении перекиси бен-
зоила и повышенной температуре (иногда при комнатной);
они могут применяться для пропитки и заливки разных
катушек и мелких трансформаторов, работающих при тем-
пературах от —60 до 4-120° С. Компаунды МБК получают
на основе метакриловых эфиров; инициатором отверждения
является обычно перекись бензоила. Для удешевления,
уменьшения усадки, повышения твердости и рабочей темпе-
ратуры в него можно вводить минеральный наполнитель:
кварцевую муку, тальк и др. При этом надо учитывать,
что наполнитель снижает пропитывающую способность.
Без наполнителя компаунд МБК хорошо пропитывает
разные обмотки. Для повышения эластичности в компаунд
162
можно вводить пластификаторы. В зависимости от рецеп-
туры компаунды могут быть холодного и горячего отвер-
ждения. Для компаундов без наполнителей интервал рабо-
чих температур от —60 до +105° С, с наполнителем от
—60 до +120° С. Компаунды МБК водо- и влагостойки, не
подвержены растрескиванию. Широко применяются для
пропитки и заливки обмоток электрооборудования, узлов и
блоков всевозможной аппаратуры.
Эпоксидно-полиэфирные и чисто эпоксидные компаунды
находят широкое применение в качестве пропиточных и
заливочных компаундов. Их применение позволяет корен-
ным образом усовершенствовать конструкцию аппаратов,
например, отказаться от кожуха с заливкой маслом и про-
ходным изолятором в трансформаторах тока и напряжения.
Эти компаунды создают высококачественную монолитную
изоляцию с высокой водо- и влагостойкостью, морозостой-
костью до —60° С при небольшой толщине слоя компаунда
(порядка 1 мм). Для повышения морозостойкости полезно
добавлять минеральный наполнитель. Отвердители могут
применяться разные: ангидридовые и аминовые; качество
отвержденной смолы сильно зависит от примененного от-
вердителя. Вопрос о применении литой эпоксидной изоля-
ции высоковольтных аппаратов для наружной установки
находится в стадии разработки.
Обмазочные компаунды представляют собой пастообраз-
ные материалы, отверждающиеся после их нанесения.
В их состав входят обычно различные полимерные мате-
риалы и наполнители. Такие компаунды применяются,
в частности, для обмазки лобовых частей обмоток электри-
ческих машин, для придания им поверхностного защитного
слоя повышенной надежности, а также для заполнения
пространств между петушками коллекторов быстроходных
якорей, заливки мест соединений выводных концов обмоток
двигателей с подводящими проводами.
Ограниченное применение, преимущественно в технике
слабых токов для пропитки бумажных конденсаторов и
заливки некоторых конструкций, имеют воскообразные
диэлектрики как естественного происхождения, так и син-
тетического: парафин, церезин, галовакс, олеовакс. Они
обладают, как правило, хорошими электрическими свой-
ствами, мало гигроскопичны, но имеют невысокую темпе-
ратуру плавления (от 50 до 130° С) и малую механическую
прочность.
6*
163
5-7. СКЛЕИВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ; КЛЕИ
В настоящее время склеивающие материалы — клеи — находят
все более широкое применение в электроаппарате- и приборостроении,
а также в производстве небольших электрических машин. Это объяс-
няется прежде всего разработкой и освоением клеев с высокой адгезией,
обеспечивающей высокую механическую прочность клеевых соединений.
Следует также иметь в виду и такое преимущество клеевых соединений,
как обеспечение совершенно рановмерного распределения механических
напряжений в клеевых соединениях, чего нельзя добиться в других сое-
динениях, включая и сварочные швы, в которых неизбежна некоторая
неравномерность механических напряжений.
В промышленности широко применяются клеи серии БФ, пред-
ставляющие собой раствор модифицированной фенольной смолы в спир-
те. Твердая пленка этого клея образуется при воздушной сушке, но
для получения наиболее прочного клеевого шва рекомендуется тепло-
вая обработка склеиваемых деталей для перевода смолы в неплавкое
состояние, обеспечивающее наиболее высокую механическую прочность
клеевого соединения. Из клея БФ трех марок — БФ-2, БФ-4 и БФ-6 —
первые два применяют для склеивания различных металлов и сплавов
(алюминий, медь, сталь), а также для склеивания различных электро-
изоляционных материалов: керамики, стекла, пластмасс, картонов.
Возможно склеивание перечисленных материалов в различных сочета-
ниях.
Прочность клеевых соединений клея марки БФ-2 и БФ-4 практи-
чески одинакова, но первый дает более жесткую пленку. Представле-
ние о прочности склеивания дает следующее требование из технических
условий на клей БФ: при комнатной температуре прочность склеива-
ния дюраля с дюралем должна быть не менее 100 кГ/см2, а при 60° С
для БФ-2 не менее 65 кГ/см2, для БФ-4 — не менее 60 кТ/см2. Пленки
клея БФ-2 обладают большей нагревостойкостью. Пленки клея марок
БФ-2 и БФ-4 после воздушной сушки и последующей термообработки
при 105° С в течение 3 ч имеют вполне удовлетворительные электроизо-
ляционные свойства, как видно из следующих результатов их испыта-
ний: электрическая прочность в исходном состоянии при комнатной
температуре у БФ-2 была 78 кв/мм, у БФ-4 — 98 кв/мм; при 90° С
соответственно 60 и 50 кв!мм, после 24 ч пребывания в воде — 43 и
48 кв/мм; удельное объемное сопротивление для клея тех же марок
соответственно: при комнатной температуре в исходном состоянии
6* 1014 и Ь 1015 ом- см, а после 24 ч пребывания в воде 5* 1011 и
5* 1012 ом* см. Клей БФ-6 отличается очень высокой эластичностью
клеевой пленки, что позволяет использовать его для склеивания раз-
личных тканей.
Разные клеи требуют разной технологии склеивания. Но есть не-
которые общие правила. К их числу относится прежде всего требова-
ние чистоты склеиваемых поверхностей, для чего обычно прибегают к
обезжиривающей обработке их, в частности промывке соответствующими
растворителями. Для получения наилучшего результата требуется вы-
держивать толщину клеевого шва в определенных пределах, оптималь-
ных для разных клеев. Склеиваемые детали должны быть прижаты друг
к Другу с достаточным усилием. Большое значение имеет термообработка
склеиваемых деталей, особенно при применении термореактивных клеев.
Клей БФ наносится на обе склеиваемые тщательно очищенные поверх-
ности кистью или пульверизатором, иногда и просто поливом; после
подсушки первого слоя примерно в течение 1 ч на воздухе и 15 мин
164
при 55—60° С наносится второй слой, проходящий такую же сушку
с последующим прогревом при 85—90° С в течение 10—20 мин. Подго-
товленные таким образом склеиваемые поверхности соединяются друг
с другом при давлении от 5 до 15 кГ/см2. Отверждение клеевого шва
производят в течение от 0,5 до 1 ч при 150° С после нагрева склеиваемых
деталей до этой температуры.
За последние годы широкое применение нашли клеи на основе
эпоксидных смол как холодного, так и горячего отверждения. Как пра-
вило, клеи горячего отверждения дают более высококачественный кле-
евой шов. Эпоксидные клеи практически склеивают все металлы и
сплавы, хотя особенно хорошие результаты получаются при склеива-
нии легких металлов и сплавов, в частности алюминиевых. Из числа
неметаллических материалов эпоксидные клеи слабо склеивают только
термопластичные пластмассы. Для холодного отверждения эпоксидных
клеев в качестве ртвердителей обычно применяют полиэтиленполиамин
или гексаметилейдиамин, а для горячего отверждения разные ан-
гидриды. Высокая механическая прочность эпоксидных клеевых швов
объясняется как особенностями строения молекул самой смолы, в ча-
стности наличием концевых полярных эпоксигрупп, так и очень малой
усадкой при отверждении, отсутствием выделения разных побочных
продуктов. При применении эпоксидных клеев некоторые затруднения
вызывает малый срок жизни подготовленного состава с отвердителем.
В настоящее время известен и ряд других клеев, в частности пле-
ночных, работа с Которыми производится по такой технологии: из
пленки вырезают соответствующей формы прокладки, закладывают
между соединяемыми деталями, которые в зажатом состоянии проходят
термообработку.
Для клеевых электропроводящих соединений в различных элект-
рических схемах применяются специальные клеи — контактолы, на-
полненные серебряным порошком.
5-8. ПРОПИТАННЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Древесина применяется обычно в пропитанном состоя-
нии, причем используется она чаще всего как конструк-
ционно-изоляционный материал. Древесине присущи мно-
гие недостатки, которые сильно ограничивают ее примене-
ние. Прежде всего следует отметить ее большую неоднород-
ность, обусловленную самой природой древесины. Наличие
в древесине, кроме ее основы — клетчатки, различных
сопутствующих соединений, в том числе различных солей,
включая водорастворимые, а также пористость приводят
к тому, что качество древесины как диэлектрика невысоко.
В сыром виде древесина вообще не может использоваться
как электроизоляционный материал вследствие недостаточно
высокого удельного объемного сопротивления. Древесина —
материал сильно анизотропный. Основными направлениями
в древесине являются продольное (вдоль волокон) и попе-
речное (радиальное). Большим недостатком древесины
165
является горючесть, а также гигроскопичность, устранить
которую полностью не в состоянии никакая пропитка. Для
конструкционно-изоляционных деталей применяют обычно
древесину лиственных пород. Для работы в трансформа-
торном масле применяют бук и граб, для работы в воздухе —
бук, граб, ясень. В трансформаторах с масляным заполне-
нием из древесины изготовляют крепления отводов, при
классе напряжения до 10 кв из древесины изготовляют также
рейки, образующие вертикальные каналы. В высоковольт-
ной аппаратуре древесина применяется в масляных выклю-
чателях (например, для изготовления фанерных раздели-
тельных перегородок), а также в некоторых конструкциях
так называемых штанг-деталей, приводящих в движение
подвижной .элемент аппарата. В электрических машинах
древесина применяется в виде пазовых клиньев и дистан-
ционных колодок (в лобовых частях обмоток). В случаях
работы древесины в воздухе она пропитывается льняным
маслом (с последующей лакировкой) или фенолоформаль-
дегидной смолой. От влажности древесины зависят не
только ее электрические, но и механические свойства.
Представление о механической прочности древесины лист-
венных пород дает табл. 5-3, в которой приведены механи-
ческие характеристики воздушно-сухой древесины.
Таблица 5-3
Механические характеристики воздушно-сухой древесины
Вид древесины Предел прочности при сжатии вдоль волокон, кГ[см? Предел прочности при растяжении, кГ[см* Предел проч- ности при изгибе поперек волокон, кГ!см?
вдоль волокон поперек волокон
Ясень 550 1 170 620 980
Бук 380 1050 630 660
Береза 560 1070 520 860
После длительного пребывания в минеральном масле
механическая прочность древесины снижается. Пропитка
олифой и фенолоформальдегидной смолой с последующей
запечкой повышает механическую прочность. У бука,
пропитанного олифой, удельное объемное сопротивление
равно 1 -1010—1 *1012 ом -см в зависимости от направления,
а электрическая прочность не превосходит 70 кв!см. Наи-
166
меньшую электрическую прочность древесина имеет вдоль
волокон. Для работы в воздухе рекомендуется производить
пропитку готовых деталей, полученных путем механи-
ческой обработки древесины.
При сушке древесины необходимо соблюдать ряд пра-
вил, предохраняющих ее от растрескивания.
Необходимо добиваться, чтобы в древесине сохранялось
наибольшее количество пропиточного материала. Для этой
цели при пропитке древесины в олифе (вареном раститель-
но^ масле) или в трансформаторном масле, осуществляемой
обычно методом проварки, следует охлаждать древесину
непосредственно в пропитывающей жидкости. Пропитка
древесины может производиться при атмосферном давлении
или под вакуумом при температуре НО—130° С. В послед-
нем случае пропитка происходит более полно и быстро.
При пропитке смолами или лаками рекомендуется предва-
рительное вакуумирование с последующей пропиткой под
давлением. После пропитки олифой, термореактивной смо-
лой или лаком необходима* последующая термообработка
для отверждения пропиточного состава. Не рекомендуется
применять на воздухе древесину, пропитанную трансфор-
маторным маслом, так как при нагревании масло будет
вытекать, особенно из вращающихся деталей; кроме того,
поверхность деталей, пропитанных маслом, легко покры-
вается пылью.
Электроизоляционные бумаги и картоны, пропитанные
нефтяными маслами (трансформаторным, кабельным, кон-
денсаторным), обладают весьма высокой электрической
прочностью. Электрическая прочность этих целлюлозных
материалов почти не уменьшается даже при длительном
тепловом старении в масле и окислении последнего при
условии, что неизбежный рост tg S не приводит к электро-
тепловому пробою. Последний обычно не имеет места в мас-
лонаполненных трансформаторах, а потому бумажная и
картонная изоляция широко применяется в них. Кабельная
бумага используется в трансформаторах для изоляции
обмоточных проводов и отводов, для межслойной изоляции
катушек; картон используется для главной изоляции (ци-
линдры, угловые шайбы), для ярмовой изоляции, всевоз-
можных дистанционных прокладок и реек. Отдельные
изоляционные детали из картона получают путем склеи-
вания их бакелитовым лаком или казеиновым клеем.
Поскольку обмотки масляных трансформаторов обычно
пропитывают лаками (в частности, меламино-глифтале-
167
масляными), вся бумажная и картонная изоляция их также
пропитывается вместе с ними. Такие детали, как цилиндры
и угловые шайбы, лаками обычно не пропитывают.
Представление о стабильности электрической прочности
целлюлозного картона при работе в трансформаторном
масле дает табл. 5-4, в которой показано изменение электри-
ческой прочности картона при 20 и 90° С в зависимости от
времени проварки в масле при 105—110° С; пробой про-
изводился как при плавном подъеме напряжения, так и по
минутной методике (быстрый подъем напряжения до 50%
от значения, полученного при плавном подъеме, выдержка
в течение 1 мин с последующим подъемом напряжения
ступенями по 10% с выдержкой на каждой ступени по
1 мин).
Таблица 5-4
Электрическая прочность картона, проваренного
в трансформаторном масле
Время проварки, ч Электрическая прочность при плавном повышении напряжения, кв!мм Электрическая прочность по минутной методике, в процентах от значений при плавном повы- шении напряжения
при 20° С | при 90° С при 20° С | при 90° С
24 41 35 90 80
72 58 46 70 70—80
750 52 49 70 80
1300 49 46 80 70—80
Следует иметь в виду, что длительная проварка бумаж-
ной изоляции вызывает тепловое старение — снижает ее
механические свойства, в частности, вызывает появление
хрупкости. При этом большое значение имеет стабильность
самой жидкости. Представление об этом дает табл. 5-5,
в которой показаны результаты испытания на изгиб ка-
бельной бумаги, проваренной в трансформаторном масле
(окисляющейся жидкости) и в соволе (практически неокис-
ляющейся жидкости).
Электроизоляционные лакоткани изготовляют путем
пропитки ткани — основы — соответствующими лаками на
вертикальных пропиточных машинах, в результате чего
получается гибкий тонкий материал, с обеих сторон по-
крытый лаковой пленкой На машине ткань проходит через
пропиточную ванну с лаком поднимается в вертикальную
сушильную шахту, огибает перевальный валик, опускается
168
вниз. Обычно используются машины трехкратной пропитки,
с тремя ваннами, через которые последовательно проходит
пропитываемая ткань, наматываемая после третьей про-
питки и сушки в рулоны.
Таблица 5-5
Результаты испытания на излом кабельной бумаги после
старения в масле и соволе
Число двойных перегибов
в продольном в поперечном
направлении направлении
Исходное состояние 1478 337
В соволе при 105°С 72 ч 1 127 168
> » » 105° С 440 ч 30 14
> > > 125° С 72 ч 291 НО
» > » 125° С 840 ч 0 0
В масле при 105°С 72 ч 569 51
> > > 105° С 1 440 ч 10 0
Электрические свойства лакотканей в основном опре-
деляются качеством лаковых пленок. Механические свой-
ства определяются преимущественно качеством ткани.
Нагревостойкость и гигроскопичность лакотканей зависит
от ткани и от лаковых пленок. Используются разные виды
лакотканей в электромашино-и аппаратостроении силь-
ного тока, производстве проводов и кабелей и в различных
слаботочных устройствах в виде всевозможных тонких
гибких прокладок (например, для межслойной изоляции
катушек, пазовой изоляции), а также для изоляции, нано-
симой на стержни, провода, секции путем обмотки их
лакотканевой лентой.
Как у обычных тканей, так и у лакотканей предел проч-
ности при растяжении наибольший по направлению основы,
наименьший по направлению утка (направление основы —
по длине полотнища ткани, утка — перпендикулярно ос-
нове). Удлинение при разрыве наименьшее по основе.
Практически важным является также направление по
диагонали под углом 45° (или близким к нему) к основе и
утку; в этом направлении ткани имеют достаточно высокую
прочность и наибольшее удлинение. Для получения плот-
ной изоляции путем намотки лакотканевых лент обычно
применяют ленты, вырезанные по диагональному направ-
лению. Лаковая пленка должна быть достаточно эластич-
W
ной, чтобы в ней не было разрывов при большом удлинении
ленты при натяжении.
Лакоткани на органических тканях хлопчатобумажных,
шелковых и капроновых выпускаются по ГОСТ 2214-66.
Хлопчатобумажные лакоткани бывают светлые — на масля-
ных лаках и черные — на маслянобитумных; шелковые и
капроновые лакоткани обычно бывают светлые. Общая
характеристика светлых лакотканей марок ЛХС, ЛХСМ
и ЛХСС: неплохие электроизоляционные свойства, высокая
механическая прочность, большая гибкость и эластичность,
ограниченная гигроскопичность, стойкость к минеральному
маслу и бензину (особенно марки ЛХСМ и ЛХСС). Лако-
ткани марок ЛХСМ и ЛХСС обладают меньшей эластич-
ностью. Общим недостатком этих лакотканей является
склонность к тепловому старению, под влиянием которого
лакоткань становится хрупкой. Черные лакоткани (марки
ЛХЧ) отличаются от светлых повышенными электроизоля-
ционными свойствами и влагостойкостью, меньшей склон-
ностью к тепловому старению, но они менее маслостойки и
менее бензиностойки. Стандартная толщина хлопчатобу-
мажных лакотканей от 0,15 до 0,30 мм. Электрическая
прочность их в исходном состоянии лежит по ГОСТ для
лакотканей разных марок и разной толщины в пределах
23—35 кв/мм (не менее). Электрическая прочность контро-
лируется и при 105° С, а также после перегиба с предвари-
тельной термообработкой и без таковой и после пребывания
в среде с относительной влажностью 95 ±3%. Сейчас
в производстве лакотканей применяются и синтетиче-
ские лаки, которые заменяют масляные и масляно-битум-
ные.
Шелковые и капроновые лакоткани выпускают по ГОСТ
2214-66 толщиной 0,04—0,15 мм и 0,10—0,15 мм соответст-
венно с электрической прочностью не менее 38—63 кв/мм
для лакотканей разных марок и разной толщины. Все
перечисленные выше лакоткани на основе органических
тканей относятся к классу нагревостойкости А.
При применении синтетических тканей, более нагрево-
стойких, чем капроновая, например лавсановой и синтети-
ческих лаков, можно получить лакоткани с более высокой
нагревостойкостью.
На основе стеклотканей выпускаются стецлолакоткани
нескольких видов по ГОСТ 10156-66. Стеклолакоткани
обладают по сравнению с лакотканями на органических
тканях повышенной нагревостойкостью и влагостойкостью,
170
а некоторые из них, например кремнийорганические, и
повышенной короностойкостью.
Черную стеклолакоткань марки ЛС4 получают при про-
питке специальным битумно-масляно-глифталевым лаком.
В последние годы широкое применение нашла эскапоно-
вая стеклолакоткань ЛСЭ, получаемая при пропитке стек-
лоткани специальным составом из синтетического каучука
марки СКВ. Она обладает несколько меньшей влагостойко-
стью, чем ЛС4, при работе с доступом воздуха з один
Сутки
Рис. 5-15. Зависимость электрической проч-
ности стеклолакоткани ЛСК от времени ста-
рения при 200° С и последующей выдержки
в воде.
/ — на воздухе; 2 — на воздухе с последующей
выдержкой в воде в течение одних суток; 3 — на
воздухе с последующей выдержкой в воде в тече-
ние пяти суток.
Стеклолакоткань марки ЛСЭ отличается хорошими тех-
нологическими свойствами, что позволило применить ее
для замены микалентной изоляции в двигателях классов
нагревостойкости А и Е, при напряжениях до 6,6 кв. На
более высокие напряжения изоляция из стеклолакоткани
не может быть рекомендована из-за низкой короностойкости.
На основе полиэфирно-эпоксидного лака изготовляется
стеклолакоткань с нагревостойкостью класса F.
Кремнийорганическую стеклолакоткань марки ЛСК по-
лучают при пропитке стеклотканей кремнийорганическими
лаками. Она обладает большой стабильностью электриче-
ских характеристик при повышенных температуре и влаж-
ности, что иллюстрируется рис. 5-15 и 5-16. На основе
171
кремнийорганического каучука выпускают резиностекло-
ткань ЛСКР. Она применяется для изоляции проводов
марки РКГМ, используемых в качестве выводных концов
нагревостойких электрических машин, для изоляции лобо-
вых частей низковольтных нагревостойких электрических
машин. Материал ЛСКР обладает особо высокой короностой-
костью и может быть использован для изоляции высоко-
вольтных машин как короностойкая изоляция. Лакоткань
ЛСК выпускается толщиной 0,11—0,20 мм и имеет электри-
ческую прочность не менее 35—41 кв!мм для лакоткани
Рис. 5-16. Зависимость удельного объемного
сопротивления лакотканей от температуры.
1 — стеклолакоткань кремнийорганическая; 2 —
стеклолакоткань глифтале-битумная; 3 — лако-
ткань хлопчатобумажная, черная; 4 — лакоткань
шелковая светлая; 5 — лакоткань хлопчатобумаж-
ная светлая.
разных марок. Резиностеклоткань выпускается той же
толщины с электрической прочностью 18—27 кв!мм (не
менее).
Выпускается также липкая кремнийорганическая стек-
лолента ЛСКЛ, применяемая для изоляции соединений и
лобовых частей обмоток электрических машин класса Н.
Лакоткани на стеклянной основе более чувствительны
к сильным перегибам, чем лакоткани на основе органиче-
ских волокон. Лакоткань на основе политетрафторэтилена
получается пропиткой стеклоткани* политетрафторэтилено-
вой суспензией с последующим спеканием при высокой
температуре. Она выдерживает рабочую температуру выше
180° С (класса С), очень влагостойка. Благодаря армиро-
172
ванию стеклотканью уменьшается неблагоприятное влия-
ние термопластичности политетрафторэтилена — опасность
продавливания пленки.
Лакобумага получается при пропитке электроизоля-
ционными лаками тонких бумаг. По сравнению с лакбтка-
нями лакобумага обладает пониженными механическими
свойствами, особенно малой прочностью на раздирание,
вследствие чего может применяться только в случаях,
когда к механической прочности предъявляются невысокие
требования. Лакобумага обладает высокой электрической
прочностью и с этой точки зрения вполне пригодна для
замены более дорогого лакошелка. Лакобумага выпускается
светлая и черная соответственно на глифталефеноль-
ном и масляно-битумном лаках. Светлая лакобумага тол-
щиной 0,04 мм имеет электрическую прочность не менее
62 кв/мм. Лакобумага по нагревостойкости относится к
классу А.
К числу пропитанных волокнистых материалов отно-
сятся гибкие хлопчатобумажные, шелковые — лавсановые
и стекловолокнистые — трубки — чулки, пропитанные ла-
ком с поверхностной лаковой пленкой. Они применяются
для внутримашинных соединений и выводных концов,
а также для изолирования мест соединений в аппаратах.
Наиболее прогрессивными, разработанными в последнее
время являются трубки на синтетических лаках. Ниже
даны краткие сведения о трубках некоторых марок.
Трубки марки ТПХ из хлопчатобумажных шнуров—чул-
ков, пропитанных пентафталевым лаком, нагревостойкость
класса А. Трубка марки ТПЛ из шелка — лавсан, пропитка
пентафталевым лаком. По сравнению с ТПХ имеет повышен-
ные механические свойства, рекомендуется к применению
для более тяжелых условий работы, кратковременно может
работать по классу Е. Трубки марки ТЛС из стеклошну-
ра высокой плотности плетения, пропитка пентафталевым
лаком. Кратковременно может работать по классу Е.
Трубки из стеклошнура, пропитанного полиэфирно-эпок-
сидным лаком марки ТЭС, относятся к классу В. Все эти
трубки в исходном состоянии имеют пробивное напряжение
не ниже 6 кв. Стеклошнуры, пропитанные кремнийоргани-
ческим лаком, могут работать по классам F и Н. Высоким
качеством обладают трубки из стеклошнура, покрытого
кремнийорганической резиной.
173
5-9. ПОДЕЛОЧНЫЕ ПЛАСТИКИ
К числу поделочных пластиков относятся: слоистые
пластики и материалы из некоторых смол, используемые
для получения электроизоляционных деталей путем меха-
нической обработки. Слоистыми пластиками называют
материалы из слоисто расположенной волокнистой основы,
пропитанной и склеенной синтетической смолой. По гео-
метрической форме они выпускаются в виде листов (плит)
толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких
сантиметров; фасонных и профильных изделий, получаемых
в соответствующих пресс-формах; цилиндрических изделий
различных диаметров, толщины стенок и длины (цилиндры,
трубки, изоляторы). Листовой материал, основой которого
является бумага, называют гетинаксом, а материал на
основе ткани — текстолитом, на основе стеклянной ткани —
стеклотекстолитом. Материал, изготовляемый из древес-
ного шпона, называется древеснослоистым пластиком
(ДСП).
Производство листовых слоистых пластиков сводится
к следующим основным операциям: пропитка и сушка
волокнистой основы на пропиточных машинах, нарезание
пропитанной основы на листы, сборка листов в пакеты,
набираемые в соответствии с заданной толщиной готовых
листов, и прессование пакетов между плитами многоэтаж-
ных гидравлических прессов при повышенной темпера-
туре.
Пропитку бумаги для гетинакса и ткани для текстолита
производят как фенолоформальдегидными лаками — для
бумаги марок с более высокими электроизоляционными свой-
ствами, так и особыми жидкими (водными) смолами — для
марок с пониженными свойствами. Смола, которой пропи-
тана волокнистая основа, при прессовании плавится, глубже
проникает во все поры; происходит уплотнение материала.
После этого смола отверждается. У листов, снятых с пресса,
обрезают края для получения ровных торцов.
При применении фенолоформальдегидных смол темпера-
тура плит пресса держится в пределах 150—180° С, давле-
ние около 100 кГ/см\ чтобы преодолеть действие газов,
выделяющихся при отверждении смолы. Как и все слоистые
пластики, гетинакс — материал анизотропный; вдоль слоев
у слоистых пластиков электрические и механические свой-
ства ниже, чем перпендикулярно слоям. Вдоль слоев мате-
риалы, особенно на бумажной основе, легко раскалываются.
174
Согласно ГОСТ 2718-66 гетинакс выпускается восьми марок,
номинальная толщина и преимущественное назначение ко-
торых показаны в табл. 5-6.
Таблица 5-6
Номинальные толщины и преимущественное назначение
стандартных марок гетинакса
Марка Номинальная толщина, мм Преимущественное назначение
I 0,2—50,0 Для работы на воздухе при нормальных климатических условиях при 50 гц до 1 000 в или в трансформаторном масле
II 0,4—50,0 То же с более широкими допусками по толщине без нормирования коробления
III 5,0—50,0 Для работы на воздухе при относительной влажности до 95% и температуре 20±5° С, 50 гц, до 1 000 в
IV 2,0—50,0 Для работы на воздухе, в условиях влаж- ного тропического климата (относитель- ная влажность до 95% и температура 35° С) при 50 гц до 1 000 в или в транс- форматорном масле
V 5,0—50,0 Для работы в трансформаторном масле при 50 гц свыше 1 000 в или на воздухе при нормальных климатических условиях
VI 0,4—3,8 Для работы на воздухе при нормальных кли- матических условиях при 10е гц до 1 000 в
VII 0,4—3,8 То же с пониженным значением tg&, но с пониженной стойкостью к кратковремен- ному нагреванию
VIII 1,0—3,8 Для работы на воздухе при нормальных климатических условиях при 10е гц до 1 000 в, а также при изготовлении пе- чатных схем методом электрохимиче- ского осаждения меди
Примечание,
ния не оговаривается.
При работе в трансформаторном масле предел напряже-
Для гетинакса большинства марок при пропитке бумаги
применяются фенолоформальдегидные смолы; для менее
ответственных — в виде водных смол, для более ответствен-
ных — в виде спиртовых лаков. Для марки IV применяют
крезолоформальдегидные смолы, для марки VII — анили-
нофенолоформальдегидные, для марок V и VIII — эпок-
сидные, отверждаемые фенолоформальдегидными смолами.
Для гетинакса большинства марок применяют сульфатные
17$
бумаги; для марок I и IV применяется сульфитно-тряпичная
бумага. (По требованию заказчика гетинакс марки I тол-
щиной до 2 мм, должен быть светопроницаемым.) Из гети-
накса путем механической обработки (резание, обточка, фре-
зерование, сверление, вырубка) можно получать различ-
ные детали, широко используемые в электрических маши-
нах, трансформаторах, всевозможных приборах и аппара-
тах. На вырубных штампах из гетинакса можно получать
детали толщиной до 2 мм при подогреве до НО—115° С.
Благодаря сравнительно хорошим электрическим и механи-
ческим свойствам и ограниченной гигроскопичности изде-
лия из гетинакса могут применяться как электроизоляцион-
ные и как конструкционные. Поверхность гетинакса ровная
и гладкая, но при воздействии электрических разря'дов на
ней легко образуются проводящие мостики вследствие склон-
ности фенолоформальдегидных смол и науглероживанию
при электрических разрядах. Плотность гетинакса всех
марок лежит в пределах 1,3—1,45 г/см*. Механические свой-
ства гетинакса разных марок, предназначенного для работы
при промышленной частоте, характеризуются следующими
требованиями ГОСТ 2718-66. Предел прочности при изгибе
перпендикулярно слоям для разных марок в пределах
600—1 000 кПсм* (не менее); предел прочности при растя-
жении 600—800 кГ1см* (не менее); удельная ударная вяз-
кость при толщине 10 ми и более от 5 до 15 кГ -см!см? (не
менее); сопротивление раскалыванию клином (при толщине
не менее 10 мм) от 150 до 200 кГ (не менее) на стандартных
образцах. Для всех слоистых пластиков механическая проч-
ность и деформация под влиянием механической нагрузки
сильно зависят от времени воздействия и от температуры.
Приводимые в ГОСТ и технических условиях характери-
стики даются обычно кратковременные при комнатной тем-
пературе.
Стойкость гетинакса разных марок к кратковременному
нагреванию должна быть в пределах 115—150° С (не менее),
маслостойкость в пределах 105—130° С (не менее, для марок
I—V). Теплостойкость гетинакса на образцах толщиной
10 мм по Мартенсу не менее 150° С. Удельное объемное
сопротивление гетинакса разных марок должно быть в ис-
ходном состоянии не менее 1010—1012 ом -см, после 24-часо-
вого увлажнения — от 108 до 1010 ом -см. Величина tg б
при 10е гц для марок VI, VII и VIII укладывается в преде-
лах 0,035—0,06, а для марок IV—V при 50 гц — 0,15 и
0,045. Электрическая прочность перпендикулярна слоям,
176
в исходном состоянии для гетинакса разных марок должна
быть не менее следующих значений:
при толщине до 1 мм.....20—33 кв/мм
» » 2 мм........16—27 кв/мм
» » 3 мм........12—25 кв)мм
Электрические характеристики гетинакса имеют значитель-
ную зависимость от температуры. Согласно ГОСТ 2718-66
гетинакс применяют для длительной работы при темпера-
туре от — 65 до + 105° С. При применении в качестве
Выдержка в бодр3 недели.
Рис. 5-17. Зависимость водопоглощения сло-
истыми пластиками от длительности вы-
держки в воде.
1 — гетинакс низкого напряжения; 2 — гетинакс
с повышенной влагостойкостью; 3 — текстолит
марки Б; 4 — асбестотекстолит; 5 — стеклотек-
столит марки СТ.
волокнистой основы асбестовой бумаги получают асбесто-
гетинакс с повышенной нагревостойкостью класса В; элект-
рические свойства асбестогетинакса ниже, чем у обычного.
Теплостойкость по Мартенсу у асбестогетинакса не менее
150° С.
Качество гетинакса, как и других слоистых пластиков,
находится в зависимости от степени отверждения смол и
наличия остатков свободного фенола. На рис. 5-17 и 5-18
представлены графики, характеризующие стойкость разных
слоистых пластиков против действия воды, а на рис. 5-19 —
влияние tg 6 гетинакса на электрическую прочность вдоль
слоев при различной температуре. Это влияние вызвано
тем, что в гетинаксе, как и в других слоистых пластиках,
177
наблюдается склонность к электротепловому пробою. Про-
мышленностью выпускается гетинакс, облицованный тка-
нью. Изготовляется он из бумаги и ткани, пропитанных
фенолоформальдегидной смолой, причем при сборке паке-
тов для прессования в качестве наружных слоев кладется
ткань. Облицованный гетинакс обладает лучшей штампуе-
мостью, чем обычный, и поэтому во многих случаях может
заменять текстолитовые детали, получаемые методом штам-
пования из листов небольшой толщины. В частности, он
Рис. 5-18. Зависимость удельного
объемного сопротивления гетинакса от
длительной выдержки в воде.
/ — гетинакс высокого напряжения; 2 —
гетинакс низкого напряжения.
нашел применение в про-
изводстве автотр а ктор -
ного электрооборудова-
ния.
Древеснослоистые
пластики изготовляют из
древесного шпона и смо-
лы фено лофор мал ьдегид-
ного типа в виде досок
толщиной от 1,0 до 60 мм
и более. По электриче-
ским характеристикам
они близки к гетинаксу,
по механическим свой-
ствам превосходят его,
например, удельная
ударная вязкость у пла-
стика марки ДСП-Б-Э
не менее 80 кГ -см/см2,
предел прочности при растяжении соответственно не менее
2 200 кПсм2. Применение ДСП ограничивается большим*
водопоглощением, снижение которого покрытием пигмен-
тированными эмалями оказывает ограниченный эффект.
Обычно они используются в качестве конструкционно-изо-
ляционного материала, работающего в масле или в воздухе
при небольших напряжениях; ДСП дешевле гетинакса.
Электротехнический текстолит (из хлопчатобумажной
ткани) выпускается по ГОСТ 2910-67 четырех марок: А, Б,
ВЧ (высокочастотный) и Г. В качестве связующего приме-
няются фенолоформальдегидные смолы. Текстолит марки А
применяется преимущественно для работы в трансформатор-
ном масле и на воздухе при частоте 50 гц, имеет относи-
тельно повышенные электрические свойства; марки Б —
для работы на воздухе при 50 гц, имеет повышенные меха-
нические свойства. Текстолит марки Г применяется, как и
178
марки А, ио имеет повышенные допуски по толщине и ко-
роблению. Текстолит марки ВЧ применяется для работы
на воздухе при частоте 106 гц. По механическим свойствам
текстолит превосходит гетинакс в части удельной ударной
вязкости (не менее 20—25 кГ •см/см2, для разных марок) и
прочности на раскалывание (не менее 300 кГ). Водопогло-
щаемость у текстолита несколько меньше, но электрические
характеристики ниже, чем у гетинакса. Благодаря большей
прочности на раскалывание текстолит значительно лучше
Рис. 5-19. Зависимость электрической прочности вдоль
слоев при различной температуре от расстояния между
штепсельными электродами для гетинакса с разными зна-
чениями tgd.
подвергается механической обработке, чем часто и оправды-
вается его применение вместо более дешевого гетинакса.
По ГОСТ 2910-67 для текстолита на основе хлопчатобумаж-
ной ткани установлена рабочая температура от —65° С
до +105° С.
Стеклотекстолиты выпускаются по ГОСТ 12652-67 с при-
менением различных смол для их изготовления: марки СТ,
СТБ и СТ-1 с фенолоформальдегидной; марки СТ-П с фено-
лоформальдегидной, модифицированной кремнийорганиче-
скими соединениями, марки СТЭФ и СТЭФ-I с эпоксидной
отверждаемой фенолоформальдегидной смолой; марка СТ К—
с кремнийорганической смолой. Марки СТ, СТБ и СТ-1
179
относятся к классу нагревостойкости В, марки СТ-П, СТЭФ
и СТЭФ-1 — к классу F, марки СТК — к классу Н. Мини-
мальная рабочая температура для всех марок 60° С.
Все стеклотекстолиты обладают посравнениюс обычными
текстолитами повышенной нагревостойкостью и меньшей
влагопоглощаемостью (рис. 5-17). Наиболее высоким объем-
ным сопротивлением при повышенной температуре обладает
стеклотекстолит на кремнийорганической смоле (рис. 5-20).
Стеклотекстолит марки СТК имеет при 180° С и 50 гц tg б
порядка 0,002.
Рис. 5-20. Зависимость удельного объемного сопротивле-
ния от температуры стеклотекстолитов, изготовленных
на разных смолах.
1 — на кремнийорганической смоле; 2 — на анилинофеноло-
формальдегидной смоле; 3 —- на фенолоформальдегидной смоле.
Из стекловолокнистых материалов с применением эпок-
сидных и полиэфирных отверждающихся смол методом
контактного прессования могут изготовляться различные
конструкционные детали с высокой механической прочно-
стью и влагостойкостью. В электротехнической промышлен-
ности они практически еще не нашли себе применения; но,
судя по некоторым опытным образцам из другой области
техники (изготовлены, например, автомобильные кузова,
корпуса лодок и даже малотоннажных судов), такие изделия
являются перспективными и для производства электриче-
ских приборов, аппаратов и машин.
Стеклотекстолиты с нагревостойкостью порядка 250° С
изготовляют с применением фторопластов. Они отличаются
высокой влаго- и химостойкостью.
В производстве так называемых печатных схем, нашед-
ших применение не толька в высокочастотной аппаратуре,
но и в сильноточной технике (электрические машины не-
180
большой мощности, аппаратура низкого напряжения), при-
меняются фольгированные гетинакс и стеклотекстолит,
оклеенные с одной или двух сторон тонкой медной фольгой.
К числу текстолитов относится асбестотекстолит марки
АТ-1 на основе асбестовых тканей. Этот материал относится
по нагревостойкости к классу F. Он нашел применение в изо-
ляции роторов турбогенераторов (клинья, распорки).
Фасонные изделия изготовляют как из пропитанной бу-
маги (гетинаксовые изделия), так и из пропитанной ткани
(текстолитовые и стеклотекстолитовые изделия). Техноло-
гия их изготовления принципиально не отличается от тех-
нологии изготовления листовых материалов, только вместо
сборки пакетов производится сборка соответствующих
выкроек, прессование которых осуществляется в пресс-
формах. Фасонные изделия по своим свойствам прибли-
жаются к соответствующим листовым материалам. Произ-
водство фасонных изделий трудоемко и трудно поддается
механизации, поэтому они находят ограниченное примене-
ние, так же как и текстолитовые стержни и профильные
изделия (уголки, таврики). Последние применяют как кон-
струкционно-изоляционный, так и чисто конструкционный
материал. Текстолитовые стержни выпускаются в соответ-
ствии с ГОСТ 5385-50 диаметром от 8 до 60 мм.
Прессованные слоистые пластики хорошо работают при
пониженных температурах. Как правило, они допускают
температуру до — 60° С.
Намотанные на бумажной основе изделия изготовляют
из специальной намоточной бумаги и фено лофор ма л ьдегид-
ной смолы. Технологический процесс производства массовой
продукции сводится к следующим основным операциям.
Лакировка бумаги — одностороннее нанесение слоя смо-
лы — осуществляется на специальной валковой лакиро-
вальной машине, схема которой показана на рис. 5-21.
Лакирующий валик наносит слой лака, высушиваемый
в сушильной части, по выходе из которой бумага наматы-
вается в рулон. Намотка на намоточных станках произво-
дится на стальные оправки, диаметр которых соответствует
внутреннему диаметру изделия. Схема намоточного станка
показана на рис. 5-22. Лакированная бумага проходит по
поверхности горячих цилиндров лакированной стороной
кверху и наматывается на вращающуюся оправку, положен-
ную на валы станка. Сверху может быть установлен нажим-
ной валик. При намотке благодаря расплавлению смолы
происходит склеивание отдельных слоев бумаги друг с дру-
181
гом. После намотки требуемой толщины оправка с намот-
кой снимается со станка и подается на термообработку
в печь той или иной конструкции, где при температуре по-
рядка 150° С происходит отверждение смолы (запечка).
После запечки изделие снимается с оправки, зачищается,
разрезается на пиле на заданную длину и лакируется с по-
следующей ^апечкой.
Рис. 5-21. Схема машины для лакировки бумаги.
1 — ванна с лаком; 2 — промежуточные валы; 3 — лакирующий
вал; 4 — отсос; 5 — подогрев; 6 — приводной электродвигатель;
7 — направляющие валы; 8 — лакированная бумага; 9 — бу-
мага; 10 — тормоз.
На бумажно-смоляные намотанные изделия действует
ГОСТ 8726-58. Изделия называются бумажно-бакелитовыми
трубками при внутреннем диаметре до 80 мм и бумажно-
бакелитовыми цилиндрами при внутреннем диаметре от
85 мм и выше (наибольшим стандартным диаметром является
1 200 мм, что не является пределом). Наименьшая стандарт-
ная толщина стенок трубок 1,5 мм, цилиндров — от 2 до
8 мм в зависимости от диаметра. Особенно широко приме-
няются бумажно-бакелитовые цилиндры и трубки из лаки-
рованной бумаги для работы в масле (трансформаторы,
выключатели), а также на воздухе при небольших напряже-
ниях. Обычные намотанные изделия содержат меньшее ко-
182
личество смолы, благодаря чему они имеют повышенную
гигроскопичность по сравнению с гетинаксом. Механическая
и электрическая прочность бумажно-бакелитовых трубок
и цйлиндров из лакированной бумаги меньше, чем у гети-
накса. Хотя эти изделия могут резаться, сверлиться, обта-
чиваться, обрабатываемость их хуже, чем у гетинакса.
