Silikonun Elektriksel Özellikleri: Dielektrik Dayanımı, Direnç ve Yalıtımın Gerçekte Başarısız Olduğu Noktalar

Çoğu teknik özellik silikonu "yalıtkan" olarak ele alır; tek kelime, tek özellik, bir tablodan seçilmiş. Parça fabrika hipot testini geçer. Sevkiyata girer. İlk yıl boyunca, veri sayfasında vaat edileni aynen yerine getirir.

Ardından, kıyıdaki bir trafo merkezinde yüksek gerilim sonlandırma noktasında arızalar meydana gelmeye başladı. Dielektrik testinden geçen bir bara bağlantı ucu, üç kış boyunca tuzlu sisin etkisi altında kaldıktan sonra yüzeyinde karbon izleri oluşturdu. Malzemenin tamamında hiçbir değişiklik olmadı. Bu arıza, tezgah tipi dielektrik testinde asla ortaya çıkmayacaktı, çünkü bu test uygulama için yanlış şeyi ölçüyordu.

Silikon güçlü bir elektrik yalıtkanıdır — hacimsel özdirenci yaklaşık 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm ve dielektrik dayanımı 18–25 kV/mm'dir — ancak "yalıtkan" dört ayrı sayıdan oluşur, tek bir sayıdan değil ve yüksek voltajlı parçaların çoğunu sonlandıran arıza, kütlesel bozulma değil, yüzey izlemesidir. Aynı temel polimer ayrıca yarı iletken ve tamamen iletken kaliteleri de kapsar; elektriksel kimliği belirleyen silikon değil, dolgu sistemidir. Sınırların nerede olduğu ve her birinin nasıl doğrulandığı işte burada açıklanıyor.

Yönetici Özeti

• Dielektrik dayanımı, malzeme sabiti değil, kalınlık cinsinden bir değerdir. 1 mm'lik bir numunede 23 kV/mm olarak derecelendirilen bir kalite, 10 mm'de 230 kV vermez; kV/mm değeri kesit kalınlığı arttıkça ve sıcaklık yükseldikçe düşer.
• Yüksek voltajlı parçalar, iç kısımlarında değil, yüzeylerinde arızalanır. Kirlenme altında iz bırakma ve aşınma (IEC 60587), dış mekan ve yüksek gerilim ömrünü belirler. Silikon burada hidrofobiklik geri kazanımı konusunda üstünlük sağlar, ancak bu, toplu dielektrik dayanımından farklı bir özellik ve farklı bir testtir.
• Dolgu maddesi elektrik sınıfını tanımlar. Doldurulmamış VMQ, 10¹⁵ Ω·cm yalıtım değerine sahiptir; karbon yüklü kaliteler ise 10⁰–10² Ω·cm iletkenlik değerine sahiptir. "Silikon" ifadesi, parçanın yalıtım mı yoksa iletkenlik mi özelliğine sahip olduğu hakkında hiçbir şey söylemez.

"Yalıtım" Gerçekte Ne Anlama Geliyor: Tek Bir Rakam Değil, Dört Rakam

Kullanılabilir bir elektrik spesifikasyonu, her biri kendi testine ve kendi arıza moduna sahip dört özelliği birbirinden ayırır. Bunları tek bir "yalıtım" derecesi olarak ele almak, yetersiz spesifikasyonun başlangıç noktasıdır.

Düşük kayıp faktörü ve kararlı dielektrik sabiti, silikonun RF konektörlerinde ve yüksek voltajlı gerilim konilerinde kullanılmasının nedenidir; şarjı öngörülebilir bir şekilde depolar ve serbest bırakır ve ısı olarak çok az enerji israf eder. Ancak bu genel değerlerin hiçbiri, dış mekan kullanımını gerçekten belirleyen yüzey davranışını tahmin edemez.

Dielektrik Dayanımı Bir Kalınlık Değeridir, Malzeme Sabiti Değildir.

Bu, silikon veri sayfalarında en çok yanlış yorumlanan rakamdır. Dielektrik dayanımı kV/mm cinsinden rapor edilir ve insanlar bunun doğrusal olarak ölçeklendiğini varsayarlar. Oysa öyle değildir.

Kesit kalınlığı arttıkça, kırılma gradyanı düşer; bunun nedeni kısmen daha kalın kesitlerin test sırasında daha fazla ısıyı hapsetmesi, kısmen de iç boşluk veya dolgu maddesinin sahada kalma olasılığının artmasıdır. 1 mm'de 23 kV/mm değerinde olan bir malzeme, 6 mm'lik bir duvarda milimetre başına bunun yarısına yakın bir değer verebilir. İnce bir numuneden alınan bir değere dayanarak kalın bir yalıtkan tasarlamak, nominal voltajının altında delinme riski taşıyan bir parça elde etmenize yol açar.

