La mayoría de las especificaciones tratan la silicona como un aislante: una sola palabra, una sola propiedad, extraída de una tabla. La pieza supera la prueba de alta tensión de fábrica. Se envía. Durante el primer año, cumple exactamente con lo prometido en la hoja de datos.
Luego, una terminación de alta tensión en una subestación costera comienza a presentar fallas. Una cubierta de barra colectora que superó la prueba dieléctrica desarrolla una trayectoria de carbono en su superficie después de tres inviernos de niebla salina. El material base no sufrió cambios. La falla nunca se detectaría en una prueba dieléctrica de laboratorio, ya que dicha prueba mide lo incorrecto para la aplicación.
La silicona es un aislante eléctrico potente —con una resistividad volumétrica de entre 10¹⁴ y 10¹⁵ Ω·cm y una rigidez dieléctrica de entre 18 y 25 kV/mm—, pero su capacidad aislante se define mediante cuatro valores distintos, no uno solo, y el fallo que suele provocar la avería de la mayoría de los componentes de alta tensión se debe a la descarga superficial, no a la ruptura dieléctrica interna. El mismo polímero base abarca grados semiconductores y totalmente conductores; el sistema de relleno, no la silicona, determina su naturaleza eléctrica. Aquí es donde se ubican esos límites y cómo se verifica cada uno de ellos.
Resumen ejecutivo
- La rigidez dieléctrica es un valor que depende del espesor, no de una constante del material. Un valor nominal de 23 kV/mm en una muestra de 1 mm no da como resultado 230 kV a 10 mm; el valor de kV/mm disminuye a medida que aumenta el espesor de la sección y, de nuevo, a medida que sube la temperatura.
- Los componentes de alto voltaje fallan en la superficie, no en el interior. El seguimiento y la erosión por contaminación (IEC 60587) determinan la vida útil en exteriores y en alta tensión. La silicona destaca en la recuperación de la hidrofobicidad, pero esta es una propiedad y una prueba diferentes a la rigidez dieléctrica del material.
- El relleno define la clase eléctrica. El VMQ sin relleno aísla a 10¹⁵ Ω·cm; los grados con carga de carbono conducen a 10⁰–10² Ω·cm. Especificar "silicona" no indica si la pieza aísla o conduce.
Qué significa realmente “aislante”: cuatro números, no uno.
Una especificación eléctrica útil distingue cuatro propiedades, cada una con su propia prueba y su propio modo de fallo. Tratarlas como una única clasificación de "aislamiento" es donde suele comenzar la mayoría de las especificaciones insuficientes.
| Propiedad | Rango típico de VMQ | Método de prueba | Lo que te dice |
|---|---|---|---|
| resistividad volumétrica | 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm | ASTM D257 / IEC 60093 | Qué tan bien bloquea el material las fugas de corriente continua. |
| Rigidez dieléctrica | 18–25 kV/mm (sección delgada) | ASTM D149 / IEC 60243 | Gradiente de voltaje antes de la perforación |
| Constante dieléctrica (permitividad) | 2,9–4,0 | ASTM D150 / IEC 60250 | Almacenamiento de carga; aspectos relacionados con la clasificación de estrés de alta tensión y la radiofrecuencia. |
| Factor de disipación (tan δ) | ~0,001–0,01 | ASTM D150 / IEC 60250 | Energía perdida en forma de calor con el aire acondicionado; un valor bajo es bueno. |
| Resistencia del arco | Alto (forma ceniza no conductora) | ASTM D495 | Comportamiento bajo arco superficial |
El bajo factor de disipación y la permitividad estable explican por qué la silicona se utiliza en conectores de radiofrecuencia y conos de alta tensión: almacena y libera carga de forma predecible y disipa muy poca en forma de calor. Sin embargo, ninguna de estas características generales predice el comportamiento superficial que realmente rige su funcionamiento en exteriores.
La rigidez dieléctrica es un valor de espesor, no una constante del material.
Este es el dato que más se malinterpreta en la ficha técnica del silicio. La rigidez dieléctrica se expresa en kV/mm, y la gente suele asumir que su relación es lineal. Pero no es así.
