Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Курс лекций

Вид материала

Курс лекций

Содержание Газообразные и жидкие диэлектрики 6.2 Газообразные диэлектрики 6.3 Нефтяные электроизоляционные масла Конденсаторное масло Кабельные масла 6.4 Синтетические жидкие диэлектрики Хлорированные углеводороды Кремнийорганические жидкости 6.5 Общие сведения об органических полимерах 6.6.1 Природные смолы

Подобный материал:

• Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения. Курс, 284.31kb.
• И. А. Хворова материаловедение. Технология конструкционных материалов, 1701.97kb.
• Курс Наименование дисциплины Название методички, 82.15kb.
• Методические указания к темам введение Предмет и содержание дисциплины "Материаловедение, 357.11kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины «материаловедение и технология конструкционных, 252.46kb.
• Курс лекций по теории и методологии гендерных исследований адресован преж­де всего, 75.14kb.
• Технология конструкционных материалов пособие по изучению дисциплины и выполнению контрольных, 479.07kb.
• Н. И. Вавилова утверждаю ректор фгоу впо сгау /Н. И. Кузнецов/ 2008 г. Рекламно-техническое, 59.06kb.
• Курс лекций часть 2 Тюмень 2006 удк 159 01 Михеева Е. М., Фалько Г. В. Психология:, 2034.37kb.
• Курс лекций для учителя Москва 2007 г. Удк, 313.39kb.

ГАЗООБРАЗНЫЕ И ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

6.1 Классификация диэлектриков


Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы. Они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Назначение электрической изоляции  не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов.

Наконец, к диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики, т.е. диэлектрики с управляемыми свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.).

Настоящая лекция посвящена электроизоляционным материалам, которые образуют самый многочисленный тип электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами.

В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому для различных случаев применения выбирают разные материалы.

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии во время введения их в изготовляемую изоляцию являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические.

Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и другие металлы, кислород и т.п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы за немногими исключениями (фторлоны, полиимиды и пр.) имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки, технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции.

Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов. Это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, A1, Р и др.


6.2 Газообразные диэлектрики


В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.

При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF₆ имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).

Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.

Дихлордифторметан CCl₂F₂, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.

Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.

Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.

6.3 Нефтяные электроизоляционные масла


Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике.

Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще одна важная область применения трансформаторного масла  масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги, что способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, а затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т.е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяция). Применяются и другие способы очистки масла.

Трансформаторное масло  это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов.

Трансформаторное масло  горючая жидкость; большие количества (часто тысячи тонн) масла, находящиеся в масляных хозяйствах энергосистем, представляют большую пожарную опасность. Поэтому в масляных хозяйствах необходимо тщательно соблюдать все требования, предписываемые правилами пожарной безопасности. Пожарная опасность масла оценивается по его температуре вспышки.

Температура застывания масла  параметр, особенно важный для масла, заливаемого в масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. Специальное «арктическое» масло (марки АТМ-65) имеет температуру застывания минус 70°С.

Помимо температуры застывания, для работающих при низких температурах окружающей среды электроизоляционных жидкостей, имеющих плотность менее 1Мг/м³, важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образующегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоляционной жидкости и таким образом снижают ее электрическую прочность (иными словами, в этом интервале температур плотность электроизоляционной жидкости больше плотности льда).

Электрическая прочность масла  величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Весьма малая примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость ε воды (около 80) значительно выше, чем масла (диэлектрическая проницаемость чистого масла около 2,2). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где, собственно, и начинается развитие пробоя.

Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает их диэлектрическая проницаемость. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливке в недостаточно просушенную тару и т.п. Для сушки масла используются несколько способов: пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность, большую, чем у масла, отжимается к периферии сосуда и отделяется от масла; уже упоминавшаяся обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом, и т.п.

Плотность трансформаторного масла от 0,87 до 0,90 Мг/м³. Его температурный коэффициент объемного расширения от 0,00065 до 0,00066 К^-1 (эта величина важна для расчета расширителей трансформаторов, в которые выдавливается из бака часть масла при повышении температуры). При нормальной температуре удельная теплоем- кость масла примерно равна 1,5 кДж/(кгК), а теплопроводность  порядка 1Вт/(мК); при росте температуры как удельная теплоемкость, так и теплопроводность масла увеличиваются. Масло отводит энергию тепловых потерь от погруженных в него обмоток и магнитопровода трансформатора в 25-30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).

