Cerámica

Química. Dieléctricos sólidos. Materiales. Electroporcelana. Proceso de obtención. Aisladores. Aplicaciones

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Características Generales de los Dieléctricos Sólidos

Todos los dieléctricos sólidos tienen características comunes en cuanto a su estructura. Poseen un enlace relativamente más fuerte y rígido que el resto de estos materiales. Sus partículas tienen menos movimiento, razón por la cual sus temperaturas de fusión son mayores de 30 y 40 °C. Generalmente presentan alto índice de acidez. El aspecto esencial en la estructura de todos ellos y el hecho que los convierte en dieléctricos, es que la diferencia de energía entre la banda de valencia y la conducción es mayor que 3EV; o sea, que hay que suministrarle una energía mayor que la dicha para que un electrón de la banda de valencia, cruce la zona prohibida, saltando a la banda de conducción ocasionando la aparición de un hueco que posibilita así la conducción de la corriente eléctrica.

Los dieléctricos, sólidos, se clasifican así atendiendo a su estado físico; también se pueden clasificar atendiendo a su estructura, en cristalinos y amorfos; y por su naturaleza química en orgánicos e inorgánicos.

De manera general los dieléctricos sólidos reblandecen a una temperatura precisa (los materiales de estructura cristalina, parafina, mica y otros) o gradualmente en un intervalo amplio de temperatura (los de estructura amorfa, alquitranes, betunes). El reblandecimiento no es más que el paso de sólido a líquido de cualquiera de estos materiales, de manera especial se enfatiza en los dieléctricos de estructura amorfa, por la gran aplicación que tienen , y sería de gran utilidad saber a la temperatura que funden. Esta característica de los dieléctricos sólidos nos permite, en correspondencia de la temperatura de reblandecimiento, fijar la temperatura límite de trabajo para un material dado.

Cada uno de estos grupos de dieléctricos tienen diferencias específicas. No obstante, en todos ellos tienen lugar los siguientes procesos físicos: en un campo eléctrico todos los dieléctricos se polarizan, lo que se relaciona con el ordenamiento interno de los mismos; bajo la acción de una tensión alterna tiene lugar una dispersión de energía que se transforma en calor, en los campos eléctricos intensos el dieléctrico puede ser destruidos, es decir, sufrir una ruptura. Después de la ruptura los dieléctricos adquieren gran conductividad.

Características Eléctricas de los Dieléctricos Sólidos:

1. Resistencia específica de los materiales electroaislantes: la resistencia específica cúbica o volumétrica del dieléctrico permite evaluar la resistencia al paso eléctrica del dieléctrico mediante la corriente Iv a través de su volumen. Por medio de la resistencia especifica superficial, puede evaluarse la propiedad del dieléctrico, de oponer resistencia al paso de la corriente Is a través de su superficie. De aquí el que se pueda comparar el menor o mayor carácter aislante de cada dieléctrico, para una mejor aplicación ulterior. Las corrientes cúbicas y superficiales del dieléctrico (refiérase a las corrientes que circulan por el volumen y la superficie del dieléctrico), son muy pequeñas por lo general en todos los dieléctricos de aquí es de donde proviene el carácter aislante de los dieléctricos.

2. La conductividad específica de estos materiales está dada por la conducción de pequeñas cantidades de corriente eléctrica en el momento que ocurre su polarización, esta puede ser a través de su superficie (llamada resistencia específica superficial) o a través de su cuerpo (resistencia específica cúbica). Este parámetro es de vital importancia pues puede introducir corrientes eléctricas que afecten el diseño electrónico dado.

3. La permeabilidad dieléctrica de los materiales electroaislantes: esta propiedad se calcula dé acuerdo con la magnitud medida de la capacidad de un condensador plano, cuyo dieléctrico es una muestra del material que se prueba. Tomando la capacidad de un condensador patrón (de aire) se puede comparar magnitud de otro condensador con otro dieléctrico. La permeabilidad es una medida cuantitativa de los fenómenos de polarización del dieléctrico, como función de su naturaleza química.

