Фізико-хімічні та механічні властивості діелектриків та їх класифікація (стр. 2 из 3)
Рис. 2 Графік залежності від температури межі міцності при розтягуванні sр поліетилену низької щільності
Крихкість – це здатність матеріалу руйнуватися без помітної пластичної деформації. Вона залежить від структури матеріалу та умов випробування і зростає при збільшенні швидкості навантаження, при зменшенні температури та підвищенні степені концентрації напруг.
Крихкість матеріалу, що спостерігається при ударних навантаженнях, називається ударною крихкістю. Існує багато матеріалів, які витримують статичні навантаження, але легко руйнуються динамічними зусиллями.
Для оцінки можливостей матеріалу витримувати динамічне навантаження його перевіряють на ударне згинання – дослідження ударної в’язкості. Ударна в’язкість матеріалу σударна це витрачена на злам зразка енергія W, віднесена до площі поперечного перерізу зразка S:
,Одиниця вимірювання ударної в’язкості σударна в системі СІ – [Дж/м2].
Значна ударна в’язкість у поліетилену σударна = 100 [кДж/м2] та мала у керамічних матеріалів та мікалексу σударна = 2 ÷ 5 [кДж/м2].
В деяких випадках діелектричні матеріали перевіряють на здатність витримувати без руйнування тривалий вплив вібрацій – періодичних механічних коливань певної амплітуди та частоти (вібростійкість).
Для рідинних та напіврідинних діелектричних матеріалів важливою механічною характеристикою є в’язкість.
В’язкість (внутрішнє тертя) – властивість рідин та газів створювати опір переміщенню однієї її частини відносно іншої. Кількісно в’язкість характеризується значенням коефіцієнта динамічної в’язкості або коефіцієнтом внутрішнього тертя η.
Поняття коефіцієнта динамічної в’язкості використовується в цілому ряді законів гідродинаміки:
кількість (об’єм) V рідини з динамічною в’язкістю η, яка протікає за час τ під тиском Р крізь капіляр довжиною ℓ з радіусом r визначається за законом Пуазейля:
V =
(Жан Лу Марі Пуазейль, 1799-1869 р.р. – французький фізик).
Швидкість руху υ твердої кулі радіусом r в неоднорідному середовищі з динамічною в’язкістю η під впливом постійного зусилля F, визначається за законом Стокса:
υ =
В системі СІ коефіцієнт динамічної в’язкості η вимірюється в паскалях помножених на секунди, [Па · с], а в системі СГС в сантипаузах, [cП]
1 [Па · с] = 1000 [сП].
Кінематична в’язкість ν дорівнює відношенню динамічної в’язкості η до щільності рідини ρ
ν = η /ρ.
В системі СІ кінематична в’язкість ν вимірюється в [м2/с], а в системі СГС в стоксах [Ст], 1[м2/с] = 10 4[Ст].
Залежність коефіцієнта динамічної в’язкості від температури має вигляд
η(Т) = А· е W/k· Т ,
де А – стала, що характеризує рідину; W - енергія активації, яка дорівнює роботі переходу молекули з одного стійкого стану в інший.
3. Теплові властивості діелектриків
До теплових властивостей діелектриків відносяться:
стійкість до нагрівання;
стійкість до охолодження;
теплопровідність;
теплове розширення.
Стійкість до нагрівання – здатність діелектрика
витримувати дію підвищеної температури на протязі часу, який можна порівняти зі строком нормальної експлуатації без недопустимого погіршення його властивостей. Для електричних машин та апаратів стійкість до нагрівання, яка визначається стійкістю до нагрівання електричної ізоляції, дозволяє отримати більш високу потужність при незмінних габаритах, або ж при збереженні потужності досягнути зменшення габаритних розмірів та вартості виробу.
Для неорганічних діелектриків стійкість до нагрівання визначають з початком суттєвої зміни їх електричних властивостей (за параметрами тангенса кута діелектричних втрат tg δ або питомого електричного опору ρ) та оцінюють відповідними значеннями температури, при яких з’явилися ці зміни.
Для органічних діелектриків стійкість до нагрівання визначають з початком механічних деформацій (розтягування або згинання).
Незворотні процеси погіршення якості ізоляції при тривалому впливі підвищеної температури внаслідок повільних хімічних процесів називається тепловим старінням. У лакових плівок та целюлозних матеріалів воно проявляється у вигляді підвищення твердості та крихкості, утворення тріщин.
