§ 57. Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики
Одной из важнейших задач электроматериаловедения является разработка электроизоляционных органических материалов с повышенной нагревостойкостью. Применение таких материалов в изоляции электрических машин и аппаратов позволяет повысить их температуру нагрева и девает возможным увеличение мощности машин и аппаратов, не изменяя их веса и габаритов.
Рассмотренные ранее высокополимерные органические диэлектрики могут длительно использоваться при температурах до 90—105° С и только некоторые из них, например лавсан — до 120° С и глифталевые смолы до 130° С. Таким образом, подавляющее
большинство органических диэлектриков может длительно работать при температурах, не превышающих 90—105° (классы нагревостойкости Y и Л). При превышении же указанных температур органические диэлектрики в результате теплового старения быстро разрушаются.
Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электрокерамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции. Как показали исследования, основной причиной низкой нагревостойкости высокополимерных органических диэлектриков является сравнительно малая энергия химической связи между атомами углерода, составляющими основы молекул органических диэлектриков. Так, например, энергия химической связи между атомами: углерод — углерод (С—С) равна 58,6 ккал/моль.
При нагревании диэлектриков в процессе их использования до температуры, при которой тепловая энергия будет свыше энергии химической связи, они будут претерпевать тепловое старение, т. е. разрушаться. Надо было изыскать новые виды диэлектриков, которые бы состояли из молекул с большей энергией связи.
В результате многочисленных исследований были разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики *. В основе молекул этих диэлектриков находится силоксановая группировка атомов — Si — О — Si — (кремний — кислород — кремний), энергия связи которой равна 89,6 ккал моль. Вследствие этого кремнийорганические диэлектрики обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с органическими диэлектриками, рассмотренными ранее.
* Большие работы по изысканию и разработке высокополимерных кремнийорганических диэлектриков проведены акад К. А. Андриановым и его сотрудниками.
Температуру устанавливают в зависимости от класса нагревостойкости изоляции обмоток,
Название «кремнийорганические диэлектрики» обусловлено тем, что в состав их молекул, кроме атомов кремния и кислорода, входят остатки различных органических соединений: СН3; C2Hs; С6Н5 и др. Эти органические остатки называются органическими радикалами и обозначаются буквой R. В общем виде молекула кремнийорганических высокополимерных диэлектриков может быть представлена так:
В зависимости от присоединенного органического радикала и от числа последних, приходящихся на один атом кремния, могут быть получены жидкие, каучукоподобные и твердые диэлектрики. Это либо бесцветные вещества, либо имеющие окраску от бледножелтой до коричневой. Отличительной особенностью всех кремнийорганических диэлектриков является их высокая нагревостойкость и морозостойкость. Кремнийорганические электроизоляционные материалы (пластмассы, резины, лаки и др.) могут длительно работать в интервале температур от —60 до 180° С, а некоторые из них до 220° С. Кроме того, кремнийорганические диэлектрики отличаются высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, а также к электрическим искровым разрядам.
Рис. 111. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры у синтетических смол:
1 — кремнийорганическая смола, 2 — полиэфирная (глифталевая) смола
Эти диэлектрики не растворяются в минеральных маслах (трансформаторном и др.) и не науглероживаются под действием электрических искр, т. е. не создается на их поверхности токопроводящих путей.
Электрические характеристики кремнийорганических диэлектриков находятся на высоком уровне и мало изменяются при нагреве (рис. 111) и при воздействии на диэлектрики воды (рис. 112). Кремнийорганические материалы являются слабополярными диэлектриками.
Наша промышленность вырабатывает большое количество кремнийорганических лаков и эмалей, а также пластмасс и резин.
Рис. 112. Зависимость удельного объемного сопротивления пленок кремнийорганического лака от времени пребывания при температуре 180° С и от времени выдержки в воде:
1 — выдержка при 160° С, 2 —выдержка в воде
По нагревостойкости большинство кремнийорганических диэлектриков относятся к классу Н, т. е. могут длительно работать при температуре до 180° С включительно, но некоторые из них — до 200—220° С.
Фторопласт-4. Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала: фторопласта-4. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Он получается в результате полимеризации сжиженного газа — тетрафторэтилена F2C=CF2. Образующийся вначале полимер представляет собой рыхлый порошок белого цвета, из которого прессованием (в стальных пресс-формах) получают заготовки в виде брусков, пластин и других изделий. Чтобы образовался плотный монолитный материал, отпрессованные' (при комнатной температуре) изделия подвергают спеканию в печах. При быстром охлаждении нагретых до 370° С заготовок и изделий материал имеет аморфное строение, а при медленном охлаждении материал приобретает кристаллическое строение. Быстро охлажденные (закаленные) изделия из фторопласта-4 обладают повышенной механической прочностью, но у образцов, имеющих кристаллическую структуру, наблюдается большая стабильность электроизоляционных свойств.
Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250° С) и морозостойкость ( — 269°С). При нагреве фторопласта-4 до 327°С (точка перехода) его кристаллическая структура переходит в аморфную и материал приобретает прозрачность. При нагреве до температуры выше 327° С материал не размягчается вплоть до температуры 415° С, когда начинается термическое разложение материала с отщеплением свободного фтора, являющегося токсичным веществом.
Фторопласт-4 почти единственный органический диэлектрик, который из-за его высокой нагревостойкости можно отнести к классу С (может длительно работать при температурах выше 180°С).
Основной причиной весьма высокой нагревостойкости фторопласта-4 является большая величина энергии химической связи между атомами углерода и фтора (107 ккал/моль) в его молекуле. Фторопласт-4 отличается также исключительной химической стойкостью. Он не растворяется ни в одном из растворителей как при комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость фторопласта-4 равна нулю и он не смачивается водой.
