Elektrische eigenschappen van siliconen: diëlektrische sterkte, soortelijke weerstand en waar isolatie daadwerkelijk tekortschiet.

De meeste specificaties beschouwen siliconen als "een isolator" — één woord, één eigenschap, willekeurig gekozen uit een tabel. Het onderdeel doorstaat de hoogspanningstest in de fabriek. Het wordt verzonden. Het eerste jaar doet het precies wat het specificatieblad beloofde.

Vervolgens begint een hoogspanningsaansluiting in een onderstation aan de kust te haperen. Een busbar-aansluiting die de diëlektrische test had doorstaan, ontwikkelt na drie winters in de zoutnevel een koolstoflaag op het oppervlak. Er is niets veranderd aan het basismateriaal. De storing zou nooit aan het licht komen bij een standaard diëlektrische test, omdat die test de verkeerde eigenschappen meet voor deze toepassing.

Silicone is een sterke elektrische isolator — volumeweerstand rond 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm en diëlektrische sterkte van 18–25 kV/mm — maar "isolerend" bestaat uit vier afzonderlijke getallen, niet één, en de oorzaak van het uitvallen van de meeste hoogspanningscomponenten is oppervlaktegeleiding, niet bulkdoorslag. Hetzelfde basispolymeer wordt ook gebruikt voor halfgeleidende en volledig geleidende varianten; het vulstofsysteem, niet de silicone zelf, bepaalt de elektrische eigenschappen. Dit is waar die grenzen liggen en hoe elk ervan daadwerkelijk wordt geverifieerd.

Samenvatting voor het management

• De diëlektrische sterkte is een diktemaat, geen materiaaleigenschap. Een spanning van 23 kV/mm op een monster van 1 mm geeft niet hetzelfde resultaat als 230 kV op 10 mm — de kV/mm-waarde daalt naarmate de sectiedikte toeneemt, en ook naarmate de temperatuur stijgt.
• Onderdelen die onder hoge spanning staan, begeven het aan de oppervlakte, niet in het binnenste. Tracking en erosie onder verontreiniging (IEC 60587) bepalen de levensduur buitenshuis en bij hoge temperaturen. Siliconen scoren hier beter op het gebied van herstel van hydrofobiciteit, maar dat is een andere eigenschap en vereist een andere test dan de diëlektrische sterkte van het bulkmateriaal.
• De vulling bepaalt de elektrische klasse. Ongevuld VMQ isoleert bij 10¹⁵ Ω·cm; met koolstof versterkte varianten geleiden bij 10⁰–10² Ω·cm. De specificatie "silicone" zegt niets over de isolerende of geleidende eigenschappen van het onderdeel.

Wat "isoleren" werkelijk betekent: vier getallen, niet één.

Een bruikbare elektrische specificatie onderscheidt vier eigenschappen, elk met een eigen test en een eigen storingsmodus. Het behandelen ervan als één enkele "isolatie"-classificatie is waar de meeste onderspecificaties ontstaan.

De lage dissipatiefactor en stabiele permittiviteit verklaren waarom siliconen worden gebruikt in RF-connectoren en hoogspanningsconussen: ze slaan lading op en geven deze voorspelbaar af, en er gaat weinig warmte verloren. Maar geen van deze macroscopische eigenschappen voorspelt het oppervlaktegedrag dat daadwerkelijk bepalend is voor gebruik buitenshuis.

Diëlektrische sterkte is een diktegetal, geen materiaalconstante.

Dit is de meest verkeerd geïnterpreteerde waarde op een siliconen datasheet. De diëlektrische sterkte wordt weergegeven in kV/mm, en men gaat er stilzwijgend van uit dat deze lineair schaalt. Dat is niet het geval.

Naarmate de sectiedikte toeneemt, neemt de doorslagspanning af — deels omdat dikkere secties meer warmte vasthouden tijdens de test, deels omdat de statistische kans op een interne holte of vulstofagglomeraat in het veld toeneemt. Een materiaal met een doorslagspanning van 23 kV/mm bij 1 mm dikte kan in een wand van 6 mm dikte effectief ongeveer de helft daarvan per millimeter opleveren. Het ontwerpen van een dikke isolator op basis van een dunne test leidt tot een onderdeel dat doorslaat bij een spanning lager dan de nominale spanning.

