Методическая указания по Электротехническим материалам

Публикация является частью публикации:

Методическая указания по Электротехническим материалам

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ЮЖНО – КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ

ЮЖНО – КАЗАХСТАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

^{МЕТОДИЧЕСКАЯ УКАЗАНИЯ}

^{по дисциплине: «Электротехнические
материалы »}

Рассмотрено на заседании

ПЦК электроэнергетики

Протокол № _____от________

Председатель ПЦК___________

Шымкент, 2018

Программой предмета «Электротехнические материалы» предусматривается изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах.

Предназначены для студентов специальности 0911013 «Техническая эксплуатация, обслуживание и электромеханического оборудования предприятий и здании»

Рецензент:

преподаватель

спец. дисциплин ЮКПТК _________ Нысамбекова А.

Составила: Нуранова Жұлдызай Үмбеталиқызы

Цели и задачи изучения предмета. Значение предмета и его связь с другими специальными предметами. Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании электротехнического оборудования и электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов отводится значительное место. Программой предмета «Электротехнические материалы» предусматривается изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах.

1. Цель и задачи дисциплины.

1.1. Основной целью преподавания дисциплины является: дать студентам основы электротехнического материаловедения, привить навыки выбора материалов для конкретных применений в электротехнических устройствах, изделиях радиои промышленной электроники.

1.2. Задачи изучения дисциплины Определяются требованиями к подготовке инженеров по электроэнергетике и включают приобретение следующих компетенций: – изучение студентами основ материаловедения, классификации материалов и их основ- ных свойств, принципов подбора материалов для конкретных применений; – привитие студентам навыков научного подхода к выбору и использованию материалов при производстве электротехнических изделий; – ознакомление студентов с методами и средствами измерения характеристик электротехнических материалов. – ознакомление с основными электротехническими материалами; – усвоение студентами механических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств основных конструкционных и электротехнических материалов, применяемых при производстве электротехнических изделий; – изучение влияния внешних факторов на электрофизические параметры материалов; – ознакомление с новыми электроматериалами и перспективами их применения. Для достижения поставленной цели и решения поставленных задач в результате изучения дисциплины «Электротехнические материалы» студенты должны:

иметь представление: – об особенностях применения электротехнических материалов в устройствах и аппаратуры. - о передачи, распределения и преобразования электроэнергии; – о существующих направлениях и перспективах разработки новых материалов для систем электроснабжения;

знать: 3 – механические, электрические и тепловые свойства проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов; – принципы подбора материалов для электротехнических изделий; – принципиальные пути управления свойствами материалов;

уметь: – определять и анализировать параметры и характеристики электротехнических материалов с целью получения оптимальных режимов работы электрооборудования; – выбирать электротехнические и конструкционные материалы для конкретных условий эксплуатации; уметь анализировать: – возможность улучшения свойств существующих материалов; – возможность изменения свойств и характеристик материалов в различных условиях эксплуатации; приобрести навыки: – в исследовании основных электрофизических параметров электротехнических изделий; – в использовании материалов для конкретного применения в изделиях электронной техники;

владеть: – методами измерения характеристик электротехнических материалов;

иметь опыт: – работы с измерительными приборами; – исследования основных электрофизических параметров электротехнических материалов.

Место дисциплины в учебном процессе Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины: – высшая математика (дифференциальное и интегральное исчисление); – физика (молекулярная физика, термодинамика, электростатика, электромагнетизм, волновая оптика, элементы атомной физики, квантовой механики и квантовой статистики). – химия (строение атома, строение молекул, поляризация молекул и ионов, строение твердого вещества, органические и неорганические соединения, группы периодической системы). Рассматриваемая дисциплина является базовой для изучения курсов «Электрические машины», «Электрические аппараты».

Раздел 1 . Основы металловедения

Тема 1.1. Введение. Строение и свойства металлов и сплавов.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Железный век продолжается. Примерно ⁹/₁₀ всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами:

· специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);

· высокая электропроводность;

· высокая теплопроводность;

· пластичность;

· отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частичек - электронов. В ядре атома находятся положительно заряженные частицы - протоны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он превращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электронов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют навалентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, движущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в металлах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вращаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные выше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, лишены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропроводность. Электросопротивление неметаллов с повышением температуры понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α)

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Fe_γ)

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t<911°С – ОЦК - Fe_α; 911<t<1392°С – ГЦК - Fe_β; 1392<t>1539°С – ОЦК - Fe_σ.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).

Рисунок 2 - Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Рисунок 3 - Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов.

Чтобы правильно выбрать материал для определённых целей, необходимо знать свойства металлов. Так, например, для изготовления режущих инструментов требуются прочные, твердые и износоустойчивые металлические материалы.

Физические свойства металлов и сплавов определяются цветом, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепловым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнитными свойствами. Физические свойства металлов характеризуются определенными числовыми значениями, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физические свойства некоторых металлов

Металл	Символ	Цвет	Плотность, кг/м³	Температура плавления, °С	Удел.электро- сопротивление при 20 °С, 10^-6Ом∙м
Алюминий	Al	Серебристо-белый	2700	658,7	0,029
Вольфрам	W	Блестящий-белый	19300	3380	0,053
Железо	Fe	Серебристо-белый	7800	1539	0,100
Кобальт	Co	Серебристо-белый	8900	1490	0,062
Магний	Mg	Блестящий серебристо-белый	1700	650	0,047
Медь	Cu	Красный	8900	1083	0,017
Никель	Ni	Серебристо-белый с сероватым оттенком	8900	1452	0,070
Олово	Sn	Серебристо-белый	7300	231,9	0,124
Свинец	РЬ	Синевато-серый	11400	327,4	0,220
Титан	Ti	Серебристо-белый	4500	1668	0,470
Хром	Сr	Блестящий серовато-белый	7100	1550	0,150
Цинк	Zn	Синевато-серый	7100	419,5	0,060

Отношение массы тела к его объему является постоянной величиной для данного вещества и называется плотностью.

Плотность и удельный вес имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления различных изделий. Так, детали и конструкции в приборостроении, в авиа- и вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малой плотностью. Из металлов, наиболее широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний и алюминий.

Все металлы как тела кристаллического строения переходят при определенной температуре из твердого состояния в жидкое и наоборот. Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.

Температура плавления является важным физическим свойством металлов. Знание температуры плавления металлов и сплавов необходимо в металлургии, в литейном производстве, при горячей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических материалов.

Способность металлов передавать теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым называется теплопроводностью.

Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Эти же металлы являются и лучшими проводниками электрического тока.

Теплопроводность металлов имеет большое практическое значение. Из металлов и сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, изготовляют детали машин, которые при работе поглощают или отдают теплоту.

Металлы и сплавы с низкой теплопроводностью для полного прогрева нуждаются в медленном и длительном нагревании. Быстрый нагрев и быстрое охлаждение таких металлических материалов может вызвать образование трещин. Это необходимо учитывать при термической обработке, горячей обработке давлением, литье в металлические формы и т. д.

Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, при охлаждении - сжимаются. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расширения α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l₀ при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1°С. Единица измерения α - °С^-1.

Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инструментов, изготовлении литейных форм, горячей обработке металлов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением.

Детали точных приборов и измерительных инструментов изготавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают из материалов с большим коэффициентом линейного расширения.

Электропроводностью называется способность металлов проводить электрический ток.

Высокой электропроводностью обладают те металлы, которые хорошо, т. е. без потерь на тепло, проводят электрический ток.

Магнитные свойства. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы. Перечисленные выше металлические материалы называют ферромагнитными. У остальных металлов и сплавов магнитные свойства выражены крайне слабо, поэтому практически они считаются немагнитными.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Магнитной проницаемостью называют способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа - 768°С, у никеля - 360° С, у кобальта - 1130° С.). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками (слабомагнитными материалами).

К химическим свойствам металлов следует отнести их способность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высоких температурах.

Рассмотренные выше физические свойства металлов обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением вещества. Так, например, нагрев металлов или прохождение через металлы электрического тока не сопровождается химическими изменениями их. При химических же явлениях происходит превращение металлов в другие вещества с иными свойствами.

Многие металлы подвергаются химическому изменению под воздействием внешней среды, т. е. разрушаются от коррозии. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распространения коррозии металлов в данной среде и в данных условиях: чем эта скорость меньше, тем металл более коррозионностоек.

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы. Титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным металлам.

Прочность — это способность материала сопротивляться действию внешних сил без разрушения.

Упругость — это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность — это способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохранять полученные деформации после прекращения действия внешних сил.

Механическими свойствами металлов называется совокупность свойств, характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).

К механическим свойствам металлических материалов относятся: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость, усталость, ползучесть и износостойкость.

Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление).

Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстровозрастающим (ударным) нагрузкам.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими инструментами, прокаливаемость.

Обрабатываемость металлов характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Красноломкасть - склонность металла к переходу в хрупкое состояние с повышением температуры.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Понятие сплава, их классификация и свойства.

В технике металлами называют все металлические материалы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы - сплавы.

Простые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. Например, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, висмута, сурьмы, железа и других элементов.

Сплавы— это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь — сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других элементов.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдо сплавами.

Способность металлов к взаимному растворению создает хорошие условия для получения большого числа сплавов, обладающих самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств, которых нет у простых металлов.

Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо - мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широкое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом — стали и чугуны.

На современном этапе развития техники наряду с увеличением количества сплавов и усложнением их состава большое значение приобретают металлы особой чистоты. Содержание основного компонента в таких металлах составляет от 99,999 до 99,999999999%
и более. Металлы особой чистоты нужны ракетостроению, атомной, электронной и другим новым отраслям техники.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

1) Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы - механические смеси (например, свинец - сурьма, олово - цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компонентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полностью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свойства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

2) Твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента.
Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

К таким сплавам относятся латуни, медноникелевые, железохромистые и др.

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонентов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейныесвойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

3) Химические соединения, подобно твердым растворам, являются однородными сплавами. При их затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротивлением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химическое соединение железа с углеродом — цементит (Fe₃C) тверже чистого железа в 10 раз.

Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры.

По диаграмме состояния можно судить о структурных превращениях, происходящих в любом сплаве данной системы при нагревании и медленном охлаждении. Имея диаграмму состояния, можно заранее определять технологические и механические свойства всех сплавов данной системы. Она позволяет также установить температуры начала и конца кристаллизации сплавов, что имеет большое практическое значение. Кроме того, диаграмма состояния позволяет выбрать из данной системы сплавы определенного состава, наиболее удовлетворяющие требованиям практики.

Существуют различные типы диаграмм состояния: двойных сплавов, тройных сплавов и т. д.

Для примера рассмотрим диаграмму состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии. Такими сплавами, образующими твердые растворы, являются сплавы системы медь - никель (Сu - Ni).

Рисунок 4 - Диаграмма состояния сплавов системы медь – никель

Сплавы в отличие от простых металлов плавятся обычно не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Чёрные и цветные металлы

Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили черные металлы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных металлов, их высокой прочностью.

Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими материалами. Однако цветные металлы имеют ценные свойства, которые делают их применение в технике неизбежным. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и применяются в электропромышленности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удельному весу широко применяются в самолетостроении и т. д.

Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия, магния и титана.

Цветные металлы условно подразделяются на:

а) легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью;

б) легкоплавкие (ртуть, цезий, олово, свинец, цинк и др.), имеющие низкую температуру плавления; самую низкую температуру плавления имеет ртуть ( — 38,87° С).

в) тугоплавкие, имеющие температуру плавления более высокую, чем железо (т. е. выше 1539° С);

Самый тугоплавкий металл — вольфрам. Его температура плавления 3380° С. Высокую температуру плавления имеют также тантал (2996° С), ниобий (2468° С), молибден (2610° С), ванадий (1919° С) и др.

Из тугоплавких металлов и сплавов изготавливают детали, работающие при высоких температурах. Особенно возросла роль тугоплавких металлов в связи с развитием новых отраслей техники — электроники, ядерной энергетики, ракетной и космической техники. Тугоплавкие металлы применяют также как легирующие добавки к сталям.

г) благородные (золото, серебро, металлы платиновой группы),обладающие высокой устойчивостью против коррозии;

д) урановые металлы (уран, торий и д.р.) - актиноиды, используемыев атомной технике;

е) редкоземельные (РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды), применяемые в качестве присадок к сплавам других элементов;

ж) щелочноземельные (натрий, калий, литий), не находящие применения в свободном состоянии (за исключением особых случаев, например в качестве теплоносителей в ядерных реакторах).

Контрольные вопросы :

1. Общие понятия и значения электроизоляционных материалов.

2. Достижения современной отечественной и зарубежной техники в созданий новых материалов.

3. Сплавы и их структура строение атомов.

Тема 1.2 Сплав железа с углеродом

Сплавы железа. Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны

Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами.

Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом(армко-железо). Техническое железо имеет высокую магнитную проницаемость ( m= 4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.

Железоуглеродистые сплавы - сплавы железа Fe (основной компонент) с углеродом С. Различают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические железоуглеродистые сплавы, содержащие примеси, легирующие элементы и специальные добавки.

В зависимости от содержания углерода эти славы делятся на стали и чугуны.

Сталь— железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится до 2%.

Сталь обладает высокой прочностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на металлорежущих станках. Стальные изделия хорошо свариваются.

Чугун— железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2%. В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.

Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чугуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов и их свойства.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочностиσ_В=250 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение δ=50%).

Углеродотносится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф)Fe_α (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочностиσ_В=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=30%), магнитен до 768^oС.

Аустенит (А)Fe_γ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение δ=40…50%), парамагнитен.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей на качество стали

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

1) Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали и являются технологическими примесями. Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. При содержании марганца более 1,8% сталь становится хрупкой.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний повышает плотность и прочность стали, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2) Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно, при низких температурах.

Водород приводит к снижении пластических свойств стали.

Кислород – повышает хрупкость стали.

3) Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Назначение легирующих элементов.

Хром - основной легирующий элемент (0,8…1,2)%.;повышает твердость и прочность стали. При значительном содержании (до 10%) он придаёт металлу окалиностойкость, снижает пластичность и вязкость стали.

Никель - не ухудшая свариваемости стали, увеличивает ее пластические и прочностные свойства.

Молибден - повышает прочность и твердость стали, делая её теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. В то же время, он затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Ванадий - повышает вязкость и пластичность стали и улучшает ей структуру. Способствует закаливаемости, что ухудшает свариваемость.

Вольфрам - увеличивает твердость и работостойкость стали при высоких температурах.

Медь - несколько повышает прочность стали, но меньше, чем марганец и кремнии, увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточнее содержание меди (более 0,7&) способствует старению стали и несколько ухудшает ее свариваемость.

Титан и ниобий повышают коррозионные свойстве стали.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием.

4) Случайные примеси

Обзор современных способов получения чугуна и стали

Область технологии металлов, которая занимается изучением способов производства металлов и сплавов, называется металлургией. В соответствии с общей классификацией металлов ее можно разделить на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

Для получения чугуна необходимо приготовить шихту - смесь сырых материалов, подлежащую переработке в металлургических печах. Шихта для производства чугуна состоит из железной руды, топлива и флюсов, взятых в определенных соотношениях.

В качестве сырья в черной металлургии используются различные природные железные руды (окиси, гидроокиси, карбонаты), а также металлические отходы и лом.Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеродистых сплавов. Флюсы служат для понижения температуры плавления пустой породы — соединений, не содержащих элементов, необходимых для получения чугуна.

Железная руда путем восстановления превращается либо в передельный чугун в доменных печах или электропечах, либо в губчатый металл (губчатое железо), или в кусковое железо при помощи различных процессов восстановления; если требуется железо исключительной чистоты для специальных целей (например, в химической промышленности), то оно получается путем электролиза или при помощи других химических процессов. Большая часть чугуна, полученного из железной руды, все еще вырабатывается при помощи доменного процесса. Восстановители в доменных печах состоят преимущественно из твердого кокса, иногда в сочетании с небольшими количествами угля или жидкими или газообразными углеводородами.

Чугун, получаемый таким образом, является жидким передельным чугуном. Побочными продуктами являются шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Большая часть получаемого таким образом жидкого передельного чугуна перерабатывается непосредственно в сталь на металлургических заводах.

Некоторая часть чугуна может быть использована на литейных заводах (чугунолитейные заводы) для производства изложниц, чугунных труб и т.п. Оставшаяся часть может быть отлита в форме чушек или брусков.

Переработка железной руды в установках прямого восстановления

В отличие от описанного выше процесса, в данном случае восстановителями обычно являются газообразные или жидкие углеводороды или уголь, так что не возникает потребности в твердом коксе.

В данных процессах температура восстановления ниже, поэтому конечные продукты (обычно известные как губчатое железо) получаются, не проходя через расплавленное состояние, в форме губчатого металла, металлизированных окатышей или кусков. По этой причине содержание в них углерода бывает обычно ниже, чем в доменном чугуне (где расплавленный металл находится в тесном контакте с углеродом). Большинство этих черновых продуктов переплавляется на сталелитейных заводах и перерабатывается в сталь.

Производство стали

Предельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и продукты из черных металлов, полученных путем прямого восстановления (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как негашеная известь, флюорит, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали разделяются на две основные категории, а именно: конвертерные процессы, в которых расплавленный предельный чугун в конвертере проходит очистку от примесей продуваемым воздухом; и нагревательные процессы, для осуществления которых используются мартеновские и электрические печи.

Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда завалка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии.
Мартеновские процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твердая завалка (например, металлолом или скрап, губчатое железо и твердый передельный чугун).

Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагревание осуществляется при помощи сжигания мазута или газа, и электросталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагревание осуществляется электричеством.

Возникло много новых процессов для производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти новые процессы включают электродуговую плавку в вакууме, электронно-лучевую плавку или электрошлаковый процесс. Во всех этих процессах сталь получается из плавящегося электрода.

Стали, полученные в этих процессах, подразделяются согласно содержанию в них легирующих элементов на нелегированные стали и легированные стали (нержавеющая сталь или другие виды). Далее они классифицируются в соответствии с их особыми свойствами на автоматную сталь, кремнистую электросталь, быстрорежущую сталь или, например, марганцевокремнистую сталь.

Классификация сталей

По химическому составу:

- углеродистые:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;

• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

- легированные (В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов):

• низколегированные - менее 2,5%;• среднелегированные - 2,5... 10%;

• высоколегированные - более 10%.

По прочности:

- обычной прочности;- повышенной прочности;- высокой прочности.

По способу производства:

По качеству (Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора):

- углеродистые обыкновенного качества;

являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений.

- качественные;

по химическому составу - углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах.

– высококачественные;

по химическому составу бывают углеродистые или легированные; также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.

- особо высококачественные.

выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.

По назначению:

- конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

- инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

- специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь – сплав в который кроме железа и углерода (до 2%) входят также кремний, марганец, сера и фосфор.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества предназначены для изготовления: горячекатаного проката, холоднокатаного тонколистового проката, слитков, труб, штамповок, метизов и др.

Стали углеродистые конструкционные качественные характеризуются высокими пластичностью и свариваемостью. Они могут использоваться без упрочняющей термической обработки или после нее.

В углеродистых инструментальных сталях буква У в обозначении марки означает "углеродистая сталь", а цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7 и У8, У8А наиболее пластичные из углеродистых инструментальных сталей. Они идут на производство молотков, стамесок, долот, зубил.

Из сталей У 10, У11, У11А изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы, плитки и прочий мерительный и режущий инструмент для резания мягких материалов. Стали У12, У13, У13А используются для изготовления инструмента, работающего без ударных нагрузок (напильники, рашпили, бритвы).

Легированные стали, их назначение и применение.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Маркировка сталей

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются: Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 - это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав. Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В).

Конструкционные качественные углеродистые стали маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной: сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые сталимаркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента: сталь У8, сталь У13. Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали - Сталь У10А.

Качественные и высококачественные легированные стали

Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита:

Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (указывается в середине марки), Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий

Легированные конструкционные стали Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах, если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 25% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Чугун, его свойства. Влияние примесей на структуру и свойства чугуна. Виды чугуна, их свойства и область применения. Маркировка чугунов

Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий свыше 2,3% углерода (практически от 2,5 до 4,5%). Углерод в нем может находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые - литейные.

В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe₃C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.
В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде мелких пластинок графита. Последние, разделяя структуру чугуна и действуя как надрезы, значительно уменьшают его прочность и увеличивают его хрупкость. Такие чугуны имеют в изломе серый цвет, обладают хорошими литейными свойствами, почти не дают усадку в отливках и сравнительно легко обрабатываются резанием. Однако, имея в своем составе твердые зерна цементита, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, что не позволяет обрабатывать их с высокими скоростями резания.

Марки серого чугуна обозначаются буквами СЧ и числами, соответствующими его пределу прочности при растяжении в кгс/мм².

В промышленности также применяются отливки из высокопрочных и ковких чугунов.
Высокопрочный чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью. Его применяют для деталей, работающих при значительных механических нагрузках.

Ковкий чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью и по своим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами: ВЧ - высокопрочный чугун, КЧ - ковкий чугун; первые две цифры - предел прочности при растяжении в кгс/мм² (1кгс/мм² = 9,608МПа).

Сера и фосфор - вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим.

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Положительные стороны чугуна:

· чугун значительно дешевле стали;

· производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой;

· чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

· детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);

· чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению свысокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках - вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Для чугунов можно применять термическую обработку.

Твердые сплавы, их свойства и применение

Более высокую твёрдость и износостойкость, чем у железоуглеродистых сплавов, имеют материалы называемые твёрдые сплавы.

Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок различных форм и размеров, получаемых методом порошковой металлургии (прессованием и спеканием). Основой для них служат порошки твердых зерен карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), сцементированных кобальтом.

Промышленностью выпускаются три группы твердых сплавов: вольфрамовые - ВК, титановольфрамовые - ТК и титанотанталовольфрамовые - ТТК.

Характерными признаками, определяющими режущие свойства твердых сплавов, являются высокая твердость, износостойкость и красностойкость до 1000 градусов С. Вместе с тем эти сплавы обладают меньшей вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, что следует учитывать при их эксплуатации.

