badanie wlasciwosci dielektrycznych materilow

          Badanie właściwości dielektrycznych materiałów

Dielektryk, izolator elektryczny jest to materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie.

Podział dielektryków

Ze względu na rodzaj polaryzacji

Dielektryki niepolarne

Cząsteczki dielektryka niepolarnego przy braku pola elektrycznego nie są dipolami. Jednak pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego następuje przemieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych, a w cząsteczce zostaje zaindukowany moment dipolowy. Takie mechanizmy polaryzacji dielektryka noszą nazwę polaryzacji indukowanej.

Dielektryki polarne

.

W dielektrykach polarnych cząsteczki dielektryka są dipolami nawet w nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego. Przyłożenie pola powoduje wówczas częściową orientację cząsteczek wzdłuż linii jego sił. Taki mechanizm polaryzacji dielektryka nazywamy polaryzacją orientacyjną. Charakterystyczną cechą takiej polaryzacji jest silna zależność przenikalności dielektrycznej od temperatury.

Dielektryki o specjalnych właściwościach

Rodzaje dielektryków

Niektóre dielektryki ze względu na złożoną zależność polaryzacji od przyłożonego pola i innych parametrów układu wykazują liczne efekty fizyczne, które można wykorzystać w bardzo różnorodny sposób.

Piezoelektryki

Piezoelektryki charakteryzują się tym, że występuje w nich polaryzacja przy odkształceniach sprężystych pod wpływem przyłożonych naprężeń (efekt piezoelektryczny). Posiadają one strukturę krystaliczną, której komórka elementarna nie ma środka symetrii. Efekt piezoelektryczny odwrotny polega na odkształcaniu się kryształu umieszczonego w polu elektrycznym

Biorąc pod uwagę prawo Hooke'a, można efekt piezoelektryczny przypisać odkształceniu ośrodka. Można więc użyć przetwornika piezoelektrycznego do pomiaru naprężeń, lub małych przemieszczeń. Jeśli przyczepi się do przetwornika znaną masę to można użyć go do pomiaru przyśpieszeń. Można też stosując efekt piezoelektryczny odwrotny uzyskać małe przesunięcia przykładając do dielektryka pole. Jest to podstawą na przykład mikroskopii bliskich oddziaływań. Mimo że przesunięcia nie są duże, to uzyskane siły są znaczne. Umożliwia to przestrajanie nawet ciężkich elementów optycznych z dużą dokładnością. Klasycznym zastosowaniem piezoelektryków są przetworniki elektroakustyczne.

Piroelektryki

Jeśli komórka elementarna kryształu nie ma środka symetrii i ma tylko jedną oś symetrii (oś polarna) to materiał wykazuje spontaniczną polaryzację i efekt piroelektryczny, który polega na powstaniu polaryzacji wskutek zmiany temperatury kryształu

Materiały piroelektryczne są stosowane do obrazowania w dalekiej podczerwieni (termografia), oraz stosowane w pasywnych czujnikach ruchu.

Ferroelektryki

  Ferroelektryki stanowią podgrupę piroelektryków, w których spontaniczną polaryzację można odwrócić poprzez zewnętrzne pole elektryczne. Charakteryzują się histerezą polaryzacji oraz bardzo dużą i nieliniową przenikalnością dielektryczną. Zależy ona silnie od temperatury i osiąga maksimum w temperaturze zwanej temperaturą Curie[13].

Ferroelektryki znajdują duże zastosowanie w elektronice, powszechnie stosuje się kondensatory z ceramicznymi dielektrykami ferroelektrycznymi.

Elektrety

    Dielektryki, w których w sposób trwały utrzymuje się polaryzacja dipolowa lub stan naładowania elektrycznego. Elektrety wytwarzają zewnętrzne pole elektryczne i w tym sensie są elektrostatycznymi odpowiednikami magnesu trwałego.

Właściwości nieliniowe[edytuj]

W dielektrykach występują także różne efekty nieliniowe, które mają zastosowanie w spektroskopii laserowej, na przykład do uzyskania promieniowania o innych długościach fali czy też poszerzenia widma.

