Фізико-хімічні та механічні властивості діелектриків та їх класифікація

ЖИТОМИРСЬКИЙ ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ С.П.КОРОЛЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОГО АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ























													ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ТА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

	























Житомир 2009


План



1. Вологіcні властивості діелектриків

2. Механічні властивості діелектриків

3. Теплові властивості діелектриків

4. Хімічні властивості діелектриків

5. Вплив випромінювань високої енергії на діелектрики

	6. Класифікація діелектриків




1. Вологісні властивості діелектриків



Діелектричні матеріали в більшій або меншій мірі є гігроскопічними, тобто здатні поглинати вологу з навколишнього середовища. Крім того, вони є волого проникні, бо можуть пропускати вологу, яка знаходиться у повітрі у вигляді водяного пару, крізь себе.

Абсолютна вологість повітря оцінюється масою m водяного пару, який знаходиться в одиниці об’єму повітря (в одному кубічному метрі).

Кожній температурі відповідає певне значення абсолютної вологості при насиченні mнас. Більшої кількості води повітря містити не може і вона випадає у вигляді роси. Абсолютна вологість, що є необхідною для насичення повітря різко зростає зі збільшенням температури, тобто зростає і тиск водяних парів.

При температурі навколишнього середовища 200С та нормальному атмосферному тиску 0,1[МПа] абсолютна вологість повітря приймає значення mнас = 17,3 [г/м3].

Абсолютній вологості повітря (при нормальному атмосферному тиску) відповідають різні значення відносної вологості φ.

Аналітичний вираз відносної вологості повітря має вигляд:



.



За нормальну вологість повітря приймають відносну вологість . В повітрі з нормальною вологістю при температурі t = 20 0С вміст водяних парів становить:



m = φ ∙ mнас = 17,3 ∙ 0,65 = 11, 25[ г/м 3]..




Вода є сильно полярним діелектриком з низьким питомим опором ρ103104[Ом ∙ м], а тому її попадання в пори твердих діелектриків приводить до різкого погіршення їх електричних властивостей. Крім того, підвищена вологість повітря сильно знижує поверхневий опір діелектриків. Для захисту поверхонь твердих діелектриків їх вкривають шаром лаку, який не змочується водою.

Здатність діелектрика змочуватися водою або іншою рідиною характеризується крайнім кутом змочування Θ краплі води, яка нанесена на плоску поверхню тіла. Чим меншим є кут Θ тим сильніше змочування.





Рис.1



При наявності в діелектрику об’ємної відкритої пористості або при нещільній його структурі волога попадає і в середину матеріалу.

Вологість матеріалів

Якщо розмістити зразок діелектричного матеріалу в середовищі з постійними значеннями температури та вологості повітря, то через деякий значний час він досягне деякого стану рівноваги вологості.

При розміщенні порівняно сухого зразка матеріалу у вологе повітря з відносною вологістю φ буде спостерігатися поступове поглинання ним вологи з повітря, причому вологість матеріалу ψ тобто вміст вологи в одиниці маси матеріалу, на протязі часу τ буде підвищуватися, асимптотично наближаючись до стану рівноваги вологості ψР , що відповідає даному значенню φ (рис.1, крива 1) . Навпаки, якщо в повітрі з тією ж відносною вологістю φ буде розміщений зразок того ж самого матеріалу з початковою вологістю, більшою за ψР, то вологість зразка буде зменшуватися, асимптотично наближаючись до значення рівноваги вологості ψР (рис.1, крива 2).





--------------------------------------

2

1

τ

ψ

ψР

Рис.1 Графіки залежності вологості матеріалу від часу



Текстильні та подібні їм матеріали характеризуються так званою кондиційною вологістю, що відповідає стану рівноваги вологості матеріалу, при знаходженні його на повітрі в нормальних умовах φ = 65%; t =20ОС; Р = 0,1[МПа], для кабельного паперу кондиційна вологість приймається рівною 8%. 