По ГОСТ 8726-58 бумажно-бакелитовые намотанные
изделия из лакированной бумаги предназначены для работы
при температуре — 40 4- + 105° С в трансформаторном
масле и в воздухе нормальной влажности.
Рис. 5-22. Схема намоточного станка.
1 — горячий вал; 2 — оправка; 3 — цилиндр;
4 — нажимной вал; 5 — приводной электродвига-
тель; 6 — горячий вал; 7 — тормоз; 8 — лаки-
рованная бумага.
Повышенную влагостойкость, электрическую и механи-
ческую прочность, лучшую обрабатываемость, большую
плотность имеют изделия, намотанные из пропиточной
бумаги, пропитанной фенолоформальдегидными смолами.
Намотка изделий из пропитанной бумаги производится на
холодных валах намоточного станка с последующей горя-
чей обкаткой. Такая технология более трудоемка. Цилиндры
и трубки из пропиточной бумаги содержат большее количе-
ство смолы и обычно не лакируются.
Еще большими плотностью, влагостойкостью, механиче-
ской и электрической прочностью обладают изделия, намо-
танные из пропиточной бумаги и опрессованные в соответ-
ствующих пресс-формах по режиму, близкому к режиму
прессования гетинакса. По технологии, аналогичной изго-
1W
товлению намотанных изделий из пропитанной бумаги,
изготовляют и изделия из пропитанных тканей, хлопчато-
бумажных и стекловолокнистых. Их свойства приближаются
к свойствам соответствующих листовых текстолитов.
Стеклотекстолитовые цилиндры, намотанные с примене-
нием нагревостойких смол, например кремнийорганических,
могут быть использованы по классу Н, например, в шахт-
ных сухих трансформаторах. При производстве намотанных
изделий могут быть использованы, как и при производстве
листовых материалов, эпоксидные смолы. Стеклоэпоксид-
ные цилиндры обладают особо высокой механической проч-
ностью и находят применение в маломасляных выключа-
телях.
Опрессовка всех намотанных изделий повышает их плот-
ность, механическую и электрическую прочность, влаго-
стойкость и способность к механической обработке.
По технологии, аналогичной технологии изготовления
намотанных изделий, из лакированной бумаги наматывают
сердечники проходных изоляторов конденсаторного типа
для высоковольтной аппаратуры и трансформаторов. Их
намотка производится непосредственно на медные стержни
или медные трубы, с которых сердечники уже не снимаются.
При намотке лакированной бумаги на определенных диамет-
рах согласно расчету заматывается алюминиевая фольга,
являющаяся конденсаторными обкладками. В результате
намотка представляет- собой последовательно соединенные
концентрические цилиндрические конденсаторы. При пра-
вильном подборе их емкостей можно получать заданное рас-
пределение напряженностей электрического поля в радиаль-
ном и осевом направлениях, более равномерное, чем при
сплошной намотке без уравнительных обкладок. Благодаря
этому изоляторы конденсаторного типа обладают неболь-
шими габаритами. Для работы в отапливаемых помещениях
сердечники-изоляторы могут работать без особых защит-
ных конструкций, а на открытом воздухе сердечники должны
быть помещены в защитные фарфоровые чехлы-рубашки
с заливкой трансформаторным маслом или компаундом.
К числу поделочных пластиков можно отнести листы,
блоки, стержни, трубы или профильные заготовки из неко-
торых синтетических смол, те или иные изделия или детали
из которых получают путем механической обработки.
Листовой винипласт изготовляют из полихлорвиниловой
смолы без пластификатора, методом вальцевания на горячих
вальцах с последующим прессованием между горячими
184
плитами. Он используется в качестве конструкционно-изо-
ляционного материала, обладает хорошими электроизоля-
ционными свойствами, влаго- и водостоек, атмосфероустой-
чив, химостоек, не горюч. Применяется для гальванических
ванн; из него изготовляют аккумуляторные баки. К числу
недостатков винипласта относятся: малая теплостойкость
по Мартенсу (60—80° С), выделение хлористого водорода
под влиянием электрических разрядов по его поверхности,
а также заметное выделение хлористого водорода при тем-
пературе выше 150° С. В связи с термопластичными свойст-
вами винипласта допускаемые механические нагрузки
сильно зависят от температуры даже в сравнительно неболь-
шом интервале температур. Следует учитывать большое
усиление деформации винипласта (как и других термопла-
стов) со временем нахождения под нагрузкой. Расчетные
механические нагрузки на винипласт не должны превышать:
при —30 ч- + 10° С — 70—80 кПсм\ при +20 — + 30° С
— 40—60 кПсм\ при 40 4- 60° С — 10—20 кГ/cm2. Про-
филированные изделия из винипласта выпускаются в виде
труб, стержней, уголков. Трубы применяются в высоко-
вольтных разрядниках и предохранителях, в которых ис-
пользуются дугогасящие свойства полихлорвиниловой
смолы.
Органическое стекло — полиметилметалкрилат — выпу-
скается в виде листов двух марок: товарное (поделочное) и
авиационное. Органическое стекло размягчается при 80—
120° С; в размягченном состоянии путем изгибания ему
может быть придана различная форма, сохраняющаяся по-
сле охлаждения.
Из блочного полистирола путем механической обработки
изготовляют различные детали для высокочастотных при-
боров и аппаратов.
Изделия из блочного полистирола имеют склонность
к растрескиванию. В некоторой степени этот недостаток
устраняется последующей термообработкой изделий.
Поделочные термопласты, винипласт, оргстекло хорошо
свариваются. Способ сварки их похож на автогенную сварку
металлов Схема этого способа показана на рис. 5-23 Место
сварки нагревается при сваривании винипласта и оргстекла
горячим воздухом, имеющим температуру 200—700° С.
Для сварки некоторых синтетических смол, например
полиэтилена, сильно окисляющегося при высокой темпера-
туре, рекомендуется сваривание горячим азотом или угле-
кислым газом.
185
К числу поделочных пластиков относится и политетра-
фторэтилен (фторопласт-4) в блоках, из которых путем меха-
нической обработки получают разные детали, свойства ко-
торых соответствуют свойствам самой смолы.
При получении деталей из слоистых пластиков на вырубных штам-
пах необходимо соблюдать некоторые правила применительно к особен-
ностям материала. Необходимо обеспечивать плотное прижимание
листа и детали в момент вырубки, а также остроту режущих кромок
во избежание растрескивания и сколов. Чтобы не было трещин и поло-
мок деталей, необходимо выдержи-
вать расстояния от края до выру-
баемого отверстия не менее чем в
2—3 раза больше толщины листа.
Зазор между пуансоном и матрицей
рекомендуется величиной в 10—
15% от .толщины листа. При- вы-
рубке при комнатной температуре
толщина листов должна быть не бо-
лее 2,5—3,0 мм, в зависимости от
вида материала. Хуже других штам-
пуются стеклотекстолиты, особенно
на кремнийорганических смолах,
лучше всего текстолит (хлопчатобу-
мажный). В подогретом состоянии
толщина штампуемых деталей мо-
жет быть повышена. Обычно приме-
няют для нагревания гетинакса
разных марок температуры в пре-
делах 60—130° С.
При обработке слоистых пла-
стиков резанием со снятием струж-
ки следует учитывать склонность
материала к растрескиванию и ма-
лую теплопроводность, приводящую к сильному нагреванию режущей
кромки инструмента, которая должна быть всегда очень острой; в про-
тивном случае резко ухудшается чистота обработки и легко образуются
трещины вдоль слоев. Температура на поверхности не должна быть
выше 150° С. Охлаждение слоистых пластиков жидкостями, как при
обработке металлов, не допустимо. В крайнем случае применяют об-
дувку инструмента и детали воздухом, что способствует удалению
стружки. Слоистые пластики, особенно на основе стекловолокна, ока-
зывают довольно сильное истирающее действие на режущий инстру-
мент, в силу чего его рекомендуют делать из быстрорежущей стали или
применять инструмент с режущими кромками из твердых сплавов.
Как правило, обработка резанием должна производиться при больших
скоростях, но при малых подачах. Ниже приведены некоторые рекомен-
дации по обработке гетинакса и текстолита.
При сверлении могут применяться спиральные и перовые сверла.
Подача сверла должна быть не более 0,3 мм на один оборот и не менее
0,05 мм. Скорость резания при спиральном сверле не выше 60 м/мин.
При больших скоростях происходит прижог стенок отверстия. Следует
иметь в виду, что вследствие известной пластичности материала диаметр
высверленного отверстия всегда немного (порядка 0,01 мм) меньше
186
Рис. 5-23. Газовая сварка термо-
пластов.
/ — пруток; 2 — горячий воздух;
3 — сварочный прибор.
диаметра сверла. При обточке на токарном станке глубина подачи вы-
бирается в зависимости от требуемой чистоты обработки 0,1—0,3 мм на
один оборот, а скорость резания 80—100 м/мин, В гетинаксе и тексто-
лите можно нарезать сравнительно мелкую резьбу метчиком, более
крупную — нарезкой на токарном станке; такая нарезка допустима и
на трубках из пропитанной бумаги. При фрезеровании рекомендуются
следующие режимы: подача в пределах 0,05—6,25 мм на один зуб; ско-
рость резания: для текстолита 400—445 м/мин\ для древесно-слоистых
пластиков 100—200 м/мин\ для гетинакса 100—2бо м/мин\ для стекло-
текстолита 80—90 м/мин. При фрезеровании деталей из стеклотексто-
лита надо применять обдувку сжатым воздухом. Распиловка слоистых
пластиков производится лучше всего на циркульных пилах. Тонкие
листы могут нарезаться на гильотинных и рычажных ножницах.
В электроизоляционной технике применяется особый вид
пластмасс — пенопласты — материалы из искусственных
смол, представляющие собой как бы затвердевшую пену;
пенопласты могут быть отнесены к поделочным пластикам.
Получение пенопластов основано на термообработке смеси
смол с так называемыми порофорами — газообразователями,
которые при соответствующей температуре разлагаются
с выделением большого количества газов, вспенивающих
расплавленную смолу. При охлаждении получается сильно
пористая структурас огромным количеством замкнутых пор.
Получение пенопластов может осуществляться с помощью
химических реакций, связанных с выделением большого
количества газов.
Пенопласты отличаются очень малым объемным весом.
Например, пенополистирол в виде плиты толщиной 55 мм
имеет объемный вес от 0,07 до 0,2 г/см3. Возможно получе-
ние материала с еще меньшим объемным весом. Благодаря
содержанию огромного количества заполненных газом пор
пенопласты из высококачественной, как диэлектрик, смолы
имеют в слабых электрических полях ничтожно малые значе-
ния tg S и очень малую диэлектрическую проницаемость,
приближающуюся к единице. Так, например, пенополисти-
рол может иметь tg S менее десятитысячной доли единицы
при диэлектрической проницаемости около 1,05. Такие ма-
териалы представляют большой интерес для техники высо-
ких и сверхвысоких частот. Они могут быть использованы
в волноводах и для изоляции высокочастотных кабелей.
Кроме пенополистирола, известны также пенополиуре-
таны, пеноорганополисилоксаны и др. Пенопласты хорошо
обрабатываются механически. Известны также поропласты,
отличающиеся от пенопластов наличием большого количе-
ства сообщающихся между собой пор.
187
5-10. ПРЕССУЮЩИЕСЯ СОСТАВЫ (ПЛАСТМАССЫ)
Пластмассами называют материалы, из которых благо-
даря их пластичности в стадии технологической переработки
получают изделия (детали) более или менее сложной формы,
сохраняющейся в последующее время.
Обязательной составной частью пластмассы является
связующий материал, который придает пластмассе пластич-
ные свойства, т. е. способность принимать определенную
форму. В некоторых случаях пластмассы на 100% состоят
из связующего материала. В качестве связующего в элект-
роизоляционных пластмассах обычно применяются следую-
щие материалы: 1) смолы органические термореактивные и
термопластичные (иногда с добавлением каучука); 2) крем-
нийорганические и фторорганические смолы; 3) эфиры цел-
люлозы.
Кроме связующего, в состав пластмассы могут входить
и другие материалы, по своему значению разделяющиеся на
такие группы: наполнители, пластификаторы, ускорители
отверждения, вспомогательные материалы. Свойства дета-
лей из пластмассы в первую очередь определяются качест-
вом связующего, однако и наполнители также оказывают
определенное влияние.
Наполнители могут быть волокнистые и порошкообраз-
ные. Основное назначение волокнистых наполнителей —
увеличение механической прочности, уменьшение хрупко-
сти. При одинаковой прочности волокон наполнителя он,
как правило, тем больше повышает механическую прочность
деталей из пластмасс, чем длиннее его волокна. Волокна
неорганические по сравнению с органическими повышают
теплостойкость по Мартенсу и нагревостойкость. Введение
в смолы волокнистых материалов приводит к повышению
их гигроскопичности, тем больше, чем больше гигроскопич-
ность самих волокон. В качестве органических волокнистых
наполнителей часто применяются: древесная мука — тонко
измельченная древесина, однако сохраняющая свою волок-
нистость; это самый мелкий из всех волокнистых наполни-
телей, вызывающий наименьшее механическое усиление
пластмасс, ухудшающий электрические характеристики
смол, применяющихся в качестве связующего, вызывающий
значительное повышение гигроскопичности. Древесная мука
применяется как наполнитель в пластмассах не очень высо-
кого качества, так как она является самым дешевым из всех
188
возможных наполнителей и дешевле всех смол, применяе-
мых в электроизоляционных пластмассах. Наполнители
вообще, как правило, снижают стоимость пластмасс. Более
высококачественными наполнителями, чем древесная мука,
являются древесная целлюлоза и не пригодные для тек-
стильного производства хлопковые очесы; благодаря более
чистому и более длинному волокну очесы обеспечивают при
том же связующем большую механическую прочность прес-
сованным изделиям и лучшие электрические характери-
стики, чем древесная мука и целлюлоза. Применяется в ка-
честве волокнистого наполнителя и бумага, обычно в целях
использования отходов пропитанной и лакированной бумаги.
Детали с высокой механической прочностью получают при
использовании в качестве наполнителя рубленой ткани;
в этом случае пресс-материал получается обычно в виде тек-
столитовой крошки — мелко нарубленной хлопчатобумаж-
ной ткани, пропитанной соответствующими смолами, обычно
бакелитовыми.
К числу неорганических волокнистых наполнителей от-
носятся асбестовое и стеклянное волокна. Асбестовое во-
локно без специальной магнитной очистки дает пластмассы
со сравнительно невысокими электроизоляционными свой-
ствами, но довольно высокими механическими свойствами и
повышенной нагревостойкостью. Стеклянные волокна обес-
печивают, наряду с повышенными механическими свойст-
вами и нагревостойкостью, высокие электроизоляционные
свойства и малую гигроскопичность. Находит применение
и стеклотекстолитовая крошка, детали из которой цо срав-
нению с деталями из хлопчатобумажной текстолитовой
крошки отличаются повышенными электроизоляционными
свойствами, нагревостойкостью и пониженной гигроскопич-
ностью. Наибольшей нагревостойкостью обладают пласт-
массы, изготовленные с минеральными наполнителями на
основе нагревостойких связующих, например кремнийор-
ганических смол.
В качестве порошкообразного минерального наполнителя
применяются: кварцевая мука, маршаллит, молотая слюда,
тальк, плавиковый шпат, каолин и др. Порошкообразный
наполнитель вводится не во все пластмассы. Порошкообраз-
ный минеральный наполнитель увеличивает твердость,
уменьшает усадку при охлаждении деталей после высоко-
температурного прессования, чем способствует уменьше-
нию опасности растрескивания деталей (растрескивание
особенно вероятно при запрессовке в пластмассу массивных
189
металлических частей) и получению деталей с точными и
стабильными размерами.
Кварцевая мука и молотая слюда применяются в пласт-
массах с повышенными электроизоляционными свойствами,
в частности с пониженным tg 6.
Пластификаторы добавляют в некоторые пластмассы,
часто не содержащие наполнителей, для уменьшения хрупко-
сти смол, эфиров целлюлозы. В качестве пластификаторов
используют высококипящие органические жидкости: трик-
резилфосфат, дибутилфталат и др. Пластификаторы не
должны быстро улетучиваться из материала, оставаясь
в нем в равномерно распределенном состоянии. Трикрезил-
фосфат и дибутилфтал ат не полностью удовлетворяют этим
требованиям. Они относятся к числу мигрирующих пласти-
фикаторов, перемещающихся из внутренних слоев материала
к поверхности по мере улетучивания, что сильно сказы-
вается при интенсивной солнечной радиации, в частности
в условиях тропиков.
К числу вспомогательных добавок в пластмассы можно
отнести также и красящие вещества, смазывающие веще-
ства, предохраняющие от прилипания к пресс-формам (на-
пример, соли стеариновой кислоты). Количество наполни-
телей в пластмассах колеблется в очень больших пределах,
доходя до 60—65% и больше.
Пресс-композиции изготовляют разными технологиче-
скими приемами, сущность которых сводится или к тщатель-
ному смешиванию связующего и наполнителя с последую-
щим приданием композиции технологически удобного вида,
или изготовлению гранул, если пресс-материал не содержит
наполнителя, а состоит из одной смолы. Масса с наполните-
лем изготовляется мокрым способом (смешивание наполни-
теля с лаком или жидкой смолой, с последующей сушкой и
измельчением) или сухим способом, при котором смешива-
ние производится путем горячего вальцевания наполнителя
с порошкообразным связующим, плавящимся при вальцева-
нии; после вальцевания масса измельчается. При смешива-
нии необходимо добиваться возможно лучшего обволакива-
ния частиц наполнителя связующим и хорошей пропитки
волокон, если таковые имеются. Лаковый метод дает, как
правило, лучшее смешивание и материал с большей меха-
нической прочностью, чем вальцовый способ смешивания,
но последний дешевле, так как не связан с расходом раство-
рителя. Масса с мелковолокнистым наполнителем изготов-
ляется в виде порошка, масса с длинноволокнистым на-
190
полнителем — в виде бесформенной волокнистой твердой
массы.
Детали из пластмасс широко используются как электро-
изоляционные, конструктивно-изоляционные и чисто кон-
струкционные. Особенно большое значение нашло их при-
менение в производстве электрических аппаратов и прибо-
ров низкого напряжения, сильного тока и слабого тока,
в том числе высокочастотных, а также мелких электрических
машин. Широкому применению пластмасс способствует все
увеличивающаяся их номенклатура и разнообразные цен-
ные свойства, а также особенность технологии получения
деталей из пластмасс. Некоторые пластмассы имеют весьма
высокие электроизоляционные свойства и могут приме-
няться при сравнительно высоких значениях напряжения
и частоты; другие имеют настолько высокие механические
характеристики, что могут применяться взамен конструк-
ционных деталей из различных металлов и сплавов. При
этом облегчается вес изделий, повышается эксплуатацион-
ная надежность аппаратуры с точки зрения вероятности про-
боя изоляции, повышается коррозионная стойкость. Очень
ценным технологическим свойством пластмасс является
возможность получения за одну операцию прессования де-
талей весьма сложной формы, в случае необходимости —
с ребрами жесткости, выемками, отверстиями без резьбы и
с резьбой, с запрессованными металлическими деталями:
болтами, гайками, пружинами, соединительными проводни-
ками и пр. При рациональной конструкции за одну опера-
цию прессования можно получить целый конструктивный
узел, заменяющий собой группу подлежащих сборке дета-
лей. Таким путем в технологию производства аппаратов и
приборов вносятся элементы существенного упрощения и
уменьшения трудоемкости. Отпадает много операций меха-
нической обработки деталей, сокращается количество узлов
и операций сборки.
Производство деталей из пластмасс особенно экономично
при их массовости. Для изготовления деталей из пластмасс,
как правило, применяются стальные пресс-формы с полиро-
ванными внутренними поверхностями, которые для прида-
ния деталям хорошего вида и увеличения стойкости самой
формы часто никелируют или хромируют. Рабочие детали
формы обычно делают калеными во избежание быстрого из-
носа, особенно при наличии в пресс-материале абразивных
наполнителей, например кварцевой муки. Изготовление
сложной пресс-формы связано со значительными затратами,
191
окупающимися при производстве достаточно большого коли-
чества деталей. При прессовании деталей небольших разме-
ров пресс-формы могут быть многогнездными. В такой пресс-
форме за одну операцию получается сразу много деталей,
иногда до нескольких десятков.
Наиболее широко применяются следующие методы полу-
чения деталей из пластмасс, выбор которых зависит от осо-
бенностей применяемого материала и до некоторой степени
Рис. 5-24. Трансформатор тока
с литой изоляцией.
от вида детали: 1) прессова-
ние (прямое, компрессионное);
2) литье под давлением (пресс-
литье); 3) литье без давления;
4) выдавливание (шприцева-
ние, экструзия); 5) выдувание.
Прессование особенно ши-
роко применяется для получе-
ния деталей из пресс-компози-
ций на основе термореактив-
ных смол. Метод литья под
давлением используется преи-
мущественно для получения
деталей из термопластов, хотя
иногда этот принцип исполь-
зуется и для получения изде-
лий особо сложной формы из
термореактивных композиций.
Метод литья без давления в
электротехнической промыш-
ленности широко применяется
в последнее время для получе-
ния аппаратов с литой моно-
литной изоляцией из некото-
рых смол, например эпоксидной, компаунда МБ К и др. За-
ливка изделий производится в формах стальных или из эпок-
сидной смолы, в которых происходит и отверждение изделий.
На рис. 5-24 в качестве примера показан трансформатор тока
с литой изоляцией из эпоксидной смолы. С целью экономии
и снижения опасности растрескивания смолы в нее обычно
вводят наполнитель, например кварцевую муку.
Методами выдавливания (экструзии) и выдувания обычно
получают профильные заготовки и полые детали из термо-
пластичных смол. Метод экструзии заключается в выдавли-
вании размягченной смолы (иногда с пластификаторами
или наполнителями) из цилиндра специального пресса через
192
мундштук, профилирующий данное изделие. Таким путем,
в частности, получают цилиндрические изделия разных диа-
метров: стержни и трубы (полихлорвинил, полиэтилен и др.).
Рис. 5-25. Пресс-форма открытого типа.
/ — изделие; 2 — кромка соприкосновения пуансона и матрицы;
3 —• каналы обогрева; 4 — направляющие шпильки.
Прессуются детали в стальных пресс-формах на спе-
циальных быстродействующих гидравлических прессах
обычно с верхним рабо-
чим цилиндром. В зави-
симости от вида изделия
пресс-формы могут быть
закрытого или открытого
типа. Последние проще
в изготовлении и легче,
но применимы лишь для
невысоких изделий не-
сложного профиля. На
рис. 5-25 дан пример
пресс-формы открытого,
на рис. 5-26 закрытого
типа. В большинстве слу-
чаев прессование дета-
лей из термореактив-
ных пластмасс произво-
дят в горячих пресс-
формах. На рис. 5-25 по-
казаны каналы обогрева,
на рис. 5-26 обогрев не
показан. Нижнюю часть
пресс-формы (обойму и
Рис. 5-26. Пресс-форма закрытого
типа.
1 — шпилька выталкивателя; 2 — обойма;
3 — пуансон; 4 — вставка; 5 — шпилька
вставки; 6 — выталкиватель.
7 Ю. В, Корицкий
193
Рис. 5-27. Вертикальный гидравличе-
ский пресс с верхним рабочим ци-
линдром.
1 — цилиндр выталкивателя; 2 — главный
цилиндр.
удаления избытка влаги, повьш
нижний пуансон) устанавливают неподвижно на нижнем
столе гидравлического пресса, верхний пуансон укреп-
ляют на верхней подвижной плите, непосредственно
связанной с рабочим поршнем. Общий вид пресса с верх-
ним рабочим цилиндром показан на рис. 5-27. Перед
началом прессования форма разнята, верхний пуансон
поднят. После установки внутри формы запрессовываемых
металлических деталей
(если таковые приме-
няются) — на рис. 5-26
«вставка» — в горячую
пресс-форму заклады-
вается определенная пор-
ция пресс-композиции,
необходимая для хоро-
шего оформления изде-
лия. Рекомендуется до-
зировка таблетками, из-
готовленными из пресс-
композиции на специаль-
ной таблеточной машине,
путем прессования при
комнатной температуре.
Таблетки полезно перед
закладкой в пресс-форму
подвер гать термообра-
ботке высокой частотой
с помощью ламповых ге-
нераторов. Это ускоряет
отверждение смол в из-
делиях за счет предва-
рительного нагревания и
JT их качество. Длинно-
волокнистые пластмассы могут не таблетироваться. В та-
ком случае дозировка их производится менее произво-
дительным методом взвешивания. После загрузки пресс -
материала форма смыкается путем опускания верхнего пу-
ансона на массу, которая становится пластичной, создается
соответствующее давление, под влиянием которого происхо-
дит заполнение всей полости пресс-формы, т. е. формование
изделия. Для изделий с тонкими и высокими стенками или
ребрами большое значение имеет текучесть массы: при малой
текучести масса может затвердеть до полного оформления
изделия. Понятно, что при этом играет роль и давление.
194
Как правило, удельное давление составляет от 200 до
500 кГ/см\ а в отдельных случаях даже выше. В запрессо-
ванном состоянии в сомкнутой пресс-форме происходит от-
верждение термореактивного связующего. Время выдержки
зависит от скорости отверждения смолы, от толщины изде-
лия, теплопроводности материала и температуры прессова-
ния, а также от содержания влаги в пресс-материале. Для
большинства органических термореактивных пластмасс при
температуре прессования 155—160° С время выдержки на-
ходится в пределах 0,5 мин на 1 мм толщины стенки изде-
лия. В случае предварительного подогрева таблеток пресс -
материала на основе фенолоформальдегидной смолы и по-
вышения температуры прессования до 180—190° С выдержка
в пресс-форме может быть сокращена до 5—20 сек на 1 мм
толщины.
Пластмассы на основе кремнийорганических смол
обычно изготовляют с неорганическими, наполнителя-
ми; вследствие малой скорости их отверждения темпе-
ратура прессования в этом случае обычно держится
около 200° С.
После соответствующей выдержки изделий пресс-форма
разнимается путем подъема верхнего пуансона, и изделия
вынимаются без охлаждения (из закрытой пресс-формы при
помощи выталкивателей, показанных на рис. 5-27). В пресс-
формах изделия даже с быстро отверждающейся смолой не
успевают полностью отвердиться. Поэтому для получения
изделий с повышенными электрическими свойствами их под-
вергают дополнительной термообработке вне пресс-форм.
Не отвержденные вподне детали имеют пониженные меха-
ническую прочность и влагостойкость, повышенную усадку
и хуже сохраняют размеры с течением времени, что затруд-
няет получение деталей с точными размерами, в частности,
по посадочным местам.
Принципу производства деталей из пластмасс противоре-
чит последующая механическая обработка их, при которой
неизбежно снимается плотный блестящий гладкий поверх-
ностный слой. К тому же следует иметь в виду, что детали
из пластмасс, особенно с минеральными наполнителями,
плохо обрабатываются. Поэтому по возможности следует
избегать последующей механической обработки, ограничи-
ваясь, в крайнем случае, подгонкой под заданные размеры
посадочных мест. Из числа термореактивных смол, кроме
упомянутых выше фенолоформальдегидных и кремнийорга-
нических, в производстве пресс-материалов применяют:
7
195
мочевиноформальдегидные и ме л аминофор мальдегидные под
общим названием аминопластов, анилиноформальдегидные
(последние применяют и без наполнителя под названием
совенит в качестве высокочастотного материала). Для пласт-
масс на основе фенолоформальдегидных смол (фенопластов)
с неорганическими наполнителями длительно допустимая
рабочая температура составляет 130—150° С, кратковре-
менно — до 215° С, при этом допускается снижение проч-
ности на изгиб и удельной ударной вязкости на 10%. При
этой температуре обычно возникает дополнительная усадка
около 6%. Фенопласты с органическими наполнителями до-
пускают длительно работу при 100—110° С, кратковремен-
но — при 115—135° С с такой же дополнительной усадкой,
как указано выше. В качестве электроизоляционной и кон-
струкционно-изоляционной пластмассы в приборо- и аппа-
ратостроении широко применяются фенольные пластики,
изготовляемые согласно ГОСТ 5689-66 семи типов. Каждый
тип подразделяется на группы. Тип О — общего назначе-
ния, из новолачной смолы содержит в качестве наполнителя
древесную муку; группа 04 — ударопрочная имеет в каче-
стве связующего смолу, модифицированную каучуком. Тип
Сп — специальный безаммиачный, изготовляется из резоль-
ной смолы с древесной мукой с определенными электроизо-
ляционными показателями и без них. Тип Э — «электро-
изоляционный», изготовляется из резольных смол как с дре-
весной мукой, так и с добавлением минерального наполни-
теля. Тип Вч — «высокочастотный», изготовляется из ре-
зольной и новолачной модифицированной смолы с мине-
ральными наполнителями. Тип Вх — «влаго-химостойкий»,
изготовляется из новолачных смол с разными наполните-
лями. Тип Вл — «ударопрочный», крупноволокнистый, из-
готовляется из резольных смол с органическим длинново-
локнистым наполнителем и с асбестовым волокном. Тип Ж —
«жаростойкий», изготовляется из новолачных смол с мине-
ральным и смешанным наполнителем.
Материалы с асбестовым волокном и длинным стеклово-
локном применяют при изготовлении коллекторов электри-
ческих машин.
В табл. 5-7 даны требования ГОСТ 5689-66 к пластмассам
разных типов; значения «от —- до» обозначают минималь-
ные и максимальные требования для разных групп в пре-
делах данного типа. Все показатели определяются на стан-
дартных образцах (брусках 120 X 10 X 15 мм и дисках
диаметром 100 мм, толщиной 4 мм).
196
Таблица 5-7
Требования к пластмассам по ГОСТ 5689-66
Показатели Тип пластмассы
О Сп э Вч Вх Вл ж
Плотность, г/см3, не менее Удельная ударная вязкость, 1,4—1,5 1,4 1,4—1,85 1,9—2,0 1,5—1,75 1,45—1,95 1,75—1,9
кГ• см/см2, не менее. . . Предел прочности при ста- тическом изгибе, кГ1см2, 5—9 4,5 4,5—5 3,5—5 4,5—8 9—20 3—3,5
не менее Теплостойкость по^Мартен- 500—700 600 550—650 550—950 450—600 800 400—550
су, °C, не менее". Водопоглогцаемость, мг, не 125 125 120—130 125—150 125—140 140—200 140—145
более Удельное поверхностное сопротивление, ом, не ме- 55—65 60 20—55 10 15—30 90—200 10—40
нее Удельное объемное сопро- тивление, ом • см, не ме- 1-10“—1-Ю12 1 • 1013 1-1013—5-Ю13 1 . 10“ 1 - 1012 1 • 1010 1 • 1010
нее Электрическая прочность, 1 • 10“ 5 • 1012 5- 1012 1-Ю13—1-10“ 1.10“—МО12 1-Ю»— Ы010 1 . 109
кв/мм, не менее 10—12 13,5 13—15 15—16 13—15 1,5—4 11
tg В при 50 гц, не более — — 0,08 — — — —
tg S при 10е гц, не более — — — 0,01 — — —
е при 10е гц, не более Расчетная усадка, %, в пре- — — — 5—6 — — —
\ 0,4—0,8 0,4—0,8 0,3—0,5 0,3—0,7 0,05—0,3 Не более
делах J 0,6—1 0,4—0,8 0,6—1 0,4—0,7 0,5—1 0,3—0,6 0,7 и 0,8
Жаростойкость не менее. . — — — — — — 4
Повышенные электроизоляционные характеристики ма-
териалов типа Вч объясняются применением анилинофено-
лоформальдегидной смолы и в качестве наполнителя молотой
слюды и кварца.
Пластмассы на комбинированных связующих — феноло-
формальдегидные смолы с добавками полиамидных, поли-
хлорвиниловых смол и синтетических каучуков — находят
известное применение благодаря некоторым положительным
свойствам, связанным с составом связующего, например
повышенная удельная ударная вязкость, влагостойкость
й др. В изделиях из обычных фенопластов остаются следы
свободного аммиака, который может вызывать в эксплуата-
ции коррозию латунных контактов. Поэтому в соответст-
вующих узлах телефонной аппаратуры применяют пресс-
порошки на основе фенолоанилиноформальдегидных смол,
не выделяющих в эксплуатации аммиака.
Широкое применение имеют пластмассы из модифициро-
ванных фенолоформальдегидных смол с длинноволокнистым
стеклянноволокнистым наполнителем, известные у нас под
маркой АГ-4. Детали из этой массы отличаются исключи-
тельно высокой механической прочностью, хорошими элект-
рическими свойствами. С применением этой пластмассы из-
готовляют коллектора электрических машин без манжет
из формовочного миканита, чем достигается значительная
экономия дорогой щипаной слюды.
В низковольтной выключающей аппаратуресильноготока
большое значение имеют пластмассы с повышенной дуго-
стойкостью. К таковым относятся материалы на основе мо-
чевиноформальдегидных и меламиноформальдегидных смол
с минеральными наполнителями (иногда с добавлением ор-
ганических), на основе кремнийорганических смол с неор-
ганическими наполнителями. Основным преимуществом ма-
териалов на основе мочевино- и меламиноформальдегидных
смол по сравнению с фенопластами является повышенная
дугостойкость; по механическим и электрическим свойст-
вам, а также по влагостойкости они уступают фенопластам.
Материалы на основе кремнийорганических смол отличаются
не только повышенной дугостойкостью, но и высокими эле-
ктроизоляционными свойствами, влагостойкостью, тепло-
стойкостью и нагревостойкостью (рабочая температура до
200° С).
В сильноточной низковольтной аппаратуре находит при-
менение пресс-масса асбодин, по своему составу напоминаю-
щая электронит, но изготовляемая в виде бесформенной
198
массы. Изделия из асбодина после прессования нуждаются
в длительной последующей термообработке, которая про-
исходит с выделением тепла, что при нарушении режимов
может привести к самовозгоранию.
Принцип получения деталей методом пресс-литья легко
понять из рассмотрения схемы машины для литья под дав-
лением, показанной на рис. 5-28. Левая подвижная часть
литьевой формы может отодвигаться влево от неподвижной
части, открывая форму, и плотно примыкать к ней, закры-
вая форму. В закрытом положении в форму через литник
Рис. 5-28. Схема машины для литья под давлением.
1 — плиты выталкивателя; 2 — стержень выталкивателя; 3 — запорный штифт;
4 — выталкивающий штифт; 5 — подвижная часть формы; 6 — подвижная
плита; 7 — охлаждающие каналы; 8 — литник; 9 — направляющий штифт;
10 — неподвижная часть формы; 11 — неподвижная плита; 12 — сопло; 13 —
струя; 14 — отливка; 15 — мундштук; 16 — держатель мундштука; 17 — отвер-
стие для термопары; 18 — кожух; 19 — нагреватель; 20 — распределитель;
21 — нагревательный цилиндр; 22 — внутренняя часть цилиндра; 23 — ци-
линдр; 24 — плунжер; 25 — гранулированная масса.
впрыскивается порция расплавленной смолы при помощи
плунжера, двигающегося в цилиндре, расположенном в
правой части. Пресс-форма охлаждается водой. Расплавлен-
ная смола, заполнив полость пресс-формы, охлаждаясь,
затвердевает. После этого пресс-форма раскрывается, из
нее выталкивается отливка и процесс повторяется. Бла-
годаря разъемной ли1ьевой форме методом литья под дав-
лением могут быть получены детали такой формы, которые
нельзя изготовить методом прямого прессования. В детали,
полученные на литьевых машинах, могут быть залиты ме-
таллические части; можно опрессовывать отдельные детали,
получая монолитную, прочную и плотную изоляцию.
Современные литьевые автоматы отличаются высокой
производительностью. В зависимости от размера и формы
изделия, от свойств литьевой смолы автомат в 1 мин делает
199
несколько отливок. Наиболее старой литьевой смолой яв-
ляется полистирол. Вследствие малой нагревостойкости
полистирол, как правило, применяется для всевозможных
деталей высокочастотной аппаратуры: каркасы и щечки
катушек, каркасы и детали вариометров, переключателей,
колодки, шайбы, а также колпачки для коаксиальных
высокочастотных кабелей и пр. Как и в деталях из блочного
полистирола, имеется опасность растрескивания, особенно
в толстых деталях и при наличии резких переходрв се-
чений.
Широкое применение находят в производстве раз-
личных сильноточных и слаботочных изделий литые де-
тали из полиамидных смол. Детали из полиамидов можно
отливать с очень малой толщиной, в отдельных случаях со
стенками тоньше 1 мм. Этому способствуют малая вязкость
полиамидов в расплавленном состоянии и кристаллическая
структура — способность хорошо сохранять форму при
повышенных температурах. При получении из полиамидов
изделий, работающих на истирание (шестерни, узлы счет-
ных механизмов и пр.), необходимо, чтоб даже в поверхно-
стных слоях не оставалось аморфной структуры. Для этого
изделия подвергают последующей тепловой обработке: или
проварке в масле при 70—80° С, или поверхностной теп-
ловой обработке, например облучению инфракрасными лу-
чами.
При использовании полиамидных смол для отливки про-
кладок с точными допусками по толщине следует иметь
в виду, что эти смолы меняют свои размеры под влиянием
изменений влажности, правда, в меньшей степени, чем,
например, фибра, приближаясь в этом отношении к тексто-
литу. В полиамидные детали можно заливать металличе-
ские вставки, опрессовывать полиамидами в литьевых фор-
мах целые конструкции. Таким путем создается плотная,
механически прочная конструкция. Свойства литой изо-
ляции зависят от марки примененной смолы. В табл. 5-8
приведены характеристики двух марок полиамидных смол.
На рис. 5-29 и 5-30 показаны примеры применения полиа-
мидного литья.
Полиамидные шестерни обладают большой износоустой-
чивостью; при их работе в паре со стальными шестернями
надо учитывать, что полиамиды имеют большой темпера-
турный коэффициент расширения; у смолы № 68(12—15) х
Х10'5 1/°С, у капрона (10—14) -10 5 1/°С; для стали эта
величина примерно в 10 раз меньше.
200
Таблица 5-8
Характеристики литых полиамидных смол
Характеристика Смола 68 Капрон
Температура плавления, °C. . 215—225 212—220
Удельная ударная вязкость, кГ • cm)cm2 25—40 100—160
ТеплостойкостьпоМартенсу, °C 55 50—55
Водопоглощаемость за 24 ч, % 0,12—0,14 1,3—1,4
Удельное объемное сопроти- вление, ом • см: а) при 20° С (2—8). 10й (4—9). 1012
б) при 90 °C (2—9) • 109 (1—3). 109
в) после суточного пребы- вания в воде (8—9). 1013 Ю10—Ю11
tg & при 20° С 0,03 при 10е гц 0,04 при 50 гц
tg& после пребывания в во- де в течение 7 суток 0,039 при 10е гц 0,18 при 50 гц
Электрическая прочность при 20° С, кв1мм 31—37 15—18
То же после суточного пребы- вания в воде, кв/мм 30-32 6—7
Повышение электрических характеристик и влагостой-
кости деталей из капрона достигается предварительной
водной экстракцией гранулированной смолы (кипячение
Рис. 5-29. Якорь электродвигателя, опрессован-
ный пластмассой в литьевой форме.
в воде), уменьшающей содержание низкомолекулярных
соединений. При доступе воздуха детали из полиамидов
должны работать при температуре не выше 100° С; без сво-
бодного доступа воздуха, например в масле, до 135—140° С,
если этому не препятствует невысокая теплостойкость.
201
Методом литья под давлением можно получать детали
из полиэтилена и полипропилена. Полиэтилен в расплавлен-
ном состоянии обладает большей вязкостью, чем полипро-
пилен. Полиэтилен при пресс-литье дает большие усадки
изделий, которые могут быть снижены при отливке в формы
с более интенсивным охлаждением, высокой температуре
материала и повышенном давлении. Готовые детали из
полиэтилена, полученные как методом литья под давлением,
так и методом выдувания и экструзии (в частности, трубки),
после ионизирующего облучения сохраняют форму, не
деформируются при температуре до 120° С. Для получения
Рис. 5-30. Каркасы электроаппаратных
катушек из полиамида.
плотных герметических конструкций с изоляцией с высо-
кими электроизоляционными свойствами, практически не-
гигроскопичной и водостойкой, можно применять опрес-
совку полипропиленом и полиэтиленом.
В последнее время разработаны литьевые модификации
полиметилметакрилатов. Весьма перспективно использо-
вание в качестве литьевого материала поликарбоната и
полиформальдегида. Детали из поликарбоната получают
обычно литьем под давлением. Они отличаются высокими
механическими и электрическими свойствами, мало изме-
няющимися под действием влаги, при кипячении в воде.
Теплостойкость по Мартенсу лежит в пределах 115—127° С.
При определении удельной ударной вязкости на образцах
без зарубки поликарбонат не ломается, с зарубкой дает
значения 10—25 кГ -см/см2. Электрическая прочность по-
ликарбоната 16—20 кв/мм, удельное объемное сопротивле-
№
ние при 20° С составляет 1015—1016 ом -см, при 150° С—
1014 ом *см, tg6 при 50 гц равен 0,0007—0,009. Детали из
поликарбоната прозрачны и при воздействии электрической
дуги не склонны к образованию проводящих мостиков, что
очень важно для деталей низковольтной выключающей
аппаратуры. Детали из поликарбоната отличаются высокой
стабильностью размеров при нагревании. Детали из поли-
формальдегида получают методом литья под давлением
и экструзией. По механическим характеристикам они при-
ближаются к таковым из поликарбоната, по электрическим
свойствам несколько уступают последнему. Благодаря ма-
лой усадке полиформальдегида (2,0—3,2%) детали из него
получаются с весьма точными размерами. Полиформальде-
гидные детали имеют высокую стойкость к истиранию и
малый коэффициент трения по стали без смазки, влаго-
и химостойки, под действием электрической дуги не склонны
к образованию проводящих мостиков.
Фторопласт-4 не может быть использован как литьевой
материал потому, что при температуре разложения он еще
не переходит в текучее состояние. В последнее время раз-
работаны фтор-органические соединения, способные к пе-
реработке методами, присущими другим термопластам,
в частности методом экструзии. К числу таких материалов
относится сополимер тетрафтороэтилена с гексафторпро-
пиленом и некоторые другие, из которых могут быть полу-
чены детали с высокой нагревостойкостью.
