Электроизоляционная слюда и материалы на ее основе
Слюда — природный минерал характерного слоистого строения, что позволяет расщеплять ее кристаллы на листочки толщиной до 0,006 мм.
Тонкие листочки слюды обладают гибкостью, упруги и имеют большое разрушающее напряжение при растяжении.
Склеивая листочки слюды клеящими смолами или лаками (щелочным, масляно-битумным и др.), получают твердую (миканиты) или гибкую (микаленты) слюдяную изоляцию для обмоток электрических машин.
Виды природной слюды в качестве электроизоляционных материалов
Мусковит — калиевая слюда, имеющая преимущественно серебристый, иногда с зеленоватым или красноватым оттенком, цвет кристаллов.
Тонкие листочки (0,05—0,06 мм) этой слюды прозрачны.
Мусковит обладает химической стойкостью: на него не действует ни один из растворителей и щелочей. Серная и соляная кислота разлагают мусковит только при нагревании. Мусковит не изменяет своих свойств до температуры 500 °С. Температура плавления мусковита 1260—1300 °С.
При превышении этой температуры из слюды начинает выделяться химически связанная вода. В результате листочки слюды вспучиваются, т. е. увеличивают свою толщину. При этом резко ухудшаются электрические и другие характеристики.
Флогопит — калиево-магнезиальная слюда, имеющая цвет кристаллов
от черного до янтарного. Тонкие (0,006—0,01 мм) листочки этой слюды полупрозрачны. Они имеют меньшее разрушающее напряжение при растяжении и менее упруги по сравнению со слюдой мусковит. Сравнительно низкое сопротивление истиранию позволило применять флогопит в производстве клееных листовых материалов — коллекторных миканитов, из которых штампуют прокладки для изоляции медных пластин в коллекторах электрических машин. Находясь во время работы под истирающим действием щеток, изоляционные прокладки из флогопита истираются в одинаковой степени с медными пластинами.
Это обеспечивает нормальную работу коллектора. Флогопит по сравнению с мусковитом обладает меньшей химической стойкостью: реагирует с кислотами, но щелочи на него не действуют. Флогопит не изменяет своих характеристик до температуры 800 °С. Температура плавления слюды флогопит 1270—1330 °С.
Фторфлогопит — синтетическая слюда, которая расщепляется на совершенно прозрачные листочки. По сравнению с природными слюдами фторфлогопит обладает более высокой нагревостойкостью (до 1000 °С), меньшим водопоглощением (0,5—2,0 %) и более высокими электрическими характеристиками. Удельное объемное сопротивление синтетической слюды в 15—20 раз, электрическая прочность в 1,5 раза выше, а тангенс угла диэлектрических потерь в 2 раза меньше, чем природной. Основные области применения фторфлогопита — внутренняя изоляция в электронных лампах и нагревостойкая изоляция специальных электрических машин.
Миканиты — твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щепаной слюды с помощью клеящих смол (щелочной, глифталевой и др.) или лаков на их основе.
Для этого листочки природной щепаной слюды раскладывают на столах в один слой, сбрызгивают клеящим лаком, накладывают второй слой, тоже сбрызгивают лаком и т. д., пока не будет набран лист требуемой толщины. Полученный лист подвергают горячему прессованию.
Все миканиты обозначают соответствующими марками, состоящими из двух или трех букв, а иногда и цифр. Первая буква в обозначении марки указывает тип миканита (К — коллекторный, П — прокладочный, Ф — формовочный, Г — гибкий), вторая —вид примененной слюды (М — мусковит, Ф — флогопит, С — смесь мусковита и флогопита), третья — тип связующего (Г — глифталевая смола, Ш — шеллачная, К — кремнийорганическая, П — полиэфирная).
Буква А, стоящая в конце марки, указывает пониженное содержание связующего.
Так, марка ПМГА означает: прокладочный миканит, изготовленный на слюде мусковит и глифталевой смоле с пониженным содержанием связующего (5—12 %).
Коллекторный миканит представляет собой листовой твердый материал, изготовленный склеиванием листочков щепаной слюды флогопит шеллачной или глифталевой смолой и двукратным горячим прессованием при давлении 18—20 МПа при 155 °С.