Основные характеристики фторопласта-4: плотность 2,1 -4- 2,3 г/см3; 0Р= 140-7-250 кГ/см2 (незакаленный); 0p=160--350 кГ/см2 (закаленный); а„= 100ч-130 кГ-см/см2; q= 1018-4-101в ом-см\ е = 1,9-2,2; tg б = 0,0002 и- 0,0003; EпР = 27--30 кВ/мм.
Гибкость материала в толстом слое сохраняется до температуры —80° С, а в тонком слое (пленка) до —100° С. Фторопласт-4 поддается всем видам механической обработки: обточке, фрезерованию и др., но не склеивается. Отрицательным свойством фторопласта-4 является его текучесть при комнатной температуре, т. е. он начинает деформироваться при напряжении в материале от 130 кГ/см2 и выше. Поэтому на изделия из фторопласта-4 нельзя допускать механические нагрузки, создающие в материале напряжения выше 130 кГ/см2. Фторопласт-4 неполярный диэлектрик, вследствие чего его электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Большое применение в электротехнике имеют тонкие (от 7 до 200 мкм) пленки, получаемые в виде стружки, снимаемой с монолитных цилиндров фторопласта-4 на токарных станках. Затем их уплотняют пропусканием через обжимающие стальные вальцы.
Из фторопласта-4 методом холодного прессования (с последующей термической обработкой) получают изоляционные основания и изоляторы для электроизмерительных приборов и устройств.
Наряду с фторопластом-4 наша промышленность выпускает другие разновидности этого диэлектрика: фторопласт-4Д и фторопласт-40. Они отличаются от фторопласта-4 формой, размерами частиц порошкообразной массы и более широкими возможностями переработки этих типов фторопласта в изделия: изоляционные трубки, ленты, изоляцию проводов. Значения механических и электрических характеристик фторопласта-4Д и фторопласта 40 очень мало отличается от значений соответствующих характеристик фторопласта-4.
Полиимиды— новые нагревостойкие органические диэлектрики, могущие длительно использоваться при температурах 200—220° С. Морозостойкость полиимидов очень высока. Электроизоляционные полиимидные пленки могут длительно выдерживать низкие температуры (—190°С), не разрушаясь. Полиимидные электроизоляционные изделия (пластмассы) могут использоваться при температурах до —155° С и ниже.
Наряду с широким интервалом рабочих температур полиимиды являются химически стойкими диэлектриками. Полиимиды не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и вода. Разрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар. Следует отметить исключительно высокую радиационную стойкость полиимидов.
Полиимиды представляют собой диэлектрики, получаемые в результате реакции поликонденсации ангидрида пиромеллитовой кислоты и некоторых ароматических соединений — диаминов. На основе полиимидов изготовляются эмальлаки для эмалирования обмоточных проводов диаметром от 0,1 до 1,3 мм (марка «пнэтимид»). Эти провода могут длительно работать при температурах до 200 °С.
Обмотки из проводов с полиимидной изоляцией пропитывают всеми лаками, но нагревостойкость изоляции обмоток обеспечивается пропиткой их полиимидными или кремнийорганическими нагревостойкими лаками.
Из полиимидов получают гибкие полупрозрачные электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Полиимидные пленки ПМ выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм и более.
Основные характеристики пленок: ар = 1000—1200 кг/см2, ер = 70%; q,,= 1017 ом-см; EпР = 100 + 150 кВ/мм.
Гигроскопичность (влагопоглощение) пленок относительно большая и составляет в среднем 1,0% за 24 ч нахождения пленок в парах воды при 20° С. Поэтому обмоточные провода с пленочной полиимидной изоляцией необходимо пропитывать нагревостойкими и водостойкими лаками (кремнийорганическими и другими). В зависимости от исходных веществ можно получать полиимиды с различной структурой их молекул, а следовательно, и свойствами. Так, описанные полиимидные пленки ПМ представляют собой термореактивные пленки, не размягчаемые при нагревании и не обладающие способностью свариваться. Пленки же, изготовленные из другого полиимида (ДФ-ФГ), представляют собой термопластичное вещество с температурой размягчения 470° С. Эти полиимидные пленки могут свариваться друг с другом и формоваться (в нагретом состоянии) в различные изделия.
Полиимидные пленки применяют в качестве нагревостойкой изоляции обмоточных проводов. Накладываемая на провода полиимидная пленка подклеивается к проводу с помощью клеящего полиимидного лака.
Полиимидные пленки применяют в качестве пазовой изоляции в электрических машинах нагревостойкого исполнения.
На основе термопластичных полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного и конструкционного назначения. Для этого используются как чистые полиимиды, так и наполненные стекловолокном и другими нагревостойкими наполнителями. Переработку полиимидов в изделия осуществляют литьем и прессованием при температурах 350—400° С.
Отличительными особенностями полиимидных пластмасс являются очень хорошая технологичность — легкость переработки в изделия благодаря большой текучести полиимидов, малой объемной усадка и стабильности свойств при переработке.
Полиимидные пластмассы обладают высокой нагревостойкостью (220—250'С), хорошими электрическими характеристиками и большими значениями механических характеристик. Так удельная ударная вязкость у ненаполненных полиимидов составляет
35—50 -
а у наполненных стекловолокном 110—140-
Водопоглощение полиимидных пластмассовых изделий не превосходит 0,8% после кипячения в воде в течение 24 ч. Все пластмассы на основе полиимидов обладают очень высокой радиационной стойкостью.