Порошки фторопласта-4Д и фторопласта-3 применяются
для получения деталей методом прессования в пресс-фор-
мах.
Детали из литьевых эфиров целлюлозы, так называемых
этролов, имеют в электротехнике ограниченное применение.
Используемые для этих целей ацетилцеллюлозные и этил-
целлюлозные этролы имеют низкую теплостойкость по
Мартенсу (по техническим условиям не менее 40 и 45°С),
а также значительную водопоглощаемость: за 24 ч 0,5 и
0,8%. В ряде случаев этролы заменяются сейчас полисти-
ролом.
При использовании метода пресс-литья для получения
сложных деталей из термореактивных пресс-материалов
используют специальные литьевые формы, устанавливаемые
на гидравлических прессах, отличающиеся наличием ка-
меры разогрева, в которой материал предварительно нагре-
вается, после чего передавливается в формующую полость.
Принцип действия такой формы можно уяснить по рис. 5-31.
203
Особым типом пресс-материала является асбестоцемент.
Связующим в нем является цемент, наполнителем — ас-
бест. Выпускается асбестоцемент под названием ацэид
(асбестоцементные электроизоляционные доски) в виде до-
сок, используемых для панелей, щитов и других деталей
в аппаратуре низкого напряжения сильного тока, а также
в виде труб, используемых, в частности, для прокладки
подземных кабелей. Кроме того, используется и сырая
Рис. 5-31. Принцип действия литьевой пресс-
формы.
а — пресс-форма открыта: 1 — нижняя часть фор-
мы, 2 — формующая часть, 3 — литник, 4 — пресс-
материал; б — пресс-форма закрыта: 5 — рабочий
поршень.
асбестоцементная масса, из которой путем холодного прессо-
вания с последующей выдержкой на воздухе, в воде и ки-
пячением в ней (для схватывания цемента) изготовляют
детали сложной формы для аппаратуры низкого напряже-
ния сильного тока (дугогасительные камеры и др.). Разно-
видностью асбестоцементной массы для прессования деталей
является асбопласт, отличающийся содержанием пластич-
ной глины, что обеспечивает лучшую прессуемость.
Асбестоцемент и асбопласт обладают низкими электро-
изоляционными свойствами и сравнительно невысокими
механическими свойствами, большой гигроскопичностью.
Но они дешевы и дугостойки, чем и объясняется их широкое
применение в аппаратуре низкого напряжения. Для умень-
204
шения гигроскопичности детали и доски из асбестоцемента
и асбопласт пропитывают в парафине, олифе, битумах,
глифталевых лаках (для маслостойких деталей). Пропитка,
наряду со снижением гигроскопичности, снижает и дуго-
стойкость. Асбестоцементные доски изготовляют и по сус-
пензионному способу с введением битума прямо в водную
пульпу перед отливкой на специальных папмашинах (типа
картоноделательных), что позволяет отказаться от после-
дующей пропитки.
5-11. ПЛЕНОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Пленочные материалы довольно широко применяются
в электроизоляционной технике. Они представляют собой
тонкие гибкие материалы из различных полимеров, изго-
товляемые обычно в ролевом виде. Пленки получают одним
из следующих способов:
1) испарением растворителя из раствора полимера; этот
процесс применяют при производстве пленок из эфиров
целлюлозы;
2) отверждением при охлаждении расплава полимера,
выливаемого на гладкую холодную поверхность;
3) поперечным и продольным растяжением выпрессован-
ных тонкостенных трубок с помощью сжатого воздуха с по-
следующим продольным разрезанием; вытяжка материала
обеспечивает определенную ориентацию молекул, что при-
дает пленкам повышенную гибкость (метод используется,
в частности, для получения пленок из полистирола и поли-
этилена);
4) растягиванием полимера, вытекающего из щелевид-
ной фильеры;
5) срезанием тонкого слоя специальными резцами с за-'
готовки (метод используется для получения пленки поли-
тетрафторэтилена; полученная лента может быть прокалан-
дрирована, причем молекулы ориентируются);
6) каландрированием полимера, смешанного, если необ-
ходимо, — предварительно с пластификатором (метод при-
меняют для получения полихлорвиниловых пленок).
Эфироцеллюлозные пленки имеют ограниченное при-
менение. Пленки из триацетата целлюлозы, получающегося
при обработке целлюлозы уксусной кислотой, применяются
для производства высоковольтных обмоточных проводов,
но с успехом заменяются полиэтилентерефталатной (лавса-
новой) пленкой, обладающей лучшими механическими свой-
205
ствами и надежно обеспечивающей нагревостойкость класса
Е, в то время как триацетатцеллюлозная пленка имеет наг-
ревостойкость только класса А. Пленка из ацетилцеллю-
лозы, получаемой путем обработки триацетата серной кис-
лотой, применяется для производства некоторых типов вы-
сокочастотных конденсаторов.
Полиэтилентерефталатная пленка может изготовляться
разной толщины: для
Рис. 5-32. Приспособле-
ние для испытания пле-
нок на надрыв. Ь, мм,
до 8; 8—12; 12—16; 16—
20; R, мм, 5; 8; 10; 13.
производства конденсаторов около
10 мк, для пазовой изоляции низко-
вольтных электрических машин по-
рядка 50 мк, для кабельных из-
делий порядка 100 мк. При высоких
механических свойствах пленка
лавсан обладает высокими электри-
ческими свойствами и влагостой-
костью. Испытание пленок на над-
рыв обычно производят на динамо-
метре с помощью приспособления,
указанного на рис. 5-32. Для пазо-
вой изоляции пленка сочетается с
волокнистой подложкой, для меха-
нического упрочнения, придания
необходимых технологических
свойств при закладке в пазы так
называемых пазовых коробочек.
При склеивании пленки лавсан с
целлюлозным тонким картоном
получается пленкокартон класса
нагревостойкости Е, поскольку ос-
новной диэлектрический барьер со-
здает сама пленка. При использо-
вании двусторонней подложки из
неорганических волокон, например,
в виде высококачественной тонкой асбестовой бумаги и
пропитке нагревостойким лаком с пленкой лавсан может
быть получена пазовая изоляция класса В.
По литературным данным, пленки из поликарбонатных
смол имеют нагревостойкость класса В и могут применяться
для пазовой изоляции.
В высокочастотной технике применяются пленки из
полистирола, известные под названием стирофлекс. Обычно
они изготовляются из блочного полистирола. Пленки тол-
щиной порядка 0,02 мм применяются для изготовления
конденсаторов, пленки толщиной 0,045 мм и шириной 10—
206
12 мм — в качестве изоляции в кабелях дальней связи.
Величина tg6 полистирольных пленок при 106 гц порядка
0,0002; предел прочности при растяжении не менее
7,4 кПмм2 при удлинении 3,1 %. Малая величина удлинения
при разрыве указывает на относительно большую хрупкость
этих пленок.
Для изоляции кабелей дальней связи применяются по-
листирольные нити диаметром 0,8; 0,5 и 0,08 мм. Они изго-
товляются четырех цветов: красного, желтого, зеленого
и фиолетового.
Полиэтиленовые пленки из полиэтилена «высокого да-
вления» изготовляются толщиной 0,01—0,05 мм, имеют
предел прочности при растяжении от 2 до 3 кГ/мм2 при
удлинении выше 200%. Они применяются для изоляции
кабелей дальней связи наряду с пленками из полистирола.
Пленки из полиэтилена обладают гораздо большей гиб-
костью и эластичностью, чем полистирольные. Находят
применение провода с изоляцией из полиэтилена, подверг-
нутой ионизирующему облучению быстрыми электронами.
Электроизоляционные пленки могут изготовляться из по-
липропилена.
Пленки из политетрафтороэтилена изготовляются тол-
щиной 10—200 мк\ они обладают высокой механической
прочностью; у ориентированных пленок предел прочности
при растяжении в продольном направлении доходит до
10 кГ/мм2 при удлинении свыше 30%, у неориентированных
порядка — 3 кПмм2 и свыше 100%. Они обладают высокой
прочностью на надрыв. Политетрафторэтиленовые пленки
могут быть использованы для производства высокочастот-
ных конденсаторов, изолирования высокочастотных кабе-
лей, обмоточных проводов и изолирования обмоток электри-
ческих машин. Ориентированные пленки дают при нагреве
очень большую усадку; поэтому, будучи наложены методом
обмотки на жилу кабеля, секцию обмотки, катушки и про-
чее и подвергнуты нагреванию, они очень хорошо уплот-
няются, опрессовывая катушку, создавая влагонепрони-
цаемую изоляцию.
Полихлорвиниловые пленки изготовляют чаще всего из
хлорированного полихлорвинила толщиной 0,02—0,08 мм.
Применяются они в производстве кабелей связи, схемных
проводов при невысоких рабочих температурах — до
70—80° С.
Пленочные материалы в зависимости от их свойств и
требований, предъявляемых в эксплуатации, могут приме-
207
пяться в качестве различных гибких межслойных прокла-
док, а в некоторых случаях для наружных защитных по-
крытий. При помощи специальных сварочных машин, дей-
ствующих по принципу диэлектрического нагрева, пленки
можно сваривать.
5-12. РЕЗИНОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
Резина — эластичный материал, получаемый путем вулканизации
каучука, являющегося органическим полимером. По особейцостям
своих механических свойств — эластичности — она относится к так
называемым эластомерам. Эластичность — свойство материала сильно
удлиняться при растяжении без значительного остаточного удлинения
при снятии нагрузки за счет большой упругости. Раньше резину изго-
товляли исключительно из натурального каучука, получаемого из ла-
текса — сока некоторых тропических деревьев; латекс представляет
собой водную эмульсию каучука с примесью некоторых солей, белковых
и сахаристых веществ. Полученный из латекса путем осаждения — коа-
гуляции и последующей обработки, освобождающей его от вредных при-
месей, каучук представляет собой материал, по своим свойствам сильно
отличающийся от резины. Натуральный каучук есть полимер углево-
дорода — изопрена С5Н8 с таким строением:
... -СН2—С=СН—СН2—СН2-С=СН—сн2— ...
I I
сн3 сн3
Наличие двойных связей обеспечивает вулканизацию — поперечную
сшивку молекул каучука за счет взаимодействия с серой, вводимой
в сырую резиновую смесь.
Сейчас, помимо натурального каучука (НК), большое применение
имеют синтетические каучуки (СК).
Обычно вулканизацию проводят при повышенной температуре,
хотя возможна и «холодная» вулканизация.
Очень большое значение имеет количество серы, добавляемой к
каучуку; при содержании серы порядка 1—3% получается мягкая,
очень эластичная резина с растяжением при разрыве, доходящем до
500% и выше; при содержании серы свыше 25% получается твердая
резина — эбонит, практически уже не эластичный материал. Промежу-
точное содержание серы в резиновой смеси дает материал разной сте-
пени и эластичности, и твердости. Обычно в сырую резиновую смесь
вводят, кроме серы, ряд других материалов, придающих резине опре-
деленные свойства. Наполнители — мел, тальк, молотая слюда, гипс
и другие — являются инертными добавлениями, снижающими стоимость
резины, экономящими дефицитный каучук. Смягчители — стеариновая
кислота (СадНзбОг), парафин, вазелин, битум и другие — имеют в основ-
ном технологическое значение. Ускоритель и основной агент вулкани-
зации — тиурам — сера-органическое соединение (C6H12N2S4), выде-
ляющее серу при повышенной температуре. Стабилизаторы или анти-
окислители — например, неозон (C16H13N). Усилители, улучшающие
механические свойства: цинковые белила, каолин, сажа; введение сажи
в больших количествах ухудшает электроизоляционные свойства ре-
208
зимы; некоторые усилители являются одновременно и краси-
телями: сажа придает резине черный цвет, цинковые белила —
белый.
В процессе вулканизации остается некоторое количество свободной
серы, которая вызывает последующую «довулканизацию», приводящую
к снижению эластичности и ускорению старения. Свободная сера спо-
собна к миграции внутри резины, выходу на ее поверхность; соприка-
саясь с медью, она вызывает образование сернистой меди. Во избежа-
ние образования сернистой меди перед изолированием резиновой смесью
медных проводов на медные жилы предварительно наносится слой
разделителя, например олово, бумага. Возможно получение резины
с применением в качестве вулканизатора только тиурама, без свобод-
ной серы. Преимуществом тиурамовой резины является отсутствие в ней
свободной серы. Благодаря этому тиурамовая резина допускает не-
сколько большую рабочую температуру, чем обычная резина, и не тре-
бует разделительного слоя при наложении на медь. Тиурамовая резина
дороже обычной. После Великой Октябрьской социалистической рево-
люции Советский Союз остался практически без сырьевой базы для
своей резиновой промышленности в связи с прекращением импорта
натурального каучука. Особое значение приобрела организация про-
мышленного производства синтетического каучука (СК).
Плодотворная работа советских ученых, в том числе А. Е. Фавор-
ского и С. В. Лебедева, позволила впервые в Советском Союзе создать
промышленное производство синтетического каучука путем полимери-
зации газа бутадиена (дивинила), получаемого или из спирта (по методу
С. В. Лебедева), или из нефти с применением в качестве катализатора
натрия. В настоящее время в резиновой промышленности применяется
целый ряд синтетических органических каучуков, важнейшие из кото-
рых указаны в табл. 5-9.
Сырая резиновая смесь может накладываться на голые провода на
специальных машинах, наноситься в виде защитной оболочки на кабели.
Резина, применяющаяся непосредственно для изоляции жил, имеет
повышенные электроизоляционные характеристики и носит название
изоляционной. Резина, применяющаяся для защитных оболочек, может
иметь невысокие электроизоляционные свойства, но должна обладать
повышенной механической прочностью. Такие резины называют шлан-
говыми. В качестве шланговых резин применяются «сажевые» резины
с повышенным содержанием сажи.
Необходимая форма должна быть придана резиновой изоляции или
резиновым изделиям до вулканизации, так как после вулканизации ре-
зина в силу своей упругости уже не будет сохранять форму, приданную
ей под действием механических усилий. Из резины при вулканизации
в соответствующих формах можно получать сравнительно сложные изде-
лия, к числу которых относятся средства защиты для работы под напря-
жением (перчатки, боты, галоши). Вулканизированная резина легко
склеивается резиновым клеем, представляющим собой раствор каучука
в бензине. Резиновые трубки получают выдавливанием на шприц-
машинах.
Электроизоляционные свойства чистых каучуков выше, чем резин,
что объясняется отрицательным влиянием некоторых составных частей
резиновых смесей. Электроизоляционные резины обладают неплохими
электроизоляционными свойствами, но с некоторыми характерными
особенностями. Обычные электроизоляционные резины из каучуков
НК, СКВ и СКС в нормальных условиях имеют следующие значения
электрических характеристик: удельное объемное сопротивление от
209
Таблица 5-9
Важнейшие синтетические органические каучуки
Название каучука Исходные материалы
Название Состав Структура Обозначение
Дивиниловый (натрий- бутадиеновый) Дивинил (бута- диен) с4н8 СН2 = СН — сн = сн2 СКВ, СКБМ, СКБ-РД
Дивинил-стирольный 1. Дивинил С4не сн2 = сн —сн = сн2 СКС-30; СКС-ЗОА; СКС-10
2. Стирол с8н8 с6н5-сн = сн2
Полихлоропреновый Хлоропрен С4Н6С1 сн2 = с —сн = сн2 Наирит
С1
Дивинил-нитрильный 1. Дивинил с4н, СН2 = СН — СН — сн2 СКН-18, СКН-26, СКН-40
2. Акрилонитрил CSH3N СН2 = СН—CN
Бутилкаучук 1. Изобутилен с4н8 сн3—с—сн3
ск
2. Изопрен с6н8 сн2=с—-сн = сн,
1 сн3
Рис. 5-33. Зависимость электрической
прочности резины при различных ра-
стяжениях от времени воздействия
напряжения.
1« 1014до Ь 1015 ом* см, tg б при 50 гц от 0,01 до 0,03, диэлектрическая
проницаемость от 2,5 до 5. Электрическая прочность органических ре-
зин сильно зависит от рода тока, степени растяжения и времени воз-
действия напряжением. В нерастянутом состоянии при частоте 50 гц
при кратковременном воздействии напряжением электрическая проч-
ность резин в зависимости от содержания в них каучука лежит в сле-
дующих пределах: при 20—25% каучука — 20—30 кв/мм, при 30—35%
каучука 30—45 кв/мм. При постоянном напряжении электрическая
прочность резин в 2—2,5 раза больше, чем при 50 гц. Влияние степени
растяжения мягких резин и времени выдержки под напряжением видно
из’графиков на рис. 5-33. Резкое снижение электрической прочности ре-
зин от степени растяжения находится в связи с низкой озоностойко-
стью резин; при высоких напряжениях, приложенных к образцу резины,
в окружающем воздухе начи-
нается ионизация и образую-
щийся озон разрушает резину
с образованием трещин. В не-
растянутом состоянии этот
процесс происходит гораздо
медленней.
Хотя резина практически
водо- и газонепроницаема, ее
электрические свойства ухуд-
шаются под действием влаги,
особенно- у резины марок,
содержащих значительное ко-
личество отрицательно дей-
ствующих составных частей.
Только у специальных влаго-
стойких резин электрические
характеристики мало изме-
няются при длительном
увлажнении, например, tg б,
равный в исходном состоя-
нии около 0,01, за 30 суток
пребывания в воде при 70° С увеличивается приблизительно на 30%.
При повышении температуры электроизоляционные свойства резин за-
метно ухудшаются, причем степень ухудшения находится в зависимости
от рецептуры резиновой смеси. Резины из органических каучуков под-
вержены тепловому старению.
В исходном состоянии наибольшую механическую прочность имеет
резина из НК, но она сильно подвержена тепловому старению. Наи-
более устойчивой к тепловому старению является резина на основе
СКС. Обычно для нормальных резин допустимую максимальную тем-
пературу принимают 55° С, а для резин с повышенной нагревостойко-
стью 65° С. Для хороших тиурамовых резин из НК и СКС рабочая тем-
пература (по зарубежному опыту) может быть поднята до 75° С, а для
резин на основе бутилкаучука — до 90° С.
Резины обладают ограниченной морозостойкостью: при достаточно
низких температурах они становятся ломкими. Из органических резин
наибольшей морозостойкостью обладает резина из СКС-10 около —
75 С.
Обычные органические резины подвержены световому старению.
Под влиянием солнечной радиации, особенно ее ультрафиолетовой
части, происходит старение, приводящее к растрескиванию и сниже-
211
нию эластичности. Резины из НК, СКВ и СКС не маслостойки и не бен-
зиностойки.
Полихлоропреновый каучук из-за низких электроизоляционных
свойств не применяется для изготовления электроизоляционных резин.
Благодаря высокой механической прочности хлоропренового каучука
(она близка к таковой у НК), а также его повышенной стойкости к нефтя-
ным маслам, воздействию света и озона резины из хлоропренового кау-
чука применяют для защитных оболочек кабелей, а также масло- и
озоностойких прокладок. Следует иметь в виду, что масло- и озоно-
стойкость резин весьма относительны. Так, например, маслостойкие
резины, применяемые в качестве различных уплотняющих прокладок,
обладают удовлетворительной маслостойкостью лишь в зажатом со-
стоянии.
Эбонит выпускается по ГОСТ 2748-53 в виде пластин, прутков и
трубок. Кроме того, эбонит может выпускаться в виде фасонных дета-
лей, которые вулканизируются непосредственно в пресс-формах. Эбо-
нит выпускают из НК, СКВ и СКС и их смесей. Он представляет собой
твердый вязкий материал, который хорошо обрабатывается механиче-
ски и хорошо полируется. Полированная поверхность более устойчива
против выделения серы под воздействием света; сера же, окисляясь,
создает проводящие соединения, снижающие поверхностное сопротив-
ление эбонита. Промывкой поверхности нашатырным спиртом и дистил-
лированной водой можно восстановить первоначальное состояние.
Эбонит применяется в виде всевозможных деталей в аппарато- и прибо-
ростроении. Из него изготовляют аккумуляторные баки. Он обладает
хорошими электроизоляционными свойствами, влагостоек, но имеет
малую теплостойкость по Мартенсу, что сильно ограничивает область
его применения.
К числу твердых резин относится эскапон, полученный Л. Т. Поно-
маревым путем полимеризации СКВ в пресс-формах при 20—30 ат и
температуре 260—300° С без доступа воздуха с последующей термооб-
работкой в термостатах без давления. Применяется он главным обра-
зом как высокочастотный материал благодаря очень низкому значению
tg б: при 106 гц от 0,0006 до 0,001.
Кремнийорганические резины отличаются хорошими электроизо-
ляционными свойствами, высокой нагревостойкостью и морозостойко-
стью, большой влагостойкостью, стойкостью против действия озона и
света. Благодаря этому кремнийорганическая резина в виде липких
лент (с недовулканизированным слоем) может применяться для изоля-
ции высоковольтных электрических машин. Применяется она и для
изоляции выводных концов нагревостойких электрических машин.
Кремнийорганические резины сохраняют гибкость при температуре до
— 100° С. Их недостатком является сравнительно низкая механическая
прочность; стоимость их высока.
В качестве эластичных материалов в производстве проводов и кабе-
лей и в других случаях находят применение следующие полимеры:
полихлорвиниловые пластикаты (в качестве основной изоляции и защит-
ных оболочек взамен дефицитного свинца и шланговых резин), полиэ-
тилен (в качестве основной изоляции и защитных оболочек), полиизо-
бутилен (в качестве добавок к полиэтилену и каучуку), политетрафтор-
этилен (в качестве основной изоляции), полиуретаны. Свойства изоляции
проводов и кабелей из этих полимеров находятся в соответствии со свой-
ствами самих полимеров.
Ш
5-13. СЛЮДА КАК ДИЭЛЕКТРИК
Слюда есть минерал с кристаллической структурой, от-
личающейся весьма совершенной спайностью, что означает
способность расщепляться на очень тонкие ровные пла-
стинки. Слюда является резко анизотропным материалом.
Существует несколько минералогических разновидностей
слюды, но в основном в качестве материала электрической
изоляции применяются две: Мусковит и флогопит. Состав
мусковита: К2О -ЗА12О8 -6SiO2 -2Н2О; состав флогопита:
К2О-6MgO-AI2O3 -6SiO2 -2Н2О. Кроме указанных основ-
ных элементов, слюда содержит большое количество других
примесей, обычно в виде окислов.
Наиболее чистый мусковит некоторых месторождений
иногда практически свободен от примесей, обычно же в му-
сковите встречаются следующие окислы: железа FeO,
Fe2O3 (магнетит), титана ТЮ2, хрома Сг2О3, магния MgQ,
марганца МпО, кальция СаО, натрия Na2O, а также фтор.
Во флогопите обычно присутствуют окислы: железа, мар-
ганца, кальция, а также фтор и хлор. В слюдах часто бы-
вают и газовые включения.
На прозрачном мусковите, бесцветном или слабоокра-
шенном в коричневый, розовый или зеленый цвет примеси
часто выявляются в виде различных по форме и цвету
пятен. На флогопите, менее прозрачном и более интенсивно
окрашенном (чаще всего коричневатого цвета), примеси
обычно не обнаруживаются визуально в виде пятен. Суще-
ствуют почти непрозрачные разновидности флогопита: так
называемая «серебрянка» — слюда серебристого цвета,
с большим количеством мелкодисперсных газовых включе-
ний, почти черная «цыганка».
Слюда представляет собой кристаллы ионной структуры:
в узлах кристаллической решетки расположены ионы. За-
писанная в формуле вода является водой конституционной,
входящей в состав кристаллической решетки в виде гидро-
ксильных групп ОН с отрицательным зарядом. Кроме этой
воды, в слюде имеется небольшое количество гигроскопиче-
ской воды, а также воды, которая не может быть отнесена
ни к гигроскопической, ни к конституционной. Гигроско-
пическая вода полностью удаляется при температуре по-
рядка 100° С, конституционная вода начинает выделяться
при температуре порядка 500—600° С. Между тем при обез-
воживании слюды нагреванием была установлена непре-
рывная потеря слюдой воды при повышении темпера-
213
туры вплоть до температуры выделения конституционной
воды.
Выделение воды вызывает вспучивание слюды, увели-
чение толщины за счет расслаивания по плоскостям спай-
ности. При значительном выделении конституционной воды
слюда теряет прозрачность, становится хрупкой, механиче-
ская прочность снижается, поверхность становится неровной
Рис. 5-34. Кривые вспучивания слюд.
1 — мусковит; 2 — темный флогопит; 3 — светлый флогопит.
В природе встречаются флогопиты, обладающие очень
сильной вспучиваемостью при сравнительно низких зна-
чениях температуры и пониженной температуре максималь-
ного выделения воды. Такие флогопиты называют гидрати-
зированными. Можно считать установленным, что в них
часть ионов калия замещается комплексными ионами ок-
сония Н3О. Чем больше ионов калия замещено оксонием,
тем сильней гидратизирован флогопит.
Гидратизация флогопита сказывается и на снижении его
механической прочности, твердости, ухудшении его элек-
троизоляционных свойств. Кривые вспучивания разных
слюд, по Е. К. Лашеву, представлены на рис. 5-34. Эти
кривые определяют собой нагревостойкость слюд. Для му-
сковита максимальная рабочая температура может быть
установлена в пределах 500—600° С, для особо твердого
флогопита 900—1 000° С.
214
Электрические свойства слюды находятся в известной
зависимости от содержащихся в ней примесей, что наиболее
сильно проявляется при высоких частотах. Особенно вред-
ными являются примеси магнитной окиси железа-магне-
тита, которая сама по себе является полупроводником. При-
меси часто залегают по плоскостям весьма совершенной
спайности, что приводит к резкому снижению электриче-
ских свойств слюды именно в этом направлении. Вообще
электрические свойства слюды.в направлении, перпенди-
кулярном плоскости спайности, значительно выше. Муско-
вит, как правило, отличается лучшими электроизоляцион-
ными свойствами и механическими характеристиками и
обладает большей упругостью, чем флогопит. Это не исклю-
чает, однако, такой возможности, когда сильно пятнистый
мусковит обладает худшими электроизоляционными свой-
ствами, чем хороший маложелезистый твердый фло-
гопит.
Слюда — материал мало гигроскопичный. По данным
Е. К- Лашева, образцы слюды, предварительно высушенные
над фосфорным ангидридом при комнатной температуре до
постоянного веса, от пребывания в течение 48 ч в атмосфере
с влажностью, близкой к 100%, обнаружили в среднем
следующее увеличение веса: мусковит на 0,18%, флогопит
на 0,24%. Водопоглощаемость за 48 ч составляет: у муско-
вита 1,3—4,5%, у флогопита 1,5—5,2%.
Слюда отличается значительной химостойкостью. На
мусковит щелочи действуют очень слабо, кислоты дей-
ствуют несколько сильнее, особенно при высокой темпера-
туре. Флогопит обладает меньшей химостойкостью, чем
мусковит.
Предел прочности слюды при растяжении, определенный
на образцах толщиной от 0,02 до 0,05 мм, по средним зна-
чениям лежит в пределах 17—36 кПмм2 у мусковита и
16—26 кГ/мм2 у флогопита.
Предел прочности при сжатии образцов слюды площадью
20x20 мм2, собранных из пластинок разной толщины
в стопки толщиной 10 и 20 мм колеблется в пределах: для
мусковита от 2 000 до 5 800 кГ/см2, для флогопита — от
1 500 до 4 600 кГ/см2,
Практический интерес имеет усадка слюды при боль-
ших сжимающих усилиях. Согласно исследованиям О. Б.
Брона, при больших значениях сжимающих усилий (из-
мерено до 850 кГ/см2} флогопит и мусковит имеют практи-
чески одинаковую усадку: при 400 кГ!см2 — около 3%,
215
при 850 кГ/см* — около 3,5%. У разных образцов слюды
наблюдаются значительные колебания усадок.
Для некоторых видов слюдяных электроизоляционных
материалов большое значение имеет гибкость листочков
слюды. Благодаря большей упругости мусковита по срав-
нению с флогопитом первый считают менее гибким. Однако
если оценивать гибкость слюды по толщине ее листочков,
при которой появляются повреждения от изгиба вокруг
того или иного диаметра, то мусковит оказывается более
гибким, чем флогопит. Например: у мусковита, при изгибе
вокруг валика диаметром 10 мм первые признаки повре-
ждения наблюдаются при толщине 30—35 мк, у флого-
пита — при 25 мк.
В более или менее чистой слюде диэлектрические потери
малы, поэтому при ее пробое в большинстве случаев имеет
место электрический пробой, благодаря чему ее электриче-
ская прочность сильно зависит от однородности электриче-
ского поля. При пробое между дисковыми электродами
в масле электрическая прочность в направлении, перпенди-
кулярном плоскостям спайности мусковита и флогопита,
оказывается близкой и лежит в пределах порядка 100—
150 кв/мм. В однородном электрическом поле выявляется
разница в электрической прочности слюд: у мусковита она
достигает 1 000 кв/мм, у флогопита 700 кв/мм. До темпера-
туры порядка 300° С электрическая прочность слюды почти
не изменяется (исключение может представлять сильно
гидратизированный флогопит), при дальнейшем росте —
снижается.
При измерении tg S и диэлектрической проницаемости
слюды особенное внимание должно быть обращено на тща-
тельность прилегания измерительных электродов к образцу,
так как воздушные зазоры между электродами и образцом
сильно искажают получаемые результаты. Величина ди-
электрической проницаемости слюды лежит обычно в пре-
делах 6—7,5; у мусковита она, как правило, несколько
больше, чем у флогопита. Величина tg6 у мусковита, как
правило, значительно меньше, чем у флогопита. Но у сильно
пятнистого мусковита tgS может быть больше, чем у хо-
рошего флогопита. У чистого мусковита tg6 при 50 гц в на-
правлении, перпендикулярном плоскости спайности, ле-
жит в пределах от нескольких десятитысячных до несколь-
ких тысячных долей единицы. С повышением частоты диэлек-
трическая проницаемость и tg6 слюды уменьшаются. У
чистого мусковита при 1 Мгц tg6 достигает значения 0,0001.
216
Удельное объемное сопротивление мусковита перпенди-
кулярно плоскостям спайности и лежит в пределах 1014—
1015 ом -см, у флогопита 1013—1014 ом -см. J\q температуры
200° С удельное объемное сопротивление хорошей слюды
почти не изменяется. От влажности окружающей среды
удельное объемное сопротивление слюды зависит мало.
Удельное поверхностное сопротивление сильно снижается
с увеличением влажности окружающей среды вследствие
хорошей смачиваемости слюды. При 55—60% относительной
влажности удельное поверхностное сопротивление муско-
вита лежит в пределах 1011—1012 ом, у флогопита 1010—
1011 ом. В направлении, параллельном плоскости совер-
шенной спайности, удельное объемное сопротивление ко-
леблется в пределах от 108—109 ом -см, причем наблюдается
большое влияние относительной влажности окружающего
воздуха. Пробивное напряжение чистого мусковита вдоль
плоскости спайности при расстоянии между электродами
10 мм лежит в пределах 12—20 кв.
Слюду добывают из недр земли в виде кристаллов разных
размеров, с неровными краями, с разными загрязнениями
и дефектами. После первичной обработки кристаллов, за-
ключающейся в расколке, обрезке неровных краев, удалении
посторонних минеральных включений, из первоначально
крупных кристаллов часто остается немного мелких. Этим
объясняется повышенная стоимость крупной слюды. Слюду,
полученную после первичной обработки кристаллов — под-
боры, рассортировывают для дальнейшей обработки по
преимущественному использованию: на изготовление кон-
денсаторной слюды, на изготовление радиодеталей, прокла-
дочной гильотинной слюды и щипаной слюды. Тонкие пла-
стинки слюды режутся ножницами, штампуются на выруб-
ных штампах.
Конденсаторная слюда выпускается в виде ровно обре-
занных прямоугольных пластинок наиболее ходовой тол-
щины в пределах 20—70 мк разной площади. Крупная
конденсаторная чистая слюда очень дефицитна и дорога.
Конденсаторная слюда выпускается по ГОСТ 7134-64, ко-
торый предусматривает пять марок в зависимости от на-
значения: образцовая (для образцовых конденсаторов) —
мусковит СО; фильтровая (для фильтровых конденсаторов) —
мусковит СФ; низкочастотная — мусковит СНЧ; высоко-
частотная— мусковит СВЧ; защитная — мусковит и твер-
дый флогопит СЗ (для наружных — защитных пластин па-
кетов слюдяных конденсаторов). Стандартными размерами
217
конденсаторной слюды являются следующие: длина в пре-
делах 7—60 мм, ширина в пределах 4—50 мм. В ГОСТ
регламентированы, кроме электрических характеристик,
различные допускаемые дефекты как природные, например
допустимая площадь, занимаемая пятнами и воздушными
включениями, так и связанные с технологией изготовления
конденсаторной слюды, например трещины, проколы, над-
ломы, царапины. Требования ГОСТ 7134-64 по величине
tg 6 конденсаторной слюды приведены в табл. 5-10.
Таблица 5-10
Электрические характеристики конденсаторной слюды
ГОСТ 7134-64
Марка слюды Среднее значение tg б (не более)
при 103 гц при 10в гц
СО 0,0004 0,00033
СФ 0,0007 0,00033
СНЧ 0,0010 0,0004
СВЧ Не нормируется 0,0006
сз Не нормируется Не нормируется
Минимальные значения удельного объемного сопроти-
вления должны быть не менее: для слюды марок СО и СФ
1 • 1015сии *см, для слюды марок СНЧ и СВЧ — 1 • 1014ojw -см.
Слюда марок СО, СФ, СНЧ и СВЧ при 20° С и 50 гц
должна в течение 10 сек выдерживать следующие напря-
жения:
При толщине 20—25 мк........... 1 500 в
» » 26—35 мк4...........2 000 в
» » 36—45 мк........... 2 500 в
» » 46 мк и выше ...... 3 000 в
Слюдяные радиодетали, применяемые для изоляции и
крепления внутренней арматуры электронных ламп, изго-
товляются из мусковита, так как здесь требуются повышен-
ные упругость и механическая прочность, а также возможно
легкое и полное удаление влаги и газов; последнему требо-
ванию также лучше удовлетворяет мусковит. Штампован-
ные радиодетали из слюды должны иметь возможно меньше
трещин и расслоений, причем только малых размеров.
К радиодеталям предъявляются также жесткие требования
по допускам на размеры.
213
Щипаная слюда мусковит и флогопит выпускается по
ГОСТ 3028-64, согласно которому она разделяется на че-
тыре сорта по характеру поверхности и пятнистости, на
девять размеров по площади и на четыре группы по толщине.
Щипка слюды размеров' от 4 до 50 включительно произво-
дится вручную ножами особой формы. Щипка слюды раз-
меров 0,5 и 4М производится механизированным способом
на специальных установках.
Деление слюды по размерам показано в табл. 5-11.
Таблица 5-11
Размеры щипаной слюды
Размер Площадь вписанного в плас- тинку слюды прямоугольника, см2 Размер Площадь вписанного в пластинку слюды прямоугольника, см2
от ДО от до
50 50 65 и более 10 10 15
40 40 50 6 6 10
30 30 40 4 и 4М 4 6
20 20 30 0,5 0,5 4
15 15 20
Примечание. Площадь слюды размером 4М (механической щипки) опре-
деляется по общему контуру пластинки, а размером 0,5 — просевом через сито.
Сортность щипаной слюды определяют процентом пло-
щади пластинок, занятых минеральными включениями и
загрязнениями и гладкостью
поверхности — волнистостью
и морщинистостью. Разделение
щипаной слюды по группам
толщины производят соглас-
но данным, приведенным в
табл. 5-12.
Средние пробивные напря-
жения при пробое в воздухе
при 20° С и 50 гц должны
быть не менее: у мусковита
толщиной 15± 5 мк 2,2 кв\
25 ± 5 мк 4,0 кв\ у флого-
пита, соответственно 1,8 и
Таблица 5-12
Разделение щипаной слюды
по группам толщины
Размеры Группа толщи- ны Толщина пла- стинок, мк
от до
50—6 I 10 20
50—6 II 20 30
4 III 5 35
4М; 0,5 IV 5 45
3,2 кв. В ГОСТ указаны допустимые дефекты: местные
утолщения, мелкие трещины, проколы, вмятины и пр.
219
В настоящее время разработан способ получения искус-
ственной слюды— фторофлогопита, отличающегося от при-
родного флогопита заменой гидроксильных групп в кри-
сталлической решетке ионами фтора и высокой чистотой,
в частности полным отсутствием окислов железа, вследствие
чего фторофлогопит бесцветен. Получают фторофлогопит
при медленном охлаждении расплава шихты, соответствую-
щей составу флогопита с заменой гидроксилов фтором.
Охлаждение расплава, начиная от температуры Около
1 300° С, должно производиться со скоростью пбрядка
1°С/ч, что связано с большими трудностями. При этом
в основном получают мелкие кристаллы и лишь небольшое
количество сравнительно крупных кристаллов. Благодаря
своей чистоте фторофлогопит имеет очень высокие диэлек-
трические характеристики: удельное объемное сопротивле-
ние 1017—1018 ом -см, tg6 при 106 гц меньше 0,0001. Осо-
бенный интерес представляет искусственная слюда и мате-
риалы на ее основе как высокочастотный диэлектрик и ма-
териал повышенной нагревостойкости, превосходящей в этом
отношении самую нагревостойкую натуральную слюду.
5-14. СЛЮДЯНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Слюдяные электроизоляционные материалы получают
отличными друг от друга двумя способами. Принцип пер-
вого, старого способа, заключается в склеивании между
собой пластинок щипаной слюды, иногда с односторонней
или двусторонней оклейкой волокнистым материалом (под-
ложкой). По второму способу электроизоляционные мате-
риалы — слюдиниты и слюдопласты — получают из спе-
циальных слюдяных бумаг, которые заменяют в готовом
продукте слои щипаной слюды. Сама слюда и слюдяные
бумаги по нагревостойкости относятся к классу С. Нагре-
востойкость слюдяных электроизоляционных материалов
зависит от вида связующего и подложки. При использо-
вании глифталевой смолы и шеллака с подложками из цел-
люлозы или шелка, или без подложек, получают материалы
класса В. При применении связующих на основе эпоксид-
ных, полиэфирных или полиуретановых смол с подложками
из неорганических волокон могут быть получены материалы
класса F, при применении кремнийорганических связую-
щих — класса Н, неорганических — класса С.
Из щипаной слюды изготовляют листовые материалы —
миканиты — и ролевые: микафолий — один или несколько
220
слоев слюды с односторонней подложкой и микаленту,
представляющую собой один слой пластинок слюды, склеен-
ных между собой и оклеенных с двух сторон (иногда с од-
ной) пропитанной лаком микалентной бумагой. Материалы,
аналогичные микаленте, могут быть получены на шелке
(микашелк) или стеклоткани (стекломикалента). Миканиты
толщиной до 0,25 мм клеят вручную, используя тот или
иной лак, который с помощью кисти наносится на аккуратно
выложенные листочки слюды, с нахлестом во избежание
просветов. Наклеенные листы сушат в печах. Иногда слюда
наклеивается на непрерывном полотнище бумаги, переме-
щающемся на специальной конвейерной клеечной машине.
Такая машина имеет сушильную камеру, в которой уда-
ляется растворитель. По выходе из камеры миканит наре-
зается на листы. Как правило, после сушки миканит прес-
суется на плитах этажерочных гидравлических прессов
с подогревом. Режим прессования зависит от вида связую-
щего и назначения миканита.
Заготовку листов для миканитов толщиной свыше 0,25 мм
обычно производят на башенной машине, принцип действия
которой заключается в том, что щипаная слюда, засыпаемая
вместе со смоляным порошком определенными порциями
сверху башни, оседает внизу ее более или менее ровным
слоем, будучи опудрена смолой. Эти заготовки после спе-
кания в печах прессуются на этажерочных прессах. Как
правило, материалы из слюды мусковит при тех же условиях
имеют большую электрическую прочность, чем материалы
из флогопита.
Миканиты бывают: коллекторный, прокладочный, фор-
мовочный, гибкий, термоупорный (жаростойкий).
Изготовляют коллекторный миканит по ГОСТ толщи-
ной 0,4—1,5 мм, как правило, из флогопита, размером
0,5 и 4. Флогопит легче удовлетворяет требованиям, свя-
занным с минимальным содержанием смолы; кроме того,
флогопит как менее твердая смола обладает истираемостью,
практически равной таковой у меди коллектора, что важно
при работе щеточно-коллекторного узла электрической
машины.
Коллекторный миканит применяется в качестве изоля-
ции между пластинами коллекторов электрических машин.
К нему предъявляют следующие, основные требования:
равномерность по толщине, малая усадка при повышенных
давлении и температуре и отсутствие при этом вытекания
смолы и скольжения пластинок слюды. Согласно ГОСТ
221
2196-60 коллекторный миканит бывает четырех марок:
КФШ — на шеллаке, КФГ — на глифтале, КФГС — на
глифтале, специальный, КФД — на неорганическом свя-
зующем (аммофосе).
Суммарная усадка коллекторного миканита при 20° С
и повышении давления от 1 до 600 кГ/см\ а также при да-
влении 600 кГ/см* и повышении температуры от 20° С до
160° С должна быть не более 10%. Допустимые отклонения
от номинальной толщины для марки КФГС средние
± 0,03 мм, в отдельных точках ± 0,07 мм, для КФШ и
КФГ соответственно ± 0,04 мм и ± 0,08 мм, для КФА
± 0,05 и ± 0,10 мм. Для удовлетворения этим требованиям
коллекторный миканит прессуется дважды с промежуточным
калиброванием по толщине путем фрезерования или шли-
фования. Температура прессования коллекторного мика-
нита 160—170° С, давление 170—200 кПсм2. Содержание
смолы должно быть не более 4%. Плотность коллекторных
миканитов лежит в пределах 2,2—2,6 г!см*, электрическая
прочность не ниже 18 кв!мм. Коллекторный миканит можно
резать ножницами, штамповать на вырубных штампах.
Способность к резанию проверяется по расслаиваемости
миканита при нарезании полосок размером 20x20 или
40x40 мм.
Прокладочный миканит изготовляют по ГОСТ 6121-60
толщиной 0,5—5 мм, из флогопита или мусковита или их
смеси. При применении глифталевой или шеллачной смолы
содержание ее допускается: в миканите с пониженным
содержанием связующего в пределах 5—12%, в миканите
с нормальным содержанием смолы в пределах 12—20%.
