CHƯƠNG 11 vật LIỆU CÁCH điện THỂ rắn

CH­¬NG 11

C¸CH ®IÖN THÓ R¾N

11.1 Ph©n lo¹i vËt liÖu c¸ch ®iÖn thÓ r¾n

11.2.VËt liÖu c¸ch ®iÖn r¾n v« c¬

11.3. VËt liÖu c¸ch ®iÖn cao ph©n tö (polyme) h÷u c¬

11.4.VËt liÖu c¸ch ®iÖn gèc cellulose


11.1

Phân loại vật liệu cách điện thể rắn

Các vật liệu cách điện thể rắn rất đa dạng về chủng loại, thành phần, cấu tạo...

Dựa vào các đặc điểm khác nhau, ngưòi ta phân chia chúng thành các nhóm vật liệu vô cơ có
nguồn gốc từ khoáng, quặng (gốm, sứ, thuỷ tinh, mica) và vật liệu hữu cơ, trong nhóm thứ hai lại
được chia thành loại có nguồn gốc tự nhiên (cao su tự nhiên, sáp nến... ) hoặc nhân tạo.

Trong nhóm các vật liệu hữu cơ tổng hợp người ta chia thành các nhóm polyme nhiệt cứng,
polyme nhiệt dẻo, các nhựa đàn hồi (cao su tổng hợp và elastome)...

Ngoài ra người ta còn phân loại các sản phẩm và chi tiết cách điện thành các loại vật liệu sợi, vật
liệu tấm, các chất sơn phủ, chất sơn tẩm


VậT LIệU CáCH đIệN

Vật liệu cách
điện thể khí

Vật liệu cách
điện thể lỏng

Cách điện rắn vô cơ
Gốm
Mica
Sứ
Thạch anh
Thuỷ tinh

Vật liệu cách
điện thể răn

Vật liệu cách điện thể rắn tổng hợp

Tự nhiên
Cao su
Sáp, nến
Ebonite
Sơn gôm lắc
Giấy

Polyme

Nhiệt dẻo

Composite

Nhiệt cứng

Cao su tổng hợp và
elastome


Các vật liệu cách điện thể rắn được dùng trong kỹ thuật điện
Vô cơ

Vật liệu cách điện thể rắn tổng hợp
Tự nhiên

Gốm
Mica
Sứ
Thạch anh
Thuỷ tinh

Cao su
Sáp, nến
Ebonite
Sơn gôm lắc
Giấy

Polyme

Composite

Nhiệt dẻo

Nhiệt cứng

Acetal cellulose
Acrylonitrile
butadiene
styrene
Ethylene propylene perfluore
Poyacetal
Polyamide (6, 6-6, 11)
Polyamide aromatic
Polybutylene terephtalate
Polycarbonate
Polychlorotrìluoroethylene
Polychlorure de vinyle
Polychlorure de vinylidene
Polyethesulfone
Polyethylene (LD, HD, MD)
Polyethylene terephtalate
Polyflorure de vinylidene
Polyimide
Polymethacrylate de methyle
Polyoxyphenylene
Polypropylene
Polystyrene
Polysulfone
Polysulfure de phenylene
Polytetrafluoreethylene

Amiloplaste
Epoxy
Phenoplaste
Phtalate de dialyle
Polyestere
Polyimide
Polyurethane
Silicone

emay và vernis
vật liệu phân tầng
Giấy phenolplaste
giấy epoxy
vải sợi coton phenolplaste
giấy amiande phenolplaste
vải sợi thuỷ tinh epoxy
vải sợi thuỷ tinh
phenolplaste
vải sợi silicone
Các compound và các chất
keo dính

Cao su tổng hợp
và elastome
Cao su
butyl
ethylene propylene
nitryle
silicone
styrene butadiene

elastomere
polyurethane


11.2.Vật liệu cách điện rắn vô cơ

Điện môi vô cơ là loại vật liệu rất quan trọng trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện do có các tính chất
cách điện tốt, có tính chịu nhiệt cao, đa số các vật liệu này kông hút ẩm, tương đối rẻ.

