Слюда — самый лучший природный диэлектрик, поэтому все современные высокоэффективные электроизоляционные материалы содержат слюду.
Согласно терминологии, каталогов производителей изоляционных материалов:
Слюда — это группа минералов-алюмосиликатов, которые имеют слоистую структуру и обладают различными свойствами, такими как электроизоляция, теплостойкость, гибкость и блеск.
Слюдиниты — гибкие листовые материалы, представляющие собой слоистую прессованную композицию из слюдяной бумаги и стеклоткани, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим лаком.
Слюдяная изоляция обладает высокой термической стабильностью, способностью выдерживать высокие температуры без деформации или разрушения. Она также обладает высокой огнестойкостью, что позволяет ей сохранять электрическую изоляцию даже при пожаре.
Кроме того, слюдяная изоляция обладает высокой электрической прочностью и диэлектрическими свойствами, что позволяет ей эффективно предотвращать протекание электрического тока. Она также обладает хорошей химической стойкостью и устойчивостью к воздействию влаги.
Она не подвержена коррозии и не разрушается под действием химически агрессивных сред, что обеспечивает ей долгий срок службы.
Из-за своих уникальных характеристик, слюдяная изоляция широко применяется в различных отраслях, включая электроэнергетику, электронику, машиностроение, автомобильную промышленность и другие. Все это делает ее одним из наиболее эффективных и надежных материалов для электроизоляции.
Листовая слюда в основном используется в электронной и электротехнической промышленности. Его полезность в этих целях обусловлена его уникальными электрическими, термическими и механическими свойствами, которые позволяют его резать, сверлить, штамповать и обрабатывать с жесткими допусками. В частности, слюда является хорошим электрическим изолятором и в то же время хорошим проводником тепла.
Слюдиниты применяются при производстве и ремонте электрических машин и аппаратов. Высокую надежность и эффективность материалы демонстрируют в качестве межслойной, межфазной, пазовой и витковой изоляции в электродвигателях.
Слюда
Слюда — это группа горных пород и минералов, имеющих слоистую структуру и образовавшихся в результате вулканических процессов. Благодаря тому, что камень может расслаиваться на тонкие пласты, в далеком прошлом его использовали вместо стекол.
С химической точки зрения, слюда представляет собой группу водных алюмосиликатов. В её состав также могут входить соединения других химических элементов, таких как железо, кальций, натрий, марганец и другие, которые влияют на цвет слюды и её физические свойства.
На фоне превосходной спайности, кристаллы слюды обладают рядом уникальных характеристик, таких как выдающиеся электрические свойства, гибкость, упругость и механическая прочность.
В природе слюда представлена в четырех основных минералогических видах: мусковит, биотит, флогопит и лепидолит. Эти виды слюд отличаются по химическому составу, физическим и электрическим свойствам, цвету и блеску.
Для производства электрической изоляции широко используются мусковит и флогопит, так как они имеют наиболее подходящие характеристики.
Мусковит — это слюда с преобладанием калия и алюминия в составе, имеет бесцветный, серебристый или желтоватый цвет и сильный блеск. Флогопит — это слюда с преобладанием калия и магния в составе, имеет коричневый, зеленоватый или розовый цвет и слабый блеск.
Несмотря на широкое распространение слюды, большие промышленные месторождения мусковита и флогопита, содержащие кристаллы значительных размеров, представляют собой редкость.
Электрические свойства слюды
Электрические свойства слюд представляют наибольший интерес для практики, так как они определяют её применение в качестве изоляционных материалов в электрических машинах и других устройствах, требующих термостойкой изоляции. Среди этих свойств можно выделить следующие:
- Электрическая прочность. Это способность слюды выдерживать высокое напряжение без пробоя. Электрическая прочность слюды зависит от её толщины, температуры, частоты, влажности, чистоты и типа поля. Слюда имеет очень высокую электрическую прочность в однородном поле, нормальном к спайности, которая достигает 1000 кВ/мм и более. Это связано с особенностями её строения, которое обеспечивает равномерное распределение внутреннего поля и предотвращает появление электронной лавины. С ростом толщины кристалла, повышением температуры и изменением характера поля электрическая прочность слюды снижается.
- Диэлектрическая проницаемость. Это отношение электрической ёмкости конденсатора с диэлектриком из слюды к электрической ёмкости конденсатора с вакуумом в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость слюды зависит от её состава, толщины, температуры, частоты, влажности и направления поля. Слюда имеет сравнительно большую диэлектрическую проницаемость, которая составляет от 5 до 9. Это связано с наличием дипольных молекул воды и других примесей в её структуре, которые поляризуются под действием внешнего поля. С ростом толщины кристалла, повышением температуры и частоты диэлектрическая проницаемость слюды уменьшается.
