MATERIAIS ELÉTRICOS ISOLANTES - PARTE 4

Tabela 4.3 - Classificação de materiais isolantes cerâmicos de acordo com suas fases cristalinas.

Nomes Componentes	Componentes Principais	Composição química	Principais caraterísticas
Porcelana de isoladores	Argila Caolim Quartzo Feldspato	3 Al2O3 2 SiO2	Pequeno coeficiente linear de dilatação.
Porcelana de alta freqüência	Argila Caolim Bário	3 Al2O3 2 SiO2 ------------------------------------- BaOAl2O3. 2SiO2	Pequeno coeficiente de dilatação e baixas perdas dielétricas
Ultraporcelana	Argila Caolim	3 Al2O3 2 SiO2	Elevada resistência mecânica Baixas perdas dieléticas.
Esteatite	Talco Argila Magnesita	MgO.SiO2 e 2 MgO.SiO2 e 2 MgO.2Al2O3. .. 5SiO2	Elevada resistência mecânica Baixas perdas dielétricas Baixo coeficiente de dilatação
Titanatos	Dióxido de Titânio	TiO2	Elevada constante dielétrica Coeficiente de temperatura negativo.
	Dióxido de Titânio e Calcita	CaTiO3	Elevada constante dielétrica Coeficiente de temperatura negativo
	Titanato de zircônio	TiO2 . ZrO2	Coeficiente de temperatura praticamente igual zero.
	Titanato de bário	BaO.4TiO2 e BaO.5TiO2	Coeficiente de temperatura praticamente igual a zero
	Titanato de magnésio	Mg TiO3	Coeficiente de temperatura positivo próximo a zero.

Vidro

O vidro é a solução mais moderna para diversos problemas anteriormente só resolvidos com porcelana, e que hoje já encontram também soluções mediante o uso de resinas (epoxi) e aglomerados de resina com borrracha. O vidro é encontrado em duas formas: a normal e a temperada.

Seguindo a classificação do material segundo seu estado físico, o vidro é incluído tanto no estado sólido quanto no líquido, uma vez que sua forma estrutura e as leis da deformação que obedece são as próprias do estado líquido, enquanto que a sua forma estável o classifica como sólido. O estado vítreo é particular de uma longa série de produtos orgânicos e inorgânicos, incluindo-se nesta última o produto que tecnicamente conhecemos por vidro.

O vidro é basicamente composto de óxido de silício e de boro, nas formas SiO2 e B2O3; acrescentam-se a esses dois uma grande série de aditivos, tais como os óxidos alcalinos K2O e Na2O, que influem sobretudo no valor da temperatura de fusão do material Vidros técnicos normais, dependendo das porcentagens x, y, e z de cada um. apresentam-se, assim, como composição do tipo xNa2O-yCaO.zSiO2 (vidro de sódio) ou xK2O-yCaO.zSiO2. Outros aditivos, geralmente ainda na forma de óxidos, são o magnésio, o zinco, o antimônio, o chumbo e outros.

Assim os vidros são classificados em um dos grupos dados a seguir:

1. Vidros sódio-cálcicos, com a fórmula básica Na2O.CaO.6SiO2. com pequenos acréscimos de Al2O3, BaO, MgO e outros. São empregados em vidraças, garrafas e outros casos nãoelétricos.

Apresentam baixo ponto de fusão 2. Vidros cálcio-cálcicos com fórmula K2O.CaO.6SiO2, apresentando alto ponto de fusão e boa

resistência química.

3. Vidros de cálcio-chumbo, com fórmula K2O-PbO.6SiO2 e acréscimos do tipo CaO e BaO.

Tem baixo ponto de fusão, apresentam elevado índice de refração perante a luz. Seu uso é encontrado em vidro óptico e cristal de chumbo.

4. Vidro de silicato de boro e alumínio, com acréscimos de sódio (Na2O), bário (BaO), cálcio (CaO) e outros. Apresentam bom comportamento químico e térmico. São apropriados para termômetros e finalidades químicas diversas.

5. Espécies, como por exemplo, vidro de quartzo que deixa passar as radiações ultravioletas e é insensível a variações de temperatura.

Sendo um produto resultante de composição porcentual variável, diversos componentes, variam suas características em função dessa composição. Também tratamentos térmicos posteriores (têmpera) influem acentuadamente em particular no que se refere a suas características mecânicas, podendo-se, porém caracterizar o vidro sob os aspectos vistos a seguir.

1. Suportar temperaturas elevadas - a temperatura de serviço normal se localiza em torno de 200-250ºC, ocupando assim posição dentro do grupo dos isolantes de elevada estabilidade térmica.