Вольфрамовые сплавы (ВК) по сравнению с титановольфрамовыми (ТК) обладают при резании меньшей температурой свариваемости со сталью, поэтому их применяют преимущественно для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Сплавы группы ТК предназначены для обработки сталей. Титанотанталовольфрамовые сплавы (ТТК), обладая повышенной прочностью и вязкостью, применяются для обработки стальных поковок, отливок при неблагоприятных условиях работы.

Минералокерамические материалы

В целях экономии дорогостоящих и редких материалов, входящих в состав твердых сплавов, создан минералокерамический материал - микролит марки ЦМ332 на основе корунда (оксида алюминия - Al₂O₃) в виде пластинок белого цвета. Микролит превосходит твердые сплавы по твердости и красностойкости (1300 градусов С), уступая им значительно по вязкости. Поэтому его применяют в основном для получистового и чистового точения при жесткой технологической системе и безударной нагрузке.

Так же разработаны более прочные керамические материалы, в частности марки В3, в виде многогранных неперетачиваемых пластинок черного цвета, содержащих, кроме корунда, карбиды тугоплавких металлов. Как показывает практика, такие пластины успешно конкурируют с твердым сплавом при чистовой обработке сталей и высокопрочных чугунов.

Контрольные вопросы:

1. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов, их свойства.

2. Обзор современных способов получения стали и чугуна.

3. Получения стали методом прямого восстановления железа.

Тема 1.2.1. Углеродистые сплавы. Влияние содержание углерода на структуру и свойства стали.

Углеродистые стали

Легированные стали, их назначение и применение.

Маркировка сталей

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются: Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %. Инструментальные качественные углеродистые сталимаркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента: сталь У8, сталь У13. Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Качественные и высококачественные легированные стали

Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита:

Легированные конструкционные стали Сталь 15Х25Н19ВС2

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Положительные стороны чугуна:

· чугун значительно дешевле стали;

· чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

Для чугунов можно применять термическую обработку.

Контрольные вопросы:

1. Влияние содержание углерода на структуру и свойства стали.

2. Классификация сталей по назначению.

Тема 1.2.2 Исследование микроструктуры железоуглеродистых сплавов.

Железная руда путем восстановления превращается либо в передельный чугун в доменных печах или электропечах, либо в губчатый металл (губчатое железо), или в кусковое железо при помощи различных процессов восстановления; если требуется железо исключительной чистоты для специальных целей (например, в химической промышленности), то оно получается путем электролиза или при помощи других химических процессов.
Большая часть чугуна, полученного из железной руды, все еще вырабатывается при помощи доменного процесса. Восстановители в доменных печах состоят преимущественно из твердого кокса, иногда в сочетании с небольшими количествами угля или жидкими или газообразными углеводородами.

Переработка железной руды в установках прямого восстановления

В данных процессах температура восстановления ниже, поэтому конечные продукты (обычно известные как губчатое железо) получаются, не проходя через расплавленное состояние, в форме губчатого металла, металлизованных окатышей или кусков. По этой причине содержание в них углерода бывает обычно ниже, чем в доменном чугуне (где расплавленный металл находится в тесном контакте с углеродом). Большинство этих черновых продуктов переплавляется на сталелитейных заводах и перерабатывается в сталь.

Производство стали

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и продукты из черных металлов, полученных путем прямого восстановления (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как негашеная известь, флюорит, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали разделяются на две основные категории, а именно: конвертерные процессы, в которых расплавленный передельный чугун в конвертере проходит очистку от примесей продуваемым воздухом; и нагревательные процессы, для осуществления которых используются мартеновские и электрические печи.

Классификация сталей

По химическому составу:

- углеродистые:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;

• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;

• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

• низколегированные - менее 2,5%;

• среднелегированные - 2,5... 10%;

• высоколегированные - более 10%.

По прочности:

- обычной прочности;

- повышенной прочности;

- высокой прочности.

По способу производства:

- мартеновские;

- конверторные;

- электростали.

По качеству (Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора):

- углеродистые обыкновенного качества;

- качественные;

– высококачественные;

- особо высококачественные.

По назначению:

- конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

- инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

- специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Контрольные вопросы:

1. Классификация сталей.

2. Переработка железной руды в установках прямого восстановления.

3. Процессы производства стали.

Тема 1.3 Основы термической и химико-термической обработки

металлов.

Понятие о термической обработке металлов, ее назначение. Основные виды термической обработки стали

Физико-механические свойства стали и чугуна можно улучшить, изменив химический состав этих сплавов или их структуру.

Изменение химического состава железоуглеродистых сплавов за счет введения легирующих химических требует использования дорогих и редких элементов. Экономически выгоднее улучшать в определенных пределах физико-механические свойства стали и чугуна за счет изменения их структуры. Тогда можно будет для тех же целей применять сплавы более простого состава. Достигается это термической обработкой.

При формировании свойств готового изделия первоочередную роль играет термическая обработка. В принципе, правильно подобранной и точно выполненной термической обработкой можно добиться высокого комплекса свойств даже для изделий из такой стали, которая содержит малые количества недорогих легирующих присадок.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

При термической обработке перекристаллизация сплавов происходит в твердом состоянии.

Основные виды термической обработки стали и чугуна: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – нагрев стали до заданной температуры, выдержка при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью).

Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:

· улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;

· исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;

· подготовить структуру к последующей термической обработке.

Разновидностями отжига сталей является нормализация.

Нормализация- вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе.

Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига.

В результате нормализации уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки.

Основная цель нормализации – повышение механических свойств стали.

Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.

Закалка - нагрев стали до заданной температуры, выдержка при достигнутой температуре до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение (в воде, масле, солевых растворах).

Основной целью закалки инструментальных сталей является придание им высокой твёрдости. Детали машин закаливают для повышения их упругости и прочности, твёрдости и износоустойчивости.

Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

В результате закалки сталь становится хрупкой, в ней появляются значительные внутренние напряжения. С целью снижения закалочной хрупкости и уменьшения внутренних напряжений после закалки производится отпуск.

Отпуск- термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение.

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1) Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300^oС.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения – проводят для инструментальных сталей.

2) Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300…450^oС.

Получают структуру, сочетающую высокую твердость с хорошей упругостью и вязкостью.

Используется для изделий типа пружин, рессор.

3) Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650^oС..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств). Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.) при высоких температурах.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долговечность.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости и пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Азотирование- химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00...650°С в атмосфере аммиака NН₃. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с Fe, Al, Cr и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды) и повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др.

Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров и др.

Нитроцементация (цианирование) - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе₂В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алюминирование (А1), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

Поверхностное насыщение стали металлами (Cr, Al, Si и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения.

Понятие о коррозии металлов. Виды коррозии: химическая и электрохимическая

Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией.

Коррозия металлов может происходить в атмосфере, в агрессивных средах (растворах кислот, щелочей, солей), в сухих газах при высоких температурах. Продукты коррозии металлов можно наблюдать, например, в виде ржавчины на стали и чугуне, зеленого налета на меди, белого налета на сплавах алюминия и т. д.

Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.

Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической.

Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага.

Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды.

Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.

Если количество ионов переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то скорости растворения и осаждения металла равны и процесс коррозии (разрушения металла) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал .

За нулевой потенциал принимают равновесный потенциал водородного иона в водном растворе.

Контрольные вопросы:

1. Понятие о коррозии металлов. Виды коррозии: химическая и электрохимическая.

2. Химико-термическая обработка.

3. Понятие о термической обработке металлов, ее назначение.

Тема 1.4 Цветные металлы и их сплавы

Понятие сплава, их классификация и свойства.

Чёрные и цветные металлы

Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.

Цветные металлы условно подразделяются на:

а) легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью;

в) тугоплавкие, имеющие температуру плавления более высокую, чем железо (т. е. выше 1539° С);

д) урановые металлы (уран, торий и д.р.) - актиноиды, используемыев атомной технике;

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

2) Твердые растворыхарактеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента.
Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

К таким сплавам относятся латуни, медноникелевые, железохромистые и др.

Контрольные вопросы:

1. Сплавы цветных металлов.

2. Чёрные и цветные металлы.

3. Понятие сплава, их классификация и свойства.

Тема 1.4.1 Исследование микроструктуры сплавов цветных металлов

Проводниковая медь и ее сплавы

Медь (Cu) является основным материалом высокой проводимости. Медь вполне удовлетворяет выше перечисленным требования, а по удельному сопротивлению (у чистой меди ρ=0,017 мкОм⋅м) уступает только серебру.

Электротехническую медь получают путем переработки сульфидных руд с последующей электролитической очисткой. Полученные катодные пластины протягивают в полуфабрикаты требуемого сечения (шины, полосы, прутки). Методом холодной протяжки получают твердую медь (МТ), после отжига мягкую медь (ММ) (табл. 1).Любая примесь уменьшает электропроводность меди.

Бериллий, мышьяк, железо, кремний и фосфор, присутствующие в меди в долях процента, снижают ее удельную проводимость до 50% и более. Висмут и свинец в тысячных долях процента вызывают растрескивание при горячей обработке давлением (красноломкость) из-за образования легкоплавких эвтектик. Кислород с медью образует оксиды, что затрудняет пайку, лужение и повышает ρ. Водород вызывает хрупкость, образуя микротрещины.

Свойства меди Таблица 1х

Марка меди	σв, МПа	НВ	δ,%	ρ, мкОм·м
ММ	250…280	< 35	18…35	0,01754
МТ	340…450	65…120	0,5…2,5	0,0182

Влияние примесей на удельную электропроводность меди.

Для электротехнических целей используют бескислородную медь марки М00 (не более 0,01% примесей), которую получают из электролитической меди переплавом в вакууме, а также медь марок М0 (до 0,05% примесей) и М1 (0,1% примесей).

Мягкую отожженную медь применяют для проводов различного назначения, жил кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, токоведущих деталей приборов, анодов в гальванопластике. Твердую медь используют, если необходимо обеспечить высокую прочность, твердость и износостойкость (неизолированные провода, коллекторные пластины электрических машин и др.). Из специальных электровакуумных сортов бескислородной меди изготовляют детали магнетронов, волноводов, резонаторов, приборов СВЧ. Медь применяют в микроэлектронике в виде тонких проводящих пленок. Медь является дефицитным металлом, мало распространенным в природе (4,7·10^-3 %). По возможности ее заменяют другими материалами.

Сплавы на основе меди. Наиболее распространенными медными сплавами являются латуни и бронзы, для которых характерно благоприятное сочетание механических свойств, коррозионной стойкости с достаточной электропроводностью (табл.2).

Латуни - это сплавы меди с цинком. Латуни прочнее и дешевле чистой меди, более устойчивы к атмосферной коррозии, высокотехнологичны. Латуни применяют либо после холодной обработки давлением, в этом случае они обладают высокой твердостью и прочностью, либо в отожженном состоянии, которому свойственна высокая пластичность.

Структура и свойства латуней зависят от содержания цинка.