- Диэлектрические потери. Это потеря энергии в диэлектрике из слюды при периодическом изменении внешнего поля. Диэлектрические потери слюды зависят от её состава, толщины, температуры, частоты, влажности и направления поля. Слюда имеет малые диэлектрические потери, которые составляют от 0,0001 до 0,01. Это связано с низкой электропроводностью и малой поляризацией её структуры. С ростом толщины кристалла, повышением температуры и частоты диэлектрические потери слюды увеличиваются.
Способность слюды расщепляться на очень тонкие пластинки в сочетании с их высокой электрической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и большой термостойкостью позволяют применять слюды в качестве изоляционных материалов в электрических машинах и других устройствах, требующих термостойкой изоляции.
Такие материалы называются слюдяными изоляторами и бывают разных видов, таких как слюдяные пластинки, слюдяные изделия, слюдяные бумаги, слюдяные картон, слюдяные ткани и др.
Сравнительно большая величина диэлектрической проницаемости слюд в сочетании с малой толщиной пластинок делает их также совершенно уникальным материалом для изготовления наиболее надежных конденсаторов.
Электрические конденсаторы — это устройства, которые накапливают электрический заряд и энергию в электрическом поле. Конденсаторы состоят из двух проводящих пластин, между которыми находится диэлектрик.
Слюда является одним из лучших диэлектриков для конденсаторов, так как она обеспечивает высокую ёмкость, низкие потери, высокую стабильность, высокую прочность и высокую температурную стойкость.
Мусковит характеризуется выдающимися электроизоляционными свойствами, а также имеет большую упругость и механическую прочность по сравнению с флогопитом.
С другой стороны, флогопит обладает замечательной термостойкостью, с температурой начала обезвоживания и резким ухудшением свойств при 800-900°C, в то время как мусковит начинает терять свои характеристики при 500-600°C.
Особенно интересным аспектом слюденитов является их анизотропия. Свойства слюды сильно зависят от направления вдоль плоскости спайности и перпендикулярно ей.
Вдоль плоскости спайности упругость и механическая прочность слюды максимальные, однако теплопроводность в этом направлении выше, и электроизоляционные свойства слегка уступают. Вдоль плоскости спайности, удельное сопротивление слюды составляет всего 106 х 108 Ом·м, а диэлектрическая проницаемость мусковита меняется от 11 до 16, а флогопита — от 23 до 46.
Электрическая прочность слюды перпендикулярно плоскости спайности велика, но сильно зависит от ряда факторов, включая однородность электрического поля, частоту тока и размеры электродов.
Под обычными условиями, при испытаниях на воздухе с цилиндрическими электродами для образцов толщиной 0,025 –0,05 мм и при частоте 50 Гц, электрическая прочность мусковита составляет 100 – 250 МВ/м (в некоторых случаях может достигать 400 МВ/м), а флогопита — 70 – 150 МВ/м.
Диэлектрические свойства слюд в сильной степени зависят от их строения и степени микродефектности.
Особенности строения кристаллов и их микродефекты прежде всего проявляются на поверхности кристаллов при их расщеплении. К ним можно отнести ступеньки скола, выходы дислокаций, межслоевые и внутрипакетные атомные замещения, жидкостные пленочные включения, микро- и субмикроблочность и другие нарушения.
Наличие этих дефектов поверхности, как и сам процесс раскалывания кристалла, приводят к электрически неравновесному состоянию поверхности, которое может сохраняться длительное время.
Поскольку слюды являются, пожалуй, единственными минералами, используемыми в промышленности практически без обработки их поверхности, то все поверхностные дефекты будут влиять на физические свойства кристаллов.
Виды слюды в зависимости от способа обработки
В зависимости от способа обработки слюды, она может быть разделена на следующие виды:
- Подборы. Это слюдяные пластинки, которые отбираются из природных слюдяных агрегатов по размеру, форме, цвету и качеству. Подборы бывают разных групп и сортов, в зависимости от их толщины, площади, прозрачности и чистоты. Подборы используются для изготовления электротехнических изделий, таких как конденсаторы, резисторы, трансформаторы и др.
- Обрезные. Это слюдяные пластинки, которые получаются путем обрезки подборов по заданным размерам и формам. Обрезные используются для изготовления электротехнических изделий, а также для декоративных и художественных целей.
- Щипаные. Это слюдяные пластинки, которые получаются путем щипки подборов или обрезных по контуру с помощью специальных инструментов. Щипаные используются для изготовления электротехнических изделий, а также для декоративных и художественных целей.
- Фасонные изделия. Это слюдяные пластинки, которые получаются путем резки, сверления, фрезерования, шлифования, полировки или других способов обработки подборов, обрезных или щипаных по заданным размерам и формам. Фасонные изделия используются для изготовления электротехнических изделий, а также для декоративных и художественных целей.