a) Mica và các sản phẩm từ mica

Mica là khoáng sản cách điện.
Trong thiên nhiên mica ở dạng tinh thể, thành lớp có thể bóc tách nhưng hai dạng phổ biến nhất đư
ợc sử dụng là

mica muscovite có thành phần hoá học biểu thị bằng công thức KAl2(Si3Al)O10(OH)2 còn gọi
là mica trắng hoặc hồng ngọc tuỳ theo nguồn gốc và được sử dụng nhiều hơn.

philogopite KMg3(Si3Al)O10(OH)2


Mica muscovite là loại không màu (trắng) hay hơi đỏ hoặc hơi xanh.

Trong khi đó, loại mica philogopite thì có màu đen hay nâu đen.

SiO2
Al2O
K2O
MgO

Muscovite, %

Philogopite, %

45-47
30-38
9-12
-

38-43
12-17
9-11
23-29

Mica tổng hợp cũng có thể sản xuất bằng phương pháp điện nhiệt tương tự như miac tự nhiên như
ng không chứa nước


C¸c tÝnh chÊt chÝnh cña c¸c lo¹i mica tù nhiªn

Muscovite

Philogopite

2.6-3.2

2.6-3.2

2.1013-1017

2.1013-1017

§é bÒn ®iÖn , kV/mm

60-240

120-168

H»ng sè ®iÖn m«i, 106 Hz

6,5-8,7

5-6

0.1

0.4

NhiÖt dÉn, W/cm.K

0.0035

0.0035

NhiÖt ®é lín nhÊt C

540

760

Khèi l­îng riªng, g/cm3
§iÖn trë suÊt, Ω.cm

tgδ, 106 Hz


Một điểm lưu ý là các tính chất về điện của mica phụ thuộc vào chiều điện trường đặt lên tấm mica. Nếu
theo chiều song songvới các lớp hì tính chất cách điện sẽ giảm nhiều.

So sánh theo các tính chất về điện thì mica muscoviye là loại vật liệu cách điện tốt hơn.

Khi mica bị nóng đến một nhiệt độ nào đó thì nước trong mica sẽ bị thoát ra, khi đó mica không còn
trong suốt, độ dày của nó tăng do bị phồng lên và các tính chất cơ và điện sẽ giảm


Lĩnh vực sử dụng
Mica nguyên khối và các lá mica được sử dụng làm điện môi trong các tụ điện công suất nhỏ trong các
mạch điện tử.
Người ta dùng mica để làm cách điện trong các thiết bị điện quan trọng, cách điện cuộn dây của máy
điện, cách điện cổ góp của các các máy điện.
Để làm mica ta chọn những tấm to kích thước cỡ 10ư60 mm2 và bóc thành những lá mỏng 0,1ư0,02
mm hoặc 0,06 mm
Tính chất của mica phj thuộc vào thành phần hợp chất của nó và chất kết dính. Khả năng chịu hoá
chất cũng tuỳ thuộc vào keo kết dính.
Không dùng được mica trong dầu vì nó bị phân huỷ.
Micanit là sản phẩm được chế tạo từ muscovite ít bị mài mòi vì chổi than hơn là đồng nên sau một
thời gian bề mặt của cổ góp sẽ không nhẵnn.
Nếu dùng phlogopite thì do độ mài mòn tương tự như đồng nên cổ góp vẫn nhẵn

Ngoài công dụng trong kỹ thuật điện để làm cách điện trong các máy điện, mica được dùng nhiều để
chế tạo các tụ điện và các chi tiết cách điện trong kỹ thuật vô tuyên

Loại lica dùng cho tụ điện là loại mica muscovite có phẩm chất cao hơn cả.

Các tấm mica trong suốt dùng cho các lò vi sóng.

Để cách điện cho những cuộn dây của các thiết bị điện cầp nhiệt cao từ 155 dến 200 C, các sản
phẩm giấy mica được dùng.