При работе в трансформаторе или ином маслозаполненном электрическом аппарате масло постепенно стареет. При старении оно становится более темным, в нем образуются загрязняющие его продукты - кислоты, смолы, которые частично растворимы в масле, а частично, оказываются нерастворимыми; последние, как более тяжелые, осаждаются на дне бака и на погруженных в масло деталях в виде слоя «ила», значительно ухудшающего теплоотвод от нагревающихся деталей. Образующиеся в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число масла, ухудшаются его электроизоляционные свойства. Обычно температура вспышки паров масла в эксплуатации постепенно повышается вследствие испарения углеводородов с малой молекулярной массой, однако при местных перегревах масла в трансформаторах (а также после разрыва электрической дуги в масляном выключателе) может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки.

Скорость старения масла возрастает:

а) при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идет старение при соприкосновении масла с озоном;

б) при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95°С);

в) при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими веществами  катализаторами старения;

г) при воздействии света;

д) при воздействии электрического поля.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что очень вредно, так как пузырьки газов могут стать очагами ионизации. Способность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостью масла.

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости.

Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но требует особо тщательной очистки адсорбентами.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь. Кабельные масла бывают различных типов.

Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН-4 относительно малой вязкости, в которое для повышения вязкости добавляется канифоль или синтетический загуститель. Масло той же марки, но без увеличивающих вязкость добавок применяется для маслонаполненных кабелей на напряжение 110 кВ и выше, в которых с помощью специальных подпитывающих устройств во время эксплуатации поддерживается избыточное давление от 0,3 до 0,4 МПа.


6.4 Синтетические жидкие диэлектрики


Трансформаторное и другие рассмотренные ранее электроизоляционные масла нефтяного происхождении обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их тангенс угла диэлектрических потерь, как это и свойственно чистым неполярным диэлектрикам, мал, а электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие подобные аппараты применяться не могут.

Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением диэлектрической проницаемости.

Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим некоторые из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора.

Из числа применяемых в нашей стране хлорированных дифенилов отметим совол.

Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0°С. Совол  прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м³. Благодаря высокой температуре застывания (+5°С) и значительной вязкости в области рабочих температур, совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями.

Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20°С значение диэлектрической проницаемости от 2,5 до 3,3, тангенс угла диэлектрических потерь от 0,0001 до 0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С длительно и до 350°С кратковременно.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.

Для использования в электрической изоляции сильнополярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их характеристики. Интересной проблемой является возможность использования в качестве диэлектрика конденсаторов сверхчистой воды (пока еще практически не полученной), имеющей ε=80.


6.5 Общие сведения об органических полимерах


Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы.

Как отмечалось выше, органическими веществами называют соединения углерода с другими элементами. Углерод обладает высокой способностью к образованию большого числа химических соединений с весьма разнообразным строением молекулы; он участвует в образовании веществ с цепочным, разветвленным или кольцевым «скелетом» молекул, состоящим или только из атомов углерода, или же из атомов углерода, между которыми заключены атомы других элементов. Сейчас известно более миллиона органических соединений, в то время как соединений, не содержащих углерод, известно всего лишь около пятидесяти тысяч.

Некоторые органические электроизоляционные материалы представляют собой низкомолекулярные вещества, молекулы которых образованы единицами или десятками атомов. Из уже рассмотренных нами веществ к ним относятся, например, фреон, углеводороды нефтяных масел, совол, лектронол.

Однако наибольшее число органических электроизоляционных материалов принадлежит к высокомолекулярным соединениям, т.е. к веществам с весьма большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. Молекулярная масса таких веществ может доходить примерно до миллиона, а геометрические размеры молекул настолько велики, что растворы этих веществ, если они вообще способны растворяться, по свойствам приближаются к коллоидным системам.

К высокомолекулярным материалам принадлежат некоторые встречающиеся в природе (входящие в состав растительных и животных организмов) вещества, например: целлюлоза, шелк, белки, каучук и т.п.

Получаемые искусственным путем высокомолекулярные материалы могут быть разделены на два класса. Сюда относятся искусственные материалы, изготовляемые путем химической обработки природных высокомолекулярных веществ  так, например, при пере-работке целлюлозы получаются эфиры целлюлозы. Но наибольшее значение как для электроизоляционной техники, так и для многих других отраслей техники имеет второй класс  синтетические высокомолекулярные материалы, изготовляемые из низкомолекулярных веществ. Многие из этих материалов обладают ценными техническими свойствами, к тому же некоторые из них могут быть получены из дешевого и легкодоступного сырья (природный газ, нефть, ископаемые угли и пр.). Поэтому изучению, разработке и применению таких материалов для самых разнообразных целей, в том числе и для электрической изоляции, в последнее время уделяется весьма большое внимание, и промышленный выпуск их неуклонно увеличивается.

