CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN MH 09 - 01 Giới thiệu Chương 1: Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện; trình bày các tính chất của vật liệu cách điện; sự phân cực của vật liệu cách đi
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Vật liệu cách điện, còn gọi là điện môi, là các chất không dẫn điện trong điều kiện bình thường Trong môi trường này, điện tích xuất hiện ở đâu thì ở đó vẫn giữ nguyên, không di chuyển hoặc dẫn truyền điện Điện môi có điện dẫn gần như bằng không hoặc rất nhỏ, đảm bảo an toàn và cách ly điện hiệu quả trong các ứng dụng kỹ thuật.
Vật liệu cách điện đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện và được sử dụng rộng rãi để đảm bảo an toàn, ổn định cho hệ thống điện Việc nghiên cứu đặc điểm và tính chất của vật liệu cách điện giúp chọn lựa loại phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cụ thể Lựa chọn vật liệu cách điện chất lượng cao góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và độ bền của các thiết bị điện.
1.1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật liệu
Vật liệu cách điện có thể tồn tại ở dạng khí, thể lỏng và thể rắn, đáp ứng các yêu cầu cách điện khác nhau trong các ứng dụng kỹ thuật Giữa thể lỏng và thể rắn, còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão, gồm các vật liệu có tính chất bôi trơn như sơn tẩm hoặc các loại chất lỏng mềm dẻo Các loại vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc cách điện hiệu quả và phù hợp với từng điều kiện môi trường làm việc.
1.1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, người ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm, nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
+ Nhóm có nguồn gốc tự nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong tự nhiên hoặc giữ nguyên thành phần hóa học nhƣ: Cao su, lụa, phíp …
+ Nhóm nhân tạo: thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có nhựa Phenol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy…
Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu nhƣ: sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng v.v…
1.1.2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt
Khi lựa chọn vật liệu cách điện, điều quan trọng là xác định khả năng chịu nhiệt của vật liệu đó theo các cấp độ chịu nhiệt khác nhau Vật liệu cách điện được phân thành bảy cấp độ chịu nhiệt, và việc biết chính xác cấp độ phù hợp sẽ giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong ứng dụng điện tử và điện lực Lựa chọn vật liệu phù hợp với cấp độ chịu nhiệt sẽ góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ của hệ thống điện.
Bảng 1.1: Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện
Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép ( 0 C) Các vật liệu cách điện chủ yếu
Các loại vật liệu như giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự không được tẩm hoặc ngâm trong các vật liệu cách điện lỏng nhằm đảm bảo tính cách điện cao Ngoài ra, các loại nhựa như nhựa polyethylene, nhựa polystyrol, vinyl clorua, anilin cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng cách điện, đảm bảo độ bền và hiệu suất cách điện tối ưu.
Các loại vật liệu như giấy 105, vải sợi, lụa thường được ngâm hoặc tẩm dầu biến áp để nâng cao tính chống cháy và độ bền Cao su nhân tạo, nhựa polieste, sơn cách điện chứa dầu giúp quá trình khô nhanh và hiệu quả, đồng thời tăng cường khả năng chịu nhiệt, chống tia lửa điện Các loại tấm gỗ dán, ép, và sơn nhựa dầu cũng sử dụng quy trình tẩm dầu để cải thiện độ bám dính, độ bền và khả năng chống thấm nước, phù hợp trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật điện.
E120 là nhựa tráng polivinylphosphon, poliamit, eboxi, thường được sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu nhiệt và cách điện Giấy ép hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy) là các vật liệu cách điện cao cấp trong ngành công nghiệp điện tử Nhựa melaminfocmandehit chứa chất độn xenlulo và têctôlit, giúp tăng tính ổn định và độ bền của sản phẩm Vải có tẩm poliamit và nhựa poliamit, nhựa phenol-phurol có độn xenlulo, đều được ứng dụng trong sản xuất đồ dùng chịu nhiệt, cách điện và các vật liệu chịu lực chất lượng cao.
B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chứa chất độn được sử dụng trong các thành phần cách điện Sơn cách điện chứa dầu làm khô, phù hợp cho các bộ phận không tiếp xúc với không khí để đảm bảo an toàn và độ bền Các loại sơn cách điện như alkit và từ nhựa phênol được dùng phổ biến trong ngành điện, mang lại khả năng cách điện tốt Mica, như micanit và mica mỏng, là các vật liệu cách điện hiệu quả, thường được dùng trong các thiết bị điện tử Nhựa phênol-phurol với chất độn khoáng giúp tăng cường đặc tính cơ học và cách điện cho các sản phẩm Ngoài ra, nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin, foocmandehit, amiăng, mica hoặc thủy tinh có chứa chất độn đều thích hợp để sản xuất các linh kiện điện tử, cách điện, đảm bảo độ bền và an toàn trong ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính Bao gồm micanit, êpoxi poliête chịu nhiệt, silíc hữu cơ
H 180 Silicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính, nhựa silíc hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao
Cảo C Trên 180 gồm các vật liệu cách điện vô cơ thuần túy, không có thành phần kết dính hay tẩm, như oxit nhôm và florua nhôm Các vật liệu này không chứa chất kết dính, thủy tinh hay sứ, bao gồm mica, polytetraflon, polimonoclortrifloetilen, và ximăng amiăng.
1.1.3 Dẫn điện của vật liệu cách điện
1.1.3.1 Khái niệm chung về tính dẫn điện của vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện là loại vật liệu được sử dụng để cách điện, nhưng trong thực tế, chúng không hoàn toàn cách điện vì vẫn chứa một số điện tích tự do và tạp chất không đồng nhất Dưới tác dụng của điện trường, dòng electron vẫn có thể đi qua vật liệu, dẫn đến dòng điện chuyển dịch Vì vậy, dòng điện trong vật liệu cách điện có thể phát sinh do các nguyên nhân khác nhau, trong đó có dòng điện chuyển dịch.
Cường độ điện trường E gây ra sự dịch chuyển có hướng của các điện tích trong vật liệu cách điện, làm chúng chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác, thể hiện sự biến thiên năng lượng trong thời gian ngắn Dòng điện hấp thụ là một hiện tượng quan trọng phản ánh quá trình này, góp phần hiểu rõ hơn về khả năng chịu đựng và ứng xử của vật liệu cách điện dưới tác động của điện trường mạnh.
Là thành phần do phân cực chậm gây ra, khi có điện áp đặt vào vật liệu cách điện, các phân tử lưỡng cực sẽ xoay hướng và tạo ra dòng điện hấp thụ Quá trình này giúp hiểu rõ hơn về đặc tính phân cực của các vật liệu cách điện trong các ứng dụng kỹ thuật điện.
Sự phân cực của dòng điện phụ thuộc vào loại điện áp tác dụng Nếu sử dụng điện áp một chiều, dòng điện chỉ xuất hiện khi đóng hoặc cắt mạch, còn đối với điện áp xoay chiều, dòng điện tồn tại liên tục trong suốt quá trình đóng mạch Một khía cạnh quan trọng cần lưu ý là dòng điện rò, có thể xảy ra trong các thiết bị điện tử và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống Hiểu rõ đặc điểm của dòng điện xoay chiều và dòng điện rò giúp tối ưu hóa thiết kế mạch điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Nguyên nhân gây ra dòng điện rò trong vật liệu cách điện bắt nguồn từ các điện tích tự do, như bụi bẩn bám trên bề mặt hoặc nằm bên trong chất liệu cách điện Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích tự do này có thể di chuyển theo hướng của điện trường, dẫn đến dòng điện rò có trị số rất nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cách điện.
Trong vật liệu kỹ thuật điện, có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện Dựa trên thành phần của dòng điện dẫn, người ta phân loại dẫn điện thành ba loại chính: dẫn điện bởi các điện tích tự do trong kim loại, dẫn điện trong các dung dịch điện phân, và dẫn điện trong các chất khí ion hóa.
- Điện dẫn điện tử: thành phần của loại điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong vật liệu cách điện
SỰ PHÂN CỰC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
1.2.1 Khái niệm về sự phân cực
Hình 1.1: Sự phân bố điện tích trong chất vật liệu cách điện phân cực Trong đó:
E: Điện trường giữa 2 bản cực;
Hiện tượng phân cực trong môi chất xảy ra khi đặt trong điện trường, làm các điện tích liên kết xoay theo hướng của lực tác dụng Cường độ điện trường càng mạnh, các điện tích chuyển hướng càng rõ nét, dương theo chiều của điện trường còn âm ngược lại Khi điện trường mất đi, các điện tích trở về trạng thái ban đầu, thể hiện đặc điểm của hiện tượng phân cực trong vật liệu.
Phân cực đƣợc xác định bởi sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích ràng
Điện môi chịu ảnh hưởng của điện trường, dẫn đến sự định hướng hoặc sắp xếp của các phân tử lưỡng cực Nhờ đó, điện môi tạo thành một tụ điện với điện dung C, trong đó điện tích của tụ tỷ lệ thuận với điện áp đặt lên Công thức tính điện tích của tụ điện dựa trên điện dung và điện áp là yếu tố quan trọng trong thiết kế các mạch điện tử.
C; U- điện dung, điện áp của tụ điện Điện tích Q bao gồm hai thành phần:
Q 0 – là điện tích có ở điện cực nếu nhƣ giữa các điện cực là chân không và Q’- điện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi
1.2.2 Các dạng phân cực xảy ra trong vật liệu cách điện
1.2.2.1 Phân loại theo cấp độ phân cực a) Phân cực nhanh Đặc điểm của phân cực nhanh là chỉ xảy ra trong một thời gian rất ngắn khi vật liệu cách điện chịu tác dụng của điện trường ngoài (t -12 -10 -15 giây) Nó phụ thuộc vào điện áp, nhiệt độ t 0 và áp suất p Loại phân cực này không sinh ra tổn hao vật liệu cách điện Sự phân cực tức thời điện tử xảy ra trong tất cả các môi chất còn sự phân cực tức thời ion chỉ xảy ra trong các vật liệu cách điện có kết cấu nhƣ thạch anh, mica Trong kỹ thuật điện, phân cực nhanh đƣợc biểu diễn bằng một tụ điện C b) Phân cực chậm
Dạng phân cực chậm xảy ra do quá trình xoay hướng của các phân tử hoặc nhóm phân tử phải chống lại lực ma sát, mất thời gian từ hàng giây đến hàng giờ Loại phân cực này chỉ xuất hiện trong các vật liệu cách điện có cấu trúc lưỡng cực hoặc có tính cực, phụ thuộc vào điện áp, thời gian, và các tham số như t0 và p, đồng thời gây ra tổn hao trong vật liệu cách điện Một mô hình thay thế vật liệu cách điện bằng điện dung C mắc nối tiếp với điện trở giúp hiểu rõ hơn về quá trình phân cực chậm Trong đó, phân cực chậm gồm có 5 loại chính: phân cực lưỡng cực, phân cực điện tử chậm, phân cực ion chậm, phân cực kết cấu, và phân cực tự phát, mỗi loại đều ảnh hưởng đến đặc tính cách điện của vật liệu.
