Elektroizolační deska je vysoce kvalitní izolační materiál, který je široce využíván v elektronice, elektrotechnice a průmyslové výrobě. Slouží jako specializovaný bariérový materiál určený k prevenci úniku elektrického proudu, zvládání tepelných podmínek a poskytování strukturální podpory v průmyslových zařízeních. Tyto tuhé kompozitní materiály - včetně fenolických laminátů, epoxidových skelných tkanin a desek FR4 - jsou nezbytné pro udržení bezpečnosti a provozní efektivity v elektrických rozvodných systémech, výrobních strojích a spotřební elektronice.
Funkcí elektricky izolačního materiálu je zabránit průchodu proudu mezi dvěma vodivými částmi vystavenými rozdílu elektrických potenciálů. Elektrickoizolační charakter materiálu je definován jeho měrným odporem, fyzikální veličinou symbolizovanou písmenem ρ (Ω⋅m), a jeho dielektrickou pevností, což je maximální hodnota elektrického pole, kterou materiál vydrží, než dojde ke vzniku elektrického oblouku.
Základní vlastnosti izolantů
Izolanty se využívají k izolování elektricky vodivých těles. Ideálním izolantem je pouze vakuum, popř. technický izolant za teploty v okolí absolutní nuly. Každý technický izolant je za normálních podmínek do určité míry vodivý. Izolanty neobsahují volně pohyblivé elektrony ani jiné částice, které by byly schopné vést elektrický proud. Skládají se z atomů nebo molekul, které obsahují elementární částice. U izolantů se uplatňuje nejčastěji iontová nebo Van der Waalsova vazba. Pásový model izolantu ukazuje, že jejich zakázaný pás je větší než 3 eV a tuto energii nelze dodat prostým zvýšením teploty nebo ozářením světlem. Elektrická vodivost izolantu je samozřejmě nežádoucí, protože pak izolant ztrácí svou funkci.
Elektrická vodivost izolantů
Velký vliv na elektrickou vodivost izolantu má vnější elektrické pole, do kterého je izolant vložen. V silném poli se izolant může stát vodivým a dojde k jeho průrazu. Obecně lze říci, že ve slabých elektrických polích se projevuje tzv. nevlastní vodivost, která je způsobena nečistotami, ionty příměsí nebo poruchami krystalové mřížky. V silných elektrických polích pak již dochází k vodivosti samostatné, kdy vede samotný izolační materiál. Dojde v něm k ionizaci a uvolnění elektronů.
U plynů se jedná pouze o dočasnou ztrátu elektroizolační schopnosti. Pevné izolanty mají největší hustotu látky. Pro vnitřní vodivost platí podobně jako u kapalin, že ve slabém poli se projevuje nevlastní vodivost od iontů příměsí, přibližně platí Ohmův zákon. V silném poli dochází již k vlastní elektronové vodivosti, což se projeví prudkým nárůstem proudu a průrazem.
Čtěte také: Izolace s asfaltovým lakem: Jak na to?
Vodivost povrchová je velmi nepříznivá, ohrožuje bezpečný provoz elektrických zařízení. Způsobují ji nečistoty, které se usazují na povrchu materiálu.
Elektrická polarizace dielektrika
Elektrická polarizace dielektrika je proces, při kterém dochází k narušení symetrie rozdělení elektrických nábojů v atomech dielektrika. Nastává po vložení dielektrika do elektrického pole.
- Elektronová polarizace: Projevuje se u všech izolantů posunutím jader atomů a elektronů v atomovém obalu. V normálním stavu bez elektrického pole těžiště kladného a záporného náboje splývají. Polarizací v elektrickém poli se atomy mění na indukované dipóly. Doba ustálení je velmi krátká (10-15 až 10-13 s) a nezávisí na teplotě.
- Iontová polarizace: Vyskytuje se především v izolantech s iontovou vazbou (např. sklo), kde se navzájem posouvají kladné a záporné ionty. Doba ustálení je 10-13 až 10-12 s. Nezávisí na frekvenci, ale závisí na teplotě; s rostoucí teplotou roste polarizovatelnost.
- Relaxační polarizace: Probíhá u izolantů, jejichž polární částice přecházejí při působení elektrického pole postupně z nepolarizovaného do polarizovaného stavu. Je teplotně závislá a dochází při ní ke ztrátám energie v dielektriku. Existuje dipólová a iontová relaxační polarizace.