4. Pérdidas de energía en los dieléctricos: No son más que ciertas cantidades de energía eléctrica que se transforma en energía calorífica al actuar el campo eléctrico sobre cualquier sustancia. Esto se puede apreciar porque al cabo de cierto tiempo de uso del condensador la intensidad de la corriente que circula por él no es la misma. El ángulo de perdidas dieléctricas es el que forma el vector intensidad de la corriente total que pasa por un condensador (se puede descomponer en dos: I activa e I reactiva) y su componente reactiva. Debido a esto es posible que el dieléctrico cambie sus características en función de la temperatura adquirida.

5. La rigidez dieléctrica de los materiales electroaislantes: esta propiedad muy importante de los dieléctricos nos permite evaluar su capacidad de oponerse a la acción destructiva de las fuerzas eléctricas. A los dieléctricos se aplican, en calidad de materiales electroaislantes, en instalaciones eléctricas, máquinas y aparatos donde ellos están sometidos a la acción de tensiones altas. Por lo tanto, los dieléctricos, en determinadas condiciones corren el peligro de su destrucción o ruptura... Una destrucción del dieléctrico provocaría la unión de los conductores, y traer consigo graves consecuencias en la instalación electrotécnica. La magnitud de la intensidad del campo eléctrico a la que ocurre la ruptura del dieléctrico, se llama rigidez dieléctrica.

6. Polarización de los dieléctricos sólidos: puede explicarse examinando un dieléctrico en el interior de un condensador. Si el condensador se conecta a una fuente de tensión constante, entonces en las placas del condensador aparecen cargas eléctricas, las cuales provocan un campo eléctrico en el dieléctrico. Bajo la acción de las fuerzas de este campo los electrones en los átomos del dieléctrico se desplazan con respecto a los núcleos y se forman con ellos cargas positivas y negativas ligadas, llamadas dipolos. Para cada material dieléctrico el grado de polarización es diferente lo que hace de ellos un producto sumamente útil en la fabricación de condensadores, igualmente importantes en la industria eléctrica. En general todos los dieléctricos sólidos se pueden utilizar en confección de condensadores.

Materiales Cerámicos. Conceptos generales

Definición:

La palabra cerámica se deriva de otra palabra del griego antiguo que se utilizaba para describir el material alfarero llamado arcilla. Consecuentemente la palabra cerámica fue inicialmente utilizada para describir artículos que habían sido hechos por materiales donde predominaba la arcilla. Sin embargo esta definición no puede seguirse aplicando a las cerámicas eléctricas las cuales contienen muy poca o ninguna arcilla. Por lo tanto ha sido necesario ampliar el concepto de cerámica relacionándolo no con la composición química de los materiales que la constituyen ni con sus propiedades físicas sino con los artículos manufacturados mediante un proceso tecnológico particular.

De esta forma podemos definir los materiales cerámicos (cerámicas) como aquellos materiales inorgánicos con los cuales se pueden hacer piezas de diversas formas que posteriormente se someten a procesos de cocción a altas temperaturas.

Electroporcelana

La electroporcelana es el más importante de los materiales cerámicos empleados en electrotecnia. Esta sustancia se obtiene mediante la mezcla de:

1) El caolín o tierra de porcelana que es un silicato de aluminio hidratado, cuya composición corresponde aproximadamente a la fórmula Al2O3 - 2SiO2 - 2H2O.

2) El cuarzo u óxido de silicio de fórmula SiO2

3) El feldespato, nombre genérico de un grupo de minerales petrogenéticos o formadores de rocas. Todos los feldespatos son silicatos anhidros de aluminio, con potasio, sodio y calcio. El feldespato potásico es el m s empleado en la fabricación de la porcelana y su fórmula química aproximada es K2O - Al2O3 - 6SiO2

De estos ingredientes, el caolín es responsable del buen comportamiento plástico del material antes de ser sometido al fuego, el cual es muy importante para dar forma a los grandes aislantes de alta tensión. El feldespato es un fundente que funde fácilmente y, que durante el calentamiento por fuego, disuelve las sílice del caolín y del cuarzo para formar el vidrio.

Las proporciones de estas sustancias en la mezcla determinan las propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de los productos obtenidos después de la cocción.

La mezcla de estos productos se realiza en proporciones que se establecen por diferentes métodos, el más común es el de diagrama de composición

La composición aproximada de la porcelana electrónica para uso general es la siguiente:

- 50 % de caolín

- 25 % de cuarzo

- 25 % de feldespato

Esta porcelana, que podríamos considerar básica, tiene unas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio. Si se quieren fabricar porcelanas especiales en las que predominen una o m s de estas propiedades, deben modificarse las proporciones de los componentes básicos según se expresa en la figura anterior. Un aumento en el contenido de caolín implica mejores propiedades térmicas, el aumento del cuarzo implica mejoras en las propiedades mecánicas, mientras que el aumento del feldespato mejora las propiedades eléctricas.

En vez del feldespato o unido a éste, las mezclas pueden tener otros fundentes tales como óxidos alcalino térreos, óxido bórico etc. y, en vez de cuarzo, otros materiales tales como óxido de zirconio, de titanio etc.

Propiedades Fundamentales de la Electroporcelana:

a) Excelentes características dieléctricas.

b) Gran resistencia mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.

c) Impermeable al agua y a los gases.

d) Inatacable por los  álcalis y  ácidos concentrados excepto el  ácido fluorhídrico.

e) Soporta perfectamente grandes cambios de temperatura y sus temperaturas máximas de servicio son muy elevadas (del orden de los 1273 K).

Usos más frecuentes:

La electroporcelana se utiliza en infinidad de elementos aislantes.

Por sus excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, así como por su poco envejecimiento debido a la acción de radiaciones solares, humedad, lluvia, suciedad etc., es el elemento aislante de uso más generalizado como aislador para las redes eléctricas de potencia, así como en los dispositivos de bajos, medianos y altos voltajes (transformadores, interruptores, separadores etc.)…

Proceso de obtención de la porcelana

El proceso de obtención de la porcelana tiene gran importancia a la hora de obtener buenas propiedades eléctricas y mecánicas.

El proceso tecnológico aunque aparenta ser muy sencillo, presenta muchos puntos variables de forma tal que las variaciones en cada uno de ellos conduce a la obtención de determinadas propiedades.

Cuando solamente se requieren propiedades aislantes medias, el proceso no es tan riguroso, pero cuando se trata de productos con buenas propiedades eléctricas, es necesario que el proceso tecnológico se el adecuado y se cumpla en todos sus puntos.

La fabricación de productos de porcelana de alta calidad necesita de un gran desarrollo tecnológico.

A continuación se describen brevemente los pasos fundamentales del proceso:

a) Selección de los materiales: se procede a seleccionar los materiales a utilizar según las propiedades que se requieren tanto eléctricas, mecánicas y térmicas.

b) Determinación de las proporciones: se determinan las proporciones establecidas según las propiedades que se desean obtener. Este paso debe ser realizado con sumo cuidado y buena en las mediciones.

c) Mezclado con agua: los productos arcillosos que no necesitan triturado se disuelven en agua formado una pasta semilíquida.

Los productos pétreos se mezclan con una determinada proporción de agua (40-50 %).

d) Molido de los materiales: se procede a la trituración de los materiales pétreos en molinos especiales que no contengan elementos metálicos; primero se pasan por molinos de rodillos de granito y luego por el molino de bolas.

El tamaño de los granos es de suma importancia en la obtención de las propiedades, por eso se ha establecido que el material se considere molido cuando una vez pasado a través de una criba de 10 000 agujeros por cm² no permanezcan en la misma más del 5% del producto.

e) Mezclado: los productos así obtenidos, se mezclan con agua hasta obtener una masa líquida que contenga del 45-50 %.

f) Prensado: la mas líquida se hace pasar por un filtro prensa a presión de 6-8 atm, en la que se le retira no menos del 25-30 % de agua, obteniéndose una masa plástica en forma de disco.

g) Secado: la masa plástica, así obtenida, se sitúa al vació con el fin de retirarle las oclusiones de aire y lograr una distribución una distribución uniforme del agua; en ocasiones este proceso se realiza guardando la masa en lugares secos, con una temperatura determinada y durante un período de tiempo previamente establecido.

h) Conformación: se procede a dar la forma adecuada a la mas prensada según el producto deseado; los métodos que se utilizan son varios (torneado, prensado, extrusado, etcétera). Existe otro método muy usado; este es el vaciado, el cual consiste en llenar un molde con la pasta en forma líquida y esperar a que se seque la misma para retirarle el molde.

i) Secado: conformado los productos, se sitúan los mismos en corrientes de aire con determinada temperatura para retirarla aún más la humedad.

j) Barnizado: el barnizado consiste en cubrir la superficie con un baño de un sustancia líquida a base de porcelana con otros productos y algún pigmento.