Nog twee factoren beïnvloeden het productiecijfer:

• Temperatuur. De diëlektrische sterkte neemt af naarmate het onderdeel warmer wordt. Een beschermkap die geschikt is voor 23 °C gedraagt zich anders wanneer deze tegen een stroomrail van 150 °C wordt geplaatst. Combineer dit met het thermische gedrag van het materiaal.
• Holtes en porositeit. Luchtbellen als gevolg van onvolledige ontgassing of ingesloten vlambogen worden plekken waar gedeeltelijke ontladingen plaatsvinden. Ze passeren een korte hypot en eroderen vervolgens het omringende polymeer gedurende maanden.

ASTM D149 IEC 60243 staat laboratoria ook toe om te kiezen voor kortdurende, stapsgewijze of langzame spanningsaanleg, en de elektrodegeometrie en het omringende medium (lucht versus olie) beïnvloeden het resultaat. Een waarde voor de diëlektrische sterkte zonder de testomstandigheden is niet vergelijkbaar tussen leveranciers.

Soortelijke weerstand en het geleidende uiteinde van het bereik

Het woord 'silicone' zegt niets over geleidbaarheid. Hetzelfde geldt voor de geleidbaarheid. Si–O-ruggengraat Dit omvat vier decennia van soortelijke weerstand, afhankelijk van het vulmiddel:

• Isolerende VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Standaard voor laarzen, sleeves en inkapselingen.
• Halfgeleidende kwaliteiten: ~10³–10⁶ Ω·cm, gebruikt voor spanningsverdeling bij aansluitingen van hoogspanningskabels om het elektrische veld te beheersen.
• Geleidend (met roet beladen): 10⁰–10² Ω·cm, gebruikt voor EMI/RFI-afschermingspakkingen, ESD-onderdelen en de koolstofcontactpunten in siliconen toetsenbordjes.

De hoeveelheid vulstof die de geleidbaarheid creëert, verandert ook het mechanische gedrag. Geleidende siliconen zijn over het algemeen harder, hebben een lagere rekbaarheid en zijn gevoeliger voor vervorming door compressie dan ongevulde siliconen. Geleidbaarheid krijg je niet gratis; zie geleidende en antistatische siliconensoorten voor de weerstandsdoelstellingen en de mechanische afwegingen bij elk vulstofniveau. ASTM D257 IEC 60093 heeft betrekking op zowel de oppervlakte- als de volumeweerstand, en deze twee lopen sterk uiteen zodra een onderdeel vervuild raakt. Dit vormt de belangrijkste schakel naar de oorzaak van de storing.

Oppervlakteerosie en -afzetting: waar hoogspanningssiliconen daadwerkelijk tekortschieten

De diëlektrische sterkte van het bulkmateriaal is zelden de oorzaak van het uitvallen van een hoogspanningscomponent voor buitengebruik. Oppervlaktetracering is dat wel. Onder invloed van vervuiling en vochtigheid concentreert de lekstroom zich in droge banden, vonken en verkoolt langzaam een geleidend pad over het oppervlak. Zodra dat pad de component overbrugt, is de bulkweerstand irrelevant.

Het echte voordeel van siliconen is hier de hydrofobiciteit — en specifiek herstel van hydrofobiciteit. Waterdruppels vormen geen film, waardoor de lekstroom laag blijft; zelfs nadat het oppervlak tijdelijk nat of vervuild is geraakt, migreren laagmoleculaire ketens naar het oppervlak en herstellen de waterafstotendheid. Dit is de reden waarom siliconenrubber EPDM en porselein heeft vervangen in hoogspanningsisolatoren en kabelaccessoires. Het is een eigenschap van de oppervlaktechemie, niet van het bulkvolume, en het hangt samen met het bredere hydrofobe gedrag van het materiaal.

Maar hydrofobiciteit is niet oneindig. Bij langdurig droogboogontlading erodeert het oppervlak en is de kruipweerstand sterk afhankelijk van het vulmiddel. aluminiumtrihydraat (ATH) Het wordt specifiek toegevoegd om de prestaties op het gebied van kruipweerstand en erosie te verbeteren door water af te geven en een beschermend anorganisch residu te vormen. De bepalende factoren zijn anders dan alles wat hierboven is beschreven:

• IEC 60587 — hellingbaanvolging en erosie, de kern van de HV-buitentest
• IEC 60112 (CTI) — vergelijkende kruipstroomindex voor ontwerp met lagere spanningen
• ASTM D495 — hoogspanningsboogweerstand

Een team dat voor een buitenonderdeel alleen de bulkdiëlektrische sterkte specificeert, heeft de eigenschap getest die het minst waarschijnlijk defect raakt en de eigenschap die het meest waarschijnlijk defect raakt, genegeerd.

Veroudering, gedeeltelijke ontlading en de langzame drift

De elektrische eigenschappen van siliconen blijven over een breder temperatuurbereik behouden dan die van organische rubbers — ruwweg van -50 °C tot 200 °C met weinig verandering in soortelijke weerstand of permittiviteit. Die stabiliteit is reëel en een goede reden om ervoor te kiezen. De afwijking komt door mechanische factoren, niet door de eigenschappen van siliconen. scheikunde.

Bij afdichtings- of inkapselingstoepassingen ontstaan door compressie na verloop van tijd micro-openingen. Deze openingen worden plekken voor partiële ontladingen. Partiële ontladingen beschadigen het onderdeel niet direct; ze eroderen het polymeer langzaam bij de wand van de holte, totdat er een pad ontstaat – vaak jaren na een schone, hogedruktest in de fabriek. Het onderdeel heeft geen slechtere diëlektrische sterkte gekregen. Het heeft een interne geometrie ontwikkeld die bij de oorspronkelijke test niet werd waargenomen. Dit is de kloof die teams over het hoofd zien: validatie legt het onderdeel vast zoals het is gegoten, niet zoals het is. verouderd en geperst.

Waarom teams dit onderschatten

Het patroon is consistent. "Silicone is een isolator" is waar, dus wordt het behandeld als een enkele binaire eigenschap en de specificatie stopt daar. Drie zaken blijven vervolgens onbeantwoord.

Ten eerste wordt de diëlektrische sterkte als een schaalbare constante beschouwd, waardoor dikke secties worden ontworpen op basis van gegevens van dunne monsters en de veiligheidsmarge ongemerkt verdwijnt. Ten tweede wordt bulkbreuk getest, terwijl oppervlaktevervorming – de daadwerkelijke faalmodus in de buitenlucht – nooit wordt gespecificeerd, omdat hiervoor een andere norm geldt waar de meeste kopers niet naar vragen. Ten derde wordt het onderdeel gekwalificeerd in de gegoten toestand, waardoor partiële-ontladingserosie en compressievervorming, die jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen, nooit aan het licht komen tijdens de validatie.

Dit alles duidt niet op incompetentie. Het probleem is dat de belangrijkste eigenschap gemakkelijk te vinden is en dat de overige eigenschappen niet op de eerste pagina van het gegevensblad staan.

Wat ik nodig heb voordat ik een cijfer kan bevestigen

Voordat ik een elektrische classificatie, vulmiddelsysteem en uitharding vastleg, stuur me eerst de omstandigheden die deze waarden daadwerkelijk beïnvloeden:

• Bedrijfsspanning, golfvorm (gelijkstroom / wisselstroom / puls) en continu versus kortstondig bedrijf
• Dunste isolerende wandgedeelte in het ontwerp
• Binnen of buiten, mate van vervuiling/verontreiniging en luchtvochtigheid.
• Bedrijfs- en piektemperatuur bij het onderdeel
• Of het onderdeel nu moet isoleren, een spanningsbestendige (halfgeleidende) of een geleidende functie moet hebben.
• Nalevingsdoelstellingen: UL 746 (RTI), IEC 60587-traceerklasse en elke brandbaarheidsclassificatie, die verband houdt met het vlam- en brandgedrag van de klasse

Met die gegevens kan ik u vertellen of een standaard isolerende VMQ volstaat, of u een met ATH gevulde, kruipstroombestendige variant nodig hebt, of dat de toepassing een halfgeleidende of geleidende compound vereist. Zonder de spanning, de wanddikte en de omgevingsomstandigheden beschrijft elk diëlektrisch getal dat ik u geef een testmonster, niet uw specifieke onderdeel.

Referenties en normen

• ASTM D149 — Diëlektrische doorslagspanning en diëlektrische sterkte van vaste elektrische isolatiematerialen — ASTM International
• ASTM D257 — DC-weerstand of -geleidbaarheid van isolatiematerialen — ASTM International
• ASTM D150 — AC-verlieskarakteristieken en permittiviteit (diëlektrische constante) van vaste elektrische isolatie — ASTM International
• ASTM D495 — Hoogspannings-, laagstroom-, droge vlamboogweerstand van vaste elektrische isolatie — ASTM International
• IEC 60587:2022 — Weerstand tegen kruipstroom en erosie van isolatiematerialen — Internationale Elektrotechnische Commissie
• IEC 60112 — Vergelijkende Tracking Index (CTI) — UL-oplossingen
• UL 746B — Polymere materialen, langetermijneigenschappenevaluaties (RTI) — UL-normen en -betrokkenheid
• Aluminiumtrihydraat (ATH) / Aluminiumhydroxide — Vlamvertragend mechanisme — Onderwerpen van ScienceDirect