На гігроскопічність матеріалу суттєво впливають його будова та хімічна природа; наявність і розмір капілярних проміжків в середині матеріалу, в які потрапляє волога. Сильно пористі матеріали є більш гігроскопічними ніж матеріали щільної будови.

Орієнтовні розміри пор (в нанометрах) у різних діелектричних матеріалах:

макропори в кераміці – 100 ÷100000 [нм];

капіляри в волокнах целюлози – 100 [нм];

міжмолекулярні пори різних матеріалів – 1÷5 [нм];

внутрішньомолекулярні пори – <1 [нм].

Ефективний діаметр молекул води приблизно становить0,27[ нм], тому вони легко потрапляють у внутрішньомолекулярні пори целюлозних електроізоляційних матеріалів.

Якщо волога здатна створювати в діелектричному матеріалі нитки або плівки по товщині ізоляції, які можуть пронизувати значну частину між електродного проміжку, то вже при незначній кількості поглиненої вологи електроізоляційні якості матеріалу різко зменшаться. Якщо ж волога розподіляється по об’єму матеріалу у вигляді окремих не з’єднаних між собою малих включень, то вплив вологи на електричні властивості матеріалу менш суттєвий.

При змінній напрузі найбільш чутливим параметром пористих діелектриків є tgб, який помітно зростає при зволожуванні матеріалу. Менш чутливою є діелектрична проникність εr, однак і вона, як правило зростає з поглинанням вологи у зв’язку з більшим значенням діелектричної проникності води (εr=80) в порівнянні з іншими діелектриками. Тому в деяких випадках про гігроскопічність матеріалу судять за збільшенням електричної ємності зразка під дією вологи.

Вологопроникність

Окрім гігроскопічності, більш практичне значення має вологопроникність діелектричних матеріалів, тобто їхня здатність пропускати крізь себе пари води. 

Ця характеристика надзвичайно важлива для оцінки якості матеріалів, що застосовуються для створення захисних шарів (шланги кабелів, опресовування конденсаторів, компаундні заливки, лакові покриття деталей). Завдяки наявності мізерної пористості є можливість дослідити більшість матеріалів на вологопроникність. 

Кількість вологи m, яка проходить за час τ крізь поверхню S шару ізоляційного матеріалу товщиною h під дією різниці тиску водяних парів P1 і P2 з обох сторін цього шару можна розрахувати за формулою:



m = П · (P1 – P2) · S · τ / h ,




де коефіцієнт П – вологопроникність даного матеріалу. В системі СІ вимірюється в секундах:



П = 



Для різних матеріалів вологопроникність змінюється в широких межах.

Значення коефіцієнта П різних матеріалів:

церезін – 1,5·10 -16 [c];

полістирол – 6,2·10 -15 [c];

триацетат целюлози – 2,1·10 -13 [c]. 

Для зменшення гігроскопічності та вологопроникності пористих діелектричних матеріалів застосовується їх пропитка спеціальними розчинами. При цьому пропитка целюлозних та інших органічних діелектричних матеріалів лише сповільнює процес зволожування, не впливаючи при цьому на питомий об’ємний опір матеріалу, після тривалого його знаходження під дією вологи. Це пояснюється тим, що молекули речовин призначених для пропитки більші за розмірами молекул води, і є нездатними створити повну непроникність пор матеріалу для вологи, а в найменші пори матеріалу, що пропитується вони взагалі не можуть проникнути.

При тривалій експлуатації апаратури, особливо в тропічних умовах, на органічних діелектриках може розвинутися пліснява, яка здатна:

значно зменшити питомий поверхневий опір;

привести до зростання втрат;

зменшити механічну міцність ізоляції;

викликати корозію металевих частин.

Найчастіше всього пліснява розвивається в каніфолі, масляних лаках, целюлозних матеріалах, у тому числі і пропитаних (гетинакс, текстоліт). Найбільш стійкими до утворення плісняви є неорганічні діелектрики, як то кераміка, скло, слюда, кремнійорганічні матеріали та деякі органічні, наприклад епоксидні смоли, фторопласт-4, поліетилен, полістирол.

