Авиа

Архив рубрики «Характеристика полимерных соединений в структуре производства»

Состоит в следующем. Под воздействием нарастающей внешней сиЛы Р величина потенциального барьера деформации уменьшается. Однако энергии тепловых колебаний звеньев недостаточно для преодоления этого барьера, поэтому в ходе нагружения допустимые упругие деформации постепенно исчерпываются. Внешняя сила превышает силы межмолекулярного взаимодействия, и полимер разрушается хрупко как низкомолекулярное вещество.

В области между /Хр и /с запас тепловой энергии звеньев молекул уже превышает снижающийся под воздействием силы энергетический барьер поворота звеньев. В нагруженном материале реализуется гибкость молекул, которые разворачиваются в направлении действия силы, переходят от свернутых к вытянутым конформациям. При этом на ‘образце появляется шейка, куда постепенно вовлекается весь нагруженный объем материала, а на диаграмме растяжения (рис. 80, кривая б) — горизонтальный участок. В результате полной ориентации молекул полимер упрочняется и разрушается из-за разрыва химических связей при более высоких нагрузках. Деформации полимера перед разрывом составляют десятки и сотни процентов. После снятия нагрузки описанные деформации необратимы и фиксируют неравновесные вытянутые конфор-мации молекул. Эти деформации названы вынужденно-эластическими, а явление вытяжки — вынужденной эластичностью. Однако если нагреть деформированный материал выше tc, то молекулы под действием теплового движения звеньев вернутся к свернутой форме, и образец восстановит свои прежние размеры.

В высокоэластической области между tc и U под воздействием внешней силы молекулы чрезвычайно легко вытягиваются и поэтому полимер деформируется на сотни процентов (рис. 80, кривая в). При снятии нагрузки молекулы вследствие теплового движения возвращаются к свернутому и термодинамически более устойчивому состоянию, и образец полимера также восстанавливает свои прежние размеры. Высокоэластические деформации могут достигать 1000%. В идеальном случае они полностью обратимы, но развиваются и релаксируют (восстанавливаются) замедленно, отстают по фазе от напряжения.

Ввиду того что общий эффект поляризации при небольшом упругом смещении Электронных оболочек невелик, диэлектрическая проницаемость неполярных    твердых и жидких диэлектриков мала

(е-1,8*2,4).

С возрастанием температуры объем увеличивается и диэлектрическая проницаемость несколько уменьшается  (рис. 85, а).

Особенно заметно уменьшение диэлектрической проницаемости в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.

Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 1015—Ю16 Гц) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (f<1012 Гц). При частотах выше 1015 Гц величина диэлектрической проницаемости уменьшается и наблюдается ее дисперсия, т. е. зависимость от частоты (рис. 85, б)._

Ионная безгистерезисиая поляризация обусловлена упругими смещениями ионов под действием внешнего поля и также не связана с потерями энергии.

Она характерна для веществ с ионными кристаллами (слюда, мрамор, кварц и др.). Степень ионной поляризации при прочих равных условиях тем больше, чем меньше связь между ионами (чем больше радиус) и чем выше заряды ионов. Вещества, проявляющие ионную поляризацию, конечно, -проявляют и электронную поляризацию, обусловленную смещением электронных оболочек каждого иона.   Поэтому диэлектрическая  проницаемость  веществ с  преиму-

щественно  ионной     поляризацией  всегда   больше,  чем  неполярных веществ (е=5-И5).

В механизме утомления полимеров важную роль играют также релаксационные эффекты, проявляющиеся в сдвиге фаз между напряжением и деформацией и петле гистерезиса. Площадь петли определяет преобразуемую в тепло долю механической работы цикла. Гистерезис приводит к интенсивному саморазогреву некоторых деталей, что сильно влияет на структуру и долговечность изделий.

Усталостная прочность при заданном режиме характеризуется кривой Велера, представленной на рис. 79: здесь по оси ординат отложены опытные значения о"Ср, а по оси абсцисс — логарифмы числа циклов до разрушения образцов. В настоящее время физически обоснованного математического описания кривых усталости не предложено, поэтому конструктору для оценки надежности изделий необходимо тщательно анализировать результаты лабораторных испытаний.

