ほとんどの仕様書では、シリコーンは「絶縁体」として扱われている。つまり、表から抜き出したたった一つの単語、たった一つの特性として扱われているのだ。部品は工場での耐電圧試験に合格し、出荷される。最初の1年間は、データシートに記載された通りの性能を発揮する。.
すると、沿岸変電所の高電圧終端部でトラッキング現象が発生し始めた。誘電試験に合格したバスバーブーツが、3回の冬を塩霧にさらされた後、表面に炭素の経路を形成した。バルク材料には変化はなかった。この故障は、ベンチ誘電試験では決して検出されなかった。なぜなら、その試験は用途に対して不適切なものを測定するからである。.
シリコーンは優れた電気絶縁体であり、体積抵抗率は約10¹⁴～10¹⁵Ω・cm、絶縁耐力は18～25kV/mmである。しかし、「絶縁性」は1つの数値ではなく4つの異なる数値によって決まり、高電圧部品の故障のほとんどは、バルク破壊ではなく表面トラッキングによるものである。同じベースポリマーから半導電性グレードと完全導電性グレードまでが作られており、電気的特性はシリコーン自体ではなく、充填剤系によって決まる。. ここに、それらの境界線の位置と、それぞれの境界線が実際にどのように検証されるかを示します。.
エグゼクティブサマリー
- 誘電強度は厚さを表す数値であり、材料定数ではない。. 1 mm厚のサンプルで23 kV/mmの定格値を持つグレードは、10 mm厚で230 kVになるわけではありません。kV/mmの値は、断面の厚さが増加するにつれて低下し、さらに温度が上昇するにつれて低下します。.
- 高電圧部品は、内部ではなく表面で故障する。. 汚染下でのトラッキングと侵食（IEC 60587）は、屋外および高電圧環境における寿命を左右する。シリコーンは疎水性回復において優れているが、これはバルク絶縁耐力とは異なる特性であり、異なる試験方法である。.
- 充填材によって電気的分類が決まる。. 未充填のVMQは10¹⁵Ω・cmで絶縁性を示し、カーボン含有グレードは10⁰～10²Ω・cmで導電性を示します。「シリコーン」と指定しても、その部品が絶縁性か導電性かは分かりません。.
「断熱」が実際に意味すること：数字は1つではなく4つ
実用的な電気仕様では、4つの特性が区別され、それぞれに独自の試験方法と故障モードが定められています。これらを単一の「絶縁」定格として扱うことが、仕様不足の主な原因です。.
| 財産 | 標準的なVMQ範囲 | 試験方法 | それはあなたに何を伝えているのか |
|---|---|---|---|
| 体積抵抗率 | 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm | ASTM D257 / IEC 60093 | バルクがDCリークをどれだけうまくブロックできるか |
| 誘電強度 | 18～25 kV/mm（薄切片） | ASTM D149 / IEC 60243 | 穿刺前の電圧勾配 |
| 誘電率（誘電率） | 2.9～4.0 | ASTM D150 / IEC 60250 | 電荷蓄積; 高電圧ストレス等級付けおよびRFにとって重要 |
| 散逸係数（tan δ） | 約0.001～0.01 | ASTM D150 / IEC 60250 | エアコン使用時は熱としてエネルギーが失われます。低い方が良いです。 |
| アーク抵抗 | 高（非導電性の灰を形成） | ASTM D495 | 表面アーク放電時の挙動 |
低誘電損失と安定した誘電率こそが、シリコーンがRFコネクタや高電圧ストレスコーンに用いられる理由である。シリコーンは電荷を予測通りに蓄積・放出し、熱として無駄に消費される電荷が少ない。しかし、これらのバルク特性は、屋外での使用を左右する表面特性を予測するものではない。.
誘電強度は厚さの数値であり、材料定数ではない。
これはシリコーンのデータシートの中で最も誤解されやすい数値です。絶縁耐力はkV/mmで表され、人々はそれが線形的に変化すると暗黙のうちに思い込んでいます。しかし、そうではありません。.
