CHƯƠNG 11 vật LIỆU CÁCH điện THỂ rắn

11/8/15 Page 211.1 Phân loại vật liệu cách điện thể rắn Dựa vào các đặc điểm khác nhau, ngưòi ta phân chia chúng thành các nhóm vật liệu vô cơ có nguồn gốc từ khoáng, quặng gốm, sứ, thu

11/8/15 Page 2

11.1 Phân loại vật liệu cách điện thể rắn

Dựa vào các đặc điểm khác nhau, ngưòi ta phân chia chúng thành các nhóm vật liệu vô cơ có nguồn gốc từ khoáng, quặng (gốm, sứ, thuỷ tinh, mica) và vật liệu hữu cơ, trong nhóm thứ hai lại

được chia thành loại có nguồn gốc tự nhiên (cao su tự nhiên, sáp nến ) hoặc nhân tạo

Ngoài ra người ta còn phân loại các sản phẩm và chi tiết cách điện thành các loại vật liệu sợi, vật liệu tấm, các chất sơn phủ, chất sơn tẩm

Các vật liệu cách điện thể rắn rất đa dạng về chủng loại, thành phần, cấu tạo

Trong nhóm các vật liệu hữu cơ tổng hợp người ta chia thành các nhóm polyme nhiệt cứng, polyme nhiệt dẻo, các nhựa đàn hồi (cao su tổng hợp và elastome)

11/8/15 Page 3

VËT LIÖU C¸CH ®IÖN

VËt liÖu c¸ch

®iÖn thÓ khÝ VËt liÖu c¸ch ®iÖn thÓ láng VËt liÖu c¸ch ®iÖn thÓ r¨n

Gèm Mica Sø Th¹ch anh Thuû tinh

Tù nhiªn

Cao su S¸p, nÕn Ebonite S¬n g«m l¾c GiÊy

Polyme Composite Cao su tæng hîp vµ elastome

NhiÖt dÎo NhiÖt cøng

11/8/15 Page 4

vµ elastome NhiÖt dÎo NhiÖt cøng

Gèm Mica Sø Th¹ch anh Thuû tinh

Cao su S¸p, nÕn Ebonite S¬n g«m l¾c GiÊy

Acetal cellulose Acrylonitrile butadiene styrene

Ethylene propylene perfluore Poyacetal

Polyamide (6, 6-6, 11) Polyamide aromatic Polybutylene terephtalate Polycarbonate

Polychlorotr×luoroethylene Polychlorure de vinyle Polychlorure de vinylidene Polyethesulfone

Polyethylene (LD, HD, MD) Polyethylene terephtalate Polyflorure de vinylidene Polyimide

Polymethacrylate de methyle Polyoxyphenylene

Polypropylene Polystyrene Polysulfone Polysulfure de phenylene Polytetrafluoreethylene

Amiloplaste Epoxy Phenoplaste Phtalate de dialyle Polyestere

Polyimide Polyurethane Silicone

emay vµ vernis vËt liÖu ph©n tÇng GiÊy phenolplaste giÊy epoxy

v¶i sîi coton phenolplaste giÊy amiande phenolplaste v¶i sîi thuû tinh epoxy v¶i sîi thuû tinh

phenolplaste v¶i sîi silicone C¸c compound vµ c¸c chÊt keo dÝnh

Cao su butyl ethylene propylene nitryle

silicone styrene butadiene elastomere

polyurethaneC¸c vËt liÖu c¸ch ®iÖn thÓ r¾n ®­îc dïng trong kü thuËt ®iÖn

mica muscovite cã thµnh phÇn ho¸ häc biÓu thÞ b»ng c«ng thøc KAl2(Si3Al)O10(OH)2 cßn gäi

lµ mica tr¾ng hoÆc hång ngäc tuú theo nguån gèc vµ ®­îc sö dông nhiÒu h¬n

Mica lµ kho¸ng s¶n c¸ch ®iÖn

Trong thiªn nhiªn mica ë d¹ng tinh thÓ, thµnh líp cã thÓ bãc t¸ch nh­ng hai d¹ng phæ biÕn nhÊt ®­

îc sö dông lµ

philogopite KMg3(Si3Al)O10(OH)2

11/8/15 Page 6

SiO2Al2OK2OMgO

45-4730-389-12-

38-4312-179-1123-29

Mica muscovite là loại không màu (trắng) hay hơi đỏ hoặc hơi xanh

Mica tổng hợp cũng có thể sản xuất bằng phương pháp điện nhiệt tương tự như miac tự nhiên như

ng không chứa nước Trong khi đó, loại mica philogopite thì có màu đen hay nâu đen