Свойства медных сплавов Таблица 2

Марка сплава	Хим. состав,	σв, МПа*	δ,%*	мкОм·м
Л96	Cu + 4%Zn	270/400	35/6	0,040
Л62	Cu + 38%Zn	300/600	50/0,5	0,072
ЛС59-1	Cu + 40%Zn + 1%Pb	350/440	25/5	0,080
ЛМц58-2	Cu + 40%Zn + 2%Mn	380/600	30/3	0,108
БрОФ7-0,2	Cu + 7%Sn+ 0,2%P	250/400	30/15	0,140
БрКд1	Cu + 1%Cd	400/700	20/2	0,020
БрБ2	Cu + 2%Be	1350**	2**	0,065

* в числителе - значение параметра в отожженном состоянии, в знаменателе в твердотянутом;

** значения параметров после термообработки (закалка + старение).

Структура и свойства латуней зависят от содержания цинка.

Сплавы с концентрацией цинка менее 39% имеют однофазную структуру твердого раствора - α-латуни, они отличаются наиболее хорошей обрабатываемостью давлением в холодном состоянии. Латуни с содержанием цинка до 12% называют томпаками, например, Л90 (10%Zn), Л96 (4%Zn).

Для них характерна повышенная электро- и теплопроводность по сравнению с другими латунями, их применяют для изготовления радиаторных трубок, α-латуни с содержанием 32-38% цинка наиболее пластичны, например, Л62 иЛ68. Из них изготовляют изделия глубокой вытяжкой или штамповкой: манометрические трубки, гильзы, волноводы, платы приборов,крепежные изделия, детали штепсельных разъемов, выключателей.Сплавы с концентрацией цинка от 39% до 45% являются двухфазными - α+β-латуни. Их структура состоит из α-твердого раствора и интерметаллиднойβ-фазы CuZn. Двухфазные латуни более прочны по сравнению с однофазными и лучше обрабатываются резанием, а давлением обрабатываются только в горячем состоянии.

Бронзы - это сплавы меди с различными химическими элементами (оловом, алюминием, кремнием, кадмием, бериллием и т.д.).

Основные свойства бронз:

• высокие литейные свойства, жидкотекучесть;

• повышенная твердость и упругость;

• высокое сопротивление истиранию;

• антикоррозионные свойства: не требуют защитных мер от атмосферной коррозии;

• антифрикционные свойства.

Наиболее распространены оловянные бронзы, которые применяются, главным образом, в машиностроении. В качестве электротехнического материала для изготовления пружинных контактов,мембран применяют холоднодеформированную бронзу БрОФ7-0,2,содержащую 7% олова и 0,2% фосфора. Недостатком этого сплава является низкая электропроводность(γ = 10…15%γCu).кадмиевая бронза БрКд1 (γ = 95%γCu). Она прочнее отожженной меди в 3 раза. Кадмий повышает температуру рекристаллизации меди, поэтому провода из твердотянутой бронзы не теряют своей прочности до 250°С. Кадмиевую бронзу применяют для коллекторных пластин быстроходных машин, пружинных контактов, проводов повышенной прочности.Высокую электропроводность имеет хромистая бронза БрХ0,5 (γ = 85%γCu). Она обладает высокой износостойкостью и применяется для скользящих контактов. Ценными свойствами обладает бериллиевая бронза БрБ2:высоким пределом упругости, твердостью, сопротивлением усталости и износу, высокой электропроводностью (γ = 65%γCu). Её применяют после термообработки, состоящей из закалки с температур 770…780°С и старения при 350…370°С. При старении происходит распад пересыщенного α-твердого раствора с выделением метастабильной γ'-фазы - интерметаллидаCuBe, что обеспечивает дисперсионное упрочнение и повышение предела прочности до1300…1350 МПа. С помощью холодной прокатки прочность сплава может быть увеличена до 1750 МПа. Бериллиевую бронзу применяют для изделий ответственного назначения: упругих элементов точных приборов, в том числе токоведущих (пружинных контактов, мембран), деталей, работающих в сложных условиях при больших давлениях и температурах.

Контрольные вопросы:

1. Бериллий, мышьяк, железо, кремний и фосфор, присутствующие в меди в долях процента, снижают ее удельную проводимость.

2. Сплавы на основе меди.

3. Бронза, латунь их свойство.

Раздел 2. Проводниковые материалы

Тема 2.1. Электромеханические характеристики проводниковых материалов

Важнейшими твердыми проводниковыми материалами в электромонтаже являются металлы и их сплавы, среди которых особую группу составляют металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м.

Металлы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, контактов и т.п.

По классической электронной теории металлов в узлах кристаллической решетки размещены ионы, а внутри решетки находится электронный газ, состоящий из коллективизированных (свободных) электронов. Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под действием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной проводимостью.

Наряду с высокой электрической проводимостью чистые металлы обладают хорошей пластичностью, ковкостью, высокой теплопроводностью. Сплавы обладают меньшей пластичностью, чем чистые металлы, но они более упруги и имеют более высокую механическую прочность.

Важными характеристиками проводников являются ТКЛР, разрушающее напряжение при растяжении, удлинение при разрыве, твердость, температура плавления, удельная теплоемкость и др.

Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1,4·10^-8Ом·м, теплопроводность 418 Вт/(м·К). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит, не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после серебра.

К широко распространенным материалам с высокой проводимостью относят медь и алюминий.

Медь

Медь (не более 4,7·10^-3% массы земной коры) – мягкий материал красноватого оттенка, удельное сопротивление при 20 ºС – 1,7·10^-8Ом·м, температурный коэффициент сопротивления

-4,3·10^-3 1/К, плотность при 20 ºС – 8,89 т/м³ прочность при растяжении 200 МПа, теплопроводность ~ 400 Вт/(м·К), температура плавления 1083 ºС.

Достоинствами меди являются:

- малое удельное сопротивление;

- достаточно высокая механическая прочность;

- удовлетворительная стойкость к коррозии;

- хорошая технологичность (обрабатываемость);

- относительная легкость пайки и сварки.

Из меди изготовляют тонкую проволоку круглого и прямоугольного сечения. При холодной протяжке получают твердотянутую (твердую) медь МТ, которая имеет высокий предел прочности при растяжении, малое удлинение при разрыве, хорошую твердость и упругость при изгибе.

При отжиге меди получают мягкую (отожженную) медь ММ, которая обладает пластичностью, имеет меньшую, чем у МТ, твердость и небольшую прочность, но достаточно большое удлинение при разрыве и, что очень важно, более низкое удельное сопротивление.

Различают твердую МТ и мягкую ММ медь. Твердую медь используют для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, а мягкую медь – в основном в качестве токопроводящих жил кабелей и проводов.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому ее надо расходовать не только экономно, но и заменять другими материалами. Чаще всего для замены меди используют алюминий.

Алюминий

При меньшем дефиците, чем медь, относительной доступности и дешевизне алюминий стал вторым по значению проводниковым материалом, поскольку обладает достаточно большой проводимостью и стойкостью к коррозии.

Алюминий (7,5 % массы земной коры) – это серебристо-белый металл, отличающийся малой твердостью и другими невысокими механическими свойствами. Удельное сопротивление при 20 ºС – 2,8·10^-8Ом·м, плотность при 20 ºС – 2,7 т/м³, температурный коэффициент сопротивления 4·10^-3 1/К, теплопроводность ~ 200 Вт/(м·К), температура плавления 660 ºС, прочность при растяжении 80 МПа. Он относится к легким металлам (почти в 3,5 раза легче меди).

Поскольку сопротивление алюминиевого провода при одинаковых длине и сечении в 1,63 раза выше, чем медного, то для получения провода с таким же электрическим сопротивлением, как у меди, необходимо в 1,63 раза увеличивать его сечение (иначе говоря, брать более толстый алюминиевый провод). Практически это означает, что диаметр алюминиевого провода будет примерно в 1,3 раза больше медного, поэтому замена меди на алюминий не всегда возможна.

Из алюминия изготовляют тонкую фольгу, мягкую (АМ), полутвердую (АПТ) и твердую (АТ) проволоки, а также шины прямоугольного сечения. Кроме того, алюминий применяют для экранов, электродов и корпусов конденсаторов.

На воздухе алюминий очень быстро окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида (Al₂O₃) с большим электрическим сопротивлением, противостоящей дальнейшему проникновению кислорода воздуха вглубь металла. В то же время пленка создает большие переходные сопротивления в местах контакта алюминиевых проводов и значительно затрудняет пайку алюминия обычными методами.

В местах контакта алюминия с другими металлами при их увлажнении возможна гальваническая коррозия, приводящая к его разрушению. Это вызвано тем, что при наличии воды или влаги возникает местная гальваническая пара с достаточно высоким значением эдс. Во избежание образования гальванических пар места контакта алюминия тщательно защищают от влаги, например, покрывают их лаками или герметиками.

Алюминиевые провода и токоведущие детали можно соединять горячей или холодной сваркой, а также пайкой с применением специальных припоев и флюсов.

Другие металлические проводники

В качестве проводникового материала можно использовать и железо (сталь). Это относительно дешевый и доступный материал, имеющий значительно более высокое удельное сопротивление по сравнению с алюминием и медью (для чистого железа оно составляет около 0,1 Ом-мм²/м.). Если рассматривать сталь, т.е. железо с добавками углерода и других элементов, то еще выше. Кроме того, на переменном токе сопротивление стали выше, чем на постоянном. В качестве проводника обычно используют мягкую сталь с содержанием углерода 0,10-0,15%, которую применяют для шин, рельсов электрического транспорта (метро, железные дороги, трамвай). В линиях электропередачи часто используют сталеалюминевый провод, представляющий собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Сердечник определяет главным образом механическую прочность, а алюминий – электрическую проводимость.

Недостатком обычной стали является малая стойкость к коррозии, поэтому поверхность стальных проводов защищают слоем более стойкого материала, чаще всего цинком.

В качестве проводниковых материалов для линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин, токоведущих пружин и других контактных деталей используют бронзы. Это сплавы на основе меди, но превосходящее ее по механической прочности, упругости, сопротивлению, истиранию и коррозионной стойкости.

Благородные металлы

К благородным относятся наиболее химически стойкие металлы:

Платина – обладает наибольшей химической стойкостью, применяется для изготовления термопар и контактных сплавов.

Золото – используется как контактный материал.

Серебро – металл, обладающий наименьшим сопротивлением и высокой пластичностью. Применяется для изготовления контактов, радиочастотных кабелей, в припоях, в качестве защиты медных проводов.

Проводимость твёрдых тел в первую очередь определяется электронным строением атомов. При этом энергетические уровни отдельных атомов образуют энергетические зоны: самая верхняя из заполненных зон называется валентной, ближайшая к ней незаполненная электронами – зона проводимости. Плотность заполнения электронами зон и их перекрытие определяют электропроводность твёрдых тел.

Энергетические диаграммы

Согласно зонной теории твёрдого тела следует:

1) проводниками являются материалы, у которых валентная и зона проводимости перекрываются, что обеспечивает высокую электропроводность.

2) полупроводники – это материалы с узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена электронами за счёт внешних энергетических воздействий (температура, электрического поля, электромагнитного излучения).

3) диэлектрики – материалы с широкой запрещенной зоной, не позволяющая покидать валентную зону, что и определяется наличием примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны.

Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто применяются металлы. Концентрации свободных электронов в чистых металлах различаются незначительно. Поэтому их проводимость в основном определяется средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от строения проводника, т.е. химической природы атомов и типа кристаллической решетки. Основным параметром проводниковых материалов является удельное сопротивление.

Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, сечением S и длиной l определяется по формуле:

(Ом^.м)

Удельное сопротивление металлов, применяемых в электротехнике (при t=20ºC)

Металл	, мкОм·м	Металл	, мкОм·м
Алюминий	0,028	Олово	0,12
Висмут (при t=0ºC)	1,065	Платина	0,105
Вольфрам	0,055	Рений	0,21
Железо	0,098	Ртуть	0,958
Золото	0,024	Свинец	0,205
Индий	0,09	Серебро	0,016
Кадмий	0,076	Тантал	0,135
Кобальт	0,062	Титан	0,42
Медь	0,0172	Хром	0,14
Молибден	0,057	Цинк	0,059
Никель	0,973	Цирконий	0,41
Ниобий	0,18

Неметаллические проводниковые металлы

Неметаллическими материалами, обладающими свойствами проводников и используемыми в качестве проводниковых материалов, являются природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки. Из них изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, микрофоны, содержащие угольный порошок, угольные высокоомные резисторы.

Исходным сырьем для производства электроугольных изделий являются графит, сажа и антрацит.

Природный графит – кристаллическая модификация углерода – непрозрачный, мягкий электропроводный материал.

Свойства графита:

· с увеличением температуры прочность графита повышается;

· на воздухе горит при температуре выше 600ºС;

·ни при каких температурах не взаимодействует с серной, соляной кислотами и царской водкой (смесь концентрированных азотной (63 %) (1 объём) и соляной (3 объёма) кислот.За счёт выделения атомарного хлора растворяет большинство металлов, в том числе золото, поэтому и названа алхимиками царской водкой, так как золото считалось «царём металлов»).

Сажа – углерод с примесью смолистых веществ.

Для получения стержневых электродов сажу и графит смешивают со связующим материалом, в качестве которого используют каменноугольную смолу, а иногда и жидкое стекло («силикатный клей»).

Антрацит – блестящий, черного цвета ископаемый уголь, горит слабым пламенем, почти без дыма. Угольные порошки для микрофонов получают дроблением антрацита.

Композиционные проводящие материалы

Проводящие композиционные материалы – механические смеси порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. Свойства:

· большое удельное электрическое сопротивление, слабо зависящее от температуры;

· возможность управления электрическими свойствами с изменением состава;

В качестве органических связующих используют фенольные или эфирные смолы – эпоксидную, кремнийорганическую. В качестве неорганических – полимеры, порошкообразное вещество, неорганические эмали.

Кермет – композиция в виде порошка от светло- до темно-серого цвета. В состав кермета входят окись кремния и порошок хрома.

Контактол – токопроводящие пасты, клеи, эмали, служащие для получения электрических контактов. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют контактолы, содержащие серебро, никель, палладий, золото.

Контрольные вопросы:

1. Электрическое сопротивление, механическая прочность.

2. Композиционные проводящие материалы.

3. Неметаллические проводниковые металлы.

4. Влияние термической обработки на свойства алюминий и меди.

Тема: 2.1.1 Влияние температуры на сопротивление проводниковых материалов.

Зависимость удельного сопротивления металлов

Рассмотрим движение свободных электронов в виде плоскихэлектронных волн, длина которых λ определяется соотношением деБройля (1.3). Такая электронная волна распространяется в строгопериодическом потенциальном поле без рассеяния энергии. Это означает, что в идеальном кристалле длина свободного пробега электронов равна бесконечности, а сопротивление электрическому токуравно нулю.

Причинами рассеяния электронов в реальных металлах, создающего электрическое сопротивление, являются:

• тепловые колебания узлов кристаллической решетки (ρт - тепловая составляющая электрического сопротивления);

• примеси и дефекты структуры (ρост - составляющая ρ, обусловленная нетепловыми факторами).

Известно, что эффективное рассеяние энергии электронов происходит в том случае, если размер рассеивающих центров (дефектов) превышает 1/4 длины волны. В металлах энергия электроновпроводимости составляет 3…15 эВ, этой энергии соответствуетдлина электронной волны λ = 0,3…0,7нм. Поэтому любые микронеоднородности и несовершенства кристаллического строения вызывают снижение проводимости.Итак, удельное сопротивление реальных металлов представляет собой сумму двух составляющих:

ρ = ρт+ ρост.

Относительное изменение удельного сопротивления металловпри изменении температуры характеризует температурный коэффициент удельного сопротивления:

αρ =

Металлы имеют положительное значение αρ, т.е. с ростомтемпературы ρ увеличивается, что связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Причем удельное сопротивление растет пропорционально температуре. Однако линейная зависимость ρ(Т) нарушается при низкихтемпературах из-за снижения амплитуды и частоты тепловых колебаний атомов. Максимальная частота тепловых колебаний определяет характеристическую температуру - температуру Дебая

(θD ≈ 400 K)

θ_D =

где h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлов. В области сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, значение ρ практически не зависит от

температуры и определяется остаточным сопротивлением ρ_ост. В этой области у некоторых металлов наблюдается состояние сверхпроводимости (Тсв - критическая температура

сверхпроводимости). В узкой переходной области II (до температуры θD) удельное сопротивление растет по степенной зависимости ρ~Tn. Экспериментально установлено, что линейная зависимость ρ(Т) справедлива отТ= 2/3 θDи сохраняется у большинстваметаллов вплоть до температуры плавления. В области линейнойзависимости (III) уделное электрическое сопротивлениеопределяетсяпо формуле

ρ = ρ₀[1+ α_ρ(T −T₀)],

гдеρ₀ - удельное сопротивление при начальной температуре (например, при комнатной

Т₀ = 293 К).

Припереходеизтвердогосостояния в жидкое у большинстваметаллов наблюдается резкое увеличение удельного сопротивления (в 1,5…2 раза), связанное с нарушением ближнего порядка врасположении атомов. Исключение составляют висмут, сурьма,галлий, объем которых при плавлении уменьшается, что сопровождается уменьшением удельного сопротивления.

В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых металлов.

Значения характеристик некоторых металлов при 20°С

Металл	Хим. символ	ТипКР	Плотность, г/см³	Температура плавления, ^оС	ρ, мкОм·м	αρ.102, К^-1
Алюминий	Al	ГЦК	2,7	658	0,028	0,41
Барий	Ba	ОЦК	3,75	710	0,5	0,36
Бериллий	Be	ГПУ	1,84	1284	0,041	0,66
Ванадий	V	ОЦК	6,11	1900	0,241	0,36
Висмут	Bi	Ромбоэдр.	9,8	271	1,16	0,42
Вольфрам	W	ОЦК	19,3	3380	0,055	0,5
Галлий	Ga	Ромбич.	5,92	30	0,560	0,39
Железо	Fe	ОЦК/ ГЦК	7,87	1539	0,098	0,62
Золото	Au	ГЦК	19,3	1063	0,0225	0,4
Индий	In	Тетрагон.	7,3	156	0,090	0,47
Иридий	Ir	ГЦК	22,4	2410	0,054	0,41
Кадмий	Cd	ГПУ	8,65	321	0,076	0,42
Калий	K	ОЦК		64	0,069	0,58
Кобальт	Co	ГПУ/ГЦК	8,85	1500	0,064	0,6
Литий	Li	ОЦК		180	0,087	0,45
Магний	Mg	ГПУ	1,74	651	0,045	0,4
Марганец	Mn	Сложн. куб.	7,44	1244	1,85	0,1
Медь	Cu	ГЦК	8,92	1083	0,017	0,43
Молибден	Mo	ОЦК	10,2	2620	0,05	0,43
Натрий	Na	ОЦК		98	0,046	0,5
Никель	Ni	ГЦК	8,96	1453	0,068	0,67
Ниобий	Nb	ОЦК	8,57	2500	0,15	0,4
Олово	Sn	Сл.куб/Тетр	7,29	232	0,113	0,45
Осмий	Os	ГПУ	22,5	3000	0,095	0,42
Палладий	Pd	ГЦК	12,02	1550	0,108	0,36
Платина	Pt	ГЦК	21,45	1770	0,098	0,39
Рений	Re	ГПУ	21,02	3180	0,214	0,32
Родий	Rh	ГЦК	12,48	1970	0,043	0,43
Ртуть	Hg	Ромбич.	13,5	-39	0,958	0,1
Рутений	Ru	ГПУ	12,4	2250	0,075	0,45
Свинец	Pb	ГЦК	11,34	327	0,19	0,42
Серебро	Ag	ГЦК	10,49	961	0,015	0,4
Стронций	Sr	ГЦК	2,63	770	0,227	0,4
Тантал	Ta	ОЦК	16,6	3000	0,124	0,38
Титан	Ti	ГПУ/ОЦК	4,52	1670	0,47	0,55
Торий	Th	ГЦК/ОЦК		1850	0,186	0,23
Хром	Cr	ОЦК	7,19	1900	0,13	0,24
Цинк	Zn	ГПУ	7,14	419	0,059	0,41
Цирконий	Zr	ГПУ/ОЦК	6,5	1855	0,41	0,44

Электросопротивление тонких металлических пленок

Металлические пленки, наносимые на диэлектрическую или полупроводниковую подложку, широко используются в микроэлектронике. По выполняемым функциям различают резистивные пленки(тонкопленочные резисторы) и высокопроводящие пленки (контакт-

ныеплощадки, межэлементные соединения, обкладки конденсаторов).

Методы получения тонких пленок:

• термическое испарение металла с последующей конденсациейна подложку;

• испарение электронным лучом;

• катодное или ионно-плазменное осаждение;

• эпитаксиальное наращивание.

Современныетехнологии позволяют получать пленки толщинойот десятых долей микрометра до нескольких десятков нанометров.В зависимости от условий осаждения (конденсации) может сформироваться различная структура пленки от аморфного состояния до

монокристаллическогостроения. Размерный и структурный факторыобусловливают существенные отличия электрических свойств тонких пленок от свойств объемных металлов. Особенно сильно проявляется размерный эффект в том случае, когда толщина пленки со измерима с длиной свободного пробега электронов.

Тема 2.2. Сортамент проводов и кабелей

Тема: Провода и кабели с резиновой, пластмассовой и полихлорвиниловой изоляцией.

Область применения силовых кабелей

Область применения силовых кабелей с бумажной и пластмассовой изоляцией, выпускаемых отечественными заводами определена «Едиными техническими указаниями по выбору и применению электрических кабелей» (ЕТУ), Указания являются обязательными для всех проектных, электромонтажных и эксплуатационных организаций и устанавливают распределение марок кабелей по областям применения в зависимости от степени воздействия на них агрессивной и пожароопасной окружающих сред, механических усилий и воздействий, возникающих при различныхвидах прокладок, а также и в эксплуатации.

При установлении рекомендуемых областей применения электрических кабелей предусмотрено широкое использование кабелей в алюминиевой или пластмассовой оболочке вместо кабелей в свинцовой оболочке. При выборе кабелей следует руководствоваться следующим.

