Электрические характеристики композиционных материалов «Органический электроизоляционный лак – нитрид алюминия»

A. И. Ягупов, А. Р. Бекетов, М. В. Баранов,

B. И. Денисенко, А. Т. Пластун, О. В. Стоянов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

«ОРГАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЛАК - НИТРИД АЛЮМИНИЯ»

Ключевые слова: нитрид алюминия, удельное объемное сопротивление, электрическая изоляция, композиционный материал,

модификатор.

Повышение электрофизических параметров изоляционных пропиточных материалов является эффективным способом улучшения эксплуатационных свойств электротехнических устройств, применяемых в различных отраслях промышленности. Одним из путей повышения электрофизических параметров является введение в пропиточные лаки неорганических соединений с высокими электрофизическими характеристиками.

Keywords: aluminum nitride, specific volume resistance, electrical isolation, composite material, modifier.

Increasing electrophysical parameters of the isolation impregnating materials is an efficient way of improving working properties of electrotechnical equipment used in various branches of industry. One of the ways of increasing electrophysical parameters is introducing inorganic compounds having high electrophysical characteristics into impregrating lacs.

Повышение электрофизических параметров изоляционных пропиточных материалов является эффективным способом улучшения эксплуатационных свойств электротехнических устройств, применяемых в различных отраслях промышленности.

Как показывают опубликованные данные [1], одним из путей повышения электрофизических параметров является введение в пропиточные лаки неорганических соединений с высокими электрофизическими характеристиками. Известны попытки применения таких модификаторов, как маршалит, нитрид бора, кварц, оксиды магния и бария, диоксид титана, карбид бора [2], в различные пропиточные лаки.

Тем не менее, отсутствуют какие-либо сведения об использовании добавок нитрида алюминия. Эти материалы обладают уникальными свойствами: высоким удельным электросопротивлением и повышенным напряжением пробоя, высоким значением диэлектрической постоянной [3].

Эти материалы дополнительно обладают спектром уникальных характеристик. В частности, при высоком удельном электросопротивлении они имеют превосходную теплопроводность (до 300 Вт/мК в монокристаллическом состоянии) [3]. Электрофизические характеристики некоторых неорганических модификаторов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Электрофизические характеристики модификаторов органических пропиточных электроизоляционных лаков [3, 4]

№/ № Модификатор Диэлектри- ческая постоянная Удельное электросо- противление, Ом-м Электрическая прочность, кВ/мм

1 Оксид кремния ($Ю2) 3,5-4,1 1012 -

2 Оксид алюминия (АЬОз) 10,5-12 3,2-1012 20,3

3 Оксид магния (М§О) 8-9 1014 -

4 Нитрид алюминия (АШ) 9 > 1011 30

5 Нитрид бора (БК) 3,6-4,2 1.7-1011 -

6 Оксид бария (БаО) 4,2-3,25 - -

7 Диоксид титана (ТЮ2) 40,0-80,0 - -

8 Нитрид кремния (81зЮ 6,3-7,1 1011 - 1012 -

Нитрид алюминия, полученный на опытнопромышленной установке кафедры редких металлов и наноматериалов УрФУ имеет теплопроводность 60-100 Вт/м-К и различный гранулометрический состав, начиная от 100 нм и до 5-10 мкм. Электротехнические устройства, как правило, работают при повышенных температурах, поэтому улучшение отвода тепла способствует их надежности и увеличению сроков эксплуатации. Следует также подчеркнуть, что практическое использование неорганических модификаторов требует проработки таких вопросов как коррозионно-эрозийной стойкости, определения теплофизических характеристик, адгезии по отношению к органическому электроизоляционному лаку. Нельзя обходить и чисто технологические вопросы: вязкости, устойчивости раствора во времени, наконец, характера распределения модификатора в объеме отвержденного органического электроизоляционного лака.

Учитывая многостадийность необходимых исследований [5], в настоящей работе проведено определение электрофизических свойств композита «органический электроизоляционный лак КО-916К - нитрид алюминия». Для измерения характеристик удельного сопротивления материалов применялись специально приготовленные образцы в виде пленок содержащих различный объемный процент нитрида алюминия толщиной 0,15-0,2 мм. Диаметр основного электрода 35 мм.

Принципиальная схема установки для измерений удельных объемных и поверхностных сопротивлений плоских образцов представлена на рис. 1.

Для определения характеристик электрической прочности и удельного сопротивления образцов использовались нормативы и рекомендации государственных стандартов и нормативных документов [6].

Испытательная установка состояла из источника постоянного регулируемого напряжения (ИПРН), который позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до 600 В, и переключателя П, предназначенного для изменения полярности на-

пряжения, подводимого к образцу с измерительными электродами (рис. 1а). Схемы присоединения приборов и электродов на испытуемых образцах диэлектриков для определения ру и р8 показаны на рис. 1 б и рис. 1 в.

Рис. 1 - Принципиальная схема установки для измерения ру и р5: а - общая схема; б - схема присоединения электродов для определения ру; в -схема присоединения электродов для определения р5

В виду того, что сопротивление изоляции из материалов даже с весьма неважными характеристиками имеет величину, которая при напряжении несколько сотен вольт ограничивает ток на уровне микро-, пикоампер и меньше , требуются измерители тока с очень большой чувствительностью или специальные методы измерения. На рисунке 1 также показана схема измерения тока, протекающего через диэлектрик с применением цифрового милливольтметра. Схема позволяет измерять падение напряжения на шунте с известным сопротивлением от тока, определяемого приложенным напряжением и сопротивлением изоляции.