Кривые растяо/сения полимеров. При нагружении образцов линейного аморфного полимера при различных температурах, соответствующих областям термомеханической кривой (см. рис. 76, а), молекулярные механизмы деформации и разрушения    существенно

различаются. В области ниже так называемой температуры 1С р у и к ост и tap энергия теплового движения сегментов ничтож-n.’i, и флуктуационное изменение формы молекул практически исключено. Поэтому материал под нагрузкой может деформироваться-только в результате изменения расстояний между частицами и искажения валентных углов. Эти упругие («гуковские») деформации полностью и мгновенно обратимы и не превышают нескольких процентов. Диаграмма растяжения линейна, линии нагрузки и разгрузки совпадают (рис. 80, кривая а).

При деформировании полимеров. В случае приложения деформирующего усилия к полимерному телу равновесное состояние его молекул нарушается, и те конформации макромолекул, которые были равновесными, оказываются неравновесными. Таким образом, результатом действия нагрузки является переход от более свернутых конформации макромолекул к менее свернутым. Происходит распрямление макромолекул или их отрезков, заключенных между узлами сетки в пространственных полимерах. При снятии нагрузки наблюдается процесс восстановления термодинамически выгодной свернутости молекул, т. е. повышения энтропии системы.

Явление перехода от неравновесных состояний к развновесным в результате теплового движения кинетических единиц называется релаксацией.

При статическом нагружении наибольшее практическое значение имеют случаи релаксации напряжения при неизменном относительном удлинении б = const и ползучесть при постоянной нагрузке 0=const.

Рассмотрим следующий пример. Подвергнем деформации образец полимера, способного к изменениям конформаций, до определенной длины, и закрепим его в этом положении. С течением времени начальное напряжение а0, действующее на образец, будет уменьшаться при неизменности первоначальной деформации б = const (рис. 82). Это явление обусловлено тем, что за время нагружения

молекулы полимера не успели в полной мере изменить свои кон-формации и тем более переместиться относительно друг друга. Основная доля нагрузки приходится на энергетический фактор, т. е. на упругие деформации. Так как модуль упругости есть отношение Ао"/Аб, то чем больше скорость деформации, тем выше модуль упругости. Образец становится как бы более жестким при увеличении скорости деформации. В деформированном образце под действием теплового движения происходит релаксационное изменение конформаций молекул и переход к равновесному состоянию. Деформация связей (энергетическая составляющая) постепенно заменяется новым расположением кинетических единиц (эн~ропийный фактор). При нагружении линейных полимеров одновременно идет процесс необратимого отоносительного перемещения центров тяжести макромолекул (течение), и через более или менее длительный промежуток времени    напряжение падает до нуля   (рис. 82, кривая  /).

При температурах интенсивного испарения влаги удельное электросопротивление возрастает на несколько порядков. В других температурных интервалах оно изменяется по обкчному закону.

Влияние на пряжения. При очень больших напряжениях поля (порядка десятков и сотен МВ/м) проводимость диэлектриков обычно перестает следовать закону Ома. В одних случаях ток быстро возрастает, в других — стремится к насыщению. Первое характерно для загрязненных диэлектриков, в которых с увеличением напряжения возрастает количество носителей заряда, и для чистых ионных кристаллов, у которых в полях высокой напряженности появляется электронная проводимость. Второе имеет место обычно у неионных диэлектриков высокой чистоты, у которых число носителей заряда ограничено.

Влияние времени. Существенная особенность твердых диэлектриков состоит в том, что непосредственно после подачи напряжения у них наблюдается скачок тока, вызванный ограниченными обратимыми смещениями зарядов внутри диэлектрика (поляризационным током). Появление тока приводит.к накоплению зарядов в приэлектродных пространствах (ток абсорбции); они вызывают в  заряженном  диэлектрике  нелинейное распределение  напряжений.