Прокладочный миканит представляет собой листовой твердый материал, изготовленный склеиванием листочков щепаной слюды мусковит, флогопит или смеси их с последующим прессованием. В качестве связующего применяют глифталевую или кремнийорганическую смолу. В прокладочных миканитах слюда составляет 80—95 %, а количество связующего — соответственно 20—5 %.
Из прокладочного миканита изготовляют различные электроизоляционные твердые прокладки для электрических машин и аппаратов. Допустимая рабочая температура прокладочного миканита на глифталевом связующем 130 °С, кремнийорганическом 180 °С.
Формовочный миканит — листовой материал, получаемый склеиванием листочков щепаной слюды мусковит, флогопит или их смеси — глифталевой или кремнийорганической смолой. Заготовки формовочного миканита подвергают однократному прессованию при 155 °С и давлении 0,5—1,0 МПа.
Формовочный миканит имеет несколько более рыхлую структуру. Это необходимо для изготовления (горячим прессованием) из формовочного миканита электроизоляционных изделий сложной формы. В формовочных миканитах слюды 80—95 %, связующего вещества от 20 до 5 %.
Твердый при комнатной температуре формовочный миканит обладает способностью формоваться в нагретом состоянии и сохранять приданную ему форму. Формовочный миканит выпускают в листах толщиной от 0,15 до 2,0 мм и более и площадью не менее 550×650 мм2.
Гибкий миканит — листовой материал, получаемый склеиванием щепаной слюды (мусковит или флогопит) масляно-глифталевым, масляно-битумным или кремнийорганическим лаком, каждый из которых образует гибкую пленку.
Гибкие миканиты выпускают прессованными и непрессованными. Для повышения механической прочности некоторые виды гибкого миканита оклеивают с двух сторон микалентной бумагой. Толщина листов миканита от 0,15 до 0,5 мм.
Гибкие миканиты применяют в качестве пазовой, межвитковой и подбандажной изоляции в электрических машинах, а также для различных гибких электроизоляционных прокладок.
Все виды миканитов на кремнийорганическом связующем могут длительно работать при 180 °С (класс Н), на полиэфирных и эпоксидных клеящих составах— при 155 °С, а на шеллачных и глифталевых смолах — не выше 130 °С.
Микафолий — рулонный или листовой материал, состоящий из одного или нескольких слоев щепаной слюды (мусковит или флогопит), наклеенных на плотную телефонную бумагу (толщиной 0,05 мм), на тонкую стеклоткань или стеклосетку. В качестве клеящих составов применяют масляно-глифталевые, полиэфирные и кремнийорганические лаки.
Из микафолия изготовляют (горячим прессованием) трубки для изоляции болтов и шпилек, гильзы для пазовой изоляции обмоток и другие фасонные изделия.
Основные виды микафолия по нагревостойкости относятся к классу В, т. е. могут работать при температурах до 130 °С.
Микалента — рулонный материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Микаленту получают наклеиванием в один слой листочков щепаной слюды (с перекрытием) на тонкую (0,02—0,03 мм) микалентную бумагу или стеклянную ткань. Такой материал имеет толщину 0,08 мм. Микалента толщиной 0,10; 0,13; 0,17 и 0,21 мм оклеивается микалентной бумагой или стеклотканью с двух сторон. В качестве лаков применяют масляно-битумные (черные) или масляно-глифталевые (светлые), а в производстве стекломикаленты — нагревостойкие кремнийорганические лаки.
Микаленту применяют в качестве основной изоляции обмоток (стержней) в генераторах и электродвигателях высокого напряжения. Наибольшей нагревостойкостью обладают микаленты на кремнийорганическом связующем с подложкой из стеклянной ткани.
«Слюдинитовые и слюдопластовые материалы»
При разработке природной слюды и изготовлении из нее электроизоляционных материалов образуется около 90 % различных отходов. Среди них большой процент составляют мелкие отходы слюды — скрап. Из очищенного скрапа слюды мусковит изготовляют слюдяную (слюдинитовую) бумагу, из которой получают твердые или гибкие электроизоляционные материалы — слюдиниты.
Для улучшения электрических и механических свойств слюдинитовых бумаг в слюдяную пульпу вводят различные склеивающие вещества. Методом горячего прессования с применением связующих из слюдинитовой бумаги изготовляют те же электроизоляционные материалы, что и из щепаной слюды. Однако слюдинитовые материалы имеют большие равномерность по толщине и однородность и несколько повышенные электрические характеристики. Недостатками их по сравнению с миканитами являются меньшая механическая прочность и несколько пониженная влагостойкость.
Наибольшее применение получили слюдинитовая и стеклослюдинитовая ленты, отличающиеся по сравнению с микалентой большей однородностью свойств. Повышенной нагревостойкостью обладают стеклослюдинитовые ленты на кремнийорганическом связующем. Находят применение коллекторный, прокладочный и гибкий слюдиниты. Электрические характеристики слюдинитовых материалов находятся на том же уровне, что и материалов из щепаной слюды. Стеклослюдинитовые ленты применяют для витковой и корпусной изоляции в электрических машинах вместо микаленты. По нагревостойкости слюдинитовые материалы в зависимости от применяемого связующего относятся к классам В, F и Н.
Первая попытка использования отходов слюды привела к созданию твердых листовых материалов и гибких лент на основе слюдинитовых бумаг — слюдинитовых электроизоляционных материалов, которые заменили
клееные материалы из щепаной слюды. Но слюдинитовая бумага, являющаяся основой всех слюдинитовых материалов, обладает малой механической прочностью. Слюдопластовые бумаги, обладают по сравнению со слюдинитовыми более высокую механической прочностью.
Слюдопластовую бумагу изготовляют измельчением отходов слюды (флогопит), но без применения их высокотемпературной (800 °С) и химической обработки, которые имеют место в производстве слюдинитовой бумаги. Это позволяет частичкам слюды в большей степени сохранять способность сцепляться друг с другом и получаемая слюдопластовая бумага обладает значительно большей механической прочностью, чем слюдинитовая.
Слюдопластовые бумаги, как и слюдинитовые, пористы и поэтому выполненную из них изоляцию применяют после пропитки ее электроизоляционными лаками или компаундами. Наиболее перспективными пропиточными и связующими веществами являются кремнийорганические лаки, поскольку они обеспечивают получение нагревостойких электроизоляционных материалов (ленты и др.).
Применение пропиточных и связующих составов и подложек в виде стеклянной ткани позволяет получать тот же ассортимент электроизоляционных материалов, что и из щепаной слюды. Это — коллекторный прокладочный, формовочный и гибкий слюдопласты, а также слюдопластофолий, стеклослюдопластовая лента и другие композиционные материалы на основе слюдопластовой бумаги. Опыт применения слюдинитовых и слюдопластовых материалов в качестве витковой, межвитковой и пазовой изоляции электрических машин показал, что они имеют более равномерную толщину и большие значения электрической прочности по сравнению с многими клееными материалами из щепаной слюды. Широкое внедрение этих материалов в электротехническое производство имеет большое технико-экономическое значение.
«Электрокерамические материалы»
Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд и др.) и по назначению делят на три группы: изоляторная, конденсаторная и сегнетоэлектрическая керамика. Все электрокерамические материалы негигроскопичны и атмосферостойки.
Электротехнический фарфор является одним из широко применяемых электрокерамических материалов и служит для изготовления различных конструкций изоляторов высокого и низкого напряжения (рис. 31, а, б).
а — низкого (220 В) напряжения, б — высокого (35 кВ) напряжения
Рисунок 31 Штыревые фарфоровые изоляторы
Исходная электрофарфоровая масса состоит из 42—50 % глинистых веществ, 20—25 % кварца, 22—30 % калиевого полевого шпата и 5—8 % измельченных бракованных фарфоровых изделий. Для получения тестообразной массы в измельченные компоненты вводят 20—22 % воды. После этого тестообразную фарфоровую массу подвергают вакуумной обработке для удаления из нее воздушных включений.
Масса, получаемая на вакуум-прессе, представляет собой монолитный цилиндр, который по выходе из мундштука разрезается на куски заданной длины (заготовки), из которых формуют прессованием в гипсовых или стальных формах и другими методами различные типы изоляторов. Извлеченные из форм изоляторы поступают на токарные станки, где им придают окончательные очертания и размеры. Обточенные изоляторы, имеющие влажность 16—18 %, поступают в сушилки, где влажность снижается до 0,1—2 %. В связи с удалением воды происходит воздушная усадка — уменьшение объема изделий.
Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой глазурной суспензией (глазурью), состав которой отличается от состава жидкой фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварца, полевого шпата, доломита и др.).
В цветные глазури вводят красители — хромистый железняк, пиролюзит и др.
При обжиге электрофарфоровых изделий слой глазури плавится, создавая на их поверхности ровное стекловидное покрытие. Глазурь повышает механическую прочность изоляторов, делает их стойкими к влаге и атмосферным загрязнениям. Цветные глазури служат также для маркировки изоляторов.
Термическую обработку — обжиг изоляторов — производят в туннельных печах непрерывного действия, которые и отличаются высокой производительностью.
Высушенные и покрытые глазурной суспензией изоляторы, установленные на специальные вагонетки, перемещаются в туннеле печи, последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения с заданными температурами. При выходе из печи они представляют собой готовые электрокерамические изделия. При обжиге электрокерамических изделий пламя и газы не должны непосредственно действовать на них, поэтому изоляторы и другие изделия помещают в огнеупорные капсели, которые представляют собой круглые коробки из огнеупорной керамической массы.
Полученные после обжига электрокерамические изделия подвергают механическим и электрическим испытаниям, отбраковывая дефектные изделия.
Стеатит также является электрокерамическим материалом и отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 250 °С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из электротехнического
фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от 100 0С и выше.
Стеатит – материал более дорогой, чем электрофорфор, так как для его изготовления используется более дорогое сырье.
Из пластичной стеатитовой массы массы изготавливают стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом прессования в гипсовых формах.
Керамические конденсаторные материалы отличаются от керамических изоляторных материалов большей диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготовлять из них керамические конденсаторы большой емкости и сравнительно малых габаритов. Керамические конденсаторы не обладают
гигроскопичностью и поэтому не нуждаются в защитных корпусах и оболочках, которые необходимы для бумажных и слюдяных конденсаторов. Технология производства керамических конденсаторов значительно проще, чем бумажных и слюдяных. Керамические конденсаторы изготовляют методами керамической технологии — литьем в гипсовые или стальные формы, прессованием и
др., а затем обжигают в печах при конечных температурах 1450—1700 °С. В результате получают неувлажняемые, механически прочные заготовки, на поверхность которых наносят (методом вжигания) сплошные серебряные электроды 1 толщиной 15—20 мкм, припаривают к ним медные выводы. Для защиты электродов от коррозии и исключения возможности замыкания всю поверхность керамических конденсаторов покрывают сплошным слоем влагостойкой эмали.
Для придания пластичности в некоторые исходные конденсаторные массы
вводят небольшое количество глинистых веществ. Это, однако, вызывает ухудшение электрических характеристик керамических конденсаторов.
Сегнетокерамические материалы (сегнетокерамика) относятся к группе диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. В отличие от ранее рассмотренных диэлектрических материалов у сегнетоэлектриков наблюдаются аномально большие значения диэлектрической проницаемости, что позволяет применять их в качестве датчиков температуры при измерении ее электрическими методами. Большая диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков позволяет изготовлять из них миниатюрные электрические конденсаторы большой емкости. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно возрастает с ростом приложенного к ним напряжения, чего не наблюдается у обычных диэлектриков. Это характерное свойство сегнетоэлектриков используют в диэлектрических усилителях.
Если пластинку сегнетоэлектрика сжимать или растягивать, прикладывая к ее сторонам механические усилия, на ее противоположных поверхностях наводятся электрические заряды разного знака. В результате пластинка сегнетоэлектрика становится источником эдс. Это явление, называемое прямым пьезоэффектом,позволяет применять сегнетоэлектрики в электрических датчиках для измерения давления.
Если же к пластине сегнетоэлектрика приложить переменное напряжение, она начинает вибрировать с той частотой, с какой изменяется переменное напряжение. Это явление называют обратным пьезоэффектом. Изготовляемые из сегнетоэлектриков пьезоэлементы служат источником высокочастотных колебаний.
Керамические сегнетоэлектрики не поглощают влагу, не растворяются в воде и могут работать в достаточно широком интервале температур. Все сегнетоэлектрики обладают характерными сегнетоэлектрическими свойствами только до определенной температуры: титанат бария — до 120 °С, а цирконат свинца — до 461 °С. При превышении этих температур сегнетоэлектрики теряют свои характерные свойства и становятся обычными диэлектриками.
