CHƯƠNG 11 vật LIỆU CÁCH điện THỂ rắn

CHươNG 11 CáCH đIệN THể RắN 11.1 Phân loại vật liệu cách điện thể rắn 11.2.Vật liệu cách điện rắn vô 11.3 Vật liệu cách điện cao phân tử (polyme) hữu 11.4.Vật liệu cách điện gốc cellulose 11.1 Phân loại vật liệu cách điện thể rắn Các vật liệu cách điện thể rắn đa dạng chủng loại, thành phần, cấu tạo Dựa vào đặc điểm khác nhau, ngưòi ta phân chia chúng thành nhóm vật liệu vô có nguồn gốc từ khoáng, quặng (gốm, sứ, thuỷ tinh, mica) vật liệu hữu cơ, nhóm thứ hai lại chia thành loại có nguồn gốc tự nhiên (cao su tự nhiên, sáp nến ) nhân tạo Trong nhóm vật liệu hữu tổng hợp người ta chia thành nhóm polyme nhiệt cứng, polyme nhiệt dẻo, nhựa đàn hồi (cao su tổng hợp elastome) Ngoài người ta phân loại sản phẩm chi tiết cách điện thành loại vật liệu sợi, vật liệu tấm, chất sơn phủ, chất sơn tẩm VậT LIệU CáCH đIệN Vật liệu cách điện thể khí Vật liệu cách điện thể lỏng Cách điện rắn vô Gốm Mica Sứ Thạch anh Thuỷ tinh Vật liệu cách điện thể răn Vật liệu cách điện thể rắn tổng hợp Tự nhiên Cao su Sáp, nến Ebonite Sơn gôm lắc Giấy Polyme Nhiệt dẻo Composite Nhiệt cứng Cao su tổng hợp elastome Các vật liệu cách điện thể rắn dùng kỹ thuật điện Vô Vật liệu cách điện thể rắn tổng hợp Tự nhiên Gốm Mica Sứ Thạch anh Thuỷ tinh Cao su Sáp, nến Ebonite Sơn gôm lắc Giấy Polyme Composite Nhiệt dẻo Nhiệt cứng Acetal cellulose Acrylonitrile butadiene styrene Ethylene propylene perfluore Poyacetal Polyamide (6, 6-6, 11) Polyamide aromatic Polybutylene terephtalate Polycarbonate Polychlorotrìluoroethylene 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 vernis vật liệu phân tầng Giấy phenolplaste giấy epoxy vải sợi coton phenolplaste giấy amiande phenolplaste vải sợi thuỷ tinh epoxy vải sợi thuỷ tinh phenolplaste vải sợi silicone Các compound chất keo dính Cao su tổng hợp elastome Cao su butyl ethylene propylene nitryle silicone styrene butadiene elastomere polyurethane 11.2.Vật liệu cách điện rắn vô Điện môi vô loại vật liệu quan trọng kỹ thuật điện vô tuyến điện có tính chất cách điện tốt, có tính chịu nhiệt cao, đa số vật liệu kông hút ẩm, tương đối rẻ a) Mica sản phẩm từ mica Mica khoáng sản cách điện Trong thiên nhiên mica dạng tinh thể, thành lớp bóc tách hai dạng phổ biến đư ợc sử dụng mica muscovite có thành phần hoá học biểu thị công thức KAl2(Si3Al)O10(OH)2 gọi mica trắng hồng ngọc tuỳ theo nguồn gốc sử dụng nhiều philogopite KMg3(Si3Al)O10(OH)2 Mica muscovite loại không màu (trắng) hay đỏ xanh Trong đó, loại mica philogopite có màu đen hay nâu đen SiO2 Al2O K2O MgO Muscovite, % Philogopite, % 45-47 30-38 9-12 - 38-43 12-17 9-11 23-29 Mica tổng hợp sản xuất phương pháp điện nhiệt tương tự miac tự nhiên ng không chứa nước Các tính chất loại mica tự nhiên Muscovite Philogopite 2.6-3.2 2.6-3.2 2.1013-1017 2.1013-1017 Độ bền điện , kV/mm 60-240 120-168 Hằng số điện môi, 106 Hz 6,5-8,7 5-6 0.1 0.4 Nhiệt dẫn, W/cm.K 0.0035 0.0035 Nhiệt độ lớn C 540 760 Khối lượng riêng, g/cm3 Điện trở suất, .cm tg, 106 Hz Một điểm lưu ý tính chất điện mica phụ thuộc vào chiều điện trường đặt lên mica Nếu theo chiều song songvới lớp hì tính chất cách điện giảm nhiều So sánh theo tính chất điện mica muscoviye loại vật liệu cách điện tốt Khi mica bị nóng đến nhiệt độ nước mica bị thoát ra, mica không suốt, độ dày tăng bị phồng lên tính chất điện giảm Lĩnh vực sử dụng Mica nguyên khối mica sử dụng làm điện môi tụ điện công suất nhỏ mạch điện tử Người ta dùng mica để làm cách điện thiết bị điện quan trọng, cách điện cuộn dây máy điện, cách điện cổ góp các máy điện Để làm mica ta chọn to kích thước cỡ 10ư60 mm2 bóc thành mỏng 0,1ư0,02 mm 0,06 mm Tính chất mica phj thuộc vào thành phần hợp chất chất kết dính Khả chịu hoá chất tuỳ thuộc vào keo kết dính Không dùng mica dầu bị phân huỷ Micanit sản phẩm chế tạo từ muscovite bị mài mòi chổi than đồng nên sau thời gian bề mặt cổ góp không nhẵnn Nếu dùng phlogopite độ mài mòn tương tự đồng nên cổ góp nhẵn Ngoài công dụng kỹ thuật điện để làm cách điện máy điện, mica dùng nhiều để chế tạo tụ điện chi tiết cách điện kỹ thuật vô tuyên Loại lica dùng cho tụ điện loại mica muscovite có phẩm chất cao Các mica suốt dùng cho lò vi sóng Để cách điện cho cuộn dây thiết bị điện cầp nhiệt cao từ 155 dến 200 C, sản phẩm giấy mica dùng Tuy nhiên mica tuý tự nhiên dung mà thường sản phẩm từ mica Tính chất PA Khối lượng riêng, kg/m3 Độ bền học kéo, MPa Điện trở suất khối, .m Hằng số điện môi 50 Hz tg 50 Hz Độ bền điện, MV/m Nhiệt độ làm việc lâu dài, C Nhiệt độ nóng chảy, C Nylon 66 Nylon 11 1140 80 4.1011 4.6 0.04 20-22 1100 60-80 4.1012 3.2 0.02-0.03 22 105 264 185 Trong kỹ thuật cách điện, nhựa polyamide dùng để sản suất chi tiết cách điện sợi thay lụa tự nhiên sợi dùng làm cách điện cuộn dây vải tẩm Polyacetal : Homopolyme, copolyme Acetal homopolyme polyme mạch thẳng hình thành từ phản ứng polyme hoá formaldehyde với chất xúc tác polyoxymethylene Có thể sử dụng axit anhydride để tăng tính ổn định vật liệu Các sử dụng vật liệu giới hạn cho thành phần có tính chất FR tốt đòi hỏi bền vững hoá học khong đặt Acetal copolyme sản xuất từ hai ethere mạch vòng : trĩoane phần tỷ lệ nhỏ dioxane Do có khả cháy cao, vật nhựa sử dụng làm cuộn dây TV, radio, nút bấm Acrylonitrile butadiene styrene Ethylene propylene perfluore Polybutylene terephtalate Polycarbonate PC 88 Polychlorotrifluoroethylene PCTFE 120 Poly vinylidene fluoride PVDF 219 Polyvinylidene chloride Polyethersulfone 105 Polyethylene terephtalate 312 Polyimide Polyoxyphenylene Polystyrene Polysulfone Polysulfure de phenylene Polytetrafluoreethylene 114R Polyuretane PUR 162 Polythetrafluorethylene PTFE Polyisoprene IR 170 Imide polyme : polyamideưimide PAI, polyetheride (80 83) Polyarylate PAR ( 85) Polybutylene BPT Polycarbonate PC (88 ) Polyetherertone PEEK ( 90) Polyphenylene oxide Tính chất số polyme nhiệt dẻo Polyme Độ bền điện, V/mil ASTM