1.2.2.2 Phân loại theo các dạng phân cực a) Nhóm một
Các vật liệu cách điện chủ yếu thuộc loại phân cực điện tử nhanh, bao gồm các chất trung tính ở trạng thái khí, lỏng và rắn Trong nhóm này còn có một số chất khác nhằm tăng khả năng cách điện hiệu quả Những vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng chống điện và cách nhiệt trong ngành công nghiệp điện tử Hiểu rõ đặc điểm của các vật liệu phân cực điện tử nhanh giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao độ bền của các thiết bị điện.
7 cực tính yếu có cấu trúc tinh thể, vô định hình nhƣ: farafin, polistirol, dầu máy biến áp, dầu tụ điện b) Nhóm hai
Các vật liệu cách điện bao gồm hai loại chính: phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực chậm Loại vật liệu này chủ yếu là các chất hữu cơ cực tính ở trạng thái lỏng, nửa lỏng hoặc rắn, như hydrocacbon bị clo hoá và xenlulô Nhóm ba các vật liệu cách điện này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu đặc tính cách điện ổn định và hiệu quả.
Các vật liệu cách điện rắn vô cơ gồm có hai nhóm chính: nhóm các vật liệu phân cực điện tử và ion nhanh như thạch anh, mica, kim cương, nhằm mục đích truyền dẫn điện hiệu quả và chịu nhiệt cao; và nhóm các vật liệu phân cực điện tử và ion chậm như thủy tinh vô cơ, vật liệu sứ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu cách điện cao cấp và chống chịu môi trường khắc nghiệt.
Các vật liệu cách điện xếp hạng đặc trưng bởi khả năng phân cực tự phát, phân cực điện tử và phân cực ion nhanh, mang lại hiệu quả cách điện cao Những chất này thường có các đặc tính từ tính, giúp nâng cao khả năng chống lại hiện tượng phóng điện và đảm bảo an toàn cho thiết bị điện Hiểu rõ các đặc điểm phân cực của vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng điện và điện tử.
TỔN HAO VÀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
1.3.1 Khái niệm về tổn hao vật liệu cách điện
Khi điện môi đặt trong điện trường, xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tích tự do và điện tích ràng buộc, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện dẫn và dòng điện phân cực Các dòng điện này tác động vào điện môi, gây ra nhiệt làm cho chúng nóng lên và chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng Quá trình mất mát điện năng này gọi là tổn hao điện môi, hay còn gọi là tổn hao vật liệu cách điện, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất của vật liệu cách điện trong các thiết bị điện.
Tổn hao vật liệu cách điện là lượng năng lượng phát sinh trong vật liệu cách điện khi có điện trường tác dụng, khiến vật liệu nóng lên trong một đơn vị thời gian Để đánh giá tổn hao này, người ta thường sử dụng góc tổn hao δ hoặc hàm tgδ, trong đó góc δ là góc phụ của góc lệch pha φ giữa dòng điện và điện áp.
Khi áp dụng điện áp một chiều, tổn hao vật liệu cách điện chủ yếu do thành phần dòng rò (I rò) gây ra Công thức tính tổn hao vật liệu cách điện giúp đánh giá hiệu quả cách điện nhằm đảm bảo an toàn và độ bền của hệ thống điện một chiều Hiểu rõ nguyên nhân và cách tính tổn hao vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng trong thiết kế và kiểm tra các hệ thống điện một chiều.
R (1.5) Trong đó: R - Điện trở, đo bằng ôm (Ω)
I – Dòng điện, đo bằng Ampe (A)
U – Điện áp, đo bằng Vôn (V)
Khi điện áp xoay chiều được tác dụng, tổn hao vật liệu cách điện ngoài thành phần rò còn do sự phân cực chậm của dòng điện (I pcc) gây ra, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất của hệ thống cách điện.
Tổn thất vật liệu cách điện càng lớn, thì nhiệt sinh ra trong chất cách điện càng nhiều Khi nhiệt lượng vượt quá giới hạn chịu đựng của vật liệu, chất cách điện sẽ bị phân hủy, gây giảm hiệu quả và độ bền của hệ thống điện Do đó, việc kiểm soát tổn hao và nhiệt phát sinh trong vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của thiết bị điện.
1.3.2 Các dạng tổn hao trong vật liệu cách điện
Theo đặc điểm và bản chất vật lý có thể chia tổn hao vật liệu cách điện thành bốn dạng chính
1.3.2.1 Tổn hao do dòng điện rò
Trong vật liệu cách điện luôn chứa các điện tích và điện tử tự do Dưới tác dụng của điện trường E, các điện tích này tham gia vào dòng điện dẫn và dòng điện rò Trong vật liệu cách điện rắn, dòng điện rò diễn ra cả trên bề mặt và trong khối vật liệu, trong khi vật liệu cách điện khí và lỏng chỉ có dòng điện khối Mức độ dòng rò lớn gây ra tổn thất vật liệu cách điện, làm giảm hiệu quả cách điện và có thể gây hư hỏng thiết bị.
Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của vật liệu cách điện sẽ tăng theo quy luật hàm mũ nên tổn hao cũng tăng theo quy luật này
1.3.2.2 Tổn hao vật liệu cách điện do phân cực
Dạng này thường xuất hiện ở các chất có phân cực chậm và cấu tạo lưỡng cực Tổn hao do phân cực chậm gây ra bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phân tử dưới tác động của cường độ điện trường, dẫn đến phát sinh năng lượng tiêu tán và làm vật liệu cách điện nóng lên Tổn hao trong các vật liệu cách điện cực tính phụ thuộc vào tần số của điện áp đặt lên, đặc biệt rõ rệt ở tần số vô tuyến và siêu cao, nơi tổn hao đạt mức lớn có thể gây phá huỷ vật liệu.
Trong các loại vật liệu cách điện, tổn hao do phân cực bao gồm hiện tượng tổn hao cộng hưởng xuất hiện tại các tần số ánh sáng, khi các chất khí hấp thụ năng lượng điện trường tại tần số xác định Hiện tượng này cũng xảy ra ở chất rắn khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây ra trùng với tần số dao động riêng của các hạt trong chất rắn, gây ra tổn hao năng lượng hiệu quả.
1.3.2.3 Tổn hao vật liệu cách điện do ion hoá
Các vật liệu cách điện khí thường gặp hiện tượng ion hóa trong các điện trường không đồng nhất có cường độ cao vượt quá trị số bắt đầu ion hóa của khí đó Ví dụ điển hình là không khí xung quanh dây dẫn điện cao thế, đầu cực của các thiết bị cao áp, hoặc các bọt khí trong các vật liệu cách điện rắn và lỏng khi chịu áp lực điện lớn.
Quá trình ion hóa các phân tử khí diễn ra khi chúng tiếp nhận năng lượng điện trường, làm tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện khí Quá trình này sinh ra tổn hao ion hóa, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử Nghiên cứu về ion hóa khí giúp cải thiện khả năng cách điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
1.3.2.4 Tổn hao vật liệu cách điện do cấu tạo không đồng nhất
Tổn hao trong vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng trong thực tế vì cấu trúc của vật liệu thường không đồng nhất, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của các thiết bị điện Trong các trường hợp đơn giản, vật liệu cách điện không đồng nhất có thể được mô tả dưới dạng hai lớp nối tiếp nhau, giúp hiểu rõ hơn về hành vi điện của vật liệu trong quá trình sử dụng.
Hình 1.2: Sơ đồ vật liệu cách điện mắc nối tiếp và sơ đồ đẳng trị thay thế
Trị số điện dung tương đương C1 và C2 phụ thuộc vào hằng số vật liệu cách điện cũng như kích thước hình học của các lớp này Điện trở R1 và R2 được xác định dựa trên điện trở suất và kích thước hình học của vật liệu cách điện Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng này là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử và hệ thống cách điện.
1.3.3 Sự phóng điện trong vật liệu cách điện
Thực nghiệm cho thấy khi cường độ điện trường đặt lên vật liệu cách điện vượt quá một giới hạn nhất định, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng vật liệu, làm mất hoàn toàn tính chất cách điện của nó Quá trình này dẫn đến phá hủy độ bền điện của vật liệu cách điện, gây giảm tuổi thọ và hiệu quả chống điện của vật liệu.
Điện áp đánh thủng (Uđt) là trị số điện áp gây ra hiện tượng phá vỡ vật liệu cách điện, đồng thời cường độ điện trường tương ứng được gọi là cường độ đánh thủng hoặc cường độ điện trường cách điện (Eđt) Đây là các chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu điện của vật liệu cách điện, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các hệ thống điện Việc xác định chính xác Uđt và Eđt giúp chọn lựa vật liệu phù hợp để tránh hiện tượng gây hư hỏng do quá điện áp vượt mức quy định.
Trong đó: h - chiều dày của vật liệu cách điện [mm]
Cường độ điện trường cách điện của vật liệu cách điện được định nghĩa là điện áp gây thủng vật liệu trên một milimet chiều dày của vật liệu cách điện Khi tính toán độ dày của vật liệu cách điện cho thiết bị điện, cần nhân hệ số làm việc an toàn K để đảm bảo độ an toàn và độ bền trong quá trình sử dụng.
TÍNH HÚT ẨM VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
1.4 TÍNH HệT ẨM VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.4.1 Độ ẩm không khí
Trong không khí luôn chứa một lượng hơi nước nhất định, được đo bằng độ ẩm của nó Độ ẩm tuyệt đối phản ánh khối lượng hơi nước (mg) có trong mỗi mét khối không khí (m³), với mỗi nhiệt độ sẽ có một mức độ hơi nước bão hòa nhất định Khi nhiệt độ tăng, khả năng giữ hơi nước của không khí cũng tăng lên nhưng chỉ đến một mức giới hạn, sau đó hơi nước sẽ ngưng tụ thành sương Độ ẩm tương đối (φ%) thể hiện tỷ lệ phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối thực tế và độ ẩm tuyệt đối tối đa mà không khí có thể giữ được ở nhiệt độ đó.
(1.7) Ở nhiệt độ bình thường 20 0 ±5 0 C độ ẩm của không khí được lấy bằng 60-70% (thường là 65%) tương đương với độ ẩm tuyệt đối là mg/m 3
1.4.2 Độ ẩm của của vật liệu
Khi vật liệu cách điện hoạt động trong môi trường không khí có độ ẩm φ% và nhiệt độ t0°C, sau một khoảng thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu sẽ dần đạt đến trạng thái cân bằng φcb phù hợp với độ ẩm của không khí xung quanh Quá trình này đảm bảo vật liệu duy trì hiệu quả cách điện trong môi trường hoạt động thực tế Điều kiện môi trường như độ ẩm và nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ ẩm nội nhập của vật liệu cách điện, từ đó ảnh hưởng đến độ bền và khả năng cách điện của vật liệu trong dài hạn.
Khi vật liệu khô được đặt trong không khí ẩm, nó sẽ hút ẩm và độ ẩm của vật liệu tăng dần đến mức φcb Ngược lại, nếu vật liệu có độ ẩm cao được đặt trong môi trường không khí có độ ẩm φkk, thì sau một thời gian, độ ẩm của nó sẽ giảm xuống đến mức φcb Giá trị φcb phụ thuộc vào loại vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hút ẩm hoặc thoát ẩm của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.
Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện có vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của vật liệu Độ ẩm của vật liệu cách điện thường được đo bằng cách xác định lượng hơi nước thấm vào hoặc thoát ra khỏi vật liệu, thể hiện qua tỷ lệ phần trăm Điều này giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của vật liệu cách điện trong các ứng dụng kỹ thuật.
Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của vật liệu Độ ẩm được đo bằng cách xác định lượng hơi nước thấm vào hoặc thoát ra khỏi vật liệu, thường thể hiện dưới dạng phần trăm (%) Việc này giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của các vật liệu cách điện trong các ứng dụng kỹ thuật.
Với M1; M 2 - trọng lượng của mẫu vật liệu trước và sau khi bị ẩm
Hình 1.3: Sự biến đổi đô ẩm φvl khi hút ẩm (a) và sấy khô(b)
Vật liệu xốp chứa các chất hòa tan trong nước dễ hút ẩm bên trong, gây giảm rõ rệt điện trở suất, đặc biệt ở nhiệt độ cao Khi hoạt động ở điện áp xoay chiều, các tham số thay đổi nhiều nhất là tgδ và hằng số điện môi ε của vật liệu do ảnh hưởng của độ ẩm Chính vì vậy, việc đo trị số điện dung thường được sử dụng để xác định xem vật liệu có bị ngấm ẩm hay không, đảm bảo chất lượng và khả năng cách điện của vật liệu được duy trì.
1.4.3 Tính hấp thụ (thấm ẩm)
Chất liệu cách điện không hút ẩm sẽ hình thành một màng ẩm trên bề mặt khi tiếp xúc với không khí ẩm, gây ra quá trình ngưng tụ hơi nước, gọi là tính thấm ẩm của vật liệu cách điện Phần lớn các vật liệu thấm ẩm qua các lỗ xốp nhỏ, có khả năng đo độ ẩm, trong khi một số loại như thủy tinh, gốm kỹ thuật, nhựa PE không thấm ẩm và có độ ẩm bằng không Độ ẩm của môi trường càng cao thì lớp màng ẩm trên vật liệu càng dày, và để hạn chế việc hút ẩm, người ta thường sơn tẩm trong chân không hoặc ngâm vật liệu trong dung môi có tính thấm nước trước khi sử dụng.
TÍNH CHẤT NHIỆT, HOÁ HỌC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
1.5.1 Tính chịu nóng, tính chất hóa học
1.5.1.1 Đặc tính nhiệt của vật liệu cách điện
Là khả năng chịu đƣợc nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hoặc lâu dài khi nhiệt độ φ% φ cb b (khô) a(ẩm) t
Các vật liệu cách điện cần đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng chịu nhiệt để tránh bị hư hỏng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao đột ngột Tính chịu nhiệt của vật liệu quyết định đến khả năng hoạt động an toàn và bền bỉ của chúng, dựa trên công nghệ chế tạo và loại vật liệu Theo tiêu chuẩn, vật liệu cách điện được phân loại theo cấp chịu nhiệt và nhiệt độ làm việc tối đa, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng trong các ứng dụng điện Việc lựa chọn vật liệu phù hợp dựa trên các tiêu chí này là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền và hiệu suất của hệ thống điện.
Bảng 1.2: Cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện
Các vật liệu cách điện chủ yếu
Y 90 bao gồm các vật liệu như giấy, vải sợi, lụa, cao su, gỗ và các chất tương tự, không được ngâm hoặc tẩm trong chất lỏng Các loại nhựa như polietilen, PVC, anilin, polistirol và cacbamit cũng được phân vào nhóm này.
A 105 Giấy, vải sợi, lụa ngâm trong dầu, nhựa polieste, cao su nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô
E 120 Nhựa tráng poliviny lphocman, poliamit, epoxi, nhựa bakelit, vải có thấm poliamit
B 130 Nhựa polyester, amiăng, thuỷ tinh có chất độn được sử dụng trong các lớp phủ cách điện nhờ đặc tính cách nhiệt và cách điện hiệu quả Sơn cách điện chứa dầu làm khô, phù hợp dùng cho các bộ phận không tiếp xúc với không khí để đảm bảo độ bền cao Các loại sơn cách điện như sơn akít hoặc sơn từ nhựa phenol được ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi tác động môi trường Ngoài ra, các sản phẩm mica tổng hợp, nhựa epoxy, sợi thuỷ tinh, nhựa melamin formaldehyde cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử và cách điện nhờ đặc tính chịu nhiệt và độ chịu lực cao.
F 155 Sợi amiăng, sợi thuỷ tinh có kết chất dính
H 180 Silicon, sợi thuỷ tinh và mica có chất kết dính
Mica tổng hợp, thuỷ tinh, sứ chịu nhiệt
Tính chịu nóng của vật liệu cách điện thể hiện khả năng vật liệu và các chi tiết chịu đựng không bị phá hủy trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện vô cơ thường được xác định dựa trên điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện, trong khi đó, đối với vật liệu hữu cơ, độ bền nhiệt thường được đánh giá theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học như kéo hoặc uốn Ngoài ra, các loại vật liệu cách điện khác cũng có thể xác định độ bền nhiệt thông qua các đặc tính điện riêng biệt.
Nâng cao nhiệt độ làm việc của cách điện rất quan trọng trong các nhà máy điện và thiết bị điện, giúp tăng công suất khi kích thước không đổi hoặc giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của thiết bị khi duy trì công suất Theo quy định của IEC, các vật liệu cách điện được phân theo các cấp chịu nhiệt khác nhau, như được trình bày trong Bảng 1.3, nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện.
Bảng 1.3: Phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền nhiệt
Ký hiệu cấp chịu nhiệt Nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép (0C)
Các vật liệu cách điện tương ứng với các cấp chịu nhiệt được cho trong bảng
Sự giãn nở nhiệt của vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình chọn lựa và sử dụng Hiện tượng này xảy ra khi vật liệu mở rộng hoặc co lại dưới tác dụng của nhiệt độ, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất của các thiết bị điện Vì vậy, hiểu rõ về đặc tính giãn nở nhiệt của vật liệu cách điện giúp đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong hệ thống điện.
Bảng 1.4: Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ
Tên vật liệu Hệ số giãn nở dài Ghi chú
- Thủy tinh 0,55 Chất vô cơ
- Phê no fô man đê hít và các chất dẻo có độn khác 25 70 Chất hữu cơ
- Tấm chất dẻo clorua polivinyl 70
Các vật liệu cách điện vô cơ có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ rất bé, giúp các chi tiết chế tạo từ chúng có kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi Trong khi đó, vật liệu cách điện hữu cơ có hệ số giãn nở dài gấp hàng trăm lần so với vật liệu vô cơ, gây ảnh hưởng đến độ bền và độ chính xác của sản phẩm Do đó, khi sử dụng các vật liệu cách điện trong điều kiện nhiệt độ biến đổi, cần chú ý đến đặc tính này để tránh các sự cố không mong muốn.
Việc nghiên cứu tính chất hóa học của vật liệu cách điện là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy khi vật liệu hoạt động lâu dài, tránh bị phân hủy gây phát sinh sản phẩm phụ và không ăn mòn kim loại tiếp xúc Vật liệu cách điện cần không phản ứng với các chất như khí, nước, axit, kiềm, dung dịch muối để duy trì hiệu quả và tuổi thọ Ngoài ra, độ bền của các vật liệu cách điện trước tác động của các loại vật liệu khác nhau cũng rất khác nhau và cần được xem xét kỹ lưỡng.
Khi sản xuất các chi tiết, có thể gia công vật liệu bằng nhiều phương pháp hóa công khác nhau như dính được hoặc hòa tan trong dung dịch để tạo thành sơn, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Độ hòa tan của vật liệu rắn được xác định bằng khối lượng vật liệu chuyển đổi thành dung dịch trong một đơn vị thời gian trên đơn vị thời gian tiếp xúc giữa vật liệu và dung môi Các chất có tính chất hóa học gắn kết chặt chẽ với dung môi và chứa các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử thường có độ hòa tan cao nhất Các chất mang điện tích (lưỡng cực) dễ hòa tan trong chất lỏng lưỡng cực, trong khi các chất trung tính dễ hòa tan trong dung môi trung tính Cấu trúc mạch thẳng của các phân tử cao phân tử giúp chúng dễ hòa tan hơn so với cấu trúc trung gian hoặc phức tạp Ngoài ra, nhiệt độ tăng cũng dẫn đến sự tăng độ hòa tan của các chất trong dung môi.
1.5.2 Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt đặc trƣng cho khả năng tải nhiệt của vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện có độ dẫn nhiệt cao dễ truyền nhiệt lượng, trong khi đó, vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hạn chế sự truyền nhiệt, gây tổn hao nhiệt lượng Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng chớt cháy, hiện tượng phóng điện và đánh thủng vật liệu cách điện sẽ xảy ra, gây ảnh hưởng đến độ an toàn và hiệu quả cách điện.
Sự giãn nở nhiệt là hiện tượng vật liệu cách điện thay đổi thể tích khi nhiệt độ tăng hoặc giảm do quá trình trao đổi nhiệt Các loại vật liệu cách điện khác nhau thường có khả năng giãn nở nhiệt không giống nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử Hiểu rõ về đặc điểm giãn nở nhiệt của vật liệu giúp chọn lựa phù hợp, nâng cao độ tin cậy của hệ thống cách điện trong các ứng dụng công nghiệp và điện tử.
