Вопрос 25. Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики

Высокополимерные органические диэлектрики могут длительно использоваться при температурах до 90—105° С и только некоторые из них, например глифталевые смолы, — до 130° С. Таким образом, подавляющее большинство органических диэлектриков может длительно работать при температурах, не превышающих 90—105° С (классы нагревостойкости Y и А). При превышении указанных температур органические диэлектрики в результате теплового старения быстро разрушаются.

Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электрокерамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции. Как показали исследования, основной причиной низкой нагревостойкости высокополимерных органических диэлектриков является сравнительно малая энергия
химической связи между атомами углерода, составляющими основы молекул органических диэлектриков. Так, например, энергия химической связи между атомами углерод — углерод (С — С) равна 58, 6 ккал/моль.

При нагревании диэлектриков в процессе их использования до температуры, при которой тепловая энергия будет выше энергии химической связи, они претерпевают
тепловое старение, т. е. разрушаются. Надо было изыскать новые виды диэлектриков, которые бы состояли из молекул с большей энергией связи. В результате многочисленных исследований были разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики.

Основу молекул этих диэлектриков составляет силоксановая группировка атомов —Si — О — Si—, энергия связи которой равна 89, 6 ккал/моль. Вследствие этого
кремнийорганические диэлектрики обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с органическими диэлектриками.

Название «кремнийорганические диэлектрики» обусловлено тем, что в состав их молекул, кроме атомов кремния и кислорода, входят остатки различных органических соединений: СН₃, С₂Н₅, С_бН₅ и др. Эти органические остатки называются органическими радикалами и обозначаются буквой R.

В зависимости от присоединенных органических радикалов и от числа последних, приходящихся на один атом кремния, могут быть получены жидкие, каучукоподобные и твердые диэлектрики. Это либо бесцветные вещества, либо имеющие окраску от бледно-желтой до коричневой. Отличительной особенностью всех кремнийорганических диэлектриков является их высокая нагревостойкость и холодостойкость. Кремнийорганические электроизоляционные материалы (пластмассы, резины,
лаки и др.) могут длительно работать в интервале температур от – 60 до 180° С, а некоторые из них до 220° С. Кремнийорганические диэлектрики отличаются высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, а также к электрическим искровым разрядам.

Электрические характеристики кремнийорганических диэлектриков находятся на высоком уровне и мало изменяются при нагревании и при воздействии воды
Кремнийорганические материалы являются слабополярными диэлектриками.

Фторопласт-4. Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала фторопласта-4. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Он получается в результате полимеризации сжиженного газа — тетрафторэтилена F₂C = CF₂. Образующийся полимер представлявляет собой рыхлый порошок, из которого прессованием (в стальных пресс-формах) получают различные изделия. Чтобы образовался плотный монолитный материал, отпрессованные при комнатной температуре изделия подвергают спеканию в печах. При быстром охлаждении нагретых до 370° С заготовок и изделий материал имеет аморфное строение, а при медленном охлаждении он приобретает микрокристаллическую структуру. Последняя обеспечивает материалу хорошую обрабатываемость и стабильность его свойств.

Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250° С) и холодостойкость (—269°С). При нагреве до 327°С (точка перехода) его кристаллическая структура переходит в аморфную и материал приобретает прозрачность. При нагреве до температуры 415° С материал не размягчается, но начинается термическое разложение его с отщеплением свободного фтора, являющегося токсичным веществом.

Основной причиной весьма высокой нагревостойкости фторопласта-4 является большая величина энергии химической связи между атомами углерода и фтора
(107 ккал/моль) в его молекуле. Фторопласт-4 отличается также исключительной химической стойкостью. Он не растворяется ни в одном из растворителей как при
комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость фторопласта-4 равна нулю и он не смачивается водой.

Фторопласт-4 неполярный диэлектрик, вследствие чего его электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Большое применение в электротехнике имеют тонкне (от 10 до 200 мкм) пленки.

Отрицательным свойством фторопласта-4 является его текучесть при комнатной температуре, т. е. он начинает деформироваться при напряжениях в материале от 130-10⁵ Н/м² и выше. Поэтому на изделия из фторопласта-4 нельзя допускать механические нагрузки, создающие в материале напряжения выше 130-10⁵ Н/м².

Наряду с фторопластом-4 наша промышленность выпускает разновидности этого диэлектрика: фторопласт-4Д, фторопласт-40 и др. Они отличаются от фторопласта-4 формой, размерами частиц порошкообразной массы и более широкими возможностями переработки этих типов фторопласта в изделия, Значения механических и электрических характеристик фторопласта-4Д и фторопласта-40 очень мало отличаются от значений соответствующих характеристик фторопласта-4.

Полиимиды — новые нагревостойкие органические диэлектрики, могущие длительно использоваться при температурах 200—220° С. Полиимидные электроизоляционные изделия (пластмассы) могут использоваться при
температурах до —155° С и ниже, а электроизоляционные полиимидные пленки могут длительно выдерживать низкие температуры (—190°С), не разрушаясь. Полиимиды являются химически стойкими диэлектриками. Они не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и вода. Разрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар. Полиимиды представляют собой диэлектрики, получаемые в результате реакции поликонденсации ангидрида пиромеллитовой кислоты и некоторых ароматических соединений — диаминов. На основе полиимидов изготовляют эмаль-лаки для эмалирования обмоточных проводов. Эти провода могут длительно работать при температурах до 220° С. Из полиимидов получают гибкие полупрозрачные
электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Полиимидные пленки выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм и более. Влагопоглощаемость пленок относительно большая и составляет в среднем 1% за 24 ч нахождения пленок в
парах воды при 20° С, поэтому обмоточные провода с пленочной полиимидной изоляцией необходимо пропитывать нагревостойкими и водостойкими лаками. Накладываемую на провода полиимидную пленку подклеивают к проводу с помощью клеящего полиимидного лака. Полиимидные пленки применяют также в качестве пазовой изоляции в электрических машинах нагревостойкого исполнения. На основе термопластичных полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного и конструкционного назначения. Для этого используют как чистые полиимиды, так и наполненные стекловолокном и другими нагревостойкими наполнителями. Изделия из полиимидов изготовляют литьем и прессованием при температурах 350—400° С.