2. Peso específico relativamente baixo, apresentando, em geral, valor em torno de 2,5g/cm3, dependendo, porém, da composição.

3. Permite um tratamento térmico que eleva em muito as suas propiredades mecânicas. A têmpera do vidro adquire importância particular nas área dos isolantes, tipo disco e pedestal, devido à presença de esforços mecânicos acentuados.

4. Possui elevada estabilidade térmica. Entende-se por estabilidade térmica, o comportamento do material em suportar bruscas variações de temperatura. Esse comportamento é função do coeficiente linear de dilatação, da condutividade térmica e da resistência mecânica.

5. Geralmente possui acentuada estabilidade perante a umidade, dependendo porém de sua composição. Sendo freqüentemente um silicato, e tendo o silício a propriedade de ser repelente à água, justifica-se esta propriedade. Quando se eleva a porcentagem de materiais alcalinos, observa-se uma redução dessa propriedade. Atinge-se uma situação em que, no caso de vidros compostos apenas de Na2O ou K2o, e perante elevação de pressão e temperatura, o vidro se torna totalmente solúvel em água.

Apresenta elevadas perdas dielétricas, de modo geral, que ainda se elevam com elevação de temperatura. Essa propriedade torna pouco recomendável o uso do vidro perante freqüência elevadas, pois poderá ocorrer destruição térmica. O valor das perdas depende de sua composição, notando-se uma redução das mesmas na presença de óxido de metais pesados ou óxido de cálcio.

Minerais

Mica

A mica é um mineral cristalino, que se apresenta em forma de pequenas lamelas ou lâminas, devido à baixa força de coesão entre os diversos planos cristalinos. Em termos de composição química, a mica é um silicato de alumínio. Dos diversos tipos de mica existentes, dois têm aplicação elétrica mais freqüente, a muscovita que tem a composição K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O, e a flogopita com a fórmula K2O.3Al2O3.12MgO.12 SiO2.2H2O.

Caracteriza-se pelas propriedades enunciadas a seguir.

1. É encontrado com relativa facilidade, o que faz desse isolante um dos mais antigos em uso. Na forma natural, se mantém em camadas facilmente divisíveis, permitindo obter lâminas ou lamelas de pequena espessura. No estado natural ainda, é encontrado associado a óxidos metálicos, que precisam ser eliminados antes da utilização elétrica, por meio de purificação.

2. Na purificação com eliminação conseqüente das impurezas, elimina-se também material de ligação entre as lâminas de mica, ficando o material sem meio aderente. Esse meio é restituído à mica em sua aplicação, através de um verniz de colagem. Por vezes, além do verniz, a mica recebe um esforço mecânico através de uma base de papel ou de tecido. Resulta, assim um produto conhecido comercialmente por micanite, onde a porcentagem de verniz de colagem atinge até 25% do volume; em geral, porém esse valor se situa em torno dos 5% do volume.

3. O produto da mica com verniz pode ser rígido ou flexível, dependendo das características do verniz usado. Vernizes rígidos dão como resultado produtos rígidos.

4. A mica é um dos produtos de mais elevada estabilidade térmica e maior temperatura de serviço, atingindo valores de até 1000°C. Como tal, é usado em numerosos casos de aquecimento elétrico. Sendo o produto de mica uma mistura de mica com verniz, a temperatura máxima admissível vai depender também do limite de temperatura do verniz, e que ainda se encontra em valores mais baixos. Assim, apesar de permitir uma temperatura muito alta, os produtos de mica têm sua temperatura limitada pelo valor máximo admissível tolerado pela resina do verniz.

5. Bom comportamento mecânico: a mica apresenta valores de resistência à tração e à compressão bastante altos: é, entretanto, sensível perante a flexão, o que faz da mica um material quebradiço no seu estado puro e em plaquetas grandes.

6. Apresenta ótimas características elétricas, variando esses valores com a espessura e a temperatura.

7. A mica é usada na forma de grandes lâminas, lamelas e pó, sempre reforçada por material de base e impregnado com vernizes, se assim se fizer necessário, para o seu uso correto.

8. A mica é relativamente higroscópica, devido à sua estrutura lamelar.

9. A cor da mica informa sobre sua qualidade. Essa coloração é sobretudo devido à presença de impurezas de difícil eliminação, de modo que, quanto mais incolor a mica, melhor é a sua qualidade. As cores geralmente encontradas são o amarelo, o esverdeado e o avermelhado.

Partindo da mica no estado puro, têm-se os produtos enunciados a seguir.