Người ta dùng mica để làm cách điện trong các thiết bị điện quan trọng, cách điện cuộn dây của máy

điện, cách điện cổ góp của các các máy điện

Để làm mica ta chọn những tấm to kích thước cỡ 10ư60 mm2 và bóc thành những lá mỏng 0,1ư0,02

mm hoặc 0,06 mm

Nếu dùng phlogopite thì do độ mài mòn tương tự như đồng nên cổ góp vẫn nhẵn

Tính chất của mica phj thuộc vào thành phần hợp chất của nó và chất kết dính Khả năng chịu hoá chất cũng tuỳ thuộc vào keo kết dính

Không dùng được mica trong dầu vì nó bị phân huỷ

Loại lica dùng cho tụ điện là loại mica muscovite có phẩm chất cao hơn cả

Các tấm mica trong suốt dùng cho các lò vi sóng

Tuy nhiên mica thuần tuý tự nhiên ít được dung mà thường là các sản phẩm từ mica

11/8/15 Page 11

Do thành phần mica trong micanit trên 50% tính theo trọng lượng nên nó có tính chịu nhiệt cao (cấp nhiệt B 130 °C) và nếu dùng các chất đệm vô cơ như vải thuỷ tinh và keo dán có tính chịu nhiệt cao như silic và flo hữu cơ thì nó sẽ thuộc cấp nhiệt cao hơn F và H

11/8/15 Page 12

là loại vật liệu gốc mica có phẩm chất cao, có tính chịu nhiệt, cường độ cơ giới, khả năng chịu va đập, chịu

hồ quang tốt, tổn hao điện môi bé với thành phần 60% là mica và 40% là thuỷ tinh BaO

Micalex :

Micalec chịu được tác dụng của độ ẩm, ít chịu được tác dụng của axit mạnh đậm đặc (axit sulphuric và nitric) đư

ợc dùnglàm buồng dập hồ quang trong máy cắt, tay nắm cách điện, phích cắm bếp điện, trong kỹ thuật thuật vô tuyến làm giá đỡ đèn công suất, panen

Micalex được làm từ bột mica trộn với bột thuỷ tinh và được ép với áp lực lớn trong khuôn thép thành các bán sản phẩm mỏng thành ở nhiệt độ 600 °C

11/8/15 Page 13

b) Gốm

Các gốm sứ được sử dụng là : alumica hay oxit nhôm Al2O3, aluminum natride, aluminum silicate chứa tỷ lệ oxit nhôm Al2O3 và oxit silic SiO2 khác nhau, berylica hay oxit berylium sản suất từ beryl Be3Al2Si6O18, boron natride, bordierite, kim cương, magnesia, sứ, thạch anh, sapphire, seatite, zircon

Gốm sứ và thuỷ tinh là những vật liệu cách điện được sử dụng sớm nhất trong các thiết bị điện, trong truyền tải và phân phối điện năng

ở dạng phôi, chúng được dùng để chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp và sau khi nung ở nhiệt độ cao sẽ có được sản phẩm đặc trưng bởi khả năng chống già cỗi hoá và khả năng chịu nhiệt độ làm việc cao, các shock nhiệt vứo các tính chất cách điện khá tốt

Về thành phần các vật liệu gốm chứa các silicate nhôm ngậm nước có công thức chung là Al2O3.xH2O Chúng có cấu trúc mạng tinh thể xen kẽ vói một tỷ lệ nhỏ các pha có cấu trúc vô định hình hình

thành trong quá trình nung Tỷ lệ pha tinh thể và pha định hình có ảnh hưởng không nhỏ đến tính chất vật lý và cách điện của gốm Nhiệt độ nung của các gốm sứ nằm trobg khoảng 1200ư1700 C

11/8/15 Page 14

§é bÒn ®iÖnV/mils* H»ng sè ®iÖn m«i , 1 MHz tgδ

11/8/15 Page 15

Sứ cách điện

Thường dạng và kích thước của các chi tiết cách điện sứ khác nhau nhiều, khi chế tạo cần chú ý tránh làm các lớp sứ quá dày, quá trình nung sẽ không được tốt Có thể khắc phục bằng cách chế tạo nhừng chi tiết mỏng hơn sau dó dùng xi măng mác cao gắn liên kết chúng lại với nhau

Sứ cách điện được sản xuất từ 3 nguyên liệu ban đầu là

đất sét và caolin (40ư50% bột nhào thô) là các chất chứa chủ yếu là nhôm và silicatethạch anh hình thành cốt của sứ (35ư45% bột nhào thô)

