Физические и химические свойства диэлектриков (стр. 1 из 2)

Министерство образования РФ

Рязанская Государственная Радиотехническая Академия

Реферат по химии на тему:

«Физические и химические свойства диэлектриков»

Выполнил ст. гр. 319

Мираков А.В.

Проверил

Трегулов В.Р.

Рязань 2003

ВЕДЕНИЕ

При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха, повышенных температур, мороза и радиоактивных излучений.

Нормальное использование изделия в большей степени зависит от механических свойств материалов: их прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, твердости или эластичности. В ряде случаев к изделиям, а, следовательно в известной степени и к материалам предъявляются требования вибропрочности при различных амплитудах и частотах колебаний. Для деталей, в которых имеется сопряжение разных материалов, большое значение имеют температурные коэффициенты линейного расширения.

Разработка технологических процессов изготовления электрических машин и аппаратов также требует знания физических и химических свойств. (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов.

1. ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Абсолютной влажностью воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащийся в единице объема воздуха (м³). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении (m нас). Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимают относительную влажность воздуха j=65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20° С содержание водяных паров m=17,3*0,65=11,25 г/м ³.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением. Порядка 10³-10⁴ Ом*м, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30-40º С) и высоких значениях j, близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с тропическим климатом. В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

а) б)

Рис. 2 Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а) и на несмачиваемой поверхности (б)

Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания q капли воды, нанесенную на плоскую поверхность тела. Чем меньше q, тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей q < 90° (рис. 2,а), для несмачиваемых q > 90° (рис 2,б).

При наличии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Влажность материалов. Образец электроизоляционного материала, помещенные в условиях определенной влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого равновесного состояния влажности. Если сравнительно сухой образец материала будет помещен во влажный воздух (с относительной влажностью j), то мы будем наблюдать постепенное поглощение материалом влаги из воздуха, причем влажность материалаy, т.е. содержание влаги в единице массы материала, в течение времени t будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности yр, соответствующей данному значению j

Наоборот, если в воздухе той же относительной влажности j будет помещен образец того же материала с начальной влажностью, большей yр, то влажность образца будет уменьшаться, асимптотически приближаясь к значению равновесной влажности yр; в этом случае происходит сушка материала (кривая 2). Для различных материалов значения равновесной влажности при одном и том же значении относительной влажности воздуха j могут быть весьма различны.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Для текстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строение и химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которых проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Определение гигроскопичности по увеличению массы увлажняемого образа хотя и дает некоторое представление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражает степень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область между промежутками), уже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важнадля оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью.

Для различных материалов влагопроницаемость изменяется в весьма широких пределах. В качестве примера приведем значения влагопроницаемости следующих материалов:

Парафин - 1,5*10^-16 с

Полистирол - 6,2*10^-15 с

Триацетат целлюлозы - 2,1*10^-13 с

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину r после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

К важнейшим свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правила, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tgd или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение "теплостойкости"). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение 5 Мпа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Для различных диэлектриков по этому получаются следующие численные значения: