بیشتر مشخصات فنی، سیلیکون را به عنوان “عایق” در نظر میگیرند - یک کلمه، یک ویژگی، از یک نمودار انتخاب شده است. این قطعه تست هیپوت کارخانه را با موفقیت پشت سر میگذارد. ارسال میشود. در سال اول دقیقاً همان کاری را که برگه اطلاعات وعده داده بود، انجام میدهد.
سپس یک ترمینال ولتاژ بالا در یک پست فرعی ساحلی شروع به ردیابی میکند. یک باسبار که آزمایش دیالکتریک را با موفقیت پشت سر گذاشته است، پس از سه زمستان مه نمکی، یک مسیر کربنی در امتداد سطح خود ایجاد میکند. هیچ چیز در ماده اولیه تغییر نکرد. این خرابی هرگز قرار نبود در آزمایش دیالکتریک آزمایشگاهی نشان داده شود، زیرا آن آزمایش، مورد اشتباهی را برای کاربرد مورد نظر اندازهگیری میکند.
سیلیکون یک عایق الکتریکی قوی است - مقاومت حجمی حدود 10¹⁴–10¹5Ω·cm و مقاومت دیالکتریک 18-25 کیلوولت بر میلیمتر - اما “عایق بودن” چهار عدد جداگانه است، نه یک عدد، و خرابی که به اکثر قطعات ولتاژ بالا پایان میدهد، ردیابی سطح است، نه خرابی حجمی. همان پلیمر پایه، گریدهای نیمهرسانا و کاملاً رسانا را نیز در بر میگیرد. سیستم پرکننده، نه سیلیکون، هویت الکتریکی را تعیین میکند. اینجاست که آن مرزها قرار میگیرند و نحوهی تأیید هر یک از آنها مشخص میشود.
خلاصه اجرایی
- استحکام دیالکتریک یک عدد ضخامت است، نه یک ثابت ماده. یک گرید با ولتاژ نامی ۲۳ کیلوولت بر میلیمتر روی یک نمونه ۱ میلیمتری، ولتاژ ۲۳۰ کیلوولت در ۱۰ میلیمتر به شما نمیدهد - مقدار کیلوولت بر میلیمتر با افزایش ضخامت مقطع و دوباره با افزایش دما کاهش مییابد.
- قطعات ولتاژ بالا در سطح دچار خرابی میشوند، نه در کل بدنه. ردیابی و فرسایش تحت آلودگی (IEC 60587) عمر در فضای باز و فشار قوی را تعیین میکنند. سیلیکون در اینجا از نظر بازیابی آبگریزی برنده است، اما این یک ویژگی متفاوت و یک آزمون متفاوت از مقاومت دیالکتریک حجمی است.
- پرکننده کلاس الکتریکی را تعریف میکند. VMQ پرنشده در 10¹⁵ Ω·cm عایق است؛ گونههای پرشده با کربن در 10⁰–10² Ω·cm رسانا هستند. ذکر “سیلیکون” هیچ چیزی در مورد عایق یا رسانا بودن قطعه نمیگوید.
معنی واقعی “عایقبندی” چیست: چهار عدد، نه یک عدد
یک مشخصات الکتریکی قابل استفاده، چهار ویژگی را از هم جدا میکند که هر کدام آزمایش و حالت خرابی خاص خود را دارند. در نظر گرفتن آنها به عنوان یک رتبهبندی “عایقبندی” واحد، جایی است که اکثر موارد عدم رعایت مشخصات شروع میشود.