Để chế tạo vật liệu sứ, đầu tiên đem hỗn hợp ban đầu nghiền nhỏ khử hết tạp chất và hoà vào nước

để tạo nên một phôi liêụ dẻo

Bằng gia công có thể tạo được những chi tiết có hình dáng phức tạp (như sứ cách điện) sau đó các chi tiết này được sấy, tráng men và nung ở nhiệt độ cao từ 1300ư1350 °C, trong thời gian từ 20 đến 70 giờ tuỳ thuộc vào kích thước và yêu cầu

Các quá trình này rất quan trọng vì nó tạo cho sứ các phẩm chất quan trọng như giảm khả năng hút

ẩm, chịu được nước mưa, bụi bẩn trong môi trường, nâng cao điện áp phóng điện bề mặt, tăng độ bền cơ giới, tăng phẩm chất cách điện

11/8/15 Page 16

Nhóm vật liệu MgO-Al2O3-SiO2

periklaz MgOforsterite 2MgO.SiO2 klioenstatite (steatite) MgO.SiO2 kritobalit và tridimit SiO2

cordierite 2MgO.2Al2O3 5SiO2 mulit 3Al2 O3.SiO2

Corun Al2O3 spimen MgO.2Al2O3

Vật liệu gốm cordierite có kết cấu không chặt chẽ, tổn hao điện môi và điện dẫn lớn nhưng có hệ số giãn nở nhiệt bé nên được dùng để chế tạo các chi tiết chịu nhiệt nhưng không làm việc trong trường cao tần

Loại gốm steatite dễ nghiền nhỏ để tạo hình các chi tiết hay có thể gia công bằng phương pháp cơ khí, có tổn hao điện môi bé Ưu điểm của nó là khi nung ít bị co nên được dùng để chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác

Spinen được dùng chủ yếu để làm các tụ điện hạ thế Forsterite được dùng làm các cách điện trong các thiết bị chân không nơi cần sự liên kết chặt chẽ với các kim loại

Nhóm vật liệu này gồm có 9 biến thể là

11/8/15 Page 17

Nhóm vật liệu BaO-Al2O3-SiO2

Trong kỹ thuật vô tuyến thường dùng loại vật liệu nhóm trên cơ sở của các oxyt khác nhau như oxyt berylium BaO, oxyt nhôm

Vật liệu gốm mulit thành phần của nó gồm thạch anh, cao lanh

Nhóm vật liệu gôc titan, ziconi và thiếc kẽm

Gốm có hằng số điện môi caoVật liệu xốp trên cơ sở của silicate nhôm và magieSilicate nhôm giàu nhôm

Carbure silic SiC

11/8/15 Page 18

Lĩnh vực sử dụng

Kỹ thuật điện áp cao

Do có những tính chất cách điện cũng như tính chất cơ khí và khả năng chịu đựng điều kiện môi trường, các cách điện bằng sứ được sử dụng rộng rãi cho cả cách điện trong nhà và cách điện ngoài trời : cách điện trong trạm biến áp, cách điện của đường dây tải điện trên không, cách điện của các thiết bị điện

Đường dây tải điện trên không thường dùng các loại cách điện sau đây :loại cách điện có chân sắt Đường dây 35 kV trở xuống có thể dùng loại này Điện áp càng cao thì yêu cầu

về đường kính và chiều cao của cách điện càng lớn

loại cách điện treo có hai loại là : chuỗi sứ cách điện gồm các sứ kiểu đĩa và loại thanh

Mặt trên của sứ thường nghiêng một góc 5ư10° để thoát nước, còn mặt dưới có các gờ để tăng chiều dài đường rò điện và điện áp phóng điện bề mặt khi bị ướt

Đối với trạm biến áp có các loại sau đây : sứ đỡ kiểu thanh hoặc kiểu có chân sắt, sứ xuyên tường, sứ đầu vào máy biến áp, máy cắt

Vật liệu sứ có sức bến chịu nén cao hơn chịu kéo nên khi thiết kế chú ý tạo để vật liệu làm việc ỏ trạng thái nén

11/8/15 Page 19

Tụ điện gốm

Vật liệu gốm được dùng cho các tụ điện công suất là chất mà thành phần chính là oxyt titan TiO2 Các tụ

điện loại này có hai loại : kiểu ống hoặc kiểu đĩa được sử dụng trong công nghệ hàn kim loại với chất dẻo, công nghệ sấy cao tần và hàn cảm ứng cao tần Ngoài TiO2, một số loại gốm MgTiO3, BaTiO3, SrTiO3 CaZrO3 Các loại tụ điện loại này có điện dung rất lớn và kích thước nhỏ được dùng cho các máy phát xung, mạch bội áp, phân áp

Kỹ thuật cao tần

Gốmphủ kim loại

ợc sử dụng làm cách điện của bugi, cho xi chân không (vacuum-tight seals) với kim loại.

Aluminum silicat có hằng số điện môi bé nhất trong các vật liệu gốm, bến nhiệt nhưng tính chất cơ khí thấp

Sứ là vật liệu trơ về hoá học có những tính chất cách điện thoả đáng ở tần số công nghiệp Được dùng chủ yếu làm cách điện của các đường dây tải điện, máy cắt, bugi và sử dụng

ở điện áp tháp làm cách điện cầu chì, đui dền, chuyển mạch

Màng kim cương là vật liệu có đặc tính đặc biệt tốt đối với các ứng dụng điện tử

saphire có bề mặt tinh thể đơn giản cho các vi mạch IC và các hệ thống điện tử Có hằng

số điện môi lớn nhất trong các vật liệu gốm, rất ổn định về nhiệt

11/8/15 Page 21

c) Thuỷ tinh kỹ thuật điện

Thuỷ tinh được coi là vật liệu vô cơ có kết cấu vô định hình Có thể xem chúng như vật liệu thể thể lỏng

có độ nhớt vô cùng cao với thành phần hoá học phức tạp gồm chủ yếu các loại oxit như SiO2, B2O3, P2O5 còn các loại oxit kiềm như Na2O, K2O, và kiềm thổ như CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3, MnO, MgO, Fe2O3

Theo tỷ lệ, thuỷ tinh chứa silic (75%), soda (25%), vôi (5%)

Thuỷ tinh cách điện được sử dụng chủ yếu để chế tạo các chi tiết cách điện định hình : cách điện của các dường dây tải điện (cách điện kiểu có chân sắt hoặc kiểu treo), các chi tiết trong các dụng cụ đo lường Nó cần có tính chịu nhịt cao, đặc biệt là khả năng chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột và thất thường

Thuỷ tinh tụ điện được dùng làm điện môi trong các tụ điện (các bộ lọc cao thế, máy phát xung) Loại này có hằng số điện môi cao, tổn hao bé và cường độ cách điện cao

Sợi thuỷ tinh là thuỷ tinh được kéo thành sợi nhỏ mềm có đường kính 20 và 4ư7 àm Từ sợi thuỷ tinh có thể dệt thành vải thuỷ tinh hoặc băng thuỷ tinh Vải và băng thuỷ tinh có chiều dày 0,025ư0,28 mm Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là loại sợi có tính chịu nhiệt cao, sức bền cao, ít hút ẩm, cách điện tốt Sợi thuỷ tinh được dùng để cách điện của các cuộn dây Vải thuỷ tinh được sử dụng làm cách điện stato máy phát, động cơ điện

xe lửa, động cơ điện có nhiệt độ làm việc cao, động cơ thường đóng cắt, động cơ cầu trục, máy biến thế hàn Vải thuỷ tinh có thể tẩm các loại nhựa nhân tạo để làm thành các tấm cứng được dùng để sản suất các vật liệu composit (ví dụ sợi thuỷ tinh ư epoxy, steclostolite, tecstolite)

11/8/15 Page 22

C¸ch ®iÖn b»ng thuû tinh cã ­u ®iÓm :TÝnh chÞu nhiÖt cao

Kh«ng hót ÈmKh¶ n¨ng chÞu dÇu, axit vµ xót trõ axit flohidric HF vµ phosphoric H3PO4 Kh«ng giµ cçi

tÝnh chÊt c¸ch ®iÖn tètnãng

11/8/15 Page 23

d) Amiăng

Amiăng là vật liệu cách điện có tính chịu nhiệt cao Sợi amiăng mịn dễ uốn, có thể tách thành sợi nhỏ hoặc ép thành tấm Nó có thành phần hoá học biểu thị bởi công thức 3MgO.2SiO2.2H20 Sợi

có độ dài trung bình 3ư8 mm, ở nhiệt độ 1500 °C mới nóng chảy

Giấy amiang làm bằng amiăng tẩm nhựa silicone chịu nhiệt đến 200 °C, chịu axit bazow và dầu dùng làm cách điện biến áp khô

Giấy amiăngưmica làm bằng mica dán lên giấy amiăng được sử dụng làm cách điện trong trường hợp

đòi hỏi coư tính không cao mà đòi hỏi tính chịu nhiệt và tính chất cách điện cao như trong cuộn dây điện trở, phần tử đốt nóng

Loại vật liệu hữu cơ được dùng nhiều nhất là các liên kết cao phân tử Polyme được gọi là các chất đặc trưng bởi sự lặp lại rất nhiều lần một vài mắt xích trong cấu trúc phân tử Người ta sản xuất polyme từ các monome là những chất mà các phân tử có khả năng hình thành một hoặc một số mắt xích Về mặt hoá học thì đa số các liên kết cao phân tử thuộc loại vật liệu trùng hợp.Theo thành phần hoá học, các polyme được chia thành các nhóm sau :

11/8/15 Page 25

Vật liệu có kết cấu không gian thì nói chung là hơn và chảy mềm ở nhiệt độ cao hơn, một số vật liệu thuộc loại ày trước khi bị mềm thì có thể đã bị hỏng Nó khoá hoà tan, không thể kéo thành sợi hoặc thánh màng mỏng.

Tuy vậy chúng ta có thể chia chúng thành nhóm vật liệu nhiệt dẻo và nhóm vật liệu nhiệt cứng Nhựa tổng hợp nhiệt dẻo

là các vật liệu có thể ép nóng thành tấm mỏng để sử dụng, hoá mềm khi bị nóng Còn loại vật liệu nhiệt cứng thì khi được làm nngs và ép thì ban đầu hoá mềm, sau đó đông cứng và giữ hình dáng khuôn ép dù có làm nóng cũng không thay đổi hình dáng

11/8/15 Page 26

b) Vật liệu nhiệt dẻo

chúng gồm hai nhóm : nhóm có tổn hao điện môi bé và nhóm có tổn hao điện môi lớn

Nhóm polyme nhiệt dẻo có tổn hao điện môi bé

1 Polyethylene (LDPE, HDPE, MDPE) PE 154

Polyethylene từ những năm 30 đã trở thành vật liệu trong sản xuất dây dẫn và cáp

Polyethylene loại nhựa sản xuất từ phản ứng polyme hoá khí ethylene

nhóm các chất nhiệt dẻo (thermoplastic) các polyme hữu cơ mà có tính dẻo khi bị nung nóng và rắn trở lại trạng thái ban đầu khi làm lạnh

(CH2 = CH2 )

11/8/15 Page 27

Polyethylen áp suất thấp có các tính chất cơ học tốt, còn polyethylene áp suất cao lại có những tính chất điện tốt hơn

Các tính chất của PE phụ thuộc vào mật độ phân tử

Trong công nghiệp sử dụng ba loại PE theo công nghệ sản suất khác nhau

Nếu phản ứng polyme hoá xảy ra dưới áp suất cao 130ư250 MPa và nhiệt độ từ 130ư300 C, sản

phẩm thu được là PE mật độ thấp LDPE hay là PE áp suất cao

Nếu phản ứng polyme hoá xảy ra dưới áp suất thấp dưới 1 MPa và nhiệt độ khoảng 80 °C, sản

phẩm thu được là PE mật độ cao HDPE hay là PE áp suất thấp

Nếu phản ứng polyme hoá xảy ra dưới áp suất trung bình 3ư4 1 MPa và nhiệt độ thấp hơn

160 C, sản phẩm thu được là PE mật độ cao trung bình MDPE

954-96018-45101510152.3-2.4(2-4)10-445-55

11/8/15 Page 29

Nó bền vững về mặt hoá học với tác dụng của axit và bazơ nhưng là vật liệu cháy Bằng cách chiếu xạ có thể nâng cao khả năng chịu nhiệt của polyethylene PE bị phá huỷ bởi HNO3 50%, fluore và chlore ở dạng khí hoặc lỏng Trong các dung môi hữu cơ, nó không bị hoà tan mà sẽ phồng lên nhưng ở nhiệt độ lớn hơn 80 °C thì hoà tan trong nhiều dung môi Dưới tác dụng của nhiệt độ, tia cực tím, oxy khi tiếp xúc với không khí, PE bị lão hoá

Polyethylene có độ bền điện cao, khả năng chịu phóng điện bề mặt tốt

PE có cấu trúc mạch thẳng nên độ bền nhiệt thấp Dùng phương pháp chiếu xạ hoặc lưu hoá, cấu trúc phân tử PE trở thành cấu trúc không gian Khi nhiệt độ tăng đến 110ư115 °C, PE không bị nóng chảy mà chỉ bị mềm

Các sản phẩm của PE dưới dạng nhựa, màng mỏng, tấm được dùng làm vật liệu cách điện trong cáp cao tần (cáp đồng trục) và cáp cao áp dến 220 kV