Приведенные в таблицах марки кабелей могут использоваться для питания потребителей всех категорий по степени требования к надежности электроснабжения.

За базовые марки силовых кабелей приняты марки кабелей с алюминиевыми жилами.

Наряду с этими базовыми марками могут применяться для соответствующих условий аналогичные марки силовых кабелей с медными жилами, марки кабелей для вертикальных и наклонных трасс с обедненной изоляцией или изоляцией, пропитанной нестекающим составом, трехжильные кабели с отдельными металлическими оболочками на фазах, а также одножильные кабели и др.

Выбор кабелей по нагреву, экономической плотности тока, условиям коротких замыканий (термической и электродинамической стойкости) и потерям напряжения должен производиться в соответствии с требованиями ГОСТ, ПУЭ.

Применять силовые кабели в свинцовой защитной оболочке следует для подводных линий, в шахтах, опасных по газу и пыли, при прокладке в особо опасных коррозионных средах. Востальных случаях при невозможности использовать кабели в алюминиевой или пластмассовой оболочке их замена на силовые кабели в свинцовой оболочке в каждом конкретном случае подлежит специальному техническому обоснованию в проектно-сметной документации.

Механические воздействия на кабель, возникающие при прокладке, определяются сложностью (конфигурацией) кабельной трассы. До разработки классификации кабельных трасс по степени сложности при определении сложных участков трасс следует руководствоваться следующими положениями.

При прокладке в земле к сложным участкам трасс, на которых прокладывается одна строительная длина, относятся:

а) участки трасс с более чем четырьмя поворотами под углом свыше 30°;

б) прямолинейные участки трасс с более чем четырьмя переходами в трубах длиной более 20 м или с более чем двумя переходами в трубах длиной более 40 м

При прокладках в зданиях сложными участками, на которых прокладывается одна строительная длина кабеля, считаются прокладки в трубах с более чем двумя поворотами при длине труб более 20 м, а также с более «ем четырьмя протяжками через огнестойкие перегородки или аналогичные препятствия без учета подводов кабелей к электрооборудованию.

Все остальные участки трасс с меньшим числом поворотов или переходов в трубах относятся к несложным участкам трасс.

При выборе силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией в алюминиевой оболочке с однопроволочными алюминиевыми жилами сечениями 3X150—3X240 мм² следует учитывать, что их применение для прокладки на участках кабельных трасс с числом поворотов на строительной длине кабеля более трех под углом 90° в кабельных сооружениях промпредприятий не рекомендуется. В кабельных сооружениях электростанций и подстанций применение этих кабелей не допускается. Для указанных случаев следует применять кабели в алюминиевой оболочке с многопроволочными жилами.

На сложных участках трасс, где при прокладочно-монтажных или ремонтно-эксплуатационных работах возникает опасность повреждений защитного поливинилхлоридного шланга, применение кабелей марки ААШв не рекомендуется.

При применении на длинных кабельных линиях кабелей марки ААШв на отдельных сложных участках трассы рекомендуется использовать вставки из кабелей других соответствующих марок, предусмотренных ЕТУ, или принимать специальные меры, исключающие повреждения поливинилхлоридного шланга.

Контрольные вопросы:

1. Область применение силовых кабелей.

2. Сортамент голых одножильных и фасонных кабелей.

3. Провода и кабели с резиновой, пластмассовой и полихлорвиниловой изоляцией.

Тема: 2.2.2 Классификация силовых кабелей по назначению, числу жил, роду изоляции, конструкции и материалу защитной оболочки.

Минимальное число проволок, шт.,в медных и алюминиевых жилах.

Контрольные вопросы:

1. Материалы защитной оболочки кабелей.

2. Классификация силовых кабелей по назначению.

Раздел 3. Электроизоляционные материалы

Тема 3.1. Физика диэлектриков

Тема: Электрические характеристики диэлектрика.

Диэлектрические вещества - это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Диэлектрики – это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств – большого сопротивления прохождению электрического тока и способность поляризоваться.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы (пассивные) и активные диэлектрики.

Электроизоляционные материалы – это диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.

По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.

К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость, электропроводность, диэлектрические потери и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость

В диэлектрике носители электрического заряда прочно связаны с атомами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Различают следующие виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная и спонтанная (самопроизольная).

Рисунок 3.1 – Электронная поляризация атомов водорода

а – в отсутствии внешнего поля, б – при наличии поля

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью. Она может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком:

где С – емкость конденсатора с диэлектриком;

С₀ - емкость того же конденсатора в вакууме.

На рис. 3.2 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых равна S (м²), а расстояние между ними h(м). В конденсаторе, изображенном на рис. 3.2, а, между электродами вакуум, а на рис. 3.2, б - диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U (В), то напряженность электрического поля равнаЕ = U/h(В/м).

Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q₀ (Кл).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах конденсатора приподаче напряжения U

Поэтому на поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды: отрицательный у положительного электрода, и наоборот. Для компенсации

Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах конденсатора напряжения U

этих поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд Q в конденсаторе с диэлектриком равен

Q=Q₀ + Q_д= ε_rQ₀,

где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом и с диэлектриком между электродами равна

Емкость С₀ (Ф) называют геометрической емкостью конденсатора.

При этом емкость плоского конденсатора определяется по формуле

где ε₀ = 8,84·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Емкость цилиндрического конденсатора

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации. Однако величина в вбольшой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность.

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.

В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией.

Диэлектрики подразделяются на полярные - ε_r>2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - ε_r≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.

К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).

Контрольные вопросы:

1. Физика диэлектриков.

2. Диэлектрическая проницаемость.

3. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления.

Тема: 3.1.1 Относительная диэлектрическая проницаемость. Удельное сопротивление.

Электрическая прочность. Угол диэлектрических потерь.

Электропроводность

По назначению электроизоляционные материалы не должны пропускать электрический ток под действием приложенного напряжения. Однако идеальных непроводников не существует, и все практически применяемые диэлектрики обнаруживают свойства электропроводности. Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных ионов и электронов, которые могут передвигаться под воздействием электрического поля.

Проводимость изоляции G_из(См), определяется как отношение тока утечки через изоляцию I_из к величине приложенного постоянного напряжения: G_из= I_из/U

Величина, обратная G_из, называется сопротивлением изоляции R_из

Различают объёмную (сквозную) проводимость твердых диэлектриков, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твёрдой изоляции с окружающей газообразной или жидкой средой.

Соответственно вводятся понятия объёмного тока утечки I_v и поверхностного тока утечки I_s, а также объёмного сопротивления изоляции R_v и поверхностного сопротивления изоляции R_s.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности пользуются значениями удельных объёмного ρ_v и поверхностного ρ_s сопротивлений.

где S - площадь электрода, м², h - толщина образца, м

где b - длина электродов на поверхности диэлектрика, м

a - расстояние между электродами на поверхности диэлектрика, м.

Удельное сопротивление твердых диэлектриков зависит от многих факторов: температуры, влажности, приложенного напряжения и напряженности электрического поля.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается. Иными словами, температурные коэффициенты удельных сопротивлений электроизоляционных материалов отрицательны.

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить удельное сопротивление диэлектриков. Это объясняется тем, что растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми при увлажнении.

С повышением приложенного к изоляции напряжения сопротивление изоляции может уменьшаться. Зависимость R_из от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объемных электрических зарядов, плохим контактом между электродами и изоляцией; изменением под действием электрического поля формы и размеров включений влаги и др.

Для повышения ρ_s диэлектриков применяют различны приемы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т.п.

Удельное сопротивление диэлектрика является параметром, определяющим ток утечки в нем. Токи утечки в диэлектрике обуславливают потери мощности, как и в проводнике: это так называемая мощность диэлектрических потерь при постоянном токе, определяемая по формуле

Р = UI_из

При подсчете диэлектрических потерь, ведущих к нагреву диэлектрика, обычно учитывается только объемный ток утечки. Поверхностный ток утечки создает потери мощности на поверхности. Рассеяние энергии происходит при этом в основном в окружающую среду, на нагрев диэлектрика поверхностная утечка в большинстве случаев не влияет.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потеряминазывают электрическую мощность, поглощаемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными процессами поляризации.

Способность диэлектрика рассеивать энергию характеризует угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь δназывают угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостнойцепи.

Эквивалентная схема

В случае идеального диэлектрика вектор тока опережает вектор напряжения на угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tg δ.

Мощность, рассеиваемая в диэлектрике определяется

Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Электрическая прочность

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное, приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением U_пр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика и характеризуется электрической прочностью. Электрической прочностью называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика. Т.еэлектрическая прочность характеризует способность материала противостоять электрическому пробою.

Электрическая прочность измеряется в Вольт/метрах и кратных единицах кВ/мм, МВ/см и т.д.

Различают следующие виды пробоя:

- электрический - диэлектрик разрушается в следствии ударной ионизации электронами;

- тепловой – разогрев материала до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и т.п. - возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет потерь, превышает количество рассеиваемой энергии в данных условиях;

- электрохимический (электрохимическое старение) – обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика под длительным действием электрического поля и окружающей среды, приводящими к понижению его электрической прочности;

- поверхностный – пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. В противоположность этому пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции.

Контрольные вопросы:

1. Удельное сопротивление диэлектриков.

2. Угол диэлектрических потерь.

3. Характеристика диэлектриков.

Характеристики диэлектриков

Применяемые диэлектрические материалы обладают спектром различных свойств, некоторые из которых для конкретного материала, с точки зрения эксплуатации, являются основными. Поэтому при выборе материала в первую очередь оцениваются показатели именно этих свойств. Однако тот же самый материал имеет и другие свойства, которые с той же точки зрения являются уже вторичными. Величины, с помощью которых оценивают те или иные свойства материалов, называют характеристиками. Для оценки свойств материалов необходимо знать их электрические, механические, тепловые, а также физико-химические характеристики.

Тема 3.2 Механические, тепловые и физико-химические характеристики диэлектриков.

Все материалы подвергаются различным механическим нагрузкам либо при монтаже, либо при эксплуатации. Характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние нагрузки без изменения первоначальных размеров и формы.

К основным механическим характеристикам материалов относятся:

- прочность при растяжении, сжатии и изгибе;

У ряда материалов (стекло, керамические материалы, некоторые пластмассы) разрушающее напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти характеристики одного порядка.

- ударная вязкость при динамическом изгибе - как правило, эта характеристика важна для хрупких материалов (фарфор, асбестоцемент и др.).

- прочность на разрыв – для гибких материалов – бумага, лакоткань, пленки;

- упругость, пластичность и твердость.

Тепловые характеристики

Характеризуют поведение диэлектрика при нагревании и определяют его допустимую рабочую температуру. К тепловым характеристикам относятся нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость, теплоемкость, температуру плавления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкости и тропикостойкость.

Нагревостойкость – это способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости Y, A-G и соответствующая им максимальная рабочая температура Y = 90°С, G – выше 180°С.

Теплопроводность – характеризует способность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым.