D 149 r, 20 C ASTM D 150 tg , 20 C ASTM D 150 v, .cm ASTM D 150 60 Hz 106 Hz, 60 Hz 20 C Polypropylen 600 2.2 2.2 1.1016 Nylon 6/6 600 4.6 0.2 1013 Polyamideimide 580 0.025 8.1016 Polystyrene 500 2.5 2.2 0.0001 >1.1016 Acrylic 500 3.7 2.23 0.05 1.1018 Nylon 11 480 3.9 3.1 0.04 1.1014 Polybutylene 420 3.3 3.1 0.002 >4.1016 Polycarbonate 380 3.2 3.0 0.009 8.2.1016 b) Vật liệu nhiệt cứng Nhựa nhiệt cứng chia thành nhóm sau : nhựa phenolưphocmaldehyt : bakelit, pabit, pectinax, geax, replit nhựa polyeste : glyptan, forterit nhựa epoxy : araldit, oclit Epoxy 126A, 130R Nhựa epoxy chứa thành phần itư hai nhóm ocxyran nhóm epoxy = CO = CH CHO CH có khả tạo thành polyme cấu trúc mạch không gian Nhựa epoxy chưa có chất đông cứng dạng chất lỏng nhớt hoà tan nhiều dung môi hữu (acetol, hydrocarbon chứa chlore ) không hoà tan nước, benzine Khi trộn nhựa epxy với chất đông cứng nhóm epoxy chuyển sang dạng đông cứng Quá trình không sinh sản phẩm phụ tiết thường có độ co ngót (0.3ư2%) dùng chi tiết cách điện dày Trong công nghiệp epoxy chất đông cứng đa dạng Nhựa epoxy Liên xô có loại : diepoxy (ED24, 22 20 16 14 ) nhựa epoxy có chứa nitơ với nhiều loại chất kết dính Ưu điểm epoxy có độ dính cao, sau đông cứng có đặc tính vật lý, học cao, bền vừng hoá học, không thấm ẩm Để tăng độ bền giới nhựa epoxy, người ta thêm số chất độn mùn mica, thạch anh Nhựa epoxy sử dụng làm chi tiết cách điện : cách điện, chất kết dính, keo dính cách điện, hỗn hợp cách điện (để sơn phủ tẩm thiết bị làm việc điều kiện nhiệt độ môi trường ăn mòn cao), chế tạo vật liệu composite Poypolyeste 119 Loại sản phẩm phản ứng trùng hợp ngưng tụ loại rượu với axit hữu (hoặc anhydric chúng) Nhựa gliptan (phản ứng ngưng tụ glyxerin với anhydric ftalic) Ưu điểm loại nhựa đàn hồi, bị lão hoá nhiệt, độ dính cao, chịu tác dụng hồ quang Sau gia công đông đặc không chịu tác dụng dung môi Lĩnh vực sử dụng dùng để chế tạo sơn, keo dán micanit, tẩm cách điện động Nhựa Polyethylenteraftalat loại vật liệu phản ứng trùng ngưng glucol axit tetraftalic vật liệu cực tính, có độ bền giới cao, nhiệt độ mềm cao Lĩnh vực sử dụng : chế tạo sợi, màng mỏng dùng làm cách điện lớp dây máy biến áp cuộn cảm, chế tạo tụ điện có nhiệt độ làm việc cao Bakelit Là loại cách điện sử dụng rộng rãi chế tạo từ phenol phocmaldehyt Bột bakelit ép thành khung cuộn dây, hộp vỏ cách điện, tẩm cách điện phẳng Các chất độn mạt cưa, giấy, giẻ sợi amiăng vụn, sợi thuỷ tinh làm tăng tính chất giới, tính đàn hồi, tính chịu nhiêt c) Cao su- cao su tổng hợp vật liệu elastome Đặc tính bật cao su tính đàn hồ, dùng làm cách điện có yêu cầu kín nước, chống ẩm dễ uốn Trong kỹ thuật điện, cao su dùng để làm cách điện dây dẫn điện, dây cáp, dây dẫn cyủa động cầm tay, dụng cụ gia đình, khí cụ điện phải di chuyển thường xuyên Cao su tự nhiên Thành phần hoá học hydrocarbon (C5H8)n nhiệt độ 50C mềm dính, nhiệt độ thấp giòn Do chịu tác dụng nhiệt độ cao nhiệt độ thấp nên