CC BY
38
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 91 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТАЛЬКА
К. М. КЕВРОЛЕВА
Изучение электрической прочности талька имеет как теоретический, так и чисто практический интерес. Кристаллы талька имеют пластинчатое (пакетное) строение. Пакеты, состоящие в основном из окислов Л^ и 51, связываются молекулами кристаллизационной воды, часть которых входит и внутрь пакетов [1]. Структурная формула талька
НО — Б! — О — — 0 — 81 — 0 — 1^ — О — - Л^ - О-Б! - ОН
¡1 II II II
0 0 0 0
химическая—ЗMg 04 8Ю2Н20. Температурно-частотные максимумы угла потерь, экспериментально полученные и теоретически обоснованные в работах К. А. Водопьянова и его сотрудников [2], объясняются релаксационной поляризацией молекул кристаллизационной воды.
Представляет интерес выяснить, проявят ли себя молекулы кристаллизационной воды при разной скорости воздействия напряжения в сильных полях, как будет изменяться электрическая прочность талька при удалении кристаллизационной воды и с физико-химическими изменениями, происходящими в тальке при высоких температурах. Литературные данные об электрической прочности талька отсутствуют. Мы провели систематическое изучение свойств талька на постоянном, переменном, импульсном напряжении длительностью Ю-1 — 10^ сек. Материалом для исследования служил тальк пластинчатый онотского месторождения и тальк молотый китайский, онотского и миасского месторождений.
На рис. 1, 2 представлена зависимость электрической прочности пластинчатого талька от толщины образца на постоянном и импульсном напряжении длительностью 7 мк/сек.
Электрическая прочность в условиях однородного поля на импульсном напряжении колеблется от 3,3 мв/см при толщине образца 45 микрон до 600 нв!см для образцов толщиной 400 микрон; на постоянном токе—от 480 кв/см при толщине 115 микрон до 100 кв/см для образцов толщиной 500 микрон.
Такая явно выраженная зависимость электрической прочности талька пластинчатого от толщины объясняется слоистой структурой талька и неоднородностью поля.
Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения представлена на рис. 3. Аналогично данным Г. А. Воробьева [3] для щелочно-галоидных кристаллов отмечается значительное повышение электрической прочности талька при уменьшении длительности воздействия импульса до 10~7 сек, что следует отнести за счет запаздывания формирования разряда.
Для установления характера пробоя талька на импульсном, постоянном и переменном напряжениях была снята температурная зависимость
электрической прочности в пределах от 20 до 400°С на постоянном и пе ременном напряжении (рис. 4) и от 20 до 650°С на импульсном напряжении (рис. 5).
На постоянном и переменном напряжении электрическая прочность значительно ниже, чем на импульсном.
1000
500
Е пр. кб/см
, 100 200 300 400 500 Толщина образца 8 микрона:-
Рис. I. Зависимость электрической прочности талька пластинчатого от толщины образца на постоянном напряжении. Поле однородное.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
\ | 1
\
\
\
> о
» п
0 10 0 2 0 0 300 400 500 600 700 Толщина образца 6 микронах
Рис. 2. Зависимость электрической прочности талька пластинчатого от толщины образца на импульсном напряжении длительностью 7 MK¡ceK. Поле однородное.
Импульсная электрическая прочность талька практически не зависит от температуры в интервале от 20 до 400°С, затем при дальнейшем повышении до 650°С электрическая прочность падает, что связано, вероятно, с переходом электрической формы пробоя в тепловую. На постоянном и
3000
2500
52000
1500
2 1000
500
10
к
N к i
i-1 \ 1
■
1 г..... \ i \
„ | » 1 —t
пост, переа ток ток
Рис. 3. Зависимость з лектрическои прочности талька пля-стинчатого от времени воздействия напряжения Поле однородное.
переменном напряжении пробой тепловой. При пробое в условиях комнатной температуры наблюдался нагрев образца. При повышении температуры до 150°С в связи с удалением гигроскопической воды, находящейся между пакетами талька и части кристаллизационной, электропроводность талька, вероятно, снижается, что ведет к увеличению электрической прочности.
На переменном напряжении подъем Env с увеличением температуры меньше, чем на постоянном, это может быть объяснено тем, что тепловой пробой на переменном напряжении обусловлен не только током проводимости, но и поляризационными явлениями (дипольная поляризация и др.). Уменьшение электрической прочности с 200°С и более можно объяснить тем, что с увеличением температуры облегчается тепловой пробой, что установлено для всех диэлектриков.
375
250
125 О
20 70 120 170 220 270 320
'Температура "С
Рис. 4. Зависимость электрической прочности талька пластинчатого от температуры.
1 — постоянное напряжение 2 — переменное напряжение. Поле однородное. Пробой в воздухе.
Зависимость от температуры снималась в условиях однородного поля в воздухе. На прессованных образцах была исследована зависимость электрической прочности от химического состава талька (рис. 6). Пробой производился в кремнеорганической жидкости при температурах — 40 -(- 250°С на постоянном напряжении; поле однородное, диаметр лунки 13 мм, толщина образца 150 микрон, давление опрессования 2000 кг\смг. Обжиг образцов производился в силитовых печах до 1300°С, со скоростью подъема температуры 100° в час.
2400 1600
800
0
•60 0 40 140 240 340 440 540 640 Температура *С
Рис. 5. Зависимость " электрической прочности от температуры на импульсном напряжении (10-6 сек).