セクションの厚さが増すにつれて、絶縁破壊勾配は低下します。これは、厚いセクションほど試験中に多くの熱を閉じ込めるためと、内部の空隙や充填材の凝集物が電界内に存在する確率が高くなるためです。1 mmで23 kV/mmの絶縁破壊勾配を示すグレードでも、6 mmの壁では1 mmあたりその半分程度の絶縁破壊勾配しか得られない可能性があります。薄いサンプルの数値に基づいて厚い絶縁体を設計すると、定格電圧よりも低い電圧で絶縁破壊を起こす部品ができあがります。.
生産台数に影響を与える要因がさらに2つあります。
- 温度。. 部品の温度が上昇すると、絶縁耐力は低下します。23℃定格のブーツは、150℃のバスバーに接触すると、異なる挙動を示します。この挙動を、グレードの熱特性と併せて考慮する必要があります。.
- 空隙と多孔性。. 不完全な脱ガスや閉じ込められたフラッシュによって生じた気泡は、部分放電箇所となる。これらの気泡は短時間の耐圧状態を経て、数ヶ月かけて周囲のポリマーを侵食する。.
ASTM D149 また、IEC 60243では、試験機関が短時間、段階的、または低速の電圧印加を選択できるほか、電極の形状や周囲媒体（空気か油か）によっても結果が変化する。試験条件が明記されていない絶縁耐力の数値は、供給業者間で比較することはできない。.
抵抗率と導電率の範囲
「シリコーン」という言葉は導電性について何も教えてくれません。 Si–O骨格 充填材の種類に応じて、40年分の抵抗率をカバーします。
- VMQの絶縁： 10¹⁴～10¹⁵Ω・cm。ブーツ、スリーブ、カプセル化の標準値。.
- 半導体グレード： 約10³～10⁶Ω・cmで、高電圧ケーブル終端部の応力勾配に使用され、電界を制御します。.
- 導電性（カーボンブラック含有）： 10⁰～10²Ω・cmで、EMI/RFIシールドガスケット、ESD部品、シリコンキーパッドのカーボン接点などに使用されます。.
導電性を生み出す充填材の添加は機械的特性も変化させます。導電性グレードは一般的に、充填材のないシリコーンよりも硬く、伸びが低く、圧縮永久歪みの問題が発生しやすくなります。導電性は無料で得られるものではありません。 導電性および帯電防止性シリコーングレード 各充填材レベルにおける抵抗率目標値と機械的トレードオフについて。. ASTM D257 IEC 60093は表面抵抗率と体積抵抗率の両方を規定しており、部品が汚染されるとこの2つは急激に乖離し、これが最も重要な故障モードへの橋渡しとなります。.
表面トラッキングと侵食：高電圧シリコーンが実際に失敗する箇所
屋外用高電圧部品の故障原因は、バルク絶縁耐力ではなく、表面トラッキングです。汚染や湿気のある環境では、漏洩電流が乾燥した帯状部分に集中し、アーク放電を起こし、表面を横切る導電経路を徐々に炭化させます。いったんそのトラッキングが部品全体に及ぶと、バルク抵抗率はもはや関係なくなります。.
シリコーンの真の利点は疎水性であり、特に 疎水性の回復. 水滴が膜を形成するのではなく水滴状になるため、漏洩電流が低く抑えられます。表面が一時的に濡れたり汚染されたりしても、低分子量鎖が表面に移動して撥水性を回復します。これが、シリコーンゴムが高電圧碍子やケーブル付属品においてEPDMや磁器に取って代わった理由です。これはバルク特性ではなく表面化学特性であり、材料のより広範な疎水性挙動と関連しています。.
しかし、疎水性は無限ではない。持続的なドライバンドアーク放電下では表面が侵食され、トラッキング耐性は充填材に大きく依存する。 水酸化アルミニウム（ATH） これは、水を放出して保護的な無機残留物を形成することで、追跡性能と侵食性能を向上させるために特別に添加されます。適用される試験は、上記とは異なります。
- IEC 60587 — 傾斜面追跡および侵食、コアHV屋外試験
- IEC 60112 (CTI) — 低電圧沿面設計における比較トラッキングインデックス
- ASTM D495 — 高電圧アーク耐性
屋外部品の仕様としてバルク絶縁耐力のみを規定するチームは、故障する可能性が最も低い特性をテストし、故障する可能性が最も高い特性を無視している。.