Ток абсорбции /аб по мере установления поляризации постепенно спадает в течение нескольких первых секунд после возникновения, а ток в диэлектрике достигает некоторого значения, которое в дальнейшем’ мало изменяется со временем. Устанавливается ток, именуемый сквозным током электроизоляционного материала /СКв. Он определяет обычно длительную электропроводность электроизоляционного материала [поэтому, согласно стандарту, действующему в СССР, отсчет силы тока при изменении сопротивления диэлектриков проводят через 1 мин после подачи напряжения на образец (рис. 87].

Значение множителей перед точкой не зависит от свойств материала. Значение множителей после точки, характеризующее способность материала к рассеиванию энергии в данных условиях, называется коэффициентом диэлектрических потерь е tg б, а угол б — углом диэлектрических потерь. При сравнении однотипных материалов (с близкими значениями диэлектрической проницаемости) потери оценивают по tg б. Чем больше б, тем больше при прочих равных условиях потери. Иногда для оценки диэлектрических потерь вводят понятие добротности электроизоляционного материала:

Материалы с малым е tg б особенно важны в высокочастотной технике и при высоких напряжениях. Хорошие электроизоляционные материалы имеют е tg б» Ю-3, a tg б» 10-4 и часто называются высокочастотными; материалы с большими значениями коэффициента потерь являются низкочастотными.

Как было отмечено, диэлектрические потери обусловлены различными физическими процессами, ведущими к рассеянию энергии. Потери сквозной проводимости обусловлены сквозным током. Они составляют основную долю потерь в неполярных газообразных, жидких и твердых" диэлектриках. Обычно эти потери невелики (tg6«10-e—Ю-3). Мощность потерь сквозной проводимости не зависит от частоты, ‘но сильно зависит от темпертуры. При высоких температурах эти потери обычно преобладают над другими  видами потерь.

Потери растут также с увеличением влажности, особенно сильно — у гигроскопических пористых материалов.

У твердых или жидких тел без газовых включений tg6 практически не зависит от напряженности поля вплоть до полей, вызывающих пробой изоляции.

Электрическая прочность

Внешняя напряженность однородного электрического поля (градиент напряжения), приводящего к образованию в диэлектрике канала с высокой электропроводностью (явление пробоя диэлектрика), называется электрической прочностью ?пр.

В однородном поле электрическая прочность ?пр, В/м, определяется величиной пробивного напряжения Unp, отнесенного к толщине диэлектрика в месте пробоя h:

В неоднородном поле под электрической, прочностью понимают среднюю внешнюю  напряженность электрического поля при пробое

диэлектрика.

Для надежности изоляции рабочее напряжение не должно превышать пробивного:Отношение называют коэффициентом запаса электрической прочности. Обычно он составляет 1,5—4, а иногда и выше.

В твердых диэлектриках после пробоя нередко остается прожженное отверстие, а вокруг него — область частичного разложения или оплавления материала. При повторном приложении напряжения пробой происходит в этой области при сравнительно малом напряжении. Следовательно, пробой изоляции электрической машины или аппарата чаще всего означает аварийное состояние данного устройства.

При рассмотрении поведения реальных пластиков в условиях эксплуатации следует учитывать, что структурные изменения (ориентация, кристаллизация, дополнительное отверждение, старение, тепловые эффекты, термическая деструкция и пр.) очень сильно влияют на кинетику длительного разрушения полимеров и могут вызвать кажущиеся отклонения от закона Журкова.

На принципах усложненной побочными явлениями термофлук-туационной теории прочности основана также кинетика разрушения при многократных циклических нагружениях и деформациях.-В этом случае процесс снижения свойств материала называют утомлением. Если характеристика работоспособности выражается в единицах времени или числом циклов до разрушения, ее называют динамической долговечностью. Термин «усталостная прочность» применяют для обозначения амплитуды напряжения, соответствующей разрушению после заданного числа циклов деформации.