A medida que aumenta el espesor de la sección, disminuye el gradiente de ruptura, en parte porque las secciones más gruesas retienen más calor durante la prueba y en parte porque aumenta la probabilidad estadística de que se forme un vacío interno o un aglomerado de relleno en el campo. Un aislante con una clasificación de 23 kV/mm a 1 mm de espesor podría ofrecer, en la práctica, casi la mitad de esa resistencia por milímetro en una pared de 6 mm. Diseñar un aislante grueso a partir de un valor de muestra delgado da como resultado una pieza que se perfora por debajo de su tensión nominal.
Dos cosas más influyen en la cifra de producción:
- Temperatura. La rigidez dieléctrica disminuye a medida que la pieza se calienta. Una funda con una clasificación de 23 °C se comporta de manera diferente al estar en contacto con una barra conductora a 150 °C. Combine esto con el comportamiento térmico del grado.
- Huecos y porosidad. Las burbujas de aire resultantes de una desgasificación incompleta o de la acumulación de material sobrante se convierten en puntos de descarga parcial. Estas burbujas superan una pequeña resistencia a alta presión y, posteriormente, erosionan el polímero circundante a lo largo de los meses.
ASTM D149 La norma IEC 60243 también permite al laboratorio elegir la aplicación de voltaje a corto plazo, paso a paso o a baja velocidad, y la geometría del electrodo y el medio circundante (aire frente a aceite) influyen en el resultado. Un valor de rigidez dieléctrica sin sus condiciones de prueba no es comparable entre diferentes proveedores.
Resistividad y el extremo conductor del rango
La palabra “silicona” no te dice nada sobre la conductividad. Lo mismo Cadena principal Si–O Abarca cuatro décadas de resistividad dependiendo del material de relleno:
- Aislamiento VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Estándar para botas, fundas y encapsulado.
- Grados semiconductores: ~10³–10⁶ Ω·cm, utilizado para la clasificación de la tensión en las terminaciones de cables de alta tensión para controlar el campo eléctrico.
- Conductivo (con negro de humo): 10⁰–10² Ω·cm, utilizado para juntas de blindaje EMI/RFI, piezas ESD y las pastillas de contacto de carbono en teclados de silicona.
La cantidad de relleno que crea conductividad también cambia el comportamiento mecánico: los grados conductores son generalmente más duros, tienen menor elongación y son más propensos a problemas de deformación permanente por compresión que la silicona sin relleno. La conductividad no es gratuita; ver grados de silicona conductora y antiestática para los objetivos de resistividad y las compensaciones mecánicas en cada nivel de relleno. ASTM D257 La norma IEC 60093 abarca tanto la resistividad superficial como la volumétrica, y ambas divergen bruscamente una vez que una pieza se contamina, lo cual es el vínculo con el modo de fallo más importante.
Seguimiento de la superficie y erosión: dónde falla realmente la silicona de alto voltaje
La rigidez dieléctrica del material rara vez es lo que daña un componente de alta tensión para uso en exteriores. El problema radica en las descargas superficiales. Bajo la influencia de la contaminación y la humedad, la corriente de fuga se concentra en bandas secas, forma arcos eléctricos y carboniza lentamente una trayectoria conductora a través de la superficie. Una vez que esta trayectoria atraviesa el componente, la resistividad del material deja de ser relevante.
La verdadera ventaja de la silicona en este caso es la hidrofobicidad, y específicamente recuperación de la hidrofobicidad. El agua forma gotas en lugar de películas, lo que mantiene baja la corriente de fuga; incluso después de que la superficie se humedezca o contamine temporalmente, las cadenas de bajo peso molecular migran a la superficie y restauran la repelencia al agua. Por esta razón, el caucho de silicona reemplazó al EPDM y la porcelana en aisladores de alta tensión y accesorios para cables. Se trata de una propiedad química superficial, no intrínseca, y está relacionada con el comportamiento hidrofóbico general del material.
Pero la hidrofobicidad no es infinita. Bajo arcos eléctricos secos sostenidos, la superficie se erosiona y la resistencia al seguimiento depende en gran medida del relleno. trihidrato de alúmina (ATH) Se añade específicamente para mejorar el seguimiento y el rendimiento frente a la erosión mediante la liberación de agua y la formación de un residuo inorgánico protector. Las pruebas que rigen son diferentes a todo lo anterior:
- IEC 60587 — Seguimiento de planos inclinados y erosión, la prueba exterior principal de HV
- IEC 60112 (CTI) — Índice de seguimiento comparativo para el diseño de fugas de bajo voltaje
- ASTM D495 — resistencia al arco de alto voltaje
Un equipo que especifica únicamente la rigidez dieléctrica volumétrica para una pieza de exterior ha probado la propiedad con menor probabilidad de fallar y ha ignorado la que tiene mayor probabilidad de hacerlo.