Содержание кремнийорганической смолы в миканите тол-
щиной 0,15 мм должно быть в пределах 3—8%, толщиной
от 0,5 до 5 мм — в пределах 5—11%. Электрическая проч-
ность прокладочного миканита при толщине до 1 мм должна
быть для разных марок не менее значений от 15 до 33 кв/мм
в зависимости от толщины и вида связующего.
Удельное объемное сопротивление прокладочного мика-
нита всех марок в исходном состоянии должно быть не менее
1013 ом -см, а после пребывания 48 ч в атмосфере 95%
относительной влажности у миканита из мусковита или его
смеси с флогопитом не менее 1012 ом -см, у миканита из
одного флогопита не менее 1011 ом -см.
Прокладочный миканит допускает резание ножницами,
вырубку на штампе, в плотно зажатом состоянии сверление
и обточку. При большой толщине прокладочный миканит
222
можно опиливать на дисковых пилах, принимая меры к не-
допущению расслаивания по плоскостям совершенной спай-
ности листов слюды.
Применяется прокладочный миканит для всевозможных
прокладок и шайб. На глифтале и шеллаке по классу нагре-
востойкости В, на кремнийорганической смоле—до
класса Н.
Основной особенностью формовочного миканита яв-
ляется способность принимать при нагревании более или
менее сложную форму и сохранять ее после формования.
Типичными деталями из формовочного миканита являются:
коллекторные манжеты (конуса), цилиндры, трубки. Ман-
жеты крупных размеров прессуют в прессформах с выпеч-
кой в зажатом состоянии. Мелкие и средние коллекторы
сейчас прессуют на пластмассе, чем достигается экономия
щипаной слюды. Цилиндры и трубки получают, наматывая
нагретый миканит на оправки с последующей выпечкой
в формах или с временными бандажами — обмотками.
Формовочный миканит изготовляют по ГОСТ 6122-60
из мусковита, флогопита или их смеси на глифталевой смоле
или шеллаке, а для марок с повышенной нагревостойкостью
на кремнийорганических смолах. При малой толщине ми-
канита обычно применяют лаки, при большой — сухие
смолы. Содержание глифталевой и шеллачной смолы в ми-
каните с нормальным содержанием связующего должно
быть в пределах 8—14%, с повышенным содержанием —
14—20%. Содержание кремнийорганической смолы должно
быть соответственно: 5—10% и 10—20%.
Стандартными толщинами обычного формовочного ми-
канита являются: для миканита на глифталевой смоле или
шеллаке 0,1—1,5 мм, для миканита на кремнийорганической
смоле 0,15—0,5 мм.
Электрическая прочность стандартного формовочного
миканита из мусковита по ГОСТ 6122-60 от 27 до 38 кв/мм
в зависимости от толщины, а из флогопита и смеси флого-
пита с мусковитом от 22 до 33 кв/мм. Удельное объемное
сопротивление при нормальных условиях у миканита из
мусковита и его смеси с флогопитом должно быть не менее
1013 ом -см, после увлажнения 1012 ом -см, а у миканита из
флогопита — соответственно 1013 и 1011 ом -см. К числу
нестандартных относится миканит формовочный высоко-
вольтный, отличающийся применением более крупной слюды
и повышенной электрической прочностью не менее 40 кв/мм,
если он из мусковита, и 35 кв/мм, если он из флогопита.
223
В листах формовочный миканит режется ножницами,
штампуется, при нагревании размягчается. В изделиях ре-
жется, обтачивается (обрезка труб и цилиндров, краев
у манжет).
Гибкий миканит отличается известной гибкостью при
комнатной температуре, благодаря чему он может быть
использован в электрических машинах и аппаратах для все-
возможных гибких прокладок: пазовая и подбандажная
изоляция, межвитковая изоляция крупных машин, про-
кладки в катушках возбуждения. Стандартный гибкий ми-
канит (ГОСТ 6120-61) выпускают без волокнистой подложки,
а также оклеенный с обеих сторон микалентой или телефон-
ной бумагой. Оклейка предохраняет миканит от расслаива-
ния при нарезке на узкие полосы, от повреждения при за-
кладке в пазы и пр. Стандартный гибкий миканит изготов-
ляют из мусковита или флогопита на масляно-глифталевом,
масляно-битумном или кремнийорганическом лаке толщи-
ной от 0,15 до 0,5 мм. Электрическая прочность стандарт-
ного гибкого миканита зависит от вида слюды, наличия
оклейки и вида связующего. Содержание связующего гиб-
кого миканита всех марок по ГОСТ 6120-61 должно быть
в пределах 10—25% или 15—25%, при содержании летучих
не более 5% или не более 10%. Средняя электрическая
прочность в зависимости от вида слюды, связующего и на-
личия оклейки должна быть в пределах: при толщине
0,15—0,25 мм — от 20 до 27 кв!мм, при толщине 0,30—
0,50 мм — от 15 до 22 кв/мм. Нормы на удельное объемное
сопротивление гибкого миканита аналогичны нормам для
формовочного миканита.
К стандартным гибким миканитам относится стекломи-
канит гибкий (ГОСТ 8727-58), изготовляемый из слюды
флогопит на кремнийорганическом или масляно-глифтале-
вом лаке с оклейкой бесщелочной стеклотканью или стекло-
марлей. Он применяется в качестве изоляции электрических
машин и аппаратов нагревостойкого и специального испол-
нения. Значения стандартной толщины этого миканита
лежат в пределах 0,2—0,6 мм с содержанием связующего
15—30%, летучих не более 2,0—5,0% (для разных марок).
Термоупорный (жаростойкий) миканит делается из фло-
гопита с применением неорганического связующего —
фосфорнокислого аммония. Благодаря этому он может ис-
пользоваться в качестве электроизоляционного материала
в нагревательных приборах. После двухчасового нагрева
полоски этого миканита в зажатом состоянии при 700° С
224
не должны расслаиваться (рассыпаться). Термоупорный
миканит выпускают толщиной 0,5—2,0 мм; его электриче-
ская прочность должна быть не ниже 4—5 кв!мм, в зависи-
мости от толщины, а удельное объемное сопротивление не
ниже 1012 ом -см,
Микалента, изготовляемая по ГОСТ 4268-48, выпускается
в роликах шириной 12; 15; 20; 23; 25; 30 и 35 мм, толщиной
от 0,08 до 0,17 мм, из мусковита или флогопита крупных раз-
меров, с применением масляно-битумного или масляно-глиф-
талевого лака. Лента толщиной 0,08 мм имеет односторон-
нюю оклейку микалентной бумагой, выпускается в подсу-
шенном состоянии. Микаленты другой толщины имеют
двустороннюю оклейку, выпускаются неподсушенными.
Предел прочности микаленты при растяжении должен быть
не менее следующих значений
При толщине 0,08 мм 3 к Г) мм2
» » 0,10 мм 2,5 кГ\мм2
» » 0,13 мм 2,0 к Г) мм2
» » 0,17 мм 1,8 кГ\мм2
По ГОСТ 4268-48 наибольшее значение электрической
прочности не менее 20 кв!мм должна иметь микалента из
мусковита. Применяется микалента для непрерывной изо-
ляции обмоток электрических машин: лентой путем на-
мотки ее в соответствующее число слоев изолируются секции
или стержни обмоток как пазовая, так и лобовые части без
каких-либо переходов — непрерывно.
Кроме стандартной микаленты, изготовляют следующие
материалы типа микаленты. Микашелк, отличающийся тем,
что при его производстве вместо микалентной бумаги при-
меняется тонкий шелк, придающий ленте повышенную ме-
ханическую прочность. Его электрическая прочность не-
сколько меньше, чем у Микаленты.
Стекломикалента специальная изготовляется из флого-
пита, стецлоткани и кремнийорганического лака. Она отли-
чается повышенной нагревостойкостью — классы F и Н.
Стекломикалента нагревостойкая, хотя и выпускается как
отдельная марка, но она мало отличается от стекломика-
ленты специальной; по применяемым при изготовлении полу-
фабрикатам она отличается тем, что вместо стеклоткани
толщиной 0,06 мм применяется стеклоткань толщиной
0,04 мм; электрическая прочность стекломикаленты нагре-
востойкой допускается несколько меньшая, чем у стекло-
микаленты специальной, а именно не менее 10 кв/мм,
8 Ю. В. Корицкий 225
Микафолий выпускают согласно ГОСТ 3686-47 толщиной
0,15; 0,20 и 0,30 мм из мусковита или флогопита с приме-
нением в качестве склеивающих материалов глифталевого
или шеллачного лака, который после наклеивания слюды
на бумагу наносится поверх слюды. Благодаря этому при
намотке микафолия на стержни, болты или оправки при
нагревании (во время намотки или при последующей вы-
печке) отдельные слои склеиваются между собой, создавая
плотную твердую, слоистую бумажно-слюдяную изоляцию.
Выпечка микафолиевой изоляции может происходить
в пресс-формах (например, при изготовлении гильз пазовой
изоляции) или под ленточными временными намотанными
бандажами. Электрическая прочность микафолия из муско-
вита должна быть не менее 16 кв/мм, из флогопита — не
менее 13 кв/мм.
Несмотря на наличие больших ресурсов слюды-в Совет-
ском Союзе, щипаная слюда крупных размеров дефицитна
и дорога. Высокая стоимость слюды обусловлена в основном
двумя причинами: расположением важнейших месторожде-
ний в малообжитых, экономически слаборазвитых районах
Севера и Дальнего Востока и большой трудоемкостью тех-
нологии обработки слюдяного сырья. Поэтому с учетом
сильного увеличения потребности в щипаной слюде, вы-
званной ростом энергетики Советского Союза, актуальной
задачей является замена щипаной слюды другими материа-
лами. Эта задача решается двумя путями: применением
новых материалов из слюдяной бумаги, изготовляемой из
отходов слюдообрабатывающих фабрик или рудничного
слюдяного скрапа, имеющихся в больших количествах, и
применением некоторых не слюдяных материалов. В ка-
честве первых следует отметить слюдиниты и слюдопласты,
в качестве вторых — ленту из кремнийорганической ре-
зины, некоторые стеклолакоткани, нагревостойкие пленоч-
ные материалы, пластмассы, например АГ-4. Применение
слюдяной бумаги в .несколько раз снижает трудоемкость
производства слюдяных электроизоляционных материалов
по сравнению с производством таковых из щипаной слюды,
так как само производство бумаг и материалов из них может
быть в высокой степени механизировано, особенно по срав-
нению с ручной клейкой из щипаной слюды. В результате
стоимость материалов из слюдяных бумаг в несколько раз
ниже стоимости материалов из щипаной слюды.
Слюдиниты изготовляют из слюдинитовой бумаги с при-
менением различных пропитывающих и связующих мате-
226
риалов и подложек. Слюдинитовая бумага изготовляется
из отходов мусковита (возможно получение и флогопитовой
слюдинитовой бумаги), которые после прогрева при тем-
пературе около 800° С и последующей обработки водным
щелочным раствором и слабой кислотой разбиваются на
мелкие чешуйки, образующие водную пульпу; из этой
пульпы на бумагоделательной машине изготовляется бумага
на картоноделательной — листовые заготовки. Из слюди-
нитовых бумаг и картонов изготовляют различные слюди-
Рис. 5-36. Интегральные кривые
распределения пробивных напря-
жений стеклобумослюдинитовой
ленты и микаленты.
1 — стеклобумослюдинитовая лента;
2 — микалента.
Рис. 5-35. Интегральные кривые
распределения -толщин стекло-
бумослюдинитовых лент и ми-
каленты.
1 — стеклобумослюдинитовая лента
на эпоксидно-полиэфирном лаке;
2 — стеклобумослюдинитовая лента
на битумно-масляном лаке; 3 — ми-
калента.
нитовые материалы по номенклатуре, соответствующей обыч-
ным материалам из щипаной слюды. Слюдинитовая бумага
обладает низкой механической прочностью, поэтому ее
применение дает во многих случаях хорошие результаты
лишь с использованием в качестве пропиточных и связую-
щих материалов термореактивных лаков и смол. Слюдинито-
вые материалы обладают значительно большей однород-
ностью, чем клеенные из щипаной слюды (рис. 5-35 и 5-36).
Это позволяет получать из стеклослюдинитовых лент вы-
сококачественную термореактивную изоляцию статорных
обмоток электрических генераторов самых больших мощ-
ностей, превосходящую по качеству старую микалентную
изоляцию, опрессованную гидростатически битумом. При-
8*
227
менение стеклослюдинитовых лент с термореактивными
пропитывающими материалами позволяет снизить толщину
изоляции генераторов, что приводит к улучшению их тех-
нических характеристик. Термореактивные стеклобумослю-
Рис. 5-37. Снижение электрической прочности изоляции из стекло-
слюдинитовой ленты и микаленты от механических воздействий.
а — от воздействия вибрации; б — от воздействия знакопеременных изгибов;
1 — стеклобумослюдйнйтовая изоляция; 2 — микалентная изоляция.
динитовые и стеклослюдинитовые ленты с успехом заменяют
старую микалентную изоляцию статорных обмоток высоко-
вольтных асинхронных Двигателей.
Изоляция из стеклобумослюдинитовых и стеклослюди-
нитовых лент представляет собой своеобразный слоистый
пластик, в котором ос-
Рис. 5-38. Изменение удельного объ-
емного сопротивления изоляции из
стеклобумослюдинитовой ленты и ми-
каленты в процессе увлажнения
(сплошные линии) и выдержки в воде
(пунктирные линии).
1 — стеклобумослюдйнйтовая изоляция;
2 — микалентная изоляция.
новным диэлектриче-
ским барьером является
слой пропитанной слю-
динитовой бумаги—пла-
стик с высококачествен-
ным термореактивным
связующим и наполните-
лем из слюдинитовых
чешуек. Качественная
стеклобумо слюдинито-
вая изоляция имеет из-
вестные преимущества
по сравнению с обычной
микалентной изоляцией,
даже при механических
воздействиях, как видно
из рис. 5-37. По влаго-
стойкости хорошая слюдинитовая изоляция не уступает
микалентной (рис. 5-38). Применение слюдинитовых ма-
териалов вместо соответствующих материалов из щи-
паной слюды требует, обычно, известных изменений
технологии применения в электромашиностроении. Прин-
223
цип производства слюдопласта основан на свойстве слюды
восстанавливать силы сцепления по плрскостям спайности
при плотном прилегании свежерасщепленных поверхно-
стей. При расщеплении в воде эта способность сохраняется
в течение длительного времени. Слюдяные отходы, очищен-
ные от всевозможных загрязнений и промытые водой, рас-
щепляются и измельчаются в воде до размеров мелких и
тонких чешуек, образующих водную пульпу, из которых на
особой бумагоделательной машине может быть получена
тонкая слюдопластовая бумага, обладающая значительной
механической прочностью без всяких связующих: предел
прочности при разрыве доходит до 6 кГ/мм* и выше. Слю-
допласты могут изготовляться из флогопита или из муско-
вита. Применение различных связующих и подложек дает
возможность получать слюдопластовые материалы по всей
номенклатуре материалов, клеенных из щипаной слюды.
Благодаря сохранению кристаллической структуры слюды
в слюдопластовых материалах без той деструкции, которая
свойственна слюдинитам (разрыхление за счет частичного
удаления кристаллизационной воды) и более крупных раз-
меров чешуек слюдопласты обычно механически прочнее
слюдинитов. Слюдопластовые материалы по структуре ближе
подходят к миканитам, отличаясь от них значительно
большей однородностью.
В силу указанных выше особенностей изоляция из слю-
динитовой бумаги получается более монолитной, чем из
слюдопластовой. Имеющаяся практика показала, что слю-
динитовая изоляция является более перспективной заменой
микалентной изоляции в различных машинах высокого
напряжения, в то время как слюдопласты являются более
перспективной заменой коллекторного, прокладочного и
формовочного миканитов.
5-15. КЕРАМИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ Й НИЗКОВОЛЬТНАЯ КЕРАМИКА
Керамика — неорганический материал, получаемый из
минерального сырья, спекающегося при высокой темпера-
туре в твердый более или менее плотный черепок. Свойства
керамических изделий очень зависят не только от состава,
но и от формы и размеров. Поэтому характеристики, опре-
деленные на стандартных образцах, еще не определяют
характеристик деталей. Керамика отличается большой на-
гревостойкостью, практически не подвержена термоокис-
229
лительной деструкции, поэтому рабочая температура из-
делий лимитируется обычно ухудшением электроизоляцион-
ных свойств.
По назначению электротехническую керамику можно
разделить на следующие виды: высоковольтная, низко-
вольтная, высокочастотная.
Основным видом высоковольтной и низковольтной кера-
мик является электротехнический фарфор. Для его произ-
водства применяют следующее важнейшее сырье: глини-
стые материалы (каолин и огнеупорные пластичные глины),
отощающие материалы (кварц и череп — фарфоровый бой),
плавни (полевой шпат и пегматит), плавни для глазури
(мел, доломит). Глинистые вещества придают фарфоровой
массе пластичность во влажном состоянии, благодаря чему
из нее можно формовать разные изделия. Отощающие ма-
териалы снижают усадку, деформацию и растрескивание
глинистых материалов при обжиге. Плавни снижают темпе-
ратуру обжига, играя определенную роль при образовании
спекшегося черепка.
Каолин (белая глина) отличается от других глин малым
содержанием примесей, в частности4окислов железа. Основ-
ной частью каолина является гидроалюмосиликат — као-
линит А12О3 -2 SiO2 -2Н2О. Температура плавления као-
лина . 1 770—1 780° С; начало спекания 1 000° С. Кварц
является кремнеземом (SiO2) с очень малым содержанием
примесей, с температурой плавления 1 800° С. Полевой
шпат — минерал, не содержащий, как и кварц, кристаллиза-
ционной воды; для производства фарфора предпочтителен
калиевый полевой шпат К2О *А12О3 -6SiO2; натриевый шпат
дает материалы с пониженными электроизоляционными
свойствами. Температура плавления полевого шпата 1 180—
1 200° С. Пегматит состоит из кварца и полевого шпата,
т. е. из отощающего материала и плавня.
Сущность технологии изготовления фарфоровых изо-
ляторов описана ниже.
Первая стадия: измельчение сырья, смешивание и полу-
чение однородной уплотненной, дегазированной пластичной
массы, пластичного порошка, жидкого водного шликера
или парафинистого шликера. В зависимости от вида массы
и формы изделия в дальнейшем применяют тот или иной
метод формования из пластичной массы. Изделия в виде
тел вращения (тарельчатые — подвесные изоляторы; конусо-
образные и чашеобразные — штыревые и опорные изоля-
торы; крупные пустотелые конусообразные — покрышки;
230
цилиндрические монолитные — подвесные изоляторы и пу-
стотелые проходные изоляторы) формуют или в гипсовых
формах или оправкой соответствующих заготовок на то-
карных станках. Цилиндры и трубки диаметром примерно
до 100 мм формуют выдавливанием массы через мундштук
на специальных прессах.
Из пластичного порошка обычно изготовляют мелкие
низковольтные детали сложной формы (ролики, втулки,
воронки, колодки, розетки) путем прессования в металли-
ческих формах на быстродействующих прессах. Из жидкого
водного шликера формуют обычно крупные тонкостенные
высоковольтные изделия (покрышки) путем отливки в тол-
стостенные гипсовые формы, на внутренней полости которых
откладывается слой массы необходимой толщины, в то
время как вода поглощается гипсом. Потом при разъеме
формы сырое изделие вынимается.
Высокочастотные детали низкого напряжения сложного
вида можно формовать методом литья под давлением из
горячего парафинистого шликера в стальных разъемных
охлаждаемых формах. В горячем состоянии парафинистый
шликер имеет сметанообразную консистенцию, под давле-
нием заполняет форму и, охлаждаясь в ней, образует до-
вольно плотное сырое изделие. Отформованные изделия
проходят предварительную сушку (за исключением отли-
тых из горячего шликера) и покрываются глазурью, для чего
применяют жидкий водный глазурный шликер, отличаю-
щийся от состава фарфора добавкой плавней (мел СаСО3,
доломит CaCO3-MgCO3) минеральных красителей, если тре-
буется цветная глазурь, например окись хрома для корич-
невой глазури. Покрытие глазурью производится погру-
жением необожженного изделия в глазурный шликер, цли
нанесением его пульверизатором. Места, не подлежащие
глазуровке (например, под арматуру), предварительно по-
крывают парафином.
Обжиг изделия производится в специальных тоннельных
или камерных печах по определенному тепловому режиму
с определенными скоростью подъема, выдержкой при макси-
мальной температуре и скоростью охлаждения, чтобы обес-
печить получение плотно спекшегося черепка, без трещин.
При подъеме температуры удаляется гигроскопическая,
коллоидносвязанная и кристаллизационная вода. При до-
стижении температуры, близкой к максимальной (1 250—
1 300° С), полевой шпат плавится. В процессе обжига проис-
ходят довольно сложные процессы взаимодействия между
231
составными частями фарфоровой массы, в результате кото-
рых и образуется фарфоровый черепок, состоящий из двух
фаз — кристаллической, включающей в себя вновь образо-
ванный муллит (3Al2O3-2SiO2), и стекловидной (полево-
шпатовое стекло с частично растворенным в нем муллитом).
Глазурная масса, находящаяся на поверхности обжи-
гаемых изделий, благодаря наличию в ней плавней плавится
и при охлаждении образует равномерный плотный блестя-
щий стекловидный слой, предохраняющий поверхность
изоляторов от загрязнений в эксплуатации. Важно, чтобы
температурные коэффициенты расширения глазури и фар-
фора были возможно ближе по своей величине, так как
в противном случае неизбежно растрескивание глазури
даже при не сильных температурных колебаниях.
В результате процессов, происходящих при обжиге,
фарфоровые изделия дают большую усадку, вследствие чего
получение размеров с точными допусками невозможно.
Согласно ГОСТ 5862-60 на ответственные размеры изоля-
торов приняты допуски, представление о которых дает
табл. 5-13.
Таблица 5-13
Допуски на ответственные размеры
изоляторов
Диаметр или длина Допускаемые отклонения размеров, ограниченных конструкцией транс- форматоров, аппаратов и арматуры, мм
изделия, мм
или —
До 10 0,5 1
10 до 25 1 2
500 до 600 15 30
700 до 800 18 36
900 до 1000 20 40
1 000 до 2 000 2о/о 4%
2 000 и выше 1,5% Зо/о
Чем больше сечение обжигаемого изделия и чем резче
переходы от большого сечения к малому, например в слу-
чаях ребристых конструкций, тем менее равномерно обжи-
гается изделие, тем менее однороден черепок по своей
структуре, тем больше внутренние напряжения в изделиях,
тем легче образуются микроскопические трещины. Поэтому
с увеличением сечения механическая и электрическая проч-
232
ность фарфора, как правило, снижаются. Это положение
иллюстрируется требованиями к величине пробивных на-
пряжений стенок фарфоровых изделий, например покрышек
трубок, опорных изоляторов, приведенными в табл. 5-14.
В крупных фарфоровых изделиях сложного профиля и
сечения могут образовываться трещины при резких темпе-
ратурных колебаниях. С этой точки зрения ГОСТ 5862-60
предусматривает такой контроль: изделия должны выдер-
живать без механических повреждений трехкратный цикл
изменений температуры согласно табл. 5-15.
Таблица 5-14
Требования к вели-
чинам пробивных на-
пряжений стенок
фарфоровых изделий
Толщина стенки, мм Пробивное напряжение, кв, не менее Толщина стенки, мм Пробивное напряжение, кв, не менее
10 65 30 105
15 80 40 115
20 90 50 125
25 100 60 135
Таблица 5-15
Перепады температур при
испытании фарфоровых изделий
Наибольший диаметр, мм Наибольшая высота, мм Наибольшая тол- щина (без учета ребер фланцев), мм Перепад темпе- ратуры, °C
До 400 До 1 000 До 40 80
400— 750 1 000—1 500 До 50 60
750—1 000 1500—2000 До 60 40
Плотный фарфоровый черепок практически негигроско-
пичен, но смачиваемость поверхности водой вызывает сни-
жение поверхностного сопротивления во влажной атмосфере.
Из всех видов механической нагрузки фарфор лучше
всего выдерживает сжимающие усилия, хуже всего ударную
нагрузку, как видно из данных табл. 5-16, в которой при-
ведены характеристики фарфора, в сравнении с высоковольт-
ной стеатитовой керамикой, все характеристики, приведен-
ные в табл. 5-16, относятся к стандартным образцам.
Как видно из табл. 5-16 электрические характеристики
фарфора сильно зависят от температуры. Это объясняется
наличием в черепке фарфора большого количества полево-
шпатового стекла с повышенной электропроводностью за
счет наличия легкоподвижных ионов щелочных металлов.
Гораздо меньшей зависимостью электроизоляционных
свойств от температуры обладает стеатитовая керамика,
изготовляемая на базе магнезиального минерала — талька
233
3MgO -4SiO2 -H2O. Хороший тальк почти не содержит
вредных примесей в виде окислов щелочных металлов и
железа. Большим преимуществом стеатитовой керамики
является повышенная по сравнению с фарфором механиче-
ская прочность. Поэтому высоковольтная стеатитовая кера-
мика рекомендуется прежде всего в тех случаях, когда тре-
буется повышенная механическая прочность, например
трубы воздушных выключателей. Стеатитовая керамика
требует более высокой температуры обжига, чем фарфор,
имеет более узкий температурный интервал спекания.
Усадка стеатитовой керамики меньше, чем у фарфора.
Таблица 5-16
Свойства электротехнического фарфора и высоковольтной
стеатитовой керамики
Характеристика Формованный и литейный фарфор Стеатитовая керамика
Плотность, г/см8 Температурный коэффи- циент линейного расши- 3,3—2,5 2,7
рения, \/град Водопоглощаемость Предел прочности, кГ^см2, при: (3,5—4) • 10“6 7 • 10~6
Отсутствует Отсутствует
растяжении 250—350 300—450
изгибе 450—650 1 400—1 500
сжатии Удельная ударная вязкость, 4 000—5 000 5 000—7 000
кГ • см/см2 Удельное объемное сопро- тивление, ом • см, при: 1,4—1,9 2,5—3,5
20° С 10н__Ю15 > 1 • 1015
100° с 1010—1011 5 • 1013
300° с 106—107 5- 109
tg В при 20° С 0,035 (при 50 гц) 0,002—0,0023 (при радиочастотах)
tg В при 100° С Диэлектрическая проницае- 0,12 (при 50 гц) 0,0029—0,0035 (при радиочастотах)
мость Электрическая прочность 6—7 6—6,5
при 50 гц и 20° С, кв/мм 20—28 20—25
Высоковольтные керамические изоляторы по примене-
нию можно классифицировать следующим образом.
1. Станционные изоляторы для оборудования распре-
делительных устройств и аппаратуры: а) опорные для внут-
234
ренней установки и опорно-штыревые для наружной уста-
новки (рис. 5-39); б) проходные для внутренней и наружной
установки (рис. 5-40); в) вводы маслонаполненные (с фар-
форовыми рубашками); г) покрышки разного назначения;
д) прочие изоляторы.
2. Линейные изоляторы для линий электропередач:
а) подвесные (рис. 5-41, а), б) штыревые (рис. 5-41, б).
Рис. 5-39. Опорные
изоляторы.
а — групп А и Б на
6 кв г б — штыревой
типа ШН6.
3. Высоковольтно-высокочастотные для радиостанций и
их коммутационных устройств: а) антенные; б) коммута-
ционные.
Высоковольтные опорные, опорно-штыревые и проход-
ные изоляторы на напряжение до 35 кв разделяются на
группы по величине разрушающей механической нагрузки:
А — 375 кГ, Б — 750 кГ, В — 1 250 кГ и Д — 2 000 кГ.
Высокочастотные высоковольтные изоляторы из обычного
электротехнического фарфора не изготовляют из-за повы-
шенного значения tg6. Для этих целей применяют стеати-
товую керамику.
Размеры изоляторов, указанных на рис. 5-39, 5-40,
5-41, даны в табл. 5-17.
235
При перекрытии керамический изолятор может не выйти
из строя, хотя под влиянием достаточно мощного дугового
разряда может произойти оплавление фарфора и растрески-
вание вследствие местного сильного перегрева. Основными
электрическими характеристиками изоляторов являются:
разрядное напряжение
Рис. 5-40. Проходной изо-
лятор группы Б на 6 кв.
в сухом состоянии, определяемое
в нормальных атмосферных усло-
виях, и разрядное напряжение,
определяемое под искусственном
дождем. Пробивное напряжение
может быть определено в масле
или при импульсном напряжении —
в воздухе вследствие увеличения
пробивного напряжения воздуха
при импульсах. Для увеличения
напряжения и поверхностного со-
противления под дождем изолято-
ры для наружной установки снаб-
жают ребрами — юбками, нижняя
сторона которых даже под дождем
остается сухой. К изоляторам
предъявляются и определенные ме-
ханические требования; они ха-
рактеризуются соответствующими
разрушающими нагрузками. В
связи с влиянием достаточно боль-
шой механической нагрузки на ве-
личину электрической прочности
в сторону снижения последней
многие высоковольтные изоляторы
характеризуются одночасовой элек-
тромеханической нагрузкой — ме-
ханической нагрузкой с одновременным приложением
достаточнЪ высокого напряжения.
Обожженная керамика не поддается механической об-
работке, поэтому подгонка размеров готовых изоляторов
практически невозможна, за исключением сошлифовки
с торцов, чем осуществляется, до некоторой степени, под-
гонка по высоте. Керамические изоляторы применяются
в свечах зажигания разных двигателей внутреннего сгора-
ния. Сейчас для этих целей находит применение высоко-
глиноземистая керамика типа «Уралит», с содержанием
окиси алюминия не менее 75%. Изоляторы свечей из ура-
лита, наряду с высоким пробивным напряжением, обладают
236
способностью выдерживать без повреждения нагрев до
300° С и быстрое охлаждение до 20° G.
К числу электроизоляционных керамических материалов
бтносится также дугостойкая керамика, применяемая в ком-
а — линейный подвесной изолятор типа П; б — штыревой ли.
нейный изолятор типа ШД.
мутационной аппаратуре. Для изготовления дугогаситель-
ных камер требуется материал с пониженным температур-
ным коэффициентом расширения; в противном случае при
воздействии дуги материал растрескивается. Дугостойкая
керамика изготовляется с введением в массу от 30 до 40%
талька, обеспечивающего после обжига получение черепка
с большим количеством кристаллов кордиерита, имеющего
Таблица 5-17
Основные размеры некоторых изоляторов
Рисун- ки Тип изоля- торов Номинал Размеры, мм Примечание
кв а D d А Аз Н К
5-39, а ОА-6 6 — 107 62 165 — — — . — Для внутрен- ней установки
5-40 ПБ-6 6 ,600 — —— 415 45 144 185 120 То же
5-41, а П-6 — — 300 — — — —- 180 — Для наружной установки
5-41, б ШД-20 20 — 185 — — —— 190 То же
Примечание. Из подвесных линейных изоляторов П-6 собирают гирлянды
изоляторов на разные напряжения; одно звено имеет сухоразрядное напряжение
(напряжение перекрытия) 82 кв. Все изоляторы рассчитывают и конструируют так,
чтобы сухоразрядное напряжение их было меньше пробивного, чтобы при перенапря-
жениях изоляторы не пробивались, а перекрывались.
237
состав 2MgO -2А12О3 -5SiO2. Кордиеритовая керамика име-
ет температурный коэффициент расширения (1 —1,2) х
Х10 б1/арад. Дугостойкая керамика выпускается с плот-
ным и с пористым черепком. Пористая керамика обладает
повышенной дугостойкостью и стойкостью к тепловым уда-
рам.
Для низковольтной аппаратуры для дугогасительных
камер применяется талькошамотная керамика, изготовляе-
мая из талька и огнеупорной глины.
5-16. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ КЕРАМИКА
Высокочастотная керамика может быть разделена по применению
на следующие виды: а) изоляторы (изоляторы радиомачт, антенные
и др.), б) установочная керамика (ламповые панели, каркасы контур-
ных катушек, оси переменных воздушных конденсаторов высокой доб-
ротности), в) конденсаторная (керамические конденсаторы) и г) пори-
стая (детали внутренней изоляции электронных ламп).
Н. П. Богородицким были разработаны для высокочастотной аппа-
ратуры рецептуры улучшенной фарфоровой массы: радиофарфор и ульт-
рафарфор, отличающиеся уменьшенным содержанием менее чистой
пластичной глины, введением окиси бария и повышенным содержанием
глинозема (ультрафарфор). Ионы бария в известной степени нейтрали-
зуют повышение электропроводности за счет легкоподвижных ионов
калия, содержащихся в полевошпатовом стекле, и способствуют сни-
жению tg б. За счет повышенного содержания глинозема масса типа ульт-
рафарфор имеет пониженную формуемость и узкий интервал спекания
при максимальной температуре обжига порядка 1 360° С. Эти материалы
сыграли в свое время большую роль в качестве изоляторов и установоч-
ных деталей. В настоящее время в качестве изоляторов и установочных
деталей широкое применение в высокочастотной технике получила стеа-
титовая керамика. Она обладает хорошими электроизоляционными свой-
ствами применительно к высокочастотной технике, особенно при добавке
окиси бария (ультрастеатит).
Для получения деталей с размерами повышенной точности полу-
фабрикат из стеатитовой массы после предварительного обжига, не вы-
зывающего еще образования полностью спекшегося черепка, подвер-
гается соответствующей механической обработке: обточке, фрезерова-
нию, сверлению. После окончательного обжига некоторые размеры
деталей, например диаметры осей, могут доводиться шлифованием. На
рис. 5-42 показаны детали из высокочастотной керамики.
Для сравнения в табл. 5-18 даны электрические характеристики
разных высокочастотных керамических материалов.
За последние годы созданы новые высокочастотные керамические
материалы, с высокими характеристиками. Примером нового керами-
ческого установочного материала может служить цельзиановая кера-
мика, получаемая из обычного технического сырья, углекислого бария,
каолина и глины.
Основой этой керамики после обжига являются кристаллы цель-
зиана ВаО* А12О3‘ 2SiO2. Цельзиановая керамика имеет очень высокие
электрические характеристики: tg б при 20° С меньше 0,0004, tg б при
300° £ не выше 0,001; удельное объемное сопротивление при 300° С
238
порядка 1014 ом* см', диэлектрическая проницаемость цельзиановой
керамики сравнительно невелика — 7,5. Высокие электрические ха-
рактеристики цельзиановой керамики при высокой температуре объяс-
няются тем, что у нее преобладает электронная проводимость до темпе-
ратуры порядка 600° С. Ионная проводимость начинает проявляться
лишь при температуре свыше 400° С. Цельзиановая керамика приме-
няется и для конденсаторов малой емкости.
Рис. 5-42. Ребристые каркасы катушек индуктивности.
Керамические конденсаторы выпускаются в настоящее время с раз-
личными свойствами для различных случаев применения, часто в каче-
стве замены слюдяных конденсаторов, отличающихся высокой стоимо-
стью.
Таблица 5-18
Электрические характеристики высокочастотных
керамических материалов
Материал tg 5 при 1 Мгц Электрическая прочность при 20° С и 50 гц, кв/мм
при 20° С при 100 0 С
Радиофарфор (36—45) КГ4 (50—60) • 104 15-20
Ультрафарфор .... (6-9) • 10~4 (16—15). 10"4 15—20
Стеатит (12—20) • 10“4 (15—24). 10-4 20—30
Ультрастеатит .... (3—6) • 10~4 (6-10). 10-4 20—30
Конденсаторные керамические материалы можно разделить на два
основных типа — высокочастотные и низкочастотные. Согласно ГОСТ
5485-64 «Материалы керамические радиотехнические» для разных ре-
цептур первого типа минимальные значения величин диэлектрической
проницаемости лежат в пределах от 12 до 230; tg д при 20° Си 106 гц
для всех марок должен быть не более 0,0006, а при 155° С — не более
0,0012 (исключение составляет титанат стронция, у которого tg 6 при
239
85° С должен быть не выше 0,0008). Температурный коэффициент диэ-
лектрической проницаемости почти у всех рецептур отрицательный и
лежит в пределах от — (33zb 20)- 10~6 до — (3 300zfz 1 000)* 10~6.
Материалы с большими значениями диэлектрической проницаемости,
от 130 и выше, имеют и наибольшее абсолютное значение температур-
ного коэффициента диэлектрической проницаемости, вследствие чего их
применяют для конденсаторов, не определяющих стабильности частоты.
Это материалы, у которых основной кристаллической фазой являются
титанат стронция (SrTiO3) и титанат кальция — перовскит (CaTiO3).
Материалы с наименьшим значением диэлектрической проницаемости
(от 12 до 17) имеют значение ТКе от — (47 zt 30) X 10-6 до + (33 zt
zt 20)* 10-6 и применяются для конденсаторов высокой стабильности.
Это керамические системы со сложной основной кристаллической фазой,
состоящей из разных титанатов: циркония, кальция, станната и их сое-
динений, например цирконат кальция, станнат кальция. Материалы
с промежуточными значениями диэлектрической проницаемости (от 30
до 65) отличаются наличием в кристаллической фазе рутила — двуо-
киси титана (TiO2). Они применяются для контурных, термокомпенси-
рующих и разделительных конденсаторов.
У разных рецептур низкочастотной конденсаторной керамики ми-
нимальные значения диэлектрической проницаемости по ГОСТ 5485-64
лежат в пределах от 900 до 8 000, при максимально допустимых значе-
ниях tg б в пределах от 0,002 до 0,03. Диэлектрическая проницаемость
этих материалов имеет большую зависимость от температуры, а также
зависит и от напряженности электрического поля. У материала с диэ-
лектрической проницаемостью 900, с кристаллической фазой из твер-
дого раствора титанатов стронция и висмута, диэлектрическая прони-
цаемость в рабочем интервале температур должна изменяться в пределах
ztz 30% по сравнению с ее значением при 20° С.
Твердые растворы на основе титанатов бария имеют диэлектриче-
скую проницаемость от 3 000 до 8 000; это сегнетоэлектрики.
Для изготовления высоковольтных конденсаторов, работающих
в различных высокочастотных контурах, часто применяют стеатитовую
керамику с диэлектрической проницаемостью около 6. У значительной
группы высокочастотных установочных керамических ^материалов диэ-
лектрическая проницаемость при 106 гц и 20° С лежит в пределах 7,5—10,
с положительным ТК е в пределах от (60 zb 20)* 10"6 до (2'00 + 100)* 10“6
и максимальные значения tg б в пределах от 0,0004 до 0,003. Эти мате-
риалы отличаются высокой механической прочностью: минимально
допустимый предел прочности при изгибе лежит в пределах от 600 до
2 500 кПсм*. Новые материалы, в частности станнатная и форстерито-
вая керамики, позволили повысить наибольшую рабочую температуру
со 155° С, как это было предусмотрено в ГОСТ 5458-57 (1957 г.) до
300° С по ГОСТ 5485-64 (1964 г.).
Наиболее употребительной формой конденсаторов для высокоча-
стотной аппаратуры является: цилиндрическая и плоская (в виде дисков).
За последнее время разработана технология получения тонких керами-
ческих заготовок толщиной до 0,02 мм, из которых изготовляются
малогабаритные конденсаторы низкого напряжения.
Сегнетокерамика с диэлектрической проницаемостью около 1 500
лри напряженности 200 в/мм применяется для нелинейных элементов —
варикондов, у которых емкость сильно зависит от напряженности эле-
ктрического ПОЛЯ:
Высококачественной пористой керамикой является пористый алю-
миноксид — спеченная окись алюминия, имеющая следующие электри-
240
ческие характеристики: при 300° С и 1 Мгц\ tg д = (6 4- 14)« 10~4,
удельное объемное сопротивление 1012 ом* см. Она применяется для изо-
ляторов электронных ламп. Может быть получен и плотный алюми-
ноксид, отличающийся кроме высоких электрических и высокими меха-
ническими свойствами. Получение алюминоксида связано с большими
технологическими трудностями из-за высокой температуры спекания —
около 1 750° С.
5-17. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА
Неорганические стекла представляют собой сложную систему окис-
лов, обладающих термопластичными свойствами. В большинстве слу-
чаев неокрашенные стекла прозрачны. Основным стеклообразующим
окислом в технических стеклах является окись кремния SiO2 (кварц).
Чистоё кварцевое стекло прозрачно; не имеет воздушных включений,
обладает исключительно высокими электрическими и физическими
характеристиками; tg д очень мал: при частоте 1 Мгц и 20° С он не пре-
вышает 0,0003 и мало зависит от температуры; при 200° С tg д порядка
0,005; удельное объемное сопротивление при 200° С имеет очень высокое
значение 1016—1017 ом* см. Непрозрачное, матовое кварцевое стекло
с воздушными включениями имеет несколько худшие характеристики,
например tg д при 1 Мгц и 20° С равен 0,0005. Кварцевое стекло негиг-
роскопично, обладает очень высокой химостойкостью, стойкостью к
температурным колебаниям, малым температурным коэффициентом
линейного расширения 5,5* 10“7 Цград. Оно не подвержено тепловому
старению. Эти свойства делают кварцевое стекло исключительно ценным
диэлектриком, могущим применяться для самых ответственных целей.
Однако очень высокая температура размягчения (около 1 700° С) соз-
дает большие технологические трудности при изготовлении и перера-
ботке кварцевого стекла, обусловливающего высокую стоимость, что
в свою очередь сильно ограничивает в настоящее время его применение.
Температура размягчения стекла сильцо снижается при добавлении
к SiO2 окислов натрия и калия.
Однако эти добавки снижают ряд ценных свойств кварцевого сте-
кла — ухудшают электрические характеристики, снижают стойкость
к температурным колебаниям (вследствие повышения температурного
коэффициента линейного расширения), уменьшают химостойкость и
гидролитическую стойкость, определяемую потерей веса при длитель-
ном соприкосновении с водой, за счет выщелачивания некоторых со-
ставных частей стекла. Свободные ионы натрия, особенно при повышен-
ных температурах при длительном воздействии постоянного тока, могут
образовать в стекле проводящие мостики — дендриты. Совместное
введение в стекломассу окислов натрия и калия дает по величине диэ-
лектрических потерь более благоприятные результаты, чем введение
только одного из этих окислов. Для производства стекловолокна электро-
изоляционного назначения применяют так называемое бесщелочное
стекло, содержащее не более 0,5% окислов щелочных металлов.
