Из минеральных диэлектриков наибольшее применение получили кварц, мрамор, асбест и асбестоцемент.
Кварц представляет собой естественный минеральный диэлектрик, обладающий весьма высокими диэлектрическими свойствами, зависящими от наличия примесей. Его химическая формула (SiO2)n. Различают кварц кристаллический и аморфный.
Рис. 140. Кристалл кварца: а- общий вид кристалла и его главные оси, б- сечение кристалла, перпендикулярные оси,3- поляризация кубика, вырезанного из кристалла кварца
Кристалл кварца имеет гексагональную структуру в виде шестигранных призм, увенчанных пирамидами. Он обладает различными диэлектрическими свойствами в зависимости от направления в кристалле (рис. 140).
Так, по направлению оси z кристалла: rυ=1014 Ом * см, а перпендикулярно к ней, т.е. по оси x или y, υ = 1016 Ом* см, величины диэлектрической проницае¬мости соответственно указанным выше направлениям: = 4,58 и ε = 4,41. Тангенс угла диэлектрических потерь кристаллического кварца tg δ = 3 *10-4
Кристаллический кварц является пьезоэлектриком, т. е. он под действием механических воздействий, например растяжения или сжатия, приобретает на сторонах пластинки (определенным образом вырезанной из кристалла) электрические заряды противоположного знака.
На (рис. 140, а) изображен общий вид кристалла, а на (рис. 140, б) — его сечение, перпендикулярное оси z указанием направлений осей х и у. Если вырезать из кристалла кубик, рёбра которого параллельны осям кристаллa х, у, z и подвергнуть его растяжению по какой-либо оси, например по оси у, то на перпендикулярных к этой оси гранях кубика появятся равные и противоположные электрические заряды (рис. 140, в). Если же по этому направлению сжать кубик, то противоположные заряды поменяются местами. Если кубик (или пластинку) подвергнуть воздействию внешнего переменного электрического поля, он будет сжиматься и растягиваться, т.е. на нем будут создаваться упругие деформации, в результате которых он будет вибрировать. Это свойство кристалла кварца широко используется для создания ультразвуковых колебаний.
Применение электроизоляционных изделии из плавленого кварца ограничивается из-за высокой температуры плавления кварца (1800—2000°C) и сложности обработки кварцевого стекла.
Мрамор — минерал, состоящий в основном из углекислого кальция (СаСОз), кальцита и примеси углекислого магния или магнезита. Диэлектрические свойства мрамора невысоки. Его удельные электрические сопротивления находятся на следующем уровне: rυ = 108÷109 Ом * см, Епр.= 2,0÷3,0 кВ/мм, и сильно зависят от влажности окружающей среды.
Мрамор — гигроскопичен и поэтому для использования в качестве электроизоляционного материала его шлифуют и пропитывают органическими веществами — парафином или лаками.
Мрамор сравнительно легко поддается механической обработке, т. е. распиливается, сверлится, шлифуется, но хрупок и при обработке выкрашивается.
Механическая прочность его при изгибе σи= 100÷140 кГ/см2. Остальные характеристики мрамора следующие: удельный вес 2,4÷2,8 г/смз; σр = 200÷300 кГ/см2; водопоглощение 0,15÷0.4% (за 24 часа).
Положительным свойством мрамора является его негорючесть, но предельная температура использования мрамора составляет 110—120°С. При длительном воздействии на мрамор более высоких температур он становится хрупким.
Из мрамора изготовляют различного рода распределительные доски и основания для рубильников и щитков с предохранителями в установках на напряжении до 500 В.
Асбест (горный лен) объединяет группу природных материалов, характерным свойством которых является их волокнистое строение. Волокна их легко расщепляются на тонкие отдельные волоски диаметром в тысячные доли миллиметра и длиной до нескольких сантиметров.
В электротехнике для изготовления различных электроизоляционных материалов (бумаги, пряжи, лент, картона) используется преимущественно хризотиловый асбест, представляющий собой силикат магния (3МgO · 2SiO2 · 2H2O). Он содержит химически связанную воду и является гигроскопичным материалом. Гигроскопичность его обусловливается поверхностными свойствами. Волокна асбеста не впитывают воду, a покрываются водяной плёнкой. В результате этой гигроскопичности и наличия в асбесте различных примесей электрические свойства асбестовых материалов (асбестовые бумаги и ткани) невысоки (rυ = 109÷1010 Ом*см; Епр=3÷5 кВ/мм). Однако асбест обладает некоторыми положительными свойствами, позволяющими применять его в электротехнике. Основным достоинством его является высокая нагревостойкость и негорючесть. При температуре около 450°С асбест плавится. Рабочая температура асбеста до 450°С. При температуре 450°С и выше из асбеста начинает удаляться химически связанная вода и волокна его теряют механическую прочность.
Основные характеристики асбеста следующие: удельный вес 2,3÷2,6 г/см3; σР = 300÷400 кГ/см3.
Из асбестовых волокон изготовляется электроизоляционная бумага толщиной 0,2—0,5 мм, в рулонах шириной 950 мм. Для повышения механической прочности асбестовой бумаги в нее вводят небольшое количество хлопчатобумажного волокна (марка А). Кроме того, выпускают бумаги, состоящие только из волокон одного асбеста (марка Б).