| ویژگی | محدوده معمول VMQ | روش آزمون | آنچه به شما میگوید |
|---|---|---|---|
| مقاومت ویژه حجمی | ۱۰¹⁴–۱۰¹⁵ اهم·سانتیمتر | ASTM D257 / IEC 60093 | چقدر خوب جلوی نشت جریان مستقیم را میگیرد |
| قدرت دی الکتریک | ۱۸–۲۵ کیلوولت بر میلیمتر (بخش نازک) | ASTM D149 / IEC 60243 | گرادیان ولتاژ قبل از سوراخ شدن |
| ثابت دیالکتریک (گذردهی الکتریکی) | ۲.۹–۴.۰ | ASTM D150 / کمیسیون مستقل انتخابات ۶۰۲۵۰ | ذخیره بار؛ موارد مهم برای درجهبندی تنش HV و RF |
| ضریب اتلاف (tan δ) | ~۰.۰۰۱–۰.۰۱ | ASTM D150 / IEC 60250 | انرژی به صورت گرما در سیستم تهویه مطبوع از دست میرود؛ مقدار کم آن خوب است |
| مقاومت در برابر قوس | زیاد (خاکستر غیر رسانا تشکیل میدهد) | ASTM D495 | رفتار تحت قوس سطحی |
ضریب اتلاف پایین و گذردهی الکتریکی پایدار دلیل حضور سیلیکون در کانکتورهای RF و مخروطهای تنش HV هستند - این ماده بار را به طور قابل پیشبینی ذخیره و آزاد میکند و مقدار کمی از آن را به صورت گرما هدر میدهد. اما هیچ یک از این اعداد حجمی، رفتار سطحی را که در واقع بر خدمات در فضای باز حاکم است، پیشبینی نمیکنند.
قدرت دیالکتریک یک عدد ضخامت است، نه یک ثابت ماده
این تنها رقم اشتباه در برگه اطلاعات سیلیکون است. مقاومت دیالکتریک بر حسب کیلوولت بر میلیمتر گزارش میشود و مردم بیسروصدا فرض میکنند که این مقیاس به صورت خطی است. اما اینطور نیست.
با افزایش ضخامت مقطع، گرادیان شکست کاهش مییابد - تا حدودی به این دلیل که مقاطع ضخیمتر گرمای بیشتری را در طول آزمایش به دام میاندازند، و تا حدودی به این دلیل که احتمال آماری وجود یک حفره داخلی یا کلوخه پرکننده که در محل قرار دارد، افزایش مییابد. درجهای که ۲۳ کیلوولت بر میلیمتر را در ۱ میلیمتر نشان میدهد، ممکن است به طور مؤثر نزدیک به نصف این مقدار در هر میلیمتر را در یک دیوار ۶ میلیمتری ارائه دهد. طراحی یک عایق ضخیم بر اساس یک عدد نمونه نازک، روشی است که در نهایت منجر به سوراخ شدن قطعهای با ولتاژ کمتر از ولتاژ نامی آن میشود.
دو چیز دیگر باعث تغییر تعداد در تولید میشود:
- دما. با گرم شدن قطعه، استحکام دیالکتریک کاهش مییابد. یک بوت با دمای ۲۳ درجه سانتیگراد، در مقایسه با یک باسبار با دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد، رفتار متفاوتی دارد. این را با رفتار حرارتی گرید مربوطه ترکیب کنید.
- حفرهها و تخلخل. حبابهای هوا ناشی از گاززدایی ناقص یا فلش به دام افتاده، به محلهای تخلیه جزئی تبدیل میشوند. آنها از یک هیپوت کوتاه عبور میکنند و سپس طی ماهها پلیمر اطراف را فرسایش میدهند.
ASTM D149 و IEC 60243 همچنین به آزمایشگاه اجازه میدهد اعمال ولتاژ کوتاهمدت، گامبهگام یا با نرخ پایین را انتخاب کند، و هندسه الکترود و محیط اطراف (هوا در مقابل روغن) همگی نتیجه را تغییر میدهند. یک رقم مقاومت دیالکتریک بدون شرایط آزمایش آن، بین تأمینکنندگان قابل مقایسه نیست.
مقاومت ویژه و انتهای رسانایی محدوده
کلمه “سیلیکون” هیچ چیزی در مورد رسانایی به شما نمیگوید. ستون فقرات Si-O بسته به نوع پرکننده، چهار دهه مقاومت ویژه را پوشش میدهد:
- عایق VMQ: ۱۰¹⁴–۱۰¹⁵ اهم·سانتیمتر. استاندارد برای چکمه، آستین، محفظه.
- گریدهای نیمه رسانا: حدود ۱۰³–۱۰⁶ اهم·سانتیمتر، برای درجهبندی تنش در انتهای کابلهای فشار قوی جهت کنترل میدان الکتریکی استفاده میشود.
- رسانا (حاوی کربن سیاه): ۱۰⁰–۱۰² اهم·سانتیمتر، مورد استفاده برای واشرهای محافظ EMI/RFI، قطعات ESD و قرصهای تماس کربنی در صفحه کلیدهای سیلیکونی.