Вредное действие окислов щелочных металлов Na и К нейтрали-
зуется в известной мере введением таких тяжелых окислов, как РЬО,
ВаО. В состав стекол в зависимости от их назначения вводятся и многие
другие окислы, например, CaO, ZnO, А12О3, MgO и другие, придающие
стеклу те или иные свойства; А12О3 повышает химостойкость и стойкость
к температурным колебаниям, ZnO — прочность при растяжении,
MgO — химостойкость, РЬО — плотность, прочность на разрыв, диэ-
241
лектрическую проницаемость; диэлектрическая проницаемость у сте-
кол, содержащих до 80% РЬО, доходит до 16. Это стекло наряду со стек-
лами, содержащими ВаО, применяется для производства специальных
конденсаторов. Стекла имеют очень большую прочность при сжатии
(6 000—21 000 кГ/см2), но малую прочность при растяжении (100—
300 кГ/см2) и весьма хрупки. Закалка стекла (быстрое охлаждение
после нагревания) уменьшает хрупкость, повышает прочность на удар.
Стекло, закаленное особым способом и получившее название «сталинит»,
обладает большой прочностью, в том числе на удар, и при разрушении
не дает мелких осколков, рассыпаясь в порошок.
При составе Na2O- mSiO2 и силикатном модуле т в пределах 1,5 -ь
4,2, стекло растворимо в воде (при повышенных давлении и темпе-
ратуре). Раствор с удельным весом 1,27—1,9 используется под назва-
нием жидкого стекла как цементирующий материал. Калиевое раство-
римое стекло применяется реже натриевого.
У технических стекол (за исключением кварцевого) имеют место
дипольная поляризация и вызванные ею дипольные потери. Благодаря
большому разнообразию рецептов стекла его свойства колеблются в
весьма широких пределах. Так, например, удельное объемное сопро-
тивление лежит в пределах 108—1017 ом* см. Диэлектрическая проницае-
мость 3,8—16,2; tg 6 0,0003—0,01.
При малых толщинах стекол и комнатной температуре наблюдается
обычно электрический пробой, и электрическая прочность в однородном
поле достигает очень больших значений — до 5 000 кв/см. При высо-
ких частотах и высоких температурах в стеклах обычно имеет место
электротепловой пробой. Стекла водо- и газонепроницаемы, но их по-
верхность легко смачивается водой. Стекла применяются для изготов-
ления всевозможных ламповых баллонов и различных деталей ламп.
В стекло можно впаивать металлы. Для этого необходимо, чтобы темпе-
ратурные коэффициенты расширения стекла и данного металла были
возможно близки. Отсюда название специальных стекол: вольфрамовое,
молибденовое и др.
Из стекол изготовляют выводы герметичных конденсаторов, мало-
габаритных трансформаторов и других видов аппаратуры, так называе-
мые «глазки». Глазки представляют собой изоляторы в виде тел враще-
ния, приваренные к проходящим сквозь них металлическим трубкам и
к наружной обкладке. Сквозь трубку проходит проволочный вывод,
запаиваемый в ней; обкладка приваривается или припаивается к кожуху
прибора.
Из стекла особого состава с применением специальной термообра-
ботки изделий изготовляются изоляторы, как телефонно-телеграфные,
так и высоковольтные, обладающие высокими электроизоляционными
свойствами, большой механической прочностью и гидролитической
стойкостью, а также стойкостью к сменам тепературы.
Большой интерес представляют разработанные в последнее время
тонкие, гибкие стеклянные пленки (толщиной порядка 15 мк). Они мо-
гут применяться для изготовления малогабаритных конденсаторов.
Известна разработка тонкого листового материала толщиной по-
рядка 0,25 мм, напоминающего бумагу, из лепестков стекла толщиной
порядка 0,008 мм. Для упрочнения и увеличения влагостойкости (кото-
рая сравнительно невелика за счет большой удельной поверхности ле-
пестков стекла) листы пропитываются смолой. Из этого материала могут
изготавливаться конденсаторы, которые, будучи пропитаны кремнийор-
ганической жидкостью, обладают почти постоянной емкостью в тем-
пературном интервале от 20 до 100° С,
242
Стекло отличается большой твердостью, поэтому механическая об-
работка его лучше всего осуществляется алмазом. Сверление может
производиться при помощи сверл из твердого сплава —- победита.
В последнее время сложная механическая обработка стекла успешно
осуществляется с помощью ультразвуковых колебаний.
Стекло можно покрывать тонким слоем металла путем возгонки
металла в вакууме, вжигания, шоопирования — напыления и различ-
ными химическими способами.
Находят применение стекловидные эмали, представляющие собой
легкоплавкие стекла, покрывающие металлическую поверхность тонким
слоем. Широкое применение имеют стеклоэмали для изготовления так
называемых трубчатых проволочных сопротивлений, намотанных на
керамическую трубку и покрытых слоем стеклоэмали. При подборе
соответствующей рецептуры стекла и термообработки полученных из
него изделий можно достичь в стекле тонкой микрокристаллической
структуры, придающей ему ценные свойства: высокие механические и
электрические свойства, стойкость к тепловым ударам. Эти материалы
называют ситаллами (от слов «стекло» и «кристаллы»). Их применяют
для установочных изделий, различных изоляторов. Электроизоляцион-
ные ситаллы производят из бесщелочных стекол.
На основе неорганического стекла изготовляют микалекс — твер-
дый плотный негигроскопичный материал, получаемый путем горячего
прессования и термической обработки смеси тонко размолотого стекла
и слюды мусковит. Применяемые температуры (600—700° С) вызывают
известное размягчение стекла, которое реагирует со слюдяным порош-
ком. Микалекс состоит из трех фаз: стекло, слюда и новообразованный
продукт взаимодействия стекла со слюдой. Качество микалекса нахо-
дится в зависимости от соотношения этих фаз.
Изготовляется микалекс чаще всего в виде плит и стержней цилинд-
рических, четырех- и шестигранных, из которых путем обработки реза-
нием получают различные детали. Микалекс хорошо шлйфуется, то-
чится, фрезеруется, сверлится. При обработке для охлаждения может
применяться вода. Микалекс обладает высокой теплостойкостью — не
ниже 400° С по Мартенсу, хорошими электрическими характеристиками,
что обеспечивает ему применение в высокочастотной технике, в частно-
сти для изготовления деталей воздушных конденсаторов, при изготов-
лении катушек индуктивности (гребенок), переключателей, мощных
генераторных ламп и пр. Высокая нагревостойкость микалекса позво-
ляет применять детали из него при рабочих температурах порядка
300° С. При этом, однако, следует иметь в виду, что микалекс имеет
tg б, резко возрастающий при повышении температуры, начиная при-
мерно со 150° С. При 20° С и 1 Мгц tg б микалекса лежит в пределах
0,003—0,01. Следовательно, в сильных полях при температуре выше
150° С возникает опасность электротеплового пробоя.
Микалекс, изготовленный с применением фторфлогопита, имеет
более благоприятную зависимость tg б от температуры. При примене-
нии стекла, обычного в производстве микалекса с природным мускови-
том, резкий рост tg б микалекса с фторфлогопитом начинается при тем-
пературе порядка 250° С, а при применении специального стекла с повы-
шенной температурой размягчения (ее допускает применение фторфло-
гопита) — при температуре порядка 350° С.
глава
шестая
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
6-1. МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ. ПРИПОИ
В качестве основных проводниковых материалов приме-
няют:
1) материалы высокой проводимости, используемые
для изготовления всевозможных обмоток электрических
машин, аппаратов и приборов и передачи электрической
энергии; от этих материалов требуется возможно меньшая
величина электрического сопротивления;
2) сплавы высокого сопротивления, используемые для
изготовления всевозможных сопротивлений и нагреватель-
ных приборов, термопар и др.
Кроме того, здесь рассматриваются: материалы для
пайки и контактные материалы.
К материалам высокой проводимости предъявляют сле-
дующие требования: возможно большая проводимость
(возможно меньшее удельное сопротивление); возможно
меньший температурный коэффициент удельного сопротивле-
ния; достаточно высокие механическая прочность, в част-
ности предел прочности при растяжении и удлинение при
разрыве, характеризующее в известной мере гибкость —
отсутствие хрупкости; способность легко обрабатываться
прокаткой и волочением для изготовления проводов малых
и сложных сечений; способность хорошо свариваться и спаи-
ваться, создавая при этом надежные соединения с малым
электрическим сопротивлением; достаточная коррозионная
устойчивость. Для разных случаев применения эти требова-
ния в той или иной степени варьируют. Например, для
большинства обмоток электрических машин, аппаратов
и проводов выгодней иметь возможно меньшее удельное
сопротивление, даже если за счет его снижения несколько
244
снизится и предел прочности при растяжении; для троллей-
ных (контактных) воздушных проводов, работающих на
разрыв и на истирание, особое значение приобретают
повышенные предел прочности при растяжении, твердость,
стойкость против истирания.
Для проводниковых материалов удельное сопротивление
выражают в ом • мм2/м, т. е. за величину удельного сопротив-
ления принимают сопротивление в омах проволоки из
данного материала длиной 1 м, сечением 1 лии2 при 20° С.
Точная зависимость удельного сопротивления от темпера-
туры определяется формулой
Р/2 = Р/1(1 +а/ + р/2 + у/3+ (6-1)
где р/2— удельное сопротивление при температуре /2°С;
Рп — удельное сопротивление, измеренное при
а, Р, у — коэффициенты; t = /2 — tv
В большинстве случаев при обычных технических
расчетах можно пользоваться упрощенной формулой
Р/2 = Р<1(1+“0- (6-2)
Температурные коэффициенты удельного сопротивления а
для разных чистых металлов блцзки и имеют значение
около 4-10 3 \1град. Желательно, чтобы в материалах
высокой проводимости удельное сопротивление по возмож-
ности меньше увеличивалось с ростом температуры.
Требования достаточно большой механической прочности
и гибкости не нуждаются в особых пояснениях: даже в тех
случаях, когда провода в изделиях работают без особых
механических нагрузок, что имеет место, например, в некото-
рых аппаратных катушках, сама технология намотки ка-
тушек предъявляет определенные требования к механичес-
ким свойствам проводов. Без определенного комплекса
технологических свойств нельзя получать провода нужных
сечений (в том числе малых), обеспечивать надежный
электрический контакт в соединениях. Требования корро-
зионной стойкости приобретают особое значение для прово-
дов, работающих под открытым небом в условиях агрессив-
ной окружающей атмосферы, а также при работе в условиях
повышенной температуры.
Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый
металл. Любые примеси, металлические и неметаллические,
повышают удельное сопротивление. Даже примесь металла,
имеющего меньшее удельное сопротивление, чем данный,
повышает его сопротивление, если металлы образуют
245
друг с другом твердый раствор. Это объясняется искажением
кристаллической решетки основного металла даже неболь-
шим количеством примеси. Степень влияния разных при-
месей на удельное сопротивление разных металлов раз-
лична.
Характер влияния металлической примеси на величину
удельного сопротивления данного металла зависит от типа
образуемого сплава. Различают три типа сплавов: механи-
ческая смесь, твердый раствор и химическое соединение.
В первом случае в сплаве содержатся кристаллы обоих
металлов — кристаллы примеси механически смешаны с
кристаллами основного металла. Такой сплав получается
в случаях, когда металлы сильно отличаются друг от друга
объемами своих атомов и температурами плавления; при
этом удельное сопротивление и температурный коэффициент
удельного сопротивления линейно изменяются в зависимости
от содержания примеси в пределах от 0 до 100%, как это
видно на рис. 6-1,а, на котором показана зависимость
удельного сопротивления и температурного коэффициента
от пропорции алюминия и свинца, образующих в сплаве
механическую смесь.
Твердый раствор двух металлов получается при условии,
что сплавляемые металлы имеют объемы атомов, отличающи-
еся друг от друга не более, чем на 15%, при однотипных
кристаллических решетках. В случае твердого раствора оба
металла образуют одну кристаллическую структуру: крис-
таллическая решетка содержит атомы обоих металлов.
В твердом растворе зависимость электрических характери-
стик от соотношения компонент носит сложный характер;
при определенном соотношении удельное сопротивление
имеет максимум, а температурный коэффициент удельного
сопротивления минимум, как это видно на рис. 6-1, б.
Таким характером обладает сплав меди и никеля. При
ограниченной растворимости одного металла в другом
изменение удельного сопротивления сплава показано на
рис. 6-1, в. При малом содержании примеси, не выходящем
за пределы растворимости в основном металле, зависимость
удельного сопротивления от содержания примеси линейная.
В случае химического соединения двух металлов зависи-
мость удельного сопротивления и его температурного
коэффициента от содержания компонент оказывается очень
сложной, зависящей от характера соединений, образующих-
ся при разных составах сплава. На рис. 6-1, г показан
график, соответствующий соединениям цинка с марганцем.
246
Известно,что кристаллическая решетка металлов искажа-
ется не только от введения примесей; искажают кристалли-
ческую решетку и пластические деформации металла при
растяжении, сжатии и прочих механических воздействиях
(явление наклепа). В связи с этим обработка металла,
приводящая к пластической деформации, вызывает увеличе-
ние его удельного сопротивления. В частности это имеет
место при прокатке, волочении в процессе изготовления
проводов. Путем соответствующей термической обработки —
отжига можно снять искажение кристаллической решетки,
Рис. 6-1. Характер изменения удельного электрического сопротивле-
ния р и ТК р различных типов металлических сплавов в зависимости
от содержания компонентов.
а — механическая смесь; б — твердый раствор двух металлов; в — твердый
раствор при ограниченной растворимости; г — химическое (интерметаллическое)
соединение.
что приводит к восстановлению первоначального сопротив-
ления. При отжиге обычно снимается и вызванное деформа-
цией решетки увеличение твердости.
Наиболее широко применяемым проводниковым материа-
лом с высокой проводимостью является медь. Некоторые
характеристики чистой меди даны в табл. 6-1, в которой
для сравнения помещены те же характеристики алюминия.
В нормальных атмосферных условиях медь довольно
стойка против окисления. При образовании поверхностного
слоя окиси он предохраняет медь от дальнейшего окисления
вглубь. Значительную коррозию меди вызывает наличие
в атмосфере аммиака, хлористых соединений. Медные
провода на воздухе в условиях близости моря подвергаются
усиленной коррозии за счет действия содержащихся в возду-
хе солей.
Медь — мягкий металл; из нее путем прокатки и волоче-
ния можно получить различные изделия: проволоку разных
347
сечений до диаметров, равных тысячным долям миллиметра,
листы, трубки, стержни, шины, профильный прокат,
например, полосы трапециевидного сечения для коллектор-
ных пластин. Весьма ценным свойством меди является
ее хорошая свариваемость и спаиваемость с применением
различных припоев.
Таблица 6-1
Характеристики чистых металлов высокой проводимости
Характеристика Медь Алюминий
Плотность при 20° С, г^см3 8,94 2,703
Температура плавления, °C 1083 657
Удельная теплопроводность, кал1см-сек, °C 0,923 0,01682 0,503 0,02828
Удельное сопротивление, ом-мм21м . . Температурный коэффициент сопроти- вления, 1/° С
0,00411 0,00403
В качестве материала высокой проводимости применяет-
ся медь электролитической очистки с содержанием меди
от 99, 90 до 99,99%. Наиболее чистая электролитическая
медь имеет удельную проводимость 59,5 м/ом • мм2. Практи-
чески стандартная электролитическая медь имеет несколько
меньшую проводимость вследствие наличия примесей. Зави-
симость удельной проводимости меди от содержания в ней
примесей показана на. рис. 6-2.
Находит применение также особая бескислородная
медь, содержащая 99,94% меди, не содержащая кислорода
и окислов меди. Она отличается от обычной меди способом
плавки; по проводимости бескислородная медь практически
не отличается от обычной меди, но обладает повышенной
пластичностью.
Изделия из электролитической меди могут быть тверды-
ми, неотожженными после прокатки, волочения — марки
МТ и мягкими, отожженными — марки ММ. Медные
слитки типов СВ, СС и СН, идущие на прокатку проволоки,
шин и прутков, должны обладать проводимостью, обеспе-
чивающей получение отожженной проволоки, у которой
сопротивление при 20° С не выше 17,24 ом • мм21к,м, а для
слитков типа СНП — не более 17,48 ом • мм2/км. Согласно
ГОСТ 2112-62 на круглую медную проволоку для электро-
технических целей предел прочности ее при растяжении
248
и относительное удлинение должны быть не менее данных,
приведенных в табл. 6-2.
Рис. 6-2. Зависимость удельной проводимости меди от содержания
примесей.
Из данных табл. 6-2 видно, какое большое влияние
оказывает отжиг медной проволоки на ее механические
Таблица 6-2
Механические характеристики медной проволоки
Диаметр проволоки, мм Предел прочности проволоки при растяжении, кГ[мм2 Относительное удлинение проволоки при разрыве, %
марки МТ марки ММ марки МТ марки ММ
0,03—0,06 39 20 0,5 15
0,07—0,09 39 20 0,6 15
0,10-0,19 39 20 0,6 18
0,20—0,59 39 20 0,6 20
0,60—0,99 39 21 0,6 25
1,00—1,99 39 21 1,0 27
2,00—2,99 39 21 1,0 30
3,00—4,99 37 21 1,5 30
5,00—10,00 36 21 2,0 35
249
свойства; видно также влияние величины сечения. Послед-
нее объясняется тем, что с уменьшением сечения проволоки
она подвергается большей степени обработки, последствия
которой не может полностью снять последующий отжиг.
Влияние диаметра проволоки Таблица 6-3 сказывается и на числе переги- Количество перегибов, бов, выдерживаемых твердой выдерживаемое без раз- проволокой без разрушения, и рушения твердой медной г г к? > проволокой на удельном сопротивлении, тре- бовяния по котопым по ГОСТ
Диаметр проволоки, мм Число переги- бов Радиус 2112-62 приведены в табл. 6-3 закруг- fi 4 ления HU**. Г5«л«к’ Твердость меди по вдавлива-
1,00—2,99 3,00—3,99 4,00—6,00 7 5 4 11И nJ UldUrllYCl DD1 UdziYdCl V/1 СЛСДуИГ щими значениями: мягкой 35— IO 37 кГ/мм\ твердой 65— Ю УЖкГ/мм2. Твердость меди резко снижается термообработкой при температуре порядка 200° С. От-
жиг должен происходить без свободного доступа воздуха
во избежание сильного окисления.
Мягкая медь применяется для всевозможных обмоточных
проводов и других кабельных изделий. Твердая медь приме-
няется для контактных проводов, для коллекторных пластин. В качестве проводни- а . г . Таблица 6-4 ковых материалов при- меняются также разные Удельное сопротивление медной г проволоки при 20 С бронзы, представляю-
щие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют повы- шенную механическую прочность по сравнению с медью, но и повышен- ное удельное электриче- ское сопротивление. В качестве проводниковых Диаметр проволоки, Удельное сопротивление ПрОВОЛОКИ, 0М'ММ2{М (не более)
мм твердой | мягкой
До 0,99 1,0—2,49 2,5 и более 0,0180 0,0178 0,0177 | 0,01724
материалов применяются преимущественно следующие
бронзы: кадмиевая (для изготовления троллейных про-
водов, коллекторных пластин) и бериллиевая (для токо-
ведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контак-
тов, ножей рубильников). На «кадмиевую медь» для
пластин коллекторов действует ГОСТ 4134-48, на полосы
и ленты бериллиевой бронзы — ГОСТ 1789-60.
250
В электротехнике применяется и сплав меди с цинком —
латунь, которая имеет по сравнению с медью значительно
более высокую механическую прочность, прочность против
истирания, при значительно повышенном удельном сопро-
тивлении. Латунь хорошо штампуется, подвергается глубо-
кой вытяжке, паяется и сваривается, довольно устойчива
против коррозии. Комплекс ее свойств обеспечил ей широкое
применение в электроаппарате- и приборостроении в качест-
ве различных токопроводящих и конструкционных деталей.
В табл. 6-5 даны характеристики электротехнических
бронз и латуни. Как видно из данных табл. 6-5, медные
сплавы, как и сама медь, меняют свои характеристики
при отжиге.
Таблица 6-5
Характеристики бронз и латуни
Материал Состояние Проводимость по отношению к меди, % Предел проч- ности при ра- стяжении, кГ(мм2 Удлинение при разрыве, %
Кадмиевая бронза (0,9% Отожженная 95 До 31 50
Cd) Твердая 83—90 » 73 4
Бронза (0,8% Cd и 0,6% Отожженная 55—60 » 29 55
Sn)' Твердая 50—55 » 73 4
Бериллиевая бронза Отожженная 17 49—60 30—50
(2,25% Be) После старения 30 110 7
при 350°С
Латунь (30% Zn) Отожженная 25 35—52 60—70
Твердая 25 до 88 5
Некоторые сплавы, в частности бериллиевая бронза, должны
подвергаться предварительной длительной термообработке—
старению, в процессе которой повышается и электропрово-
димость и механическая прочность.
Вторым по важности проводниковым материалом являет-
ся алюминий, некоторые свойства которого приведены
в табл. 6-1 и 6-6. Значение алюминия как проводникового
материала все время возрастает по целому ряду технико-
экономических соображений и, в частности, в связи с тем,
что производство меди благодаря сильно увеличивающемуся
объему работ по электрификации страны затрудняет обеспе-
чение всей потребности в проводниковых материалах.
Удельное сопротивление алюминия, как и механические
свойства, зависят от примесей и твердости (отжига). В табл.
251
6-6 приведены величины удельного сопротивления и его
температурного коэффициента для алюминия разной степени
чистоты.
Таблица 6-6
Электрические характеристики отожженного алюминия
Алюминий Содержание примесей, % Удельное сопротивление, ом • ммЦм Температурный коэффициент удельного со- противления, 1/°С
Fe Si
Сверхчистый 0,0005 0,0023 0,02620 0,00433
99,5% 0,34 0,10 0,02767 0,00400
99,0% 0,56 0,32 0,02780 0,00413
98,5% 0,96 0,41 0,02835 0,0040
Чистый алюминий — металл еще более мягкий, чем
медь, он хорошо прокатывается в тонкие листы вплоть
до тонкой 6—7 мк, алюминиевой бумаги — фольги. Из-за
малой механической прочности алюминия очень тонкие
проволоки получить из него не удается. Марки и химический
состав первичного алюминия регламентируются ГОСТ
11069-64. По твердости различают две марки: алюминий
твердый неотожженный АТ, алюминий мягкий отожженный
AM. Предел прочности при растяжении проволоки АТ
не менее 16—17 кГ1мм\ мягкой — не менее 8 кГ/мм2.
При замене медных проводов алюминиевыми следует
учитывать разницу в удельном сопротивлении, механичес-
кой прочности и в удельном весе. При одинаковом электри-
ческом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевый
провод должен иметь сечение на 60% больше, чем медный;
вес же алюминиевого провода будет равен 48% веса медного.
При использовании алюминия для обмоточных проводов
необходимо учитывать увеличение сечения паза, для
размещения алюминиевой обмотки, сопротивление которой
равно сопротивлению медной обмотки. Для распределитель-
ных устройств применяют неотожженные алюминиевые
шины. Для воздушных линий электропередачи чисто
алюминиевые провода не применяются из-за малой механи-
ческой прочности.
В нормальных атмосферных условиях алюминий очень
быстро окисляется, покрываясь тонким слоем окисла
А12О3, который хорошо предохраняет алюминий от дальней-
шего окисления. В районах, близких к морю, алюминий
окисляется сильней, более интенсивно, чем медь.
252
Благодаря высокой температуре плавления окиси алюминия
порядка 2 0000 С и быстрому окислению свежей поверхно-
сти, пайка алюминиевых проводов обычными способами
затруднена. В настоящее время трудности пайки устранены
применением специальных ультразвуковых паяльников,
у которых нагреваемая часть колеблется с ультразвуковой
частотой, что вызывает разрушение оксидной пленки под
слоем расплавленного припоя. Алюминий хорошо сваривает-
ся. Оксидная пленка вызывает известные трудности при
соединении алюминиевых проводов с хорошим электричес-
ким контактом. Плохой контакт приводит к разрушению
проводов в местах соединения.
Для проводов линий электропередач применяются специ-
альные алюминиевые сплавы, например, алдрей, содержа-
щий 0,3—0,5% MgO,4—0,7% Si и0,2—0,3% Fe, обладающий
повышенной механической прочностью при сравнительно
большой проводимости, а также сталеалюминиевые провода,
со стальным сердечником и алюминиевыми боковыми
жилами. Ниже даны некоторые характеристики проволоки
из алдрея диаметром 2—3 мм; предел прочности при
растяжении 32—37 кГ/мм\ удельное сопротивление
0,0322 ом-ммЧм, температура плавления 1 100° С,
плотность 2,7 г/см3.
Для воздушных линий передачи энергии и линий связи
находит применение проводниковый биметалл, представляю-
щий собой провод со стальным сердечником и медной
оболочкой. Известны два метода получения биметаллических
проводов: горячий и холодный. Первый заключается в про-
катке и волочении стальной болванки, залитой в особой
форме медью; холодный метод заключается в покрытии
стальной проволоки медью осаждением ее электролитичес-
ким способом. Горячий способ обеспечивает более плотное
сцепление меди со сталью и дешевле холодного, который
дает более равномерное покрытие медью. Применение
биметаллических проводов особенно целесообразно для
линий связи повышенной частоты, при которой менее
электропроводящий стальной сердечник, обеспечивающий
повышенную механическую прочность, работает с меньшей
плотностью тока. Уже при частоте 5 000 гц практически
проводит электрический ток только медная оболочка.
Содержание меди в биметаллической проволоке обычно
не менее 50% от общего веса. Предел прочности при растя-
жении при расчете на полное сечение не менее 55—70 кГ/ммг
в зависимости от величины сечения.
253
Таблица 6-7
Характеристики припоев ПОС
Марка припоя Температура плавления, 0° С Плотность, г/сл«3 Предел прочности, кГ{мм^
при растяжении] при срезе
Чистое олово 232 7,3 2,0 2,1
ПОС-90 280 7,6 4,3 2,7
ПОС-40 290 9,3 3,2 3,7
ПОС-ЗО 320 9,7 3,3 2,9
ПОС-18 340 10,2 2,8 2,5
Применяемые в электротехнике припои можно разделить
на два класса: мягкие с температурой плавления до 400° С,
и твердые с более высокой температурой плавления. Боль-
шое значение при выборе припоев имеет их предел прочности
при растяжении. Мягкие припои отличаются более низкой
прочностью до 5—7 кГ!мм\ твердые имеют более высокую
механическую прочность — до 50 кГ/мм*. Наиболее широко
применяющиеся мягкие припои оловянно-свинцовые марки
ПОС, на которые действует ГОСТ 1499-54; ПОС-90; ПОС-61;
ПОС-40; ПОС-30; ПОС-18; цифра показывает высший
предел содержания олова. Эти припои, характеристики
которых даны в табл. 6-7, применяют для пайки меди,
бронзы, латуни и других металлов.
Таблица 6-8
Характеристики твердых припоев
Марка припоя Плотность, г1см% Темпера- тура плавления, °C Предел прочности при растя- жении, кГ[мм'2 Материалы, подвергаемые пайке
ПМЦ-54 8,3 860 22 Медь и ее сплавы, сталь
ПСр-70 9,8 730 30—35 Медь, латунь
ПСр-25 ПСрКд 8,9 765 28 Медь и ее сплавы
-20-5 8,7 780 — Медь и ее сплавы, сталь, никель
К числу наиболее широко применяющихся стандартных
твердых припоев относятся: медно-цинковые ПМЦ и сереб-
ряные ПСр (содержащие, кроме серебра, медь и цинк)
254
и серебряно-кадмиевые ПСрКд (содержащие также цинк
и медь). В последнее время стали применять дешевые
медно-фосфористые припои, заменяющие в ряде случаев
припои ПСр. В табл. 6-8 приведены некоторые данные
о твердых припоях.
6-2. МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
В качестве проводниковых материалов высокого сопротивления
наибольшее применение имеют различные металлические сплавы. Клас-
сифицировать их можно по разным признакам, в том числе по области
применения, определяющей и требования, предъявляемые к материалам.
Материалы первой группы для точных (прецизионных) электроизмери-
тельных приборов и образцовых сопротивлений: материалы второй
группы — для сопротивлений (реостатов) различных назначений; ма-
териалы третьей группы — с высокой рабочей температурой — для
нагревательных приборов и нагрузочных реостатов. Ко всем этим мате-
риалам предъявляются следующие требования: большое значение удель-
ного сопротивления, достаточная механическая прочность и техноло-
гичность, обеспечивающие возможность получения проволок необходи-
мых сечений и изготовления соответствующих изделий.
Для материалов, применяющихся в производстве точных электро-
измерительных приборов и образцовых сопротивлений, важную роль
играет стабильность сопротивления во времени (отсутствие явления
старения) и при температурных колебаниях. Последнее требование свя-
зано с возможно малым значением температурного коэффициента
удельного сопротивления. Термо-электродвижущая сила (термо-э. д. с.)
этого материала относительно меди должна быть возможно меньшей,
чтобы в измерительной схеме не возникали посторонние разности по-
тенциалов, связанные с разными температурами мест соединения детали
(обмотки) из сплава высокого сопротивления с медью. Как известно,
на определении термо-э. д. с., прямо пропорциональной разности тем-
ператур мест соединений, основан принцип измерения температуры
термопарами, для которых применяются материалы, образующие пару
с большой термо-э. д. с. Обычно точные электроизмерительные приборы
и образцовые сопротивления работают при невысоких температурах,
поэтому к сплавам для их изготовления не предъявляется повышенных
требований в отношении рабочей температуры. В связи с особыми тре-
бованиями к качеству и сравнительно высокой стоимостью точных при-
боров и образцовых сопротивлений к материалам для их изготовления
не предъявляется специального требования низкой стоимости.
Основным материалом первой группы является медно-марганце-
вый сплав — манганин. Классический рецепт манганина: 86% Си,
12% Мп, 2% Ni; добавка никеля снижает термо-э. д. с. в паре с медью
до очень малой величины: около 1 мкв/град\ удельное сопротивление
этого сплава 0,43 ом* ммМм, его температурный коэффициент порядка
10”5 \/град\ получение малой величины ТК р и большой стабильности
по времени требует искусственного теплового старения — отжига в
вакууме или инертном газе при температуре порядка 400° С в течение
1,0—1,5 ч. Манганиновая голая проволока, подлежащая изолированию,
выпускается двух марок: ПМТ — твердая и ПММ — мягкая. Сейчас
имеется ряд новых манганинов, отличающихся по своим характеристи-
кам от обычного. Их свойства даны в табл. 6-9.
255
Таблица 6-9
Характеристики новых манганинов
Химический состав, % Удельное сопро- тивление, ом • мм2}м Температурный коэффициент удельного сопро- тивления, \}град Термо-э. д. с. от- носительно меди, MKefzpad
Мп Ni Си
67 16,5 16,5 2,03 4-12 • 10'5 —0,5
67 — 33 1,88 около 0 —1,0
67 28 5 2,2 —2,9 • 10-5 —0,12
60 30 10 2,05 -10- 10~5 Около 0
В материалах, применяемых для разных реостатов, допускаются
большие значения термо-э. д. с. и температурного коэффициента сопро-
тивления, но повышаются требования в отношении допустимой рабочей
температуры и невысокой стоимости, поскольку эти материалы имеют
массовое применение для изделий, не отличающихся высокой точно-
стью. Основным сплавом этой группы материалов является медно-нике-
левый сплав константан, состоящий из 60—65% Си и 40—35% Ni. Иногда
добавляется небольшое количество Мп и Fe. Удельное сопротивление
мягкой константановой проволоки 0,45—0,48 ом* мм2/м, твердой —
0,46—0,53 ом* мм2/м, температурный коэффициент удельного сопро-
тивления близок к нулю. Применению константана для изготовления
образцовых сопротивлений препятствует большая термо-э. д. с. в паре
с медью 39 мкв/град, что делает его пригодным для изготовления термо-
пар для измерения температур до 700° С. Константановая проволока по
ГОСТ 5307-50 применяется для электрических сопротивлений с рабочей
температурой до 500° С; выпускается твердая и мягкая, изолированная
и голая. Константан выпускается и в лентах. Голая константановая
проволока путем оксидирования при нагревании на воздухе до 900° С
в течение около 3 сек приобретает поверхностный электроизоляцион-
ный слой, позволяющий наматывать проволоку вплотную виток к витку.
Оксидная изоляция допускает между соседними витками разность по-
тенциалов до 1 в. Взамен константана в ряде случаев можно применять
более дешевые сплавы: 1) никелин с меньшим содержанием никеля,
за счет добавки цинка, имеющий удельное сопротивление 0,4 ом* мм2/м
и наивысшую допустимую температуру 300° С; 2) нейзильбер, с еще боль-
шим содержанием цинка, с удельным сопротивлением 0,3—0,32 ом X
X ммМм и допустимой рабочей температурой в пределах 200—300° С.
Важнейшее требование к материалам для нагревательных приборов
(жаростойким сплавам) — высокая рабочая температура — может быть
удовлетворена при достаточно высокой температуре плавления мате-
риала и полном отсутствии окисления или окислении с образованием
тугоплавких нелетучих, непористых окислов, предохраняющих от даль-
нейшего окисления. Неокисляющимся материалом с высокой темпера-
турой плавления (1 770° С) является платина; ее удельное сопротивле-
ние 0,105 ом* мм2/м. Вследствие высокой стоимости платины она при-
меняется для нагревательных элементов главным образом в лаборатор-
ных печах с рабочей температурой до 1 300° С. Платина в паре со спла-
вом платина-радий применяется для термопар на температуры до
1 600° С.
256
Наиболее широко употребляемыми сплавами для высоких рабочих
температур являются сплавы никеля, хрома и железа (нихром) и железа,
хрома и алюминия (фехраль). Существенное влияние на качество этих
сплавов, в частности на рабочую температуру, оказывает содержание
хрома, придающего высокую тугоплавкость окислам. Удельное объем-
ное сопротивление нихрома разных марок лежит в пределах 1,1—
1,27 ом» мм2/м.
Стандартные обозначения марок нихрома: Х15Н60, Х20Н80,
Х20Н80ТЗ (буква X — хром, Н — никель, Т — титан). Фехрали
(стандартные марки ОХ23Ю5, ОХ23Ю5А, ОХ27Ю5А) имеют удельное
сопротивление от 1,26 до 1,42 ом» мм21м.
Из сплавов нихрома и фехраля выпускают круглые провода и ленты,
холоднотянутые с поверхностью, покрытой окислами и горячекатаные,
с поверхностью, покрытой окалиной. По применению проволока делится
на марки Н (для нагревательных элементов) и С (для сопротивлений).
Оптимальная рабочая температура для нихрома 900—1 000° С, фех-
раля от 850 до 1 100° С. Срок службы нихромовых и фехралевых про-
волок и лент колеблется в больших пределах в зависимости от их одно-
родности. Удельное сопротивление проволок разных марок и диамет-
ров лежит в пределах: для нихрома от 1,07 до 1,23 ом» мм2/м и для фех-
ралей от 1,35 до 1,42 ом» ммНм.
6-3. КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наиболее трудные условия работы для контактных материалов
создаются в размыкаемых контактах, служащих для периодических раз-
мыканий и замыканий электрических цепей. По мощности цепей, в кото-
рых работают контактные материалы, их делят на слабо на гр уженные и
средненагруженные, предельные токи для которых лежат, как правило,
в пределах до 1 а при напряжении дуги порядка 10—20 в, а также вы-
соконагруженные с большими разрывными мощностями. Важным тре-
бованием к контактным материалам является стабильность контактного
сопротивления. Особенностью работы разрывных контактов является
возникновение между ними электрических разрядов в виде искры или
дуги. Конкретными причинами разрушения являются: коррозия — оки-
сление — и другие реакции с окружающей средой, которая может быть
химически агрессивной, и эрозия — плавление, испарение, распыление
на рабочих поверхностях; обычно эрозия связана с переносом материала
с одного контакта на другой, что особенно существенно при постоянном
токе. Под влиянием коррозии на контактных поверхностях образуются
пленки с плохой проводимостью, нарушающие электрический контакт.
Повышенное давление на контакты действует благоприятно, способствуя
разрушению образующихся пленок. Под влиянием эрозии и переноса
материала на одном из контактов образуются наросты, на другом углуб-
ления — кратеры. Мощные контакты могут привариваться друг к другу,
что при сильных импульсах тока бывает даже в замкнутом состоянии.
На маломощных контактах может иметь место спекание. Работа контак-
тов в вакууме легче, чем в газовой среде, так как в вакууме устраняется
образование дуги.
Для слабонагруженных контактов применяются чистые благород-
ные металлы: платина, палладий, серебро, золото, а также вольфрам и
молибден. Платина на воздухе не окисляется и не склонна к образова-
нию дуги, но склонна к образованию мостиков и игл при малых токах;
платина чаще применяется в сплавах с другими металлами, в частности
9 Ю. В. Корицкий
257
с иридием — для наиболее ответственных прецизионных контактов.
По ряду свойств к платине близок палладий; он значительно дешевле
платины и часто применяется вместо нее, хотя и несколько менее стоек
против катодного распыления и окисления в воздухе. Широко приме-
няются сплавы палладия с серебром. Золото весьма склонно к дугооб-
разованию и эрозионному переносу; оно применяется главным образом
в сплавах с платиной, серебром, никелем. Хорошие результаты для пре-
цизионных контактов дает применение родия. При применении чистого
серебра следует учитывать его склонность к образованию дуги. Объем-
ный перенос на серебряных контактах меньше, чем у платины и золота,
что связано с окислением серебра в воздухе под влиянием электрических
разрядов. Окислы серебра легко диссоциируют при сравнительно не-
высокой температуре (порядка 200° С), благодаря чему они очень мало
влияют на стабильность контактного сопротивления. Тем не менее для
прецизионных контактов с очень малым контактным давлением серебро
не рекомендуется. В остальных случаях серебро широко применяют как
в чистом виде, так и в сплавах с медью. Серебро очень интенсивно реа-
гирует с серой, поэтому не следует допускать соприкосновения серебря-
ных контактов с материалами, содержащими серу, например с резиной.
Вольфрам является одним из самых распространенных контактных
материалов. Он стоек к образованию дуги, примерно, как платина, но
меньше подвержен эрозии и переносу, обладает большой твердостью,
высокой температурой плавления (3 380° С), не сваривается при работе
контактов. Его недостатком является окисляемость кислородом воздуха,
в силу чего его нельзя применять при давлениях на контакты меньше
1 кГ. В условиях повышенной влажности и температуры, например
влажных тропиков, вольфрамовые контакты не следует применять
вблизи фенол содержащих материалов, например гетинакса, текстолита
на бакелитовых смолах, так как выделяемые этими материалами газо-
образные продукты вызывают усиленную коррозию вольфрама. Кова-
ные вольфрамовые прутки имеют продольноволокнистое строение. Кон-
такты, нарезанные из таких прутков, имеют большую износоустойчи-
вость, чем контакты, штампованные из листового вольфрама.
У молибдена эрозия несколько выше, чем у вольфрама, и он под-
вержен атмосферной коррозии с образованием рыхлых окислов, способ-
ных вызывать нарушение контакта.
Для слабонагруженных контактов, работающих без дуги, приме-
няется электроосаждение некоторых драгоценных металлов непосред-
ственно на пружины или держатели контактов, чем достигается эконо-
мия драгоценных металлов без снижения качества работы контактов,
так как осажденные металлы обладают большей твердостью и износо-
устойчивостью, чем массивные. Для этих целей применяют серебро, пла-
тану, золото, палладий, родий.
Сейчас для контактов всех классов мощностей применяют, наряду
с металлическими сплавами, материалы металлокерамические. Наиболь-
шее применение находят они для мощных контактов. Сущность метал-
локерамической технологии, называемой также порошковой металлур-
гией, заключается в спекании при высокотемпературном обжиге прессо-
ванных заготовок из смеси металлических и неметаллических порошков.
Для получения материалов металлокерамическим способом применяют
металлы, не образующие твердых растворов. При выборе компонентов
для металлокерамических контактов исходят из следующих основных
условий: один из них должен обладать хорошей проводимостью, второй
должен быть механически прочным и более тугоплавким, чем первый,
причем допустима пониженная проводимость; оба компонента при воз-
258
можной рабочей температуре контактов не должны сплавляться между
собой. Металлокерамические контакты имеют по сравнению с обычными
металлическими преимущества, заключающиеся в большей стойкости
к оплавлению, привариванию и износу. Например, при постоянном и
переменном токе 0,5—4 а’и напряжениях от 2 до 100 в лучшие результаты
показали металлокерамические контакты из серебра и никеля и серебра
и вольфрама, чем из серебра и его сплавов.
Для средненагруженных контактов применяют многие материалы
из числа используемых и для слабонагруженных, за исключением чи-
стых платины и палладия, разных сплавов с золотом и электроосажден-
ных металлов. Материалы, применяемые для высоконагруженных кон-
тактов, и примерная область их применения приведены в табл. 6-10.
Таблица 6-10
Высоконагруженные контакты
Вид аппаратуры Условия работы контактов, назначение Материалы контактов
Выключатели средней Напряжение до 500 в, Серебро, серебро —
мощности возникновение ду- ги при размыкании, значительные дав- ления на контакты палладий, сереб- ро—медь, сереб- ро — кадмий
Воздушные автомати- ческие выключатели Главные контакты Серебро, медь — кад- мий
Масляные автомати- Главные контакты Серебро, медь
ческие выключате- ли
Промышленные кон- Средние и большие Серебро, серебро —
такторы и пускатели токи при перемен- ном напряжении до 500 в. Главные кон- такты медь, медь, медь — кадмий, медь — се- ребро
Промышленные кон- такторы и пускате- Дугогасительные кон- такты Медь — кадмий
ли
Контакторы постоян- ного тока Низкое напряжение, постоянный ток Серебро
Применяются биметаллические размыкаемые контакты, состоящие
из рабочего слоя — основного контактного материала — и нерабочего
слоя — основания из меди, никеля, железа и др.