Асбестовый картон выпускают в листах толщиной от 2 до 12 мм и площадью от 900*900 до 1000*1000 мм2. Влагопоглощаемость асбестовых бумаг и картонов составляет 3—4% за 24 часа. Из асбестовой пряжи изготовляют асбестовые ткани и ленты. Асбестовые ткани выпускают шириной 1040 мм и длиной не менее 25 м. Толщина асбестовых тканей 1,2—1,9 мм.
Асбестовые ленты полотняного переплетения пряжи, в которой содержится 30% хлопчатобумажных волокон, введенных с целью повышения механической прочности.
Ленты выпускают толщиной 0,25—0,6 мм и шириной 13—38 мм. Они служат для изоляции в катушках полюсов и в секциях обмоток некоторых типов электрических машин.
В электрических машинах высокого напряжения находят применение ленты из железистого асбеста, содержание около 8% окислов железа. Поэтому удельные сопротивления этих лент сильно понижены (rυ = 105÷106 Ом·см; rs = 104÷105 Ом·см). Эти полупроводящие ленты применяют для выравнивания силовых линий электрического поля на частях обмоток, выходящих из пазов сердечника статора, где наблюдается концентрация силовых линий электрического поля, что может вызвать пробой изоляции обмоток.
Все асбестовые материалы применяют в пропитанном (лаками и компаундами) виде. В результате пропитки устраняется гигроскопичность асбестовых бумаг и тканей и улучшаются их электрические характеристики.
Асбестоцемент изготовляется из асбестового волокна и портландского цемента. Этот материал представляет собой органическую пластмассу, в которой связующим веществом является портландцемент, а наполнителем – асбестовые волокна.
Процесс изготовления асбестоцемента состоит в смешивании распушенного асбеста с цементом и водой. Тщательно перемешанную смесь отливают в листы на особой асбестоцементной машине. Сырые листы наматывают на цилиндры до требуемой толщины и разрезают на пластины, которые прессуют под давлением до 200 кГ/см2, после чего листы высушивают.
Марки асбестоцемента 350, 400, 450 и 500 указывают на наименьшую прочность при статическом изгибе асбестоцементных образцов. Размеры выпускаемых досок должны составлять по длине 1200 мм, по ширине 700 и 800 мм, по толщине 4, 5, В, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 мм. Механическая прочность досок характеризуется величиной удельной ударной вязкости, которая должна быть не менее следующих значений при толщине:
» » 4 -8 мм -4,0 кг·см/см2;
» » 10—12 мм — 4,5 кг · см/см2;
» » 15 мм — 6,0 кг · см/см2;
» » 20 мм и выше — 8,0 кг·см/см2.
Асбестоцементные доски выпускают с необработанной и обработанной (фрезерованной) лицевой поверхностью. Длина досок 1200 мм, ширина 700 и 800 мм, толщина 4—40 мм (необработанные) и 10—40 мм (обработанные).
Водопоглощаемость непропитанных асбестоцементных досок высокая: 15—25%. Электрическая прочность высушенных досок Епр=1,5÷2,0 кВ/мм. Поэтому асбестоцементные доски используют в электрических устройствах низкого напряжения (основания контакторов, перегородки и искрогасительные камеры в электрических аппаратах) только в пропитанном виде. Пропитку досок и других изделий из асбестоцемента производят в льняном масле и в расплавленном парафине или битуме. Пропитку асбестоцементных изделий производят только после их механической обработки (сверление, фрезерование и др.), для того чтобы не осталось непропитанных мест.
Перед пропиткой доски и изделия сушат при 150°С в течение 1—2 час на каждый миллиметр толщины и затем еще не остывшие листы и изделия погружают в пропитывающую жидкость. В качестве пропитывающего вещества применяют парафин, льняное масло и битумы. При использовании битумов пропитку ведут при 230—240°С также в течение 1—2 час. (на миллиметр толщины материала).
Пропитку дугостойких перегородок и камер из асбестоцемента обычно производят в парафине или в льняном масле. При этом привес парафина не должен превышать 6-7% во избежание понижения дугостойкости материала.
Основные характеристики пропитанных изделий из асбестоцемента следующие: rν = 109÷1010 Ом·см; Епр = 2÷3 кВ/мм.
Асбопласт представляет собой неорганическую пластмассу холодного прессования на основе асбестоцемента. Состав асбопласта: портландцемент 65%, асбест хризотиловый (волокна) 20%, каолин или глина формовочная 15%. Так как в состав асбопласта входит глина, прессовочные свойства его значительно выше, чем асбестоцемента. Потому из асбопласта можно получать (прессованием в стальных пресс-формах) электроизоляционные изделия сложного профиля. Прессование изделий из асбопласта производят при удельных давлениях 500-600 кГ/см2. Отпрессованные изделия выдерживают на воздухе 14-16 час., а затем в кипящей воде 6-8 час. Объёмная усадка у асбопласта практически отсутствует.
Основные характеристики асбопласта следующие: удельный вес 2,2 г/см3; σи= 250 кГ/см2; σс = 700 кГ/см2; удельная ударная вязкость а = 3 кг∙см/см2; rυ = 109÷1010 Ом*см; Епр = 2÷3 кВ/мм. Электрические характеристики даны для асбопластовых изделий, пропитанных в парафине.