На этом же рисунке пунктиром представлена зависимость электрической прочности от температуры для керамических материалов С—61, СК —1, ТК—21 на основе талька, полученные X. С. Валеевым [4]. Как видно из рис. 6, характер зависимости электрической прочности от температуры у талька и керамических материалов повторяется, а абсолютные значения Епр керамических материалов ниже. Следовательно, механизм пробоя у керамических материалов и прессованных образцов талька одинаковый, и высокая электрическая прочность указанных керамических материалов обусловлена высокими электрическими свойствами самого талька. Наибольшей
Епр ко/см
Е пр. ко/см
с О Епр. макс. о
0
• £пр. *
электрической прочностью в наших исследованиях обладают образцы талька китайского, имеющего по данным химического анализа меньший процент потерь при прокаливании и больший процент основных окислов, чем у талька онотского и миасского месторождений.
1250
1000
750
500
_I__
=—1 и— -ч
2 ск-1 —"п -
с^Н тк-2\
50
Рис. 6. Зависимость электрической прочности талька прессованного от температуры и химического состава. Пробой на постоянном токе. Поле однородное.
Ь Тальк онотский. 2. Тальк миасский. 3. Тальк китайский.
Температура 0С
Тальк А^05Ю2Са0 в % Потери п п в %
Онотский 93,4 6,35
Миасский 92,1 5,65
Китайский 95,4 5,21
Для установления влияния кристаллизационной воды на электрическую прочность талька была снята зависимость от температуры дегидратации. В тальке два кремнекислородных тетраэдра связаны слоем А^ (ОН)2 обра-
о
зуя трехслойный пакет толщиной 6,4 А.
I 4000
о *
\j200 с:
§ гиоо <
/1 160а >
800
О
О
о < о
- • •
• • * ■ *
• 1 ,
100 400 +300 *500 + 700 +900+1100 +1300
Температура прокалки
Рис.7 — Зависимость электрической прочности талька пластинчатого на импульсном и постоянном напряжении от температуры дегидратации. Поле однородное.
О — максимальное значение, ф —среднее значение на импульсном напряжении 10-6 сек; Д — постоянный ток.
Связь между пакетами осуществляется слабыми вандерваальсовскими силами. Общее количество кристаллизационной воды в тальке пластинчатом 5>5%, из них 0,4% молекулярной воды, находящейся внутри и между
пакетами, и 5,1% конституционной воды, входящей в виде гидроксильных групп.
Удаление кристаллизационной воды происходит по следующим этапам: [5]
80—150°С —удаление гигроскопической воды.
150 — 200°С — удаление молекулярной воды между пакетами.
300 — 500°С —удаление молекулярной воды внутри слоев.
600 — 1050°С — удаление гидроксильной воды.
До 600°С в кристаллической решетке талька не происходит изменений, а с 600°С начинается перегруппировка ионов внутри решетки [6].
Химический анализ талька из различных месторождений указывает, что количество кристаллизационной воды колеблется от 2,3 до 6%.
На образцах тальков, применяемых нами при исследовании, сотрудниками ГИЭКИ были сняты термографические кривые, отмечающие различную интенсивность периодов дегидратации, а также кривые изменения веса и объема.
Таким образом, мы имели возможность определить наличие воды при разных температурах дегидратации.
На рис. 7 приводятся значения электрической прочности талька онот-ского на импульсном и постоянном напряжении в зависимости от температуры дегидратации.
На импульсном напряжении длительностью 7 мк\сек зависимость Епр талька от степени прокалки не обнаружена для образцов толщиной от 40 до 150 микрон, на постоянном напряжении электрическая прочность растет с увеличением температуры дегидратации.
Таким образом, кристаллизационная вода как молекулярная, так и конституционная не проявляет себя при воздействии импульсного напряжения х=10"6 сек и снижает электрическую прочность на постоянном напряжении.
Выводы
1. Тальк онотский пластинчатый имеет высокую электрическую прочность. Епр образцов талька толщиной 40—50 микрон в однородном поле на импульсном напряжении т = 10~6 сек достигает 3 мв/см.
2. Пробой талька пластинчатого на импульсном напряжении электрический, на постоянном и переменном—тепловой.
3. Кристаллизационная вода в тальке не проявляет себя при изменении времени воздействия напряжения от 10~7 до Ю-4 сек и при дегидратации талька в температурном интервале от 100 до 1300°С.
4. Кристаллизационная вода снижает электрическую прочность талька на постоянном и переменном (50 гц) напряжении.
5. Электрическая прочность прессованных образцов талька повышается с увеличением % содержания основных окислов и уменьшением потерь при прокаливании.
6. Электрическая прочность прессованных образцов талька с последующим отжигом при температуре 1300°С на постоянном напряжении значительно выше, чем электрическая прочность образцов талька без термической обработки. Электрическая прочность талька на импульсном напряжении онотского как пластинчатого, так и прессованного, прокаленного при 1300°С, практически одинакова.
Настоящая работа проводилась по предложению и под научным руководством А. А. Воробьева, которому автор выражает свою искреннюю благодарность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гассель О. Кристаллохимия. ОНТИ, 1931.
2. Водопьянов К. А. ЖТФ, том XXIV, вып. 1, 1954.
3. Воробьев Г. А. ЖЭТФ, том XXX, вып. 2, 1956.
4. Валеев X. С. Электричество № 4, стр. 56—61, 1955.
5. Августинник А. И. Вигдергауз В. С. Труды Ленинградского технологического института, вып. 20, стр. 69—83, 1951.
6. С вер ч ко в а Л. А. Диссертация. Ленинградский технологический институт, 1949.
Томский политехнический институт
ф