- Дробленые. Это слюдяные пластинки, которые получаются путем дробления подборов, обрезных, щипаных или фасонных изделий на мелкие фрагменты. Дробленые бывают разных групп и сортов, в зависимости от их размера, формы, цвета и качества. Они используются для изготовления слюдяных изоляционных материалов, таких как слюдобумага, слюдокартон, слюдоткань и др., а также для наполнения пластмасс, лаков, красок и др.
- Молотые. Это слюдяные пластинки, которые получаются путем молотьбы дробленых на мельницах до состояния порошка. Они бывают разных групп и сортов, в зависимости от их размера, формы, цвета и качества. Молотые используются для изготовления слюдяных изоляционных материалов, а также для наполнения пластмасс, лаков, красок и др.
Это основные виды слюды в зависимости от способа обработки, которые следует знать. Кроме того, существуют и другие виды слюды, такие как вспучивающаяся, гидролизованная и др., которые имеют специфические свойства и области применения.
Синтетическая слюда
В дополнение к природной слюде, в промышленности используется синтетическая слюда, которая получается путем расплавления специального состава в высокотемпературной печи, с последующим охлаждением расплава.
Синтетическая слюда, также известная как фторфлогопит, обладает более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью и радиационной стойкостью по сравнению с природным флогопитом. Это обусловлено отсутствием кристаллизационной воды и заменой гидроксильных групп на ионы фтора во фторфлогопите.
Исходными материалами для производства синтетической слюды служат MgO, Al2O3, SiO2, а также фториды калия, магния, алюминия.
Синтетическая слюда имеет более высокую стоимость и труднее расщепляется, поэтому она не может полностью заменить природную слюду. Однако её выдающиеся диэлектрические свойства делают её интересной для радиоэлектроники, где она применяется в качестве изоляционного материала в конденсаторах и других устройствах.
Слюдяная бумага и слюдиниты
Слюда, как материал, имеет широкий спектр применений. Из нее производят склеивающие материалы, гибкие пластины, нагреватели, формы и сегменты, а также слюдяную бумагу и клейкую ленту.
С момента обнаружения природной слюды и до ее применения в производстве электроизоляционных материалов прошло много времени.
Неотъемлемой частью этого процесса стали негативные моменты, связанные с трудоемкостью и ограничениями производства. Эти проблемы стали двигателем для поиска новых материалов, способных сохранить высокие диэлектрические характеристики слюды, но при этом быть более технологичными. И так, в мире электроизоляции появилась слюдяная бумага.
Основные характеристики слюдяной бумаги:
1. Поверхностная плотность. Первой важной характеристикой бумаги является ее поверхностная плотность, которая измеряется в массе граммов на квадратный метр (г/м?). Поверхностная плотность может значительно варьировать и влияет на внешний вид, текстуру и прочность бумаги. В разных областях применения требуются разные уровни поверхностной плотности, и она часто является ключевым параметром выбора бумаги для конкретного применения.
2. Толщина. Толщина бумаги влияет на ее прочность, жесткость и способность справляться с нагрузками. Она измеряется в микронах (мкм) или миллиметрах (мм) и может быть решающим фактором при выборе материала для конкретной задачи.
3. Пропитываемость. Это одна из самых значимых характеристик бумаги, особенно с точки зрения ее дальнейшего использования. Она определяет способность бумаги впитывать жидкость. Для измерения пропитываемости используется специальное устройство - пенетрометр, а пропитывающей жидкостью часто является 60%-ный раствор рафинированного касторового масла в толуоле.
4. Воздухопроницаемость. Другой важной характеристикой бумаги является ее воздухопроницаемость. Она зависит от способа формирования суспензии, размеров частиц слюды и плотности их укладки при создании бумаги.
Слюдиниты — прессованные слюдосодержащие электроизоляционные материалы, состоящие из нескольких слоев слюдяной бумаги, электроизоляционной пленки и связующего (листовая слюда).
Достоинства слюдинитов:
- Хорошая гибкость и прочность;
- Хорошая влагостойкость;
- Превосходные диэлектрические характеристики;
- Большой ресурс работы;
- Высокая надежность и простота обращения.
Некоторые изделия из слюды обладают встроенными слоями различных материалов, таких как ткань, стекло, лен, муслин, пластик, шелк или специальная бумага. Это делает их очень гибкими и позволяет создавать широкие непрерывные листы, которые могут быть нарезаны, скручены или обрезаны по необходимости. Такие продукты обычно имеют гофрированную или многослойную структуру.
Заключение
Слюдиниты — это уникальные и технически важные материалы, обладающие рядом ценных свойств, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Их способность выдерживать высокие температуры и обладать огнестойкостью делает их идеальным выбором для использования в условиях, где безопасность и надежность на первом месте. Слюдиниты используются в качестве электроизоляционных материалов в электрических машинах и аппаратах, где требуется стабильная и эффективная изоляция.
Смотрите также: Электроизоляционные материалы и их перспективы
Андрей Повный