Характеризует процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой изоляции, а также отвод теплоты из толщи диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь. Коэффициент теплопроводности k

Тепловое расширение - оценивают температурным коэффициентом линейного расширения или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или Кельвина (1/°С или 1/K).

Холодостойкость - способность материалов противостоять действию низких температур. При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но механические ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Теплоемкость - это количества теплоты, необходимое для нагрева тела до определенной температуры. Определяет время нагрева или охлаждения электроизоляционных конструкций.

Температура плавления (Т_пл) и температура размягчения (Т_р) определяются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строения.

Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпевать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.

Температура вспышки паров жидких диэлектриков — это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Тропикостойкость определяется у электроизоляционных материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95%) и низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т. п.

Физико-химические характеристики

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят химостойкость, влагостойкость и водостойкость изоляции, стойкость материалов к воздействию излучений высоких энергий, кислотное число и вязкость жидких материалов.

Химостойкость – стойкость к разрушению при контакте с газами, водой, маслами, кислотами, щелочами и д.р.

Влагостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при наличии влаги в окружающей среде.

Водостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства в процессе выдержки его в воде – атмосферные осадки, изоляция деталей в насосах, на кораблях.

Светостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием светового облучения – изменение структуры материала, ухудшение механический свойств, ускорение старения.

Радиационная стойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием ионизирующего излучения.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика.

Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость диэлектрика, так как кислоты под действием электрического поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более активно разрушать другие материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.При заливке полостей и пропитке изоляционными компаундами, использовании смол и лаков важно бывает знать их вязкость.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее текучесть. Чем больше вязкость, тем жидкость более густая, т. е. обладает плохой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче заполняются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемую изоляцию.

Контрольные вопросы:

4. Механические характеристики.

5. Вибропрочность, тепловые характеристики.

6. Характеристика диэлектриков.

Тема 3.2.2 Физико-химические характеристики: вязкость жидких диэлектриков.

При заливке полостей и пропитке изоляционными компаундами, использовании смол и лаков важно бывает знать их вязкость.

По химической природе жидкие диэлектрики разделяют на нефтяные масла и синтетические жидкости.

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов, их получают фракционной перегонкой нефти. По применению различают трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла, отличающиеся степенью очистки.

Трансформаторное масло применяют для заливки силовых трансформаторов с целью повышения электрической прочности за счет заполнения пор волокнистой изоляции и промежутков между ее слоями, для заливки высоковольтных выключателей, где масло

оказывает дугогасящее действие.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажной изоляции конденсаторов с целью увеличения их удельного сопротивления и электрической прочности, что позволяет увеличить емкость и уменьшить габариты конденсаторов. Его получают путем дополнительной очистки трансформаторного масла.

Кабельное масло используют для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей.

Нефтяные масла - неполярные диэлектрики с электронной поляризацией и ионной проводимостью. В неполярных жидкостях диссоциация молекул незначительна, число носителей заряда невелико и проводимость мала. Источниками ионов могут быть различные примеси и влага. Диэлектрические потери в нефтяных маслах невелики, они обусловлены током сквозной проводимости. Диэлектрические жидкости дополнительно характеризуются температурой вспышки Твсп и температурой застывания Тз.

Электрофизические характеристики трансформаторного масла:

• ε = 2,1…2,5;

• ρ = 10¹¹…10¹³ Ом·м;

• tgδ = 20·10^-4;

• Епр = 20…25 МВ/м;

• Твсп = 135°С;

• Тз = -45°С.

Конденсаторное и кабельное масла имеют более низкие диэлектрические потери tgδ = (3…5)·10^-4 и более высокую электрическую прочность Е_пр = 25…30 МВ/м.

Свойства масел зависят от температуры. При повышении температуры уменьшается их вязкость и плотность, возрастают подвижность ионов, диссоциация молекул примеси и ионная

проводимость. В результате tgδ увеличивается, а ε, ρ и Е_пр - уменьшаются.

К достоинствам нефтяных масел относятся высокие электроизоляционные свойства, доступность и невысокая стоимость.

Недостатки нефтяных масел:

• легкая воспламеняемость,

• сильная зависимость вязкости от температуры: при понижении температуры от 100°С до -35°С вязкость увеличивается в 1800раз,

• сильная зависимость электрической прочности от содержания примесей и влаги,

• склонность к старению.

Старение масел заключается в разложении углеводородов и их окислении. При этом образуются полярные продукты, разрушающие изоляцию, увеличивается вязкость, ухудшаются диэлектрические свойства, понижается температура вспышки. Старение ускоряется от кислорода воздуха, света, тепла, электрических полей. Для повышения устойчивости к старению в масло добавляют ингибиторы, замедляющие старение (антиоксиданты). Применяют также герметизацию электрооборудования.

Синтетические жидкие диэлектрики

К синтетическим жидким диэлектрикам относятся хлорированные ароматические углеводороды (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Эти диэлектрики обладают

рядом преимуществ по сравнению с нефтяными маслами и применяются в условиях повышенных тепловых нагрузок, напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасных средах.

Хлорированные углеводороды - это продукты хлорирования дифенила (C12H10). Применяются полихлордифенил C12H5Cl5 - совол, а также раствор совола в трихлорбензоле - совтол.

Хлорированные углеводороды относятся к полярным диэлектрикам, наряду с молекулами примесей могут диссоциировать и их собственные молекулы, что приводит к большей электропроводности (ρ = 109…1011 Ом·м). Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Поэтому для них диэлектрическая проницаемость имеет более высокие значения (ε ≈ 5,0), чем у нефтяных масел. Дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. В нормальных условиях tgδ = 10-2...10-3. При повышении температуры и частоты поля диэлектрические потери сильно увеличиваются, поэтому частотный диапазон применения этих жидкостей ограничен низкими частотами. Электрическая прочность большинства жидкостей на основе хлорированных углеводородов составляет Епр до 18-20 МВ/м. Совол применяется, главным образом, для пропитки конденса-

торной бумаги, это позволяет повысить емкость конденсатора на 50%.

К числу его преимуществ относится более высокая стабильность в сильных электрических полях, стойкость к старению, негорючесть, пожаробезопасность. Недостатком совола является высокая температура застывания (Тз = -8°С), что ограничивает его применение.

Совтол имеет меньшую, чем у совола вязкость и температуру застывания (Тз = -35°С), применяется как заменитель трансформаторного масла.

Основной недостаток хлорированных углеводородов - токсичность.

Кремнийорганические жидкости - это полимеры, линейные молекулы которых содержат силоксанную группу -Si-O-Si-, где атомы кремния связаны с органическими радикалами: -СН3 (метил), - С2Н5 (этил) и др. По своим диэлектрическим характеристикам полисилоксановые жидкости близки к неполярным диэлектрикам:

• ε = 2,4…2,5;

• tgδ ≈ 3·10-4;

• ρ = 10¹¹…10¹² Ом·м;

• Епр = 18...20 МВ/м.

Они отличаются повышенной нагревостойкостью (Твсп > 300°С), низкой температурой застывания (Тз = -60°С), низкой гигроскопичностью, нетоксичностью, высокой стабильностью свойств при изменении температуры. Эти жидкости используются в импульсных трансформа-

торах, специальных конденсаторах, радиоэлектронной аппаратуре.

Фторорганические жидкости представляют собой молекулярные соединения фтора с углеродом (например, С8F16). Это неполярные диэлектрики:

• ε = 1,9…2,0;

• tgδ = (1...2)·10^-4;

• ρ = 10¹²…10¹⁴ Ом·м;

• Е_пр = 14...18 МВ/м.

Их основными особенностями являются негорючесть, высокая нагревостойкость (до 500°С) и дугостойкость, малая гигроскопичность, низкие диэлектрические потери и стабильность свойств, в том числе вязкости, до высоких температур. Фторорганические жидкости применяются для заполнения электрической аппаратуры при высоких рабочих температурах. Обладая высокой теплопроводностью, они обеспечивают интенсивное охлаждение в силовых трансформаторах.

Контрольные вопросы:

1. Кремнийорганические жидкости.

2. Синтетические жидкие диэлектрики.

3. Физико – химические диэлектрики.

Тема 3.3 Газообразные диэлектрики

Роль газообразных диэлектриков в электротехнических установках.

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух.

Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы.

Как диэлектрики воздух имеет следующие положительные свойства:

- быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя;

- отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени;

- малые диэлектрические потери.

Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:

- невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с твёрдыми диэлектриками;

- невысокая электрическая прочность;

- способность увлажнятся;

- образовывать окислы и поддерживать горение;

- низкая теплопроводность.

Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа - атомы и молекулы – нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой

Пробой газа в однородном и неоднородном полях имеет некоторые отличия. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Пробой газа в однородном поле

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10^{-5 см. При нормальных условиях, т.е. при давлении
0.1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии
между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии
между электродами 6 мм - 70 МВ/м.}

Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.

Пробой газа в неоднородном поле

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, остриём и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающими радиус сферы и т.д.

Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах густота силовых линий очень велика, а значит напряженность имеет повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.

Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. Корона - это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между линиями электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы и т.д. Особенностью пробоя газов в неоднородной поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряжённость поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В неоднородном электрическом поле прочность воздуха зависит от полярности электродов. Наиболее ярко эффект полярности электродов сказывается при несимметричных электродах, а именно: стержень-плоскость. К газообразным диэлектрикам относятся практически все газы.В первую очередь, это воздух, который является естественным изолятором, окружая все электрические установки. Кроме воздуха широко используют в качестве электрической изоляции неполярные газы - азот, водород, углекислый газ, инертные газы, а также полярные газы - фреоны, элегаз и др.

Электропроводность газов. В идеальном газе свободных носителей заряда нет. В реальных газах всегда имеется некоторое количество свободных электронов и ионов, как результат процесса ионизации молекул газа при воздействии космических и солнечных излучений, земной радиации и т.д. Одновременно с ионизацией в газах протекает процесс рекомбинации нейтральных молекул из электронов и ионов. Поэтому в нормальных условиях удельное электрическое сопротивление газов чрезвычайно велико (ρ до 1018 Ом·м). Высокие электроизоляционные свойства газов сохраняются в электрическом поле до критической напряженности Е_кр, после чего начинается процесс ударной ионизации - лавинообразное увеличение электронов и ионов, что приводит к пробою газового промежутка. Полностью ионизированный газ - это особая равновесная высоко проводящая среда, называемая плазмой. Для воздуха в нормальных условиях критическая напряженность электрического поля .Е_кр = 106 В/м.

Поляризация газов. Основное значение для всех газов имеет электронная поляризация. Газы обладают малой плотностью, расстояние между молекулами велико, поэтому относительная диэлектрическая проницаемость для всех газов близка к единице(ε = 1,0002…1,002). Для воздуха ε = 1,0006.С увеличением температуры относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается, а с увеличением давления ε растет, так, для воздуха при p = 20 атм. ε = 1,01. При влажности воздуха 100% ε = 1,0007, а при 0% влажности ε = 1,0005.

Контрольные вопросы:

1. Основные электрические характеристики газов.

2. Пробой газов в однородном и неоднородном поле.

3. Типы электродов, создающие однородные и неоднородные поля.

Тема 3.3. 1 Применение газообразных диэлектриков и электротехнических устройствах.