Zjawiskiem nieliniowym jest też efekt elektrooptyczny polegający na występowaniu dwójłomności wymuszonej przyłożonym polem elektrycznym. Prowadzi to do obrotu płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez ośrodek światła, przy czym kąt obrotu zależy od przyłożonego pola. Dielektryk taki w połączeniu z polaryzatorem może służyć do modulacji wiązki z dużą szybkością. Jeśli zamiast polaryzatora wprowadzi się polaryzującą płytkę światło dzielącą, można polem elektrycznym sterować kierunkiem wiązki. Znajduje to zastosowanie na przykład we wzmacniaczach optycznych dla laserów femto sekundowych.

Podział dielektryków

Podział materiałów elektroizolacyjnych stosowane w technice według Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC)[14]:

·                         gazy

        gazy szlachetne

        nieszlachetne składniki powietrza

        gazy nie występujące w powietrzu (np. sześcio fluorek siarki)

·                         dielektryki ciekłe

        substancje używane jako ciecze lub pary (np. czterochlorek węgla, ciecze fluoro ororganiczne)

        ciecze izolacyjne (np. oleje mineralne i syntetyczne - olej transformatorowy, produkty chlorowania benzenu i bifenylu -  

        polichlorowane bifenyle, oleje silikonowe)

        rozpuszczalniki dielektryczne

·                         materiały elektroizolacyjne stałe organiczne

        łatwotopliwe (np. parafina, cerezyna, wosk karnauba, kalafonia, szelak, asfalty)

        dielektryki wielkocząsteczkowe nieobrabialne cieplnie (np. celuloza, papier, drewno, octan celulozy)

        elastomery (np. kauczuk naturalny, gumy naturalne, ebonit, elastomery butadienowo-styrenowe)

        termoplasty (np. polietylen, polipropylen, polistyren, poliwęglany i inne poliestry, polichlorek winylu, teflon

       (policzterofluoroetylen) itp)

        duroplasty (np. bakelit i inne żywice fenolowo-formaldehydowe, żywice epoksydowe, utwardzane żywice silikonowe)

·                         materiały elektroizolacyjne stałe nieorganiczne

        nietopliwe (np. mika, azbest)

        stapiane (liczne szkła izolacyjne)

        wypalane (np. porcelana, kamionka, tlenki ogniotrwałe, liczne ceramiki specjalne)

         dielektryki stałe o polaryzowalności specjalnej

        ferroelektryki

        elektrety

        piezoelektryki

        piroelektryki

Farad (F) – jednostka pojemności elektrycznej w układzie SI (jednostka pochodna układu SI)

Jest to pojemność elektryczna przewodnika elektrycznego, którego potencjał zwiększa się o 1 wolt po dostarczeniu ładunku 1 kulomba.

                       

 ==1

Jednostka została nazwana na cześć dziewiętnastowiecznego fizyka i chemika angielskiego Michaela Faradaya.

Najczęściej używane wielokrotności:

milifarad

F=1F

mikrofarad

=1F

nanofarad

F=1

Pikofarad

F=1F

Szklo-flex- Materiał elektroizoalacyjny stosowany w maszynach i aparatach elektrycznych, jako izolacja żłobkowa i między warstwowa

Nomex (poli(izoftalano-1,3-fenylodiamid)) - polimer z grupy aramidów, wykorzystywany do produkcji włókien i arkuszy posiadających jednocześnie wysoką odporność mechaniczną i termiczną. Nazwa "nomex" jest zarejestrowanym znakiem towarowym firmy DuPont.

Otrzymywany przez polimeryzację 1,3-diaminobenzenu i kwasu izoftalowego. Pokrewny kevlar jest produktem polimeryzacji 1,4-diaminobenzenu i kwasu tereftalowego (nomex jest więc izomerem meta, a kevlar – para)[1].

Własności fizykochemiczne Nomeksu są zbliżone do kevlaru. Ma on jednak niższą temperaturę mięknięcia (ok. 220 °C) i rozkładu (ok 350 °C) niż Kevlar oraz łatwiej się rozpuszcza w kwasie siarkowym, dzięki czemu jego obróbka jest tańsza i łatwiejsza.

Technologia syntezy tego polimeru została opracowana w latach 60. XX w. przez zespół chemików z firmy DuPont, kierowany przez Wilfreda Sweeny. Pierwsze materiały oparte na Nomeksie trafiły na rynek w 1967.

Zastosowania[edytuj]

Tkaniny z Nomeksu stosuje się do produkcji niepalnej bielizny termoodpornej, na przykład dla kierowców Formuły 1, strażaków, wojska i innych służb pracujących w ciężkich warunkach, jako warstwy ochronne w rozmaitych urządzeniach, jako warstwy antyprzebiciowe w energetyce itd.