«Силикатные (неорганические) стекла»
Неорганическое стекло — дешевый материал, так как его изготовляют из доступных веществ: кварцевого песка SiО2, соды Na2СОз, доломита CaCO3·MgCO3, мела СаСОз и некоторых других. Смесь этих веществ, взятых в определенном соотношении, называют шихтой. Загруженная в стекловаренную печь шихта при нагревании до 1350—1600 °С плавится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия.
Основным стеклообразующим веществом является кварцевый песок, который содержит 98 % SiО2. Практически стекло можно получать из одного кварцевого песка, однако расплавить его можно только при очень высокой температуре (около 2000 °С). Для этого необходимы дорогостоящие печи и другое сложное оборудование. Правда, чистые кварцевые стекла обладают рядом ценных свойств: очень высокими электрическими характеристиками, стойкостью к влаге (гидролитическая стойкость). Изделия из кварцевого стекла, нагретые до красного, каления и погруженные в холодную воду, не растрескиваются.
Некоторые термостойкие электроизоляционные изделия (небольшие изоляторы) изготовляют из чистого кварцевого стекла.
Для получения других видов стекла составляют шихту, в которую кроме кварцевого песка входят вещества, снижающие его температуру плавления (кальцинированная сода, мел, доломит и др.).
При нагревании шихты из нее вначале испаряется влага, улетучиваются газы в атмосферу, а оставшиеся оксиды натрия, калия, кальция и других веществ вступают в химические реакции с кремнеземом Si03, образуя сложные соединения, называемые силикатами. Поэтому неорганические стекла называют силикатными.
При температуре 1350—1600 °С силикаты плавятся, образуя вязкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия. Так, выдуванием в металлические формы получают баллоны ламп, а прессованием — стеклянные изоляторы и другие изделия.
По химическому составу все силикатные стекла можно разделить на четыре группы: щелочные, щелочные с содержанием тяжелых оксидов, малощелочные и бесщелочные.
Щелочные стекла сравнительно легкоплавкие (1350 °С) и содержат большое количество щелочных оксидов. К этой группе принадлежат оконное, посудное и бутылочное стекло. Щелочные стекла обладают низкими значениями электрических характеристик и имеют большой коэффициент температурного расширения, что обусловливает их низкую термостойкость. Щелочные стекла с содержанием тяжелых оксидов обладают повышенными электрическими характеристиками. К этой группе относятся флинты и кроны, применяемые для изготовления электроизоляционных изделий (конденсаторов и др.).
Малощелочные стекла содержат щелочных оксидов не более 5 % и используются для изготовления стеклянных изоляторов высокого напряжения.
Бесщелочные стекла либо совершенно не содержат щелочных оксидов (например, кварцевое стекло), либо содержат их не более 2 % и служат для изготовления стеклянного волокна для электроизоляционных стеклотканей. Эти стекла отличаются сравнительно высокой температурой плавления, для понижения которой в состав шихты вводят борный ангидрид (до 10%).
До последнего времени все изоляторы изготовляли из электротехнического фарфора. Попытки применить для этой цели стекло оканчивались неудачей из-за недостаточной механической прочности и термической стойкости стеклянных изоляторов.
В настоящее время разработаны состав малощелочного изоляторного стекла и технология производства изоляторов из закаленного стекла. Согласно этой технологии стекломасса, поступающая из ванной печи, подается в чугунную пресс-форму автоматического пресса, где происходит прессование изолятора. Затем нагретый изолятор извлекается из формы и равномерно обдувается со всех сторон холодным воздухом, поступающим через сопла.
Механическая прочность закаленных стеклянных изоляторов в 2—3 раза выше, чем незакаленных, и выше, чем фарфоровых изоляторов. Поэтому размеры закаленных стеклянных изоляторов на 10—20 % (по сравнению с фарфоровыми) меньше.
Стеклянные изоляторы малых габаритов (штыревые на 10 кВ и некоторые другие) изготовляют не из закаленного, а из отожженного стекла. В этом случае изоляторы, отпрессованные на пресс-автоматах, отжигают в печах, медленно повышая, а затем медленно понижая до комнатной температуры. Такой отжиг снимает все внутренние напряжения, возникшие за счет неравномерного охлаждения при прессовании стеклянных изоляторов.