Механічні, физико-хімічні та теплові властивості ізоляційних матеріалів

1. Механічні властивості діелектриків.

2. Теплові властивості діелектриків.

3. Физико-хімічні властивості діелектриків.

1. Механічні властивості діелектриків характеризують здатність діелектрика витримувати статичні і динамічні навантаження без неприпустимих змін первинних розмірів і форми.

Здатність діелектрика витримувати статичні навантаження характеризується дозволяючою напругою при розтягуванні, стисненні або вигині, межею текучості, відносним подовженням при розриві, відносною деформацією при стисненні і іншими характеристиками. Ці параметри визначаються стандартними методами.

Для випробування використовують зразки визначеної форми і розмірів. Наприклад, визначення міцності на розрив тонких аркушів паперу і картону проводять на зразках у вигляді смуг шириною 15 мм (для паперу) чи 50 мм (для картону), довжиною 180-100 мм.

Для пластмасу важливим параметром є опір розколюванню. Для його визначення використовують зразки розміром 15х15х10 мм. У ході випробувань в торці зразка, що розміщений на нижній опорній плиті розривної машини, вдавлюється клин, закріплений на верхній плиті. Опір розколюванню розраховується за формулою

Sр = F/b,

де F – найбільше навантаження у момент розколювання зразка,Н;

b – ширина середньої частини зразку, м.

Механічні властивості гнучких матеріалів (папір, лакотканини, плівки) характеризуються таким умовним параметром, як стійкість до надриву. Для його визначення використовують смуги матеріалу шириною від 8 до 20 мм. Смуга пропускається в закріплену у верхньому затискачі розривної машини скобу, перегинається на 180⁰, посля чого обидва її кінця закріплюють у нижньому затискачі. Скоба має форму півкільця. В залежності від ширини смуги радіус півкільця може мати розміри від 5 до 13 мм. Таким чином, при натягуванні смуги найбільше зусилля передається на її край. Стійкість до надриву чисельно дорівнює навантаженню в ньютонах, при якому відбувається надрив країв смуги.

Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього іншого, більш твердого матеріалу. Для визначення твердості електроізоляційних матеріалів використовується статичний метод вдавлювання індентера в поверхню зразка при заданому навантаженні. Звичайно індентер являє собою поліровану кульку із відгартованої сталі з діаметром 5 мм. Твердість визначається глибиною вдавлювання індентера через 30 с після навантаження.

Здатність діелектрика витримувати динамічні механічні навантаження характеризують ударною в'язкістю і стійкістю до вібрації.

Ударна в'язкість - це відношення енергії удару при зламі зразка до площі його поперечного перетину і характеризує міцність матеріалу при динамічному вигині. В такому режимі працюють багато вузлів електротехнічного устаткування, виконаних із пластмас. Ударну в'язкість визначають за допомогою маятникового копра і розраховують за формулою Wуд = Ауд/S, де S - площа поперечного перетину зразка, м², Ауд - робота удару, Дж.

Стійкість матеріалу і виробу до вібрації визначається відсутністю механічних пошкоджень, порушень герметичності у разі герметизованих конструкцій збереженням в заданих межах електричних параметрів ізоляції після дії протягом визначеного часу вібрації із заданими параметрами (амплітудою прискорення, діапазонам частот і ін.). Вібраційні випробування матеріалів проводять на спеціальному вібраційному стенді.

Гнучкість забезпечує збереження механічних і електричних параметрів ізоляції при найрізноманітніших деформаціях і визначається за допомогою приладів, званих еластомерами. Для випробування використовують зразок у вигляді смужки 25 х 200 мм, яка розташовується вертикально і затискається двома парами губок. Верхня пара губок може повертатися навкруги горизонтальної осі на наперед встановлений кут. До нижньої пари губок підвішується чашка з вантажами. Гнучкість визначається числом подвійних перегинів, які доводять зразок до розриву.

2. До найважливіших теплових властивостей матеріалу відносять: теплопровідність, теплоємність, температуру плавлення чи розм'якшення матеріалу, теплове розширення, нагрівостійкість, стійкість до термоударів.

Теплопровідність визначає процес відведення теплоти від нагрітих провідників і магнітопроводів через шар електричної ізоляції, а також і відведення теплоти з товщі електричної ізоляції, нагрітої за рахунок діелектричних втрат. Кількісно характеризується коефіцієнтом теплопровідності l [Вт/(м К) або Вт/(м °С)]. Діелектрики є поганими провідниками теплоти. Для газів l =0,02-0,05, для твердих 0,02-3,0 Вт/(м К).

Теплоємність С Дж/(кг К) речовини визначає кількість теплоти Q (Дж), яка необхідна для нагріву тіла масою m (кг), від температури То до Т (К) і входить у рівняння Q = С m (Т - То). Теплоємність визначає кількість теплоти, необхідної для їх нагрівання в ході технології виготовлення і цілий ряд інших процесів. У електротехнічного фарфору С = 800-900, органічні полімери - 1200-2200, алюмосилікатні стекла – 300-1000, вода – 4200 Дж/(кгК).