- Mezivrstvová polarizace: Probíhá u dielektrika s nehomogenní strukturou, kde se vyskytují rozhraní, poruchy a přechody mezi materiály. Dochází zde k pohybu volných nábojů a hromadění nosičů náboje na rozhraní látek, čímž se tvoří prostorový náboj. Je pomalejší než ostatní druhy polarizace a je závislá na teplotě.
- Samovolná polarizace: Probíhá u látek s doménovou strukturou (feroelektrika) bez přispění elektrického pole při tuhnutí taveniny. Je teplotně závislá.
S polarizací bývá často spojená i určitá deformace dielektrika, kterou nazýváme elektrostrikce. Vyznačuje se změnou geometrických rozměrů dielektrika v důsledku polarizace. Piezoelektrika jsou dielektrika polarizovatelná vnějším mechanickým namáháním.
Měrný elektrický odpor a ztrátový činitel
Měrný elektrický odpor (ρ) vyjadřuje odpor materiálu délky 1 metr a průřezu 1 mm2. Ztrátový činitel (tgδ) je bezrozměrná veličina, která se udává v tabulkách pro různá dielektrika a izolanty, obvyklé hodnoty jsou 10-1 - 10-5. Podle velikosti ztrátového činitele lze posuzovat ztráty daného dielektrika.
Elektrická pevnost a tepelná odolnost
Schopnost izolační desky odolat elektrickému průrazu je určena její dielektrickou pevností, která se měří v kilovoltech na milimetr. Dobré epoxidové skleněné desky mají obvykle vertikální dielektrickou pevnost v transformátorovém oleji 14.2 MV/m, což znamená, že budou dobře fungovat v situacích s vysokým napětím. Při stavbě fázových bariér pro zařízení pro distribuci energie je tato vlastnost velmi důležitá, protože sledování oblouku mezi napájenými částmi by mohlo způsobit katastrofální poruchy.
Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací
Elektrická ochrana je stále velmi důležitá, ale teplotní stabilita má velký vliv na výběr materiálu. Materiály třídy F si udržují svou strukturu pevnou při konstantních provozních teplotách až do 155 °C, čímž zabraňují poškození blízkých součástí vlivem tepla. Fenolické lamináty se při mnohonásobném zahřívání a ochlazování příliš nemění. To zabraňuje jejich kroucení, které by mohlo ovlivnit přesnost instalace v přesných sestavách.
Norma ČSN EN 60085 ed. 2 dělí elektrickou izolaci do tepelných tříd, které byly uznány mezinárodně. Tepelná třída pro elektroizolační materiál představuje doporučenou maximální teplotu ve stupních Celsia pro nepřetržité použití. Hodnoty pro nepřetržitou pracovní teplotu jsou založeny na dlouhodobých testech tepelné odolnosti, které obvykle trvají 20 000 hodin při uvedené teplotě s malým zhoršením vlastností. Materiály třídy B (130 °C) fungují dobře ve většině průmyslových prostředí. V blízkosti součástí, které generují teplo, jsou však potřeba materiály třídy F (155 °C) nebo třídy H (180 °C).
Tabulka tepelných tříd:
| Tepelná třída | Maximální teplota (°C) |
|---|---|
| Y | 90 |
| A | 105 |
| E | 120 |
| B | 130 |
| F | 155 |
| H | 180 |
| N | 200 |
| R | 220 |
| S | 250 |
| C | >180 (bez horního limitu, závisí na materiálu) |
Mechanické vlastnosti
Materiály jako fenolické bavlněné lamináty pomáhají udržovat strukturu průmyslových strojů pevnou. Fenolické bavlněné lamináty mají pevnost v ohybu více než 100 MPa kolmo k laminacím. To znamená, že mohou nést mechanické zatížení v ozubených kolech, otěrových deskách a konstrukčních distančních vložkách. Výrobci průmyslových zařízení oceňují, když elektrické oddělení a únosnost spolupracují, protože jim to umožňuje vytvářet malé konstrukce, které nevyžadují další podpůrné konstrukce.
U použití, které zahrnuje nosné konstrukce, je důležité pečlivě zkontrolovat pevnost v tlaku i v tahu. Při stavbě strojů musí lidé, kteří používají izolační desky jako výplně, zvážit jak statické zatížení, tak dynamické třesové síly. Materiály s pevností v tahu menší než 150 MPa se mohou při utahování šroubů na silných profilech zlomit. Protože laminované materiály nejsou rovnoměrné, je pevnost kolmá k vrstvám obvykle nižší než pevnost rovnoběžná s vrstvami.