Các dạng giãn nở nhiệt:
Giãn nở dài hay giãn nở tuyến tính là hiện tượng vật liệu thay đổi về chiều dài khi chịu tác động của nhiệt độ, phản ánh mối liên hệ giữa nhiệt độ và biến dạng của vật liệu Sự thay đổi chiều dài do giãn nở nhiệt được xác định dựa trên hệ số giãn nở tuyến tính và độ thay đổi của nhiệt độ, theo công thức: Δl = l₀ × α × ΔT, trong đó Δl là sự biến đổi chiều dài, l₀ là chiều dài ban đầu, α là hệ số giãn nở tuyến tính, và ΔT là chênh lệch nhiệt độ Hiểu rõ về hiện tượng giãn nở dài giúp chúng ta thiết kế các công trình xây dựng và kỹ thuật phù hợp, đảm bảo tính an toàn và độ bền của vật liệu trong các điều kiện nhiệt độ biến đổi.
Hình 1.4: hình vẽ thể hiện sự giãn nở dài của vật Trong đó: l 0 : Là chiều dài của vật liệu trước khi giãn nở;
Là chiều dài giãn nở của vật liệu khi có tác động về nhiệt độ;
1 : Là chiều dài của vật liệu sau khi giãn nở.
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ, LỎNG
1.6.1 Không khí, Ni tơ, Hyđrô
Không khí là một trong những vật liệu cách điện thể khí đầu tiên và được sử dụng rộng rãi trong ngành điện, chủ yếu để cách điện cho đường dây tải điện trên không và các thiết bị điện hoạt động trong không khí Trong điều kiện bình thường, không khí là chất cách điện hiệu quả, như trong quá trình ngắt công tắc hay cách điện giữa các chốt của thiết bị điện Tuy nhiên, khả năng cách điện của không khí phụ thuộc vào mức điện áp của hệ thống điện, do đó, cần có khoảng cách cách điện thích hợp trên các đường dây cao thế để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Cường độ cách điện của không khí tăng lên khi độ chân không của không khí cao Không khí có ưu điểm lớn là chi phí thấp, nhưng nếu bị ion hóa, chúng có thể tạo ra ozôn và oxit, những chất này gây ăn mòn mạnh các bộ phận kim loại của thiết bị điện và oxy hóa các chất cách điện hữu cơ, làm giảm tính cách điện của chúng Đặc biệt, đối với cách điện của máy điện, cáp điện, máy biến áp, tụ điện, nếu quá trình tẩm không đúng cách, còn có thể tạo ra các bọt khí bên trong, làm giảm chất lượng cách điện Khi hoạt động dưới điện áp cao hoặc điện trường lớn, các bọt khí này dễ dàng trở thành ổ phát sáng và sinh nhiệt, gây suy giảm hiệu quả cách điện.
Dưới cùng điều kiện thí nghiệm như nhau, bao gồm áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, dạng cực và khoảng cách giữa các cực, các chất khí khác nhau thể hiện cường độ điện trường cách điện khác nhau Bảng 1.5 trình bày cường độ cách điện của một số chất khí phổ biến trong kỹ thuật điện, giúp xác định hiệu quả cách điện của các khí này trong các ứng dụng thực tế.
Bảng 1.5: Đặc tính của không khí với các chất khí khác
Các đặc tính tương đối Không khí Nitơ(N 2 ) Cacbônic
Hệ số toả nhiệt từ vật rắn sang khí 1 1,03 1,13 1,61 Độ bền điện 1 1,00 0,9 0,60
Nhiệt độ sôi ở 1at là : -195,8 0C, Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất, khí
Nitơ là một phi kim không màu, không mùi, không vị, khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử N₂, với độ âm điện 3,04 Nó có khả năng hóa lỏng ở nhiệt độ 77 K (-196 °C) dưới điều kiện áp suất khí quyển và không phản ứng hóa học với các kim loại như đồng, thép, chì Trong các ứng dụng công nghiệp, N₂ được sử dụng để thay thế không khí trong các tụ điện khí và thiết bị điện vì đặc tính gần giống không khí nhưng không chứa O₂, giúp ngăn chặn quá trình oxi hóa các vật liệu tiếp xúc.
Nitơ thường dùng để sản xuất các linh kiện điện tử như tranzito, điốt, và mạch tích hợp (IC)
Khí hydro là một chất có nhiều tính năng đặc biệt, nổi bật với đặc điểm nhẹ và hệ số tản nhiệt cao Nhờ những đặc tính này, khí hydro thường được sử dụng để làm lạnh cho các máy điện, thay thế cho không khí trong các ứng dụng công nghiệp.
Sử dụng H2 để làm lạnh máy điện giúp giảm tổn thất công suất do ma sát giữa trục roto và khí, nhờ đó tăng hiệu suất hoạt động của máy Việc làm lạnh bằng khí H2 còn giúp giảm tốc độ già cỗi của vật liệu cách điện hữu cơ và ngăn ngừa các sự cố cháy cuộn dây khi trong máy xảy ra ngắn mạch bên trong.
Làm mát còn hiệu quả hơn khi dùng hyđrô lỏng chạy trong lòng của dây dẫn của cuộn dây rotor máy phát
Để ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ do lượng oxy quá lớn, cần giữ áp suất của khí hyđrô trong máy điện cao hơn áp suất khí quyển, đảm bảo không khí không xâm nhập vào hệ thống Việc khí hyđrô hoạt động trong chu trình kín là yếu tố then chốt để chống cháy nổ Ngoài ra, khí H2 có độ bền thấp hơn không khí, chỉ bằng khoảng 40% độ bền điện của không khí, đòi hỏi các biện pháp an toàn nghiêm ngặt trong quá trình sử dụng và lưu trữ.
1.6.2 Dầu mỏ cách điện, dầu tụ điện, dầu cáp điện
Dầu cách điện, còn gọi là dầu máy biến áp hoặc dầu máy biến thế, là loại dầu có tính ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng cách điện cực tốt Nó chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện như máy biến áp chứa đầy dầu, tụ điện cao áp, chấn lưu đèn huỳnh quang, cũng như các loại công tắc và cầu dao cao áp Chức năng chính của dầu cách điện là cách nhiệt, ngăn chặn sự phóng điện hào quang và phóng điện hồ quang, đồng thời đóng vai trò làm chất làm mát cho các thiết bị điện.
Dầu máy biến áp có chức năng chính là cách điện và làm mát máy biến áp, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn của thiết bị Để đạt được điều này, dầu MBA cần có độ bền vật liệu cách điện cao, khả năng dẫn nhiệt tốt và tính ổn định hóa học vượt trội Ngoài ra, dầu máy biến áp phải giữ được các đặc tính này khi chịu nhiệt độ cao trong thời gian dài, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất vận hành của máy biến áp.
Dầu mỏ, dưới dạng chất lỏng màu vàng sậm, có thành phần hóa học là hỗn hợp các hydro Các thông số kỹ thuật quan trọng của dầu mỏ bao gồm điểm chớp cháy từ 140°C trở lên, điểm đông đặc xuống −40°C hoặc thấp hơn, và điện áp đánh thủng của vật liệu cách điện từ 28 kV trở lên.
Máy biến áp điện cần trải qua quá trình làm khô kéo dài, sử dụng phương pháp tự đốt nóng bằng điện, chân không hoặc kết hợp cả hai để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn hơi nước trước khi bơm dầu cách điện Việc này giúp ngăn ngừa sự hình thành hào quang và các sự cố điện nguy hiểm khi máy vận hành tải, đảm bảo an toàn và độ bền của máy biến áp.
Tụ điện giấy, đặc biệt là tụ điện động lực, được sử dụng để bù công suất trong hệ thống điện Việc tẩm dầu vào giấy cách điện của tụ điện giúp nâng cao độ bền điện, từ đó giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất Dầu tụ điện, được chế tạo từ dầu mỏ, có đặc tính tương tự dầu MBA nhưng tinh khiết hơn, với độ bền điện trong chân không lên tới hơn 20kV/mm, giúp tăng tuổi thọ và hiệu quả hoạt động của tụ điện.
Dầu cáp được sử dụng trong quá trình sản xuất cáp điện lực để tẩm lớp giấy cách điện, giúp tăng độ bền điện của cáp Trong các hệ thống cáp điện cao áp 110kV và 220kV, dầu có độ nhớt thấp, đã loại bỏ khí hoà tan, được duy trì luân chuyển để hạn chế sự hình thành bọt khí trong dầu, đảm bảo hiệu suất cách điện tối ưu.
Dầu dùng cho các loại cáp 35kV có độ nhớt cao, áp suất khoảng 15 atm trong ống thép, phải đáp ứng các tiêu chuẩn về độ nhớt động học (η) theo nhiệt độ: không quá 5.10^5 cm²/giây ở 0°C, không quá 8.10^4 cm²/giây ở 20°C, không quá 5.10^3 cm²/giây ở 50°C, và không quá 100 cm²/giây ở 100°C; lượng tro trong dầu không vượt quá 0,001%; nhiệt độ chớp cháy tối thiểu là 180°C; độ bền điện không thấp hơn 20kV/mm; và tgδ ≥ 0,003 tại tần số 50Hz và nhiệt độ 100°C, đảm bảo hiệu suất và độ an toàn của cáp điện cao áp.
1.6.3 Vật liệu cách điện lỏng tổng hợp Đối với các loại dầu mỏ nói chung để dùng làm chất cách điện trong kỹ thuật điện có ƣu điểm là: rẻ tiền, sản xuất đƣợc nhiều, nếu làm sạch tốt thì tổn hao vật liệu cách điện bé, cường độ cách điện cao Nhưng nhược điểm của chúng là dễ cháy, dễ nổ, ít ổn định hoá học khi nhiệt độ cao và tiếp xúc với không khí, phạm vi làm việc bị giới hạn bởi nhiệt độ, gây nên sự già cỗi cũng như do điện trường tác dụng Chính vì lý do này, người
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN
1.7.1 Vật liệu cách điện hữu cơ cao phân tử Đây là các hợp chất của cácbon (C) với các nguyên tố khác
Tính chất của nhựa phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó Thực chất, nhựa là một hỗn hợp phức tạp các loại cao phân tử hữu cơ với mức độ trùng hợp khác nhau Do đó, đặc tính của nhựa có thể đa dạng, ảnh hưởng bởi cấu trúc phân tử và tỷ lệ các thành phần trong hỗn hợp.
Nhựa trong kỹ thuật điện là loại không hòa tan trong nước, ít hút ẩm nhưng dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ Có hai loại nhựa dựa trên nguồn gốc là nhựa tổng hợp (nhuyên tạo) và nhựa thiên nhiên, phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến cách điện và cách nhiệt.
1.7.1.1 Nhựa tổng hợp a) Nhựa Polyetylen (PE) Đƣợc dùng cho cáp điện tần số cao và cáp điện lực cao áp Nhìn chung nó có đặc tính cơ tốt nhƣng khi bị đốt nóng độ bền cơ giảm và có hiện tƣợng oxy hoá nếu có không khí lọt vào b) Nhựa Polistirol Đƣợc sản xuất bằng cách trùng hợp stirol, đƣợc dùng làm vật liệu cách điện trong kỹ thuật cao tần, siêu cao tần, vỏ bọc cuộn dây, làm sơn, màng mỏng chế tạo tụ điện nhƣng có nhƣợc điểm là độ bền cơ thấp, chịu nhiệt kém (hoá dẻo khoảng 80 0 C) c) Nhựa bakêlít
Là một trong những loại cách điện quan trọng nhất, sử dụng rộng rãi trong kỹ
19 thuật điện được chế tạo từ phenol (C₆H₅OH) và formaldehyt (HCHO), loại nhựa này có khả năng chống vết, bám dính cao, thường được sử dụng trong sản xuất chất dẻo, sơn và keo Ngoài ra, nhựa silicon cũng là một loại nhựa quan trọng với tính linh hoạt và bền bỉ trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Nhựa silicon được sản xuất từ năm 1944 và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp Được chế tạo từ nguyên tố Si hoặc thạch anh (SiO2), nhựa silicon có tính ứng dụng đa dạng, gồm dầu silicon, mỡ silicon, cao su silicon, nhựa và sơn tẩm silicon, cũng như nhựa chống bám nước Các sản phẩm silicon này nổi bật với tính chịu nhiệt, chống chịu môi trường, và khả năng chống nước cao, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng.
Chúng có nguồn gốc từ động vật hay thực vật a) Nhựa cánh kiến
Côn trùng có màu nâu đỏ sống ở vùng nhiệt đới, chứa các axit hữu cơ phức tạp trong thành phần, thường được sử dụng chủ yếu để chế tạo sơn dán hơn là làm chất cách điện Nhựa thông (colofan) được chế tạo bằng cách chưng cất dầu thông, có màu vàng hoặc nâu đen, thành phần chủ yếu là các axit hữu cơ có khả năng hòa tan trong nhiều dung môi như dầu mỏ, rượu và dầu thảo mộc, mang lại ứng dụng đa dạng trong ngành công nghiệp.
Căn cứ vào công dụng người ta chia thành 3 loại sơn a) Sơn tẩm
Sơn được sử dụng để tẩm các vật liệu cách điện rắn, xốp hoặc sợi nhằm làm kín các lỗ xốp, từ đó nâng cao cường độ cách điện và giảm khả năng hút ẩm của vật liệu Điều này giúp tăng tính bền cơ giới và nâng cao khả năng dẫn nhiệt của vật liệu cách điện Sơn còn được dùng làm lớp bảo vệ để bảo đảm độ bền và tuổi thọ của các thiết bị điện, dây quấn máy điện và các thiết bị điện khác.
Loại này được sử dụng để tạo ra lớp màng sơn chắc chắn, bóng láng, giúp phủ lên bề mặt vật liệu sau khi đã qua quá trình tẩm, nâng cao điện trở suất mặt và điện áp phóng điện ngoài, từ đó giảm khả năng hút ẩm và hạn chế bám bụi Nó cũng góp phần làm cho bề mặt ngoài trở nên sáng bóng và đẹp hơn Ứng dụng chính của loại sơn này là làm cách điện cho dây emay, lá tôn silíc của máy điện và các thiết bị điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện.
Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn với nhau hoặc dán vật rắn với kim loại
Loại sơn này có tính chất cách điện cao, hút ẩm ít và có độ dính cao
1.7.1.4 Giấy và các chế phẩm từ giấy
Loại giấy cách điện bao gồm giấy xenlulô và các loại giấy cứng nhƣ phíp, giấy amiăng, giấy ép tẩm nhựa
1.7.1.5 Cao su Đặc điểm nổi bật của cao su là tính đàn hồi, dùng làm cách điện có yêu cầu kín nước, chống ẩm và dễ uốn như : dây dẫn điện, dây cáp điện đặt dưới đất
Cao su tự nhiên được tạo thành từ quá trình ngưng tụ từ mủ cây cao su và sau đó trải qua quá trình khử tạp chất Khi nung ở nhiệt độ 50°C, cao su tự nhiên sẽ mềm và dính lại, do đó không phù hợp để sử dụng trong chế tạo các vật liệu cách điện Đặc tính này giúp phân biệt cao su tự nhiên với các loại cao su chịu nhiệt và có khả năng cách điện tốt hơn Từ đó, cao su tự nhiên thường được sử dụng trong các ứng dụng cần tính đàn hồi cao và độ bền cơ học tốt.
Cao su tổng hợp được sản xuất từ cao su tự nhiên đã qua quá trình xử lý nhiệt và thêm lưu huỳnh, tạo thành cao su lưu hóa Quá trình này giúp nâng cao đặc tính của cao su, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp khác nhau Tùy vào tỷ lệ lưu huỳnh trong quá trình sản xuất, cao su tổng hợp có thể có các loại khác nhau với đặc điểm riêng biệt Cao su tổng hợp là vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất lốp xe, phụ kiện ô tô, và nhiều sản phẩm cao su kỹ thuật khác.
Bảng 1.6 : Tính năng của cao su tự nhiên, cao su tổng hợp
Khối lƣợng riêng (g/cm 3 ) Độ bền cách điện (kV/cm)
10 4 tgδ Độ bền kéo (kG/cm 2 ) Độ giãn đứt (%)
1.7.2 Vật liệu cách điện vô cơ
Thuỷ tinh là vật liệu vô định hình chủ yếu gồm hỗn hợp phức tạp các oxit, trong đó quan trọng nhất là SiO₂, và được sử dụng như một vật liệu cách điện như sứ Các đặc tính của thuỷ tinh được thể hiện rõ qua các tính năng nổi bật, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp và điện tử.
Bảng 1.7: Tính năng của thuỷ tinh
Tính năng Thuỷ tinh Thuỷ tinh thạch anh
Khối lƣợng riêng;kg/dm 3 2,2-2,6 2,21 Độ bền nén,kG/cm 2 6000-10000 19000 Độ bền kéo, kG/cm 2 400-800 700 Độ bền uốn, kG/cm 2 1000-2500 700
Hằng số vật liệu cách điện ở 50Hz 3-12 4,9 Độ cứng Mohs 6-8 4,9 Điện trở cách điện ở 20 0 C,Ω.cm 10 11 -10 17 4.10 19 Độ bền cách điện ở 50Hz,kV/cm 16-45 35-40
- Dựa vào công dụng người ta phân ra thành các loại thuỷ tinh như sau:
+ Thuỷ tinh tụ điện: dùng làm môi chất trong tụ điện, các bộ lọc cao thế
+ Thuỷ tinh dùng trong thiết bị điện: dùng để chế tạo các chi tiết định hình, sứ cách điện, các chi tiết trong các dụng cụ đo lường
+ Thuỷ tinh làm bóng đèn: dùng làm bóng đèn và trong các dụng cụ điện tử
+ Men thuỷ tinh: dùng để bọc các sản phẩm
Sợi thủy tinh và vải thủy tinh là các loại vật liệu được chế tạo từ thủy tinh kéo thành sợi mềm, có khả năng cách điện tốt Chúng thường được sử dụng để làm vật liệu cách điện cho các cuộn dây trong máy phát điện nhằm đảm bảo độ an toàn và hiệu quả hoạt động Vải thủy tinh không chỉ giữ vai trò cách điện mà còn tăng cường độ bền và khả năng chịu nhiệt của các thiết bị điện tử và máy móc công nghiệp.
- Các đặc điểm của thủy tinh:
Cuộn dây cách điện bằng thuỷ tinh nổi bật với khả năng chịu nhiệt cao, có thể hoạt động vượt quá 100°C, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chịu nhiệt độ cao Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống lại tác động của dầu, các loại axit thông thường và xút, trừ các chất ăn mòn mạnh như axit flohidric (HF) và H₃PO₄ nóng, đảm bảo độ bền và độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.
Sợi thủy tinh có đặc điểm không hút ẩm, không bị mục, nấm hay mốc, giúp đảm bảo độ bền và tuổi thọ lâu dài cho các công trình Đặc biệt, sợi thủy tinh không bị già hóa dù sử dụng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm hoặc môi trường có độ ẩm cao Sản phẩm lý tưởng để cách điện cho dây điện đặt dưới đất, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.
- Độ bền cách điện cao
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Vật liệu dẫn điện là vật chất chứa các điện tích tự do trong trạng thái bình thường, cho phép dòng điện chạy qua khi đặt trong điện trường Khi bị đặt trong điện trường, các điện tích tự do trong vật liệu sẽ chuyển động theo hướng của trường, tạo thành dòng điện Các vật liệu dẫn điện phổ biến gồm kim loại, hợp kim, chất lỏng như thủy ngân (Hg), và trong một số điều kiện phù hợp, còn có thể là chất khí.
Thể rắn : Đồng, Nhôm, Sắt
Thể lỏng gồm các kim loại nóng chảy và dung dịch điện phân, đều là những chất dẫn điện hiệu quả trong trạng thái lỏng Vì nhiệt độ nóng chảy của phần lớn kim loại khá cao, ngoại trừ thủy ngân (Hg) với nhiệt độ nóng chảy là -39°C, nên chỉ có thủy ngân là kim loại lỏng ở nhiệt độ thường, phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng thực tế.
Thể khí là tất cả các khí khi chịu tác động của cường độ điện trường vượt quá ngưỡng giới hạn nhất định, đủ để gây ra quá trình ion hóa quang và ion hóa va chạm Khi đạt đến ngưỡng này, khí trở thành vật dẫn điện, chứa các ion và điện tử tự do, giúp truyền điện hiệu quả hơn trong các ứng dụng điện và công nghệ cao.
2.1.2.1 Vật dẫn với tính dẫn điện tử
Vật dẫn là chất liệu mà hoạt động của các điện tích không làm biến đổi cấu trúc của chúng, bao gồm kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim và một số chất phi kim loại như than Vật dẫn kim loại được chia thành hai loại chính, phù hợp với ứng dụng trong các ngành công nghiệp và kỹ thuật điện.
Kim loại có điện dẫn cao được sử dụng phổ biến làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy biến áp và các thiết bị điện, nhờ vào khả năng truyền điện hiệu quả Trong khi đó, các kim loại và hợp kim có điện trở cao thường được ứng dụng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, đèn chiếu sáng, biến trở và điện trở mẫu để kiểm tra điện trở điện.
