Оксидная изоляция

Оксидная изоляцияОКСИДНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ представляет собой окись или гидроокись металла, образующуюся на его поверхности в результате химической реакции соединения металла с кислородом. Окислы некоторых металлов, как например, тантала, алюминия, магния и др., обладают высокими электроизолирующими свойствами. Особый технический интерес представляет оксидная изоляция на алюминии. Его соединение с кислородом (Аl2O3) весьма устойчиво. Вследствие чрезвычайной химической активности алюминия, по отношению к кислороду, на поверхности алюминия в атмосфере воздуха всегда образовывается естественным окислением оксидный слой. Свежесрезанный алюминий покрывается такой пленкой в течение долей секунды. Этот слой выдерживает лишь доли V и не представляет технического интереса как изолирующий материал. Оксидная изоляция, имеющая техническое значение, получается искусственным способом. Таких способов известно три: 1) термическая обработка (нагревание металла), при которой высокая температура способствует более активному окислению поверхности металла, чем в естественных условиях; 2) химическая обработка различными кислотами и щелочами. Эти два способа большого технического интереса для электроизоляционных целей также не представляют, т. к. оксидный слой, таким способом полученный, выдерживает десятки V; 3) наилучшим способом получения более толстого и электрически более прочного оксидного слоя на алюминии является электролитический.

Этот способ называется также анодной поляризацией металла. Для этой цели алюминий погружается в электролит в качестве электрода и под действием электрического тока, пропускаемого через электролит, кислород, соединяясь с алюминием, образует на его поверхности слой окиси Аl2O3, а иногда гидроокиси Аl2O32O. Единой общепризнанной теории, объясняющей механизм образования оксидного слоя, пока не существует. Имеются лишь попытки объяснить явление вентильного действия этого слоя, которое связано с процессом образования самого слоя. Сюда относятся теории Гюнтертульце, Добиаш и др. Оксидные слои, получаемые электролитическим способом , можно разделить по их свойствам и применениям на два класса.

Класс I. Весьма тонкие пленки (порядка сотых и десятых долей мкм), применяющиеся в электролитических выпрямителях и в качестве диэлектрика в электрических конденсаторах. В электролитических выпрямителях вентильным действием обладает оксидный слой, образующийся на вентильном металле в момент, когда он является анодом. Вентильное действие обнаружено у следующих металлов: Сu, Be, Mg, Zn, Cd, Al, Sn, Pb, Nb, Та, Sb, W, U, Fe, Co, Ni. Вентильное действие бывает полным и неполным. Полное, - когда вентильный металл не растворяется в электролитах, неполное - растворимость вентильного металла искажает явление. Вентильное действие наиболее полно изучено на тантале, который дает полное вентильное действие почти во всех электролитах. Для получения оксидных слоев для электрических конденсаторов обычно употребляют водный раствор аммонийных солей (углекислый или борнокислый аммоний). Основные требования к электролиту следующие: наименьшее растворение оксидного слоя; достижение наибольшего «критического» напряжения, т. е. напряжения, при котором появляется искрение; быстрое формование оксидного слоя; получение наибольшей емкости на единицу площади слоя и наименьшего тока утечки на единицу емкости. «Критическое» напряжение для данного - электролита тем выше, чем меньше концентрация электролита. Толщина оксидного слоя, равно как и обратная величина емкости слоя, близка к пропорциональной зависимости от величины формирующего напряжения. Электрические конденсаторы для постоянного тока изготовляются на рабочие напряжения до 500 V. По способу, разработанному в ЛЭФИ, конденсаторы на напряжение до 100 V формируются в водном растворе двууглекислого аммония концентрации 0,1 N, на 400 V - 0,001 N. Основным условием для работы подобного диэлектрика в конденсаторе является необходимость постоянного присутствия электролита либо в свободном (жидком) виде - такие конденсаторы называются жидкостными - либо в бумаге, тканях или массах типа желатины, пропитанных ею и проложенных между обкладками конденсатора; такие конденсаторы называются полусухими. В качестве рабочего электролита употребляется раствор соли, в котором формировался оксидный слой, в глицерине. Длительность формирования для низковольтных конденсаторов 30—40 мин. Плотность тока при электролизе заметно не влияет на диэлектрические свойства оксидного слоя. Диэлектрический коэффициент такого диэлектрика ε = 8—12. Удельное объемное сопротивление порядка 1013 Ом·см. Емкость слоя для единицы поверхности металла для низковольтных конденсаторов равна 0,2—0,5 мкF/см2, ток утечки 10-5—10-7 A/мкF. При рабочем напряжении в 400 V емкость единицы поверхности 0,01—0,02 мкF/cм2 и  ток утечки 10-4 A/мкF.

Класс II. Толстые оксидные слои, выдерживающие напряжение в несколько тысяч V и работающие в сухом виде. Толщина такого слоя оксидной изоляции достигает нескольких десятых долей мм.