Nomex jest też stosowany w filtrach chemicznych działających w trudnych warunkach oraz pokrywa się nim papier, dzięki czemu staje się on niepalny i odporny na działanie agresywnych chemikaliów.

Nomex jest również głównym składnikiem materiałów kompozytowych o strukturze plastra miodu (ang. honeycomb). Posiada dużą wytrzymałość oraz sztywność i niską gęstość dlatego też jest stosowany w przemyśle lotniczym.

Nomex w postaci papieru i tektury znajduje także liczne zastosowania w przemyśle elektromaszynowym jako izolacja elektryczna. Jest też składnikiem laminatów nomeksowych typu NEN (połączenie papieru Nomex z folią poliestrową).

Poli(chlorek winylu), polichlorek winylu, polichlorek etenylu, polichloroeten (PCW, PVC) - tworzywa sztuczne otrzymywane w wyniku polimeryzacji monomeru – chlorku winylu.

Ma właściwości termoplastyczne, charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną, jest odporny na działanie wielu rozpuszczalników.

Nazwa

Skrót PCV, powszechnie używany w Polsce, jest niepoprawny logicznie i językowo. W nazewnictwie międzynarodowym używa się wyłącznie skrótu PVC - od poly(vinyl chloride). W języku polskim poprawny jest skrót PCW - od polskiego poli(chlorek winylu). PCV nie jest poprawnym skrótem ani od nazwy międzynarodowej, ani polskiej.

W obrocie handlowym w Polsce występuje jako polwinit (zmiękczony, czyli plastyfikowany i granulowany PCW) i polwiplast (granulat obuwiowy PCW). Skład tego ostatniego dla jednej z odmian to około 50% czystego polichlorku winylu, 40% plastyfikatora - np. ftalanu di(2-etyloheksylu) lub mieszaniny ftalanu di(2-etyloheksylu) z ftalanem dibutylu, ftalanem izoamylu i adypinianem di(2-etyloheksylu)

Zastosowanie

Polimer ten jest stosowany w różnych gałęziach gospodarki:

·         do produkcji wykładzin podłogowych, stolarki okiennej i drzwiowej, akcesoriów (w postaci różnych listew wykończeniowych), rur i kształtek do wykonywania instalacji w budynkach, jako elewacja (siding), folii, elektroizolacji (np. przewodów i kabli elektrycznych) itp.

·         w medycynie: dreny, sondy, cewniki, strzykawki

    do wyrobu opakowań, elementów urządzeń, płyt gramofonowych, drobnych    

    przedmiotów itp.

·         pokrywanie powierzchni sportowych oraz innych, zakrytych i otwartych (czasem jako igelit)

·         w elektrotechnice polwinit stosowany jest jako izolacja w przewodach i kablach

Rodzaje:

Tworzywo to jest dzielone w zależności od metody produkcji na:

    PCW twardy

    PCW plastyfikowany

a ze względu na technologię na:

    PCW suspensyjny

    PCW emulsyjny

Polietylen  – polimer etenu. Symbol przemysłowy: (PE).

Polietylen jest giętki, woskowaty, przezroczysty, termoplastyczny. Traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego i wilgoci. Synteza polietylenu jest przykładem polimeryzacji rodnikowej.

Polimeryzacja etenu

Folie z PE charakteryzują się małą przenikalnością dla pary wodnej, łatwo przepuszczają pary substancji organicznych, nie są odporne na węglowodory i ich chloropochodne. Są odporne na działanie roztworów kwasów, zasad i soli oraz niską temperaturę. Używany do wyrobu: folii, rur, pojemników, nart, żagli, markerów, zmywaczy do paznokci oraz toników. W wędkarstwie, żeglarstwie oraz wspinaczce często stosowane są żyłki lub liny plecione z polietylenu o nazwie handlowej Spectra.

Systematyka

Właściwości zależą od warunków przeprowadzenia reakcji (ciśnienia, temperatury, katalizatora). Wyróżnia się 4 rodzaje polietylenu:

    UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene) - polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczkowej[1].

    PE-HD (high density PE, PE-HD) – Polietylen o dużej gęstości. Otrzymywany przez polimeryzację niskociśnieniową. Jest twardszy w porównaniu z PE-LD, ma wyższą wytrzymałość mechaniczną, wyższą temperaturę topnienia (125°C), wyższą barierowość w stosunku do gazów i wyższą odporność chemiczną, wykazuje większą kruchość w niższych temperaturach, jest mniej przezroczysty (mlecznobiały) . Najpopularniejsze handlowe odmiany PE-HD to PE 80 i PE 100. Gęstość – 0,94-0,96 g/cm³.