Величины сопротивлений шунта Ош и разделяющего резистора Я многократно меньше измеряемого. Поэтому разницей напряжений на измерительных электродах образца и измеряемого на выходе источника ИПРН можно пренебрегать. Ток, протекающий через измеряемое сопротивление, определяется по формуле:

где иш - измеренное электронным прибором напряжение на шунте; Рш - установленная при этих измерениях величина сопротивления шунта.

После измерения тока, протекающего через образец, при заданном напряжении определяется объемное сопротивление образца и удельное объемное сопротивление ру и соответственно поверхностное сопротивление образца и удельное поверхностное сопротивление р, по формулам:

_Цу_

'шу

'шв

иуОш

ЦШУ

-'Шв

Р _ о в _ о 2ПП1

рУ _ ОУ “7 _ ОУ---------

а

а

рв _ ов

2п

1п02

где в - площадь измерительного электрода 1; иу -напряжение, подводимое к образцу, d - толщина

образца; ^ и - радиусы измерительного электро-

да 1 и экранирующего 3 соответственно. Геометрические размеры образцов подставляются в метрах.

Атмосферные условия, особенно температура и влажность, а также чистота среды оказывают влияние на величины сопротивлений изоляции и удельные объемные и поверхностные сопротивления. По этой причине величины сопротивлений, приводимые в справочниках, относятся к нормальным атмосферным условиям (давление

760 мм рт. ст., температура воздуха 20°С, абсолютная влажность воздуха 11 г/м3). Характеристики, полученные при измерениях, также приводятся к нормальным атмосферным условиям.

Ввиду того, что токи через твердые диэлектрики при подключении к источнику постоянного напряжения устанавливаются, как правило, с задержкой по времени, поэтому электрические параметры определялись спустя несколько десятков секунд, как рекомендуется в нормативах.

Для определения электрической прочности образцов применялась испытательная установка высокого переменного напряжения ТиЯ-10 (10кВ), образцы помещались между электродами диаметром 60 мм образующими равномерное электрическое поле.

Результаты эксперимента обрабатывались с применением статистических характеристик. Энергия пробоя определялась по формуле:

ис

Е _ ^ср.проб. ;кВ/мм,

пр Д

проб

І_1

где Цср.проб.

п

мм; N - количество образцов. Разброс данных характеризуется:

•кВ, Д - толщина образцов,

Ёкроб '“'ср. І_1

Цср проб.)

П -1

Результаты измерения удельного объемного сопротивления ру отвержденной композиции «электроизоляционный лак КО-916К - нитрид алюминия» приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты измерения удельного объемного сопротивления рт и напряжения пробоя ипроб композиции «органический электроизоляционный лак КО-916К - нитрид алюминия»

Состав композита

0 (чистый лак КО-916К) 3,0-1013 75

10 3,3-1013 102

30 3,4-1013 109

изм

О

в

Приведенные данные наглядно свидетельствуют о том, что с ростом содержания нитрида алюминия увеличивается как объемное сопротивление, так и напряжение пробоя. Пробой образцов происходит на плоской поверхности образца, без консолидации в местах расположения частиц неорганического модификатора.

Выводы

1. Анализ опубликованных данных свидетельствует о том, что введение неорганических модификаторов повышает электрофизические свойства пропиточных электроизоляционных лаков.

2. Практическое применение неорганических модификаторов определяется комплексом свойств: физико-химических и технологических.

3. Разработана и смонтирована установка для определения удельного объемного сопротивления композитов «электроизоляционный лак КО-916К - нитрид алюминия»

4. Показано, что введение нитрида алюминия улучшает электрофизические характеристики пропиточного электроизоляционного лака КО-916К.

Исследование проведено при финансовой

поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.

Литература

1. Бернштейн Л.М. Изоляция электрических машин общего назначения. 3-е издание, перераб. и доп.- М.: Энергоиздат, 1981. - 376 с.

2. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий и др. - Л.: Энергия, 1977. - 352 с.

3. Самсонов Г.В. Тугоплавкие соединения / Г.В. Самсонов, И.М. Винницкий. - М.: Металлургия, 1976. - 557 с.

4. Самсонов Г.В.Физико-химические свойства окислов. -М.: Металлургия, 1969.- 453 с.

5. Применение композиционного материала «нитрид алюминия - кремнийорганический лак КО-916К» в качестве пазовой изоляции обмоток статора асинхронных электродвигателей малой и средней мощности / Ягупов А.И., Елагин А.А., Лихачев С.С., Поротникова Н.М., Баранов М.В., Бекетов А.Р., Стоянов О.В. // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16, №5. - С. 161-166.

6. Казарновский Д.М. Испытание электроизоляционных материалов / Д.М. Казарновский, Б.Н. Тареев. - Л.: Энергия, 1969. - 296 с.

© А. И. Ягупов -- вед. инж. каф. редких металлов и наноматериалов Уральского федер. ун-та имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, yagupov.alexander@gmail.com; А. Р. Бекетов - д.т.н., проф. той же кафедры, beketovar@dpt.ustu.ru; М. В. Баранов - д.т.н., проф. той же кафедры, mbaranov@k66.ru; В. И. Денисенко - д.т.н., проф. каф. электрических машин того же вуза, kem_em@mail.ustu.ru; А. Т. Пластун - д.т.н., проф., зав. каф. электрических машин того же вуза, О. В. Стоянов - д.т.н., проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.