Оксидная изоляция представляет большой интерес для техники сильных токов. Основные преимущества ее заключаются в следующем: исключительная теплоемкость (температура плавления оксидной изоляции 2050°С); хорошие диэлектрические свойства (при температуре 250°С удельное объемное сопротивление 1013 Ом·см, tg δ = 0,04); процесс получения изолирующего материала и процесс изолирования проводника в этом случае соединяются в один простой технологический процесс электролиза; уменьшение веса и высокий коэффициент заполнения паза. Для получения окисной изоляции употребляют в качестве электролита водный раствор H24 (1 N-й концентрации); Н2С2О4 (2 N-й концентрации); СгО3 - 3% и др. Электролиз ведется постоянным или переменным током, а еще лучше при одновременном действии обоих видов тока. Схема наложения токов показана на фигуре (В - ванна, а -алюминиевый электрод, k - катод, R1, R2 - сопротивления, L - дроссельная катушка, С - конденсатор). Наложение токов наиболее благоприятно для электролитического окисления в Н2С2O4, а для H2SO4 выгоднее и удобнее употреблять один переменный ток. При этом вторым электродом служит графит. Диэлектрические свойства оксидной изоляции зависят от рода, концентрации и температуры электролита, состава алюминия, вида и плотности тока и количества протекшего электричества; температуру наиболее выгодно поддерживать 25—30°С. Для получения более гибкой изоляции полезно содержание в алюминии 2—5% меди. Более толстую оксидную изоляцию с пробивным напряжением порядка 9 kV и более можно получить в горячем электролите, но только на пластинах. Такая изоляция очень хрупка и отслаивается. Оксидная изоляция на проволоке напряжением выше 400 V имеет продольные трещины. Поверхность алюминия предварительно протравливается в 10%-ной КОН и тщательно вымывается дистиллированной водой. После электролиза оксидная изоляция отмывается от остатков электролита в горячей воде и высушивается. С целью равномерного покрытия алюминия электролит необходимо во время электролиза перемешивать. Перемешивание осуществляется продуванием сжатого воздуха через отверстия стеклянной трубки, погруженной в электролитическую ванну. Постоянная температура электролита поддерживается либо путем пропускания проточной воды через алюминиевый змеевик, погруженный в ванну, либо применением проточного электролита.

Оксидная изоляция чрезвычайно гигроскопична. В атмосфере 100%-ной влажности, она поглощает до 35% воды. Диэлектрические свойства несушеной оксидной изоляции обусловливаются водой, абсорбированной ею. Зависимости удельного сопротивления ϱ и tg угла потерь несушеной оксидной изоляции на алюминии от температуры при атмосферном давлении приведены в табл. 1.

Зависимости удельного сопротивления ϱ и tg угла потерь несушеной оксидной изоляции на алюминии от температуры при атмосферном давлении

Уменьшение потерь и проводимости с повышением температуры обусловливается удалением с поверхности и из пор оксидной изоляции. Рентгеновский анализ показывает, что структура оксидной изоляции - мелкокристаллическая модификация Аl2O3. Микроструктура оксидной изоляции такова: у самой поверхности алюминия откладывается плотный слой толщиной в несколько мкм, а на него уже откладывается более толстый и сильно пористый слой. Электрическая прочность оксидной изоляции порядка 100—300 кV/см2. Она не зависит от температуры вплоть до 500°С. Явления теплового пробоя не наблюдается. Компаундирование парафином или маслом предварительно высушенной в вакууме оксидной изоляции повышает электрическая прочность в несколько раз. Заполнение пор сжатым газом также повышает прочность - при 14 atm в 2—3 раза. Толщина оксидной изоляции может быть измерена тремя способами: 1) в случае тонких слоев - по интерференционной окраске, 2) измерением на поперечном шлифе и 3) непосредственным измерением слоя, отделенного от металла микрометром. Последний способ - наиболее удобный. Для отделения оксидной изоляции от алюминия окисленная платина погружается в сернокислый алюминий, через который пропускается постоянный ток. Пластинка со слоем окиси служит катодом. Через 1—2 мин. Оксидная изоляция отделяется от алюминия отдельными кусочками; температура электролита при этом 50—60°С.

Главным недостатком оксидной изоляции является ее хрупкость, возрастающая с увеличением толщины изоляции. При изгибах она образует трещины до поверхности металла, видимые даже невооруженным глазом. Этот недостаток в сильной степени ограничивает возможность применения оксидной изоляции в технике. Для получения в проводах менее хрупкой оксидной изоляции применяется способ изгибания проволоки в электролитической ванне во время окисления. Образующиеся при этом трещины заполняются также окислом алюминия. Оксидированные провода при изгибе на десятикратный собственный диаметр теряют электрическую прочность порядка 10—20% от начальной. Применение для электролиза токов высокой частоты также уменьшает хрупкость оксидной изоляции. Твердость оксидной изоляции тождественна с корундом 9 по шкале Мооса. Примерный расход электрической энергии (в kWh на 1 м2) при электролитическом окислении приведен в табл. 2.

Расход электрической энергии при электролитическом окислении

Несмотря на хрупкость и гигроскопичность оксидной изоляции оксидированный алюминий может найти применение для следующих целей: а) обмотки в трансформаторах (ВЭИ построены с оксидной изоляцией опытный силовой трансформатор 6600/380 V, 20 kVA; сварочный трансформатор 220/65 V, 15 kVA); б) обмотки в электродвигателях, подъемных электромагнитах и других машинах и аппаратах; в) обмотки катушек в электроизмерительных приборах; г) в качестве междувитковой изоляции в роторах турбогенераторов; в этом случае может быть либо оксидирована сама обмотка либо применяться в качестве прокладки оксидированная алюминиевая лента; д) обмотки электронагревательных приборов как широкого потребления (бытовых), так и специальных назначений; в этом случае оксидированный алюминий заменяет импортный нихром; е) конденсаторы (в особенности выгодно для низковольтных) для постоянного тока, а также для компенсации сдвига фаз в установках переменного тока.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.