Тепловые свойства диэлектриков кратко

Обновлено: 30.06.2024

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относят нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость — способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообраз­ном, высокоэластичном или вязкптекучем состояниях.

Для электроизоляционных материалов установлено семь клас­сов нагревостойкости (табл. 10.1).

К классу Y относят органические диэлектрики: полистирол, по­лиэтилен, непропитанные волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картон).

К классу А относят те же волокнистые материалы, по пропитан­ные полиамидными смолами, масляно-смоляными и поливинилацетатными лаками.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем, где в качестве связующего используют фенолоформальдегиды и подобные им смолы (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнителями из древесной муки и т. п.) Сюда же относят эпоксидные, полиэфирные, полиуретяновые смолы и компаунды.

К классу В относят материалы, для которых характерно боль­шое содержание неорганических компонентой. Это диэлектрики на основе слюды, стекловолокна, асбеста с органическим связующим, например стеклоткань, стеклотекстолит на фенолоформальдегидной смоле.

К классу F относят материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста, полученные с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости (кремнийорганических, эпоксидных смол).

К классу Н относят кремнийорганические лаки и резины, а так­же композиционные материалы, состоящие из слюды, стеклянных полокон, асбеста, склеенных с помощью кремнийорганическнх смол н лаков, отличающихся высокой нагрсвостойкостыо.

К классу С относят преимущественно диэлектрики неорганичес­кого происхождения, совершенно без склеивающих или пропиты­вающих органических составов. Это слюда, стекло, кварц; асбест, микалекс. Из органических электроизоляционных материалов в класс С входят только фторопласт-4 и полиимиды (пленки, волокна и т. п.).

Теплопроводность. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока в окруженных изоляцией проводниках и магнитопроводах, в различных электрических аппаратах и приборах, а так же тепло, выделяющееся вследствие диэлектрических потерь в изо­ляции, должно проходить через слой изоляции в окружающую среду. Теплопроводность изоляции влияет на степень нагрева про­водников, магнитопроводов, на электрическую прочность самой изоляции и на стойкость материала к термоударам.

Тепловое расширение. Это свойство диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом длины (ли­нейного расширения) ТК l. Средние значения ТК l некоторых элект­роизоляционных материалов в интервале температур от 20 до 100° С приведены в табл, 10.3.

Холодостойкость — способность электрической изоляции рабо­тать при низких температурах без недопустимого ухудшения экс­плуатационных характеристик. При низких температурах, как пра­вило, электрические свойства изоляционных материалов улучшают­ся, однако ряд механических свойств ухудшается.



Органические полимеры

Органические полимеры используют для изготовления электрический изоляции. Полимерами называются молекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров.

Полимеризация — это химическая реакция, при которой из ннзкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементар­ного химического состава вещества. Обычной предпосылкой для возможности осуществления процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода. Непрочная двойная или трой­ная связь под влиянием тех или иных факторов (повышенных температуры и давления, действия катализаторов, радиационного облучения) разрывается и сближающиеся молекулы соединяются друг с другом, образуя цепочку из одинаковых повторяющихся звеньев.

Например, из стирола (мономера) - органической бесцветной жидкости, имеющей состав С8H8 и строение молекулы


в результате реакции полимеризации получают твердое вещество-полистирол (полимер); его молекула имеет строение


Здесь n - степень полимеризации, т. е. число молекул моно­мера, объединяющихся в одну молекулу полимера. Для полисти­рола величина п может доходить до 6000 и более.




Поликонденсация — это химическая реакция между раз­нородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с вы­делением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденса­ции, как правило, обладают несколько пониженными электроизо­ляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, получен­ными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропро­водность материала.

По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом. От­ношение, длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может доходить до 1000 (например, у полистирола). Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что они имеют более компактную форму.

Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем рас­плавляются, например капрон, нейлон. Пространственные полиме­ры обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достиже­ния температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются). Линей­ные полимеры растворяются в подходящих по составу раствори­телях. Пространственные полимеры растворяются с трудом, многие из них практически нерастворимы.