Тверді кристалічні діелектрики при нагріванні плавляться і для них характерним параметром є температура плавлення Тпл (К). Аморфні матеріали переходять з твердого стану в рідкий в інтервалі температур. Такий перехід характеризується температурою розм'якшення Трозм.

Діелектрики, як і інші матеріали, при нагріванні розширяються. Термічне розширення оцінюють температурним коефіцієнтом об'єму ТКV (К) і температурним коефіцієнтом довжини ТКL (К). Причому ТКV = ТКL. В композиційному електроізоляційному матеріалі, що складається з діелектриків з різними ТКL, при нагріванні або охолоджуванні виникають внутрішні механічні напруги. При багатократному повторенні циклу нагрівання - охолоджування в таких матеріалах утворюються тріщини, розшарування й інші механічні пошкодження, супроводжувані різким зниженням їх електричних параметрів.

Нагрівостійкість електричної ізоляції визначають по змінах її електричної міцності, тангенса кута втрат, втраті маси, механічної міцності, а так само інших параметрів при витримці при підвищених у порівнянні з робочою температурах. Показником нагрівостійкості може бути час виходу з ладу зразків при кожній температурі випробування.

Відповідно до рекомендацій Міжнародної електротехнічної комісії розділення електроізоляційних матеріалів для електричних машин, трансформаторів і апаратів на класи нагрівостійкості, для яких фіксуються найбільші допустимі робочі температури при використовуванні цих матеріалів в електроустаткуванні загального застосування, тривало (протягом ряду років) працюючого в нормальних для даного виду електроустаткуванні експлуатаційних умовах:

Клас нагрівостійкості	У	А	Е	В	F	Н	С
Найбільша допустима робоча температура, 0С
						Більше 180

Холодостійкість електричної ізоляції визначається шляхом порівняння механічних характеристик при негативній і нормальній температурах. Характеризується коефіцієнтом холодостійкості Кхол = L2/ L1, L2 і L1 деформації при розтягуванні при низькій і нормальній температурах, виникаючої під дією однакового зусилля.

Стійкість до термоударів визначають для крихких матеріалів і виробів з них. При визначенні стійкості до термоударів нагріті ізолятори занурюють у крижану воду, де витримуються визначений час. Після витримки кондиціонують на повітрі при кімнатній температурі. Далі цикл нагрівання - охолоджування повторюють. Після трьох циклів термоударів ізолятори кондиціонують і піддають електричним випробуванням.

3. Електроізоляційні матеріали мають різну стійкість до руйнування (корозії) при контактуванні з водою, кислотами, лугами, сольовими розчинами, маслами, паливом, газами. При визначенні хімічної стійкості зразки тривалий час витримується в умовах, найближчих до експлуатаційних, після чого визначають зміну їх зовнішнього вигляду, маси, електричних і інших параметрів.

В'язкість властива текучим тілам, де має місце опір переміщенню однієї частини (одного шару) тіла щодо іншої. Цей опір характеризується динамічною в'язкістю (Па с) і кінетичною в'язкістю (м/с), рівною відношенню динамічної в'язкості до густини матеріалу. На практиці користуються умовною в'язкістю, яка пов'язана з динамічною і кінетичною емпіричним співвідношенням і вимірюється за допомогою віскозиметра.

Вологостійкість діелектрика визначається його здатністю збирати вологу з навколишнього середовища (вологого повітря). У процесі витримки у вологій атмосфері контролюють зміну таких параметрів діелектрика, як питомий об'ємний опір, електрична міцність, опір ізоляції і ін. Паралельно визначають вологопоглинання зразка

w_а = 100 (m_t - m)/ m,

де m - початкова маса зразка,

m_t - маса після витримки протягом часу у вологій атмосфері.

Водостійкість і водопоглинання визначаються за зміною таких же параметрів діелектрика в процесі витримки його в дистильованій воді.

Під дією іонізуючих випромінювань (ІВ) можуть відбуватися необоротні зміни структури діелектрика, які називають радіолізом. У полімерах радіоліз приводить до структуризації - утворення зв'язків між молекулами, а також до деструкції - руйнування молекул. У результаті змінюються фізико-хімічні властивості полімерів (температура плавлення кристалічних полімерів, термопластичність, хімічна стійкість, розчинність), механічні властивості (руйнуюча напруга, модуль пружності, крихкість), електричні властивості (електрична міцність, питомий об'ємний і поверхневий опір). Радіоліз керамічних діелектриків відбувається в результаті поглинання значно великих доз ІВ. У процесі дії ІВ контролюються зміни перш за все механічних властивостей - електричної міцності і електричного опору діелектрика.

Тропікостійкість діелектрика визначається за зміною питомого об'ємного опору, тангенса кута діелектричних втрат, електричної і механічної міцності, а також інших параметрів під впливом тропічних кліматичних чинників. Для районів з тропічно вологим або сухим кліматом, з тропічним морським кліматом характерними є такі чинники: холод, жара, волога, сонячна радіація, атмосфера, забруднена морською сіллю, пустельним або степовим пилом, піском, попелом, хімічними з'єднаннями, дія мікроорганізмів - цвілевих грибів і бактерій, шкідників тваринного світу - термітів, мурашок, тарганів, гризунів і інших представників фауни.