El barnizado se puede realizar por inmersión según la tecnología utilizada.

k) Cochura: se sitúan las piezas ya barnizadas en un molde de material refractario el cual se introduce en el horno donde se procede a la cocción de las piezas.

El proceso de cocción se realiza elevando la temperatura a un determinado régimen hasta una temperatura de 1500-1600 ºC (según el producto). Este proceso se realiza en hornos circulares aunque el proceso correcto se realiza en hornos túnel.

Durante la cocción, los productos iniciales se descomponen en sus elementos; estos se unen dando origen a un nuevo producto; la porcelana.

l) Enfriamiento: luego se procede a enfriar los productos a un régimen determinado, según el tipo de producto y la temperatura alcanzada.

m) Fijación de los elemento de sujeción: se le sitúan los elementos metálicos que le sirven de ejecución si los tiene. Esto se realiza con un cemento especial destinado para estos fines.

n) Pruebas: se realiza las pruebas de rutina para eliminar los productos que han resultado defectuosos.

Como se puede observar, el proceso tecnológico es relativamente sencillo en apariencias, aunque en realidad es muy complicado cuando son necesarias piezas con buenas propiedades aislantes y un tiempo largo de vida útil.

Aisladores de porcelana

Tipos de Aisladores:

De porcelana se hacen aisladores eléctricos de los tipos mas diversos: aisladores para líneas aéreas, de suspensión, para tensiones elevadas (de más de 35 kV), y rígidos o de espigas, para tensiones más bajas; aisladores para centrales, de apoyo, pasamuros (de entrada); aisladores para aparatos, que forman parte de la estructura de diversos tipos de estos, como transformadores, interruptores de aceite, desconectadotes y descargadores; piezas de porcelana para instalaciones, como aisladores de carrete, piezas para portalámparas, interruptores, enchufes, cortacircuitos, aisladores de suspensión de antenas, telefónicos y telegráficos. La forma y las dimensiones de los aisladores de porcelana son muy variadas. Pero en virtud de que en las capas gruesas no es uniforme el recocido y la resistencia mecánica y la rigidez dieléctrica son peores cuando el espesor es muy grande, se recomienda evitar las piezas de porcelana gruesas y macizas. En caso de necesidad los aisladores de porcelana pueden hacerse de piezas más delgadas que después se unen entre sí con el barniz y se cuecen; el vidriado suelda fuertemente las superficies que deben unirse. Las piezas de porcelana pueden unirse entre sí y con piezas metálicas (armadura de los aisladores) empleando cemento Pórtland, macilla de glicerina y litargirio, plomo u otro cualquier metal fusible. Si se usa plomo hay que calentar previamente las piezas que se unen, para evitar que la porcelana se agriete. Las transiciones bruscas de un espesor grande a otro deben soslayarse en la porcelana, de lo contrario en estos puntos, a causa de la irregularidad de los esfuerzos termoinducidos, pueden producirse grietas fácilmente. Todas las aristas de los aisladores deben redondearse. Al diseñar los aisladores de porcelanas hay que tener muy en cuenta que, como se dijo antes, su resistencia a al comprensión es mucho mayor que a la tracción o a la flexión. Por esto en los aisladores que sufren esfuerzos mecánicos considerables se procura que la porcelana sólo soporte cargas compresoras.

Características:

La característica eléctrica más importante de los aisladores de alta tensión es la tensión de descarga, es decir, la tensión que aplicada a los electrodos del aislador hace que se produzca la descarga eléctrica entre ellos.