По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термо пластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в гус­тые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов поль­зуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при производстве деталей методом литья под давлением. К этой группе следует отнести полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. В настоящее время термопластичные материалы со­ставляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротех­нической промышленностью полимерных материалов.

Термореактивные (термоотверждающиеся) ма­териалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значи­тельную механическую прочность и твердость, теряя при этом спо­собность плавиться и растворяться. К термореактивным диэлек­трикам относят резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.




Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

ОБУЧАЮЩИЙ МОДУЛЬ

Цель: Сформировать знания об основных тепловых свойствах диэлектриков, научить определять класс нагревостойкости по заданной температуре, развить такие качества личности, как, организованность, самостоятельность, настойчивость, активность, творческое мышление через работу с рабочими листами, карточками – заданиями, ответами на вопросы и выполнение домашних работ.

К основным тепловым свойствам диэлектриков относя нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение, и холодостойкость (морозостойкость).

Нагревостойкость – это способность диэлектрика функционировать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого ухудшения его свойств.

В зависимости от вида материала и условий его эксплуатации длительное или кратковременное воздействие повышенной температуры вызывает в диэлектрике различные изменения. Материалы могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях.

У некоторых материалов при повышении температуры могут наблюдаться химическое разложение, интенсивное окисление, обугливание и даже горение.

Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных свойств диэлектрика.

к испытываемому образцу прикладывают изгибающее усилие 5Мпа;

образец помещают в термостат;

если образец прогнулся на 6мм от первоначального положения или сломался, то температура при которой всё это произошло называется теплостойкость по Мартенсу.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов.

Диэлектрики

Древесина , бумага, картон, фибра, пряжа, полистирол, полиэтилен

Те же материалы, но пропитанные смолами и масляными лаками

Стекло, ткань, стеклотекстолит

Материалы на основе слюды, стекловолокна, асбеста

Кремнийорганические лаки, резины, композиционные материалы из слюды, асбеста

Слюда, стекло, кварц, асбест, фторопласт-4

Теплопроводность – способность диэлектрика проводить теплоту.

Теплота, возникающая при прохождении электрического тока в проводниках, окружённых диэлектрическим изолятором, передаётся изолятору. Вследствие диэлектрических потерь теплота выделяется в самом изоляторе. Суммарные тепловые потери проводника и изолятора передаются в окружающую среду. От способности изолятора проводить теплоту зависят нагревание проводника и электрическая прочность изоляции.

Количественно теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности ( Т kl ), который определяется количеством теплоты, прошедшей через единицу площади в единицу времени.

Тепловое расширение – свойство диэлектрика изменять свои линейные размеры под действием температуры. Тепловое расширение определяется коэффициентом линейного расширения ТК l .

Холодостойкость – способность электрической изоляции работать при более низких температурах без недопустимого ухудшения эксплуатационных свойств.

При понижении температуры электроизоляционные свойства диэлектриков, как правило повышаются.

Весьма важна способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшения эксплуатационной надежности, так как от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура прибора или устройства. Для электрических машин и аппаратов повышение температуры, которое обычно лимитируется свойствами материалов электрической изоляции при заданной мощности, связано с возможностями уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделия. Уменьшение массы и габаритных размеров особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудования и других передвижных устройств.

От допустимой температуры зависят пожарная безопасность и взрывобезопасность электрооборудования (в масляных хозяйствах электрических подстанций, в электрооборудовании для нефтяной и угольной промышленности и др.). В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в источниках света и многих электронных и ионных приборах и т.п. необходимость высокой рабочей температуры изоляции обусловлена особенностями работы устройства.

У одних материалов при повышенных температурах недопустимо ухудшаются механические свойства, у других электрические (ρ, tgδ и др.).

У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной температуры плавления (Тпл), нет, а температуру размягчения (Tpазм) определяют с помощью различных условных приемов. С приближением к температуре размягчения в эксплуатационных условиях возможно сильное снижение механической прочности и постепенная деформация изделий.

