ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При обычных условиях стекло — хороший диэлек­трик и в качестве электроизоляционного материала на­ходит широкое применение в электротехнической и ра­диоэлектронной промышленности. В настоящее время на линиях электропередач широко используют высоко­вольтные изоляторы из закаленного стекла. Вместе с тем в электрическом поле стекло всегда обнаруживает некоторую электропроводность.

Электропроводность. Электропроводность стекла — его способность пропускать электрический ток. Элек­тропроводность К, Ом-1, или сименс (сим.) обратно про­порциональна сопротивлению, т. е.

K = l/R.

Различают два вида электропроводности: поверхно­стную и объемную. Поверхностная электропровод­ность всегда выше объемной. Ее причина кроется в ад­сорбции влаги на поверхности стекла и образовании на ней щелочных силикатов с высокой проводимостью.

Удельная электропроводность стекла к и его удель­ное сопротивление р характеризуют соответственно про­водимость и сопротивление 1 см3 стекла. Удельное со­противление равно:

Р= 1 /x = RS/d, где S — площадь электродов, a d — расстояние между ними.

К измеряется в Ом-1-м-1 (сим.-1); р—в Ом-м.

По механизму переноса тока в веществах различают проводимость ионную, электронную и смешанную (элек­тронно-ионную). Подавляющее число силикатных сте­кол имеют ионную проводимость, а именно, катионную. Носителями заряда являются главным образом ионы щелочных металлов и в меньшей степени ионы щелоч­ноземельных металлов; катионы М3+ не принимают уча­стия в переносе тока. Во фторбериллатных и галоидно - алюмофосфатных стеклах наблюдается анионная проводимость. Переносчиками тока здесь являются анио­ны F, С1. Электронная проводимость характерна для бескислородных халькогенидных стекол и для оксидных стекол, содержащих элементы переменной валентности: железо, ванадий, молибден, марганец.

На электропроводность стекла оказывают влияние его химический состав, температура, частота электри­ческого поля, состояние поверхности стекла, характер его термической обработки (отжиг, закалка, кристаллиза­ция).

Электропроводность стекол разного химического со­става при обычной температуре составляет Ю-18— Ю-8 Ом-1. Кварцевое стекло является изолятором, и только присутствие примесей может вызвать возникно­вение в нем проводимости. Электропроводность стекла растет при увеличении в его составе содержания ще­лочных ионов, и ее значение зависит от радиуса щелоч­ного катиона; литиевые стекла характеризуются боль­шей проводимостью, чем натриевые и калиевые; ионы лития в силу меньших размеров более подвижны.

При одновременном введении в стекло двух щелоч­ных катионов его электропроводность уменьшается и при соотношении щелочных оксидов, равном 1 : 1, до­стигает минимального значения. Это явление носит на­звание эффекта нейтрализации.

Замена в стекле щелочных ионов щелочноземельны­ми приводит к уменьшению его электропроводности, что в наибольшей степени проявляется при введении круп­ных катионов (Ва2+ и Sr2+). Силикатные стекла, содер­жащие катионы Mg2+ и Zn2+, обладают большей элект­ропроводностью, чем стекла того же основного состава, но содержащие катионы Са, Ва, РЬ. Введение стекло - образователей Si02 и В2О3 понижает электропровод­ность. Боратные стекла — лучшие диэлектрики, чем по­добные им силикатные.

Электропроводность стекла в очень сильной степени, зависит от его температуры. С повышением температу­ры электропроводность возрастает. Так, если при обыч­ной температуре электропроводность оконного стекла составляет (10-1 — Ю-12)-Ом-1, то при температуре 1400—1450 °С — (1,1—0,3)-102 Ом-1.

Зависимость %=f(T) описывается следующими урав­нениями:

Для твердых стекол lg н=а—(Ь/Т);

Для расплавов lg н=а—(b/Т2),

Где а и b — постоянные величины, зависящие от состава стекла; Т — температура стекла, К.

На рис. 3.4 показано изменение удельного сопротив­ления стекла в зависимости от его температуры,

Мерой температурной ус­тойчивости диэлектриков принято считать температу­ру Тц. 100, при которой удель­ное сопротивление равно 10е Ом-м. Величина Гк-іоо для листового стекла 147 °С, для кварцевого 600 °С.

На проводимость стекла влияет частота приложенно­го электрического поля. В поле переменного тока проводимость стекол выше, чем в поле постоянного тока.