З метою покращення стійкості до плісняви органічної електричної ізоляції в її склад вводять отруйні для грибків плісняви домішки – фунгіциди (органічні з’єднання, в склад яких входять хлор, ртуть, азот). 



2. Механічні властивості діелектриків



Оскільки вироби з діелектричних матеріалів підлягають впливу механічних навантажень, то велике практичне значення мають їх: механічна міцність, здатність не деформуватися під дією механічних напруг, крихкість та в’язкість.

Найпростішими статичними навантаженнями є розтягування, стискання та згинання. Значення меж міцності при розтягуванні р, стисканні с та згинанні з в системі СІ виражаються в паскалях



1 [Па] = 1 [Н/м2] ≈ 10-5 [кгс/см2].



Механічна міцність діелектричних матеріалів залежить від:

напрямку (матеріали анізотропної будови – волокнисті) та виду навантаження (скло, кераміка, більшість пластмас), що прикладається;

площі поперечного перерізу (у скляного волокна, при зменшенні його діаметру, межа міцності збільшується і може сягати значень характерних для бронзи);

температури (механічна міцність зменшується при зростанні температури (рис.2);

вологості повітря (для гігроскопічних матеріалів);

тривалості впливу механічного навантаження (для термопластичних матеріалів).

Здатність матеріалів деформуватися при тривалому впливі механічного навантаження, називається пластичною або холодною течією матеріалу. З ростом температури пластична течія матеріалу суттєво зростає.





Рис. 2 Графік залежності від температури межі міцності при розтягуванні р поліетилену низької щільності



Крихкість – це здатність матеріалу руйнуватися без помітної пластичної деформації. Вона залежить від структури матеріалу та умов випробування і зростає при збільшенні швидкості навантаження, при зменшенні температури та підвищенні степені концентрації напруг.

Крихкість матеріалу, що спостерігається при ударних навантаженнях, називається ударною крихкістю. Існує багато матеріалів, які витримують статичні навантаження, але легко руйнуються динамічними зусиллями.

Для оцінки можливостей матеріалу витримувати динамічне навантаження його перевіряють на ударне згинання – дослідження ударної в’язкості. Ударна в’язкість матеріалу σударна це витрачена на злам зразка енергія W, віднесена до площі поперечного перерізу зразка S:



,



Одиниця вимірювання ударної в’язкості σударна в системі СІ – [Дж/м2].

Значна ударна в’язкість у поліетилену σударна = 100 [кДж/м2] та мала у керамічних матеріалів та мікалексу σударна = 2 ÷ 5 [кДж/м2].

В деяких випадках діелектричні матеріали перевіряють на здатність витримувати без руйнування тривалий вплив вібрацій – періодичних механічних коливань певної амплітуди та частоти (вібростійкість).

Для рідинних та напіврідинних діелектричних матеріалів важливою механічною характеристикою є в’язкість.

В’язкість (внутрішнє тертя) – властивість рідин та газів створювати опір переміщенню однієї її частини відносно іншої. Кількісно в’язкість характеризується значенням коефіцієнта динамічної в’язкості або коефіцієнтом внутрішнього тертя η.

Поняття коефіцієнта динамічної в’язкості використовується в цілому ряді законів гідродинаміки:

кількість (об’єм) V рідини з динамічною в’язкістю η, яка протікає за час τ під тиском Р крізь капіляр довжиною ℓ з радіусом r визначається за законом Пуазейля:



V = 



(Жан Лу Марі Пуазейль, 1799-1869 р.р. – французький фізик).

Швидкість руху υ твердої кулі радіусом r в неоднорідному середовищі з динамічною в’язкістю η під впливом постійного зусилля F, визначається за законом Стокса:



υ = 



В системі СІ коефіцієнт динамічної в’язкості η вимірюється в паскалях помножених на секунди, [Па · с], а в системі СГС в сантипаузах, [cП]

1 [Па · с] = 1000 [сП].