2.1.2.2 Vật dẫn với tính dẫn ion
Dòng điện đi qua vật chất gây ra sự biến đổi hoá học, đặc biệt trong các dung dịch axit, kiềm và muối Cơ chế dẫn điện của loại này dựa vào sự chuyển dịch của các ion mang điện dưới tác dụng của điện trường, dẫn đến thay đổi thành phần dung dịch và hình thành các sản phẩm điện phân trên các điện cực Ngoài ra, các tinh thể ion ở trạng thái lỏng cũng thuộc loại vật dẫn điện này.
Các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, khi tiếp xúc với điện trường có cường độ thấp sẽ không dẫn điện, mang tính cách điện Tuy nhiên, nếu điện trường vượt quá giới hạn gây ion hoá quang và ion hoá va chạm, các chất khí này sẽ trở thành chất dẫn điện, dẫn điện bằng các ion và electron Khi quá trình ion hoá mạnh diễn ra, số lượng electron và ion dương sinh ra trong một thể tích nhất định tạo thành môi trường dẫn điện đặc biệt gọi là plasma.
2.1.3 Các tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
Khi nghiên cứu các đặc tính dẫn điện của vật liệu, ta cần quan tâm tới các tính chất cơ bản sau đây:
2.1.3.1 Điện trở, điện dẫn a) Điện trở: là đại lƣợng đặc trƣng cho sự “cản trở” dòng điện của vật liệu hay nói cách khác Điện trở R là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu của dây dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn đó (chú ý: dây dẫn không hề có sức điện động nội tại nào) Xét về điện trở của vật liệu điện đƣợc tính theo công thức sau: s
Trong đó: l: chiều dài của vật dẫn m
S: là tiết diện của vật dẫn m 2
: là điện trở suất, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu m
R: là điện trở của vật dẫn
Dựa vào biểu thức trên, ta thấy rằng khi hai vật dẫn khác nhau về chất liệu nhưng cùng chiều dài và tiết diện, vật có điện trở suất lớn hơn sẽ có điện trở cao hơn, khiến dòng điện chạy qua gặp nhiều khó khăn hơn Điện dẫn G của vật dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở, phản ánh khả năng dẫn điện của vật Do đó, vật có điện trở suất thấp hơn sẽ dẫn điện tốt hơn, giúp dòng điện dễ dàng truyền qua hơn.
1 (2.2) Điện dẫn đƣợc tính với đơn vị 1 1
Điện trở suất là đại lượng đặc trưng phản ánh khả năng dẫn điện hoặc cách điện của vật liệu, thể hiện qua điện trở của vật dẫn có chiều dài và diện tích cố định Tham số này phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, với điện trở suất nhỏ cho thấy vật liệu dẫn điện tốt hơn, trong khi điện trở suất cao biểu thị khả năng cách điện Hiểu rõ về điện trở suất giúp lựa chọn vật liệu phù hợp trong các ứng dụng điện và điện tử, nâng cao hiệu quả và an toàn của hệ thống.
Điện trở suất của vật dẫn được xác định theo đơn vị .mm²/m và trong một số trường hợp cũng được tính bằng .cm Trong hệ đo lường CGS điện, điện trở suất được tính bằng đơn vị khác phù hợp với hệ thống này Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và phù hợp trong các tính toán liên quan đến điện trở suất trong các ứng dụng kỹ thuật và điện tử.
cm, còn ở hệ MKSA tính bằng: m
Những đơn vị nêu trên chúng đƣợc liên hệ với nhau qua biểu thức sau:
1cm = 10 4 .mm 2 /m = 10 6 .cm = 10 -2 m Điện dẫn suất là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở suất
1 (2.4) Điện dẫn suất đƣợc tính theo: m/ .mm 2 ; -1 cm -1 ; -1 m -1
2.1.3.3 Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (α ρ ) Điện trở suất của kim loại và của rất nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ, điện trở suất của cácbon và của dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ
Thông thường điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ và theo qui luật sau:
(2.5) Ở nhiệt độ sử dụng t 2 điện trở suất sẽ đƣợc tính toán xuất phát từ nhiệt độ t 1 theo công thức:
là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với vật liệu tương ứng và
27 ứng với những khoảng nhiệt độ đƣợc nghiên cứu
Hệ số α gần như tương đương đối với các kim loại tinh khiết, với giá trị xấp xỉ 4.10⁻³ 1/°C Trong khoảng chênh lệch nhiệt độ (t₂ - t₁), hệ số α trung bình có thể được tính dựa trên các giá trị nhiệt giãn của kim loại, giúp dự đoán chính xác sự mở rộng nhiệt của vật liệu trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật Điều này cho thấy tính ổn định và tính đồng nhất của hệ số α trong các loại kim loại tinh khiết, hỗ trợ nghiên cứu và thiết kế các hệ thống chịu nhiệt tốt hơn.
Giá trị và đối với những kim loại chính đƣợc sử dụng trong kỹ thuật điện đƣợc cho trong bảng sau:
Bảng 2.1: Đặc tính vật lý và điện trở suất của một số kim loại
Kim loại Khối lƣợng riêng g/cm 3
Hệ số thay đổi của Điện trở suất theo nhiệt độ
- Hệ số nhiệt nhiệt độ của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi
2.1.3.3 Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất
Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức :
Dấu + ứng với khi biến dạng do kéo, dấu – do nén
28 ζ - ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kG/mm 2 k - hệ số cho
2.1.3.4 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động
Khi tiếp giáp 2 kim loại khác nhau với nhau thì giữa chúng sẽ sinh ra hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc oA tx AB B A oB n
U A ; U B : Điện thế tiếp xúc của thanh dẫn kim loại Avà B K=1,38.10 -23 J/ o K- Hằng số Bolzman
T: Nhiệt độ tiếp xúc e = 1,6.10 -19 C n 0A, n 0B : Mật độ điện tích của kim loại A và B Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các cặp kim loại dao động trong phạm vi từ vài phần mười vôn, nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng không Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ T 1 còn phần kia là T 2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động Sự xuất hiện hiệu điện thế đóng vai trò quan trọng ở hiện tượng ăn mòn điện hoá và được ứng dụng trong một số khí cụ đo lường
Hiệu điện thế tiếp xúc xảy ra do sự khác biệt về công thoát điện tử của các kim loại khác nhau Khi điện tử của thanh kim loại có công thoát nhỏ khuyếch tán qua chỗ tiếp xúc sang thanh kim loại có công thoát lớn, điều này tạo ra hiệu điện thế giữa hai thanh kim loại.
2.1.3.5 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện
VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO
Kim loại và hợp kim đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế ngày nay, đặc biệt là sắt và các hợp kim của nó như gang và thép, là vật liệu chủ yếu của ngành công nghiệp cơ khí, xây dựng và vận tải Một số loại thép đặc biệt còn được sử dụng trong công nghệ hóa học, công nghệ hạt nhân và ngành vũ trụ Các kim loại và hợp kim được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất máy móc, công cụ, đặc biệt trong ngành điện nhờ có tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền, độ cứng và độ dẻo dai cao Mặc dù chất dẻo, gỗ, tre và thủy tinh ngày càng phát triển và thay thế trong một số lĩnh vực, kim loại và hợp kim vẫn là những vật liệu chủ yếu, quan trọng nhất của ngành công nghiệp hiện đại.
Kim loại có đặc điểm nhận biết là hệ số nhiệt điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở của kim loại cũng tăng Đây là yếu tố quan trọng giúp phân biệt kim loại với các chất khác trong các ứng dụng kỹ thuật và khoa học Hệ số nhiệt điện trở dương phản ánh tính chất điện-nhiệt của kim loại, góp phần xác định sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ.
Hợp kim là hợp chất được tạo ra từ quá trình nung chảy của hai hoặc nhiều nguyên tố, trong đó chủ yếu là kim loại, nhằm nâng cao tính chất cơ lý và chống ăn mòn Trong thành phần hợp kim, có thể chứa một lượng nhỏ các nguyên tố phụ, như phi kim, để điều chỉnh đặc tính kỹ thuật phù hợp với nhu cầu sử dụng Việc kết hợp các nguyên tố này giúp cải thiện độ bền, độ cứng và khả năng chịu nhiệt của hợp kim, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ngành công nghiệp khác nhau.
2.2.1 Các tính chất chung của kim loại và hợp kim có điện dẫn suất cao
Vẻ sáng mặt ngoài của kim loại: theo vẻ sáng bề ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu:
Kim loại và hợp kim đen gồm sắt cùng các sản phẩm của nó như gang và thép, là những kim loại có đặc tính cứng chắc, thường được sử dụng trong xây dựng và công nghiệp Trong khi đó, kim loại màu và hợp kim màu bao gồm tất cả các kim loại còn lại như nhôm, đồng, chì và các hợp kim của chúng, mang đặc tính nhẹ, chống ăn mòn tốt và thích hợp cho nhiều ứng dụng điện tử, trang sức và mỹ nghệ.
- Trọng lƣợng riêng: là trọng lƣợng của một đợn vị thể tích của vật:
Kim loại có tính chất chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội, với điểm nóng chảy xác định nhiệt độ chuyển đổi từ thể rắn sang thể lỏng Điểm nóng chảy là yếu tố quan trọng trong công nghệ đúc, giúp kiểm soát quá trình gia công kim loại hiệu quả Ngoài ra, điểm nóng chảy của hợp kim có thể khác biệt so với các kim loại thành phần, do sự pha trộn các nguyên tố tạo nên tính chất riêng của hợp kim đó.
Tính dẫn nhiệt của kim loại đề cập đến khả năng truyền nhiệt khi kim loại bị đốt nóng hoặc làm lạnh Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt giúp nhiệt độ tăng hoặc giảm nhanh chóng và đều đặn, từ đó nâng cao hiệu quả trong các quá trình đốt nóng hoặc làm lạnh Nhờ đặc tính này, kim loại dễ dàng nóng chậm hoặc nguội nhanh, phù hợp cho nhiều ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
Tính giãn nở nhiệt của kim loại phản ánh quá trình các kim loại mở rộng khi nhiệt độ tăng và co lại khi nhiệt độ giảm Sự giãn nở nhiệt của các kim loại không giống nhau, yêu cầu đo chính xác độ dài thay đổi của vật khi nhiệt độ biến đổi Để đánh giá mức độ giãn nở nhiệt, người ta sử dụng hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài, thể hiện độ dài của vật thay đổi khi nhiệt độ tăng 1°C.
- Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại Khi nhiệt độ cao tính dẫn điện giảm Ở nhiệt độ 0 0 K, điện trở của kim loại bằng không
Tính nhiễm từ là khả năng của kim loại bị từ hoá khi đặt trong một từ trường, đặc biệt như sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ Các vật liệu như nickel và cobalt cũng thể hiện tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ Trong khi đó, hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ, làm nổi bật đặc điểm của các kim loại sắt từ trong các ứng dụng kỹ thuật.