Üretimdeki sayıyı etkileyen iki şey daha var:

• Sıcaklık. Parça ısındıkça dielektrik dayanımı düşer. 23°C'ye dayanıklı bir bot, 150°C'lik bir bara temas ettiğinde farklı davranır. Bunu, malzemenin termal davranışıyla birleştirin.
• Boşluklar ve gözeneklilik. Eksik gaz giderme veya hapsolmuş flaş nedeniyle oluşan hava cepleri, kısmi deşarj bölgeleri haline gelir. Kısa bir hipot döneminden geçtikten sonra, aylar içinde çevredeki polimeri aşındırırlar.

ASTM D149 IEC 60243 standardı ayrıca laboratuvarın kısa süreli, kademeli veya yavaş voltaj uygulaması seçmesine olanak tanır ve elektrot geometrisi ile çevre ortamı (hava veya yağ) sonucu etkiler. Test koşulları belirtilmeden elde edilen dielektrik dayanım değeri, tedarikçiler arasında karşılaştırılabilir değildir.

Direnç ve İletkenlik Aralığının Sonu

"Silikon" kelimesi iletkenlik hakkında hiçbir şey söylemez. Aynı şekilde Si–O omurgası Dolgu malzemesine bağlı olarak dört on yıllık direnç aralığını kapsar:

• Yalıtımlı VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Botlar, kolluklar, kapsülleme için standart.
• Yarı iletken kaliteleri: ~10³–10⁶ Ω·cm, yüksek gerilim kablo uçlarında elektrik alanını kontrol etmek için gerilim derecelendirmesinde kullanılır.
• İletken (karbon siyahı yüklü): 10⁰–10² Ω·cm, EMI/RFI koruma contalarında, ESD parçalarında ve silikon tuş takımlarındaki karbon temas noktalarında kullanılır.

İletkenliği oluşturan dolgu maddesi miktarı, mekanik davranışı da değiştirir; iletken kaliteler genellikle daha serttir, uzama oranları daha düşüktür ve dolgusuz silikona göre sıkıştırma kaynaklı kalıcı deformasyon sorunlarına daha yatkındır. İletkenliği bedava elde edemezsiniz; bkz. iletken ve antistatik silikon çeşitleri Her dolgu seviyesindeki direnç hedefleri ve mekanik ödünleşmeler için. ASTM D257 IEC 60093 standardı hem yüzey hem de hacim direncini kapsar ve bir parça kirlendiğinde bu iki değer keskin bir şekilde birbirinden ayrılır; bu da en önemli arıza moduna giden köprüdür.

Yüzey İzleme ve Aşınma: Yüksek Gerilim Silikonunun Gerçekte Başarısız Olduğu Noktalar

Dış mekan yüksek gerilim (HV) parçalarında arızaya neden olan şey nadiren kütle dielektrik dayanımıdır. Asıl sorun yüzey izlenmesidir. Kirlilik ve nem altında, kaçak akım kuru bantlar, arklar halinde yoğunlaşır ve yüzey boyunca iletken bir yolu yavaşça karbonlaştırır. Bu iz parçayı köprüledikten sonra, kütle özdirenci önemsiz hale gelir.

Silikonun buradaki asıl avantajı hidrofobikliğidir - ve özellikle de hidrofobikliğin geri kazanılması. Su damlacıkları film tabakası oluşturmak yerine yüzeyde kalır, bu da kaçak akımı düşük tutar; yüzey geçici olarak ıslansa veya kirlense bile, düşük molekül ağırlıklı zincirler yüzeye göç eder ve su iticiliğini geri kazandırır. Bu nedenle silikon kauçuk, yüksek gerilim izolatörlerinde ve kablo aksesuarlarında EPDM ve porselenin yerini almıştır. Bu, kütlesel bir özellik değil, yüzey kimyası özelliğidir ve malzemenin daha geniş hidrofobik davranışıyla bağlantılıdır.

Ancak hidrofobiklik sonsuz değildir. Sürekli kuru bant arkı altında yüzey aşınır ve izleme direnci büyük ölçüde dolgu maddesine bağlıdır. alümina trihidrat (ATH) Su salınımı sağlayarak ve koruyucu bir inorganik kalıntı oluşturarak izleme ve erozyon performansını iyileştirmek için özel olarak eklenmiştir. Geçerli testler yukarıdakilerden farklıdır:

• IEC 60587 — Eğimli düzlem izleme ve aşınma, temel yüksek gerilim dış mekan testi
• IEC 60112 (CTI) — Düşük voltajlı kaçak akım tasarımı için karşılaştırmalı izleme indeksi
• ASTM D495 — yüksek voltaj ark direnci

Dış mekan kullanımına uygun bir parça için yalnızca toplam dielektrik dayanımını belirleyen bir ekip, arıza olasılığı en düşük olan özelliği test etmiş ve arıza olasılığı en yüksek olanı göz ardı etmiştir.

Yaşlanma, Kısmi Boşalma ve Yavaş Sürüklenme

Silikonun elektriksel özellikleri, organik kauçuklara göre daha geniş bir sıcaklık aralığında (yaklaşık -50°C ila 200°C arasında) direnç veya dielektrik sabitinde çok az değişiklikle korunur. Bu kararlılık gerçektir ve onu seçmek için geçerli bir nedendir. Sapma mekanikten kaynaklanır, elektriksel özelliklerden değil. kimya.

Sızdırmazlık veya dolgu uygulamalarında, sıkıştırma kalıcı deformasyonu zamanla mikro boşluklar açar. Bu boşluklar kısmi deşarj bölgeleri haline gelir. Kısmi deşarj, parçayı ilk gün delmez; boşluk duvarındaki polimeri yavaşça aşındırır, ta ki bir yol oluşana kadar - genellikle temiz bir fabrika hipot testinden yıllar sonra. Parça daha kötü bir dielektrik dayanımına sahip olmaz. Orijinal testte hiç görülmeyen bir iç geometri geliştirir. Ekiplerin gözden kaçırdığı boşluk budur: doğrulama, parçayı kalıplanmış haliyle yakalar, parçanın son halini değil. yaşlanmış ve sıkıştırılmış.

Takımlar Bunu Neden Hafife Alıyor?

Desen tutarlı. "Silikon bir yalıtkandır" doğru, bu yüzden tek bir ikili özellik olarak ele alınıyor ve şartname burada sona eriyor. Ardından üç şey ele alınmıyor.

Birincisi, dielektrik dayanımı ölçeklenebilir bir sabit olarak okunur, bu nedenle kalın kesitler ince numune verilerinden tasarlanır ve güvenlik payı sessizce ortadan kaybolur. İkincisi, yüzey izleme (gerçek dış mekan arıza modu) hiçbir zaman belirtilmezken, kütle kırılması test edilir, çünkü bu, çoğu alıcının sormayı bilmediği farklı bir standart gerektirir. Üçüncüsü, parça kalıplandığı haliyle nitelendirilir, bu nedenle yıllar içinde gelişen kısmi deşarj erozyonu ve sıkıştırma kaynaklı boşluklar doğrulamada asla ortaya çıkmaz.

Bunların hiçbiri beceriksizlik değil. Sorun şu ki, en önemli özellik kolayca bulunabiliyor, ancak diğer özellikler veri sayfasının ön sayfasında yer almıyor.

Notumu onaylamadan önce nelere ihtiyacım var?

Elektrik kalitesi, dolgu sistemi ve kürleme konusunda karar vermeden önce, bu rakamları etkileyen koşulları bana iletin:

• Çalışma gerilimi, dalga biçimi (DC / AC / darbe) ve sürekli/geçici çalışma modu
• Tasarımda yer alan en ince yalıtım duvarı bölümü.
• İç mekan veya dış mekan, kirlilik/kontaminasyon seviyesi ve nem
• Parçanın çalışma ve en yüksek sıcaklığı
• Parçanın yalıtım, gerilme dayanımı (yarı iletken) veya iletkenlik özelliklerine sahip olması gerekip gerekmediği.
• Uyumluluk hedefleri: UL 746 (RTI), IEC 60587 izleme sınıfı ve alev ve yangın davranışıyla ilgili herhangi bir yanıcılık derecesi.

Bu bilgilerle, standart bir yalıtım VMQ'nun uygun olup olmadığını, ATH dolgulu iz bırakmayan bir kaliteye mi ihtiyacınız olduğunu veya uygulamanın yarı iletken mi yoksa iletken bir bileşik mi gerektirdiğini söyleyebilirim. Voltaj, duvar kalınlığı ve ortam olmadan, size vereceğim herhangi bir dielektrik değeri, parçanız değil, bir test numunesi için geçerlidir.

Referanslar ve Standartlar

• ASTM D149 — Katı Elektrik Yalıtım Malzemelerinin Dielektrik Kırılma Gerilimi ve Dielektrik Dayanımı — ASTM Uluslararası
• ASTM D257 — Yalıtım Malzemelerinin DC Direnci veya İletkenliği — ASTM Uluslararası
• ASTM D150 — Katı Elektrik Yalıtımının AC Kayıp Özellikleri ve Geçirgenliği (Dielektrik Sabiti) — ASTM Uluslararası
• ASTM D495 — Katı Elektrik Yalıtımının Yüksek Gerilim, Düşük Akım, Kuru Ark Direnci — ASTM Uluslararası
• IEC 60587:2022 — Yalıtım Malzemelerinin İz Bırakma ve Aşınmaya Karşı Direnci — Uluslararası Elektroteknik Komisyonu
• IEC 60112 — Karşılaştırmalı İzleme Endeksi (CTI) — UL Çözümleri
• UL 746B — Polimerik Malzemeler, Uzun Vadeli Özellik Değerlendirmeleri (RTI) — UL Standartları ve Katılımı
• Alümina Trihidrat (ATH) / Alüminyum Hidroksit — Alev Geciktirici Mekanizma — ScienceDirect Konuları