بارگذاری پرکننده که رسانایی را ایجاد میکند، رفتار مکانیکی را نیز تغییر میدهد - گونههای رسانا عموماً سختتر، دارای کشیدگی کمتر و مستعد مشکلات ناشی از فشردهسازی نسبت به سیلیکون بدون پرکننده هستند. شما رسانایی را رایگان به دست نمیآورید. ASTM D257 استاندارد IEC 60093 هر دو مقاومت سطحی و حجمی را پوشش میدهد و این دو به محض آلودگی یک قطعه، که پلی به سمت حالت خرابی است که بیشترین اهمیت را دارد، به شدت از هم دور میشوند.
ردیابی سطح و فرسایش: جایی که سیلیکون ولتاژ بالا در واقع از کار میافتد
مقاومت دیالکتریک حجمی به ندرت چیزی است که یک قطعه HV در فضای باز را از کار میاندازد. ردیابی سطح این کار را انجام میدهد. در شرایط آلودگی و رطوبت، جریان نشتی به صورت نوارهای خشک و قوسها متمرکز میشود و به آرامی یک مسیر رسانا را در سراسر سطح کربنیزه میکند. هنگامی که آن مسیر قطعه را به هم متصل میکند، مقاومت حجمی بیاهمیت میشود.
مزیت واقعی سیلیکون در اینجا آبگریز بودن آن است - و به طور خاص بازیابی آبگریزی. دانههای آب به جای لایه نازک، که جریان نشتی را پایین نگه میدارد؛ حتی پس از اینکه سطح به طور موقت خیس یا آلوده شود، زنجیرههای با وزن مولکولی کم به سطح مهاجرت کرده و خاصیت دفع آب را بازیابی میکنند. به همین دلیل است که لاستیک سیلیکونی جایگزین EPDM و چینی در عایقهای فشار قوی و لوازم جانبی کابل شده است. این یک خاصیت شیمی سطح است، نه یک خاصیت حجمی، و به رفتار آبگریز گستردهتر ماده مرتبط است.
اما آبگریزی بینهایت نیست. تحت قوس الکتریکی مداوم نوار خشک، سطح فرسایش مییابد و مقاومت در برابر ردیابی به شدت به پرکننده بستگی دارد - تری هیدرات آلومینا (ATH) به طور خاص برای بهبود عملکرد ردیابی و فرسایش با آزاد کردن آب و تشکیل یک باقیمانده معدنی محافظ اضافه میشود. آزمایشهای حاکم با هر چیز دیگری که در بالا ذکر شد متفاوت است:
- کمیسیون مستقل انتخابات ۶۰۵۸۷ — ردیابی سطح شیبدار و فرسایش، آزمایش هسته فشار قوی در فضای باز
- IEC 60112 (CTI) - شاخص ردیابی مقایسهای برای طراحی خزشی ولتاژ پایینتر
- ASTM D495 - مقاومت قوس الکتریکی ولتاژ بالا
تیمی که فقط مقاومت دیالکتریک حجمی را برای یک قطعه در فضای باز مشخص میکند، قطعهای را که کمترین احتمال خرابی را دارد، آزمایش کرده و قطعهای را که بیشترین احتمال خرابی را دارد، نادیده گرفته است.
پیری، تخلیه جزئی و رانش آهسته
خواص الکتریکی سیلیکون در مقایسه با لاستیکهای آلی، در محدوده دمایی وسیعتری - تقریباً از 50- درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد - با تغییر اندک در مقاومت یا گذردهی الکتریکی، حفظ میشود. این پایداری واقعی است و دلیل اصلی برای انتخاب آن است. این رانش از مکانیک ناشی میشود، نه ... شیمی.
در کاربردهای آببندی یا گلدانسازی، فشردهسازی به مرور زمان شکافهای ریز را باز میکند. این شکافها به محلهای تخلیه جزئی تبدیل میشوند. تخلیه جزئی در روز اول قطعه را نمیشکند؛ بلکه پلیمر را به آرامی در دیواره حفرهها فرسایش میدهد تا مسیری ایجاد شود - اغلب سالها پس از یک هیپوت کارخانهای تمیز. قطعه استحکام دیالکتریک بدتری پیدا نکرد. هندسه داخلی آن به گونهای شد که آزمایش اصلی هرگز ندیده بود. این شکافی است که تیمها از دست میدهند: اعتبارسنجی قطعه را به صورت قالبگیری شده ثبت میکند، نه قطعه را به صورت کهنه و فشرده.