Утомление материала зависит от различного напряженного состояния и вида нагружения. Эти многократные деформации могут осуществляться по различным режимам. В реальных условиях амплитуда и частота сложного воздействия распределяются во времени статистически. Поэтому для анализа режима и закона нагружения используют вероятностные методы.

Диэлектрической назвал М. Фарадей среду, в которой может длительно существовать электростатическое поле. В любом проводнике под действием’ поля свободные заряды перемещаются так, что создают противополе, компенсирующее примененное извне воздействие, и суммарное поле в проводнике при отсутствии тока становится равным нулю, (рис. 84).

В диэлектриках под влиянием электрического поля заряды смещаются в основном ограниченно и поле сохраняется, хотя и с меньшей напряженностью.

Диэлектриками являются прежде всего вещества, практически не имеющие свободных зарядов (электронов и ионов), ,т.-е. электроизоляционные материалы, проводимость которых в 1012—1025 раз меньше, чем у металлов. К ним относятся также все вещества, частицы которых объединены ковалентной, поляризационной или ионной связью (последние — только в твердом состоянии), если энергия возбуждения электронов на уровне проводимости превосходит 5—6 эВ. При этом концентрация носителей весьма мала.

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными.

По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на неполярные и полярные. У первых при отсутствии внешнего электрического поля собственный момент структурных элементов (атомов, ионов, молекул, кристаллических ячеек) равен нулю. Диполи наводятся только внешним полем. У вторых и при отсутствии внешнего поля дипольный момент структурных элементов отличен от   нуля.

Практическая независимость пробивного напряжения от длительности воздействия напряжения и температуры диэлектриков сктротепловой пробой обусловлен прогрессирующим выделенном тепла вследствие диэлектрических потерь. При недостаточном’ тсплоотводе температура диэлектрика может непрерывно увеличиваться. При этом возрастают проводимость и потери, что ускоряет нагрев (проводимость и потери растут с температурой экспоненциально, а теплоотвод — пропорционально    первой    степени разности

температур диэлектрика и окружающей среды). Для электротеплового пробоя характерна резкая зависимость пробивного напряжения от температуры, частоты, от геометрических размеров изоляции и условий ее охлаждения.

Электрохимический пробой обусловлен развитием под действием электрического поля и выделяемого в диэлектрике тепла химических процессов, ведущих к образованию подвижных ионов. В твердых диэлектриках электрохимический пробой может происходить’ под действием поверхностных загрязнений, адсорбированной и конденсированной влаги. Окисление под действием тепла и местных электрических разрядов также часто ведет к этому виду пробоя. Тщательная очистка веществ от влаги и других примесей предохраняет изоляцию- от местных разрушений и наступления электрохимического пробоя.

Упругие деформации в тысячи раз меньше высокоэластических. Поэтому считают, что для идеальных эластомеров деформация связана только с изменением энтропии (степени упорядоченности) молекул. При развертывании молекул энтропия системы уменьшается, а после снятия внешней силы стремление к увеличению энтропии заставляет молекулы свертываться. В реальных линейных полимерах на высокоэластические деформации еще задолого до достижения U накладываются и необратимые деформации течения. Более того, у линейных    аморфных

полимеров проявляются только неравновесные высокоэластические деформации, так как при чрезвычайно медленном нагружении после достижения равновесия вытянутые молекулы вновь свернутся и останутся одни деформации течения. Для получения полимеров с полностью обратимыми высокоэластическими деформациями необходимо создание редкосетчатой структуры. На практике такую структуру имеют резины.

Густосетчатые полимеры почти неспособны к высокоэластической и вынужденно-эластической деформациям и разрушаются хрупко.

Обусловлены поворотами ди-польных молекул или полярных групп, а также местными перемещениями ионов под влиянием электрического поля. Они составляют основную долю потерь в дипольных жидких и твердых изоляционных материалах, а также в ионных материалах с неплотной структурой (большинство неорганических стекол).

