MATERIAŁY INŻYNIERSKIE STOSOWANE W ELEKTROTECHNICE

Wiadomości ogólne

Materiały ceramiczne stosowane w
elektrotechnice są wytwarzane z surowców
nieorganicznych pochodzenia mineralnego.
Kształt wyrobom nadaję się w temperaturze
otoczenia, a charakterystyczne własności
uzyskuję się w procesie wypalania gotowego
wyrobu w wysokich temperaturach.

Wady i zalety materiałów ceramicznych

Zalety:

-Duża odporność na wpływy
atmosferyczne i chemiczne

- Odporność na działanie
podwyższonych temperatur

- Dobre własności elektryczne

- Znaczna wytrzymałość
mechaniczna

- Nieuleganie procesom
starzenia i zmęczenia

- Łatwo dostępne i niekosztowne
surowce

Wady:

-Mała plastyczność

- Wrażliwość na udary
cieplne

- Mała odporność na
drgania mechaniczne

- Kruchość

Produkcja wyrobów ceramicznych stosowanych w elektrotechnice

Dobór surowców

Wytwarzanie mas

ceramicznych

Suszenie

Nadanie kształtu

Wypalanie

Czynności końcowe

Dobór surowców

Surowce

Nieplastyczne

Plastyczne

Koaoliny

gliny

Kwarc

Steatyt

Korund

Szamot

Tlenek cyrkonu

Skalenie

inne

Sposoby nadawania kształtu

Sposób

wyrobu

Stan masy do

produkcji

Główne

cechy i

zastosowanie

Formowanie

Płoszka plastyczna z

prasy próżniowej

Symetria obrotowa,

duże wymiary, duże

wymagania, elektryczne

i mechaniczne, izolatory

liniowe i osłony

Toczenie

Płoszka plastyczna,

sucha lub wyżarzona

Symetria obrotowa,

duże wymiary, duże

wymagania elektryczne

i mechaniczne, izolatory

linowe, wsporcze,

przepustowe

Prasowanie
Suche
Wilgotne

Sypki:

Suchy

Wilgotny

Kształty

skomplikowane,

wymiary małe o dużej

dokładności, wyroby z

mas nieplastycznych,

kształtki izolacyjne

WYPALANIE

Masy ceramiczne ulegają
charakterystycznym przemianom
fizykochemicznych w procesie wypalania.
Proces spiekania mas ceramicznych polega
dyfuzji atomów tworzywa. W czasie
procesu spiekania dochodzi do eliminacji
porowatości, wzrostu wytrzymałości
mechanicznej, zmian własności fizycznych
i rekrystalizacji. Nadmierna rekrystalizacja
prowadzi do wzrostu niejednorodności i
powoduję obniżenie wartości użytkowej
tworzywa.

W procesie spiekania można wyróżnić
kilka etapów:

- Nieregularne naroża każdego z ziaren ulegają
zaokrąglenia, przy czym tworzą się gładkie
powierzchnie

- cząstki zaczynają się łączyć ze sobą i tworzyć
cienkie „szyjki” w punktach styku między
ziarnami, wskutek czego powstaje ciągła struktura
gąbczasta

- szyjki stopniowo ulegają zgrubieniu, a pory
zmniejszają swą objętość

- poszczególne ziarna rozrastają się kosztem
innych przy czym wewnątrz pojedyńczych ziaren
pozostaję bardzo mało porów.

Schemat

spiekania trzech
cząstek proszku:

a) stan wyjściowy
przed spiekaniem
b) tworzenie szyjek
c) sferoidyzacja poru
d) zarastanie poru

Wpływ temperatury spiekania
na mikrostrukturę materiałów
Ceramicznych:

1. Podczas spiekania w temperaturze 900

C struktura powierzchni była porowata,
powstały małe ziarna

2. Próbka spiekana w temperaturze 920 C

posiada strukturę o gęściejszym
ułożeniu ziaren, jednocześnie są one
większe

3. W czasie spiekania w temperaturze 940

C uzyskano jednolitą strukturę z
ziarnami wielkości około 2- 3 um

4. W mikrostrukturze próbki spiekanej w

temperaturze 960 C powstały pęknięcia

Budowa

Ceramika może być materiałem
polikrystalicznym, złożonym z wielu
kryształów o regularnym
rozmieszczeniu atomów. Kryształy te
zawierają typowe defekty
strukturalne, które wpływają zarówno
na właściwości mechaniczne jak
również elektryczne i cieplne tworzyw
ceramicznych. Oprócz tego w
mikrostrukturze ceramiki pojawiają się
pory, które mogą tworzyć zamknięte
kanaliki i jamki lub kanaliki otwarte.
Możemy również mieć ceramikę
zbudowaną z fazy amorficznej, gdzie
atomy wiążą się ze sobą w sposób
nieuporządkowany.

