Электроизоляционный фарфор: его получение, свойства и применение в электроизоляционной технике.

Шифр 18

В чём различия между термопластичными и термореактивными материалами? Привести примеры их использования в электроизоляционной технике.

Высокополимерные материалы состоят из молекул больших размеров, включающих в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры – вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций образуется новое высокополимерное вещество (полимер) большой молекулярной массы. Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. При полимеризации молекулярная масса вещества увеличивается, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние твердого тела.

В молекулах полимеров молекулы мономера прочно связаны друг с другом силами химических связей.

- А - А - А - А -

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т.е. линейную структуру. Это линейные полимеры, способные размягчаться при нагревании, т.е. они являются термопластичными материалами.

Полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространстве, называются пространственными, они относительно хрупки, как правило, не размягчаются при нагревании, т.е. являются термоактивнымиматериалами.

Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение.

Высокополимерные вещества бывают природными (янтарь, натуральный каучук) и синтетическими (полистирол и др.).

В современной электротехнике используются, главным образом, синтетические высокополимерные материалы - диэлектрики.

Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдерживать повышенные температуры, не деформируясь и сохраняя высокую механическую прочность, или если она должна быть стойкой при соприкосновении с растворителями, то целесообразно использовать термореактивные материалы.

Термопластичные материалы более эластичны и менее хрупки, чем термореактивные, менее подвержены тепловому старению.

В ряде случаев технология обработки термопластичных материалов проще.

Приведем характеристики некоторых полимерных материалов.

Полистирол получают в результате полимеризации исходного вещества - стирола С₈Н₈,представляющего жидкий ненасыщенный углеводород со структурной формулой, представленной на рис.1.

Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода молекула обладает способностью легко полимеризоваться. В результате образуется твердое вещество – полистирол (рис.2).

Рис. 1 Молекула стирола

Рис. 2 Строение молекулы полистирола

Полистирол имеет следующие характеристики:

- плотность – 1050 кг/м³;

- s_р= 39-41 Мпа;

- удельная вязкость - a = 18-22 кДж/м²;

- теплостойкость – 75-80°С, размягчается при +110-+120°С;

- холодостойкость – до -60°С;

- растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле;

- r=10¹³-10¹⁴ Ом×м4

- e=2,4;

- tgd=(2-4)×10^-4;

- Е_пр=25-30 МВ/м.

Применяется для изготовления катушек, изоляционных панелей, оснований и изоляторов для электроизмерительных приборов. Может использоваться в виде пленок (стиропленки) толщиной 20-100 мкм и шириной 10-300 мм; имеет при этом Е_пр = 80-100 МВ/м. Основное применение – изоляция жил высокочастотных кабелей и производство конденсаторов.

Главный недостаток полистирола – хрупкость, т.е. невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

От этих недостатков свободен ударопрочный полистирол – смесь полистирола с синтетическими каучуками или сополимерами. Имеет a=40-50 кДж/м² и e=3,0-3,3

Полиэтилен - твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь, получают полимеризацией под давлением газа этилена Н₂С=СН₂.

Различают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

В зависимости от марки имеет плотность 920-960 кг/м³.

Имеет разную степень кристаллизации и, соответственно, температуру плавления – 108-125 и 130°С.

Величина s_р=10-18 МПа, 18-40 МПа, 23-31 МПа; теплостойкость 55-60°С, 85°С и 70°С для полиэтилена высокого, среднего и низкого давления соответственно.

Холодостойкость – до -70 -150°С.

Электрические свойства такие же, как у полистирола. При комнатной температуре в растворителях не растворяется, при температуре +70°С растворяется в ксилола, минеральных маслах.

Основными недостатками являются невысокая нагревостойкость (90°С), склонность к растрескиванию, нестойкость к солнечному свету.

Применяется для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых кабелей.

Из полиэтилена высокого давления изготавливают электроизоляционные полупроводниковые пленки толщиной 30-200 мкм и шириной до 1,5 м, а из полиэтилена СД и НД – негибкие электроизоляционные изделия – каркасы, катушки, платы и др.

Для повышения нагревостойкости до 100°С полиэтилен подвергают ионизирующему облучению, при этом происходит соединение линейных молекул друг с другом и образование больших пространственных молекул.

Винипласт получают горячим прессованием из порошкаполивинилхлорида. Химически стоек, обладает высокой механической прочностью, ударостоек, имеет хорошие изоляционные свойства.

Характеризуется следующими параметрами :

- плотность – 1350 кг/м³;

- s_р=60-80 МПа;

- a=100-150 кДж/м²;

- теплостойкость - +60 - +80°С;

- холодостойкость - - (10-15)°С;

- разлагается при +150 - +200°С;

- r_v=(1,0-10)^-12 Ом×м;

- e=3,2;

- tgd=0,01-0,02;

- Е_пр=30-42МВ/м.