Envejecimiento, descarga parcial y deriva lenta
Las propiedades eléctricas de la silicona se mantienen en un rango de temperatura más amplio que los cauchos orgánicos, aproximadamente de -50 °C a 200 °C con poca variación en la resistividad o la permitividad. Esa estabilidad es real y es una razón genuina para elegirla. La deriva proviene de la mecánica, no de la electricidad. química.
En una aplicación de sellado o encapsulado, la deformación permanente por compresión abre microbrechas con el tiempo. Esas brechas se convierten en puntos de descarga parcial. La descarga parcial no daña la pieza el primer día; erosiona el polímero en la pared del hueco, lentamente, hasta que se forma un camino, a menudo años después de una prueba de alta tensión en fábrica sin defectos. La pieza no adquirió una rigidez dieléctrica peor. Desarrolló una geometría interna que la prueba original nunca detectó. Este es el error que cometen los equipos: la validación captura la pieza tal como se moldea, no la pieza como envejecido y comprimido.
Por qué los equipos subestiman esto
El patrón es consistente. "El silicio es un aislante" es cierto, por lo que se trata como una única propiedad binaria y la especificación se detiene ahí. Tres aspectos quedan entonces sin abordar.
Primero, la rigidez dieléctrica se considera una constante escalable, por lo que las secciones gruesas se diseñan a partir de datos de muestras delgadas y el margen de seguridad desaparece silenciosamente. Segundo, se prueba la ruptura dieléctrica volumétrica, mientras que el seguimiento superficial —el modo de falla real en exteriores— nunca se especifica, porque requiere una norma diferente que la mayoría de los compradores desconocen. Tercero, la pieza se califica tal como está moldeada, por lo que la erosión por descarga parcial y las holguras por deformación permanente, que tardan años en desarrollarse, nunca aparecen en la validación.
Nada de esto se debe a incompetencia. El problema radica en que la propiedad principal es fácil de encontrar, mientras que las propiedades que la rigen no aparecen en la primera página de la ficha técnica.
Lo que necesito antes de confirmar una calificación
Antes de decidirme por un grado eléctrico, un sistema de relleno y un curado, envíenme las condiciones que realmente influyen en estos números:
- Tensión de funcionamiento, forma de onda (CC/CA/pulso) y funcionamiento continuo frente a transitorio.
- Sección de pared aislante más delgada del diseño
- Interior o exterior, nivel de contaminación y humedad
- Temperatura de funcionamiento y temperatura máxima en la pieza
- Ya sea que la pieza deba aislar, ser de grado de resistencia (semiconductora) o conducir
- Objetivos de cumplimiento: UL 746 (RTI), clase de seguimiento IEC 60587 y cualquier clasificación de inflamabilidad, que se relaciona con el comportamiento de la llama y el fuego del grado
Con esos datos, puedo indicarle si un VMQ aislante estándar es adecuado, si necesita un grado resistente a la descarga con relleno de ATH o si la aplicación requiere un compuesto semiconductor o conductor. Sin conocer el voltaje, el espesor de la pared y el entorno, cualquier valor dieléctrico que le proporcione describe una muestra de prueba, no su pieza.
Referencias y estándares
- ASTM D149 — Tensión de ruptura dieléctrica y rigidez dieléctrica de materiales aislantes eléctricos sólidos — ASTM Internacional
- ASTM D257 — Resistencia o conductancia de CC de materiales aislantes — ASTM Internacional
- ASTM D150 — Características de pérdida de CA y permitividad (constante dieléctrica) del aislamiento eléctrico sólido — ASTM Internacional
- ASTM D495 — Resistencia al arco seco de alta tensión y baja corriente de aislamiento eléctrico sólido — ASTM Internacional
- IEC 60587:2022 — Resistencia al seguimiento eléctrico y a la erosión de materiales aislantes — Comisión Electrotécnica Internacional
- IEC 60112 — Índice de seguimiento comparativo (CTI) — Soluciones UL
- UL 746B — Materiales poliméricos, evaluaciones de propiedades a largo plazo (RTI) — Normas y participación de UL
- Trihidrato de alúmina (ATH) / Hidróxido de aluminio: mecanismo ignífugo — Temas de ScienceDirect