Tuy nhiên mica thuần tuý tự nhiên ít được dung mà thường là các sản phẩm từ mica


Micanit :

micanite là do mica dán lên các vật liệu nền bằng giấy hay vải bằng các loại keo hay nhựa làm cho
mica chịu kéo tốt hơn và khó bị tróc hơn mica thuần tuý.

Do thành phần mica trong micanit trên 50% tính theo trọng lượng nên nó có tính chịu nhiệt cao (cấp
nhiệt B 130 C) và nếu dùng các chất đệm vô cơ như vải thuỷ tinh và keo dán có tính chịu nhiệt cao như
silic và flo hữu cơ thì nó sẽ thuộc cấp nhiệt cao hơn F và H.

Có thể kể hai loại sản phẩm là : samicanite và ruban samica. Samicanite dùng cho entrelame của thanh
góp (collecteur), samicanite chịu nhiệt độ cao dùng làm cách điện cho bàn là, máy sấy tóc...


Micalex :

là loại vật liệu gốc mica có phẩm chất cao, có tính chịu nhiệt, cường độ cơ giới, khả năng chịu va đập, chịu
hồ quang tốt, tổn hao điện môi bé với thành phần 60% là mica và 40% là thuỷ tinh BaO. .

Micalex được làm từ bột mica trộn với bột thuỷ tinh và được ép với áp lực lớn trong khuôn thép thành
các bán sản phẩm mỏng thành ở nhiệt độ 600 C

Micalec chịu được tác dụng của độ ẩm, ít chịu được tác dụng của axit mạnh đậm đặc (axit sulphuric và nitric) đư
ợc dùnglàm buồng dập hồ quang trong máy cắt, tay nắm cách điện, phích cắm bếp điện, trong kỹ thuật thuật
vô tuyến làm giá đỡ đèn công suất, panen.


b) Gốm

Gốm sứ và thuỷ tinh là những vật liệu cách điện được sử dụng sớm nhất trong các thiết bị điện, trong
truyền tải và phân phối điện năng
ở dạng phôi, chúng được dùng để chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp và sau khi nung ở nhiệt độ
cao sẽ có được sản phẩm đặc trưng bởi khả năng chống già cỗi hoá và khả năng chịu nhiệt độ làm
việc cao, các shock nhiệt vứo các tính chất cách điện khá tốt
Về thành phần các vật liệu gốm chứa các silicate nhôm ngậm nước có công thức chung là Al2O3.xH2O.
Chúng có cấu trúc mạng tinh thể xen kẽ vói một tỷ lệ nhỏ các pha có cấu trúc vô định hình hình
thành trong quá trình nung. Tỷ lệ pha tinh thể và pha định hình có ảnh hưởng không nhỏ đến tính
chất vật lý và cách điện của gốm. Nhiệt độ nung của các gốm sứ nằm trobg khoảng 1200ư1700 C.

Các gốm sứ được sử dụng là : alumica hay oxit nhôm Al2O3, aluminum natride, aluminum silicate chứa tỷ lệ
oxit nhôm Al2O3 và oxit silic SiO2 khác nhau, berylica hay oxit berylium sản suất từ beryl Be3Al2Si6O18,
boron natride, bordierite, kim cương, magnesia, sứ, thạch anh, sapphire, seatite, zircon