Čtěte také: Jaké jsou druhy a vlastnosti izolačních betonů?
Nasákavost je schopnost přijímat vodu a je měřítkem pórovitosti látky. Je u izolačních materiálů nežádoucí. Malou nasákavost má např. polyetylen.
Typy elektroizolačních desek a jejich použití
Pro výrobu průmyslových laminátů se termosetické pryskyřice, jako jsou fenolové nebo epoxidové chemikálie, mísí s nosnými materiály, jako je kraftový papír, tkaná skelná tkanina nebo bavlněná tkanina. Vyrobený kompozit prochází vysokotlakým kalením při vysokých teplotách. Vzniká tak pevný materiál, který nemění tvar při změně teploty.
Fenolické lamináty
Fenolické papírové proužky, které jsou obvykle černé nebo hnědé barvy, jsou nejlevnějším způsobem izolace elektrických zařízení pro všeobecné použití. Tyto materiály splňují požadavky NEMA třídy XX a XXX. Třída XXX lépe odolává vlhkosti ve vlhkých místech. Jejich měrná hmotnost přibližně 1.45 g/cm³ je činí dostatečně tuhými, aniž by byly příliš těžké, takže je lze použít na stěny rozvaděčů a rámy užitkových motorů. Při výrobě domácích spotřebičů si nákupní týmy cení rovnováhy mezi cenou a výkonem. K čistému řezání materiálu lze použít standardní nástroje pro obrábění dřeva, ale otvory o tloušťce větší než 1.5 mm by se měly před vrtáním zahřát na 80-100 °C, aby se zabránilo oddělení vrstev.
Mezi fenolické lamináty patří:
- Kartit (Pertinax): Osvědčil se na izolační mezistěny, kryty a nejrůznější konstrukční prvky.
- Textit (Gumoid): Má větší pevnost než kartit, dokáže navíc i tlumit nárazy, má velmi dobré mechanické a kluzné vlastnosti.
- Sklotexit (Texgumoid): Má nejvyšší odolnost vůči vysokým teplotám a vlhku i vysokou pevnost v tahu, velmi nízkou nasákavost a vydrží vysoké průrazné napětí. Nachází proto uplatnění zejména v namáhaných elektroizolačních součástkách.
Epoxidové izolační desky a FR4
Epoxidová izolační deska je vysoce odolný materiál s vynikajícími elektrickými izolačními vlastnostmi a tepelnou odolností. Je skvělou volbou pro aplikace, kde je nutná spolehlivá elektrická izolace a vysoká odolnost proti mechanickému a chemickému namáhání. Epoxidové lamináty ze skelných vláken, které jsou podle mezinárodních norem klasifikovány jako 3240, se skládají z tkané podložky ze skelných vláken a epoxidové pryskyřičné struktury. Toto uspořádání má vynikající mechanické vlastnosti s pevností v ohybu více než 340 MPa a odolností proti nárazu, která je vhodná pro místa s běžnými vibracemi. Elektrotechnici volí tuto jakost pro přesné přípravky a substráty desek plošných spojů, kde má přesnost rozměrů přímý vliv na kvalitu výsledku. Materiál vypadá čirý a zelený, což znamená, že má správné množství skla a pryskyřice. Rozdíly v barvě mezi výrobními sériemi však neovlivňují jeho elektrické vlastnosti.
FR4 je speciální druh epoxidového skla, které obsahuje chemikálie zpomalující hoření a splňuje přísné normy elektronického průmyslu. Označení „FR“ znamená, že materiál je odolný vůči plamenům, což je důležité pro použití v deskách plošných spojů, kde by vadné součástky mohly způsobit lokální zahřívání. Výrobci elektroniky oceňují, že FR4 pracuje s automatickými nástroji pro řezání a frézování. Rovnoměrná tvrdost po celé šířce plechu zabraňuje deformaci nástrojů během vysokorychlostního obrábění, což snižuje množství zmetku při hromadné výrobě.
Další typy izolačních materiálů
Lamináty představují řadu izolačních materiálů složených z několika vrstev materiálu. Základem izolace jsou výztuhy (papír, skleněná rohož, skleněná tkanina, slída), které jsou před polymerizací potaženy fenolovou, polyesterovou, epoxidovou nebo silikonovou pryskyřicí. Vyskytují se ve formě desek o tloušťce od několika desetin milimetru až po několik desítek milimetrů.