Własności

Gęstość materiałów ceramicznych przyjmuję wartości:
Od 1,8 g/cm3 do ok.. 9,7 g/cm 3

Odporność na zmiany temperatury wynosi średnio:
Od 110 do 160 C

Przewodność cieplna wynosi:
Od 1,1 do 1,6 W/m – Porcelana aż do około 200 W/m

Najlepsze własności mechaniczne wykazują ceramika
cyrkonowa oraz czysty trójtlenek glinu.

Porowatość struktury powoduję zmniejszenie wytrzymałości
mechanicznej.

Rezystywność skrośna zależy przede wszystkim od składu
chemicznego i zawiera się w granicach:
0d 1011 do 1061 Ω cm przy 20 C

Wytrzymałość dielektryczna zależy przede wszystkim od
mikrostruktury materiału i wynosi:
Od 10 do 15 kV /mm- korund
Od 30 do 40 kV /mm- ceramika celsjanowa

Szczególnie niekorzystny wpływ na wytrzymałość elektryczną
wywiera obecność porów otwartych.

Wytrzymałość dielektryczna materiałów ceramicznych maleje ze
wzrostem temperatury.

Przenikalność elektryczna względna w zależności od składu
materiałów ceramicznych zmienia się w bardzo szerokich
granicach:
Od 4 do kilku tysięcy (ceramika tytanianowa).

Odporność materiałów ceramicznych na łuk jest dobra.

Najlepszą odporność chemiczną wykazują tworzywa
kwasoodporne z glin ogniotrwałych, najsłabszą- tlenki SiO2, BeO i
Al2O3.

Zastosowanie
materiałów
ceramicznych w
elektrotechnice

Główne zastosowanie
ceramiki elektrotechnicznej
to:
-Izolacje linii wysokiego i
niskiego napięcia
-Izolacje aparatów
elektrycznych
-Izolacje w urządzeniach
elektrotermicznych
-Elementy zmienno-
oporowe, robocze i
sterujące

Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu
elektrycznego (dielektryk). Izolatorami są: szkło, porcelana,
specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno,
suchy olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia.
Ciekawostką jest, że czysta chemicznie woda też jest dobrym
izolatorem.
Ogólnie izolatory elektryczne to substancje lub wyroby z nich
wykonane w których nie występują elektrony swobodne albo
inne cząstki naładowane lub dysocjowane, które mogłyby się
swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni.

Najistotniejszymi parametrami charakteryzującymi izolatory
elektryczne są:
-napięcie przebicia - zwane czasem wytrzymałością
elektryczną,
-prąd upływu
-współczynnik strat dielektrycznych

IZOLATORY ELEKTRYCZNE

PRZEBICIE ELEKTRYCZNE

Polska norma PN-IEC 243-1 przebicie
elektryczne definiuje jako: utrata,
przynajmniej chwilowa, właściwości
elektroizolacyjnych ośrodka pod
wpływem natężenia pola elektrycznego.

Podczas przebicia można wyróżnić
następujące etapy:

1.procesy przedprzebiciowe

2.rozwój wyładowania do powstania
kanału przewodzącego zwierającego
elektrody

3.wyładowanie główne, wynikające z
neutralizacji ładunku elektrycznego
kanału zwierającego elektrody

Przebicie elektryczne izolacji

-

uszkodzenie izolacji

elektrycznej w wyniku przekroczenie napięcia
wytrzymywanego , na skutek wystąpienia w obwodzie
elektrycznym przepięcia. Przyczyną może być też
wadliwie wykonana instalacja elektryczna.

W wyniku przebicia izolacji na metalowych częściach
dostępnych może pojawić się niebezpieczne dla ludzi
napięcie dotykowe. Może też powstać zwarcie
elektryczne, a płynący wtedy prąd zwarciowy
(wielokrotnie większy zazwyczaj od prądu roboczego)
powoduje uszkodzenie przewodów, urządzeń i
odbiorników elektrycznych oraz może wywołać pożar.
Do ochrony przed niepożądanymi skutkami przebicia
elektrycznego izolacji służą zabezpieczenia elektryczne.

Zwarcie (lub potocznie: spięcie):

-

w elektrotechnice i elektronice oznacza nagłe

zmniejszenie rezystancji obwodu elektrycznego
do bardzo małej wartości, powstające najczęściej
wskutek połączenia się przewodów obwodu lub
uszkodzenia izolacji elektrycznej w wyniku jej
przebicia. Prąd zwarciowy jest wielokrotnie
większy od prądu roboczego i może spowodować
zniszczenie przewodów elektrycznych, urządzeń
i odbiorników elektrycznych lub pożar. Do
ochrony przed skutkami zwarcia służą
zabezpieczenia elektryczne.

Przyczyny powstawania zwarć mogą być różne. Można je podzielić
na elektryczne i nieelektryczne. Do przyczyn elektrycznych można
zaliczyć:
- przepięcia atmosferyczne
- przepięcia łączeniowe
- pomyłki łączeniowe
- długotrwałe przeciążenia ruchowe (maszyn, kabli i przewodów
izolowanych) powodujące przegrzewanie izolacji i jej przebicie.

