ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ
Наиболее широкое распространение в силовой и радиотехнической аппаратуре внутренних установок постоянного и переменного тока частотой до 100 кГц, а в некоторых случаях и до 400 кГц нашли различные эпоксидные компаунды. Этому способствовали их высокие изоляционные, механические, конструкционные, герметизирующие и технологические свойства.
Сравнительная простота технологии изготовления, возможность механизации, автоматизации, а также возможность осуществления мелкосерийного производства обеспечили эпоксидным компаундам мировое признание при изготовлении изоляционных конструкций различного назначения.
Для изоляции высоковольтной аппаратуры средне- и длинноволнового диапазона по-прежнему успешно используются различные марки высокочастотного фарфора: стеатит, ультрафарфор. Для высоких и сверхвысоких частот иногда применяются монокристаллические композиции из искусственного сапфира (лейкосапфира) различной геометрии габаритов.
Материал имеет высокую рабочую температуру, характеризуется короно- и дугостойкостью, высокими электрическими и механическими характеристиками на сжатие и сдвиг, но чувствителен к ударным нагрузкам. Сравнительно высокая стоимость и технологическая сложность обработки при мелкосерийном производстве, большие допуски на размеры и необходимость точного сопряжения деталей ограничивают их применение в радиотехнической аппаратуре.
Для высокочастотных диапазонов широко используются полимерные материалы типа полиэтиленов, фторопластов, полипропиленов их модификации. Для высоковольтных конструкций их применение сдерживается слабой короно- и дугостойкостью, а также низкими механическими характеристиками.
Большим преимуществом этих полимеров является высокая технологичность, возможность переработки стандартными методами. Материалы удобно использовать как в мелко-, так и в крупносерийном производстве.
Особенностью высокочастотных материалов является способность при переработке создавать крупногабаритные монолитные или с толщиной стенок до 20... 30 мм конструкции.
Такие полимерные материалы успешно применяются в высокочастотных изоляционных конструкциях, а также в конструкциях, рассчитанных на промышленную частоту.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ, ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Эпоксидные компаунды.
Компаунды на основе эпоксидно-диановых смол характеризуются большим объемным сопротивлением и сравнительно малыми значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.
Свойства отвержденных компаундов изменяются в зависимости от температуры: в вязкоупругом (стеклообразном) состоянии электрические характеристики значительно выше, чем в высокоэластическом.
Скорость релаксационных процессов в стеклообразном состоянии у них мала.
Оптимальные электроизоляционные свойства компаундов достигаются при стехиометрическом соотношении отвердителя и смолы (один активный атом водорода на эпоксидную группу).
Эпоксидные компаунды характеризуются стабильностью в условиях повышенной влажности и теплостойкостью при температурах 100... 125° С. Они хорошо переносят колебания температуры от —60 до +125° С.
Зависимость удельного объемного сопротивления от температуры компаундов с аминными и кислотными отвердителями имеет форму прямых линий, которые в определенном интервале температур меняют угол наклона. Температура, при которой происходит изменение наклона, соответствует температуре стеклования компаунда, т. е. моменту перехода из высокоэластичного в стеклообразное (твердое) состояние. При значениях выше, чем температура стеклования, подвижность и количество носителей тока увеличивается, что приводит к росту проводимости [6]. При максимальных рабочих температурах 125°С удельное объемное сопротивление не бывает ниже 108Ом-м. Наибольшее значение р при нормальной окружающей температуре составляет 1014.. .1015 Ом-м.
Рис. 2.1. Зависимость угла диэлектрических потерь компаунда марки ЭЗК-1 от температуры
1— 50 Гц; 2—0,4 кГц; 3—1,0 кГц; 4 — 10,0 кГц; 5 —1,0 МГц
Под действием электрических разрядов электрическая проводимость эпоксидных компаундов увеличивается, причем поверхностная проводимость изменяется значительно сильнее, чем объемная. Снижение удельного поверхностного сопротивления под действием разрядов зависит от их интенсивности и мало зависит от состава компаунда.