En la inmensa mayoría de los casos esta descarga se produce en forma de descarga superficial (de cobertura), entre los electrodos, de manera que el aislador no se estropea si la descarga dura poco. Hay que distinguir dos tipos de valor de la tensión de la descarga: en seco y en húmedo. La tensión de descarga en seco es el valor de tensión que se obtiene en los ensayos del aislador en condiciones normales; la tensión de descarga en húmedo es la que resulta de la prueba bajo lluvia artificial de intensidad determinada con un valor normalizado de p del agua; es vidente que la tensión de descarga en húmedo es menor que la de descarga en seco. El valor de la primera da idea de cómo se comportará en aislador en las instalaciones a la intemperie o en las líneas de conducción eléctrica en tiempo de lluvia.

Además de las tensiones de descarga se determina la tensión disruptiva, es decir, la tensión con la cual se produce la perforación de la porcelana entre los electrodos. La tensión disruptiva se mide estando introducido el aislador que se ensaya en aceite aislante. Si se prueban aisladores de suspensión, la tensión disruptiva se mide en los aisladores simples o elementos, y la tensión de descarga (en el aire), en las cadenas completas.

Aisladores para líneas de conducción:

En las líneas aéreas de conducción eléctrica para tensiones de hasta 35 kV se emplean los aisladores de espiga, que aseguran la sujeción rígida de los conductores a puntos determinados de los postes. Se fabrican aisladores de espiga o rígidos de cinco marcas: IIIJI-6, IIIC-6, IIIC-10, IIIJI-35; el número que figura en la marca indica la tensión de la línea de transporte de energía en kilovoltios.

Aisladores de suspensión:

Las cadenas de los aisladores de suspensión pueden ser de alineación, que sirven para suspender los cables en los postes intermedios, y tensores o te amarre, que los sujetan de las torres de amarre. Tanto unos como otros, en dependencia de la resistencia mecánica que deben tener, pueden ser simples, dobles, triples etc.; además, atendiendo a las carga mecánicas que pueden soportar, hay diversas marcas de aisladores de suspensión. El número de elementos aisladores que debe tener la cadena se determina por la tensión de servicio en la línea de transporte de energía. Así, en las líneas para 110 kV, las cadenas suelen tener 6 ó 7 elementos aisladores; en las líneas para 220 kV, 10 - 12 elementos y así sucesivamente. Al cuerpo de porcelana de cada elemento van unidas rígidamente las piezas metálicas de la armadura, es decir, el casquete y el perno soporte. Al armar la cadena cada nuevo elemento se inserta, por el orificio que tiene en el casquete, en la cabeza del perno del elemento precedente y se sujeta con un cierre especial. Los casquetes de los aisladores de suspensión se hacen de fundición maleable o de acero, y el perno y la pieza de cierre, de acero. Estas tres piezas deben galvanizarse para vitar su corrosión.

La norma GOST 6490-67 prevé seis tipos clases de aisladores de suspensión de porcelana: "-6, "-9, "-12, "-16, "-20, "-25; la letra " indica que el aislador es de suspensión, la , que es de porcelana, y la cifra, el valor mínimo del esfuerzo mecánico de rotura (por tracción) en toneladas fuerza (1 tf " 104 N ), cuando sobre el aislador actúa al mismo tiempo una tensión eléctrica, de 50 Hz de frecuencia, igual al 75% de la tensión de ensayo correspondiente al tipo dado de aislador en seco (carga electromecánica de rotura). La tensión disruptiva de los aisladores no debe ser menos que 110 kV para los "-6 y que 130 kV para los "-25.

Últimamente con motivo al descubrimiento de materiales cerámicos nuevos, resistencia elevada y, en particular, de mayor resistencia a la tracción, ha comenzado a utilizarse un tipo especial de aislador de suspensión para líneas eléctricas aéreas de alta tensión llamado aislador de vástago, este aislador tiene un vástago enterizo de porcelana la cual se sujeta con cemento los casquetes. La longitud de este aislador para 110 kV de tensión es de 1235 mm.

Aisladores telegráficos y telefónicos:

Estos aisladores se utilizan en los tendidos de líneas telefónicas y telegráficas y para sujetar los hilos de baja tensión a postes, muros, etc. Sus dimensiones son menores que la de los aisladores rígidos o de espiga y las condiciones que se imponen a su calidad son menos rigurosas.