Кінематична в’язкість ν дорівнює відношенню динамічної в’язкості η до щільності рідини ρ



ν = η /ρ.



В системі СІ кінематична в’язкість ν вимірюється в [м2/с], а в системі СГС в стоксах [Ст], 1[м2/с] = 10 4[Ст].

Залежність коефіцієнта динамічної в’язкості від температури має вигляд



η(Т) = А· е W/k · Т ,



де А – стала, що характеризує рідину; W - енергія активації, яка дорівнює роботі переходу молекули з одного стійкого стану в інший.



3. Теплові властивості діелектриків



До теплових властивостей діелектриків відносяться:

стійкість до нагрівання;

стійкість до охолодження;

теплопровідність;

теплове розширення.

Стійкість до нагрівання – здатність діелектрика

витримувати дію підвищеної температури на протязі часу, який можна порівняти зі строком нормальної експлуатації без недопустимого погіршення його властивостей. Для електричних машин та апаратів стійкість до нагрівання, яка визначається стійкістю до нагрівання електричної ізоляції, дозволяє отримати більш високу потужність при незмінних габаритах, або ж при збереженні потужності досягнути зменшення габаритних розмірів та вартості виробу.

Для неорганічних діелектриків стійкість до нагрівання визначають з початком суттєвої зміни їх електричних властивостей (за параметрами тангенса кута діелектричних втрат tg δ або питомого електричного опору ρ) та оцінюють відповідними значеннями температури, при яких з’явилися ці зміни.

Для органічних діелектриків стійкість до нагрівання визначають з початком механічних деформацій (розтягування або згинання).

Незворотні процеси погіршення якості ізоляції при тривалому впливі підвищеної температури внаслідок повільних хімічних процесів називається тепловим старінням. У лакових плівок та целюлозних матеріалів воно проявляється у вигляді підвищення твердості та крихкості, утворення тріщин.

Для органічних та елементоорганічних полімерів швидкість старіння при решті інших рівних умовах значно зростає при підвищенні температури.

Тривалість старіння τ пов’язана з температурою Т наступною залежністю:



ℓn τ =,



де А та В сталі для даного матеріалу і даних умов старіння.

Крім температури на швидкість процесу старіння впливають тиск, концентрація кисню, наявність озону (сильний в порівнянні з киснем окислювач), різноманітних хімічних реагентів, що прискорюють або уповільнюють окислення. Теплове старіння зразка прискорюється під дією ультрафіолетових променів, електричного поля, механічних навантажень і т.п..

У відповідності до рекомендацій МЕК (Міжнародної електротехнічної комісії) електроізоляційні матеріали для електричних машин, трансформаторів та апаратів за стійкістю до нагрівання поділяють на класи:




Клас

Y

A

E

B

F

H

C

Найбільша допустима робоча температура, оС

90

105

120

130

155

180

>180

 

До класу Y відносяться волокнисті матеріали на основі целюлози та шовку (пряжа, тканини, стрічки, папір, картон, деревина).

До класу А відносяться матеріали класу Y, пропитані лаками, компаундами тобто ізольованими від впливу кисню, який прискорює теплове старіння.

До класу Е відносяться пластичні маси з органічним наповнювачем та термореактивною складовою типу фенолформальдегідних та подібних їм смол (гетинакс, текстоліт і т. п.), поліетилентерефталатні плівки, епоксидні, поліефірні та поліуретанові смоли і компаунди.

Таким чином до класів А, Е, Y відносяться чисто органічні електроізоляційні матеріали.

До класу В відносяться матеріали, для яких є характерним великий вміст неорганічних компонентів, як то щепана слюда, азбестові та скловолокнисті матеріали в поєднанні з органічними матеріалами (склолакотканини, склотекстоліти, епоксидні компаунди з неорганічними наповнювачами).