چرا تیمها این را دست کم میگیرند
این الگو ثابت است. جملهی “سیلیکون یک عایق است” درست است، بنابراین به عنوان یک ویژگی دوتایی واحد در نظر گرفته میشود و مشخصات در همین جا متوقف میشود. پس سه چیز بدون پاسخ میماند.
اول، مقاومت دیالکتریک به عنوان یک ثابت مقیاسپذیر خوانده میشود، بنابراین بخشهای ضخیم بر اساس دادههای نمونه نازک طراحی میشوند و حاشیه ایمنی به آرامی ناپدید میشود. دوم، شکست حجمی آزمایش میشود در حالی که ردیابی سطح - حالت واقعی شکست در فضای باز - هرگز مشخص نمیشود، زیرا به استاندارد متفاوتی نیاز دارد که اکثر خریداران نمیدانند درخواست کنند. سوم، قطعه به عنوان قالبگیری شده واجد شرایط است، بنابراین فرسایش تخلیه جزئی و شکافهای ناشی از فشردگی که سالها طول میکشد تا ایجاد شوند، هرگز در اعتبارسنجی ظاهر نمیشوند.
هیچکدام از اینها بیکفایتی نیست. مشکل این است که یافتن ویژگی اصلی آسان است و ویژگیهای حاکم در صفحه اول برگه اطلاعات فنی نیستند.
آنچه قبل از تأیید نمره نیاز دارم
قبل از اینکه درجهبندی الکتریکی، سیستم پرکننده و عملآوری را انجام دهم، شرایطی را که در واقع این اعداد را تغییر میدهند، ارسال کنید:
- ولتاژ عملیاتی، شکل موج (DC/AC/پالس) و عملکرد پیوسته در مقابل گذرا
- نازکترین بخش دیوار عایق در طراحی
- داخل یا خارج از منزل، میزان آلودگی/آلودگی و رطوبت
- دمای عملیاتی و دمای اوج در قطعه
- اینکه آیا قطعه باید عایق، نیمه رسانا یا رسانا باشد
- اهداف انطباق: UL 746 (RTI), ، کلاس ردیابی IEC 60587، و هرگونه رتبهبندی اشتعالپذیری، که به رفتار شعله و آتش آن درجه مربوط میشود
با اینها، میتوانم به شما بگویم که آیا یک عایق استاندارد VMQ دوام میآورد، آیا به گرید مقاوم در برابر ردیابی پر شده با ATH نیاز دارید، یا اینکه کاربرد مورد نظر به یک ترکیب نیمه رسانا یا رسانا نیاز دارد. بدون ولتاژ، ضخامت دیواره و محیط، هر عدد دیالکتریکی که به شما میدهم، یک کوپن آزمایشی را توصیف میکند، نه قطعه شما را.
مراجع و استانداردها
- ASTM D149 - ولتاژ شکست دیالکتریک و مقاومت دیالکتریک مواد عایق الکتریکی جامد — ASTM بینالمللی
- ASTM D257 - مقاومت یا رسانایی DC مواد عایق — ASTM بینالمللی
- ASTM D150 - مشخصات تلفات AC و ثابت دیالکتریک (ثابت دیالکتریک) عایق الکتریکی جامد — ASTM بینالمللی
- ASTM D495 - مقاومت قوس الکتریکی خشک در ولتاژ بالا، جریان پایین و عایق الکتریکی جامد — ASTM بینالمللی
- IEC 60587:2022 - مقاومت در برابر ردیابی و فرسایش مواد عایق — کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک
- IEC 60112 - شاخص ردیابی مقایسهای (CTI) — راهکارهای UL
- UL 746B - مواد پلیمری، ارزیابی خواص بلندمدت (RTI) — استانداردها و تعهدات UL
- تری هیدرات آلومینا (ATH) / هیدروکسید آلومینیوم - مکانیسم بازدارنده شعله — مباحث ساینس دایرکت