người ta tiến hành lưu hoá cao su tự nhiên cách gia công với có mặt lưu huỳnh Sau lưu hoá, cấu trúc phân tử cao su trở thành loại mạch có cấu trúc không gian Nếu hàm lượng lưu huỳnh từ 1ư3%, cao su mềm có tính đàn hồi độ giãn Nếu hàm lượng lưu huỳnh lớn đến 30ư35% có cao su cứng (gọi ebônit) có khả chịu tải trọng xung Cao su mềm (rêzin) có tính chất cách điện : số điện môi 3ư7, tg 0,02ư0,1, độ bền điện 20ư30 kV/mm Rêzin dùng công nghiệp vô tuyến tần số thấp làm cách điện mạch tần số thấp, mạch nguồn, bọc cách điện dây dẫn cáp mềm, dụng cụ bảo hộ lao động găng, ủng, thảm cách điện Cao su tổng hợp Butadien loại cao su tổng hợp chế tạo có tính gần với cao su tự nhiên, chịu nhiệt chịu dầu tốt nên dùng làm gioăng đệm kín máy biến áp chịu dầu Cao su cloopren vật liệu cực tính, có tính chất cách điện không cao, chịu dung môi benzin, ô ươngôn Được sử dụng làm vỏ bọc cáp Cao su isobutilen Cao su silic hữu Cách điện chịu nhiệt độ cao Tính chất Teflon PTEF Teflon PFA Teflon ETFE Cao su silicone 2.1 2.1 2.1 3.0-3.6 tg, 1MHz ASTM D 1531 0.0003 0.0003 0.0007 - v, .cm ASTM D 257 >1018 >1018 >1018 >1015 Độ bền điện, V/mil ASTM D 149 500 550 500 - Nhiệt độ làm việc max 260 260 205 200 r, 1MHz ASTM D 1531 Cách điện nhiệt độ thấp Tính chất r, 1MHz ASTM D 1531 tg, 1MHz ASTM D 1531 v, .cm ASTM D 257 Độ bền điện, V/mil ASTM D 149 Nhiệt độ làm việc max PVC LDPE HDPE PR 6.2 2.28 2.34 2.24 - 0.0005 0.0007 0.0003 5.1013 1016 1016 4.1015 - 550 500 600 60-105 80 90 90 Cách điện elastome Tính chất Cao su tự nhiên Cao su butyl r, 1MHz ASTM D 1531 2.3-3.0 2.1-2.4 tg, 1MHz ASTM D 1531 0.0025 0.003 1016 1017 600-800 600 82 149 v, .cm ASTM D 257 Độ bền điện, V/mil ASTM D 149 Nhiệt độ làm việc max 11.4 Vật liệu cách điện gốc cellulose Vật liệu sợi có nguồn gốc cellulose (gỗ, giấy, carton ) dùng nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện Nguyên liệu để sản xuất vật liệu sợi thực vật Đặc điểm loại vật liệu xốp, hút ẩm nhiều Sự tồn túi khí vật liệu chưa qua sấy ngâm tẩm nguyên nhân suy giảm độ bền điện phát sinh phóng điện cục (partiel discharges) Cellulose có công thức hoá học (C6H10O5)n, phân tử có cực tính nên vật liệu dạng có số điện môi cao 6,5ư7, tg=0,005ư0,001 Do tính hút ẩm cao, nên để sử dụng tốt vật liệu cần tiến hành chống thấm sấy, tẩm Gỗ Gỗ loại vật liệu rẻ, độ bền cao, sau gia công xong dùng Các nhược điểm gỗ tính hút ẩm cao, tính chất cách điện không cao, tiêu chuẩn rõ ràng nên dùng cách điện trường hợp cột điện đường dây tải điện đư ờng dây hông tin, cầu truyền động dao cách ly, chi tiết đỡvà gắn máy biến áp Giấy cách điện Giấy cách điện sản xuất theo quy trình đặc biệt giấy thông thường Tuỳ thuộc vào công dụng người ta sản xuất loại giấy dùng cho tụ điện, cáp Giấy tụ điện Cách điện tụ điện giấy tẩm dầu thường làm việc tá dụng điện trường mạnh nhiệt độ cao đến 70ư100 C Do yêu cầu phẩm chất cách điện giấy cao : độ bền điện cao, tổn hao be Các loại giấy tụ điện thường sản xuất mỏng, có chiều dày thường từ 6ư22 àm Để tạo mật độ lớn cho giấy có loại giấy có khối lượng riêng 1,17 1,25 g/mm3 (tăng số điện môi, giấy mỏng suất điện dung lớn) Loại giấy có mật độ cao dùng tụ điện chiều Loại có mật độ bé, có tg bé dùng cho tụ điện điện áp xoay chiều Cường độ cách điện giấy chưa tẩm vào khoảng 35ư40 kV/mm sau tẩm dầu đạt 250ư300 kV/mm Giấy cáp Giấy tẩm Carton [...]