Do przyczyn nieelektrycznych można zaliczyć:
- zwilgocenie izolacji
- zniszczenie izolatorów
- zbliżenia przewodów linii napowietrznej wskutek ich kołysania
wywołanego wiatrem lub nagłym odpadnięciem sadzi,
- uszkodzenia mechaniczne (słupów, izolatorów, przewodów, kabli)
wywołane pracami ziemnymi lub klęskami żywiołowymi (powódź,
pożar),
- wady fabryczne
- działanie zwierząt (duże ptaki lub gryzonie) bądź ludzi (celowe
zarzucanie drutów zwierających przewody linii napowietrznych,
niszczenie izolatorów, uszkadzanie kabli w celu pozyskania metali
kolorowych),
- niefachowe obchodzenie się z urządzeniami elektrycznymi.

PRZYCZYNY ZWARĆ

Podział

Ceramikę elektrotechniczną dzielimy na następujące grupy:
-Porcelana elektrotechniczna (grupa 100)
-Steatyt, forsteryt (grupa 200)
-Tytaniany (grupa 300)

-Kordieryt, celsjan (grupa 400)

- Materiały szamotowe (grupa 500)

- Materiały mulitowe (grupa 600)

- Materiały korundowe (grupa 700)

- Ceramika tlenkowa (grupa 800)

Materiały grupy 100

Do tej grupy należy porcelana
elektrotechniczna. Porcelanowe
elementy konstrukcyjne nie powinny
pracować w temp. Wyższych od ok.. 400
C. Największą wadą porcelany jest
znaczny skurcz towarzyszący wypalaniu
(nawet do 20%). Z porcelany
elektrotechnicznej wyrabiane są
izolatory wysokiego i niskiego napięcia,
izolatory stacyjne, wsporcze i
przepustowe, izolatory w aparaturze
elektrycznej oraz jest ona używana w
masowej produkcji różnego rodzaju
elementów izolacyjnych osprzętu
instalacyjnego np. korpusy i główki
bezpieczników oprawki żarówek.

Materiały grupy 200

Do materiałów tej grupy
zaliczamy steatyt. Zaletą
steatytu jest bardzo mały
skurcz w czasie wypalania,
dzięki czemu można
dokładnie zachować
wymiary i zmniejszyć
tolerancje nawet do 1%. Z
mas steatytowych
wyrabiane są elementy
izolacyjne poddawane
dużym naprężeniom
mechanicznym, w których
wymagana jest duża
odporność na nagrzewanie
oraz przy wyrobie
elementów o dużych
wymaganiach.

Materiały grupy 300

Materiały z tej grupy
zawierają związki
tytanu. Odznaczają
się duża
przenikalnością
dielektryczną i małą
stratnością. Głównie
są stosowane jako
dielektryki
kondensatorów.

Materiały grupy 400

Zawierają kordieryt. Odznaczają
się bardzo małym
współczynnikiem rozszerzalności
termicznej. Dzięki dużej
odporności na zmiany temperatur
stosowane są na elementy
izolacyjne w grzejnictwie, na
komory przeciwłukowe, w budowie
prostowników rtęciowych i jako
materiał konstrukcyjno- izolacyjny
korpusów cewek wymagających
dużej stałości.

Materiały grupy 500

Są to materiały porowate i
żaroodporne. Brak
składników alkaicznych
zapewnia ich duża
rezystywność w wysokich
temp. do 1000 C materiały
te są stosowane w
urządzeniach grzejnych
oraz do wyboru komór
przeciwłukowych.

Materiały grupy 600

Są to materiały
ogniotrwałe, dobrze
przewodzą ciepło, mają
dobre właściwości
mechaniczne. Posiadają
własności
elektroizolacyjne w
wysokich temperaturach.
Są stosowane do wyrobu
osłon izolacyjnych do
termoelementów.

Materiały grupy 700

Materiały tej grupy zawierają
ponad 50% trójtlenku glinu.
Charakteryzują się wysoką
ogniotrwałością, dobrym
przewodnictwem cieplnym, a
także bardzo dobrymi
właściwościami
mechanicznymi. Są to
materiały gazoszczelne oraz
odporne na działania
chemiczne, posiadają własności
elektroizolacyjne w wysokich
temperaturach. Są stosowane
do wyrobu osłon izolacyjnych
termoelementów.

Materiały grupy 800

Są to spieki ceramiczne
czystych tlenków metali. Mają
budowę krystaliczną, bez fazy
szklistej. Odznaczają się
dobrymi własnościami
elektroizolacyjnymi, cieplnymi i
mechanicznymi. Są stosowane
m.in. Jako elementy
konstrukcyjno- izolacyjne w
urządzeniach
półprzewodnikowych i w
układach scalonych oraz jako
izolatory do świec zapłonowych.