Механические и физико-химические свойства диэлектриков

В процессе эксплуатации диэлектрик испытывает нагрузки не только электрические, но также тепловые (очень высокие или очень низкие температуры) и механические (статические или динамиче­ские), ему приходится работать в условиях повышенной влажности, в химически агрессивной среде и т. п. Поэтому при выборе материа­ла необходимо учитывать весь комплекс воздействующих на него на­грузок.

6.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испыта­ния механических свойств материалов (диэлектриков, металлов, сплавов и других) делятся на статические, динамические и знакопе­ременные.

Большое практическое значение для твердых диэлектриков (и металлов), несущих статические нагрузки, имеют прочность, относи­тельное удлинение и относительное сужение перед разрывом, пла­стичность, твердость и эластичность.

Прочность — способность материала, не разрушаясь, оказывать сопротивление внешним силам. Это свойство материала характери­зуют значениями предела прочности при растяжении (о_р), сжатии (о_с) и изгибе (о_и), которые чаще всего выражают в кгс/см² или в еди­ницах СИ — в Па; 1 кгс/см²» 0,1 МПа:

о_р = /yF₀; о_с =PJF₀; о_и = 1,5PJ/bh\ (6.1)

где Р_р, Р_С9 Р_И — наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца при статическом растяжении, сжатии и изгибе соответствен­но; F₀ — площадь поперечного сечения бруска до испытания; / — длина бруска между опорами; Ъ — ширина; h — высота бруска.

При измерении о_р можно одновременно определить значение относительного удлинения 8 (или А///) 100 % материала перед разры­вом, являющегося важной технической характеристикой.

У металлов значения о_р, о_с, о_и одного порядка, поэтому их меха­ническую прочность обычно характеризуют только пределом прочно­сти на разрыв и обозначают о_в, кгс/мм² или МПа, у диэлектриков (неорганические стекла, керамика, пластмассы и др.) а_с, как прави­ло, намного больше, чем о, и о_и (например, у кварцевого стекла о_с«2 10³ МПа, а а_р«50 МПа), поэтому их механическую прочность (в зависимости от вида приложенной нагрузки) оценивают значе­ниями о_р, а_с, о_и, а в ряде случаев еще пределом прочности при круче­нии о_к. Для материалов анизотропного строения (слоистых, волокни­стых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от направления приложенной нагрузки. Механическая прочность ди­электриков зависит от температуры и с ее ростом, как правило, уменьшается.

Ряд диэлектриков обладает пластичностью — способностью необ­ратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил. С повышением температуры пластичность возрастает. Некото­рые материалы (например, ПТФЭ) способны деформироваться при длительном воздействии небольшой механической нагрузки; это яв­ление называют хладотечением.

Для ряда диэлектриков важными характеристиками являются твердость и эластичность. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого тела, и определяют ее в зависимости от природы диэлектрика раз­личными методами (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди, Шору и на микротвердость).

Эластичность (упругость) — это свойство материала проявлять уп­ругую (обратимую) деформацию без разрушения под воздействием не­больших усилий, т. е. после снятия внешних сил восстанавливать свою прежнюю форму. Эластичность — свойство, обратное пластичности.

При динамических нагрузках материал характеризуется удельной ударной вязкостью (испытание на ударный изгиб) а_уд. Вязкость — способность материала оказывать сопротивление ударным нагруз­кам. Это свойство — обратное хрупкости, поэтому о_уд фактически указывает на степень хрупкости материала. Величину о_уд на практике измеряют в кгс см/см² (или кгс/см) или единицах СИ — в Дж/м² (1кгс см/см² ~ 1 кДж/м²). Высокой а_уд обладает ПЭ, у ко­торого а_уд превышает 100 кДж/м², в то время как у микалекса а_уд = 2-5 кДж/м².

При знакопеременных нагрузках прочность материалов характери­зуют усталостной прочностью — величина наибольшего напряжения, которое может выдержать материал без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов).

Для материалов подвижных контактов важной характеристикой является износостойкость.

Более подробно механические свойства твердых материалов из­ложены в разделе «Механические свойства металлов» (см. гл. 10.2.1).

Важной характеристикой жидких диэлектриков (электроизоляци­онных масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п.) является вязкость. Различают вязкость динамическую, кинематиче­скую и условную. Динамическая вязкость г| — это коэффициент внут­реннего трения жидкости. Кинематическая вязкость v равна отноше­нию динамической вязкости к плотности d жидкости:

v = ц/d. (6.2)

В единицах СИ кинематическая вязкость измеряется в Па с, ди­намическая — в м²/с.

Условную вязкость измеряют с помощью шариковых или капил­лярных вискозиметров, воронки НИИЛК, вискозиметра Энглера и др. Соотношение между кинематической вязкостью v и условной вязкостью в градусах Энглера, °Э, равно

v = 0,073 °Э - 0,063/°Э. (6.3)

Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением сни­жается.

6.2. ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропус­кать ее через себя, т. е. они в определенной мере гигроскопичны и влагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

Дата добавления: 2015-08-09