... 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... 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 11. 3 .Vật liệu cách điện cao phân tử (polyme) hữu cơ a) Giới thiệu Các vật liệu polyme chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết cách điện dùng trong kỹ thuật điện, điện tử Chúng có thể được sử dụng trực tiếp làm vật liệu cách. .. 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... 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... 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 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... Độ bền cơ học kéo, MPa Điện trở suất khối, .m Hằng số điện môi ở 50 Hz tg ở 50 Hz Độ bền điện, MV/m Nhiệt độ làm việc lâu dài, C Nhiệt độ nóng chảy, C Nylon 66 Nylon 11 1140 80 4.1 011 4.6 0.04 20-22 110 0 60-80 4.1012 3.2 0.02-0.03 22 105 264 185 Trong kỹ thuật cách điện, nhựa polyamide dùng để sản suất các chi tiết cách điện và sợi thay thế lụa tự nhiên và sợi bông dùng làm cách điện cuộn dây và vải... 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 cao Vật liệu xốp trên cơ sở của silicate nhôm và magie Silicate nhôm giàu nhôm Carbure silic SiC 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... nâng cao điện áp phóng điện bề mặt, tăng độ bền cơ giới, tăng phẩm chất 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 Nhóm vật liệu MgO-Al2O3-SiO2 Nhóm vật liệu này... (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 dư ờng 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,... độ từ 100 C trở lên Polypropylen laf vật liệu cách điện tốt, các tính chất cách điện hầu như không thay đổi thậm chí khi ngâm lâu trong nước Hằng số điện môi ít phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số Từ polypropylen người ta sản suất chất dẻo, sợi, màng mỏng được sử dụng trong kỹ thuật điện và thông tin (cáp điện, tụ điện, các chi tiết ) Nhóm polyme nhiệt dẻo có tổn hao điện môi lớn Polymethylemethacrylate ... sản phẩm chi tiết cách điện thành loại vật liệu sợi, vật liệu tấm, chất sơn phủ, chất sơn tẩm VậT LIệU CáCH đIệN Vật liệu cách điện thể khí Vật liệu cách điện thể lỏng Cách điện rắn vô Gốm Mica.. .11. 1 Phân loại vật liệu cách điện thể rắn Các vật liệu cách điện thể rắn đa dạng chủng loại, thành phần, cấu tạo Dựa vào đặc điểm khác nhau, ngưòi ta phân chia chúng thành nhóm vật liệu. .. elastomere polyurethane 11. 2 .Vật liệu cách điện rắn vô Điện môi vô loại vật liệu quan trọng kỹ thuật điện vô tuyến điện có tính chất cách điện tốt, có tính chịu nhiệt cao, đa số vật liệu kông hút ẩm,