1. Placas de mica. São camadas com espessura superior a 0,05 mm, usados em equipamentos e componentes elétricos estáticos, como, por exemplo, em alguns tipos de capacitores, atualmente pouco freqüentes. Essas placas de mica são também usadas para aparelhos

térmicos, tais como, aquecedores e ferros elétricos, onde um fio de aquecimento é envolto por placas de mica.

2. Lamelas ou lâminas de mica. Nesses casos, que são os mais comuns, a mica não apresenta forma própria, necessitando de aglomerante, e, eventualmente, também de um material de base. As lamelas de mica são coladas entre si, formando fitas, chapas, tubos, etc., de acordo com a necessidade. Incluem-se nesse caso, canaletas de papel, mica e verniz de colagem, usados para isolar ranhuras de máquinas, ou a isolação entre as lâminas de um coletor.

3. Pó de mica, obtido por moagem de lamelas. Esse pó de mica pode ser usado como aditivo a outras massas e pós, ou, senão, na forma combinada com verniz de colagem, ser prensado em moldes, dando origem a peças de micanite.

Em todos os casos mencionados, seja devido à relativa higroscopia, seja por causa da necessidade de certas propriedades mecânicas no seu uso, a mica é geralmente associada a vernizes, e outros isolantes.

Assim, as características da mica pura não têm o mesmo significado como as de sua forma combinada. Assim, a rigidez dielétrica normalmente encontrada varia de 15 a 20kV/mm, havendo, porém casos em que atinge 40kV/mm.

Não resta dúvida de que, nas aplicações elétricas, a forma composta de mica, conhecida por micanite, é a mais importante, devido à grande variedade de produtos daí resultantes. A micanite é encontrada em fitas e em placas, na forma flexível e rígida, em diversos tamanhos. E existência, em número cada vez maior, de resinas e, conseqüentemente, de vernizes, confere à micanite papel de destaque entre os isolantes elétricos.

Enquanto a micanite é basicamente formada de lamelas, o produto usando pó de mica, por vezes conhecido por micalex, também tem ampla faixa de uso. O micalex é rígido, composto de pó de mica e vidro de baixo ponto de fusão.

Amianto

É um material mineral fibroso, com brilho de seda, flexível, resultante da transformação de silicato de de magnésio. A estrutura física é explicada pela forma cristalina que apresenta.

Conforme se sabe, silicatos se apresentam numa estrutura tetraédrica de íons de SiO4. Nos cantos dos tetraedros se encontra o átomo de oxigênio; no centro, o átomo de silício. Comparando com

a mica, cuja estrutura tetraédrica é o tipo plano, no amianto essa estrutura é de tubos. Essas cadeias são em seguida ligadas entre si por íons de magnésio, formando os cristais de amianto.

Dessa ligações, as de Si-O-Si são particularmente fortes, sendo as de Mg-O-Mg menos resistentes. Por essa razão, os cristais de amianto permitem uma divisão em filetes ou tubos. O amianto é encontrado na natureza dentro de pedras, em filetes, com espessura variável desde fiação de milímetros até alguns centímetros. Quanto maior o seu comprimento, maior é o valor do produto.

O amianto se destaca pela estabilidade térmica e alta temperatura de serviço, mantendo sua resistência mecânica e flexíbilidade praticamente inalteradas perante temperaturas em que fibras orgânicas já estão sendo destruídas.

Na sua estrutura, que é 3MgO.2SiO2.2H2O; na forma mais comum, a água é libertada apenas perante 300 a 400°C, a partir da qual perde acentuadamente as suas propriedades mecânicas. A sua temperatura de fusão é cerca de 3 a 4 vezes mais elevada.

Suporta elevados esforços mecânicos, que se localizam numa taxa de torção de 350kgf/cm2, em média.

Apresenta higroscopia relativamente elevada, o que faz com que seja usado eletricamente com a devida impregnação com resinas, óleos ou massas isolantes. Dessa propriedade e da respectiva impregnação vão depender as características finais.

O amianto costuma vir acompanhado de impurezas, particularmente ferrosas, sendo, em especial, acentuada a influência negativa do Fe2O4. Essas impurezas são eliminadas por meio de ácidos.

O amianto é usado nas formas enunciadas a seguir.

I. Pó. O pó de amianto é, em geral, o resultado da decomposição de fios muito curtos, que aliás são os mais freqüentes. Esse pó é usado de diversas maneiras, como por exemplo.

a) recebendo como aditivo um verniz e aplicando a massa sobre papel isolante; o produto assim obtido é repelente à água, de elevada estabilidade térmica e resistente a ácidos, álcalis e solventes orgânicos (com exceção do benzol e seus derivados);

b) preenchimento de fusíveis do tipo encapsulado, atuando como elemento extintor, em substituição à areia (que também é um silicato).