Энергия потерь этого типа (рис. 89) сильно изменяется с температурой и частотой, достигая максимума при температурах и частотах, при которых получается наибольший сдвиг фаз между напряженностью поля и состоянием поляризации, а также когда последняя максимальна. Часто это имеет место вблизи температур размягчения материалов. При одновременном изменении температуры и частоты наблюдаются характерные эффекты и смещения максимума потерь в сторону более высоких частот при более высоких температурах и, наоборот, к более высоким температурам при более высоких частотах (см. рис. 89).

Резонансные потери обусловлены поглощением энергии электрического поля при определенных частотах. Они наблюдаются обычно при очень высоких частотах (сантиметровые и миллиметровые волны) и характеризуются резким максимумом при совпадении частоты внешнего поля с какой-либо собственной частотой колебательного или вращательного спектра молекул или с частотой парамагнит-

кого резонанса. Так, например, кислород интенсивно поглощает вол-пи на частоте 6-Ю10 Гц.

Преимущественно дипольная поляризация (конечно, в сочетании с электронной) наблюдается у Многих жидких, полужидких и твердых диэлектриков с полярными группами. Диэлектрическая проницаемость этих веществ сильно зависит от их температуры и частоты электромагнитного поля. При низкой температуре, когда подвижность молекул и их отдельных частей мала, а силы молекулярного взаимодействия велики, диполи не ориентируются под действием поля и величина диэлектрической проницаемости остается примерно такой же, как у диэлектриков с электронной поляризацией (8=2-5-2,5). С возрастанием температуры усиливается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними и увеличивается их ориентация под действием внешнего поля — возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до некоторой температуры, лежащей в области интенсивного размягчения диэлектрика. При дальнейшем нагреве кинетическая энергия теплового движения частиц настолько возрастает, что разрушает ориентацию, вызванную внешним полем. При повышении температур проницаемость начинает уменьшаться, поэтому кривая s=?=f(t) для веществ с преимущественно дипольной поляризацией имеет характерную форму «холма» (рис. 86).

Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует заметного времени и тем большего, чем выше вязкость диэлектрика. Это время настолько велико, что в быстро-переменных полях диполи не успевают ориентироваться по полю, уменьшается амплатуда ориентационного движения и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону более высоких температур, т. е. меньших вязкостей, позволяющих диполям быстрее переориентироваться в связи с изменением поля (рис. 86).

Вода способствует диссоциации и сама является источником ионов. Ввиду этого увлажнение оказывает сильное влияние на сопротивление диэлектриков, особенно пористых. Так, с увеличением относительной влажности воздуха от 0 до 70%

снижается удельное объемное сопротивление текстолита, мрамора и многих других пористых материалов примерно в миллион раз (от ~101в до 1012 Ом-м). Действие влаги может привести к нарушению нормальной работы многих устройств, что необходимо помнить при эксплуатации электро- и радиооборудования.

Диэлектрические потери. Диэлектрические потери энергии характеризуются мощностью поглощаемой диэлектриком энергии из приложенного к нему электрического поля и рассеиваемой в виде тепла.

Механизм поглощения энергии и величина мощности диэлектрических потерь зависят от характера электрического поля и свойств материала. В основном электрическая энергия рассеивается вследствие электропроводности диэлектриков и релаксационных, ионизационных и резонансных потерь, тесно связанных с процессами поляризации. Поэтому в переменных полях, в которых состояние поляризации многократно изменяется за единицу времени, потери значительно выше, чем в постоянных полях. В последнем случае диэлектрические потери Р определяются только током сквозной проводимости /Скв и их можно вычислить по формуле

Для расчета мощности потерь в переменных Полях с круговой чистотой со диэлектрик заменяют, например, параллельной эквивалентной схемой, состоящей из идеального емкостного элемента С и  элемента сопротивления

На высоких частотах в’диэлектриках наблюдаются также явления резонансной поляризации. На очень высоких частотах (Ю13—1016 Гц) происходит совпадение собственных частот ионов и электронов с частотой поля,- при более низких частотах (107— 10я Гц)—совпадение частот «дефектных» электронов с частотой внешнего поля.

