Материал: Основы механики

Физико - химические и механические свойства диэлектриков

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 использования изделия в большой 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, механических и химических свойств (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов.

Срок службы изделий в тропических условиях зависит от надежности химической защиты материалов против гнилостных бактерий, насекомых и образования плесени.

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.

Абсолютная влажность воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (м3). Большого 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

(1.9)

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 - 400 С) и высоких значениях ц, близких к 98 - 100 %.

Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. 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.

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

Образец электроизоляционного материала, помещенный в условия определенной влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого равновесного состояния влажности.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Для текстильных и тому подобных материалов устанавливаются так называемое кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях; так, для кабельной бумаги кондиционная влажность применяется равной 8 %. Большую роль играет наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т. е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей).

Механические свойства диэлектриков

Поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться от механических напряжений.

Прочность на разрыв, сжатие и изгиб. Простейшие виды статических механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Важно отметить, что для ряда диэлектриков (стекол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе (в то время как у металлов величины ур, ус и уи имеют один и тот же порядок).

Определения предела прочности и относительной деформации при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах материала). Так, для некоторых материалов (в особенности термопластичных) характерна способность при длительном воздействии сравнительно малых нагрузок давать заметные деформации. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры.

В ряде случаев большое практическое значение имеют хрупкость, твердость и некоторые другие механические характеристики электроизоляционных материалов.

Хрупкость. Многие материалы хрупки, т. е., обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями.

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма.

Твердость. Твердость, т. е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение и определяется различными методами: для неорганических материалов - по минералогической шкале Мооса, для органических диэлектриков - по способу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова.

Вязкость. Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п. важной механической характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, жидкости представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики вязких сред, а именно в закон Пуазейля - истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон стокса - движения шарика в вязкой среде под действием небольшой постоянной силы. Динамическая вязкость з в системе СИ измеряется в паскалях, умноженных на секунды. В системе единиц СГС динамическая вязкость выражается чаще всего в сантипуазах (сП):

1 Па · с = 10 П = 1000 сП. (1.10)

Кинематическая вязкость х равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

(1.11)

Как правило, закон изменения вязкости с температурой соответствует уравнению экспоненты

(1.12)

где А - постоянная, характеризующая данную жидкость; щ - энергия активации, равная работе перехода молекулы из одного устойчивого положения в другое.

Контрольные вопросы:

• 1. Пробой диэлектриков.
• 2. Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев.
• 3. Влажностные свойства диэлектриков. Влагопроницаемость.
• 4. Механические свойства диэлектриков. Прочность на разрыв, сжатие и изгиб. Хрупкость. Твердость. Вязкость.