老化、部分放電、そして緩やかな変化
シリコーンの電気特性は、有機ゴムよりも広い温度範囲（約-50℃から200℃）で維持され、抵抗率や誘電率の変化はほとんどありません。この安定性は本物であり、シリコーンを選ぶ正当な理由です。ドリフトは機械的に生じるものであり、 化学.
シーリングやポッティング用途では、圧縮永久歪みによって時間の経過とともに微細な隙間が生じます。これらの隙間は部分放電箇所となります。部分放電は初日に部品を破壊するのではなく、空隙壁のポリマーをゆっくりと侵食し、放電経路を形成します。これは、工場でのクリーンな耐電圧試験から何年も経ってから起こることがよくあります。部品の絶縁耐力が低下したわけではありません。元の試験では検出されなかった内部形状が形成されたのです。これがチームが見落としている点です。検証では成形された状態の部品を捉えており、 熟成され圧縮された.
チームがこれを過小評価する理由
パターンは一貫している。「シリコーンは絶縁体である」というのは事実なので、単一の二値特性として扱われ、仕様はそこで終わる。そして、３つの点が未解決のまま残される。.
まず、絶縁耐力がスケーラブルな定数として扱われるため、厚い部分は薄いサンプルのデータに基づいて設計され、安全マージンがいつの間にか失われてしまいます。次に、バルク破壊試験は実施されますが、実際の屋外での故障モードである表面トラッキングは規定されません。これは、ほとんどの購入者が要求すべきことを知らない別の規格が必要となるためです。さらに、部品は成形された状態で認定されるため、何年もかけて発生する部分放電侵食や圧縮永久歪みギャップは検証では決して現れません。.
これは決して能力不足によるものではありません。単に、主要な特性は簡単に見つけられるのに、重要な特性がデータシートの表紙に記載されていないというだけのことです。.
成績を確定する前に必要なこと
電気グレード、充填システム、硬化方法を決定する前に、これらの数値に影響を与える実際の条件をお知らせください。
- 動作電圧、波形（DC/AC/パルス）、および連続デューティと過渡デューティ
- 設計上最も薄い断熱壁部分
- 屋内か屋外か、汚染レベル、湿度
- 部品の動作温度と最高温度
- 部品が絶縁性、耐応力性（半導体性）、または導電性を必要とするかどうか
- コンプライアンス目標： UL 746 (RTI), IEC 60587 トラッキングクラス、およびグレードの炎と火災挙動に関連する可燃性評価。
これらの情報があれば、標準的な絶縁性VMQで十分かどうか、ATH充填の耐トラッキング性グレードが必要かどうか、あるいは用途に応じて半導電性または導電性のコンパウンドが必要かどうかを判断できます。電圧、壁厚、環境条件が分からない場合、私が示す誘電率の値はテスト用試験片のものであり、お客様の部品の誘電率を示すものではありません。.
参考文献および規格
- ASTM D149 ― 固体電気絶縁材料の絶縁破壊電圧および絶縁耐力 — ASTMインターナショナル
- ASTM D257 — 絶縁材料の直流抵抗または導電率 — ASTMインターナショナル
- ASTM D150 ― 固体電気絶縁体の交流損失特性および誘電率（誘電定数） — ASTMインターナショナル
- ASTM D495 ― 固体電気絶縁体の高電圧・低電流・乾燥アーク耐性 — ASTMインターナショナル
- IEC 60587:2022 — 絶縁材料のトラッキングおよび侵食に対する耐性 — 国際電気標準会議
- IEC 60112 — 比較追跡指標（CTI） — ULソリューションズ
- UL 746B — 高分子材料、長期特性評価（RTI） — UL規格およびエンゲージメント
- 水酸化アルミニウム（ATH）／水酸化アルミニウム ― 難燃メカニズム — ScienceDirect トピックス