§é bÒn ®iÖn
V/mils*

H»ng sè ®iÖn

m«i , 1 MHz

tgδ
1 MHz

Alumina, 99,9% Al2O3

340

10.1

0.0002

Aluminum silicat

150

4.1

0.0027

Berylia 99%BeO

350

6.4

0.0001

Boron nitride

950

4.2

0.0034

Cordierite

200

4.8

0.005

Sø

-

8.5

0.005

Th¹ch anh

-

3.8

0.0038

9,5-11,5

0.0003-0.00086

Saphire


Sứ cách điện
Sứ cách điện được sản xuất từ 3 nguyên liệu ban đầu là
đất sét và caolin (40ư50% bột nhào thô) là các chất chứa chủ yếu là nhôm và silicate
thạch anh hình thành cốt của sứ (35ư45% bột nhào thô)
Để chế tạo vật liệu sứ, đầu tiên đem hỗn hợp ban đầu nghiền nhỏ khử hết tạp chất và hoà vào nước
để tạo nên một phôi liêụ dẻo
Bằng gia công có thể tạo được những chi tiết có hình dáng phức tạp (như sứ cách điện) sau đó các chi
tiết này được sấy, tráng men và nung ở nhiệt độ cao từ 1300ư1350 C, trong thời gian từ 20 đến 70
giờ tuỳ thuộc vào kích thước và yêu cầu.
Các quá trình này rất quan trọng vì nó tạo cho sứ các phẩm chất quan trọng như giảm khả năng hút
ẩm, chịu được nước mưa, bụi bẩn trong môi trường, nâng cao điện áp phóng điện bề mặt, tăng độ
bền cơ giới, tăng phẩm chất cách điện.
Thường dạng và kích thước của các chi tiết cách điện sứ khác nhau nhiều, khi chế tạo cần chú ý tránh
làm các lớp sứ quá dày, quá trình nung sẽ không được tốt. Có thể khắc phục bằng cách chế tạo nhừng chi
tiết mỏng hơn sau dó dùng xi măng mác cao gắn liên kết chúng lại với nhau


Nhóm vật liệu MgO-Al2O3-SiO2
Nhóm vật liệu này gồm có 9 biến thể là

periklaz MgO
forsterite 2MgO.SiO2

klioenstatite (steatite) MgO.SiO2
kritobalit và tridimit SiO2
cordierite 2MgO.2Al2O3. 5SiO2
mulit 3Al2 O3.SiO2
Corun Al2O3
spimen MgO.2Al2O3

Vật liệu gốm cordierite có kết cấu không chặt chẽ, tổn hao điện môi và điện dẫn lớn nhưng có hệ số
giãn nở nhiệt bé nên được dùng để chế tạo các chi tiết chịu nhiệt nhưng không làm việc trong trường
cao tần.
Loại gốm steatite dễ nghiền nhỏ để tạo hình các chi tiết hay có thể gia công bằng phương pháp cơ
khí, có tổn hao điện môi bé. Ưu điểm của nó là khi nung ít bị co nên được dùng để chế tạo các chi
tiết có kích thước chính xác
Spinen được dùng chủ yếu để làm các tụ điện hạ thế. Forsterite được dùng làm các cách điện trong các
thiết bị chân không nơi cần sự liên kết chặt chẽ với các kim loại


Nhóm vật liệu BaO-Al2O3-SiO2
Trong kỹ thuật vô tuyến thường dùng loại vật liệu nhóm trên cơ sở của các oxyt khác nhau như oxyt
berylium BaO, oxyt nhôm.
Vật liệu gốm mulit thành phần của nó gồm thạch anh, cao lanh

Nhóm vật liệu gôc titan, ziconi và thiếc kẽm

Gốm có hằng số điện môi cao
Vật liệu xốp trên cơ sở của silicate nhôm và magie
Silicate nhôm giàu nhôm
Carbure silic SiC

Lĩnh vực sử dụng
Kỹ thuật điện áp cao

Do có những tính chất cách điện cũng như tính chất cơ khí và khả năng chịu đựng điều kiện môi trường,
các cách điện bằng sứ được sử dụng rộng rãi cho cả cách điện trong nhà và cách điện ngoài trời : cách điện
trong trạm biến áp, cách điện của đường dây tải điện trên không, cách điện của các thiết bị điện...
Đường dây tải điện trên không thường dùng các loại cách điện sau đây :
loại cách điện có chân sắt. Đường dây 35 kV trở xuống có thể dùng loại này. Điện áp càng cao thì yêu cầu
về đường kính và chiều cao của cách điện càng lớn.
loại cách điện treo có hai loại là : chuỗi sứ cách điện gồm các sứ kiểu đĩa và loại thanh.
Mặt trên của sứ thường nghiêng một góc 5ư10 để thoát nước, còn mặt dưới có các gờ để tăng chiều dài đư
ờng rò điện và điện áp phóng điện bề mặt khi bị ướt.
Đối với trạm biến áp có các loại sau đây : sứ đỡ kiểu thanh hoặc kiểu có chân sắt, sứ xuyên tường, sứ đầu
vào máy biến áp, máy cắt...
Vật liệu sứ có sức bến chịu nén cao hơn chịu kéo nên khi thiết kế chú ý tạo để vật liệu làm việc ỏ trạng
thái nén.