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ от температуры для разных частот для дианового компаунда марки ЭЗК-1 иллюстрируется рис. 2.1. Ход кривых свидетельствует о незначительных изменениях диэлектрических потерь в в зависимости от частоты в пределах до 80...100° С. С ростом частоты максимальные значения сдвигаются в сторону температур 120... 160°С. Для частоты 50 Гц значительный рост tgδ отмечается при температурах выше 120° С.
Влияние частоты на изменение диэлектрической проницаемости от температуры до 80... 100° С проявляется в пределах значений 4,3... 5.
Замена отвердителя незначительно влияет на диэлектрические потери эпоксидных компаундов при нормальной окружающей температуре.
Длительное воздействие повышенной температуры приводит к небольшому уменьшению tgδ, которое связано с продолжающимся структурированием компаунда. После воздействия температуры 100 ... 120° С в течение более 2 ... 3 тыс. ч. начинается медленное постепенное увеличение диэлектрических потерь, что свидетельствует о начинающихся процессах разложения полимера, его деструкции.
Исследования полимеров в процессе теплового парения при помощи сканирующих микроскопии показали, что после 2000..3000 ч появляются изменения надмолекулярной структуры. Наиболее интенсивные изменения происходят при наличии неоднородностей в материале.
Рис. 2.2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь (сплошные кривые) и удельного объемного сопротивления (штриховые кривые) от температуры
1— без наполнителя; 2 — пылевидный кварцевый песок (ПКП) прокаленный; 3 — ПКП непрокаленный; 4 — маршалит непрокаленный; 5 — маршалит прокаленный; 6 — фарфоровая мука
Электроизоляционные свойства компаундов и широком диапазоне могут быть изменены варьированием различных типов наполнителей. В отечественной и зарубежной практике нашли применение наполнители следующих основных групп: силикаты, карбонаты, оксиды и гидрооксиды металлов, сульфаты.
Фундаментальные исследования влияния наполнителей на электроизоляционные свойства эпоксидных компаундов проведены Е. К. Добрером и Г. Видалем. Оба автора и последующие исследователи показали значительные преимущества пылевидного кварцевого песка (ПКП) по сравнению с другими материалами.
На рис. 2.2 дана зависимость удельного объемного сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для различных наполнителей. Из кривых следует, что наибольшая разница значений р=f(t) у компаундов с различными наполнителями возникает до 100° С, т. е. до температуры стеклования.
В высокоэластичном состоянии значения удельных объемных сопротивлений компаундов с различными наполнителями существенного различия не имеют.
Обращает внимание то, что для всех трех групп кривых лучшие значения зависимости от температуры имеет ненаполненный компаунд. Это, очевидно, связано с влиянием находящихся в наполнителях примесей, которые ухудшают электроизоляционные свойства компаундов, особенно при возможности водопоглощения.
Из рис. 2.3 следует, что водопоглощение, которое оценивалось по значению привеса т образцов после нахождения в воде, является наименьшим при использовании ПКП. Водопоглощение сказывается в первую очередь на электроизоляционных свойствах компаундов.
Рис. 2.3. Зависимость водопоглощения кимпаунда с различными наполнителями от длительности пребывания в воде
1 — без наполнителя; 2 — каолин; 3 — глинозем; 4 — фарфоровая мука; 5 — ПКП непрокаленный
Применение наполнителей с высокой пористостью (каолин), образование в компаунде агломератов (неперемешанных комков), покрытых смолой лишь с поверхности, способствуют проникновению влаги и приводят к повышению водопоглощения.
Структура эпоксидного компаунда существенно зависит от дисперсности и конфигурации частиц наполнителя. Она влияет на теплопроводность и теплостойкость компаунда, снижает температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), повышает стойкость к скользящему разряду, увеличивает срок жизни компаунда.
Окончательные выводы при выборе типа наполнителя делают с учетом влияния его на электрическую прочность, стойкость к частичным и коронным разрядам и в зависимости от его воздействия на физико-механические свойства.
