Лекция 8. Твердые диэлектрики. Продолжение

8.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

8.2. Бумага и картон.

8.3. Слоистые пластики.

8.4. Лакоткани

Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

8.1.1. Классификация твердых диэлектриков по применению в энергетике

8.1.2. Общее представление о термопластах.

8.1.3. Разновидности полиэтилена.

8.1.4. Общее представление о реактопластах.

Бумага и картон

Бумаги и картоны – это листовые или рулонные материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из древесной целлюлозы. Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы.

Для удаления примесей, содержащихся в древесине, целлюлозу обрабатывают химическими реагентами. Для писчей бумаги древесину обрабатывают сернистой кислотой H₂SO₃, а для приготовления бумаг для электрической изоляции, упаковочных бумаг используют щелочную обработку. Щелочная целлюлоза не отбеливается, сохраняет желтоватый цвет, обусловленный красящими веществами древесины.

Щелочная целлюлоза дороже сульфитной, однако в ней исходная целлюлоза сохраняет большую молекулярную массу и длину молекул, щелочная бумага имеет более высокую механическую прочность, и более стойкая к тепловому старению. Прочность бумаги сильно зависит от влажности и переувлажненная, так же как и пересушенная бумага, имеют пониженную механическую прочность.

Чем выше плотность бумаги, тем выше как механическая, так и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м3, т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 КВ/мм.

Кабельная бумага обозначается символами К -кабельная, М - многослойная, В – высоковольтная, У – уплотненная и цифрами от 015 до 240, что обозначает толщину бумаги в микрометрах.

Бумаги марок К и КМ применяются в силовых кабелях до 35кВ, КВ и КВУ 35 кВ и выше, КВМ и КВМУ – 110 кВ и выше.

В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местами – очагами развития пробоя являются зазоры между отдельными лентами бумаги.

Пропиточная бумага употребляется для изготовления листового гетинакса.

Конденсаторная бумага – в пропитанном виде она образует диэлектрик бумажных конденсаторов. Так как бумага в конденсаторах работает в пропитанном состоянии, то с практической точки зрения важны формулы, позволяющие определять электроизоляционные свойства пропитанной бумаги исходя из свойств бумаги и пропиточного состава. Приведем формулу Ренне, определяющую диэлектрическую проницаемость пропитанной бумаги:

где ε₁ – диэлектрическая проницаемость пропиточной массы; ε₂ = 6,6 - диэлектрическая проницаемость целлюлозы; x = 1-ρ₁/ ρ₂ – объемное содержание пор в непропитанной бумаге, ρ₁ – плотность сухой непропитанной бумаги, ρ₂ = 1,55 Т/М₃, y – объемная усадка пропиточной массы при ее застывании или отверждении. Например, для случая пропитки жидким диэлектриком, полностью вытесняющим воздух из пор бумаги, получаем y = 0

Картон отличается от бумаги большей толщиной. Выделяют два типа картонов: воздушные (более плотные) и масляные (более рыхлые) предназначенные для работы в маслонаполненных агрегатах.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=30-40 кВ/мм. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз)

Слоистые пластики

Широкое применение в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов имеют слоистые пластики — композиции, состоящих из волокнистого листового наполнителя — бумаги, ткани, стеклоткани, пропитанных и склеенных между собой различными полимерными связующими. Слоистые пластики отличаются от других материалов тем, что применяемый наполнитель располагается параллельными слоями. Такая структура обеспечивает высокие механические характеристики, а использование полимерных связующих—достаточно высокое удельное электрическое сопротивление, электрическую прочность и малое значение tgδ.

В зависимости от материала связующего и наполнителя различают несколько типов слоистых пластиков: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит.

Наиболее дешевый материала диэлектрических оснований— гетинакс — обладает высокими диэлектрическими свойствами, находит широкое применение в бытовой радиоаппаратуре. Гетинакс получается путем горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Выпускается гетинакс на основе ацетилированной бумаги, обладающей повышенной влагостойкостью и способной заменить стеклотекстолиты. Его недостатком традиционно считается повышенное влагопоглощение (1,5... 2,5%) через слои бумаги или из открытых их торцевых срезов, а также сквозь полимерное связующее.

Листовой гетинакс применяется в виде щитов, панелей, изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения. Существует специальная марка гетинакса, предназначенная для работы в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения. Электрическая прочность гетинакса составляет примерно 20-40 кВ/мм. Слоистая структура гетинакса приводит к заметной анизотропии свойств материала. Электрическая прочность вдоль слоев наполнителя в 5-8 раз ниже, чем вдоль слоев.

Наименование слоистого пластика	Наполнитель	Связующее
Гетинакс	Пропиточная бумага толщиной 0,1 мм	Фенолформальдегидная смола (ФФС)
Текстолит	Хлопчатобумажная и синтетическая ткани (саржа, бязь, шифон, бельтинг, лавсан)	ФФС
Стеклотекстолит	Стеклоткани из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла	Совмещенная, эпоксидная и ФФС- Совмещенная эпоксикремнийорганическая смола

Текстолит обладает более высокой прочностью при сжатии и ударной вязкостью и поэтому используется также в качестве конструкционного материала, и его выпускают не только в виде листов, но и плит толщиной до 50 мм.