- Nhiệt dung riêng: Là nhiệt độ cần thiết làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1 0 C
Tính chất hóa học phản ánh khả năng của kim loại và hợp kim chịu tác dụng của các môi trường có hoạt tính khác nhau Đây đặc trưng ở hai dạng chính: khả năng phản ứng với các chất oxi hóa, và khả năng bị oxy hóa hoặc khử trong quá trình phản ứng hóa học Hiểu rõ đặc điểm này giúp dự đoán hành vi của kim loại trong các điều kiện khác nhau, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng và bảo quản vật liệu kim loại.
- Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxi của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao
- Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít
Tính chất cơ học của kim loại, còn gọi là cơ tính, thể hiện khả năng chống lại tác động từ bên ngoài Các đặc điểm cơ tính của kim loại bao gồm độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm và độ mỏi, giúp kim loại duy trì cấu trúc và chức năng trong các điều kiện sử dụng khác nhau.
Tính công nghệ đề cập đến khả năng của kim loại trong việc thực hiện các phương pháp công nghệ để sản xuất sản phẩm, bao gồm các đặc tính như khả năng cắt gọt, hàn, đúc và nhiệt luyện Đây là yếu tố quan trọng giúp xác định độ phù hợp của kim loại trong các quá trình gia công và chế tạo, đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản phẩm cuối cùng Việc đánh giá tính công nghệ của kim loại giúp các nhà kỹ thuật lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng suất.
Tính cắt gọt là khả năng của kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bởi các yếu tố chính như tốc độ cắt, lực cắt và độ bóng của bề mặt sau khi gia công Khả năng cắt gọt tốt giúp quá trình gia công hiệu quả hơn, giảm thiểu lực tác dụng và đạt được bề mặt gia công chất lượng cao Việc đánh giá tính cắt gọt của kim loại là yếu tố quan trọng trong thiết kế quy trình gia công nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm.
- Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết khi nung nóng cục bộ chổ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo
Tính rèn là khả năng của kim loại chịu tác động của lực từ bên ngoài để biến dạng vĩnh cửu thành hình dạng mong muốn mà không gây hỏng hóc cho chi tiết máy Đây là đặc tính quan trọng giúp xác định khả năng gia công của kim loại trong quá trình rèn luyện và chế tạo các bộ phận cơ khí Việc hiểu rõ tính rèn giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo độ bền và độ chính xác của các chi tiết máy sau quá trình gia công.
Tính đúc được xác định bởi độ chảy lõang của kim loại khi nấu chảy để đổ vào khuôn đúc, thể hiện khả năng chảy phù hợp với quá trình đúc Ngoài ra, đặc tính này còn liên quan đến độ co rút của kim loại trong quá trình nguội và tính thiên tích, nghĩa là mức độ không đồng nhất về thành phần hoá học trong các phần của vật đúc cũng như trong nội bộ các hạt kim loại hoặc hợp kim Chọn vật liệu có tính đúc phù hợp đảm bảo chất lượng và độ chính xác cao của sản phẩm cuối cùng trong công nghệ đúc kim loại.
Tính nhiệt luyện của kim loại là khả năng thay đổi độ cứng, độ dẻo và độ bền thông qua quá trình nung nóng đến nhiệt độ xác định, duy trì ở nhiệt độ đó một thời gian rồi làm nguội theo chế độ đã định Quá trình này giúp cải thiện đặc tính cơ học của kim loại, nâng cao khả năng chịu tải và độ bền trong các ứng dụng kỹ thuật Nhiệt luyện là kỹ thuật quan trọng trong gia công kim loại, giúp tối ưu hóa tính chất vật lý và thực hiện các bước chế tạo phức tạp hơn.
CÁC HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP
2.3.1 Hợp kim điện trở suất cao - ứng dụng
Các hợp kim điện trở cao có điện trở suất tương đối lớn, giúp chúng chống lại dòng điện hiệu quả Nhờ đặc điểm này, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng cần khả năng toả nhiệt cao trên dây điện trở Chính nhờ tính chất cản trở dòng điện mạnh mẽ, các hợp kim này đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị cần kiểm soát nhiệt độ và điện trở suất cao.
2.3.1.2 Đặc tính Điện trở suất tương đối lớn nên hạn chế được chiều dài dây dẫn Chịu nhiệt độ cao (yếu tố cần thiết đối với điện trở toả nhiệt)
Có độ bền về cơ cao
Hệ số nhiệt độ thấp
2.3.1.2 Một số hợp kim thường sử dụng a) Mai so (Mailiechort) (60% Cu+ 25% Zn + 15%Ni) Đƣợc sử dụng làm dây điện trở các bếp điện và cũng đƣợc dùng làm điện trở không toả nhiệt nhƣ: Điện trở phòng thí nghiệm, biến trở khởi động, biến trở điều tốc Điện trở suất: 0,30 mm 2 /m (ở 20 0 C)
Nhiệt độ nóng chảy: 1300 0 C b) Constantan (60% Cu+ 40%Ni)
Hợp kim maganin có hệ số nhiệt độ thấp, giúp điện trở ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, lý tưởng để sử dụng làm điện trở chuẩn trong phòng thí nghiệm Nhờ đặc tính này, nó không sinh nhiệt khi hoạt động, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong các phép đo Analog với constantan, maganin có điện trở suất cao, khoảng 0,49 Ωmm²/m ở 20°C, phù hợp cho các ứng dụng điện trở chính xác và ổn định trong nghiên cứu và kỹ thuật.
Nhiệt độ nóng chảy: 1240 0 C c) Ferro - nickel ( 74% Fe+ 25% Ni + 1%Cr)
Hợp kim điện trở này được sử dụng làm điện trở hoặc biến trở, có khả năng chịu nhiệt đến 500°C và phù hợp cho các ứng dụng tỏa nhiệt Tuy nhiên, loại hợp kim này ít bền hơn so với điện trở tỏa nhiệt RNC, dễ giòn gãy khi vận hành ở nhiệt độ cao, đặc biệt khi kim loại đạt đến màu đỏ sậm Điện trở suất của hợp kim là 0,80 Ωmm²/m tại nhiệt độ 20°C, đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định trong nhiều ứng dụng điện trở.
Hợp kim sắt - nickel - crom (50% Fe, 40% Ni, 10% Cr) chủ yếu được sử dụng làm điện trở tỏa nhiệt trong bàn là, bếp điện và mỏ hàn điện Nhờ đặc tính chịu nhiệt độ vận hành cao đến 900°C, hợp kim này phù hợp cho các ứng dụng chịu nhiệt cao Điện trở suất của hợp kim là 1,02 Ωmm²/m tại nhiệt độ 20°C, đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt tối ưu trong các thiết bị điện gia dụng.
Nhiệt độ nóng chảy: 1450 0 C e) Nickel - Crome ( 80% Ni + 20%Cr)
Hợp kim chịu nhiệt độ vận hành cao lên đến 1100°C, đảm bảo khả năng hoạt động bền bỉ trong các điều kiện khắc nghiệt Nhờ lớp oxit cách điện bao phủ, dây điện trở có thể quấn chật các vòng dây mà vẫn đảm bảo an toàn, miễn là điện áp giữa các vòng không vượt quá giới hạn cho phép Công suất tiêu tán trên bề mặt của dây điện trở tỏa nhiệt đáng kể, giúp duy trì hiệu suất hoạt động ổn định và tránh quá nhiệt.
2W/cm 2 khi ở nhiệt độ 600 0 C đến 800 0 C
Bảng 2.8: Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt
Tên hợp kim Thành phần mm 2 /m
(ở 20 0 C) Hệ số độ -1 Nhiệt nóng chảy ( 0 C)
Nhiệt độ làm việc cho phép
Hợp kim: RNC1 55Fe+35Ni+10C r
Hợp kim: RNC3 80Ni+20Cr 1,030 0,00009 1475 1100
2.3.2 Hợp kim làm cặp nhiệt điện
2.3.2.1 Khái niệm về cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện, còn gọi là can nhiệt hoặc thermocouples trong tiếng Anh, là thiết bị đo nhiệt độ cao phổ biến trong công nghiệp Đây là loại cảm biến dựa trên nguyên lý phản ứng của hai kim loại khi tiếp xúc với nhiệt độ, sinh ra điện áp để phát hiện và đo chính xác nhiệt độ Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cần đo nhiệt độ cao như lò luyện kim, máy móc công nghiệp, và các ứng dụng nhiệt độ khắc nghiệt khác.
2.3.2.2 Nguyên lý của cặp nhiệt điện (Thermocouples)
Khi điểm kết nối của hai sợi dây đặt vào những nơi có nhiệt độ khác nhau, sự dịch chuyển của các electron xảy ra, tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu của dây dẫn Điện áp này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi vật liệu của dây dẫn và nhiệt độ môi trường, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi nhiệt thành điện năng.
Hai sợi dây của cặp nhiệt điện được hàn tại điểm nóng để đo nhiệt độ chính xác Điểm nóng là vị trí cần đo nhiệt độ, trong khi điểm lạnh có nhiệt độ đã biết trước Khi đưa điểm nóng vào vị trí cần đo, nhiệt độ tại đó tăng lên, làm điện áp tại điểm lạnh cũng tăng theo và không tuyến tính Bằng cách đo điện áp ở điểm lạnh, người ta có thể xác định chính xác nhiệt độ tại điểm nóng.
2.3.2.3 Các hợp kim tạo thành cặp nhiệt điện a) Cặp nhiệt điện Niken-Crom
* Hợp kim Niken – Crom để chế tạo cặp nhiệt điện loại E là loại cặp nhiệt điện thông dụng, ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp khác
Can nhiệt E có phạm vi nhiệt độ rộng từ -270 đến 870 độ C, cho tín hiệu mạnh hơn so với các loại khác Loại can nhiệt này có độ chính xác cao hơn so với các dòng J và K, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và phạm vi đo rộng.
Khi lựa chọn thiết bị, người dùng cần xem xét sai số tiêu chuẩn là +/- 1.7°C hoặc +/- 0.5%, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường Trong một số trường hợp, thiết bị có thể tùy chỉnh để giảm sai số thấp nhất còn +/- 1.0°C hoặc 0.4%, mang lại độ chính xác cao hơn phù hợp với các yêu cầu cụ thể.
* Ứng dụng của cặp nhiệt điện
Thiết bị này có vai trò quan trọng trong các ngành sản xuất đồ uống, chế biến thực phẩm và sản xuất thực phẩm, giúp kiểm soát nhiệt độ lò nướng chính xác, làm đầu dò thâm nhập để theo dõi nhiệt độ bên trong, cũng như kiểm soát nhiệt độ ấm nước và giám sát hoạt động của bếp điện Nhờ đó, thiết bị đảm bảo chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu suất sản xuất và tối ưu hóa quy trình chế biến.