Практически важные высокомолекулярные соединения по своей химической природе являются полимерами, т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул сравнительно простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.

Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса увеличивается, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость (в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела), уменьшается растворимость и т.д.

Простой пример: стирол  жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав C₈H₈. Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола (мономера) полимер стирола, так называемый полистирол, является уже твердым веществом, его молекула имеет сложное строение и может быть представлена как цепочка.

Процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.

В случаях, подобных рассмотренной выше полимеризации стирола, когда все атомы молекул мономера полностью входят в состав молекулы полимера, содержание каждого химического элемента в полимере должно быть таким же, как и в мономере. Но могут быть и более сложные случаи полимеризации. Таковы, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.

Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (вообще говоря, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может быть, например, порядка тысячи. Так, молекула полистирола при n=6000 имеет длину около 1,510⁶м при поперечнике 1,510^-9м.

Со строением полимеров связана и их способность при вытягивании из раствора или расплава образовывать тонкие, гибкие и прочные волокна, пригодные для изготовления текстильных материалов, а также гибкие пленки. Такой способностью обладают многие из линейных полимеров с достаточно длинными молекулами; пространственные полимеры не могут образовывать ни текстильных волокон, ни гибких пленок.

В практике весьма распространено разделение полимеров (и полимеризующихся при нагреве материалов) на две группы: термопластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими (пластичными) и легко деформируются, они могут растворяться в соответствующих растворителях. Характерной особенностью термопластичных материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств. После охлаждения эти материалы сохраняют способность растворяться и при новом подъеме температуры  размягчаться.

В противоположность материалам этой группы термореактивные (термоотверждающиеся) материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются («утверждаются), т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.

В свете сказанного становится понятным различие химической природы упомянутых двух групп материалов. Термопластичные материалы  это линейные полимеры, сохраняющие линейное строение молекул и при нагреве, таков, например, полистирол. Термореактивными же являются материалы, которые при нагреве приобретают строение, свойственное пространственным полимерам (так, стирол с добавкой дивинилбензола является уже термореактивным материалом).

Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдерживать воздействие повышенных температур, не размягчаясь, не деформируясь и сохраняя высокую механическую прочность, или если она должна быть также стойкой к действию соприкасающихся с ней растворителей (например, изоляция обмоток маслонаполненного трансформатора), то для такой изоляции более подходят термореактивные материалы.

Термопластичные материалы имеют свои преимущества: многие из них более эластичны и менее хрупки, чем термореактивные, и к тому же менее подвержены тепловому старению; в ряде случаев технология обработки термопластичных материалов проще.

Следует отметить, что за последние годы широко используются термопластичные материалы, обладающие повышенной нагревостойкостью (политетрафторэтилен, полиимиды и т.п.), которые могут применяться для изоляции, работающей при сравнительно высоких температурах. Наблюдается тенденция к расширению применения в электротехнике таких прогрессивных термопластичных материалов, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, поликарбонаты и др., в то время как применение более «старых» фенолоформальдегидных смол, например, не возрастает. В настоящее время термопластичные материалы составляют уже примерно 75% всех потребляемых мировой электропромышленностью полимерных материалов.

Гигроскопичность, механическая прочность, электроизоляционные свойства полимеров в значительной степени зависят от химического состава и строения молекулы. Полимеры с несимметрично построенными звеньями полярны и часто обладают заметной гигроскопичностью, но механическая прочность их при той же степени полимеризации обычно выше, чем у неполярных полимеров. Высокомолекулярные углеводороды практически неполярны, и гигроскопичность их ничтожно мала.


6.6 Смолы


Смолы  применяемое в практике, хотя и не вполне строгое с научной точки зрения, название обширной группы материалов, которые характеризуются как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органических веществ, главным образом, высокомолекулярных), так и некоторыми общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах смолы  это аморфные, стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы (если только они ранее не претерпевают химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и малогигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) прочно пристают к соприкасающимся с ними твердым телам.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластических масс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов и т.п.

По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.


6.6.1 Природные смолы


Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (пример  шеллак) или растений-смолоно-сов (канифоль). Их получают в готовом виде и лишь подвергают сравнительно несложным операциям очистки, переплавки и т.п. Сюда же относятся ископаемые смолы (копалы), представляющие собой остатки разложившихся в земле деревьев-смолоносов.