Одной из важнейших задач электроматериаловедения является разработка электроизоляционных материалов с повышенной нагревостойкостью. Применение таких материалов в изоляции электрических машин и аппаратов позволяет повысить их температуру нагрева и делает возможным увеличение мощности машин и аппаратов, не изменяя их веса и габаритов.
Рассмотренные ранее высокополимерные органические диэлектрики могут длительно использоваться при температурах до 90—105°С и только некоторые из них, например глифтали, до 130°С. Таким образом, подавляющее большинство органических диэлектриков может длительно работать при температурах 90—105°С (классы нагревостойкости Y и А). При повышении указанных температур органические диэлектрики в результате теплового старения быстро разрушаются.
Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электрокерамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции. Как показали исследования, причиной низкой нагревостойкости высокополимерных органических диэлектриков является сравнительно малая энергия связи между атомами углерода, составляющими основы молекул органических диэлектриков. Так. например, энергия химической связи между атомами: углерод — углерод (С — С) равна 58,6 ккал/моль.
При нагревании диэлектриков в процессе их использования до температуры, при которой тепловая энергия будет выше энергии химической связи, они будут претерпевать тепловое старение, т. е. разрушаться. Надо было изыскать новые виды диэлектриков, которые бы состояли из молекул с большей энергией связи.
В результате многочисленных исследований были разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики. В основе молекул этих
.
Рис. 102. Зависимость tg δ от температуры у кремнийорганической и органической (полиэфирной) смолы: 1- кремнийорганическая смола, 2- органическая (полиэферная) смола
диэлектриков находится силоксановая группировка атомов — Si — О — Si — (кремний — кислород — кремний), энергия связи которой равна 89,6 ккал/моль. Вследствие этого кремнийорганические диэлектрики обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с органическими диэлектриками, рассмотренными ранее. Название «кремнийорганические диэлектрики» обусловлено тем, что в состав молекул, кроме атомов кремния и кислорода, входят остатки различных органических соединений: СН3; С2Н5; С6Н5 и др. Эти органические остатки называются органическими радикалами и обозначаются (R). В общем виде молекула кремнийорганических высокополимерных диэлектриков может быть представлена так:
R R R
| | |
— Si —О —Si —О —Si —
| | |
R R R
В зависимости от присоединенного органического радикала (R) и от числа их, приходящихся на один атом кремния, могут быть получены жидкие, каучукоподобные и твердые диэлектрики. Это либо бесцветные вещества, либо имеющие окраску от бледно-желтой до коричневой. Отличительной особенностью кремний органических диэлектриков является их высокая нагревостойкость и морозостойкость.
Кремнийорганические электроизоляционные материалы (пластмассы, резины, лаки и др.) могут длительно работать в интервале температур от —60 до 180°С, а некоторые из них до 200°С. Кроме того, кремнийорганические диэлектрики отличаются высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, а также к электрическим искровым разрядам.
Эти диэлектрики не растворяются в минеральных маслах (трансформаторном и др.) и не обогащаются углеродом под действием электрических искр.
Электрические характеристики кремнийорганических диэлектриков находятся на высоком уровне и мало изменяются при нагреве (рис.102)
и при воздействии на диэлектрики воды (рис.104). Кремнийорганические материалы являются слабополярными диэлектриками. Их электрические характеристики следующие:
ρ0 =1014-1016 Ом • см; ε = 2,6-3,5; tg δ = = 0,0008 + 0,02; Епр =20 + 45 кВ/мм (у лаковых пленок Епр =60-120 кВ/мм).
Наша промышленность вырабатывает большое количество кремнийорганических лаков (ЭФ-3; ЭФ-5; К-40; К-41; К-44 и др.) и эмалей (ПРК-13; ПРК-15; ПВЭ-2 и др.), а также пластмасс. По нагревостойкости кремнийорганические диэлектрики относятся к классу Н, т. е. могут длительно работать при температурах до 180°С включительно.
Рис.103. Зависимость удельного объемного сопротивления пленок кремнийорганического лака от продолжительности нагрева и от времени пребывания в воде: 1-выдержка при 180°С, 2- выдержка в воде.
Фторопласт-4. Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала —фторопласта-4. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Он получается в результате полимеризации сжиженного газа — тетрафторэтилена (F2C= CF2). Образующийся вначале полимер представляет собой рыхлый порошок белого цвета, из которого прессованием (в стальных пресс-формах) получают заготовки в виде брусков, пластин и других изделий. Чтобы образовался плотный, монолитный материал, отпрессованный заготовки подвергают спеканию в печах. При быстром охлаждении нагретых заготовок и изделий материал имеет аморфное строение, а при медленном охлаждении материал приобретает кристаллическое строение.
Быстро охлажденные (закаленные) изделия из фторопласта-4 обладают повышенной механической прочностью. Но у образцов, имеющих кристаллическую структуру, наблюдается большая стабильность электроизоляционных свойств.
Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250°С) и морозостойкость (—269°С). При нагреве фторопласта-4 до 327°С (точка перехода) его кристаллическая структура переходит в аморфную и материал приобретает прозрачность. При нагреве до температур выше 327°С материал не размягчается вплоть до температуры 415°С, когда начинается термическое разложение материала с отщеплением свободного фтора, являющегося токсичным веществом.
Фторопласт-4 — единственный органический материал, который по его высокой нагревостойкости можно отнести к классу С (выше 180°С).
Причиной весьма высокой нагревостойкости фторопласта-4 является большая величина энергии химической связи между атомами углерода и фтора (107 ккал/моль) в его молекуле. Фторопласт-4 отличается также исключительной химической стойкостью. Он не растворяется ни в одном из растворителей как при комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость фторопласта-4 равна нулю и он не смачивается водой.
Характеристики фторопласта-4: удельный вес 2,1/2,3 г/см3; σр=140/250 кГ/см2 (незакаленный); σр = 200-450 кГ/см2 (закаленный); ап =110-130 кг * см/см2; ρν = 1018-1019 Ом * см; ε=1,9 -2,2; tg δ = 0,0002 - 0,0003; Епр = 25-27 кВ/мм.
Гибкость материала в толстом слое сохраняется до температуры — 80°С, а в тонком слое (пленка) до — 100°С. Фторопласт-4 поддается всем видам механической обработки, обточке, фрезерованию и др., но не склеивается. Отрицательным свойством фторопласта-4 является его текучесть при комнатной температуре, т. е. он начинает деформироваться при напряжении в материале от 130 кГ/см2 и выше. Поэтому на изделия из фторопласта-4 нельзя допускать механические нагрузки, создающие в материале напряжения выше 130 кГ/см2.Фторопласт-4 —неполярный диэлектрик, вследствие чего его диэлектрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Большое применение в электротехнике имеют тонкие (от 10 до 200 мк) пленки, получаемые в виде стружки, снимаемой с монолитных цилиндров фторопласта-4 на токарных станках.