Tụ điện gốm

Vật liệu gốm được dùng cho các tụ điện công suất là chất mà thành phần chính là oxyt titan TiO2. Các tụ
điện loại này có hai loại : kiểu ống hoặc kiểu đĩa được sử dụng trong công nghệ hàn kim loại với chất dẻo,
công nghệ sấy cao tần và hàn cảm ứng cao tần. Ngoài TiO2, một số loại gốm MgTiO3, BaTiO3, SrTiO3
CaZrO3. Các loại tụ điện loại này có điện dung rất lớn và kích thước nhỏ được dùng cho các máy phát xung,
mạch bội áp, phân áp...

Kỹ thuật cao tần

Gốmphủ kim loại

Gốm đặc biệt
oxyt berylium BeO
oxyt magie MgO
điện trở phi tuyến trên cơ sở của ZnO và SiC được dùng để hạn chế điện áp khi có quá
điện áp (chống sét van).
Alumina là một vật liệu tốt nhất trong các vật liệu gốm. Chúng có các đặc tính cơ cao
nhất trong dải nhiệt độ thay đổi rộng, các tính chất điện môi cao, và độ dẫn điện tương đối cao. đư
ợc sử dụng làm cách điện của bugi, cho xi chân không (vacuum-tight seals) với kim loại.
Aluminum silicat có hằng số điện môi bé nhất trong các vật liệu gốm, bến nhiệt nhưng
tính chất cơ khí thấp.
Sứ là vật liệu trơ về hoá học có những tính chất cách điện thoả đáng ở tần số công
nghiệp. Được dùng chủ yếu làm cách điện của các đường dây tải điện, máy cắt, bugi và sử dụng
ở điện áp tháp làm cách điện cầu chì, đui dền, chuyển mạch...
Màng kim cương là vật liệu có đặc tính đặc biệt tốt đối với các ứng dụng điện tử.
saphire có bề mặt tinh thể đơn giản cho các vi mạch IC và các hệ thống điện tử. Có hằng
số điện môi lớn nhất trong các vật liệu gốm, rất ổn định về nhiệt.


c) Thuỷ tinh kỹ thuật điện

Thuỷ tinh được coi là vật liệu vô cơ có kết cấu vô định hình. Có thể xem chúng như vật liệu thể thể lỏng
có độ nhớt vô cùng cao với thành phần hoá học phức tạp gồm chủ yếu các loại oxit như SiO2, B2O3, P2O5 còn
các loại oxit kiềm như Na2O, K2O, và kiềm thổ như CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3, MnO, MgO, Fe2O3...
Theo tỷ lệ, thuỷ tinh chứa silic (75%), soda (25%), vôi (5%).
Thuỷ tinh cách điện được sử dụng chủ yếu để chế tạo các chi tiết cách điện định hình : cách điện của các dư
ờng dây tải điện (cách điện kiểu có chân sắt hoặc kiểu treo), các chi tiết trong các dụng cụ đo lường. Nó
cần có tính chịu nhịt cao, đặc biệt là khả năng chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột và thất thường.
Thuỷ tinh tụ điện được dùng làm điện môi trong các tụ điện (các bộ lọc cao thế, máy phát xung). Loại này có
hằng số điện môi cao, tổn hao bé và cường độ cách điện cao.