Aisladores para centrales eléctricas:

Los aisladores de apoyo sirven para sujetar rígidamente las barras de los dispositivos de distribución y diversas piezas de aparatos eléctricos. Tienen gran importancia los aisladores pasamuros, que sirven para dar paso a través de las paredes, suelos y tabiques de los edificios a los conductores de alta tensión, por dentro de él pasa una barra de cobre conductora de la corriente y a ambos extremos tiene bornes roscados a los cuales se sujetan los cables o barras que llegan a dicho aislador. Si hay que hacer pasar una línea de alta tensión a través del muro de una subestación, se emplean las llamadas entradas de línea, que se caracterizan porque el sombrerete de la parte externa del aislador tiene una junta impermeable al agua; esta parte externa, que está sometida a las precipitaciones atmosféricas, tiene mayores dimensiones y ondulaciones más desarrolladas que la parte interna.

Aisladores para aparatos:

Estos aisladores, que forman parte de diversos aparatos eléctricos, tienen formas y dimensiones muy variables. Como tales son importantes los aisladores de entrada, que sirven para introducir los conductores en las cajas metálicas e en las cubas de los aparatos (transformadores, interruptores de aceite, condensadores, etc.). Cuando las tensiones son relativamente bajas, los aisladores de entrada se parecen a los pasamuros antes descritos, si las tensiones son muy altas se emplean aisladores de entrada de estructura compleja, que tienen revestimiento externo (cubierta) de porcelana dentro de los cuales se encuentran los aisladores de paso que son cilindros de baquelita; los espacios que quedan entre de la porcelana y los cilindros interiores se llenan de “compound” o de aceite para transformadores.

Otras Dieléctricos Cerámicos y sus aplicaciones

Porcelana para instalaciones:

Bajo esta denominación se agrupan los aisladores de carrete, las piezas de las cajas y enchufes de clavija, de los portalámparas, cortacircuitos fisibles, etc. En lo fundamental son piezas que se producen en gran escala en las fábricas de porcelana, prensándolas, en moldes de acero, de una masa de porcelana bastante seca (con poca cantidad de agua); la calidad de esta porcelana es muy inferior a la que se emplea en aisladores de alta tensión.

Radioporcelana y ultraporcelana:

Las cerámicas para radiointalaciones, se utilizan en la fabricación de elementos aislados para antenas, transmisiones, pasadores, etc., donde existan campos de alta frecuencia.

La electroporcelana no se aplica a estos tipos de aisladores por la gran variación de sus propiedades para las altas frecuencias.

Normalmente, en estos productos se sustituye el feldespato por el óxido de bario u otros productos que garanticen estas características. Otra cuestión es el aumento del contenido de arcillas (hasta el 40 %) o sustituir esta por aluminio puro (A12 O3).

La gran desventaja de esta porcelana es su gran retracción volumétrica (12-15 %)

Esto dificulta sensiblemente la elaboración de estos productos, aunque se justifica el costo con las aplicaciones en que se utiliza.

Esteatita:

Se designa en principio con este nombre todas aquellas sustancias cerámicas con un contenido predominantes de minerales pertenecientes al grupo de los talco jabonosos (3 MgO • 4 SiO2 • H2O).

La proporción de talco excede por lo general del 8 %, el resto es de arcillas, feldespato o carbonato de bario.

La estructura microscópica de este producto la forman pequeños cristales monoclínicos de silicato de magnesio (Mg SiO2) distribuido en una fase vítrea.

Estos productos poseen excelentes propiedades aislantes y mecánicas.

Si se compara su estructura con la de la porcelana, se observa mayor homogeneidad como consecuencia de un predominio de un compuesto cristalizado químicamente definido. La cantidad de feldespato se disminuye sensiblemente , lo cual mejora ostensiblemente la cantidad de pérdidas.

Estos productos son muy sensibles a la temperatura, se dilatan y varían sus propiedades aislantes; esto se puede mejorar añadiéndoles otros productos tales como óxido de aluminio, óxido de magnesio y otros compuestos.

Debido a que la masa puede ser preparada con un bajo contenido de agua (seca), se facilita la obtención de piezas con mayor precisión en las medidas.

La esteatita se utiliza fundamentalmente en piezas pequeñas, donde es de gran importancia la resistencia mecánica y la exactitud de las piezas terminadas tales como; enchufes, zócalos, bases para terminales, bases para fusibles, etcétera.