Стеклотекстолиты благодаря ценным свойствам наполнителя обладают наиболее высокой механической прочностью, теплостойкостью и минимальным влагопоглощением. Они имеют лучшую стабильность размеров, а электрические свойства остаются высокими и во влажной среде. Вследствие необычной твердости поверхности стеклотекстолиты износоустойчивы.

Выпускается несколько десятков марок стеклотекстолитов, предназначенных для разных целей, в том числе повышенной нагревостойкости, тропикостойкости, гальваностойкости, огнестойкости, с металлической сеткой. Обычные марки фольгированного стеклотекстолита облицованы медной фольгой толщиной 35... 50 мкм, для полуаддитивной технологии выпускается теплостойкая модификация с фольгой толщиной 5 мкм. Для той же технологии можно применять листовой нефольгированный стеклотекстолит с адгезионным слоем, обладающим неограниченной жизнестойкостью.

Для изготовления ПП по аддитивной технологии требуются диэлектрики с металлическими включениями, образующими центры кристаллизации при химическом меднении. Для этой цели выпускается слоистый пластик—диэлектрик, содержащий мелкодисперсные частицы металлов—Ag или V.

Качество печатных плат характеризуется следующими свойствами.

1. Прочность является одним из основных свойств, поскольку печатные платы выполняют роль не только диэлектрического основания, но и несущей конструкции. Часто требуется вибропрочность, которой, особенно при больших размерах плат, стеклотекстолит не обладает. Следует иметь в виду, что удельная прочность при толщине, большей, чем 1,5 мм, начинает снижаться, так как затрудняется удаление летучих веществ при отверждении и сказывается градиент температуры, который, как и в случае стекла, проявляется в виде микротрещин на поверхности. Это служит еще одним примером размерного эффекта прочности.

2. Нагревостойкость фольгированных слоистых пластиков определяется по отсутствию вздутий, расслаивания и отклеивания фольги, возникающих при пайке. Критерием является время, в секундах, в течение которого разрушения не наблюдаются при нагреве до 533 К (260 °С). Минимальная нагревостойкость — 5 с, у лучших марок—20 с.

3. Стабильность размеров — изменение длины при смене температур в процессе пайки, когда вся плата перегревается примерно до 393 К (120°С); ТКЛР стеклотекстолита при толщине 1,5 мм составляет 8-10^-6 К^-1, т. е. отличается от ТКЛР меди более чем в 2 раза, поэтому при больших размерах плат возможен обрыв или отслоение фольги. Кроме того, при Т~370 К в эпоксидных смолах наблюдается фазовый переход, выше которого резко возрастает ТКЛР в направлении толщины слоистого пластика, приводящий к обрыву металлизации отверстий. Нестабильность размеров проявляется также в виде неплоскостности — прогиба, коробления, скручивания, которые возникают вследствие механических напряжений.

4. Электрическая прочность стеклотекстолита анизотропна: в продольном направлении она в несколько раз выше, чем в направлении толщины. Причина этому — анизотропия самого материала и наличие микротрещин, уменьшающих эффективную толщину, но не длину и ширину. С увеличением толщины электри­ческая прочность падает. Так, для плат толщиной 0.5 и 10ммзначение электрической прочности соответственно 30 и 10 кВ/мм.

Недостатки фольгированных стеклотекстолитов являются следствием их неоднородной структуры и особенностей используемых материалов. Это—коробление, нестабильность размеров, растрескивание, отслаивание, воспламеняемость. Наконец, стеклотекстолит из-за высокого tg δ непригоден для СВЧ-техники.

Лакоткани

Лакотканью называется гибкий электроизоляционный материал, представляющий собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. Ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая пленка – электрическую прочность материала. Лакоткань применяется для изоляции в электрических машинах, аппаратах, кабельных изделиях. В качестве основы чаще всего применяют хлопчатобумажные, реже шелковые ткани. Шелковые лакоткани дороже, но тоньше и имеют более высокую электрическую прочность. Лакоткани относятся к изоляции класса А. В последнее время широко применяются и искусственные ткани.

По роду пропитывающего лака лакоткани подразделяются на светлые(желтые) на масляных лаках и черные – на масляно-битумных лаках. Светлые лакоткани относительно стойки к действию органических растворителей, обладают высокой склонностью к тепловому старению. Их электрическая прочность составляет от 35-50 кВ/мм (хб) до 55-90 кВ/мм (шелк). Черные лакоткани обладают лучшими электроизоляционными свойствами, их электрическая прочность составляет 55-60 кВ/мм. Гигроскопичность черных лакотканей значительно ниже, чем светлых.

К лакотканям следует также отнести электроизоляционные трубки, применяемые для для изоляции и защиты выводных концов в электрических машинах и аппаратах.