Недостатком винипласта является малая холодостойкость.

Винипласт легко обрабатывается. Применяется для изготовления баков для аккумуляторов, корпусов химических и гальванических ванн и пр.

Поливинилхлоридный пластикат представляет гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами – густыми маслообразными жидкостями (дибутилфтолат и др.) в количестве 30-35%. Смесь прокатывается пол нагревом несколько раз, в результате получают гибкий пластикат в виде лент толщиной 0,8-2,5 мм и шириной до 400 мм.

Имеет:

- плотность - 1200-1300 кг/м³;

- s_р=18-20 МПа;

- холодостойкость до - 45 - 60°С;

- температуру размягчения +200 - +250°СЖ

- r_v=10⁹-10¹² Ом×м;

- e=4-5;

- tgd=0,03-0,08;

- Е_пр=20-30 МВ/м.

Применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек – шлангов, кабелей, и липкой изоляционной ленты.

Полиэфиры (полиэфирные смолы) – некоторые синтетические полимеры; по своим свойствам близкие к природным смолам – канифоли и др. являются продуктами поликонденсации различных спиртов и органических кислот. Полиэфиры . получаемые из двухатомных спиртов (гликолей), т.е. спиртов, имеющих две гидроксильные группы (OH) в молекуле и из двухосновных органических кислот, т.е. кислот, имеющих две карбонильные группы (COОH) в молекуле термопластичный.

Полимеры, получаемые из трех атомных спиртов, из кислот с основностью не менее двух – термореактивны.

Так, полиэтилентерефталат (в России – лавсан, по аббревиатуре слов «лаборатория высокомолекулярных соединений АН СССР»), получаемый из этиленгликоля (НО-СН₂-СН₂-ОН) и двухосновный терефталевой кислоты (НООС-С₆Н₄-СООН) имеет линейное строение молекулы и является типичным термопластичным материалом.

Характеризуется значительной механической прочностью.

Имеет следующие параметры:

плотность 1400 кг/м³;

s_р=100-180 МПа;

холодостойкость – до -150°С;

нагревостойкость – до +120 - +130°С;

температуру размягчения +260°С;

r_v=10¹²-10¹³ Ом×м;

e=0,2;

tgd=0,002-0,006;

Е_пр=140-180 МВ/м.

Изготавливается в виде прозрачных пленок толщиной 80-100 мкм.

Применяется в качестве пазововой изоляции в электрических машинах, в качестве высокопрочной изоляции эмалированных проводов.

Гифтали (гифталевые смолы) получают поликонденсацией многоатомныных спиртов (гликоль, глицерин и др.) и органических кислот (фталевая, малеиновая и др.). Эти термореактивные материалы, обладающие высокой клейкостью, применяются для изготовления клееной слюдяной изоляции. Они обладают высокой нагревостойкостью – до 130°С.

Полиметилметакрилат (плексиглас, органической стекло) – полимер метилового спирта и метакриловой кислоты. Основными характеристиками являются:

плотность 1180 кг/м³;

s_р=60-70 МПа;

холодостойкость – до -50…-60°С;

теплостойкость – +60 - +80°С;

r_v=10¹⁰-10¹¹ Ом×м;

e=3,6;

tgd=0,06;

Е_пр=15-22 МВ/м.

Устойчив к действию разбавленных кислот, бензину, минеральным маслам. Растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле, кселоле), ацетоне и др. растворителях.

Оргстекло – термопластичная пластмасса, легко формуется и механически обрабатывается, склеивается дихлорэтановым клеем.

Электроизоляционный фарфор: его получение, свойства и применение в электроизоляционной технике.

Фарфор электротехнический является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

Природа образования термоэлектродвижущей силы. Коэффициент термо-ЭДС. Металлические и полупроводниковые материалы, используемые для изготовления термопар, терморезисторов и термоэлементов.

Явление термоэлектричества было открыто в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом. Сущность этого эффекта состоит в том, что если два разнородных по материалу проводника А и В (или полупроводника) соединить концами и поместить их в среды с разными температурами Θ₁ и Θ₂, то в контуре этих проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс). Эта термоэдс в определенном интервале температуры будет пропорциональна разности температур двух концов электрической цепи и зависит от материала проводников. Цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой, а возникающая при нагреве спая электродвижущая сила называется термоэдс. Проводники А и В, составляющие термопару, называют термоэлектродами, а места их стыка - спаями. Спай, температура которого должна поддерживаться постоянной, называют холодным или свободным концом, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой, -горячим.

Термопары являются датчиками температуры генераторного типа (преобразующими тепловую энергию в эдс) и получили широкое применение в схемах автоматического контроля и регулирования в диапазоне температур от 373 до 2000 К.

Термопары по сравнению с другими датчиками, применяемыми для измерения температур, обладают следующими достоинствами:

· простотой устройства;

· небольшими габаритами;

· возможностью измерения больших температур.

Для измерения термоэдс, развиваемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (милливольтметр или потенциометр).

В некоторых случаях для измерения малых разностей температур в целях получения большей термоэдс применяют термобатареи (по аналогии с последовательно включенными электрическими элементами), т. е. несколько последовательно включенных термопар. Дело в том, что термоэдс, развиваемая термопарой, невелика и составляет для разных термопар 0,01–0,07 мВ на 1 ⁰С (274 К).

При последовательном соединении нескольких (n) термопар их термоэдс суммируются. В связи с этим принято считать, что при использовании термобатареи из n термопар в n раз повышается точность измерения разности температур.

Термоэлектрическая цепь характеризуется следующими свойствами:

· величина термоэдс зависит только от материала термоэлектродов и температуры каждого спая;

· термоэдс не зависит от размеров термоэлектродов и от распределения температуры вдоль термоэлектродов (если при этом температура cпаев остается неизменной);

· в термоэлектрическую цепь можно включить измерительный прибор, так как в этом случае величина термоэдс не изменяется.

В качестве материала для изготовления термопар используются:

· платинородий (10 % родия) - платина;

· платинородий (30 % родия) - платинородий (6 % родия);

· хромель - алюмель;

· хромель - копель;

· вольфрам - молибден;

· медь - копель;

· железо – копель.

Термоэдс при максимальной рабочей температуре не превышает 10–50 мВ.

Расшифровка состава сплавов, составляющих термопары следующая:

· хромель – сплав, 90 % никеля и 10 % хрома;

· копель – сплав 55 % меди и 45 % никеля;

· алюмель - сплав 95 % никеля и 5 % алюминия, кремния и марганца;

Термоэлектродные материалы

К материалам термоэлектродов, предназначенным для изготовления термопар, предъявляются следующие основные требования:

1) сохранение с течением времени в пределах рабочих температур своих механических и химических свойств;

2) достаточно высокая термоэлектродвижущая сила;

3) хорошая электропроводность (температурный коэффициент электросопротивления должен быть минимальным);

4) линейная зависимость термоэдс, от температуры;

5) сохранение свойств электродов, изготовленных из металлов разных плавок.

В зависимости от назначения термопары изготовляют из благородных и неблагородных металлов, а также из полупроводниковых материалов.

Термопары из благородных металлов. Из этой группы термопар наибольшее распространение получила термопара, состоящая из платинородия (90 % платины и 10 % родия) - один электрод из чистой платины - другой электрод. Эта термопара получила распространение как образцовая и может применяться для измерения температур до 1900 К кратковременно и до 1600 К длительно. Достоинством данной термопары является химическая стойкость в условиях окислительной среды, а недостатком - малая величина развиваемой термоэдс.;

Для измерения температур до 1900 К применяют термопары из платинородиевых сплавов с различным содержанием родия.

Термопары из неблагородных металлов. Эти термопары широко применяют для измерения температур в различных отраслях техники. Наибольшее распространение получили термопары хромель-алюмель и хромель-копель. Для измерения температур в пределах 220–1300 К применяют хромель-алюмелевые термопары. Эта термопара устойчиво работает в окислительной среде при высоких температурах (образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла).

Хромель-копелевая термопара менее подвержена действию влаги, хорошо работает в окислительной среде. Она развивает самую большую термоэдс из всех термопар.

Для измерения температур свыше 1900 К применяют термопару вольфрам-молибден. К достоинствам этой термопары относятся высокая температура плавления обоих термоэлектродов и небольшая стоимость, а к недостаткам - быстрое окисление термоэлектродов и хрупкость при высоких температурах, что затрудняет их применение.

Кроме стандартных термопар применяют медь-копелевую и железо- копелевую термопары. Медь-копелевая термопара имеет небольшой верхний температурный предел при длительном применении. Объясняется это тем, что медь при температуре более 600 К начинает быстро окисляться. Достоинство такой термопары - небольшая стоимость. Железо - копелевая термопара может быть использована при температурах до 900 К. При повышении температуры свыше 900 К срок ее службы уменьшается. Эта термопара применяется редко, так как железо подвергается ржавлению, что является недостатком.

При выборе термопары следует руководствоваться не только величиной термоэдс, но и стоимостью, а также допускаемой температурой.

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 988; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!