Кроме указанных в табл. 6-10 металлов и сплавов, для высокона-
груженных контактов применяют следующие металл о-керамические
материалы: серебро — окись кадмия; серебро — никель; серебро —
графит; серебро — вольфрам; серебро — молибден; серебро — карбид
вольфрама; серебро — окись свинца; серебро — кадмий — никель;
медь — вольфрам; медь — графит. В табл. 6-11 даны некоторые харак-
теристики материалов для размыкаемых контактов.
9*
259
Таблица 6-11
Характеристики материалов для размыкаемых контактов
Материал Темпера- тура плав- ления, °C Плотность, г!смЬ Твердость по Вдавли- ванию шарика после отжига, кГ[мм2 Удельное сопротив- ление, ом • мм2[м Примечание
Платина 1770 21,4 50 0,105
Палладий 1555 12,0 60 0,107
Родий 1966 12,4 100 0,045
Вольфрам 3 380 19,3 350 0,065
Серебро 961 10,5 25 0,016
Платина — иридий 1 790-1 890 21,6-21,8 190-244 0,27—0,35 Сплав
Серебро — кадмий (20%Cd) 850 10,3 55 0,057 Сплав
Серебро — воль- — 12,1-17 75-240 0,021-0,041 Металлокера-
фрам Серебро — никель - 10,20-9,25 50-70 0,021-0,031 мика
6-4. КАБЕЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Кабельные изделия весьма многообразны. Здесь рас-
сматриваются обмоточные провода, монтажные провода,
установочные провода и шнуры, силовые кабели. Эти виды
кабельных изделий имеют токоведущую часть, в большинст-
ве случаев из меди или алюминия, покрытую теми или
иными электроизоляционными материалами; в некоторых
видах кабельных изделий, например в силовых кабелях,
применяются специальные защитные оболочки, накладыва-
емые поверх изоляции.
Обмоточные провода по виду изоляции можно разделить
на следующие группы: с эмалевой, с эмалевоволокнистой,
с волокнистой, с пленочной и оксидной изоляцией. Эмали-
рованные провода в качестве изоляции имеют пленки
специального лака. Наиболее старыми эмалированными
проводами являются провода марок ПЭЛ и ПЭЛУ (с утол-
щенной изоляцией) с пленкой масляного лака. Эта изоляция
относится к классу нагревостойкости А и обладает сравни-
тельно низкой механической прочностью. Хотя стандартные
диаметры медных эмальпроводов всех марок лежат
в пределах 0,02—2,44 мм (по меди), провода марки ПЭЛ
применяются чаще всего сравнительно малых диаметров.
Применение эмалированных проводов больших диаметров
обычно связано с большими механическими воздействиями
на изоляцию; пленки масляных лаков оказываются при
260
этом недостаточно прочными и эластичными и могут рас-
трескиваться при незначительном растяжении медной жилы
и резких изгибах, повреждаться при сдирающих усилиях,
что заставляет применять для их защиты обмотку из пряжи.
Этого недостатка не имеют провода с высокопрочной эмалью,
для производства которых применяются синтетические
смолы. Широко применяются эмалированные провода марки
ПЭВ, для производства которых используется поливинил-
ацеталевая смола винифлекс в виде лака. Эта смола и лак,
разработанные под руководством К. А. Андрианова, отли-
чаются высокой механической прочностью, большим удли-
нением при растяжении и большой стойкостью к истиранию,
благодаря чему провода марки ПЭВ всех сечений выпускают
без защиты волокнистыми материалами. Это дает возмож-
ность сократить толщину изоляции, что существенно
влияет на размеры многовитковых многослойных аппарат-
ных катушек и увеличивает коэффициент заполнения пазов
электрических машин по меди. Например, при номинальном
диаметре медного провода 1 мм толщина изоляции провода
с масляной эмалевой изоляцией и двойной обмоткой хлоп-
чатобумажной пряжей марки ПЭЛБД составляет 0,165 мм,
провода ПЭВ-1(с однослойной изоляцией) 0,04 мм, провода
ПЭВ-2 (с двухслойной изоляцией) 0,05 мм. Двухслойная
изоляция более надежна, чем однослойная, с точки зрения
наличия случайно ослабленных точек; имеет примерно
на 50% большее пробивное напряжение; ее изоляция
механически надежней.
Провода марки ПЭВ соответствуют по нагревостойкости
классу А. По свойствам близки к проводам ПЭВ провода
с изоляцией из пленки смолы металвин, разработанной
С. Н. Ушаковым. При использовании проводов ПЭВ и ПЭМ
для вращающихся обмоток электрических машин следует
иметь в виду, что винифлекс и металвин — смолы термо-
пластичные, поэтому при большой скорости вращения
и высокой температуре благодаря центробежным усилиям
возможно продавливание изоляции, приводящее к межвит-
ковым коротким замыканиям. С винифлексовой изоляцией
изготовляются эмалированные провода прямоугольных се-
чений.
В настоящее время применяют также эмалированные
провода с полиуретановой изоляцией ПЭВТЛ, обладающие
большей нагревостойкостью, чем провода марки ПЭВ; для
неподвижных обмоток их можно применять по классу В.
Что касается вращающихся обмоток, то вследствие высокой
261
термопластичности здесь целесообразно ограничиться тем-
пературой класса Е. Полиуретановая изоляция эмаль-
проводов чувствительна к тепловому удару — она склонна
к растрескиванию, если в растянутом состоянии ее подвер-
гать резким изменениям температуры. Хорошей техноло-
гической особенностью полиуретановой изоляции является
отсутствие необходимости счищать эмаль при пайке про-
водов, так как при расплавлении сама эмаль служит
флюсом.
На основе полиэтилентерефталатных смол типа смолы
лавсан получают эмалированные провода марки ПЭТВ,
нагревостойкость которых вполне соответствует классу В.
Провода марки ПЭТВ весьма чувствительны к тепловому
удару, поэтому при их применении следует избегать резких
изгибов (вызывающих растяжение лаковой пленки) и силь-
ных натяжений при намотке. Известное применение имеют
провода с резольно-капроновой изоляцией, марки ПЭЛР.
Они, хотя и относятся к числу высокопрочных, как ПЭВТЛ
и ПЭТВ, т. е. не требуют защитной волокнистой изоляции,
но имеют пониженную влагостойкость и невысокую нагре-
востойкость (класса А). Провода с полиимиднойг эмале-
вой изоляцией имеют нагревостойкость выше 200° С. В
табл. 6-12 и 6-13 приведены некоторые требования ГОСТ на
эмальпровода. За последнее время выпуск проводов ПЭЛ
и ПЭЛУ сильно сократился.
Таблица 6-12
Нормы пробивного напряжения эмалированных проводов
Номинальный диаметр по меди, мм Пробивное напряже- ние, в (не менее) Номинальный диаметр по меди, мм Пробивное напряже- ние, в (не менее)
ПЭВ-1 ПЭВ-2 ПЭЛ ПЭЛУ
0,06—0,07 350 450 0,05—0,07 350 450
0,15—0,20 600 800 0,14—0,21 550 650
0,44—0,53 850 1 200 0,23—0,51 800 1000
0,55—0,83 1000 1500 0,53—0,80, 900 1 100
0,86—1,35 1 200 1 800 0,83—1,35 1000 1 300
1,40—2,44 1 400 2 000 1,40—2,44 1 250 1 600
Примечание. Пробой эмалированных проводов производят на двух скру-
ченных образцах, поэтому пробивное напряжение приходится на двойную толщину
пленки.
Нормы пробивного напряжения эмалированных проводов
марок ПЭТВ соответствуют нормам на провода марки
262
ПЭВ-2, а марок ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2—нормам на провода
ПЭВ-1 и ПЭВ-2 соответственно.
Таблица 6-13
Испытания эмалированных проводов ПЭВ на изгиб без
появления трещин в изоляции
Марка прово- да Условия испытаний При номинальном диаметре проволоки по меди
0,06—0,35 мм 0,38— 0,69 мм 0,72— 1,25 мм 1,3- 1,68 мм 1,74— 2,44 мм
ПЭВ-1 В ИСХОДНОМ СОСТОЯ- НИИ и после 24 ч пребывания при 125+5° С После 168 ч пребы- вания при 125+5° С Растяжение до разрыва То же Кр стер ВОЛ( 2 3 ЗТНОСТ1 ЖНЯ ди )КИ пр] 10 в 3 4 > диам [аметр} I нави итков 4 5 етра ? про- вапии 6 7
ПЭВ-2 В исходном состоя- нии и после 24 ч пребывания при 125+5° С После 168 ч пребы- вания при 125+5° С То же 1 2 2 3 3 4 5 6
Допустимое число точечных повреждений в эмалевой
изоляции, определяемое по количеству коротких замыканий
при пропускании проволоки через ртутную ванну и напря-
жении постоянного тока между проволокой и ртутью
60 в, приведено в табл. 6-14.
Таблица 6-14
Допустимое количество точечных повреждений на длине 15 м
Номинальный диаметр по меди, мм ПЭВ-1 ПЭВ-2 Номинальный диаметр по меди, мм ПЭЛ ПЭЛУ
0,06—0,07 15 10 0,05—0,14 15 10
0,08—0,35 7 5 0,15—0,35 10 7
Сравнение свойств основных эмалей на медных и алюми-
ниевых проводах показало, что качество этой изоляции
практически почти не зависит от металла, хотя на алюминии
нагревостойкость эмалей несколько повышается. Высоко-
263
прочной эмалью покрываются также провода из разных
сплавов сопротивления.
Классификация основных типов обмоточных проводов
с эмалевоволокнистой и чисто бумажной изоляцией дана
в табл. 6-15. В последнее время получили значительное
применение алюминиевые провода марок АПБО, АПБД,
АПБ и АПББО, с изоляцией, аналогичной изоляции
медных проводов ПБО, ПБД, ПБ и ПББО.
Таблица 6-15
Основные типы обмоточных проводов с эмалевоволокнистой
и бумажной изоляцией
Марка провода Общая характеристика
пэлшо Провод медный; эмаль и один слой обмотки из
пэлшко пэлшкд натурального шелка То же, но вместо натурального шелка — капрон Провод медный; эмаль и два слоя обмотки из I/ О П А ГТ О
ПЭЛБО KdlipOHa Провод м.едный; эмаль и один слой обмотки из
ПЭЛБД ПБО хлопчатобумажной пряжи То же, но с двойной обмоткой пряжи Провод медный, изоляция — один слой обмотки
ПБД из хлопчатобумажной пряжи Провод медный; изоляция — два слоя обмотки из
ПБ хлопчатобумажной пряжи Провод медный; изоляция — несколько слоев об-
ПББО мотки из телефонной или кабельной бумаги Провод медный; изоляция — несколько слоев об- мотки из кабельной или телефонной бумаги и обмотка (в разбежку) из хлопчатобумажной
ПЭШОК пряжи Провод константановый; изоляция — эмаль и один слой шелковой обмотки
ПЭБОК Провод константановый; изоляция — эмаль и один
ПЭШОМТ слой хлопчатобумажной обмотки Провод манганиновый, твердый; изоляция — эмаль и один слой шелковой обмотки
ПЭШОММ То же, но провод манганиновый, мягкий
Провода с чисто бумажной изоляцией широко применяют
для обмоток масляных трансформаторов. Сейчас пряжа
из натуральных волокон все чаще заменяется синтетически-
ми волокнами. Среди обмоточных проводов особый интерес
для электромашиностроения представляют нагревостойкие
провода. Повышенная нагревостойкость достигается примене-
264
нием для изолирования проводов неорганических волок-
нистых материалов (стекловолокна или асбеста), подклеен-
ных к проводу. При применении стекловолокна с кремний-
органическим лаком провода имеют нагревостойкость
до класса Н.
Согласно ГОСТ 7019-60 выпускают следующие основные
нагревостойкие провода: провода с двухслойной обмоткой
стекловолокном (ПСД); провод с асбестовым волокном
(ПДА); ПЭТСО — изоляция эмалевая с однослойной обмот-
кой стекловолокном. Для подклейки и пропитки волокнис-
тых материалов на проводах ПСД, ПДА, ПЭТСО применяют
обычно лаки на основе глифталевых смол. Выпускаются
и провода с утоньшенной изоляцией ПСДТ и ПЭТСОТ.
С применением кремнийорганических лаков выпускают
провода марок ПСДК. Эти провода имеют механическую
прочность изоляции ниже, чем у проводов с изоляцией
на глифталевых лаках, что объясняется общим недостатком,
присущим кремнийорганическим смолам. Провода с утонь-
шенной изоляцией марки ПСДКТ (не вошедшие в ГОСТ
7019-60) в течение нескольких часов могут работать при
температуре до 400° С. Указанные выше провода с эмалево-
волокнистой изоляцией выпускают круглого и прямоуголь-
ного сечений.
К числу обмоточных проводов высокой нагревостойкости
относятся алюминиевые провода с оксидной изоляцией,
получаемой путем окисления поверхности провода. Слой
окиси алюминия, образующийся при окислении на воздухе,
очень тонок и имеет малое пробивное напряжение. Оксидиро-
вание алюминиевых проводов, круглого или прямоуголь-
ного сечения, осуществляют непрерывным способом, про-
пуская провода, находящиеся под напряжением, через
электролитическую ванну, обычно содержащую слабую
серную или щавелевую кислоту. Таким способом можно
получить изоляцию толщиной в несколько сотых долей
миллиметра, пробивное напряжение которой достаточно для
многих практических целей. Например, при толщине
0,06 мм пробивное напряжение оказывается порядка 300 в.
Оксидная изоляция на алюминии имеет очень высокую
температуру плавления — свыше 2 000° С, благодаря чему
рабочая температура таких проводов определяется уже
не нагревостойкостью изоляции, а температурой плавления
алюминия. Пониженная гибкость и значительная гигро-
скопичность оксидной изоляции алюминиевых проводов
сильно ограничивают область их применения. Наименьший
265
диаметр изгиба алюминиевых оксидированных проводов,
не вызывающий появления трещин, равен 10—20-кратному
диаметру провода. Применяемая с целью уменьшения
гигроскопичности оксидной изоляции пропитка ее материа-
лами, дающими нагревостойкие пленки (кремнийорганичес-
кие лаки, суспензия политетрафторэтилена), снижая
гигроскопичность, снижают и нагревостойкость изоля-
ции.
Монтажные провода выпускают с однопроволочной
жилой сечением 0,1—1,5 мм2 и с гибкой жилой, скрученной
из проволок диаметром 0,06—0,3 мм. Жилы монтажных
проводов обычно покрывают свинцово-оловянным сплавом,
что облегчает пайку при монтажных работах. Группа
проводов с волокнистой и эмалево-волокнистой изоляцией
обладает большой гибкостью, но меньшей влагостойкостью
и электрической прочностью, чем провода второй группы
с полихлорвиниловой, полиэтиленовой и резиновой изоля-
цией. Провода второй группы допускают рабочую темпера-
туру от —50° С до 4-70° С, провода с органической волок-
нистой изоляцией от —60° С до 4-70° С, провода со стекло-
волокнистой изоляцией от —60° С до 4- 150°С (кратковремен-
но до 180° С), провода с органической пленочной и стекло-
волокнистой изоляцией от —60° С до 4-150° С. У экраниро-
ванных проводов (к названию марки добавляется буква Э)
поверх изоляции наносится оплетка из медных луженых
проволок и хлопчатобумажная оплетка, лакируемая эфиро-
целлюлозным лаком.
Для рабочей температуры до 180° С применяют монтаж-
ные провода марки РКГМ с изоляцией из кремнийоргани-
ческой резины со стеклянной оплеткой, а для температуры
до 250° С — провода марки ТМ-250 с изоляцией из фторо-
пласта-4 со стеклянной оплеткой.
В табл. 6-16 даны сведения об изоляции основных марок
монтажных проводов с медной жилой, с полиэтиленовой,
полихлорвиниловой и волокнистой видами изоляции. Боль-
шинство этих марок имеет жилу, покрытую припоем типа
ПОС- из свинцово-оловянного сплава, с содержанием оло-
ва не менее 40%.
Специально, для монтажа автоматических телефонных
станций и приборов по ГОСТ 7218-54 выпускают провода
разных марок повышенной гибкости с жилами из мишурных
нитей. Провода бывают многожильные (до 60 жил); изоляция
отдельных жил осуществляется с помощью обмотки шелко-
выми или капроновыми волокнами; изоляция скрученных
266
жил — хлопчатобумажная, шелковая или капроновая
оплетка.
Таблица 6-16
Изоляция монтажных проводов
Марка провода Вид ЖИЛЫ И ИЗОЛЯЦИИ
МВ мов Однопроволочная; полихлорвиниловая Однопроволочная; обмотка жилы волокнистым материалом в полихлорвиниле
МП мгв мгов Однопроволочная; полиэтиленовая Многопроволочная; полихлорвиниловая Многопроволочная; обмотка волокнистым мате-
мгп мшдл риалом в полихлорвиниле Многопроволочная; полиэтиленовая Однопроволочная; двойная обмотка полиамид-
мэшдл ным или лавсановым шелком, лакированная Однопроволочная; эмалевая, двойная обмотка по- лиамидным или лавсановым шелком, лакиро- ванная
МЭБДЛ Однопроволочная; эмалевая, двойная обмотка
мгш хлопчатобумажной пряжей, лакированная Многопроволочная; оплетка полиамидным или лавсановым шелком
мгшд Многопроволочная; двойная обмотка полиамид- ным или лавсановым шелком
мшдл Многопроволочная; двойная обмотка полиамид- ным или лавсановым шелком
МГБДЛ Многопроволочная; двойная хлопчатобумажная
мгсл обмотка, лакированная Многопроволочная; обмотка и оплетка стеклово-
мгцсл локном, лакированная Многопроволочная; пленочная, обмотка стеклово- локном в стекловолокнистой оплетке, лакирован- ная
Так называемые установочные провода выпускают по
ГОСТ 6323-62 как с медной жилой, так и с алюминиевой.
Изоляция их — полихлорвиниловая, обладающая хорошей
водо- и маслостойкостью. Они предназначены для непод-
вижной прокладки в разных сетях, для монтажа разного
оборудования при номинальном напряжении до 500 в пере-
менного тока или 1 000 в постоянного тока. Данные о
марках этих проводов в соответствии с ГОСТ 6323-62
представлены в табл. 6-17.
Особую группу кабельных изделий составляют автотрак-
торные провода: высокого напряжения — «провода магнето»,
применяющиеся в системе зажигания и низкого напряже-
267
ния, применяющиеся для электроаппаратуры и освещения
автомобилей и тракторов. Провода высокого напряжения
делают из витыхжил с резиновой изоляцией,поверх которой
наложена лакированная хлопчатобумажная оплетка (про-
вода марок ПВЛ-1, ПВЛ-2 и ПВЛ-3 для разных двига-
телей); выпускают также провода с экраном из оплетки
из луженых медных проволок. Резиновая изоляция без
защитной оплетки в данном случае не может быть применена,
так как автотракторные провода зажигания должны быть
стойкими против действия паров бензина и смазочных
масел. Сейчас применяют провода зажигания с полихлор-
виниловой изоляцией. Автотракторные провода низкого
напряжения имеют полихлорвиниловую изоляцию.
Таблица 6-17
Провода установочные с полихлорвиниловой изоляцией
Марка Вид жилы Преимущественная область применения
ПВ Медная Для монтажа вторичных цепей, прокладки в трубах, каналах несгораемых строительных конструкций, силовых и ос- ветительных цепей в маши- нах и станках
пгв Медная, гибкая Для монтажа вторичных цепей и гибких соединений при скрытой и открытой про- кладках
АПВ Алюминиевая Для прокладки в трубах, ка- налах несгораемых строи- тельных конструкций, мон- тажа силовых и осветитель- ных цепей в машинах и стан- ках
ппв Медная; плоская с раз- делительным основа- нием Для неподвижной открытой прокладки
ппвс То же, что ППВ, но без разделительного осно- вания Для неподвижной скрытой про- кладки под штукатуркой
АППВ Алюминиевая, плоская, с разделительным осно- ванием Для неподвижной открытой прокладки
АППВС То же, что АППВ, но без разделительного основания Для неподвижной скрытой про- кладки под штукатуркой
268
Таблица 6-18
Силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией
в свинцовой оболочке
Марка кабеля Общая характеристика Область применения
СБ В свинцовой оболочке, бро- нированный стальными лентами с защитным на- ружным слоем Прокладка в земле (тран- шеях), если кабель не подвергается значитель- ным растягивающим уси- лиям
СБГ В свинцовой оболочке, бро- нированный с противо- коррозионной защитой стальными лентами Прокладка внутри помеще- ний, в тоннелях, каналах, если кабель не подвер- гается значительным рас- тягивающим усилиям
СП В свинцовой оболочке, бро- нированный плоскими стальными оцинкованными проволоками с наружным защитным слоем Прокладка в земле при воз- можности механических воздействий, если кабель подвергается значитель- ным растягивающим уси- лиям
СПГ Как выше, но без наруж- ного защитного слоя Прокладка внутри помеще- ний, в тоннелях, шахтах, если кабель подвергается значительным растягиваю- щим усилиям
СК В свинцовой оболочке, бро- нированный круглыми стальными оцинкованными проволоками с наружным защитным слоем Прокладка под водой
ОСБ Скрученный из трех от- дельно изолированных и освинцованных жил, бро- нированный стальными лентами с наружным за- щитным слоем Прокладка в тех же усло- виях, что для кабеля марки СБ
ОСБГ Как выше, с заменой на- ружного защитного слоя противокоррозионной за- щитой Прокладка в тех же усло- виях, что кабель марки СБГ
ОСК Скрученный из трех от- дельно изолированных и освинцованных жил, бро- нированный круглыми стальными оцинкованными проволоками с наружным защитным слоем Прокладка в тех же усло- виях, что кабель марки СК
Примечание. Марки, указанные в табл. 6-18, имеют медные жилы.
К маркам кабелей с алюминиевой жилой добавляют букву А (впереди).
269
Таблица 6-19
Силовые кабели с резиновой изоляцией
Марка 1 Общая характеристика | Область применения
СРГ Освинцованный голый (без дополнительных покро- вов) Прокладка внутри помеще- ний, в тоннелях при от- сутствии вероятности ме- ханических повреждений при монтаже и эксплуата- ции, а также при условии отсутствия агрессивного воздействия на свинец. Одножильные на 0,5; 3 и 6 /св, трехжильные на 0,5 и 3 кв
СРА Освинцованный и асфаль- тированный с дополни- тельными волокнистыми пропитанными покровами Прокладка в тех же усло- виях, что кабель мар- ки СРГ, но при наличии паров, газов и кислот, разрушающе действую- щих на свинец, но не дей- ствующих на защитные покровы. Одножильные на 0,5; 3 и 6 кв; трех- жильные на 0,5 и 3 кв
СРБ Освинцованный и брониро- ванный двумя стальными лентами с наружным по- кровом из -кабельной пряжи Прокладка в земле при условии возможности ме- ханических повреждений при монтаже и в эксплуа- тации, если кабель не под- вергается значительным растягивающим усилиям. На 0,5 и 3 кв двух- и трехжильные
СРБГ То же, но без наружного покрова Прокладка в помещениях, в том числе и в пожаро- опасных и тоннелях. На 0,5 и 3 кв двух- и трех- жильные
СРП Освинцованный и брониро- ванный стальными прово- локами с наружным по- кровом из кабельной пряжи Прокладка в тех же усло- виях, что и СРБ, когда кабель подвергается рас- тягивающим усилиям,рав- ным весу кабелей, длиной более 50 м. На 0,5 и 3 кв двух- и трехжильные
СРПГ То же, но без наружного покрова Как кабель марки СРБГ
270
Продолжение табл. 6-19
Марка Общая характеристика Область применения
НРГ В резиновой негорючей оболочке Прокладка в помещениях и тоннелях при условии от-
ВРГ В полихлорвиниловой оболочке сутствия паров, газов, кислот и т. п., разру- шающе действующих на эти оболочки; на 0,5 кв одно-, двух-, и трехжиль- ные
НРБ и В негорючей резиновой или Прокладка в земле, при воз-
ВРБ полихлорвиниловой обо- лочке, бронированной двумя стальными лентами с наружным покровом из кабельной пряжи можности механических воздействий на кабель. На 0,5 кв двух- и трехжиль- ные
НРБГ и В негорючей резиновой или Прокладка во взрыво- и по-
ВРБГ полихлорвиниловой обо- лочке, бронированные двумя стальными лентами, покрытыми вязким со- ставом жароопасных помеще- ниях, тоннелях, по стан- кам и неподвижным ме- ханизмам. На 0,5 кв двух- и трехжильные
Силовые кабели выпускают в большом количестве
марок. Основными видами силовых кабелей по типу изоляции
являются следующие: с пропитанной маслом или масло-
канифольным составом бумажной изоляцией на номиналь-
ные напряжения 1, 3, 6, 10, 20 и 35 кв с различными защит-
ными оболочками, маслонаполненные — для напряжений
ПО и 220 кв — с пропитанной маслом бумажной изоляцией;
с масляным каналом внутри жилы по всей ее длине, в кото-
ром масло находится под избыточным давлением для обес-
печения подпитки маслом, ликвидации пустот, могущих
образоваться в эксплуатации кабеля, кабели на НО и 220 кв
с бумажной пропитанной изоляцией в стальных трубах,
заполненных маслом под давлением; с резиновой или пласт-
массовой изоляцией с разными защитными оболочками.
В табл. 6-18 приведены основные сведения о силовых
кабелях важнейших марках с пропитанной бумажной
изоляцией на напряжение до 35 кв. Жилы этих кабелей
могут быть медные и алюминиевые. Вместо оболочек из
свинца часто применяют оболочки из алюминия. В кабе-
лях с резиновой или пластмассовой изоляцией применя-
ют также оболочки из полихлорвинила и полиэтилена.
271
Для прокладки на вертикальных и крутонаклонных
участках применяют кабели с обедненнопропитанной изоля-
цией, с нестекающей пропиточной массой или с пластмассо-
вой изоляцией.
Основные данные для силовых кабелей с резиновой
изоляцией приведены в табл. 6-19.
6-5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УГОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
В основе электротехнических угольных материалов лежат графит
и уголь — разновидности почти чистого углерода, являющегося полу-
проводником, вследствие чего графит и уголь имеют отрицательный
температурный коэффициент удельного сопротивления, хотя по величине
проводимости немногим уступают металлам и их сплавам, в силу чего
в различных электротехнических устройствах угольные изделия исполь-
зуются как проводящие элементы. Важнейшими видами электротехни-
ческих угольных изделий являются: 1) щетки для электрических машин;
2) угольные электроды (для электрических печей, электролитических
ванн и сварки); 3) осветительные угли; 4) непроволочные сопротивле-
ния; 5) микрофонные порошки, мембраны и другие детали техники связи;
6) части гальванических элементов; 7) детали электровакуумных прибо-
ров (аноды, сетки).
Графит — природный ископаемый кристаллический материал с вы-
соким содержанием углерода (до 90% и выше), с очень высокой темпе-
ратурой плавления (порядка 3 900° С); при свободном доступе кислорода
и высокой температуре окисляется, давая в основном газообразные
окислы СО и СО2. Кристаллическая решетка графита имеет явно выра-
женную слоистую структуру, отличающуюся легким перемещением
слоев друг относительно друга. Твердость графита невелика и изме-
няется в зависимости от направления относительно решетки в 5 с лишним
раз. Графит обладает крупнокристаллическим строением, что отличает
его от мелкокристаллических углей, в частности от сажи, которая имеет
особо мелкодисперсионное кристаллическое строение.
В производстве электротехнических угольных материалов приме-
няется уголь следующих видов: 1) коксы — продукты термического раз-
ложения каменного угля, каменноугольных смол (пеков), нефти, торфа;
2) антрациты и их разновидность — термоантрациты, получающиеся
при термообработке антрацитов при 900—1 200° С. Сажи для угольных
изделий применяют с зольностью 0,06—0,15%. Сажи получают из аце-
тилена при термическом его разложении (ацетиленовую), из углеводо-
родных газов и из жидких углеводородов (ламповую) при неполном
сгорании.Производство большинства угольных изделий заключается в
измельчении углеродистого сырья, смешении его со связками (каменно-
угольные пеки и смолы), формовании и обжиге, после которого изделие
приобретает достаточную механическую прочность и твердость. В уголь-
ную массу часто вводят разные добавки, например, в щетки для элект-
рических машин с целью повышения проводимости — медный или брон-
зовый порошок, в осветительные угли — разные соли, придающие
определенную окраску электрической дуге, создаваемой с помощью
этих углей. Введение в массу кокса повышает механическую прочность
изделий, делает их более устойчивыми к удару. При производстве уголь-
ных щеток часто прибегают к процессу графитирования, заключающе-
272
муся в термообработке, увеличивающей размеры кристаллов, что по-
вышает проводимость и снижает твердость. Обожженные щетки омед-
няют (поверхности под щеткодержатели) и армируют соединительными
проводниками. С помощью электрощеток осуществляется скользящий
контакт на коллекторах и кольцах электрических машин, поэтому очень
важно, чтобы щетки хорошо пришлифовывались в работе, не вызывая
слишком быстрого износа коллекторов и не истираясь слишком быстро
сами. Основные требования, предъявляемые к разным видам щеток, и
рекомендуемые'условия работы даны в табл. 6-20.
Т а б л и ц а 6-20
Характеристики щеток
Вид щетки Физико-механиче- ские Коллекторные, при скорости 25 м/сек, плотности тока 20 а/см2 и давлении 0,8 кГ[см2
Твер- дость, кГ/мм2 Удельное сопротив- ление, QM'MM2lM Переход- ное паде- ние на- пряжения на пару щеток, в Износ за 20 ч, мм, не более Коэффи- циент тре- ния, не более
Графитные Электро-графитиро- 8—22 8—28 0,6—1,8 0,40—0,50 300,
ванные 3—50 6—50 1,1—2,5 0,40—0,60 0,23—0,30
Угольно-графитные . 18—42 40—57 1,5—2,5 0,10 0,30
Медно-графитные . . 4—25 0,03—15 0,1—2,2 0,15—0,80 0,20-0,26
Примечание. В таблице указаны крайние значения характеристик ще-
ток данного вида разных марок. На угольные щетки действует ГОСТ 2332-63.
Угольные электроды для дуговых электрических печей и электро-
химических процессов бывают трех видов: обожженные, графитирован-
ные и самоспекающиеся. Выбор электрода того или иного вида нахо-
дится в зависимости от типа оборудования и особенностей выполняе-
мых технологических процессов. Угольные обожженные электроды
изготовляют из трех основных компонентов: литейного кокса, антра-
цита и термоантрацита, а иногда и из более чистых материалов. Эти угли
обладают большой твердостью, поэтому их механическую обработку
производят с помощью инструментов из твердых сплавов.
Графитированные электроды‘изготовляют с применением операции
графитирования, вследствие чего они дороже простых обожженных, но
зато имеют некоторые преимущества перед последними, в частности:
пониженное удельное сопротивление, меньшую хрупкость и повышенную
химостойкость, что имеет существенное значение в некоторых процессах.
Самоспекающиеся угли отличаются тем, что их обжиг производится
непосредственно в печах в процессе их работы, по мере обгорания. Для
таких углей печи снабжены специальными железными кожухами, в кото-
рые набивается электродная масса. Эта конструкция позволяет приме-
нять электроды диаметром до 1 м при переменном токе и 2,5 м при по-
стоянном. При применении вместо железных кожухов специальных
угольных блоков диаметр электродов может быть доведен до 4,5м и более.
Сварочные угольные электроды применяют при постоянном
токе, а также для резки металлов. Угли для резки изготов-
273
ляются диаметром от 6 до 12 мм, с удельным сопротивлением не
более 100 ом* мм2/м.
Осветительные угли по основным видам их применения можно раз-
делить на следующие виды: прожекторные, проекционные, светокопи-
ровальные и спектральные. Осветительные угли изготовляют обычно из
кокса, графита, сажи в виде цилиндрических стержней часто с осевой
набивкой из более мягкой массы, так называемым фитилем. Фитильная
масса быстрей испаряется, благодаря чему повышается световая устой-
чивость дуги. К спектральным углям, применяемым для спектрального
анализа, предъявляется требование повышенной чистоты, отсутствия
примесей, снижающих точность результатов спектральных анализов.
Непроволочные углеродистые сопротивления бывают поверхност-
ными и объемными. В первых сопротивлением служит тонкий углеро-
дистый слой — пленка на электроизоляционном основании; объемные
представляют собой стержни из особой массы, состоящей из смеси угле-
рода с органической и неорганической связкой. Поверхностные сопро-
тивления бывают постоянные и переменные; величина сопротивления
последних меняется в некоторых пределах. Объемные сопротивления
бывают только постоянные. Непроволочные постоянные сопротивления
выпускают согласно ГОСТ 2825-60 с номинальными значениями в пре-
делах 1—1012 ом. Ниже даны сведения о важнейших непроволочных
сопротивлениях. Сопротивления ВС — пленочные, в виде керамических
цилиндрических стержней или трубок, на поверхность которых нанесен
слой углерода, покрытый лаковой пленкой. Благодаря малой стоимости
применяются весьма широко. Условия работы сопротивления ВС:
постоянное, синусоидальное и импульсное напряжения; диапазон тем-
ператур: от —60° С до + 100° С; относительная влажность до 98%.
Номинальная рассеиваемая мощность лежит в пределах 0,25—10 вт.
По степени точности сопротивления ВС делятся на три класса с разными
допускаемыми отклонениями: класс I ± 5%, класс II ± 10%, класс III
± 20%. Температурный коэффициент сопротивления разных марок ВС
лежит в следующих пределах: от — 5* 10~2 до — 12* 10"12 1/град,
в диапазоне температур от + 20° С до + 100° С и от — 6- 10“12 до
— 20* 10--2 в диапазоне температур от + 20° С до — 60° С. Разновидно-
стью поверхностных углеродистых лакированных сопротивлений яв-
ляются сопротивления УЛМ (малогабаритные) и УЛИ (измерительные).
Существует ряд типов сопротивлений, предназначенных специально
для использования в высокочастотных устройствах.
Из большого числа объемных угольных сопротивлений, имеющих
особое значение для высокочастотных устройств, отметим следующие:
1) типа «Керакс» — стержни из глинистой керамики с графитовым
порошком; 2) типа «Дефар» — из высоко пор истой керамики, науглеро-
женной сжиганием в ее порах декстрина; 3) специальные сопротивления
для автотракторного электрооборудования типов У КС, УС, ДСН-10 и
ДСНК- Сопротивления УКС в виде стержней применяются в качестве
шунтов в датчиках импульсных приборов. Сопротивления УС — пря-
моугольные пластинки применяются в реле-регуляторах. Сопротивле-
ния ДСН-10 и ДСНК применяют в высоковольтных цепях зажигания
для подавления радиопомех. В некоторых схемах автоматического регу-
лирования применяют так называемые угольные столбы, которые наби-
рают из угольных шайб, находящихся под давлением, с изменением
которого меняется сопротивление всего столба. В аппаратуре связи
угольные изделия применяют в микрофонах и ларингофонах (порошки,
мембраны, диски и электроды), в защитных разрядниках (защита от
перенапряжений).
274
ПОЛУПРОВОДНИКИ
глава
седьмая
7-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Как было указано в гл. 1 (§ 1-1), полупроводники с точки
зрения зонной теории проводимости отличаются небольшой
шириной запрещенной зоны. Из общего числа химических
элементов 11 обладают полупроводниковыми свойствами.
В табл. 7-1 даны значения ширины запрещенной зоны
полупроводниковых химических элементов.
Таблица 7-1
Характеристика полупроводниковых элементов
Элемент
Элемент
•s
о
Бор (В)..........
Углерод (С) .
Кремний (Si).....
Германий (Ge) . . . .
Фосфор (Р).......
Мышьяк (As)......
Ill
IV
IV
IV
V
V
1Д
5,3
1,12
0,72
1,5
1,2
Сурьма (Sb)
Сера (S) . .
Селен (Se) .
Теллур (Те)
Йод (J) . . .
V 0,12
VI 2,5
VI 1,7
VI 0,36
VIII 1,25
Благодаря сравнительно небольшой ширине запрещенной
зоны под влиянием поглощения некоторого количества
энергии отдельные возбужденные электроны могут быть
переброшены через запрещенную зону в зону проводимости,
что вызовет эффект электронной проводимости. На месте
электронов, ушедших из занятой зоны, остаются свободные
места — «электронные дырки». Место этих «дырок» будут
занимать другие электроны занятой зоны. Таким образом,
275
свободное место — «дырка» — будет перемещаться в направ-
лении электрического поля, создавая эффект движения
положительного заряда.
Электропроводность чистых полупроводников носит в
основном электронный характер; эффект дырочной проводи-
мости, эквивалентный проводимости положительными за-
рядами, выражен слабо.
Такая особенность приводит к исключительной чув-
ствительности проводимости полупроводников к различным
примесям. Понятие примесей здесь весьма широко: речь
идет не только о наличии в данном веществе атомов совер-
шенно посторонних веществ (чужих атомов), но об избытке
пли недостатке атомов одного из элементов, образующих
данный класс химических соединений: кислорода в окислах,
углерода в карбидах, серы в сульфидах и т. п.
Сильное влияние примесей на проводимость полупровод-
ников вызвано изменением энергетического спектра. При
этом возможно два случая: 1) если примесь представляет
собой химический элемент более низкой группы периодичес-
кой таблицы, чем сам полупроводник, то он создает допол-
нительные незанятые энергетические уровни, близкие к
уровням занятой зоны; 2) если примесью является элемент
более высокой группы периодической таблицы, то она
создает дополнительную занятую энергетическую зону,
близкую к основной незанятой зоне. В первом случае примесь
называют акцепторной — принимающей, во втором—до-
норной — дающей. Смысл этих терминов заключается
в следующем: при наличии акцепторной примеси благодаря
малой ширине запрещенной зоны между основной занятой
зоной и незанятой зоной примесей легко осуществляется пере-
ход электронов из занятой зоны в зону примесей. В резуль-
тате этого в занятой зоне образуется «дырка», перемеще-
ние которой соответствует перемещению положительных
носителей тока; поэтому такую электропроводность назы-
вают «дырочной», или электропроводностью типа р (поло-
жительной — позитивной). При наличии донорной примеси
электроны из примесной зоны легко переходят в основную
зону проводимости, создавая эффект обычной электронной
электропроводности типа п (отрицательной — негативной).
Схемы энергетических уровней в полупроводнике чистом,
без примесей, а также с акцепторной и донорной примесью
показаны на рис. 7-1.
В качестве примера рассмотрим кремний, элемент четвер-
той группы периодической таблицы элементов, что означает
276
наличие на внешних орбитах атомов кремния по четыре
валентных электрона. В случае присутствия примеси бора —
элемента третьей группы, имеющего на внешних орбитах
атомов по три валентных электрона, — каждый атом
бора захватит по одному элементу соседнего атома кремния,
благодаря чему образуются «дырки», перемещение которых
в электрическом поле создает электропроводность типа р,
накладываемую поверх небольшой собственной электропро-
водности кремния. Результирующий эффект даст «дырочную»
электропроводность типа р. При добавлении к кремнию
атомов мышьяка—элемента пятой группы,имеющих на своих
внешних орбитах по пяти валентных электронов, получится
Рис. 7-1. Влияние примесей на энергетическую
диаграмму полупроводников.
ф — электрон; Q — дырка; а — основной полупроводник;
б — полупроводник с акцепторной примесью; в — полу-
проводник с донорной примесью.
следующее: каждый пятый электрон атомов мышьяка
становится избыточным, свободным и будет перемещаться
под влиянием электрического поля, создавая электронную
электропроводность типа и.
„ Экспериментально определить характер электропровод-
ности можно двумя способами: с помощью эффектаХолла
и термическим способом. Сущность эффекта Холла заклю-
чается в том, что при воздействии поперечного постоянного
магнитного поля на пластинку материала, вдоль которой
перемещаются носители тока, происходит их смещение так,
что плотность носителей тока становится неравномерной.
В результате этого между боковыми ребрами пластинки
возникает некоторая разность потенциалов — поперечная
э. д. с. Холла, создающая в проводниковой цепи, соединяю-
щей между собой эти ребра, электрический ток. В зависи-
мости от типа электропроводности меняется направление
тока, вызванного поперечной э. д. с. (рис. 7-2). Термический
277
способ заключается в следующем. При нагревании одного кон-
ца пластинки из полупроводникового материала с электро-
проводностью типа р горячий конец станет заряжен положи-
тельно по сравнению с холодным концом. При соединении
Рис. 7-2. Метод определения типа электропроводности
полупроводников при помощи эффекта Холла.
обоих концов проводниковой цепью в ней будет обнаружен
ток соответствующего направления. При электропровод-
ности пластинки полупроводника типа и горячий конец
будет заряжен отрицательно по сравнению с холодным
концом, что отразится на направлении тока в электрической
цепи, соединяющей оба конца (рис. 7-3).
Рис. 7-3. Термический метод определения типа электропроводности
полупроводников.
Из особенностей электропроводности полупроводников
вытекает ряд важных закономерностей. С увеличением тем-
пературы проводимость полупроводников увеличивается,
что объясняется увеличением концентрации носителей тока,
так как с увеличением температуры существенно облегчается
278
переброс электронов из занятой зоны в незанятую акцептор-
ной примеси или из занятой зоны донорной примеси в основ-
ную незанятую зону. Зависимость проводимости полупро-
водников от температуры может быть характеризована той
же формулой, что и диэлектриков (2-30).
Проводимость полупроводников зависит от напряжен-
ности электрического поля, причем эта зависимость обна-
руживается при значениях напряженности, очень малых
по сравнению с теми значениями, которые наблюдаются
в твердых диэлектриках по закону Френкеля. Для некото-
рых полупроводников справедливо уравнение
у = у0^£. (М)
где у — проводимость при данной напряженности Е;
у0 — проводимость начальная при такой напряженности,
при которой электропроводность от последней не
зависит;
Р — коэффициент, зависящий от свойств полупровод-
ника.
Увеличение проводимости полупроводника с ростом
напряженности электрического полй вызвано облегчением
переброса электронов тепловым возбуждением или на уровни
акцепторных, или донорных примесей. При достаточно
большой напряженности электрического поля полупровод-
ник теряет свои специфические свойства вследствие разру-
шения его структуры.