Во всех этих случаях в узком интервале частот наблюдается заметная дисперсия диэлектрической проницаемости. Качественно ее зависимость от температуры и частоты в этих случаях выглядит так лее, как и для диэлектриков с преимущественной дипольной поляризацией.

Остаточная поляризация — поляризация, сохраняющаяся в диэлектриках после устранения внешнего электрического поля вследствие недостаточной тепловой подвижности смещенных частиц, — наблюдается у многих высокополимерных материалов при температурах ниже температуры размягчения -(стеклования) и представляет собой как бы замороженную дипольную или ионно- (электронно) -релаксационную поляризацию.

• Особые свойства сегнетоэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость может составить 105—106, и электретов рассмотрены в гл. 7 § 2.

Существенное влияние на величину диэлектрической проницаемости оказывает увлажнение диэлектриков. Так как вода весьма полярна (е = 80), то увлажнение подавляющего числа диэлектриков влечет за собой повышение диэлектрической  проницаемости.

Электропроводность электроизоляционных материалов

Все реальные диэлектрики не являются совершенными изоляционными  материалами  и -обладают  некоторой электропроводностью.

Р в единице объема тела V является характеристикой поляризации:

Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно, внешнему. Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в е раз, где 8 — диэлектрическая проницаемость (относительная).

Любой диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор, обладающий некоторой емкостью С.

Количество электричества Q, необходимое для сохранения опре-деленнной разности ‘ потенциалов Uq в конденсаторе с каким-либо диэлектриком, вследствие поляризации возрастает по сравнению’ с зарядом Q0, поддерживающим U0 в вакууме, на некоторую величину Q

По природе смещающихся в электрическом поле заряженных частиц различают поляризацию: электронную, ионную и дипольную, а по характеру смещения поляризация может быть упругой безги-стерезисной и гистерезисной (релаксационной), в частности остаточной. .

Безгистерезисной являются электронная поляризация и ионная, если ионы не перемещаются через потенциальные барьеры.

Гистерезисная поляризация наблюдается при перемещении ионов или полярных групп молекул через потенциальные барьеры (ионно-релаксационная- поляризация) и при ориентации диполей (диполь-ная поляризация). Общая поляризация является суммой отдельных ее составляющих.

Э’лектронная поляризация — дипольный момент единицы объема вещества обусловлен- упругим смещением электронных оболочек атомов относительно ядер под действием внешнего поля. Этот вид поляризации наблюдается у всех без исключения диэлектриков, но у неполярных диэлектриков (парафина, полистирола, полиэтилена, трансформаторного масла, водорода и др\) он является основным.

В координатах нагрузка — удлинение так же, как и в случаях вынужденно-эластической деформации, им-еют три участка (рис. 81), но молекулярный механизм в этом случае обладает рядом особенностей.

На первой стадии растяжения (рис. 81, участок J) усилия пропорциональны удлинению1. Когда напряжение достигает сгрекр (в точке А), в образце внезапно возникает тонкий участок — шейка, которая растет, постепенно захватывая весь объем материала. На кривой образуется горизонтальный участок // до точки В, соответствующей процессу перехода всего материала образца в шейку. Шейка растягивается как единое целое вплоть до разрыва (рис. 81, участок ///). Полученная на второй стадии деформация не исчеза-

ет после снятия нагрузки, и ее величина достигает сотен процентов. Происходит процесс рекристаллизации иод нагрузкой, т. е. фазовый переход. Новая структура анизотропна и в направлении вытяжки в 2—10 раз прочнее исходной.

Если подвергнутый вытяжке полимер нагреть выше ^пл (см. рис. 76, г), то прежние его размеры не восстанавливаются.

Эффект ориентации и упрочнения при вытяжке кристаллических полимеров используют в производстве высокопрочных технических волокон, применяемых для изготовления тканей, шнуров, канатов, строп, корда в покрышках и др.

