4.2.1.  Механические свойства диэлектриков

Упругость

Под действием механических напряжений () материал деформируется. При небольших  выполняется закон Гука – относительная деформация () прямо пропорциональна :

                                                  (4.133)

или компоненты напряжения  являются линейными функциями компонент деформации:

                                                  (4.134)

(по повторяющимся индексам предполагается суммирование).

Здесь коэффициенты пропорциональности  называются упругими податливостями, а  – упругими жесткостями или упругими константами.

Деформации  (как и напряжения ) являются тензорами второго ранга с компонентами  (k, l =1, 2, 3):

,

которые для краткости записываются  с одним  индексом i , равным 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Здесь деформации , ,  означают растяжение или сжатие вдоль осей 1, 2 или 3, т.е. относительные изменения длины по трем направлениям;  – сдвиг по оси 2 относительно оси 3,  т.е. изменение угла между осями 2 и 3;  – сдвиг по оси 1 относительно оси 3;  – сдвиг по оси 1 относительно оси 2 (рис. 4.70).

Упругие константы (), измеряемые в паскалях (Па), как и , измеряемые в метрах квадратных на ньютон (м2/Н), являются тензорами 4-го ранга, имеющими в общем случае 21 независимую компоненту для одного вещества. Ввиду симметрии кристаллов число независимых компонент их упругих констант обычно меньше 21. Например, гексагональные кристаллы имеют 5 независимых констант, а кубические – 3.

Изотропные среды описываются всего двумя независимыми упругими константами:

модулем Юнга

;

модулем сдвига

или коэффициентом Пуассона

.

С помощью упругих констант определяют деформируемость материала и скорость звука в нем.

Прочность

Закон Гука линейной связи деформации с напряжением сохраняется лишь в определенных пределах. С некоторого значения напряжения  деформация растет быстрее, чем по линейному закону (рис. 4.71). Происходит холодное пластическое течение материала, при этом после снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение  называют пределом текучести. Дальнейшее повышение механического напряжения приводит к разрушению образца при напряжении , называемом пределом прочности.

В таких материалах, как стекла, керамика, пластическая деформация не наблюдается, и образец разрушается сразу:

.

Эти вещества называют хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под действием динамических нагрузок, вибраций. Во многих полимерах, наоборот, участок пластической деформации () очень широк – они могут вытягиваться в десятки раз. Такие вещества называют пластичными.

Прочность материалов характеризуют пределами прочности при растяжении (), сжатии (), изгибе (). Для металлов все три предела прочности близки, но для диэлектриков могут сильно отличаться:

.

Пределы прочности измеряются в единицах механического напряжения – паскалях (Па). Механическая прочность зависит от типа связей молекул вещества: она максимальна в кристаллах с ковалентной связью и минимальна в кристаллах с молекулярной связью. Максимальная рабочая температура полимеров, например, определяется ухудшением не электрических свойств, а механической прочности – полимер становится текучим при малейших нагрузках. Наоборот, при низких температурах полимеры теряют свойство текучести, и для них становится характерным хрупкое разрушение, ограничивающее возможности их применения, например в гибких кабелях.

Хрупкость

Многие материалы хрупки. Они, обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими, т.е. внезапно прилагаемыми усилиями. Распространенным приемом для оценки способности материала сопротивляться действию динамических нагрузок является испытание на ударный изгиб (определение удельной ударной вязкости). Удельную удар

ную вязкость () материала находят делением затраченной на излом образца энергии на поперечное сечение образца. Удельная ударная вязкость измеряется в джоулях на метр в квадрате (Дж/м2). Очень высокой удельной ударной вязкостью обладает полиэтилен, не ломающийся при  кДж/м2; для керамических материалов и микалекса  составляет всего 2…5 кДж/м2.

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т.е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепят на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма. Определение вибрационной стойкости важно, например, для изоляции самолетного электро- и радиооборудования.

Твердость

Твердость, т.е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого через посредство предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение. Твердость определяется различными методами: для неорганических материалов – по минералогической шкале, для органических диэлектриков – по способу Бринелля и маятником Кузнецова.

Эластичность

Для многих диэлектриков важной механической характеристикой является эластичность, т.е. способность материалов испытывать более или менее значительные упругие обратимые деформации без разрушения при действии небольших растягивающих усилий.

Вязкость

Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т.п. важной характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения жидкости, представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики. Так, количество (объем) жидкости с динамической вязкостью η, протекающее за время τ под действием давления р сквозь капилляр длиной l и радиусом r, по закону Пуазейля равно:

.                             (4.135)

Скорость движения твердого шарика радиуса r в неограниченной среде с динамической вязкостью η под влиянием непрерывно воздействующего на шарик небольшого усилия F постоянна и имеет значение, определяемое законом Стокса:

.                                (4.136)

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

.                             (4.137)

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается при повышении температуры (рис. 4.72).

Как правило, закон изменения вязкости с температурой соответствует уравнению экспоненты:

,                         (4.138)

где А – постоянная, характеризующая данную жидкость; W – энергия активации, равная работе перехода молекулы из одного устойчивого положения в другое. Единицы для измерения вязкости известны из курса физики.

Если требуется определить вязкость жидкости с небольшим временем истечения, то пользуются вискозиметром типа ВЗ, разработанным для измерения вязкости электроизоляционных лаков (рис.4.73). Испытуемая жидкость заливается до краев в металлическую конусообразную воронку 3. Избыток жидкости переливается в круговой желобок 2. Наружный конус 4, наполняемый теплой водой, образует водяную рубашку; температура воды и испытуемой жидкости измеряется термометрами. Прибор крепится на штативе 6. Открывают кран 5 выпускного отверстия, измеряют по секундомеру время истечения (в секундах) 100 мл жидкости. Это время и принимается за меру вязкости.

Вискозиметр ВЗ-4 имеет объем воронки 100 мл; диаметр сопла 4 мм, высоту сопла 4 мм. Воронка заливается до краев испытуемым лаком с температурой 20 °С. При определении конца истечения секундомер останавливают в момент первого появления прерывающейся струи. Этот вискозиметр используется для испытания лаков со временем истечения 20…150 с.

4.2.2.  Тепловые свойства диэлектрика

Нагревостойкость

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 (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, в 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, керамика 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 (рис. 4.74, а) приповерхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в сечениях хх создаются напряжения сжатия. Если же поверхность внезапно охлаждается (рис. 4.74, б), то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенденция к расслоению 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.

Стандартом ГОСТ 8865 – 70 «Материалы электроизоляционные для электрических машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по нагревостойкости» и рекомендацией СЭВ PC 964 – 67 предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в табл. 4.2. В ней приведена максимальная температура для электроизоляционных материалов при их использовании в электрооборудовании, длительно (в течение ряда лет) работающем в нормальных эксплуатационных условиях.

К классу Y относится изоляция из непропитанных и не погруженных в жидкий диэлектрик волокнистых материалов на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, гидратцеллюлозное и ацетилцеллюлозное волокно), натурального шелка и полиамидов, а также поливинилхлорид и вулканизированный натуральный каучук.

Таблица 4.2 Классы нагревостойкости материалов, применяемых для изоляции электрических устройств

Класс

нагревостойкости

Рабочая

температура, °С

Класс

нагревостойкости

Рабочая

температура, °С

Y

90

F

155

А

105

Н

180

Е

120

С

Выше180

В

130

К классу А принадлежат те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными, масляно-смоляными и другими лаками либо погруженные в нефтяное масло или синтетический жидкий диэлектрик, а также изоляция эмалированных проводов на поливинилацеталевых лаках и полиамидные пленки.

К классу Е относятся слоистые пластики и пластмассы на термореактивных связующих, обеспечивающих соответствующую нагревостойкость, изоляция эмалированных проводов на эпоксидных лаках, поликарбонатные пленки и др.

Класс В образуют неорганические материалы: слюда, стекловолокно и асбест в сочетании со связующими и пропитывающими органическими составами соответствующей нагревостойкости, а также политрифторхлорэтилен и др.

К классу F относятся материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами, а также изоляция эмалированных проводов на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках.

В класс Н входят материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, а также кремнийорганические эластомеры.

Класс С образуют неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих или с неорганическими связующими. К этому же классу относятся политетрафторэтилен и полиимидные материалы: пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов.

В последнее время Международная электротехническая комиссия (МЭК) предлагает более сложные способы оценки нагревостойкости электрической изоляции с учетом воздействия не только температуры, но и других факторов.

Холодостойкость

Во многих случаях для изоляции, например, самолетного электро- и радиооборудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т.п. важна холодостойкость,

т.е. способность электрической изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах, например -60…-70 °С и более низких (криогенных) температурах. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает соответствующие затруднения. Проверку электроизоляционных материалов и изделий из них на холодостойкость нередко осуществляют при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводность

Важное практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепловые потери проводников и магнитопроводов электрических машин, аппаратов, кабелей и т.п. должны переходить в окружающую среду через слой изоляции (за исключением некоторых новых конструкций электрических машин, в которых отвод тепла от проводников осуществляется за счет пропускания охлаждающего вещества через канал внутри самого проводника).

От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев проводников и магнитопроводов. Особое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к термоударам. Количественно теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ), определяемым как количество тепла, прошедшего через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м. Ориентировочные значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ приведены в табл. 4.3.

Как видно из табл. 4.3, большинство диэлектриков имеет значения λ намного меньшие, чем проводниковые материалы. Лишь некоторые керамические оксиды металлов (, MgO, BeO) имеют λ того же порядка, как проводниковые материалы (графит и некоторые металлы приведены для сравнения). Характерно, что коэффициент теплопроводности у окиси бериллия выше, чем у металлического бериллия.

Таблица 12.2 Значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ

Вещество

λ, Вт/(м К)

Вещество

λ, Вт/(м К)

Воздух (в малых зазорах)

0,05

Графит

18

Битум

0,07

Окись алюминия

25…30

Бумага

0,10

Окись магния MgO

36

Лакоткань

0,13

Нитрид бора BN

Гетинакс

0,35

по прессованию

19

Плавленый кварц

1,25

перпендикулярно

37

Фарфор

1,60

Никель

65

Стеатит

2,20

Железо

68

Двуокись титана  

6,50

Окись бериллия ВеО

218

Кристаллический кварц:

Алюминий

226

по направлению оптической оси

12,30

Медь

390

перпендикулярно оси

6,80

Величина, равная отношению коэффициента теплопроводности к удельная теплоемкость и плотность материала:

,                                                          (4.139)

где с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); D – плотность материала, кг/м3, называется

температуропроводностью. Она измеряется метрах в квадрате на секунду (м2/с).