Электрическая прочность при механическом нагружении.
При исследовании кратковременной электрической прочности эпоксидных компаундов замечено снижение пробивной напряженности электрического поля при уровнях механических напряжений в образцах примерно (0,4... 0,45) σΒ или 30,0.... 35,0 МПа. Например, для эпоксидного компаунда марки ЭПК-5 при уровне механических напряжений σρ=0,6σΒ= 47,5 МПа пробивная напряженность электрического поля составляет (0,9... 0,87) Епр. Оценка снижения пробивной напряженности электрического поля при уровнях механических напряжений меньше 0,4σв затруднена вследствие разброса экспериментальных данных.
Механические напряжения увеличивают число и размеры внутренних дефектов в эпоксидных компаундах, снижают напряжение начала частичных разрядов во внутренних микрополостях (порах, дефектах) за счет уменьшения в них давления и увеличения их размеров.
Одной из причин механического разрушения образца при пробое является резкое повышение давления в канале пробоя при электрическом разряде в нем. Весьма существенное влияние оказывает и характер пробоя, древовидные побеги которого в большинстве случаев охватывают довольно большую область вокруг канала пробоя и играют роль инициированной быстрой трещины.
Результаты исследования долговечности эпоксидных компаундов при совместном нагружении для различных сочетаний механической и электрической нагрузок от 0,5σв и 0,5Епр до 0,8σв и 0,8Епр представлены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Данные получены при пределе механической прочности σв=(79,0 ± 2,8) МПа, пробивной напряженности электрического поля Епр=5,0 МВ/м при толщине образца 1 · 10-3 м.
Характер процесса разрушения при длительном электрическом и механическом нагружении будет иным.
Механические напряжения увеличивают в образце размеры и количество внутренних дефектов, а электрическое поле увеличивает кинетическую подвижность элементов структуры эпоксидного компаунда, что облегчает механическое разрушение диэлектрика.
Увеличение скорости разрушения эпоксидных компаундов снижает долговечность при различных уровнях внешних нагрузок, о чем свидетельствуют данные табл. 2.4.
Все это подтверждает кинетическую концепцию прочности полимерных материалов, согласно которой внешние силы создают условия для необратимого разрыва межатомных связей тепловыми флюктуациями. Долговечность можно определить из уравнения
где А и а — параметры временной зависимости механической прочности при постоянной температуре; μ= 1,7 [МПа/(МВ/м)]2 — коэффициент приведения электрического поля к механическому для компаунда марки ЭПК-5; σΡ — в МПа; Е — в МВ/м. Величину
можно интерпретировать как эквивалентное механическое напряжение.
Влияние механического нагружения было успешно использовано в качестве ускоряющего фактора при электрических и тепловых испытаниях компаундов. Обнаружено влияние механической нагрузки на снижение кратковременной и длительной электрической прочности также в слюдоэпоксидной изоляции.
Е. И. Глобусом показано наличие значительных структурных изменений при воздействии факторов старения, не связанных с термооксидированием, а зависящих от статической усталости полиэтилена, т. е. от внутренних механических (термоупругих) напряжений.
Отмечается также и обратное влияние характера электрической нагрузки на механическую прочность, когда использование диэлектрика с равномерной в электрическом отношении нагрузкой для термореактивного материала позволило получить изоляцию, имеющую более высокие механические характеристики.
Выявлено также в образцах ПЭВД ввиду образования на стадии технологической обработки неодинаковых участков механических напряжений и формирования пространственно неоднородной поляризации, наличие внутренних электрических полей. Установлена взаимосвязь между значениями механических напряжений в диэлектриках и внутренними напряженностями электрического поля. Ранние отказы обусловлены существованием значительной напряженности Евн, которая образуется при технологической обработке полимерных материалов.
Некоторые авторы рекомендуют во избежание разрушения полимеров соблюдать граничные тепловые, электрические и механические условия.
Циклические механические нагрузки приводят также к снижению электрической прочности полимерной изоляции в зависимости от числа циклов.
Для полиэтилена и стеклоэпоксидного пластика было найдено, что в зоне упругой деформации при растяжении электрическая прочность пробоя снижалась, а при сжатии —увеличивалась.
Приведенные результаты исследований показывают тесную взаимозависимость между электрическим и механическим нагружением и прочностными свойствами и старением полимерной изоляции. То же было показано для керамической, ситаллоной и других типов твердой ИЗОЛЯЦИИ.
В общем виде эти закономерности были сформулированы В. Е. Гулем [12]; в пределах одного физического состояния полимер разрушается при условии, что подведенная энергия превышает суммарную энергию связей, противостоящих разрушению тела и оставшихся неразрушенными флюктуацией тепловой энергии.