Вместе с тем возникающая в некоторых материалах под нагрузкой, даже при комнатной температуре, рекристаллизация может вызвать так называемое «холодное течение». Это особенно опасно в прокладках, так как приводит к ослаблению затяжки и к разгерметизации. Очень склонен к холодному течению, например, фтор-лон-4. Холодное течение снижают, вводя порошковые наполнители.

Вследствие резкой зависимости электропроводности диэлектриков от дефектов структуры и малых количеств примесей, концентрирующихся в основном у поверхности, электрическое сопротивление электроизоляционного материала R рассматривают как состоящее из объемного Rv и поверхностного Rs сопротивлений, включенных параллельно, т. е.

Удельное объемное электрическое сопротивление электроизоляционного материала pv, Ом-м, представляет собой электрическое сопротивление куба материала с ребром, равным 1 м. Для плоского, образца длиной /, м, и площадью поперечного сечения 5, м2

Удельное поверхностное электрическое сопротивление электроизоляционного материала.ps, Ом, представляет собой электросопротивление поверхностного слоя в виде квадрата со стороной в 1 м. Если на плоскую поверхность изоляционного материала наложить параллельно друг другу на расстоянии / два электрода каждый, длиной а, то

Электропроводность диэлектриков является в основном ионной, хотя в некоторых материалах, особенно при повышенных температурах, может наблюдаться смещенная электроионная электропроводность (например, в слюде при температурах 500° С и выше, в тита-натах, полупроводниковых диэлектриках и пр.).

Напряжение не "упадет до нуля (рис. 82, кривая 2), а по мере достижения предельно возможной вытянутости молекул будет  асимптотически  приближаться  к  некоторому уровню  сгсо.

Описанное явление встречается в технике при затягивании эла-. стичных прокладок, в амортизаторах и упругих элементах.

Не менее важен о практической точки зрения процесс релаксации при действии постояного напряжения o"=const, т. е. процесс ползучести. Так же как и для других материалов, кривая пол-

.чучести полимеров в координатах 6—т в зависимости от структурного состояния, приложенного напряжения и температуры может иметь участки неустановившейся, установившейся и прогрессирующей ползучести. На рис. 83 приведены временные зависимости относительного удлинения для линейного и пространственного полимеров при ползучести. При нагружении в момент То вначале мгновенно реализуются упругие деформации буПр. Затем, как и при релаксации напряжений, в результате изменения конформаций макромолекул по экспоненте начинается процесс ползучести. Для линейного полимера ползучесть складывается из высокоэластических деформаций и, из течения, поэтому равновесия не наблюдается (рис. 83, кривая 1). В пространственном полимере (рис. 83, кривая ‘2) устанавливается предельное значение деформации, определяемое степенью’ сшивки, а время достижения этого предельного значения т определяется температурой (так как от нее зависит подвижность звеньев).

Если в момент Ti внезапно снять нагрузку с подвергавшегося ползучести полимерного тела, то форма его восстанавливается. Естественно, что мгновенно восстанавливаются только упругие деформации бупр, а затем — высокоэластические (конформацио’нные) деформации бв-э. Поскольку в линейных полимерах, в отличие от сетчатых, обязательно в большей или меньшей степени реализуется также процесс вязкого необратимого течения (вазимное смещение центров тяжести макромолекул), то в них наблюдается истинная остаточная деформация б0Ст. Деформации сетчатого полимера обязательно, хоть’ и за чрезвычайно длительное время, полностью восстановятся.

Описанные выше идеализированные схемы релаксации могут существенно усложняться из-за возникающих при эксплуатации химических процессов изменения структуры (сшивки, деструкции, старения, набухания и др.).

Могут быть параэлектрическими или сегнетоэлектрическими.

У параэлектриков дипольные моменты практически распределены по разным направлениям   (хаотически, нередко осциллируют)  и

суммарный момент даже небольшого объема равен нулю. Под действием внешнего поля небольшая доля моментов устанавливается против поля.