У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться: химическое разложение, обугливание, интенсивное окисление и даже горение. В ряде случаев при сохранении механической прочности и целостности изоляции диэлектрические свойства ее ухудшаются настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре невозможной. Такие изменения качества изоляции могут проявляться и при кратковременном повышении температуры.

Помимо ухудшения качества электрической изоляции, которое проявляется уже при кратковременном повышении температуры, при длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических процессов – так называемого теплового старения изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок – в повышении жесткости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки и т.п.

Кроме температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать: повышение давления воздуха или концентрации кислорода, наличие в окружающей среде озона, являющегося еще более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами, при воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, особенно хрупких (стекла, керамики и т.д.), важна стойкость к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении поверхности изделия из хрупкого материала, например, стекла, вследствие неравномерного распределения температур в приповерхностном слое материала возникают температурные напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания. В случае быстрого нагрева приповерхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в сечениях создаются напряжения сжатия. Если же поверхность внезапно охлаждается, то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя происходит расслоение соседних участков поверхностного слоя. Так как у стекол прочность на разрыв много меньше прочности на сжатие, то внезапное внешнее охлаждение более опасно для них, чем быстрый нагрев.

Допустимый для эксплуатации материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами. В результате испытаний устанавливают стойкость материала к тепловым воздействиям. Способность электроизоляционных материалов и изделий без ущерба для них как кратковременно, так и длительно выдерживать высокую температуру, а также резкую смену температур, называют нагревостойкостью.

Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств с учетом их нагревостойкости (при длительном воздействии нагрева), подразделяют на классы нагревостойкости; причем для каждого класса устанавливают определенную максимальную рабочую температуру.

Таблица 9.1 Классы нагревостойкости материалов, применяемых для изоляции электрических устройств

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующиевеличины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов иизделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резкихсмен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенноеизменение механических и электрических свойств, например, в органическихдиэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале.Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λт. λт – количество теплоты, переданной за одну секундучерез слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м 2 при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициенттеплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкиезначения λт имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости(для воздуха λт =0,025 Вт/(м·К),для воды λт = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значенияимеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λт = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависитот их строения (для плавленого кварца λт = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

с малым тепловым расширением, имеют, как правило,более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловоерасширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз)превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеровдеталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительновыше по сравнению с органическими.

21. Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьмабыстрым развитием. Он протекает за время не более , не обусловлен тепловой энергией, хотяэлектрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит оттемпературы, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрикав очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электроннымпроцессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создаетсяэлектронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах),которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны пристолкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть доплавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое можетпривести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияниеэлектропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала,а также отсутствует ионизация газовых включений.

В случае однородного поля и полной однородности материала пробивныенапряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрическойпрочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многихокислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. Приэтом достигаетболее .Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном(импульсном) воздействии напряжения.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрическойпрочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило названиеэлектрического упрочения материалов. Его использование позволяет повыситьнадежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, посколькуэксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках ( ) близки к пробивным дляобъемных образцов.

22. Битумы - аморфные сложные смеси углеводородов с небольшим количеством серы и кислорода - бывают искусственные (нефтяные, с температурой размягчения 50. 150 °С) и природные (асфальты. с температурой размягчения 220 °С ).

Воскообразное диэлектрики представлены таким продуктом возгонки и вымораживания некоторых сортов нефти, как парафин (смесь твердых углеводородов ряда С „ Н п+2 при п = 10. 36) с температурой плавления 50. 55 °С, и продуктом очистки горного воска (озокерита) церезином (то же при п =39. 53) с температурой плавления 65-80°С. Получены синтетические парафин и церезин с температурой плавления 100. 130 °С. К этой же группе ЭИМ относится и вазелин - смесь твердых и жидких угле водородов, полученных из нефти.

Читайте также: