Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Компаунды представляют собой изоляционные составы, которые в момент использования бывают жидкими, а затем отвердевают. Компаунды не имеют в своем составе растворителей. По своему назначению данные составы делятся на пропиточные и заливочные. Первые из них применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые — для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электромашинах и приборах с целью герметизации.

Стекло и керамика

Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO2, B2O3, GeO2, P2O5, Al2O3); галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF2 (фторберилатные стекла) и халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

  1. по виду окисла стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.;
  2. по содержанию щелочных окислов - бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды MgO, CaO, BaO и др.) малощелочные; многощелочные.

Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na2O3, K2O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO2 и B2O3. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность. [DIE12A] стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 108 до 1015 Ом.м.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных. tg[Delta] стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов PbO и BaO имеют низкий tg[Delta].

Самую низкую [Epsilon] имеет кварцевое стекло (3.7 - 2.8) и стеклообразный борный ангидрид (3.1 - 3.2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, [Epsilon] стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20).

В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17 - 80 МВ/м.

Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.

Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава 1300 до 1400оС. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: [Epsilon]=6 - 7, tg[Delta] около 0.02. tg[Delta] электротехнического фарфора, однако быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице.

Конденсаторная керамика имеет повышенные ([Epsilon]=10 - 230 ) и высокие значения ([Epsilon]=900 ). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tg[Delta] на частоте 1МГц не должен превышать 0.0006, во втором случае керамика низкочастотная - на частоте 1кГцtg[Delta] = 0.002 - 0.025. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил (TiO2). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция -CaTiO3 и SrTiO3.

  Oсoбым рядoм электрических свoйств oблaдaют пoлупрoвoдники. Ширoкo испoльзуют пoлупрoвoдникoвыe приборы в усилитeляx электрических сигнaлoв, рaдиoэлeктрoнныx устрoйствax, выпрямитeляx пeрeмeннoгo тока и мнoгиx другиx oблaстяx. Мaгнитныe материалы сoстaвляют oпрeдeлeнную группу. Свoйствoм измeнять мaгнитнoe пoлe oблaдaют мaгнитныe материалы, в кoтoрoe иx пoмeщaют.