Малая ширина запрещенной зоны между основной заня-
той зоной и незанятой зоной акцепторной примеси или между
занятой зоной донорной примеси и незанятой основной зоной
приводит к увеличению электропроводности полупровод-
ников при воздействии на них лучистой энергии. Объяс-
няется это тем, что энергия кванта света-фотона превосходит
ширину запрещенной зоны даже большинства чистых полу-
проводниковых элементов. Зависимость проводимости полу-
проводников от освещенности может быть выражена
формулой
y = kLx, (7-2)
где k — коэффициент, зависящий от свойства полупровод-
ника;
L — освещенность, люксы;
х — коэффициент, зависящий от свойства полупро-
водника, удовлетворяющий условию 1^>х>0.
279
Графическое выражение этой формулы представляет
кривую, повышающуюся с ростом освещенности с явно
выраженной тенденцией к насыщению. Следует отметить,
что степень влияния освещенности на величину проводи-
мости полупроводников находится в зависимости от длины
волны лучевого воздействия. Энергия фотона выражается
уравнением
W = hf, (7-3)
где W — энергия фотона;
h — постоянная Планка;
f — частота.
При световых частотах, т. е. при длинах волн, измеря-
емых микронами, энергия фотона достаточна для возбуж-
дения электрона до степени образования пары электрон —
«дырка». Электроны и «дырки», образовавшиеся под влия-
нием света, называются неравновесными, так как они исче-
зают после прекращения облучения. За время своего сущест-
вования неравновесные носители зарядов под действием
приложенного поля с напряженностью Е успевают пройти
расстояние /ф, называемое длиной затягивания неравновес-
ных носителей. Этот эффект используется в фотосопротив-
лениях. Величина длины затягивания выражается фор-
мулой
1$ — тф&н. н Е, (7-4)
где тф—время жизни неравновесного носителя;
йнн — подвижность неравновесного носителя.
Особенное значение получила в электротехнике односто-
ронняя электропроводность пластинки, состоящей из поло-
винок с разными типами.электропроводности (р и п). На этом
принципе, иллюстрированном на рис. 7-4, основано дейст-
вие полупроводниковых вентильных выпрямителей. Элек-
троды, на которые может быть подана определенная разность
потенциалов, наложены на торцы пластинки (на рис. 7-4
показаны штриховкой). Без создания электрического поля
за счет поданных на электроды потенциалов на границе
между пластинками с разными типами электропроводности
в так называемом р-п-переходе образуется тонкий запор-
ный слой, порядка 10-5 см, через который не проходят ни
электроны, ни «дьфки». Механизм образования этого запор-
ного слоя сводится к следующему физическому процессу.
В пластинке с электропроводностью типа р концентрация
«дырок» больше, чем в зоне с электропроводностью п;
280
в последней имеется повышенная концентрация электронов.
Благодаря этому происходит диффузия «дырок» и электронов
из одной половины в другую, приводящая к появлению отри-
цательного заряда у р-п-перехода в области С р-электро-
проводностью и положительного заряда в области с п-
электропроводностью. Эти заряды создают внутреннее диф-
фузное поле, прекращающее диффузию «дырок» и электронов
через зону действия этого поля — через запорный слой.
При приложении к электродам разности потенциалов такой
Рис. 7-4. Принцип действия полупроводникового выпрямителя.
а — идеальный р-п-переход в отсутствии внешнего напряжения (пунк-
тиром показан запирающий слой); б — идеальный р-/г-переход заперт;
в — через р-п-переход проходит большой прямой ток; г — реальный
р-п-переход заперт, проходит маленький обратный ток за счет неоснов-
ных носителей.
полярности, как на рис. 7-4, б, создаваемое ими поле совпа-
дает с диффузным полем, р-п-переход остается запертым —
ток проходить не будет. При приложении разности потен-
циалов противоположных знаков (рис. 7-4, в) внешнее поле
будет направлено против диффузного, в результате чего
через р-п-переход будут свободно проходить электроны
и «дырки», полупроводник повышает электропроводность —
через пластинку пройдет ток, р-п-переход “будет отперт.
В реальных полупроводниках по сравнению с этой теорети-
ческой картиной будет следующее отличие: благодаря нали-
чию.неосновных носителей (в p-зоне некоторого количества
электронов и в n-зоне некоторого количества «дырок») в запер-
том состоянии через р- n-переход при наличйи разно-
сти потенциалов на электродах будет осуществляться слабое
проникновение электронов и «дырок», будет некоторая оста-
281
точная проводимость, обусловливающая наличие слабого
обратного тока.
При наличии одного р-п-перехода, как показано на
рис. 7-4, получают неуправляемые вентили, при наличии двух
и более связанных между собой переходов получают управ-
ляемые системы — транзисторы.
Технические полупроводники могут быть разбиты на
четыре группы: 1) кристаллы с атомной решеткой (углерод-
графит, кремний, германий) и с молекулярной решеткой
(селен, теллур, сурьма, мышьяк, фосфор); 2) различные
окислы: меди, цинка, кадмия,титана, молибдена, вольфрама,
никеля и др.; 3) сульфиды (сернистые соединения), селениды
(соединения с селеном), теллуриды (соединения с теллуром)
свинца, меди, кадмия и др.; 4) химические соединения неко-
торых элементов третьей группы периодической таблицы
элементов (алюминий, галлий, индий) с элементами пятой
группы (фосфор, сурьма, мышьяк) и некоторые соединения
элементов пятой группы (сурьма) и второй группы (магний,
цинк и др.).
Основные области применения полупроводников: 1) элек-
трические вентили разной мощности на разные частоты
неуправляемые и управляемые — транзисторы; 2) нелиней-
ные сопротивления; 3) термосопротивления — термисторы;
4) фотосопротивления; 5) фотоэлементы; 6) термоэлектри-
ческие генераторы. В зависимости от специфических свойств
полупроводников разных видов они находят преимущест-
венное применение в той или иной области.
7-2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Полупроводниковые вентили разных типов имеют вольт-
амперную характеристику, показанную на рис. 7-5. В пра-
вой части характеристики дана зависимость прямого тока
от напряжения в пропускном (прямом) направлении, соот-
ветствующем рис. 7-4, в. В левой части — зависимость
обратного тока от напряжения в запирающем (обратном)
направлении, соответствующем рис. 7-4, б. Кроме вольт-
амперной характеристики, имеют значение следующие вели-
чины: допустимая плотность тока, коэффициент выпрямле-
ния (отношение прямого тока к обратному), к. п. д., допус-
тимое обратное напряжение, диапазон рабочих температур,
стабильность (отсутствие старения), электрическая емкость
(преимущественно при высоких частотах) и пороговое напря-
жение. Под пороговым напряжением понимается разность
282
потенциалов, необходимая для преодоления разности потен-
циалов диффузного поля. Эта характеристика имеет сущест-
венное значение преимущественно в слаботочных устройст-
вах. Указанные характеристики вентилей находятся в пря-
мой зависимости от свойств полупроводниковых материа-
лов.
Наиболее старыми типами полупроводников для венти-
лей являются медно-закисные (купроксные) и селеновые;
позднее появились германиевые и кремниевые. Основным
элементом медно-закисного вен-
тиля является пластинка очень
чистой меди (содержание Си не
менее 99,98%), на которой путем
специального окислительного
процесса и удаления травлением
верхнего слоя окиси меди СиО
получен слой закиси Cu2O. С
одной стороны пластинка очи-
щается от закиси и к ней при-
паивается электрод; второй элек-
трод наносится прямо на слой
закиси (для выпрямителей мощ-
ностью свыше 200 вт закись
меди оставляют на обеих сторо-
нах пластинки). Наружный слой
закиси, содержащей некоторый
избыток кислорода (около 0,03 %),
обладает дырочной проводи-
мостью; избыточный кислород —
Рис. 7-5. Вольт-амперная ха-
рактеристика полупроводни-
кового вентиля.
акцептор. Запирающий слой образуется между закисью
меди, непосредственно прилегающей к «материнской» меди,
не имеющей избыточного кислорода, и наружным слоем
закиси, содержащей избыток кислорода. Прямое направле-
ние, согласно принципу действия, показанному на рис. 7-4,
соответствует приложению положительного ' потенциала
к слою закиси меди, а отрицательного к медной пластинке.
Запирающий слой с диффузной разностью потенциалов
образуется без приложения напряжения извне. Из отдель-
ных пластин-шайб — собираются целые столбики, которые
могут использоваться в разных измерительных схемах и при-
борах. В связи с малыми допустимыми плотностями тока
меднозакисные вентили не применяются как силовые.
Для селеновых вентилей применяется возможно более
чистый селен, содержащий селена свыше 99,99%, так как
283
от степени чистоты очень сильно зависят такие характерис-
тики, как плотность тока, обратное напряжение и др. Селен
может быть кристаллическим и аморфным. В производстве
полупроводниковых вентилей используется кристалличес-
кая модификация с температурой плавления 220° С. Роль
акцепторной примеси исполняют собственные атомы, не
вошедшие в кристаллическую решетку. Запирающий слой
в виде селенида кадмия образуется при формовании у под-
ложки. Благодаря повышенным плотности тока и более
широкому диапазону рабочих температур селеновые вёнтили
в отличие от меднозакисных применяют в промышленных
устройствах: для зарядки аккумуляторов, в гальваноцехах
и пр. Меднозакисные и селеновые вентили боятся влаги,
поэтому их или покрывают защитным лаком, или помещают
в герметические корпуса (меднозакисные вентили).
При чрезмерно высоком обратном напряжении происхо-
дит пробой полупроводникового слоя. Меднозакисные вен-
тили при этом выходят из строя, а селеновые часто самовос-
станавливаются за счет оплавления места пробоя аморфной
модификацией селена, являющейся диэлектриком.
В меднозакисных и селеновых вентилях используются
полупроводники в поликристаллическом виде, в то время
как в германиевых и кремниевых используют полупровод-
никовые монокристаллы, что улучшает процессы, происхо-
дящие в р- n-переходе. Благодаря этому германиевые и крем-
ниевые вентили обладают гораздо более высокими характе-
ристиками. Аморфная разновидность кремния не приме-
няется как полупроводниковый материал. Германиевые
вентили раньше кремниевых нашли широкое промышлен-
ное применение, что связано с более простой технологией
получения монокристаллов германия, хотя и она связана
с немалыми трудностями.
Имеет значение разница в температуре плавления: у гер-
мания 958°С, у кремния — 1 415°С; в расплавленном состо-
янии кремний соединяется почти со всеми химическими
элементами, что также вызывает определенные технологи-
ческие трудности.
Однако в силу ряда преимуществ, особенно для техники
сильных токов, кремниевые вентили находят все более широ-
кое применение в промышленности.
Исключительно большое значение имеет чистота мате-
риалов для изготовления вентилей. Для характеристики
этого положения приведем следующий пример: удельное
сопротивление германия равно 50 ом • см при содержании
284
примесей в количестве один атом на 1,5 млрд, атомов герма-
ния, причем обратное напряжение достигает 500 в; при уве-
личении содержания примесей до 100 атомов на 1,5 млрд,
атомов германия удельное сопротивление падает до 0,5ом-см,
а обратное напряжение до 10—12 в. Обычные металлурги-
ческие приемы получения чистых материалов, например
многократная перекристаллизация, так же как и химичес-
кие способы очистки, не дают нужных результатов.
Отличительные особенности современной технологии
получения полупроводниковых монокристаллов германия
и кремния сводятся к двум операциям: очистке методом
зонной плавки и выращиванию монокристаллов. Сущность
Рис. 7-6. Схема устройства для зонной плавки.
1 — кварцевая труба; 2 — витки контура высокочастотного
генератора; 3 — слиток очищаемого германия; 4 — графитовая
лодочка; 5 — зоны плавки; 6 — каретка с витками.
очистки при зонной плавке заключается в том, что в зоне
расплава большинство примесей перемещается в направле-
нии к холодному месту слитка; при медленном перемещении
зоны плавки вдоль бруска очищаемого материала примеси
сосредотачиваются в одном конце и удаляются после плавки
и охлаждения обрезкой. Зонная плавка германия произво-
дится в графитовых лодочках, которые помещаются в квар-
цевые трубы, через них все время пропускается инертный
газ, во избежание окисления графита. Вокруг кварцевой
трубы расположены витки индукционного обогрева, обра-
зующие в слитке узкие зоны плавления, перемещение кото-
рых вдоль слитка производится медленным (около 1 мм/мин)
продвижением специальной каретки, на которой укреплены
витки. Принцип действия устройства для зонной плавки
виден из рис. 7-6. После зонной плавки слитки имеют еще
поликристаллическую структуру. Монокристаллы герма-
ния получают путем вытягивания из расплава. Сущность
способа заключается в следующем: в расплав германия,
285
находящийся в вакуумной камере, при остаточном давлении
около 10~5 мм рт, ст,, опускают стержень с частицей чистого
германия — затравкой — на конце; после частичного оплав-
ления затравки происходит подъем стержня из расплава со
скоростью, соответствующей росту кристалла на конце за-
травки; получается монокристаллический германиевый стер-
жень, из которого можно вырезать пластинки нужной тол-
щины.
Таким способом получают монокристаллические ртержни
германия диаметром более 100 мм. В монокристаллах,
несмотря на предшествующую вытягиванию зонную плавку,
остается некоторое количество
примесей, неравномерно рас-
пределенных по длине — верх-
няя часть содержит меньше
примесей, чем нижняя. Вслед-
ствие этого удельное объемное
сопротивление по мере отда-
ления от затравки снижается.
Представление об этом дает
график на рис. 7-7. Готовые
монокристаллы режут на тон-
кие диски. В процессе вытяги-
вания монокристалла можно
Рис. 7-7. Распределение удель-
ного сопротивления по длине
монокристалла германия.
вводить в расплав точно дози-
руемые количества тех или иных примесей, получая при
этом конечный продукт с определенным типом проводимости
заданной величины.
Основные принципы получения монокристаллов крем-
ния аналогичны технологии изготовления монокристаллов
германия. В связи со способностью кремния реагировать
с углеродом применение'при его зонной плавке графитовых
лодочек исключено. Используются специальные устройства,
без лодочек, в которых очищаемый слиток расположен вер-
тикально. Это возможно благодаря большому поверхност-
ному натяжению расплавленного кремния, вследствие чего
в зонах плавления не происходит разрыва подвешенного
вертикально стержня. В табл. 7-2 даны для сравнения неко-
торые свойства германия и кремния.
На рис. 7-8 показана зависимость удельного сопротивле-
ния кремния от концентрации разных носителей тока: элект-
ронов и дырок. Здесь выражена общая для полупроводников
закономерность — большая зависимость сопротивления от
концентрации примесей.
286
Таблица 7-2
Некоторые свойства германия и кремния
Характеристика Германий Кремний
Плотность при 20° С, г/см3 5,3 2,3
Собственное удельное сопротивление при 20° С, ом • см 68 ~ 200 000
Собственная концентрация основных носи- телей, СМ~* 2,5.1018 ~ 1010
Подвижность электронов, см21в • сек 3 900 1 400
Подвижность дырок, см2\в • сек 1 900 500
Диэлектрическая проницаемость 16 15
Германиевые и кремниевые полупроводники находят
сейчас очень широкое применение в высокочастотной тех-
нике и при промышленной частоте, в частности в качестве
Рис. 7-8. Зависимость удельного сопротив-
ления кремния от концентрации примесей.
prt — при электронной проводимости; рр — при
дырочной проводимости. р
выпрямителей — вентилей неуправляемых и управляемых.
Благодаря своим свойствам германий и кремний допускают
изготовление вентилей с большими плотностями тока и обрат-
ными напряжениями, с высоким к. п. д., порядка 98%.
К числу существенных недостатков германиевых вентилей
относится невысокая рабочая температура; рабочий диапа-
287
зон от —50° С до +70° С; при длительном воздействии тем-
пературы выше +60° С в вентилях проявляется тепловое
старение, приводящее к ухудшению электрических характе-
ристик; при низкой температуре наблюдается значительное
понижение обратного сопротивления. Кремниевые выпрями-
тели могут работать при температуре до 200° С. С точки
зрения работы при высоких частотах кремниевые диоды
имеют перед германиевыми преимущества, заключающиеся в
большей чувствительности к слабым сигналам (пороговое
напряжение у первых 0,01 в, у вторых от 0,1 до 0,25 в).
Характеристики кремниевых вентилей, возможность полу-
чения больших выпрямленных мощностей в установках
малых габаритов, особенно при использовании искусствен-
ного охлаждения, делают их исключительно перспектив-
ными. Поскольку кремний и германий являются элементами
четвертой группы таблицы Менделеева, дырочная проводи-
мость в них создается примесями элементов третьей группы,
а электронная — элементов пятой группы. Для кремниевых
полупроводников часто применяют алюминий, бор, для гер-
маниевых — индий, в качестве акцепторной примеси, мышь-
як,сурьму (элементы пятой группы) в качестве донорных при-
месей. Нелинейные сопротивления — варисторы — отлича-
ются большой зависимостью сопротивления от напряжения,
благодаря чему ток растет нелинейно с ростом напряжения.
Для нелинейных сопротивлений зависимость тока от напря-
жения выражается уравнением
/ = kU«, (7-5)
где k — коэффициент, зависящий от качества материала
и размера дисков;
а — коэффициент нелинейности, зависящий от качества
материала.
Основным материалом для получения нелинейных сопро-
тивлений является карбид кремния (SiQ, получаемый при
нагревании смеси кварцевого песка и угля до температуры
около 2 000° С, под названием электрокорунда. Диски,
спеченные из массы, состоящей из порошка карбида крем-
ния, графита и жидкого стекла используют для высоко-
вольтных вентильных разрядников, защищающих аппара-
туру линий электропередачи от перенапряжений.
В слаботочной и высокочастотной технике используют
нелинейные сопротивления для стабилизации напряжения,
искрогашения, регулирования числа оборотов двигателей
и других целей.
283
У монокристаллов карбида кремния при 20° С ширина
запрещенной зоны 2,8—3,1 эв, подвижность электронов
от 60 до 100 смЧв • сек, количество «дырок» — до 10. Ширина
запрещенной зоны при 500° С составляет 2,66 эв. Плоскост-
ные р-п-переходы на монокристаллах карбида кремния по-
зволяют получить выпрямители на рабочие температуры
до 600° С.
Термосопротивления или термисторы, отличающиеся
большой абсолютной величиной отрицательного темпера-
турного коэффициента сопротивления, изготовляют на ос-
нове некоторых окислов, в частности меди, марганца, кобаль-
та, железа, цинка. Чаще всего используют смеси нескольких
окислов, так как при этом удается получить требующиеся
свойства. Сами материалы для термисторов изготовляют
в виде шайб, стерженьков, бусинок методом керамической
технологии: подготовка (измельчение) компонентов, приго-
товление соответствующей смеси, прессование заготовок и
их обжиг. Естественно, что свойства таких материалов зави-
сят не только от рецептуры и чистоты компонентов, но и от
степени измельчения, усилия прессования, режима обжига.
В качестве примеров термисторных материалов можно ука-
зать на составы из смеси окислов меди и марганца (приме-
няются для изготовления серийных термисторов типа ММТ),
окислов кобальта и марганца (для типа КМТ). В зависи-
мости от соотношения окислов меди СиО и марганца Мп3О4
материалы имеют удельное сопротивление от 102до 105om<cm.
Для изготовляемых из этих окислов термисторов ММТ рабо-
чая температура не должна превышать 120° С. Температур-
ный коэффициент сопротивления термисторов ММТ лежит
в пределах от—0,024 до —0,034 Иград, у сопротивлений
КМТ он лежит в пределах от —0,045 до —0,06.
В качестве материала для термосопротивлений приме-
няют и чистую окись марганца. Существенными характе-
ристиками термисторов являются также постоянная вре-
мени и коэффициент рассеяния мощности. Постоянная вре-
мени определяется из уравнения
^окр = (^О ^окр) £ Т° » (7’6)
где t — температура термосопротивления;
/окр — температура окружающей среды;
t0 — начальная температура термосопротивления;
т — время;
т0 — постоянная времени.
10 Ю. В. Корицкий
289
Постоянная времени у негерметизированных сопротив-
лений ММТ и КМТ одинакова и равна 85 сек, у герметизи-
рованных — 115 сек. Коэффициент рассеяния мощности,
т. е. рассеиваемая сопротивлением мощность при подъеме
его температуры на Iе С лежит в пределах 2—5 мет.
Для фотосопротивлений и фотоэлементов применяются
полупроводниковые материалы, сопротивление которых
сильно зависит от освещенности. К их числу относятся:
сульфиды, селениды и теллуриды, т. е. соединения серы,
селена и теллура с разными металлами, в частности со свин-
цом, медью, кадмием и др. Находят применение германий
и кремний. Определяющей характеристикой фотосопротив-
ления является удельная чувствительность
/*
&ф = ф77> мка/лм в, (7-7)
где /ф — световой ток, мксг,
Ф — световой поток, лм, определяемый как освещен-
ность, умноженная на величину освещенной поверх-
ности;
U — приложенная разность потенциалов.
Световой ток определяется как разность между суммар-
ным током, устанавливающимся в данном сопротивлении
в освещенном состоянии, и темновым током, устанавлива-
ющимся при отсутствии освещения,
/Ф = /с - Л, (7-8)
где /с — суммарный ток;
/т — темновой ток.
Фотосопротивления характеризуются также зависимо-
стью светового тока от длины световой волны. Кривые
спектральной чувствитель-
К
э.д.с.
I
ности, т. е. зависимости от-
носительной спектральной
чувствительности от длины
волны, обычно имеют мак-
симум.
Действие фотоэлементов
основано на появлении
Рис. 7-9. Схематический разрез се-
ленового фотоэлемента.
1 — металлическая подкладка; 2 — слой
селена; 3 — запорный слой; 4 — полу-
прозрачный золотой электрод.
фото- э. д. с., так называе-
мом вентильном фотоэф-
фекте, сущность которого
заключается в следую-
щем. Под влиянием погло-
290
щения световой энергии в полупроводнике будут возникать
неосновные носители, электроны и «дырки», которые будут
переноситься через имеющийся в фотоэлементе запорный
слой, создавая на электродах фото-э. д. с. Одновременно
с ростом концентрации электронов в n-зоне и «дырок» в
p-зоне будет усиливаться создаваемое ими внутреннее поле
обратного знака; таким образом установится равновесная
концентрация зарядов. Широко применяемый селеновый
фотоэлемент устроен следующим образом: на металлический
электрод нанесен слой селена, сверху которого расположен
запорный слой р-п-перехода, покрытый тонким слоем золота,
образующим полупрозрачный электрод, пропускающий
внешний световой поток. На этом электроде под влиянием
освещения создается отрицательный, а на нижнем — поло-
жительный заряды (рис. 7-9). Чувствительность селеновых
фотоэлементов составляет 500 мка/лм, серноталлиевых —
до 10 000 мка!лм при э. д. с. в 200 мв при освещенности
элемента 800 лк.
В последнее время находят применение так называемые
солнечные кремниевые батареи фотоэлементов, преобра-
зующие энергиюсолнечного света в электрическую. Электро-
движущая сила одного элемента достигает 0,5 в; при опре-
деленном нагрузочном сопротивлении от одного элемента
можно получить около 6 мвт/см2 при к. п. д. 6—10%.
С сульфидом кадмия можно получить к. п. д. до 18%.
Теоретически подбирая соответствующие элементы, можно
получить к. п. д. до 50%. Электроэнергия солнечных бата-
рей может быть использована в дневное время для зарядки
аккумуляторов. Солнечные батареи применяются в качестве
источников электроэнергии в космических устройствах.
Фотоэлементы широко используются в различных автома-
тических устройствах, телевидении, звуковом кино.
10
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
глава
восьмая
8-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
По особенностям магнитных свойств все материалы и вещества мо-
гут быть разделены на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
Парамагнетики отличаются тем, что при помещении их в магнитное поле
они усиливают его внутри себя вследствие совпадения их намагничи-
вания с направлением внешнего поля. Диамагнетики ослабляют внутри
себя магнитное поле, действующее извне, вследствие того что их намаг-
ничивание направлено против внешнего поля. К диамагнетикам отно-
сятся медь, золото, серебро, цинк и др.
Магнитные свойства материалов связаны с вращением электронов
в атомных ядрах. Электроны, вращающиеся в атоме, являются элемен-
тарными магнитиками данного тела. В парамагнитных телах внешнее
магнитное поле усиливается внутренними элементарными магнитиками,
в диамагнитных — ослабляется. Намагниченность данного тела под
влиянием внешнего магнитного поля можно характеризовать уравне-
нием
J — (8-1)
где J — намагниченность (интенсивность намагничивания);
kM — магнитная восприимчивость, являющаяся характеристикой
материала;
Н — напряженность магнитного поля.
Практически очень важной характеристикой магнитных материа-
лов, работающих в переменных электромагнитных полях, является
магнитная проницаемость, которая может быть выражена через магнит-
ную восприимчивость согласно выражению
И = ka + 1, (8-2)
где |л — магнитная проницаемость.
У диамагнетиков магнитная проницаемость меньше единицы, а у
парамагнетиков не намного больше единицы. У тех и у других магнит-
ная проницаемость не зависит от напряженности внешнего поля. Ферро-
магнетики — материалы, магнитная проницаемость которых значи-
тельно больше единицы и зависит от напряженности магнитного поля.
Эти материалы в электротехнике применяются в качестве магнитных
материалов. К числу ферромагнетиков относятся железо, никель, ко-
бальт и многие их сплавы и соединения; ферромагнитными свойствами
292
обладают также некоторые сплавы и соединения, содержащие алюми-
ний, хром, марганец, медь, серебро.
Для основной характеристики ферромагнетиков в переменных по-
лях обычно пользуются уравнением
В
(8-3)
где В — магнитная индукция.
Напряженность магнитного поля выражают в эрстедах, магнитную
индукцию — в гауссах.
Современная теория ферромагнетизма признает наличие спонтан-
ного (самопроизвольного) намагничивания, под влиянием которого в
ферромагнетиках образуются
особые области — домены, в ко-
торых магнитные моменты элек-
тронов направлены параллельно
друг другу, что соответствует
определенному состоянию на-
магниченности. Магнитные мо-
менты отдельных доменов рас-
положены неупорядоченно,
вследствие чего суммарная на-
магниченность их равна нулю.
При наложении внешнего, даже
слабого, магнитного поля про-
исходит рост доменов, намагни-
Рис. 8-1. Основная кривая индук-
ции и магнитной проницаемости
ферромагнитного материала.
ченность которых совпадает с
внешним полем или близка к на-
правлению внешнего поля, с
одновременным сокращением
размеров доменов, намагничен-
ность которых сильно не совпа-
дает с направлением внешнего
поля. При достаточно сильном
внешнем поле могут иметь место
/ — область самых слабых полей; 2 —
область слабых полей; 3 — область
средних полей; 4 — область сильных
полей.
повороты векторов намагниченности некоторых доменов до их полного
совпадения с направлением внешнего поля. В сильных полях завер-
шаются рост доменов и повороты их векторов намагниченности, вслед-
ствие чего усиление внутреннего магнитного поля с ростом напряжен-
ности внешнего поля ослабевает, наступает магнитное насыщение.
Описанный выше процесс находит свое отражение на кривой намагни-
чивания, представляющей собой зависимость магнитной индукции в ма-
териале от напряженности магнитного поля (рис. 8-1). Из рассмотрения
этой кривой видно, что магнитная проницаемость с ростом напряжен-
ности магнитного поля проходит через максимум.
В области очень слабых магнитных полей (участок /, рис. 8-1)
магнитная индукция растет линейно с ростом напряженности, магнит-
ная проницаемость остается постоянной; это так называемая начальная
магнитная проницаемость. Эта область намагниченности используется
обычно в технике слабых токов (нелинейная зависимость между магнит-
ной индукцией и напряженностью поля приводит к искажению переда-
ваемых сигналов). В области слабых полей (участок 2) магнитная про-
ницаемость резко возрастает и проходит через максимум. В первой
части этого участка рост магнитной индукции происходит почти верти-
кально. В области средних полей (участок <?) происходит лишь слабое
293
увеличение магнитной индукции вследствие падения величины магнит-
ной проницаемости. В области сильных полей (участок 4) рост магнит-
ной индукции происходит очень замедленно, по пологой прямой. К числу
ферромагнитных материалов по величине магнитной проницаемости
можно отнести магнитные полупроводники — ферриты, физическая
природа магнетизма которых несколько отличается от природы магне-
тизма обычных ферромагнетиков, но по основным техническим свойст-
вам они во многом схожи друг с другом. При циклическом изменении
силы магнитного поля от 0 до + Ях, от + Н± до —.Ях и снова до + Ях
кривая изменения индукции примет форму замкнутой кривой — петли
гистерезиса. При увеличении значения Hi получим серию заключен-
ных друг в друге петель гистерезиса, пока не дойдем до предельного
значения, которое является важной практической характеристикой
Рис. 8-2. Разные типы петель гистерезиса.
1 — магнитно-мягкий материал, электротехническая кремнистая сталь; 2 —
магнитно-мягкий материал — пермаллой; 3 — магнитно-твердый материал.
магнитного материала. На рис. 8-2 показаны типичные петли гистере-
зиса для важнейших магнитных материалов. Для всех этих петель ха-
рактерно следующее: при снижении напряженности магнитного поля
от + Я до 0 магнитная индукция еще не равна нулю, она имеет неко-
торое остаточное значение Вг; для доведения остаточной индукции до О
необходимо довести силу магнитного поля до значения — Яс, называе-
мого коэрцитивной силой. При доведении силы поля сначала до значе-
ния — Я, а потом до 0 снова наблюдается отставание магнитной индук-
ции, остаточное значение которой будет равно — Вг\ оно может быть
доведено до 0 при приложении напряженности, равной + Яс. Цикли-
ческое перемагничивание материала происходит с определенной потерей
энергии, ее рассеивании внутри материала в виде выделяющегося тепла.
Потери на один цикл перемагничивания пропорциональны площади
петли гистерезиса, зависят от качества материала. При работе в пере-
менном поле потери от гистерезиса,выражаемые обычно в ваттах на 1 кг,
прямо пропорциональны частоте. В переменном магнитном поле внутри
магнитного материала индуцируются вихревые токи (токи Фуко), кото-
рые также являются причиной рассеивания энергии, причиной допол-
нительных потерь. Потери от вихревых токов прямо пропорциональны
квадрату частоты, квадрату толщины и обратно пропорциональны
удельному электрическому сопротивлению.
294
Поэтому сердечники магнитов, работающих в переменных полях,
обычно собирают из тонких листов, разделенных друг от друга электро-
изоляционной прослойкой: слоем лакового покрытия, тонкой бумагой, а
иногда и просто окалиной.
На величину потерь оказывает влияние и величина индукции:
потери от гистерезиса при индукциях до 1 000 гс можно считать
пропорциональными индукции В, в пределах от 1 000 до 10 000 гс —
пропорциональными В1*6, и при индукции выше 10 000 гс — пропор-
циональными квадрату и даже более высокой степени индукции (до В3).
Потери от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции.
В силу изложенного для магнитов, работающих в переменных
полях, применяют те материалы, которые имеют узкие петли гис-
терезиса, так называемые материалы магнитно-мягкие. В отличие от
них материалы с широкой петлей гистерезиса, называют магнитно-
твердыми и применяют для изготовления постоянных магнитов.
При температуре выше определенного значения, называемого точ-
кой Кюри, магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства.
Для разных материалов точка Кюри имеет разные значения, являясь
характеристикой магнитного материала. Магнитные свойства ферромаг-
нетиков в виде монокристаллов различны в разных направлениях.
В поликристаллических материалах, каковыми являются обычно тех-
нические ферромагнетики, магнитная анизотропия имеет место за счет
условий обработки, например прокатки.
Магнитная анизотропия является причиной магнитострикции —
изменения размеров при намагничивании. Характеристикой магнито-
стрикции материала является константа магнитострикции Xs, выражае-
мая следующей формулой:
= (8-4)
где AZ — увеличение (или уменьшение) длины образца I в направлении
поля Н при увеличении напряженности поля от нуля до ве-
личины, вызывающей техническое насыщение.
Константа магнитострикции может быть положительной и отрица-
тельной.
Магнитно-мягкие материалы применяются в производстве электри-
ческих машин, трансформаторов, различных аппаратов и приборов.
Магнитно-твердые материалы применяются в некоторых машинах
малой мощности, в разных приборах и аппаратах для изготовления
постоянных магнитов, создающих собственное магнитное поле.
8-2. МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Практическое применение имеет целый ряд магнитно-
мягких материалов, так как в зависимости от условия при-
менения к ним предъявляются разные требования.
Технически чистое железо находит широкое применение
в аппарате- и приборостроении в качестве сердечников
и полюсных башмаков электромагнитов, магнитопроводов
и деталей реле, измерительных приборов, мембран в теле-
фонии, магнитных экранов и пр.
295
Магнитные свойства железа (как и других ферромагнит-
ных материалов) зависят от следующих факторов: 1) ориен-
тировки кристаллических осей отдельных кристаллов отно-
сительно направления намагничивания (так называемой
текстуры); 2) наличия примесей (особенно вредными явля-
ются примеси не образующие твердых растворов); 3) вели-
чины зерен (кристаллов); 4) искажений кристаллической
решетки пластическими деформациями.
Хорошая текстура повышает магнитную проницаемость,
снижает потери в направлении ориентации кристаллических
осей. Наиболее вредной примесью является углерод, резко
увеличивающий коэрцитивную силу и потери на гистерезис.
Кремний оказывает вредное влияние только на очень чистое
железо; при наличии в железе кислорода примесь кремния
полезна, так как кремний, действуя как раскислитель,
способствует росту зерен. С увеличением размеров зерен
улучшаются магнитно-мягкие свойства железа. Искажение
кристаллической решетки за счет пластической деформации,
вызванной механическими воздействиями — наклеп ухуд-
шает магнитно-мягкие свойства. Снятие наклепа, восстанов-
ление исходных свойств, осуществляются при отжиге. Тех-
нически чистое железо содержит в себе некоторое количество
примесей.При содержании углерода менее 0,1 % и выплавке в
мартеновских или электрических печах сталь называют низ-
коуглеродистой электротехнической сталью. При особо низ-
ком содержании углерода и применении электролитического
или карбонильного процесса, а также при прямом восста-
новлении из особо чистых руд за материалом сохраняется наз-
вание «железо». Согласно ГОСТ 3836-47 низкоуглеродистые
стали марок Э, ЭА, ЭАА должны иметь следующие характе-
ристики (соответственно): коэрцитивная сила (не более) 1,2;
1,0 и 0,8 э; максимальная магнитная проницаемость (не
менее) 3 500; 4 000; 4 500.
Листы из низкоуглеродистой стали и железа выпускают
толщиной 0,2—4 мм. Получение армко-железа с содержа-
нием углерода 0,025% требует применения специальной
технологии: оно получается при кипении металла,что приво-
дит к повышению содержания кислорода, вследствие чего
оно по своим магнитным свойствам мало отличается от стали
марки ЭАА. Электролитическое железо, получаемое путем
электролиза раствора хлористого или сернокислого железа,
отличается высокой степенью чистоты и высокой магнит-
ной индукцией, но в силу высокой стоимости не нашло
широкого применения.
296
Карбонильное железо получают при термическом раз-
ложении пентакарбонила железа согласно реакции Fe(CO)5 —
= Fe + 5СО. Карбонильное железо находит сравнительно
широкое применение для получения магнитодиэлектриков,
а также изделий методом металлокерамики и в виде листов.
Низкоуглеродистая электротехническая сталь и железо
для получения хороших магнитных свойств подвергаются
отжигу в водороде или вакууме по режиму, зависящему от
задачи, преследуемой отжигом: снятие наклепа, увеличение
размеров зерен, добавочное рафинирование.
Магнитные свойства электролитического и карбониль-
ного железа даны в табл. 8-1.
Таблица 8-1
Свойства электролитического и карбонильного железа
Материал э Магнитная проницаемость
начальная максимальная
Электролитическое железо (после переплавки в вакууме и последующего отжига) . . Карбонильное железо 0,36 0,08 500 2 000—3 000 15 000 20 000—21 500
Малоуглеродистая электротехническая сталь и железо
имеют сравнительно низкое удельное сопротивление; напри-
мер, у электролитического железа оно равно 0,1 ом • мм2/м.
В силу этого в указанных материалах при больших индук-
циях в переменных полях возникают большие потери на вих-
ревые токи, что ограничивает их область применения пре-
имущественно слабыми магнитными полями. Достигнутые
магнитные характеристики не являются предельными для
малоуглеродистой вакуумной стали и железа. Применение
многократной вакуумной переплавки, рафинирование в
водороде при температуре, близкой к точке плавления,
выращивание крупных зерен — все это способствует уве-
личению магнитной проницаемости. Но эти же мероприятия
приводят к уменьшению удельного сопротивления, что при-
водит к увеличению потерь от вихревых токов. Можно
сказать, что целесообразность применения улучшенного
технически чистого железа лимитируется потерями.
В сравнительно сильных переменных магнитных полях
в трансформаторах всех типов, электрических машинах,
дросселях, в различных электромагнитах, реле, приборах
297
широко применяется листовая и ленточная электротехни-
ческая сталь, легированная кремнием. Кремний, вводимый
в сталь в количестве 0,8—4,8%, образует с железом
твердый раствор и резко повышает удельное сопро-
тивление благодаря чему снижаются потери от вихревых
токов. Наличие кремния сказывается благоприят-
но и на других магнитных свойствах: снижаются потери
на гистерезис, увеличивается магнитная проницаемость в
слабых и средних полях, снижается магнитострикция.
Кремний вводят в сталь в виде ферросилиция, содержа-
щего минимум углерода. Кремний является полезной
присадкой и с чисто технологической точки зрения:
он хороший раскислитель, улучшает структуру, связывая
часть растворенных газов и переводя кислород в прочные,
не восстанавливаемые углеродом окислы, что благоприят-
но сказывается на магнитно-мягких свойствах. Добавки
кремния способствуют переводу углерода из более вредной
формы цементита в менее вредную форму графита.
Введение в малоуглеродистую сталь кремния увеличи-
вает ее твердость, предел прочности при растяжении, но
придает хрупкость. В связи с этим электротехническая
кремнистая сталь испытывается на гибкость путем перегиба
стальной полоски в тисках на 180°. О гибкости судят по
количеству перегибов, выдерживаемых пластинкой без из-
лома. Естественно, что число перегибов зависит от толщины
листов, которая лежит по ГОСТ для разных марок в преде-
лах 0,1—1,0 мм. В табл. 8-2 даны требования минимального
числа перегибов при испытании на гибкость для электро-
технической стали согласно ГОСТ 802-58.
Обозначения марок расшифровываются следующим
образом: буква Э обозначает электротехническая сталь,
цифры 1, 2, 3 и 4 на первом месте после буквы Э обозначают
степень легирования кремнием, а именно: 1 — слаболеги-
рованная сталь с содержанием кремния в пределах 0,8—
1,8%, имеющая удельное объемное сопротивление
0,2 ом • мм2/м\ - 2 — среднелегйрованная с содержанием
кремния в пределах 1,8—2,8% и 0,40 ом • ммг/м; 3 —
повышеннолегированная сталь с содержанием кремния
в пределах 2,8—3,8% и 0,50 ом • мм2/м\ 4 — высоколеги-
рованная сталь с содержанием кремния 3,8—4,8% и
0,60 ом • мм2/м. Вторые цифры (от 1 до 8) указывают
на важнейшие магнитные свойства: 1 — нормальные удель-
ные потери, в ваттах на 1 кг; 2 — пониженные потери;
3 — низкие потери; буква А — особо низкие потери; 4—
293
Таблица 8-2
Минимальное число перегибов на 180° для электротехнической
стали
Марка стали Номиналь- ная толщина листа, мм Количество перегибов, не менее
ЭИ; Э12 1,00 7,0
ЭИ, Э12, Э13, Э21, Э22 0,50 10,0
Э31, Э32 0,50 4,0
Э41, Э42, Э43, Э43А 0,50 1,0
Э31, Э32 0,35 5,0
Э41, Э42, Э43, Э43А, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48 0,35 1,5
Э45, Э46, Э47, Э48 0,20 2,0
Э44 0,20 2,0
Э44 0,10 4,0
Э1100, Э1200, Э1300 0,50 10,0
Э3100, Э3200 0,50 5,0
Э310, Э320, ЭЗЗО, Э370, 380 0,50 2,0
Э310, Э320, ЭЗЗОА, Э370, Э380 0,35 3,0
Э340, Э370, Э380 0,2 4,0
гарантированные значения потерь при частоте 400 гц и маг-
нитной индукции в средних по силе полях (от 0,03до 10а/см);
5 — гарантированное значение магнитной проницаемости
в слабых магнитных полях (от 0,002 до 0,008 а/см)\ 6—
гарантированное повышенное значение магнитной проница-
емости в слабых магнитных полях; 7 —- гарантированное
значение магнитной проницаемости в средних по силе маг-
нитных полях; 8 — гарантированное повышенное значение
магнитной проницаемости в средних по силе магнитных
полях. Третья цифра 0 означает холоднокатаную текстуро-
ванную сталь; третья и четвертая цифры 00 означают холод-
нокатаную малотекстурованную сталь.
Прогрессивной изоляцией для кремнистой стали явля-
ется химическим способом наносимый фосфатный слой,
который не повреждается при высокотемпературном отжиге
отштампованных деталей.
Применение листовой электротехнической стали пони-
женной толщины сказывается благоприятно на снижении
потерь от вихревых токов. Стали тоньше 0,1 мм очень
дороги и нестандартизованы; их применение оправды-
вается лишь при повышенной частоте, гем более что при
малых толщинах с уменьшением толщины практически
приходится сталкиваться с увеличением потерь от гисте-
резиса. В хорошей высококремнистой стали потери от вих-
299
ревых токов при частоте 50 гц и индукции 10 000 гс состав-
ляют не более 25—30% от общих потерь. При 400 гц потери
от гистерезиса и вихревых токов у сталей толщиной 0,35
и 0,075 мм практически равны, а при 800—1 000 гц более
тонкая сталь уже имеет явные преимущества по потерям
в сравнении с более толстой. В табл. 8-3 даны требования
ГОСТ 802-58 по величине потерь некоторых марок электро-
технической стали.