Низкая химическая устой­чивость стекла, загрязнение его поверхности, образова­ние на ней гидратных пле­нок— все это резко увеличивает проводимость стекла. Для устранения поверхностной проводимости стекла его обрабатывают гидрофобными веществами, например кремнийорганическими соединениями. Для повышения проводимости на поверхность стекла наносят полупро­водниковые пленки, например Sn02, толщиной 1—3 мкм.

Характер теплового прошлого стекла оказывает зна­чительное влияние на его электрические свойства. Зака­ленные стекла имеют более высокую электропровод­ность, чем отожженные. Объясняется это тем, что в закаленных стеклах «заморожена» более рыхлая струк­тура с ослабленными связями, свойственная расплаву.

При кристаллизации стекла его электропроводность резко сни­жается. Тонкодисперсная объемная кристаллизация, характерная для ситаллов, приводит к снижению электропроводности на несколь­ко порядков. Шлакоситаллы имеют удельное объемное сопротивле­ние 1014—1016 Ом-м и применяются в производстве высоковольтных изоляторов.

Понижение электропроводности при кристаллизации стекол вы­зывается, во-первых, тем, что образование границ раздела фаз стек­ло—кристалл затрудняет перемещение ионов; кроме того, выделяю­щиеся кристаллические фазы имеют, как правило, низкую проводи­мость.

Диэлектрические свойства стекла. Как указывалось, стекло является диэлектриком. Отличительная особен­ность диэлектриков— их способность длительно сохра­нять наведенное электрическое поле вследствие поляри­зации атомов, ионов.

•4*

Диэлектрические свойства стекла характеризуют: диэлектрическая проницаемость (Е), диэлектрические потери и диэлектрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость (Е) — это относи­тельная величина, показывающая, во сколько раз изме­няется емкость конденсатора при введении между его обкладками диэлектрика по сравнению с емкостью того же конденсатора в вакууме. Наименьшее значение Е имеет кварцевое стекло (£=3,7) и стеклообразный В2О3 (£=3,1-3,2).

Диэлектрическая проницаемость стекла приблизи­тельно пропорциональна его плотности. Величина Е многосвинцовых стекол равна 16, а обычных промыш­ленных стекол — 5—7. Она возрастает с увеличением в составе стекла щелочных и щелочноземельных ионов и уменьшением Si02.

Кристаллизация стекол обычно приводит к уменьше­нию Е из-за уплотнения структуры и более прочного за­крепления ионов. Однако в ситалле Е определяется ви­дом и числом фаз, составляющих ситалл, вследствие чего Е может изменяться от 4,5 до 2100. Диэлектриче­ская проницаемость шлакоситалла при частоте 1010 Гц составляет 6,2—7.

Диэлектрические потери. Часть электрической энер­гии, которая при прохождении переменного тока через диэлектрик теряется, превращаясь в теплоту, называет­ся диэлектрическими потерями.

Диэлектрические потери стекла характеризуются значением тан­генса угла диэлектрических потерь б, равного (90°—<р), где ф — угол сдвига фаз между напряжением на электроизоляционном ма­териале и силой проходящего через него тока.

Химический состав стекла влияет на его диэлектри­ческие потери так же, как на электропроводность. Так, кварцевое стекло имеет очень малые потери (tgS= =0,0002), а стекла, содержащие щелочные и щелочно­земельные оксиды, — более высокие потери (tg б = =0,0090). Закаленное стекло имеет диэлектрические потери в 2 раза большие, чем отожженное стекло.

Кристаллизация стекла обычно приводит к сниже­нию его диэлектрических потерь, особенно в том случае, когда щелочные ионы входят в состав кристаллической фазы. На диэлектрические потери стеклокристалличес - ких материалов в общем виде влияют природа кристал­лических фаз, соотношение их объема с объемом стек­ловидной фазы, степень однородности структуры ситал - ла. Шлакоситаллы имеют tg 6=0,004—0,007 при частоте 1010 Гц.

Диэлектрическая прочность. Способность диэлектри­ка выдерживать действие высокого напряжения без раз­рушения и ухудшения диэлектрических свойств называ­ется диэлектрической прочностью. Напряжение, при котором происходит пробивание образца стекла, отне­сенное к его толщине в месте пробоя, называется про­бивным напряжением. Его размерность f/цр, кВ/м.

Для обычных промышленных стекол Unp составляет 102 (160—640) кВ/м. Для кварцевого стекла Ощ, 420Х ХЮ2 кВ/м. В нашей стране для изготовления изоляторов применяют высокоглиноземистое малощелочное стекло марки 13в с высокой диэлектрической прочностью.