Fólie jsou izolační polymery o tloušťce menší než 0,5 mm, které jsou k dispozici ve formě rolí. Jejich složení se velmi liší a existuje mnoho různých formulací s vlastními dielektrickými, tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Elektrickou izolaci lze zajistit také použitím materiálů v kapalném stavu. To umožňuje umístit tekutou izolaci na potřebné místo a později ji vytvrdit. Příkladem jsou ochranné laky a tmely.
Pro některá použití jsou potřeba materiály, které běžně nejsou k dispozici. Fenolické typy odolné proti oblouku obsahují speciální plniva, která brání tvorbě uhlíkových cest v případě elektrických problémů. To znamená, že zařízení není nutné tak často servisovat. Pro vytápění v letadlech a průmyslu si vysokoteplotní epoxidové směsi udržují mechanickou pevnost při teplotách blízkých 200 °C.
Anorganické izolanty
Hlavní anorganické izolanty jsou slída, keramika, azbest a sklo. Základem většiny anorganických izolantů jsou křemičitany (silikáty). Podstatou jejich struktury jsou skupiny Si-O s velmi pevnými chemickými vazbami.
- Slída: Má vrstvovou strukturu. Muskovit (slída draselná) je stříbřitě lesklý, průhledný, dobře se štípe na pružné lístky tloušťky 5 µm. Flogopit (slída hořečnatá) je světle hnědý, měkčí, ohebnější, hůře se štípe. Mikanity a remikanity se vyrábějí vrstvením listů slídy a pojiva.
- Keramika: Vyrábí se z kaolinu, jílů, křemene, živce, mastku a dalších přísad, které se vypalují při vysokých teplotách. Vyrobené keramické materiály se vyznačují dobrými elektroizolačními vlastnostmi, časovou stálostí vlastností a odolností proti vysokým teplotám, proti náhlým změnám teploty, chemickým a povětrnostním vlivům a vlhkosti.
- Porcelán: Vyrábí se z jílu, kaolinu, křemene a živce. Lze ho používat do teploty 1100°C. Je málo nasákavý, teplotně stálý. Vykazuje velké dielektrické ztráty, a proto je nevhodný pro vysoké frekvence. Používá se pro izolátory na venkovním elektrickém vedení, pro průchodky u transformátorů, jako nosník v tepelných spotřebičích.
- Steatit: Hlavní surovinou je mastek. Má dobrou mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti i při vyšších teplotách než porcelán. Vzhledem k malým dielektrickým ztrátám při vyšších frekvencích je vhodný k použití v měřících přístrojích, relé, elektrotepelných zařízeních i pro vysoké frekvence.
- Oxidická keramika: Má vysokou teplotní odolnost (až 2000°C). Je teplotně stálá.
- Sklo: Je amorfní látka, vyznačuje se iontovou vodivostí, je dobrý izolant při nižších teplotách, jeho elektrická vodivost se zvyšuje s teplotou exponenciálně. Má také vysokou tepelnou vodivost. Vykazuje velkou elektrickou pevnost (103 kVcm-1).
- Křemenné sklo: Obsahuje čistý oxid křemičitý, je velmi kvalitní a drahé. Má velmi malou teplotní roztažnost. Používá se pro kostry cívek pro vysokofrekvenční techniku a výrobu kvalitních optických vláken.
- Boritokřemičitá skla: Obsahují oxid boritý. Lze je použít např. k výrobě skelných vláken, izolátorů na venkovní vedení, desek plošných spojů spojením skelných vláken s epoxidem.
Organické izolanty (polymery)
Základem jsou makromolekulární látky - polymery. Podle počtu monomerů v polymeru se mění fyzikální vlastnosti materiálu.
- Fenoplasty: Velmi známým fenoplastem je bakelit, který vzniká polykondenzací fenolu s formaldehydem. Tyto dvě sloučeniny při zvýšené teplotě navzájem exotermicky reagují za vzniku tuhého kondenzátu - pryskyřice.
- Aminoplasty: Bezbarvé syntetické pryskyřice, jsou rozpustné ve vodě a odolné proti elektrickému oblouku. Lze je dobře obarvit.