До класу F належать міканіти, вироби на основі скловолокна без підкладинки або з неорганічною підкладинкою, з застосуванням органічних матеріалів для з'єднання та пропитки, підвищеної стійкості до нагрівання: епоксидних, термореактивних поліефірних, кремнійорганічних.

Матеріали класу Н отримуються при використанні кремнійорганічних смол особливо високої стійкості до нагрівання.

До класу С відносяться чисто неорганічні матеріали, які не містять органічних складових, що здатні склеювати та пропитувати (слюда, скло, скловолокнисті матеріали, кварц, азбест, мікалекс, непропитаний асбоцемент, міканіти). З однорідних матеріалів це політетрафторетилен (фторопласт-4) та матеріали на основі поліімідів ( плівки, волокна, ізоляція емальованих проводів).

Хладостійкість – здатність діелектричних матеріалів витримувати вплив низьких температур (–600 ... –700) без недопустимого погіршення їх електроізоляційних властивостей. Як правило, при низьких температурах електричні властивості діелектричних матеріалів покращуються, при цьому їх механічні властивості погіршуються (матеріали стають жорсткими та крихкими).

Теплопровідність – один з видів переносу тепла від більш нагрітих частин до менш нагрітих, який приводить до вирівнювання температур. Теплопровідність впливає на електричну міцність матеріалів при тепловому пробої і на їх стійкість до імпульсних теплових впливів. Теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності γт, [Вт / м ∙ К].



ΔРТ = γт ,



	де ΔРТ , [Вт]– потужність теплового потоку крізь площину ΔS, нормальну до потоку; dT/dℓ – градієнт температури.

	Значення коефіцієнтів теплопровідності γт, [Вт / м ∙ К] деяких діелектриків:

Теплове розширення діелектриків – оцінюється температурним коефіцієнтом лінійного розширення TKl, вимірюється [К-1].

	

	ТКl = αl =  

	

	


	

	Матеріали, які характеризуються малими значеннями ТК l , мають найбільшу стійкість до нагрівання та навпаки. Органічні діелектрики характеризуються набагато більшими значеннями ТКl ніж неорганічні. Останні відповідно мають більш покращену стабільністю розмірів при коливаннях температури.

	Значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення TKl , [К-1] деяких діелектриків:

	

	

	

4. Хімічні властивості діелектриків



Знання хімічних властивостей діелектрика важливо для оцінки їх надійності в експлуатації та для розробки технології.

При експлуатації діелектричні матеріали не повинні:

руйнуватися з виділенням побічних продуктів;

не викликати корозії металів до яких вони торкаються;

не взаємодіяти з різними речовинами (газами, водою, кислотами, лугами, сольовими розчинами).

Матеріали при виробництві деталей можуть оброблятися різноманітними хіміко – технологічними способами: склеюватися, розчинятися в розчинах з утворенням лаків і т.д. Розчинність твердих матеріалів може бути оцінена кількістю матеріалу, що переходить в розчин за одиницю часу з одиниці поверхні матеріалу, яка торкається розчину. Найлегше розчиняються в розчинниках речовини, які є близькими до них за хімічною природою, і навпаки. При підвищенні температури розчинність збільшується, а з підвищенням степені поляризації зменшується. Інколи розчинність оцінюють по найбільшій кількості речовини, яка може бути розчинена в даному розчині (за концентрацією насиченого розчину).



5. Вплив випромінювань високої енергії на діелектрики



Радіаційна стійкість матеріалів характеризує стійкість матеріалів до впливу радіоактивних випромінювань високої енергії, при збереженні ними своїх електричних та механічних властивостей. Випромінювання можуть бути корпускулярними або хвильовими.

До корпускулярних випромінювань відносяться швидкі та повільні нейтрони, осколки ядер, α – частини та β – промені (електрони різних швидкостей).

До хвильових випромінювань відносяться: γ – промені, жорстке та м’яке рентгенівське випромінювання.