Для органічних та елементоорганічних полімерів швидкість старіння при решті інших рівних умовах значно зростає при підвищенні температури.
Тривалість старіння τ пов’язана з температурою Т наступною залежністю:
ℓn τ =
,де А та В сталі для даного матеріалу і даних умов старіння.
Крім температури на швидкість процесу старіння впливають тиск, концентрація кисню, наявність озону (сильний в порівнянні з киснем окислювач), різноманітних хімічних реагентів, що прискорюють або уповільнюють окислення. Теплове старіння зразка прискорюється під дією ультрафіолетових променів, електричного поля, механічних навантажень і т.п..
У відповідності до рекомендацій МЕК (Міжнародної електротехнічної комісії) електроізоляційні матеріали для електричних машин, трансформаторів та апаратів за стійкістю до нагрівання поділяють на класи:
| Клас | Y | A | E | B | F | H | C |
| Найбільша допустима робоча температура, оС | 90 | 105 | 120 | 130 | 155 | 180 | >180 |
До класу Y відносяться волокнисті матеріали на основі целюлози та шовку (пряжа, тканини, стрічки, папір, картон, деревина).
До класу А відносяться матеріали класу Y, пропитані лаками, компаундами тобто ізольованими від впливу кисню, який прискорює теплове старіння.
До класу Е відносяться пластичні маси з органічним наповнювачем та термореактивною складовою типу фенолформальдегідних та подібних їм смол (гетинакс, текстоліт і т. п.), поліетилентерефталатні плівки, епоксидні, поліефірні та поліуретанові смоли і компаунди.
Таким чином до класів А, Е, Y відносяться чисто органічні електроізоляційні матеріали.
До класу В відносяться матеріали, для яких є характерним великий вміст неорганічних компонентів, як то щепана слюда, азбестові та скловолокнисті матеріали в поєднанні з органічними матеріалами (склолакотканини, склотекстоліти, епоксидні компаунди з неорганічними наповнювачами).
До класу F належать міканіти, вироби на основі скловолокна без підкладинки або з неорганічною підкладинкою, з застосуванням органічних матеріалів для з'єднання та пропитки, підвищеної стійкості до нагрівання: епоксидних, термореактивних поліефірних, кремнійорганічних.
Матеріали класу Н отримуються при використанні кремнійорганічних смол особливо високої стійкості до нагрівання.
До класу С відносяться чисто неорганічні матеріали, які не містять органічних складових, що здатні склеювати та пропитувати (слюда, скло, скловолокнисті матеріали, кварц, азбест, мікалекс, непропитаний асбоцемент, міканіти). З однорідних матеріалів це політетрафторетилен (фторопласт-4) та матеріали на основі поліімідів ( плівки, волокна, ізоляція емальованих проводів).
Хладостійкість – здатність діелектричних матеріалів витримувати вплив низьких температур (–600 ... –700) без недопустимого погіршення їх електроізоляційних властивостей. Як правило, при низьких температурах електричні властивості діелектричних матеріалів покращуються, при цьому їх механічні властивості погіршуються (матеріали стають жорсткими та крихкими).
Теплопровідність – один з видів переносу тепла від більш нагрітих частин до менш нагрітих, який приводить до вирівнювання температур. Теплопровідність впливає на електричну міцність матеріалів при тепловому пробої і на їх стійкість до імпульсних теплових впливів. Теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності γт, [Вт / м ∙ К].
ΔРТ = γт
,де ΔРТ , [Вт]– потужність теплового потоку крізь площину ΔS, нормальну до потоку; dT/dℓ – градієнт температури.
Значення коефіцієнтів теплопровідності γт, [Вт / м ∙ К] деяких діелектриків:
Теплове розширення діелектриків – оцінюється температурним коефіцієнтом лінійного розширення TKl, вимірюється [К-1].
ТКl = αl =
Матеріали, які характеризуються малими значеннями ТК l , мають найбільшу стійкість до нагрівання та навпаки. Органічні діелектрики характеризуються набагато більшими значеннями ТКl ніж неорганічні. Останні відповідно мають більш покращену стабільністю розмірів при коливаннях температури.
Значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення TKl , [К-1] деяких діелектриків:
4. Хімічні властивості діелектриків