Các loại can nhiệt như E, K, T và N được ưu tiên để đo nhiệt độ xuống đến -200°C, đòi hỏi hãng phải chọn hợp kim phù hợp cho từng loại để đảm bảo hoạt động chính xác ở mức nhiệt độ này Hợp kim cặp nhiệt điện đã được hiệu chuẩn chỉ phù hợp để sử dụng trong môi trường từ 0°C trở lên, mặc dù có thể hoạt động ở -200°C nhưng độ chính xác không đảm bảo tuyệt đối Để đảm bảo độ chính xác khi đo ở nhiệt độ thấp, người dùng thường mua hiệu chuẩn riêng lẻ để xác định giá trị bù đắp, đảm bảo các kết quả đo lường chính xác hơn.
Máy đùn yêu cầu hoạt động ở nhiệt độ cao và áp suất lớn để đảm bảo quá trình đùn nhựa diễn ra hiệu quả Để kiểm soát chính xác các thông số này, các nhà máy thường lắp đặt bộ chuyển đổi ren giúp định vị cảm biến tại các vị trí thích hợp trong nhựa nóng chảy và dưới áp suất cao Việc sử dụng cảm biến chính xác góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
CÁC KIM LOẠI KHÁC, THUỐC HÀN VÀ CHẤT LÀM CHẢY
Vôn fờ ram (Wonfram) là một kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không thay đổi nhiệt độ thông thường dù tiếp xúc với hơi nước Nó được ứng dụng trong chế tạo sợi tóc trong bóng đèn dây tóc, các điện trở phát nóng cho lò điện, và các phần tử nhiệt Ngoài ra, Wonfram còn được dùng để chế tạo tiếp điểm điện và các điện cực catốt (cực âm) bằng Wonfram Các tiếp điểm Vonfram có ưu điểm nổi bật là độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, phù hợp cho các ứng dụng điện và nhiệt nghiêm ngặt.
- Ổn định lúc làm việc, độ mài mòn nhỏ do có độ cứng cao
- Có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không làm dính tiếp điểm do khó nóng chảy
Nhƣợc điểm của vonfram khi làm vật liệu tiếp xúc:
- Khó gia công chế tạo
- Ở điều kiện khí quyển tạo thành ôxit
- Cần có áp lực tiếp xúc lớn để có trị số điện trở tiếp xúc nhỏ
Mô líp đen (Molipden) bị ăn mòn mạnh hơn wonfam ở nhiệt độ trên 600°C, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp Oxyt molipđen tạo thành dạng xốp không dẫn điện, do đó không thể sử dụng molipđen nguyên chất mà phải dùng hợp kim wonfam với molipđen Hợp kim wonfam-molipđen thường được sử dụng trong các máy cắt điện trong chân không hoặc trong môi trường khí trơ để đảm bảo độ bền và hiệu suất cao.
Bạc là kim loại có màu trắng sáng, mềm và dễ uốn cong, đồng thời là kim loại có điện dẫn suất cao, thường được ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện để tạo dây dẫn điện hiệu quả.
- Làm dây dẫn dùng trong tần số cao, dây chảy trong cầu chì và làm khung cho tụ điện
Bạc tinh khiết thường được sử dụng làm tiếp điểm điện cho dòng điện nhỏ trong lĩnh vực viễn thông Tuy nhiên, do bạc tinh khiết dễ bị ăn mòn và khó hàn chặt, ngành công nghiệp thường chế tạo các hợp kim như bạc-paladi, bạc-vàng, hoặc bạc-vàng-platin để nâng cao độ bền và đặc tính kỹ thuật của tiếp điểm điện.
Bạc được chế tạo thành các chi tiết nhỏ như đinh tán, đinh vít và các đầu cực, phục vụ trong dụng cụ đo lường điện chính xác Ngoài ra, bạc còn được sử dụng để sản xuất các màn hình trong các bóng cathode và các thiết bị điện tử khác, đảm bảo khả năng dẫn điện tốt và độ bền cao.
Trong quá trình làm việc của ắc quy điện, việc bổ sung bào quang điện hoặc thêm khoảng 0,1% đến 0,15% Ag vào hợp kim chì giúp chống ăn mòn của bản cực âm, từ đó gia tăng tuổi thọ của ắc quy Ngoài ra, vật liệu vàng cũng được sử dụng trong các ứng dụng ắc quy để nâng cao độ bền và hiệu suất hoạt động của pin.
Vàng là kim loại có màu vàng đặc trưng và không bị oxi hóa ở nhiệt độ cao, đảm bảo độ bền và độ ổn định trong nhiều ứng dụng công nghiệp Với điện dẫn suất cao, vàng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện để gia công các hợp kim làm tiếp điểm, chế tạo dây dẫn dùng trong các điện trở của các thiết bị đo lường như điện kế Nhờ khả năng chống ăn mòn tốt, vàng là vật liệu lý tưởng cho các linh kiện điện tử yêu cầu độ bền cao và độ chính xác.
Bạch kim (Platin) có tính ổn định cao về chống ăn mòn trong không khí và không tạo màng ôxyt, đảm bảo độ ổn định điện của tiếp điểm Tuy nhiên, platin có độ cứng thấp, dễ mài mòn nhanh nên ít được sử dụng tinh khiết Hợp kim platin với iriđi có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao và sức bền tốt trước tác động của hồ quang, phù hợp để chế tạo các tiếp điểm quan trọng, yêu cầu độ chính xác cao và dòng điện nhỏ.
Niken là kim loại có màu trắng- xám tro, không bị oxit hoá trong không khí và nước Niken có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện như:
- Trong kỹ thuật chân không: dạng thanh, dây dẫn để đỡ các dây tóc của bóng đèn nung sáng và của bóng đèn điện tử
- Dùng để chế tạo các nhiệt ngẫu Ni-Fe và Ni- Cr ở nhiệt độ rất cao (1200 0 C)
- Chế tạo tiếp điểm điện cho cấp điện áp cao, điện trở phát nóng đến nhiệt độ
- Chế tạo các điện cực dương anốt cho các ắc quy kiềm
Thiếc là kim loại có màu trắng bạc sáng, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện để chế tạo đồng thanh, tẩm thiếc dây dẫn đồng bọc cao su và dây chảy Lá thiếc mỏng (6-8 μm) thường được dùng để sản xuất các loại tụ điện thông thường, trong khi lá thiếc dày hơn dùng làm bản cực trong các tụ điện mica.
2.4.7 Thuốc hàn và chất làm chảy
Thuốc hàn là hợp chất gồm các thành phần như các chất tạo khí, tạo xỉ, ổn định hồ quang, khử ô xy, hợp kim hóa được bọc lên lõi que hàn nhằm nâng cao chất lượng mối hàn Vai trò của thuốc hàn là cải thiện khả năng tạo mối hàn có chất lượng tốt, đảm bảo tính liền chắc và độ bền của các kết cấu hàn Thuốc hàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hàn giúp kiểm soát hồ quang, giảm thiểu sự hình thành tia lửa không mong muốn, đồng thời tăng cường đặc tính cơ lý của mối hàn.
- Đảm bảo hồ quang hàn cháy ổn định
- Bảo vệ hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác động của môi trường xung quanh
- Tạo dáng mối hàn và hính thành mối hàn tốt
Để nâng cao chất lượng mối hàn, cần đảm bảo việc tinh luyện kim loại và khử tạp chất triệt để hơn, do thể tích vùng hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy lớn hơn tạo điều kiện cho các phản ứng có điều kiện xảy ra hoàn hảo hơn.
- Có khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn cao hơn, đặc biệt là thuốc hàn gốm
- Đảm bảo ít khuyết tật: rổ khí, ngậm xỉ, không có khe hở hàn…
- Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang b) Phân loại
Theo phương pháp chế tạo có hai loại chính: thuốc hàn nung chảy; thuốc hàn gốm, thuốc hàn thiêu kết
Thuốc hàn nung chảy là loại thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo bằng phương pháp nung chảy các thành phần của mẻ liệu và sau đó tạo hạt Điểm nổi bật của thuốc hàn nung chảy chính là khả năng hòa tan tốt trong hồ quang, giúp tạo ra mối hàn chắc chắn và đồng đều Với đặc điểm dễ pha trộn, kiểm soát tốt chất lượng và độ ổn định khi gia công, thuốc hàn nung chảy thích hợp cho các ứng dụng hàn yêu cầu độ bền cao Đây là loại thuốc hàn phổ biến, đáp ứng tốt các tiêu chuẩn kỹ thuật trong ngành công nghiệp hàn.
+ Thường là hệ silicat có tỉ lệ oxit silic cao ,do đó có đặc tính axit
+ Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300 ℃
+ Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và N từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn
+ Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm
+ Không chứa đƣợc các nguyên tố hợp kim
+ Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều Oxi tự do
Thuốc hàn Gốm là loại thuốc hàn sử dụng cho quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng để tạo thành hạt sau đó sấy khô ở nhiệt độ từ 400 đến 600℃ Đặc điểm nổi bật của thuốc hàn gốm là khả năng chịu nhiệt cao, ổn định trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, và giúp tạo mối hàn chắc chắn, bền bỉ Loại thuốc hàn này thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và độ bền mối hàn vượt trội.
+ Thường có hệ số bazo tối đa 2,6-3,2 Hệ số bazo cao khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va dập cao trong mối hàn
+ Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng
Các nguyên tố hợp kim dễ hòa vào kim loại mối hàn trong quá trình hàn đắp, giúp tăng cường tính chất của mối hàn Đặc biệt, sự dễ chuyển của kim loại hợp kim vào mối hàn còn phụ thuộc vào tính ổn định hóa học của các hợp chất như CaO và MgO Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ bền và chất lượng của mối hàn, đồng thời giảm thiểu các vấn đề về kết dính và chất lượng liên kết Hiểu rõ đặc tính hóa học của các nguyên tố hợp kim và các hợp chất oxit này là yếu tố then chốt trong quá trình thiết kế và thực hiện các kỹ thuật hàn hiện đại, đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cao.
+ Thuốc hàn gốm đƣợc hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang
Do dễ hút ẩm, nên ưu tiên sử dụng thuốc hàn gốm không chứa hợp kim ferô, kết hợp với dây hàn thép hợp kim để đảm bảo hàn thép hợp kim thấp có độ bền cao, hạn chế nguy cơ nứt do hydro Việc này giúp duy trì ổn định thành phần hóa học của mối hàn và tránh vấn đề biến đổi điện áp hồ quang gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.