Інтенсивність випромінювання вимірюється в ватах на квадратний метр [Вт/м2], а для нейтронів вказується щільність потоку енергії швидких та повільних нейтронів крізь поверхню площею [1м2].

Енергія випромінювання, що попадає на поверхню матеріалу, зменшується по мірі проникнення в його глибину, за законом



Р(х) = Ро ∙ е (-μ∙ х,)



де Ро – енергія в повітрі біля поверхні матеріалу; х – глибина проникнення випромінювання; μ – ефективний коефіцієнт послаблення випромінювання в матеріалі.

Для простих речовин



μ ;



де λ – довжина хвилі випромінювання, Ζ – номер елемента в таблиці Мендєлєєва, ρ - щільність речовин, К – коефіцієнт пропорційності.

Таким чином , поглинання випромінювання в матеріалі залежить від природи матеріалу та якості випромінювання. 

В результаті тривалого або інтенсивного випромінювання може відбутися руйнування будь-якого полімеру, зменшення питомого електричного опору та електричної міцності неорганічних діелектриків.

Захисні властивості різних матеріалів зручно характеризувати поняттям шару десятикратного послаблення тобто товщиною шару речовини, після проходження якого інтенсивність випромінювання послаблюється в десять раз. 

Випромінювання високої енергії можуть бути використані в технологічних процесах, для створення нових матеріалів та отримання у них цінних властивостей (підвищення стійкості до нагрівання, механічної міцності) або застосовані для для синтезу необхідних матеріалів.




6. Класифікація діелектричних матеріалів



До діелектричних матеріалів відносяться:

електроізоляційні матеріали, які призначені для:

створення електричної ізоляції струмоведучих частин електричних пристроїв;

використання в якості діелектриків в електричних конденсаторах

активні діелектрики, тобто діелектрики з властивостями, що можуть керуватися:

електричним полем (сегнетоелектрики);

механічним зусиллям (п’єзоелектрики);

електрети (здатні тривалий час зберігати поляризацію).

За агрегатним станом електроізоляційні матеріали поділяються на:

газоподібні ;

рідинні ;

тверді.

В особливу групу можуть бути виділені матеріали здатні переходити з початкового рідинного стану в твердий.

За хімічною природою діелектричні матеріали поділяються на органічні та неорганічні.

Під органічними розуміють з’єднання вуглецю; як правило вони містять також водень, кисень, азот, галогени та інші елементи. Решта діелектричних матеріалів вважається неорганічними; багато з них містять кремній, алюміній (інші метали), кисень і т.п.

Органічні електроізоляційні матеріали мають цінні механічні властивості, гнучкість і еластичність. З них виготовляють волокна, плівки та вироби інших різноманітних форм, тому вони знайшли досить широке застосування.

Серед діелектриків особливе значення мають високомолекулярні органічні матеріали. До високомолекулярних відносяться деякі природні речовини : целюлоза, шовк, білки, каучук. Штучні високомолекулярні матеріали поділяються на два класи:

Штучні матеріали , які виготовляються шляхом обробки природних високомолекулярних речовин. Наприклад, з целюлози отримують ефіри целюлози (ацетилцелюлоза, етилцелюлоза , бензилцелюлоза).

Синтетичні високомолекулярні матеріали, які виготовляються з низькомолекулярних речовин (природний газ, нафта, вугілля).

Полімери – це речовини , молекули яких складаються з великої кількості груп атомів однакової структури, створюються в результаті об’єднання одна з однією молекул відносно простих за складом речовин, так званих мономерів.

Неорганічні матеріали в більшості випадків не володіють гнучкістю та еластичністю, часто вони є крихкими; технологія їх обробки є складною, при цьому вони характеризуються більш високою стійкістю до нагрівання ніж органічні.

Існують діелектричні матеріали з властивостями, які є проміжними між органічними та неорганічними матеріалами – це елементоорганічні матеріали, в молекули яких окрім вуглецю входять елементи, які зазвичай не входять в склад органічних речовин і є більш характерними для неорганічних матеріалів: Si, Al, P та інші.