Фізико-хімічні та механічні властивості діелектриків та їх класифікація (стр. 1 из 3)

ЖИТОМИРСЬКИЙ ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ С.П.КОРОЛЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОГО АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ТА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

Житомир 2009

План

1. Вологіcні властивості діелектриків

2. Механічні властивості діелектриків

3. Теплові властивості діелектриків

4. Хімічні властивості діелектриків

5. Вплив випромінювань високої енергії на діелектрики

6. Класифікація діелектриків

1. Вологісні властивості діелектриків

Діелектричні матеріали в більшій або меншій мірі є гігроскопічними, тобто здатні поглинати вологу з навколишнього середовища. Крім того, вони є волого проникні, бо можуть пропускати вологу, яка знаходиться у повітрі у вигляді водяного пару, крізь себе.

Абсолютна вологість повітря оцінюється масою m водяного пару, який знаходиться в одиниці об’єму повітря (в одному кубічному метрі).

Кожній температурі відповідає певне значення абсолютної вологості при насиченні m_нас. Більшої кількості води повітря містити не може і вона випадає у вигляді роси. Абсолютна вологість, що є необхідною для насичення повітря різко зростає зі збільшенням температури, тобто зростає і тиск водяних парів.

При температурі навколишнього середовища 20⁰С та нормальному атмосферному тиску 0,1[МПа] абсолютна вологість повітря приймає значення m_нас = 17,3 [г/м³].

Абсолютній вологості повітря (при нормальному атмосферному тиску) відповідають різні значення відносної вологості φ.

Аналітичний вираз відносної вологості повітря має вигляд:

.

За нормальну вологість повітря приймають відносну вологість

. В повітрі з нормальною вологістю при температурі t = 20 ⁰С вміст водяних парів становить:

m = φ ∙ m_нас = 17,3 ∙ 0,65 = 11, 25[ г/м ³].^.

Вода є сильно полярним діелектриком з низьким питомим опором ρ

10³ 10⁴[Ом ∙ м], а тому її попадання в пори твердих діелектриків приводить до різкого погіршення їх електричних властивостей. Крім того, підвищена вологість повітря сильно знижує поверхневий опір діелектриків. Для захисту поверхонь твердих діелектриків їх вкривають шаром лаку, який не змочується водою.

Здатність діелектрика змочуватися водою або іншою рідиною характеризується крайнім кутом змочування Θ краплі води, яка нанесена на плоску поверхню тіла. Чим меншим є кут Θ тим сильніше змочування.

Рис.1

При наявності в діелектрику об’ємної відкритої пористості або при нещільній його структурі волога попадає і в середину матеріалу.

Вологість матеріалів

Якщо розмістити зразок діелектричного матеріалу в середовищі з постійними значеннями температури та вологості повітря, то через деякий значний час він досягне деякого стану рівноваги вологості.

При розміщенні порівняно сухого зразка матеріалу у вологе повітря з відносною вологістю φ буде спостерігатися поступове поглинання ним вологи з повітря, причому вологість матеріалу ψ тобто вміст вологи в одиниці маси матеріалу, на протязі часу τ буде підвищуватися, асимптотично наближаючись до стану рівноваги вологості ψ_Р , що відповідає даному значенню φ (рис.1, крива 1) . Навпаки, якщо в повітрі з тією ж відносною вологістю φ буде розміщений зразок того ж самого матеріалу з початковою вологістю, більшою за ψ_Р, то вологість зразка буде зменшуватися, асимптотично наближаючись до значення рівноваги вологості ψ_Р (рис.1, крива 2).

Рис.1 Графіки залежності вологості матеріалу від часу

Текстильні та подібні їм матеріали характеризуються так званою кондиційною вологістю, що відповідає стану рівноваги вологості матеріалу, при знаходженні його на повітрі в нормальних умовах φ = 65%; t =20^ОС; Р = 0,1[МПа], для кабельного паперу кондиційна вологість приймається рівною 8%.

На гігроскопічність матеріалу суттєво впливають його будова та хімічна природа; наявність і розмір капілярних проміжків в середині матеріалу, в які потрапляє волога. Сильно пористі матеріали є більш гігроскопічними ніж матеріали щільної будови.

Орієнтовні розміри пор (в нанометрах) у різних діелектричних матеріалах:

макропори в кераміці – 100 ÷100000 [нм];

капіляри в волокнах целюлози – 100 [нм];

міжмолекулярні пори різних матеріалів – 1÷5 [нм];

внутрішньомолекулярні пори – <1 [нм].

Ефективний діаметр молекул води приблизно становить

0,27[ нм], тому вони легко потрапляють у внутрішньомолекулярні пори целюлозних електроізоляційних матеріалів.