Таблица 8-3
Удельные потери электротехнической стали
при частоте 50 гц
Марка стали Номинальная толщина листа, мм Удельные потери, вт/кг Марка стали Номинальная толщина листа, мм Удельные потери, 'вт!кг
при 10000 гс при 15000 гс при 10 000 гс при 15 000 гс
ЭН 1,о 5,8 13,4 Э43А 0,35 0,9 2,2
Э12 1,0 5,5 12,5 ЭНОО 0,5 3,3 7,5
ЭН 0,5 3,3 7,7 эзюо 0,5 1,7 3,7
Э12 0,5 3,2 7,5 эзю 0,5 1,1 2,45
Э22 0,5 2,2 5,3 Э310 0,35 0,8 1,75
Э43 0,5 1,25 2,9 эззо 0,35 0,6 0,30
Э43А 0,5 1,15 2,7 ЭЗЗОА 0,35 0,5 1,1
Примечание. Потери нетекстурованной и малотекстурованной стали
даны для образцов, не отожженных после нарезки, текстурованной — после отжига.
Для сталей марки Э44 толщиной 0,35; 0,20 и 0,1 мм
при 400 гц и 1 000 гс удельные потери должны быть соот-
ветственно не более 19,0; 12,5 и 10,5 вт/кг, а для стали Э34А
при тех же условиях и толщине 0,20 мм — 12,0 вт/кг.
У кремнистой электротехнической стали разных ма-
рок величина магнитной проницаемости может меняться
в довольно широких пределах. У высококачественных
сталей начальная магнитная проницаемость достигает зна-
чений 600—800, максимальная доходит до 20 000.
В связи с известным ухудшением магнитных свойств
листовой стали от механической обработки (резка, штам-
повка) готовые детали рекомендуется для снятия наклепа
подвергать термообработке — отжигу с защитой от окис-
ления.
Окалина, образующаяся при отжиге травленых после
прокатки листов, имеет довольно большое удельное сопро-
300
тивление, достаточное для изоляции от вихревых токов
при индукциях порядка 10—12 кгс.
Длительное тепловое старение листовой электротехни-
ческой стали вызывает некоторое увеличение потерь,
поэтому ГОСТ 802-58 предусматривает проверку на старе-
ние для разных марок при температуре 120—150° С
в течение 170 ч. Допустимое увеличение потерь установлено
в пределах от 3 до 9% (в зависимости от степени легирования
стали кремнием).
У листовых и ленточных материалов магнитная Прони-
цаемость вдоль направления прокатки листов несколько
больше, чем в поперечном направлении. Особенно велика
эта разница у холоднокатаных текстурованных сталей.
Для повышенных частот сейчас применяют сталь сле-
дующих марок: горячекатаная ВПТ (высокой проница-
емости, тонкая) толщиной 0,1 и 0,2 мм, имеющая при 400 гц
и 15 кгс потери 0,5 вт/кг, и ХВП (холоднокатаная высокой
проницаемости), имеющая при 400 гц и 10 кгс удельные
потери 9,0 вт!кг. Изготовляется сталь ХВП толщиной 0,08;
0,15 и 0,20 мм. Введение в кремнистую сталь ванадия,
хрома и алюминия позволяет увеличить удельное сопро-
тивление до 1,3 ом • мм2/м, что снижает потери от вихре-
вых токов и позволяет создавать более экономичные кон-
струкции трансформаторов — снижение габаритов и веса
при прежних значениях мощности.
Хорошим примером металлокерамических магнитно-
мягких материалов могут служить магнитные клинья
для электрических машин, разработанные на основе систем
железо — алюминий и железо — кремний. В первом случае
железо содержится в пределах 82—88%, во втором 93,5—
96%. Полученные клинья имеют достаточно хорошие меха-
нические и магнитные характеристики, в частности: удель-
ная ударная вязкость до 2, 1 кГ • см/см2, максимальная
магнитная проницаемость до 2 300 гс/э.
Для получения больших индукций в слабых магнитных
полях, например, в измерительных трансформаторах, в ряде
приборов применяют особые сплавы, отличающиеся большой
начальной и большой максимальной магнитной проница-
емостью, причем ее максимальное значение достигается
в слабых полях. Классическим сплавом с большой магнит-
ной проницаемостью в слабых полях является железо-нике-
левый сплав — пермаллой. Типичная для него петля гисте-
резиса показана на рис. 8-2. По содержанию никеля пер-
маллой, выпускаемый в промышленном масштабе, можно
301
подразделить на две группы: высоконикелевый и низко-
никелевый (с высоким и сравнительно низким содержанием
никеля). Высоконикелевый пермаллой выпускают в леги-
рованном виде с добавками молибдена, молибдена с медью
или молибдена с хромом, с содержанием никеля до 80%;
низконикелевый пермаллой с содержанием никеля 45 и 50%
выпускается нелегированным, а с несколько меньшим
содержанием никеля — легированным с добавками мар-
ганца, кремния, хрома.
Легированный высоконикелевый пермаллой обладает
высокими значениями начальной и максимальной магнит-
ной проницаемости и большим удельным сопротивлением.
Последнее обстоятельство гарантирует пониженные потери
при высоких частотах, что дает возможность широко исполь-
зовать этот пермаллой (марки 79НМ, 80НХС и 79НМА)
при изготовлении таких изделий, как магнитные усилители,
трансформаторы слабого тока, катушки индуктивности
аппаратуры связи и автоматики, трансформаторы тока
промышленной и звуковой частот; в виде ленты толщиной
несколько микрон легированный высоконикелевый пермал-
лой может быть использован в ряде случаев при высоких
частотах вплоть до радиочастот. Находит он применение
и при постоянном токе. Все пермаллои выпускают в виде
холоднокатаных лент, некоторые марки также в виде
горячекатаных листов и прутков. Характеристики холод-
нокатаных лент из пермаллоев по ГОСТ 10160-62 даны
в табл. 8-4.
Низконикелевый легированный пермаллой (марки
50НХС), содержащий 38—50% никеля, с добавками мар-
ганца, кремния, хрома имеет меньшие значения магнитной
проницаемости, чем легированный высоконикелевый, но его
удельное сопротивление превышает таковое у высоконике-
левого легированного пермаллоя большинства марок. Низ-
коникелевый легированный пермаллой применяют для
изготовления сердечников трансформаторов, катушек индук-
тивности, магнитопроводов приборов и разных аппаратов,
главным образом в телефонии и радиотехнике. При радио-
частотах обычно применяют ленты толщиной от десятков
микрон до нескольких микрон. Низконикелевый нелегиро-
ванный пермаллой выпускают марок 45Н, 50Н, 50НП
и 65НП. Первые два обладают петлей гистерезиса обычного
типа, два последних — петлей прямоугольной формы, что
достигается определенной текстурой вдоль тонкой ленты.
Низконикелевый пермаллой марок 45Н и 50Н обладает
302
высокой индукциеи насыщения по сравнению с другими
видами пермаллоя. Его применяют в качестве сердечников
трансформаторов, дросселей, деталей реле, работающих
с подмагничиванием, полюсных наконечников, магнитных
экранов при слабых постоянных магнитных полях, порядка
десятых долей эрстеда.
Таблица 8-4
Характеристика пермаллоев
Марка сплава Толщина, мм Магнитная проницаемость, гс/э, не менее Нс, э, не более
начальная максимальная
79НМ 1,1—2,5 22 000 130 000 0,02
0,02—0,04 14 000 60000 0,06
80НХС 1,1— 2,5 25 000 150 000 0,015
0,02-0,04 18 000 70 000 0,05
79НМУ 1,1—2,5 25 000 180 000 0,015
0,02—0,04 20 000 100 000 0,03
50НХС 0,55—1,00 3 000 20 000 0,12
0,02—0,04 1500 15 000 0,25
45Н 0,35—2,5 2 800 25 000 0,20
0,02—0,04 1 700 16 000 0,40
50Н 1,1—2,50 2 800 25 000 0,16
0,02—0,04 1 800 20 000 0,30
50НП 0,05 500—1 000 35 000 0,23
0,02 500—1 000 35 000 0,25
65НП 0,35—0,50 500—2 000 300 000 0,03
0,02—0,04 300—1 500 70 000 0,08
Примечание. Для всех марок, за исключением 50НП, указаны только
крайние величины толщины, без промежуточных значений.
При применении железо-никелевых сплавов следует
иметь в виду, что они весьма чувствительны к механической
обработке и удару, и поэтому готовые детали должны
подвергаться отжигу для снятия наклепа. Если после
отжига изделия подвергаются даже слабым механическим
воздействиям (изгибы, легкие удары, зачистка шкуркой),
то это уже вызывает заметное снижение магнитной про-
ницаемости. В наклепанном состоянии железо-никелевые
сплавы имеют магнитные характеристики даже хуже, чем
у технически чистого железа. Поэтому отжигу надо под-
вергать окончательно изготовленные детали; отжиг обычно
ведут при 1 000—1 200° С в среде, защищающей материал
от окисления.
303
Электрическую изоляцию между витками ленточных
сердечников получают обычно путем нанесения огнеупорных
окислов: алюминия, магния, хрома или кремния.
Известен также сплав су пермаллой, состоящий из же-
леза и никеля, легированный молибденом и медью и отли-
чающийся высокой степенью чистоты. Этот сплав обладает
сверхвысокой начальной магнитной проницаемостью, дос-
тигающей значения 100 000.
Положительные результаты показали работы по при-
менению деталей из пермаллоя, полученных по металло-
керамической технологии. Наилучшие образцы с прямо-
угольной петлей гистерезиса при малых потерях получены
также на металлокерамических образцах. Порошкообраз-
ный пермаллой применяют в производстве магнитодиэлект-
риков.
К числу сплавов с большой начальной магнитной про-
ницаемостью относится сплав железа, алюминия и кремния
под названием алсифер. В этом тройном сплаве имеет место
весьма резкая зависимость магнитной проницаемости
от процентного соотношения компонент, что приводит
к большим колебаниям характеристик от партии к партии.
При оптимальном составе начальная магнитная проница-
емость доходит до 35 000, а максимальная до 117 000 при
коэрцитивной силе 0,022 э и удельном сопротивлении
0,81 ом • мм2/м.
Алсифер очень твердый сплав, он не поддается ни ковке,
ни прокатке. Детали из него получают только методом
литья при толщине не менее нескольких миллиметров.
Детали обработке резанием не поддаются. Возможна
только подгонка некоторых размеров шлифованием.
Область применения алсифера: магнитные экраны, корпусы
приборов, машин, аппаратов, детали магнитопроводов
для работы при постоянном или медленно меняющемся
магнитном поле. Алсифер легко измельчается в тонкий
порошок, что позволяет широко использовать его в произ-
водстве магнитодиэлектриков.
В ряде случаев требуется такой магнитный материал,
у которого магнитная проницаемость не зависит от напря-
женности магнитного поля. В частности, этот материал
применяют в некоторых дросселях, трансформаторах тока
с постоянной погрешностью, аппаратуре дальней телефон-
ной связи, высокочастотной телефонии по проводам, неко-
торых измерительных приборах и пр. К таким материалам
относится перминвар — тройной сплав железа, никеля
304
и кобальта. Магнитная проницаемость перминвара остается
практически постоянной до значения напряженности маг-
нитного поля в 1—2 э. Применение перминвара ограничи-
вается технологическими трудностями и высокой стои-
мостью. К числу сплавов, отличающихся известным по-
стоянством магнитной проницаемости в слабых магнитных
полях, относится сплав изоперм, состоящий из железа,
никеля и меди с добавкой алюминия. Применяется он в
производстве высококачественной телефонной аппаратуры,
например,для изготовления сердечников некоторых катушек.
Для сердечников, полюсов магнитопроводов, создающих
в воздушных зазорах достаточно сильное магнитное поле,
например, электромагнитов, осциллографов, магнитоэлект-
рических измерительных приборов, микрофонов и других,
необходим материал с более высокой, чем у электротехни-
ческой стали, индукцией в магнитных полях при 20, 50,
100, 300 э и выше. Такими свойствами обладает железо-
кобальтовый сплав пермендюр, содержащий около 50%
кобальта и 1,8% ванадия. Широко применяется пермендюр
для изготовления мембран телефонов. При толщине 0,2 мм
и напряженности поля 150 э индукция насыщения такого
пермендюра составляет 24 000 гс. В слабых полях пермен-
дюр имеет магнитные свойства более низкие, чем электро-
техническая сталь. К чйслу недостатков пермендюра отно-
сится малое удельное сопротивление, приводящее к боль-
шим потерям, на вихревые токи. Он обладает высокой маг-
нитострикцией.
Температурная погрешность разных электроизмеритель-
ных приборов (гальванометров, счетчиков и др.) зависит
от изменения магнитной индукции магнитопроводов и элект-
рического сопротивления обмоток этих приборов. Эти
погрешности могут быть уменьшены при применении маг-
нитных шунтов из материалов, имеющих в диапазоне темпе-
ратуры от —50 до +50° С резкую зависимость магнитной
индукции от температуры. При этом магнитный поток
с изменением температуры распределяется между шунтом
и основным постоянным магнитом так, что поток в последнем
остается постоянным или. меняется так, что компенсирует
изменение электрического сопротивления обмотки прибора.
Такие термомагнитные сплавы имеют точку Кюри в преде-
лах от 0 до 100° С, что и обеспечивает сильное изменение
магнитной проницаемости с изменением температуры, так
как около точки Кюри имеет место сильное изменение
магнитных свойств.
305
В качестве материалов для термомагнитных шунтов
применяют три вида сплавов: медно-никелевый сплав каль-
маллой, железо-никелевый термаллой и железо-никель-
хромовый компенсатор. К альмаллой, содержащий 30%
мзди, компенсирует погрешности в пределах температуры
20—80° С, а при содержании 40% меди в пределах от — 50
до +10° С. Термаллой имеет два недостатка: резкую
зависимость магнитной проницаемости от состава и необ-
ратимость свойств при охлаждении до —65° С вслед-
ствие фазового превращения — изменения кристаллической
структуры, которое вызывает повышение точки Кюри
до температуры, превышающей 600° С. Одним из лучших
термокомпенструющих сплавов является компенсатор.
У этого сплава магнитные свойства остаются вполне ста-
бильными при изменениях температуры в пределах от —70° С
до +70° С; его магнитные свойства по сравнению с каль-
маллоем и термаллоем мало зависят от колебаний рецептуры,
сплав хорошо обрабатывается ковкой и прокаткой.
Для изготовления сердечников генераторов ультра-
звуковых колебаний, находящих все более широкое при-
менение в разных промышленных технологических про-
цессах, требуется материал с высокой магнитострикцией.
Основным материалом этих сердечников служит чистый
тонколистовой никель, отличающийся большой магнито-
стрикцией.
Особым видом магнитно-мягких материалов, применя-
емых в технике высокочастотной проводной связи и радио-
технике, являются магнитодиэлектрики, изготовляемые
методом прессования из мелко-дисперсного магнитного
порошка с электроизоляционным органическим или неорга-
ническим связующим. Благодаря мелкодисперсному состоя-
нию магнитного материала и обволакиванию отдельных
зерен его электроизоляционным материалом магнитоди-
электрики обладают высоким удельным сопротивлением
и малыми потерями на вихревые токи при пониженных
значениях магнитной проницаемости.. Основными видами
магнитодиэлектриков являются: алсифер с неорганической
связкой из жидкого стекла; алсифер с аминопластовой
связкой; алсифер с полистирольной связкой; карбонильное
железо со связкой из смолы фенолоформальдегидного типа
или двойной связкой — первый слой из жидкого стекла,
второй из смолы фенолоформальдегидного типа; карбо-
нильное железо с полистирольной связкой. На этих основах
выпускается большое количество марок магнитодиэлект-
306
риков, отличающихся друг от друга размерами зерен маг-
нитных материалов и количеством связующего. Величина
потерь в магнитодиэлектриках определяется не только
потерями в самом магнитном материале, но также и диэлект-
рическими потерями в связующем материале. При выборе
последнего следует учитывать технологические свойства,
что важно при получении деталей сложной формы, а также
механические свойства изделей. Кроме величины потерь
мощности в магнитодиэлектриках и начальной магнитной
проницаемости, большое значение имеет температурный
коэффициент магнитной проницаемости. Начальная маг-
нитная проницаемость для разных магнитодиэлектриков
лежит в пределах от нескольких единиц до десятков.
В высокочастотной технике широкое применение после
Великой Отечественной войны нашли в качестве магнитно-
мягких материалов так называемые ферриты. Ферритами
их называют по типу химического соединения, лежащего
в их основе МеО -Fe2O3, где Me — символ двухвалентного
металла, которым могут служить никель, марганец, медь,
магний, цинк, кадмий и др. Вследствие удачного сочетания
сравнительно высоких ферромагнитных свойств с высоким
удельным сопротивлением ферриты нашли широкое приме-
нение именно в высокочастотной технике. Ферриты изготов-
ляют в виде требуемых деталей по принципу керамической
технологии: измельчение исходного сырья до состояния
мелкодисперсного порошка, формование ч деталей и обжиг.
Формование может производиться разными методами: прес-
сование порошков в стальных формах при давлении
1—3 Т/см 2, выдавливание из мундштука массы из порош-
ков с добавкой органической связки (поливиниловый спирт,
парафин). Существуют ферриты двух типов, получаемых
из смеси порошков окислов (марки Ф и НЦ) и из серно-
кислых солей соответствующих металлов (оксиферы). При
обжиге происходит ферритизация смеси окислов; в слу-
чае использования солей металлов происходит их разло-
жение на стадии предварительного обжига, причем проте-
кает в известной мере и процесс ферритизации. В силу
особенностей условий технологических процессов получения
ферритов типа оксиферов они обладают более совершенной
степенью ферритизации, чем материалы, получаемые непос-
редственно из окислов, вследствие чего последние, как пра-
вило, обладают худшими электромагнитными свойствами.
Температура спекания ферритов зависит в большой
степени от состава массы, формы и размеров изделий;
307
обычно она лежит в пределах 1 050—1 320° С при продол-
жительности обжига с свободным доступом воздуха в тече-
ние 4—6 ч. Обжиг ферритов некоторых марок производят
в вакууме. Большое значение имеет режим подъема и сни-
жения температуры. Детали из ферритов при спекании
дают большую усадку — в пределах 10—20%, что затруд-
няет получение точных размеров, тем более, что спеченные
изделия не поддаются обработке резанием, трудно шлифу-
ются и отличаются значительной хрупкостью.
Характеристики ферритов наиболее ходовых марок
даны в табл. 8-5. Марки, помещенные в строках 6—13 и 15,
относятся к никель-цинковым материалам, состоящим из
твердых растворов феррита никеля NiO-Fe2O3 и феррита
цинка ZnO -Fe2O3, марки в строках 1—5 относятся к мар-
ганец-цинковым ферритам, состоящим из твердых растворов
феррита марганца MnO -Fe2O3 и феррита цинка; марка
Ф-20 есть твердый раствор феррита лития и феррита
цинка.
Таблица 8-5
Характеристики магнитно-мягких ферритов
Марка феррита Магнитная проницаемость нс, э Р, ом • см
начальная максимальная
Оксифер М-6000 4 800—7 200 8 000—10 000 0,1 —50
Оксифер М-4000 3500—4 800 6 000—8 000 0,1 -50
Оксифер М-3000 2 500—3 500 5 000—6 000 0,15 —50
Оксифер М-2000 1 500—2 500 3 000—4 000 0,2 —50
Оксифер М-1000 800—1 200 1 600—1 900 0,35 —50
Оксифер 2000 1 800—2 400 6 000—10 000 0,1 —1 000
Оксифер 1 000 800—1 200 2 000— 3 500 0,25 —2 000
Фг600 540— 660 750— 900 0,65 —
Оксифер 400 350— 500 700— 1 000 0,8 -5—105
НЦ 250 220— 280 250— 350 1,3 —
Оксифер И-5 100— 150 600— 800 1,2 —
ФГ1 000 90— ПО — 580 2,0 —
Оксифер РЧ-50 45— 55 100— 150 8,0 —
Ф-20 — 20 — 50 6,0 —
Оксифер РЧ-12 10— 15 20— 40 15,0 —
8-3. МАГНИТНО-ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В магните, представляющем собой замкнутое кольцо, после снятия
намагничивающего внешнего поля сохраняется определенная остаточ-
ная индукция Вг. При незамкнутом кольце — наличии воздушного за-
зора — положение изменится: на разомкнутых концах возникнут по-
308
люса, создающие размагничивающее поле с напряженностью кото-
рое снизит индукцию до величины Bd, т. е. до значения остаточной
индукции разомкнутого магнита. На рис. 8-3 показана кривая энергии
магнита в зазоре. Величина остаточной индукции разомкнутого магнита
уменьшается с увеличением зазора. Величина энергии магнитного поля,
создаваемого в зазоре магнита, отнесенная к 1 см3, определяется выра-
о U
женнем ——— • 10~7д^с/сл13. Эта величина имеет максимальное зна-
ол
ВрНр
8л
чение, равное
• 10 7 дж/см3, оно соответствует наиболее эко-
номичному использованию материала магнита. Как находить значения
Bd и Hd видно на рис. 8-3. Величина максимальной энергии в единице
объема зазора постоянного магнита зависит не только от значений
остаточной индукции Вг и коэрцитивной силы Нс, но и от вида кривой
размагничивания: более выпуклая кривая при прочих равных условиях
даст большее значение максимальной магнитной энергии.
Рис. 8-3. Кривые размагничивания и магнитной
энергии.
Кроме величин остаточной индукции, коэрцитивной силы и макси-
мальной энергии для постоянных магнитов, важными являются еще сле-
дующие характеристики.
1. Кривые возврата — кривые частных циклов, получающихся
при уменьшении размагничивающего поля; они важны потому, что,
начиная с момента снятия намагничивающего поля, состояние магнита
определяется не кривой основного гистерезисного цикла, а именно кри-
выми возврата. При всех изменениях условий, влияющих на состояние
магнита, изменяется размагничивающее поле и магнит меняет свое сос-
тояние по кривой возврата. При циклических изменениях размагничи-
вающего поля получаются узкие частные гистерезисные циклы. В пер-
вом приближении площадь петли частного цикла можно считать равной
нулю, а кривую возврата — прямой линией и характеризовать ее
угловым коэффициентом, так называемым коэффициентом возврата
^=^=tga-
Пояснения к этой формуле даны на рис. 8-4.
2. Обратимость изменений остаточной индукции при колебаниях
температуры в обычных климатических пределах (от —50° С до +50°С).
309
Рис. 8-4. Кривые возврата
(частные циклы).
3. Структурное старение — необратимые изменения структуры ма-
териала со временем и связанные с ними необратимые изменения магнит-
ных свойств.
4. Магнитное старение — падение остаточной индукции под дейст-
вием механических воздействий (удары, вибрации), времени, колебаний
температуры и пр. Восстановление прежнего значения остаточной ин-
дукции происходит лишь при новом намагничивании.
Классифицировать магнитно-твердые материалы можно по разным
признакам. Верным признаком для классификации является техно-
логичность: материалы ковкие, обрабатываемые резанием; материалы,
не поддающиеся ковке, перерабатываемые в изделия методом фасонного
литья; не обрабатывающиеся резанием; только шлифуемые материалы;
перерабатываемые в изделия из порошков путем прессования со связкой
или металлокерамическим способом. Технологичность связана с хими-
ческим составом и структурой мате-
риала, которые влияют и на магнитно-
твердые свойства, в частности на коэр-
цитивную силу, которую следует счи-
тать определяющей характеристикой.
Основными ковкими материалами,
подвергающимися закалке, являются
стали: углеродистая, хромистая, воль-
фрамовая и кобальтовая. Углероди-
стая сталь обладает наиболее низкими
магнитными характеристиками, в силу
чего не имеет большого значения как
электротехнический материал.
Хромистые, вольфрамовые и ко-
бальтовые стали для постоянных маг-
нитов выпускают согласно ГОСТ
6862-54 разных размеров и сечений:
круглого, квадратного и прямоуголь-
ного. Магнитные свойства в пределах
требований ГОСТ гарантируются лишь при условии соблюдения
термической обработки и старения в полном соответствии с утвержден-
ными технологическими инструкциями. Магнитные свойства хромистых
сталей с повышенным содержанием хрома (до 3%) при весьма сложной
термообработке можно довести до свойств более дорогой вольфрамовой
стали, благодаря чему в ряде случаев стала возможной замена послед-
ней. Вольфрамовая сталь отличается большой стойкостью против маг-
нитного старения. В этом отношении она относится к одному из лучших
материалов. Зато она подвержена значительному структурному старе-
нию. Из всех стандартных марок легированных сталей для постоянных
магнитов кобальтовая сталь обладает наиболее высокими магнитными
свойствами. Максимальная энергия у нее доходит до 40» 10~4 дж/см\
Магниты из кобальтовой стали для одних и тех же случаев применения
компактнее, чем из других легированных сталей.
Коэрцитивная сила кобальтовых сталей повышается с увеличением
содержания кобальта.
Применение кобальтовой стали ограничено из-за дефицитности и
высокой стоимости кобальта. В табл. 8-6 указаны магнитные свойства
легированных сталей по ГОСТ 6862-54.
Кобальтовая сталь отличается повышенной твердостью (270—
340 кГ/мм* по вдавливанию шарика). Для механической обработки дета-
лей из кобальтовой стали применяют отпуск или отжиг для смягчения.
310
Таблица 8-6
Магнитные свойства легированных сталей
Марка стали Содержание основных легирующих элементов, % Напряжен- ность намагничи- вающего поля, э Вг, кгс
не м енее
ЕХ 1,3—1,6 Сг 500 9,0 58
ЕХЗ 2,8—3,6 Сг 500 9,5 60
Е7В6 0,3—0,5 Сг; 5,2—6,2 W 500 10,0 62
ЕХ5К5 5,5—6,5 Сг; 5,5-6,5 Со 1000 8,5 100
ЕХ9К15М 8,0—10,0 Сг; 13,5—16,5 Со 1,2—1,7 Мо 1000 8,0 170
Находит применение также ковкий железо-кобальто-молибденовый
сплав с содержанием молибдена 13—15%, известный под названием
ремаллой или комоль. Этот сплав почти не содержит углерода. Он имеет
несколько большую коэрцитивную силу, чем кобальтовая сталь и
более выпуклую кривую размагничивания, благодаря чему максималь-
ная магнитная энергия у него доходит до 50* 10“4 дж/см3. Ремаллой
обладает большой устойчивостью против старения до температуры по-
рядка 600° С, что выгодно отличает его от описанных выше легирован-
ных сталей. Широкому применению его препятствует высокая стои-
мость.
Особую группу магнитно-твердых материалов составляют сплавы,
способные к холодной прокатке и волочению. К их числу относятся
сплавы меди, никеля и железа (кунифе), медь-никель-кобальт (кунико),
железо-кобальт-ванадий (викаллой). Сплавы кунифе и кунико имеют
большую коэрцитивную силу (300—700 э), остаточную индукцию
6 000—2 500 гс и максимальную энергию от 25* 10-4 до 45* 10~4 дж/см3.
Сплавы викаллой могут быть получены с удельной энергией еще более
высокой, чем у сплавов кунифе и кунико, а именно от 40* 10'4 до 140 X
X 10~4 дж!см\ Известны, кроме того, сплавы, способные к холодной
прокатке и волочению, не содержащие дефицитных никеля и кобальта.
Это сплав железомарганцевый с малыми присадками титана или алю-
миния, с коэрцитивной силой 80—200 э, остаточной индукцией 5 000—
1 000 гс и максимальной энергией 20* 10~4 — 250- дж/см3. Для этих
сплавов требуется марганец высокой степени чистоты — электролити-
ческий, выпускаемый сейчас в достаточном количестве. В некоторых
приборах применяются магнитные сплавы железа с платиной или ко-
бальта с платиной. Сплав кобальт-платина имеет очень высокую коэр-
цитивную силу — до 4 000 э, с максимальной энергией, доходящей до
230* 10~4 дж/см3.
Большую группу магнитно-твердых материалов представляют
сплавы, вследствие высокой твердости и крупнокристаллического строе-
ния плохо поддающиеся механической обработке. Детали из них полу-
чают обычно либо методом литья, либо керамическим способом. На эти
сплавы действует ГОСТ 4402-48, некоторые данные из которых даны
в табл. 8-7.
Магнитные характеристики, данные в табл. 8-8, получаются после
определенной термообработки, режим которой для разных сплавов
различен. Важна не только максимальная температура и определенная
выдержка изделий при ней, но и определенная скорость охлаждения*
311
Таблица 8-7
Марки литых постоянных магнитов и их состав
Особенность группы Обозначе- ние стан- дартное Основной состав кгс Hc’> Макси- мальная энергия, 10-4 дж/см3
Нормальная АН1 Fe, Ni, Al 7,0 250 28
магнитная АН2 Fe, Ni, Al, Cu 6,0 430 38
энергия АНЗ Fe, Ni, Al, Cu 5,0 500 36
АНК Fe, Ni, Al, Si 4,0 750 43
Повышенная AHKol Fe, Ni, Al, Co, Cu 6,8 500 55
магнитная АНКо2 Fe, Ni, Al, Co, Cu 7,5 650 60
энергия
Высокая АНКоЗ Fe, Ni, Al, Co, Cu 9,0 650 97
магнитная АНКо4 Fe, Ni, Al, Co, Cu 12,3 500 150
энергия
Некоторые сплавы, например, содержащие кобальт, подвергают при
термообработке воздействию постоянного магнитного поля, что приво-
дит к повышению магнитных свойств.
Литые сплавы обладают достаточной устойчивостью против старе-
ния. Согласно результатам ряда исследований естественное магнитное
старение магнитных литых сплавов зависит от следующих факторов:
1) оно усиливается с уменьшением длины магнита при данном попереч-
нике; 2) чем выше коэрцитивная сила, тем сильнее сказывается старе-
ние; 3) старение усиливается от частичного размагничивания перемен-
ным магнитным полем. Сплавы железо-никель-алюминий и особенно
железо-никель-алюминий-кобальт отличаются сравнительно высокой
стоимостью.
Механической обработке в виде грубой обдирки с применением рез-
цов из твердого сплава поддаются только детали простой формы из
сплавов, не содержащих кобальта. Кроме того, детали из всех сплавов
можно шлифовать электрокорундовыми кругами в два приема (грубое и
чистое шлифование). Для грубого шлифования можно применять электро-
искровую обработку. Перед механической обработкой можно применять
отжиг для уменьшения твердости и хрупкости.
Железо-никель-алюминиевые сплавы, как и железо-никель-алю-
миниево-медные и железо-никель-алюминиево-кобальтовые, исполь-
зуются для получения деталей < металлокерамическим способом. Этот
способ особенно выгоден для изготовления мелких деталей весом от
долей грамма до 30 г. Применение металлокерамической технологии
решило вопросы производства мелких деталей из сплавов, содержащих
кобальт. Металлокерамическая технология обеспечивает при производ-
стве деталей из этих сплавов меньше отходов вследствие отсутствия ли-
тейных дефектов, лучшей шлифуемости, большей механической проч-
ности и однородности. При давлении 4—8 Т/см* и спекании в чистом
водороде при 1 300° С металлокерамические магниты из железо-никель-
алюминиевого сплава имеют плотность на 8—7% меньше, чем литые,
и магнитные свойства, близкие к таковым у литых магнитов. Существует
два способа получения магнитов по металлокерамическому принципу.
В первом случае детали из смеси чистых порошков или их лигатуры прес-
312
суются в пресс-формах в два приема: сначала при пониженных давлении
и температуре, потом — при полном давлении с последующим оконча-
тельным спеканием; завершающей операцией является термическая или
термомагнитная обработка. Второй способ заключается в изготовлении
металлокерамических заготовок «сутунок», из которых после термо-
обработки и прокатки на полосы и листы штампуют детали, подвергаю-
щиеся окончательному спеканию. Второй способ более производителен
и дает изделия большей плотности.
В качестве магнитно-твердых материалов применяют оксидные
магниты — ферриты кобальта и бария, изготовляемые аналогично маг-
нитно-мягким ферритам методами металлокерамической технологии.
Кобальт-оксидные магниты, получающиеся при спекании смеси магне*
тита FeO* Fe2O3 и феррита кобальта СоО- Fe2O3, имеют коэрцитивную
силу 900 э, остаточную индукцию 1 600 ас, максимальную энергию
(500—600)• 10"4 дж/см3. Путем термомагнитной обработки — намагни-
чивания при 300° С и охлаждения в магнитном поле — можно поднять
энергию до 1 300» 10"4 дж/см3.
Кобальт-оксидные магниты не нашли большого распространения
в силу дефицитности и дороговизны кобальта, а также недостаточно
высоких магнитных свойств по сравнению с более дешевыми бариевыми
оксидными магнитно-твердыми материалами. Последние часто с успе-
хом заменяют литые магниты. В некоторых случаях оксидно-бариевые
магниты применяют как основной материал, не имеющий себе замени-
телей. Наилучшие магнитные свойства имеет гексаферрит бария
ВаО* 6Fe2O3. Оксидно-бариевые магниты бывают изотропные и анизо-
тропные. Первые получают обычными металлокерамическими приемами,
вторые получают при использовании в процессе прессования магнитного
поля. В направлении поля магнитные свойства повышены за счет сниже-
ния в перпендикулярном к нему направлении. У изотропных оксидно-
бариевых магнитов коэрцитивная сила лежит в пределах 1,6—1,7 кэ,
остаточная индукция — в пределах 1,8—2,3 кгс, максимальная удель-
ная энергия — в пределах (700 — 1 100)* 10-4 дж/см3. Анизотропные
магниты имеют следующие характеристики: 1,5—3,7 кэ\ 2,7—4,0 кгс\
(1 500—3 700)- 10 4 дж/см3.
Оксидно-бариевые магниты устойчивы к действию внешних раз-
магничивающих Полей. Они отличаются невысокими механическими
свойствами и большой хрупкостью. В силу этого их крепление в ряде
случаев приходится осуществлять клеевым способом.
ТАБЛИЦА ПЕРЕВОДА ЕДИНИЦ ИЗ
Величина Международная система Другие
Единица Сокращенное обозначение Система
Основные
Длина Метр м т СГС Внесистемная
Масса Килограмм кг kg СГС
Время Секунда сек S Внесистемная
Термодинамиче- ская температу- ра Градус Кельвина °К °К Д о п о . СГС мнительные
Плоский угол Радиан Рад rad Пр Внесистемная оизводные
Площадь Квадратный метр м2 т2 СГС
Объем Кубический метр м8 т8 СГС
Частота Герц гц Hz Внесистемная
Линейная скорость Метр в секунду м1сек mis СГС
Угловая скорость Радиан в секунду рад 1 сек кг1м* radls Внесистемная
Плотность, объем- ная масса Килограмм на ку- бический метр kglm8 СГС
Механическая сил а Ньютон н N СГС МКГСС
Давление, механи- ческое напряже- ние Ньютон на квад- ратный метр н1м2 Nlm2 СГС МКГСС Внесистемная » »
314
МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ СИ В ДРУГИЕ
системы
Единица Сокращенное обозначение Соотношение с единицей СИ
единицы Сантиметр СМ ст 0,01 М
Микрон МК 10~в М
Ангстрем — А 10“10 М
Грамм г g 0,001 кг
Минута мин min 60 сек
Час ч h 3 600 сек
Градус Цельсия °C °C Г С = Г К —273,15
единицы
Градус о • • • , pad
Минута г г 2,908882 • IO"4 pad
Секунда п н 4,848137. IO'6 pad
единицы
Квадратный санти- см2 ст2 IO"4 m2
Кубический санти- см3 ст9 10~e m9
метр
Период в секунду пер1сек cis 1 гц
Сантиметр в секунду см 1 сек cm/s 0,01 м1 сек
Оборот в минуту об/мин — 0,104720 рад 1 сек
Грамм на кубиче- г1 см9 gjcm3 103 кг)м9
ский сантиметр
Дина дин dyn l О-5 н
Килограмм-сила кгс, кГ kgf, kG 9,80665 н
Дина на квадратный дин)см2 dynjcm2 0,1 HIM2
сантиметр
Килограмм-сила на кгс)м2 kgfjtn2 ]
квадратный метр > 9,80665 hIm2
Миллиметр водяно- мм вод. ст. mm H2O J
го столба
Бар бар bar IO5 hIm2
Килограмм-сила на кгс/см2 или kgflcrn2 или 9,80665.104 hIm2
квадратный сан- ат at
тиметр или техни-
ческая атмосфера
Миллиметр ртутного ЛТЛ ГТ Я мм рт. ст. mm Hg 132,322 hIm2
ClUJlUd Физическая атмо- атм atm 101 325 hIm2
сфера
315
Величина Международная система Другие
Единица Сокращенное обозначение Система
Динамическая вяз,- кость Ньютон — секунда на квадратный метр н*сек1м2 N • s/m2 сгс
Кинематическая вязкость Квадратный метр на секунду м21сек m2ls сгс
Работа, энергия, количество теп- лоты Джоуль дж J сгс Внесистемная
Мощность, тепло- вой поток Ватт вт W СГС Внесистемная
Электрический за- ряд, количество электричества Кулон к С СГС
Электрическое на- пряжение, э. д. с. Вольт в V СГС
Электрическое со- противление Ом ом Q СГС
Электрическая ем- кость Фарада ф F СГС
Магнитный поток Вебер вб Wb СГС
Индуктивность Генри гн H СГС
Магнитная индук- ция Тесла тл T СГС
Напряженность магнитного поля Ампер на метр а\м Alm СГС
Намагничивающая сила Световой поток Яркость Освещенность Ампер Люмен Нит или свеча на квадратный метр Люкс а лм нт или св)м2 лк A Im tit или ссЦт2 lx СГС
31$
Продолжение табл.
системы
Единица Сокращенное обозначение Соотношение с единицей СИ
Пуаз пз Р 0,1 • н • сек 1м2
Стокс ст St 10“4 м2[сек
Эрг эрг erg 10~7 дж
Киловатт-час кет • ч kw • h 3,6 • 10б дж
Электрон-вольт эв eV 1,602.10~19 дж
Калория кал cal 4,1868 дж
Эрг в секунду эрг 1 сек erg Is 10~7 вт
Килокалория в час ккал/ч kcal/h 1,163 вт
Калория в секун- ду кал/се к caljs 4,1868 вт
— — — 3,33564 • 10“10 к
— — — 299,792 в
— — — 0,898755 • 1012 ом
— — 1,11265 • 10“12 ф
Максвелл мкс Mx IO'8 вб
— — — 10”° гн
Гаусс гс Gs 10“4 тл
Эрстед э Oe 79,5775 а\м
Гильберт гб Gb 0,795775 а
317
ОГЛАВЛЕН И Е
Предисловие ко второму изданию................................ 3
Предисловие к первому изданию................................. 4
Глава первая. Основные сведения об электротехнических
материалах.............................................. 6
1-1. Классификация по назначению....................... 6
1-2. Особенности газообразного, жидкого и твердого со-
стояния .......................................... 9
Глава вторая. Физика диэлектриков...................... 12
2-1. Диэлектрик как среда электрического поля........ 12
2-2. Поляризация, не вызывающая диэлектрических
потерь............................................ 17
2-3. Дипольная поляризация и диэлектрические потери 20
2-4. Ионно-релаксационная поляризация и диэлектриче- 31
2-5. Межслойная поляризация, поляризация высокого
напряжения и диэлектрические потери............. 34
2-6. Спонтанная и электретная поляризация ............ 37
2-7. Электропроводность газообразных диэлектриков. . . 41
2-8. Электропроводность жидких диэлектриков.......... 44
2-9. Электропроводность твердых диэлектриков . , , . , 49
2-10. Пробой газообразных диэлектриков........... 57
2-11. Пробой жидких диэлектриков................. 65
2-12. Электротепловой пробой твердых диэлектриков ... 70
2-13, Электрический пробой твердых диэлектриков.... 78
2-14. Перекрытие (поверхностный разряд).......... 83
2-15. Измерение электрических характеристик диэлект-
риков ........................................... 86
Глава третья. Физико-механические и химические свой-
ства диэлектриков и их поведение в эксплуатации........ 93
Глава четвертая. Жидкие диэлектрики ....................... 104
4-1. Нефтяные электроизоляционные масла............... 104
4-2. Синтетические жидкости............................ НО
Глава пятая. Твердые электроизоляционные материалы 114
5-1. Классификация твердых электроизоляционных ма-
териалов по структуре, составу и применению .... 114
5-2. Волокнистые материалы........................ • 116
318
5-3. Электроизоляционные смолы. Общие сведения. При-
родные смолы 130
5-4. Электроизоляционные полимеризационные смолы. . 133
5-5. Электроизоляционные поликонденсационные смолы 141
5-6. Материалы для пропитки и заливки ................ 153
5-7. Склеивающие материалы; клеи................ 164
5-8. Пропитанные волокнистые материалы.......... 165
5-9. Поделочные пластики........................ 174
5-10. Прессующиеся составы (пластмассы).......... 188
5-11. Пленочные материалы........................ 205
5-12. Резиновая изоляция . ............................ 208
5-13. Слюда как диэлектрик....................... 213
5-14. Слюдяные электроизоляционные материалы....... 220
5-15. Керамическая изоляция. Общие сведения. Высоко-
вольтная и низковольтная керамика ............ 229
5-16. Высокочастотная керамика................... 238
5-17. Неорганические стекла...................... 241
Глава шестая. Проводниковые материалы....................... 244
6-1. Материалы высокой проводимости. Припои.... 244
6-2. Материалы высокого сопротивления.............. 255
6-3. Контактные материалы........................... 257
6-4. Кабельные изделия................................. 260
6-5. Электротехнические угольные материалы и изделия 272
Глава седьмая. Полупроводники........................ 275
7-1. Общие сведения о полупроводниках................. 275
7-2. Полупроводниковые материалы и их применение . . . 282
Глава восьмая. Магнитные материалы.......................... 292
8-1. Общие сведения................................... 292
8-2. Магнитно-мягкие материалы........................ 295
8-3. Магнитно-твердые материалы....................... 308
Таблица перевода единиц из международной системы СИ в
другие...................................................... 314
Корицкий Юрий Владимирович
Электротехнические материалы
Редактор М. Н. Бронгулеева
Технический редактор Т. Г. Усачева
Корректор 3. Б. Шлайфер
Сдано в набор 5/1 1968 г. Подписано к печати
19/IV 1968 г. Т-00172. Формат 84X108’/32. Бумага
типографская № 3. Усл. печ. л. 16,8. Уч.-изд. л. 18,78.
Тираж 100 000 экз. Цена 81 коп. Зак. 1401.
Издательство «Энергия».
Москва, Ж-114, Шлюзовая наб., 10.
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская типография № 1
«Печатный Двор»
имени А. М. Горького Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР,
г. Ленинград, Гатчинская ул., 26.