    MDPE (medium density PE) – o średniej gęstości. Gęstość – 0,926-0,940 g/cm³.

    PE-LD (low density PE) – Polietylen niskiej gęstości - Jest przezroczysty, giętki i miękki, zachowuje elastyczność w niskiej temperaturze (nawet do -60°C), bezwonny, całkowicie obojętny fizjologicznie, przepuszczalny dla gazów (tlenu i dwutlenku węgla)i substancji aromatycznych (zapachów), natomiast mało przepuszczalny dla pary wodnej, podatny na zgrzewanie, mało odporny na wyższe temperatury. Gęstość – 0,915-0,935 g/cm³.

    LLDPE (linear low density PE) – niskociśnieniowy liniowy PE o niskiej gęstości (krótkie, nierozgałęzione łańcuchy powstają w wyniku kopolimeryzacji etenu z alkenami o dłuższych łańcuchach). Gęstość – 0,915-0,935 g/cm³.

Rezotex lub tekstolit - Jest laminatem zbrojonym tkaniną bawełnianą. Rezotex wyróżnia się bardzo dużą odpornością na przeciążenia termiczne oraz mechaniczne. Materiał ten idealnie nadaje się na pierścienie uszczelniające, koła zębate, koszyki łożysk tocznych, prowadnice.

Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej 120 C

Parametry ogolne:

- niski współczynnik tarcia i mała ścieralność

- wysoka wytrzymałość obciążeniowa

- wysoka odporność na chemikalia

- dobre właściwości elektroizolacyjne

Rezotex ,turbax lub inaczej tekstolit produkowany jest poprzez sprasowanie w wysokiej temperaturze warstw tkaniny bawełnianej nasyconej żywicą syntetyczną. Jest to materiał konstrukcyjny dostępny w kilku odmianach,

Właściwości:

- dobre właściwości mechaniczne

- dobre właściwości cieplne i ślizgowe

- dość wysoka odporność chemiczna

- bardzo wysoka stabilność wymiarowa

- bardzo dobra skrawalność

- temperatura maksymalna dla pracy ciągłej to +125stC

Przykładowe zastosowania:

- łożyska ślizgowe

- koła zębate i wieńce

- ślizgi i prowadnice

- elementy uszczelnień

Rezokart inaczej bakielit lub ebonit. Bakielit jest to płyta papierowo-fenolowa lub płyta papierowo-epoksydowa. Bakielit (ebonit) może pracować w temperaturze do 120oC oraz w oleju i powietrzu o normalnej wilgotności. Bakielit - ebonit charakteryzuje się dobrą obrabialnością mechaniczną.

Rozróżniamy następujące rodzaje bakielitu:

    PCE

    PCF-e

    PCF-1

    PCF-2

    PCF-3

Bakielit PCE to inaczej płyta papierowo-epoksydowa. Płyta papierowo-epoksydowa znajduje zastosowanie elektryczne wysokonapięciowe i elektroniczne. Płyta papierowo-epoksydowa charakteryzuje się dobrą stabilnością właściwości dielektrycznych w wysokiej wilgotności.

Bakielit PCF-e to płyta papierowo-fenolowa. Płyta papierowo-fenolowa znajduje zastosowanie elektryczne wysokonapięciowe. Płyta papierowo-fenolowa charakteryzuje się wytrzymałością dielektryczną w oleju i powietrzu o normalnej wilgotności.

Bakielit PCF-1 znajduje zastosowanie elektryczne wysokonapięciowe. Bakielit PCF-1 ma wyższe właściwości dielektryczne niż PCF-2. PCF-1 nadaje się do pracy w oleju i powietrzu o normalnej wilgotności.

Bakielit PCF-2 znajduje zastosowanie konstrukcyjne i elektryczne niskonapięciowe. Bakielit PCF-2 charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi.

Bakielit PCF-3 znajduje zastosowanie elektryczne i elektroniczne. Bakielit PCF-3 charakteryzuje się dobrą stabilnością właściwości dielektrycznych w wysokiej wilgotności oraz dobrą wykrawalnością.

Przyrządem do badania właściwości dielektrycznych materiałów jest przyrząd zwany Mostkiem RC typ MRC RA