Якщо волога здатна створювати в діелектричному матеріалі нитки або плівки по товщині ізоляції, які можуть пронизувати значну частину між електродного проміжку, то вже при незначній кількості поглиненої вологи електроізоляційні якості матеріалу різко зменшаться. Якщо ж волога розподіляється по об’єму матеріалу у вигляді окремих не з’єднаних між собою малих включень, то вплив вологи на електричні властивості матеріалу менш суттєвий.

При змінній напрузі найбільш чутливим параметром пористих діелектриків є tgб, який помітно зростає при зволожуванні матеріалу. Менш чутливою є діелектрична проникність ε_r, однак і вона, як правило зростає з поглинанням вологи у зв’язку з більшим значенням діелектричної проникності води (ε_r=80) в порівнянні з іншими діелектриками. Тому в деяких випадках про гігроскопічність матеріалу судять за збільшенням електричної ємності зразка під дією вологи.

Вологопроникність

Окрім гігроскопічності, більш практичне значення має вологопроникність діелектричних матеріалів, тобто їхня здатність пропускати крізь себе пари води.

Ця характеристика надзвичайно важлива для оцінки якості матеріалів, що застосовуються для створення захисних шарів (шланги кабелів, опресовування конденсаторів, компаундні заливки, лакові покриття деталей). Завдяки наявності мізерної пористості є можливість дослідити більшість матеріалів на вологопроникність.

Кількість вологи m, яка проходить за час τ крізь поверхню S шару ізоляційного матеріалу товщиною h під дією різниці тиску водяних парів P₁ і P₂ з обох сторін цього шару можна розрахувати за формулою:

m = П · (P₁ – P₂) · S · τ / h ,

де коефіцієнт П – вологопроникність даного матеріалу. В системі СІ вимірюється в секундах:

П =

Для різних матеріалів вологопроникність змінюється в широких межах.

Значення коефіцієнта П різних матеріалів:

церезін – 1,5·10 ^-16 [c];

полістирол – 6,2·10 ^-15 [c];

триацетат целюлози – 2,1·10 ^-13 [c].

Для зменшення гігроскопічності та вологопроникності пористих діелектричних матеріалів застосовується їх пропитка спеціальними розчинами. При цьому пропитка целюлозних та інших органічних діелектричних матеріалів лише сповільнює процес зволожування, не впливаючи при цьому на питомий об’ємний опір матеріалу, після тривалого його знаходження під дією вологи. Це пояснюється тим, що молекули речовин призначених для пропитки більші за розмірами молекул води, і є нездатними створити повну непроникність пор матеріалу для вологи, а в найменші пори матеріалу, що пропитується вони взагалі не можуть проникнути.

При тривалій експлуатації апаратури, особливо в тропічних умовах, на органічних діелектриках може розвинутися пліснява, яка здатна:

значно зменшити питомий поверхневий опір;

привести до зростання втрат;

зменшити механічну міцність ізоляції;

викликати корозію металевих частин.

Найчастіше всього пліснява розвивається в каніфолі, масляних лаках, целюлозних матеріалах, у тому числі і пропитаних (гетинакс, текстоліт). Найбільш стійкими до утворення плісняви є неорганічні діелектрики, як то кераміка, скло, слюда, кремнійорганічні матеріали та деякі органічні, наприклад епоксидні смоли, фторопласт-4, поліетилен, полістирол.

З метою покращення стійкості до плісняви органічної електричної ізоляції в її склад вводять отруйні для грибків плісняви домішки – фунгіциди (органічні з’єднання, в склад яких входять хлор, ртуть, азот).

2. Механічні властивості діелектриків

Оскільки вироби з діелектричних матеріалів підлягають впливу механічних навантажень, то велике практичне значення мають їх: механічна міцність, здатність не деформуватися під дією механічних напруг, крихкість та в’язкість.

Найпростішими статичними навантаженнями є розтягування, стискання та згинання. Значення меж міцності при розтягуванні s_р, стисканні s_с та згинанні s_з в системі СІ виражаються в паскалях

1 [Па] = 1 [Н/м²] ≈ 10^-5 [кгс/см²].

Механічна міцність діелектричних матеріалів залежить від:

напрямку (матеріали анізотропної будови – волокнисті) та виду навантаження (скло, кераміка, більшість пластмас), що прикладається;

площі поперечного перерізу (у скляного волокна, при зменшенні його діаметру, межа міцності збільшується і може сягати значень характерних для бронзи);

температури (механічна міцність зменшується при зростанні температури (рис.2);

вологості повітря (для гігроскопічних матеріалів);

тривалості впливу механічного навантаження (для термопластичних матеріалів).

Здатність матеріалів деформуватися при тривалому впливі механічного навантаження, називається пластичною або холодною течією матеріалу. З ростом температури пластична течія матеріалу суттєво зростає.