Sợi thuỷ tinh là thuỷ tinh được kéo thành sợi nhỏ mềm có đường kính 20 và 4ư7 àm. Từ sợi thuỷ tinh có thể
dệt thành vải thuỷ tinh hoặc băng thuỷ tinh. Vải và băng thuỷ tinh có chiều dày 0,025ư0,28 mm. Ưu điểm
của sợi thuỷ tinh là loại sợi có tính chịu nhiệt cao, sức bền cao, ít hút ẩm, cách điện tốt. Sợi thuỷ tinh được
dùng để cách điện của các cuộn dây. Vải thuỷ tinh được sử dụng làm cách điện stato máy phát, động cơ điện
xe lửa, động cơ điện có nhiệt độ làm việc cao, động cơ thường đóng cắt, động cơ cầu trục, máy biến thế
hàn. Vải thuỷ tinh có thể tẩm các loại nhựa nhân tạo để làm thành các tấm cứng được dùng để sản suất các
vật liệu composit (ví dụ sợi thuỷ tinh ư epoxy, steclostolite, tecstolite).


Cách điện bằng thuỷ tinh có ưu điểm :
Tính chịu nhiệt cao
Không hút ẩm
Khả năng chịu dầu, axit và xút trừ axit flohidric HF và phosphoric H3PO4
Không già cỗi
tính chất cách điện tốtnóng


d) Amiăng
Amiăng là vật liệu cách điện có tính chịu nhiệt cao. Sợi amiăng mịn dễ uốn, có thể tách thành sợi
nhỏ hoặc ép thành tấm. Nó có thành phần hoá học biểu thị bởi công thức 3MgO.2SiO2.2H20. Sợi
có độ dài trung bình 3ư8 mm, ở nhiệt độ 1500 C mới nóng chảy.
Giấy amiang làm bằng amiăng tẩm nhựa silicone chịu nhiệt đến 200 C, chịu axit bazow và dầu
dùng làm cách điện biến áp khô.
Giấy amiăngưmica làm bằng mica dán lên giấy amiăng được sử dụng làm cách điện trong trường hợp
đòi hỏi coư tính không cao mà đòi hỏi tính chịu nhiệt và tính chất cách điện cao như trong cuộn
dây điện trở, phần tử đốt nóng.


11.3.Vật liệu cách điện cao phân tử (polyme) hữu cơ
a) Giới thiệu

Các vật liệu polyme chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết cách điện
dùng trong kỹ thuật điện, điện tử... Chúng có thể được sử dụng trực tiếp làm vật liệu cách điện
như polyethylen, polystyrol, polyvinylchloride hoặc để sản xuất các vật liệu cách điện khác.
Loại vật liệu hữu cơ được dùng nhiều nhất là các liên kết cao phân tử. Polyme được gọi là các
chất đặc trưng bởi sự lặp lại rất nhiều lần một vài mắt xích trong cấu trúc phân tử. Người ta sản
xuất polyme từ các monome là những chất mà các phân tử có khả năng hình thành một hoặc
một số mắt xích. Về mặt hoá học thì đa số các liên kết cao phân tử thuộc loại vật liệu trùng hợp.
Theo thành phần hoá học, các polyme được chia thành các nhóm sau :
polyme hữu cơ
polyme silic hữu cơ
polyme vô cơ
Theo cấu trúc của mạch phân tử, các polyme được chia thành 3 nhóm cơ bản :
polyme cấu truc phân tử mạch thẳng
polyme cấu trúc phân tử phân nhánh
polyme cấu trúc phân tử mạch lưới


Vật liệu có kết cấu không gian thì nói chung là hơn và chảy mềm ở nhiệt độ cao hơn, một số vật liệu thuộc loại ày trước
khi bị mềm thì có thể đã bị hỏng. Nó khoá hoà tan, không thể kéo thành sợi hoặc thánh màng mỏng.
Tuy vậy chúng ta có thể chia chúng thành nhóm vật liệu nhiệt dẻo và nhóm vật liệu nhiệt cứng. Nhựa tổng hợp nhiệt dẻo
là các vật liệu có thể ép nóng thành tấm mỏng để sử dụng, hoá mềm khi bị nóng. Còn loại vật liệu nhiệt cứng thì khi được
làm nngs và ép thì ban đầu hoá mềm, sau đó đông cứng và giữ hình dáng khuôn ép dù có làm nóng cũng không thay đổi
hình dáng