У сегнетоэлектриков под влиянием внутреннего поля моменты в некотором объеме ориентированы параллельно и суммарный момент такого объема, называемого доменом, не равен нулю. По расположению электрических моментов неполярные диэлектрики аналогичны диамагнитикам, параэлектрики — парамагнетикам, а сег-нетоэлектрики — ферромагнетикам.

Электрическая поляризация

Важнейшее свойство диэлектриков — способность к электрической поляризации, т. е. к такому состоянию, при котором под влиянием электрического поля происходит направленное, но ограниченное смещение заряженных связанных частиц вещества. Поляризация возникает под действием и внешних, и внутренних электрических полей.

Под действием электрического поля смещаются заряды и полярных, и неполярных молекул. Внешнее поле наводит дополнительный дипольный момент, который в не очень сильных полях пропорционален напряженности поля Е.

Электропроводность диэлектриков определяется концентрацией свободных зарядов и их подвижностью.

Часто источниками ионов в жидких и твердых диэлектриках являются примеси, а в газах — еще и внешние факторы, такие как радиоактивная деятельность земли, космические лучи, ультрафиоле-говое облучение и т. д. В твердых диэлектриках с атомной и молекулярной структурой (алмаз, воски, смолы, пластмассы и др.) электропроводность связана с наличием ионов примесей и их перемещением. У диэлектриков с ионной структурой элетропроводность может быть обусловлена и собственными ионами, особенно расположенными по границам зерен, в микропорах, трещинах и т. п., т. е. такими ионами, подвижность которых повышена. У технически чистых неполярных твердых диэлектриков удельное электросопротивление достигает значений pv = 101в-М020′ Ом-м’, у полярных оно составляет 1012—1018 Ом-м.

Все факторы, влияющие на концентрацию свободных зарядов и их подвижность, влияют на электропроводность. Большое практическое значение имеет влияние температуры, напряженности электрического поля, времени нахождения изоляции под током и влажности материала.

Влияние температуры. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и уменьшается вязкость материала. Степень ионизации с ростом температуры также увеличивается. Поэтому электропроводность диэлектриков интенсивно растет.

Экспериментальные и теоретические исследования приводят в большинстве случаев к экспоненциальному закону роста проводимости (снижения удельного сопротивления):

Для увлажненных материалов наблюдается более сложный ход кривой зависимости удельного электросопротивления от температуры.

Пробоя различных диэлектриков — неодинаковы. Они определяются природой материалов, конструкцией изоляторов и условиями их работы.

Факторы, непосредственно вызывающие пробой; можно разделить на три группы: электрические, тепловые и электрохимические. В зависимости от этого различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический.

Различные факторы пробоя диэлектриков действуют нередко совместно.

Электрический пробой обусловливается ионизацией диэлектриков под действием поля или появлением в них электронов проводимости. Он наблюдается в газах и отчасти в жидких и твердых диэлектриках. Теория электрического пробоя жидких и твердых диэлектриков связывает явление пробоя с образованием в сильных полях свободных электронов, которые вырваны либо из металлических электродов (особенно при тонких слоях изоляционного материала), либо из молекул и ионов диэлектрика. Материалы под влиянием тепла плавятся, растрескиваются, обугливаются и пр.; в результате в них могут появляться каналы высокой проводимости.

Повышение температуры ослабляет связь между отдельными ионами, облегчает их взаимные перемещения под действием внешнего поля, увеличивает ионную поляризацию и диэлектрическую проницаемость. Ввиду малого времени установления состояния ионной поляризации (порядка собственной частоты колебания ионов в кристаллической решетке f«1013 Гц) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине диэлектрической  проницаемости  в  ионных телах.

Дипольная (ориентационная) по л яр из аци я обусловлена ориентацией диполей под влиянием внешнего электрического поля. Существенное отличие дипольной поляризации от ионной и электронной заключается в том, что она связана с тепловым движением частиц тела и сопровождается     необратимыми    потерями энергии,

рассеиваемой в переменном электрическом поле в виде тепла. При дипольной поляризации происходит смещение полярных молекул как целых образований или только полярных групп (радикалов), входящих в состав крупных молекул.