- Tvrdé polyuretanové desky (PUR a PIR): Moderní tepelněizolační materiál s vysokou mírou zateplení. Za běžných podmínek 10 cm těchto desek nahradí až 18 cm běžného polystyrenu. Mají velice nízkou, skoro žádnou, nasákavost a jsou dobře difuzně propustné. Desky se mohou pro své dobré mechanické vlastnosti používat i do skladeb podlah. Jedná se o samozhášivý materiál.
Aplikace izolačních desek
Převážná většina průmyslových odvětví se zabývá elektrickou izolací. V elektronice se desky s plošnými spoji vyrábějí z materiálu zvaného FR-4, což je laminát vyrobený z epoxidové pryskyřice a skleněných vláken. Malé elektromotory pracující s nízkým napětím, jako jsou motory čerpadel stěračů čelního skla, lze izolovat pomocí pružných polyesterových izolačních fólií o tloušťce asi 100 mikronů, protože dielektrický charakter izolantu se mění s jeho tloušťkou. Pružné izolátory se používají například v zářezových zpětných nebo mezifázových funkcích. Na druhé straně u zařízení typu turboalternátoru nebo plynové turbíny běžně používáme materiály pro uzavření štěrbin z vysoce výkonného laminátu, které jsou silnější, odolnější a kombinují výhody 2 nebo 3 materiálů. V automobilovém průmyslu se elektrické izolátory používají mimo jiné na alternátorech, kabelech a palubní elektronice. Od nástupu elektrických a hybridních automobilů navíc tato potřeba jen vzrostla kvůli nutnosti izolovat baterie. Lze použít například Formex®, polypropylen ve fóliích nebo voštinových deskách. Tato řešení mohou být izolačními materiály rozptylujícími teplo nebo izolačními materiály s integrovanými vlastnostmi vedoucími proud.
Kromě izolace pomáhají materiály jako fenolické bavlněné lamináty udržovat strukturu průmyslových strojů pevnou. Vinuté a lisované tyče z bavlněné tkaniny a fenolické živice se používají při výrobě elektricky a mechanicky namáhaných kluzných ložisek, pouzder i ozubených kol.
Výběr a hodnocení izolačních materiálů
Lidé pracující v oblasti nákupu musí zajistit, aby požadavky na materiály odpovídaly skutečnému provoznímu napětí a podmínkám prostředí. Rozvodný panel 10 kV potřebuje dielektrickou pevnost, která se velmi liší od řídicího centra motoru 400 V. Aby inženýři zjistili potřebnou tloušťku izolace, vydělí provozní napětí známou dielektrickou pevností materiálu. Poté použijí bezpečnostní faktory, které zohledňují faktory, jako je nadmořská výška, úroveň znečištění a krátkodobé vystavení přepětí.
Splnění regulačních norem chrání výrobce před žalobami a umožňuje jim vstup na trh. Certifikace UL znamená, že hořlavost a elektrické vlastnosti produktu byly ověřeny třetí stranou za běžných testovacích podmínek. Soulad s ROHS dokazuje, že na evropském trhu nejsou žádné zakázané chemikálie. To je stále důležitější s tím, jak se celosvětově zpřísňují environmentální předpisy. Udržování certifikace ISO 9001 ukazuje, že dodavatelé dodržují podobné postupy řízení kvality.
Přestože jsou fenolové lamináty mnohem levnější než epoxidové sklo, celkové náklady na vlastnictví zahrnují náklady na práci potřebnou k jejich obrábění, množství odpadu, který produkují, a jejich životnost. Tvrdší materiály vyžadují karbidové nástroje a pomalejší řezné rychlosti, což může zvýšit náklady na výrobu produktu a vynulovat veškeré úspory plynoucí z menšího množství surovin. Prostoje zařízení způsobené příliš brzkým selháním izolace často stojí více než dodatečné peníze, které stojí výběr lepších materiálů na začátku. Když se inženýrské týmy snaží, aby byly nápady spolehlivější a snadněji realizovatelné, neměly by se dívat pouze na kupní cenu.
Aby bylo možné vybrat ten správný izolační materiál, je nutné zvážit náklady, elektrický výkon, mechanické vlastnosti a tepelnou stabilitu každého materiálu s ohledem na potřeby konkrétní aplikace. Pro běžná průmyslová zařízení jsou fenolové lamináty levnou volbou. Epoxidové sklo a typy FR4 však nabízejí lepší výkon, což ospravedlňuje jejich vyšší ceny v náročných elektronických a energetických aplikacích.
tags: #izolační #desky #elektro #vlastnosti #a #použití