Применение газообразных диэлектриков

Воздух является естественным изолятором в электроаппаратах и устройствах (воздушных высоковольтных выключателях, воздушных конденсаторах, в т.ч. эталонных), он одновременно обеспечивает отвод тепла.

Азот служит в качестве заменителя воздуха в тех случаях, когда недопустимо окисление.

Водород используется в качестве электроизоляционной охлаждающей среды в мощных генераторах, обладает высокой теплоемкостью.

Азот (N2), водород (H2), углекислый газ (CO2) входят в состав защитных сред многих производств.

Инертные газы (аргон, неон, криптон, ксенон, гелий) при меняются для заполнения электровакуумных приборов, радиоламп, газосветных трубок различного цвета свечения.

Фреоны - производные метана CH4 или этана C2H6, в которых атомы водорода замещены атомами фтора или хлора. Например, дихлорфторметан CCl2F2 (фреон-12) применяется в холодильной технике.

Элегаз (SF6) обладает высокой химической стойкостью, нетоксичен, в 5 раз тяжелее воздуха, применяется для заполнения высоковольтных высокочастотных конденсаторов, рентгеновских трубок, мощных трансформаторов.

Фреоны и элегаз - тяжелые газы с большим молекулярным весом. Их электрическая прочность в 2,5 раза выше, чем у воздуха и составляет 7,5 МВ/м.

Диэлектрические потери в газах связаны с потерями на электропроводность. Для полярных молекул ориентация диполей происходит без потерь энергии. Поэтому при отсутствии ионизации диэлектрические потери в газах весьма незначительны (tgδ < 4.10-8).

Электрическая прочность газов значительно меньше, чем у жидких и твердых диэлектриков. Для воздуха Е_пр = 3,2 МВ/м. Основная причина пробоя газов - ударная ионизация.

Электрическая прочность газов сильно зависит от давления, степени однородности электрического поля, расстояния между электродами и частоты поля. При малых давлениях Е_првелико вследствие малого числа частиц в единице объема и низкой вероятности их столкновения, при повышении давления Е_пр понижается. При больших давлениях уменьшается длина свободного пробега частиц, они не приобретают необходимой кинетической энергии для ионизации, и электрическая прочность увеличивается. Зависимость электрической прочности воздуха от давления. В неоднородном поле (игла-игла, игла-плоскость и т.д.) электрическая прочность оказывается ниже, чем в однородном. С увеличением расстояния между электродами Е_пр снижается, так как повышается фактор неоднородности поля. С увеличением частоты поля напряжение пробоя снижается, что связано с образованием объемных зарядов из-за различной подвижности электронов и ионов. В области высоких частот (>5МГц) продолжительность полупериода изменения поля становится соизмеримой со временем формирования электронных лавин, и пробивное напряжение резко возрастает.

Газообразные диэлектрики

Газообразные диэлектрики должны быть химически инертны; при ионизации не должны образовывать особо активных веществ, способныхразрушать твердые материалы или вызывать коррозию металлов.

Основными характеристиками газообразных диэлектриков являются электропроводность, пробой в однородном электрическом поле, пробой в неоднородном электрическом поле.

Электропроводность газов связана с наличием в них некоторого числа ионов и электронов, которые образуются под влиянием внешних воздействий или в результате соударений заряженных частиц с молекулами газа. В соответствии с этим в газах возникает несамостоятельная или самостоятельная проводимость. В нормадльных условиях число заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей, которые находятся во взвешенном состоянии) в 1 м³ атмосферного воздуха не превышает нескольких десятков миллионов. Образование носителей зарядов связано с различными природными факторами: радиоактивное излучение Земли, излучение Солнца, радиация, проникающая из космического пространства, тепловое воздействие, рентгеновские и гамма-лучи, поток, поток нейтронов и т.п.

Проводимость газа повышается, если приложить повышающее напряжение к электродам, между которыми он находится.

При поглощении энергии молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Электрон, который при этом высвобождается, «прилипает» к нейтральной молекуле и образует отрицательный ион. Не имеющие электрического заряда молекулы газа и заряженные ионы совершают беспорядочные тепловые движения. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. Когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие. Изменение электрического тока в газе, который находится между электродами, отражается вольт-амперной характеристикой, заряда образуются под воздействием приложенного к электродам напряжения (несамостоятельная проводимость).

Протекающий при этом электрический ток I пропорционален приложенному напряжению U,т.е. выполняется закон Ома: I = U/R , где R – электрическое сопротивление газа в промежутке между электродами.

Пробой газов в однородном электрическом поле.

Однородное поле образуется между электродами одинаковой геометрической формы с большой площадью поверхности (например, плоскость – плоскость, шар-шар), когда их диаметр D в 10 раз больше расстояния между ними h.

Электрическая прочность газов по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками невелика. Нарушение их изоляционных свойств связано с явлением ударной ионизации.

Среди газообразных диэлектриков прежде всего должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. На участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между проводами линии. В некачественной проводки воздухом заполненные поры могут стать очагами образования ионизации.

При прочих равных условиях различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности.

Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность.

Гексафторид серы (шестифтористая сера)SF₆ – элегаз, имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Элегаз нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.д, особенно при повышенных давлениях.

Дихлордифторметан СCl₂F₂ – так называемый хладон – 12, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5 °), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Хладон -12 вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов. Многие перфторированные углеводороды, у которых все атомы водорода замещены атомами фтора, имеющие состав С_хF_у при нормальных условиях, являются газами ( CF₄, C₂F₆, C₃F₈, c₄F₈, C₄F₁₀) или жидкости ( C₇F₈ и др.). Электрическая прочность некоторых из этих газов , а также паров жидкостей существенно (в шесть-десять раз) превосходит электрическую прочность воздуха. Пробивное напряжение ( при частоте 50 Гц) в парах C₇F₁₄(кривая 1), в SF₆( кривая 2) и в воздухе (кривая 3), в зависимости от абсолютного давления. Как видно из рисунка электрическая прочность фторсодержащих газов и паров при нормальных условиях может быть того же порядка, что и электрическая прочность электроизоляционных жидкостей. Но газы имеют над жидкостями такие преимущества, как значительно меньшая плотность (что приводит к уменьшению массы заполняемых газом аппаратов), более высокая нагревостойкость и стойкость к старению. Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность.

Водород – очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования его в качестве охлаждающей среды вместо воздуха. Водород характеризуется высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью). При прочих равных условиях электрическая прочность водорода примерно на 40 %, а угольного ангидрида СО₂ – на 10% ниже, чем электрическая прочность воздуха. Для заполнения газоразрядных приборов употребляются инертные газы аргон, неон и другие, а также пары ртути и натрия. Инертные газы обладают низкой электрической прочностью.

Электропроводимость и пробой жидких диэлектриков.

Контрольные вопросы:

1. Характеристика газообразных диэлектриков.

2. Инертные газы обладают низкой электрической прочностью.

Тема 3.4 Жидкие диэлектрики.

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и неполярными. Их электрофизические свойства в значительной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. Примеси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью ε, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), электрической прочностью E_пр.

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость ε определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями (у гексола ε = 3, у этиленгликоля ε = 40).

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Это явление обьясняется уменьшением числа молекул в единице обьема. У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость меньше, чем у полярных. Например, у четыреххлористого углерода ε = 2,163, у толуола ε = 2,294.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена перемещением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц – молионов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

При небольших напряженностях электрического поля вступает в силу закон Ома, т.е. электрический ток I, проходящий в жидкости, меняется пропорционально напряженности поля. В электрических полях с большой напряженностью Е (примерно 10...100 МВ/м) электрический ток не подчиняется закону Ома из-за увеличения числа ионов под влиянием поля.

Кроме ионной электропроводности у жидких диэлектриков наблюдается молионная электропроводность, когда носителями зарядов являются мельчайшие примеси. Такими примесями могут быть вода, различные твердые высокодисперсные частицы, находящиеся во взвешенном состоянии (волокна, пылинки и др.). Эти частицы адсорбируют своей аповерхностью ионы и при воздействии электрического поля перемещаются к соответствующим электродам. У технических диэлектриков преобладает молионная проводимость.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное сопротивление, однако полностью удалить примеси невозможно.

Преобладание конкретного вида проводимости зависит от энергии диссоциации, т.е. энергии, необходимой для разрушения молекул образования ионов. Чем выше энергия диссоциации, тем меньше ионная проводимость.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из потерь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. Жидкие полярные диэлектрики не рекомендуется применять на высоких частотах.

Трансформаторное масло. Трансформаторным маслом заливают силовые трансформаторы, которое из всех жидких электролизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение:

1. масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции;

2. оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора;

3. масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимится контактами выключателя происходит в масле или в в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги: это способствует озхлаждению канала дуги и быстраму ее гашению;

4. применяют для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и др.

Трансформаторные и другие нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто масла дополнительно обрабатываются адсорбентами (особые типы глин или искусственные материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. После оно отстаиваится или фильтруится сквозь слой адсорбента (перколяция)

Трансформаторное масло – это жидкость от бесцветного до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Свойства масла нормируются стандартом ГОСТ 982 . Кинематическая вязкость масла составляет 17-18,5 мм₂/с при 20°С и 6,5-6,7 мм²/с при 50°С; температура вспышки 135-140°С; температура застывания около минус 45°С. Это горючая жидкость, поэтому необходимо тщательно соблюдать все требования пожарной безопасности, которая оценивается по температуре вспышки.

Температура застывания масла – параметр, важный при работе зимой на открытом воздухе. Специальное «арктическое» масло имеет температуру застывания имнус 70 °С. Помимо этого параметра для жидкостей, имеющих плотность менее 1 Мг/м², важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образующегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоляционной жидкости и поэтому снижают ее электрическую прочность ( в этом интервале температур плотность электроизоляционной жидкости (ЭИЖ) больше плотности льда при определенной температуре).

Е_пр масла – величина, чувствительная к увлажнению , т.е. резко снижается от примесей воды, т.к. ε_r H₂0 >> ε_rмасла. Молекулы воды вытягиваются в места напряженностей, т.е. идет пробой. Еще больше понижается Е_прмасла, если кроме воды есть еще волокнистые примеси, так как они впитывают воду. Волокна вытягиваются по направлению приложенного напряжения, что облегчает пробой.

Конденсаторное масло – служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного фазового сдвига. При пропитке бумажного диэлектрика повышаются как его ε_r, так и Е_пр; то и другое дает возможность уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсатора при заданном рабочем напряжении, частоте и емкости.

Нефтяное конденсаторное масло имеет плотность 0,86 – 0,89 Мг/м³, температуру застывания минус 45°С, ε_r= 2,1 – 2,3 и tgδ 0,002 (при частоте 1 кГц).

Вазелиновое канденсаторное масло по плотности и электрическим свойствам близко к нефтяному, но имеет более высокую температуру застывания (минус 5°С). Электрическая прочность конденсаторных масел не менее 20 МВ/м.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) применяется масло марки КМ-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм²/с при 100°С и температурой вспышки не ниже + 220°С.

В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110 -220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3 – 0,4 МПа. Кинематическая вязкость этого масла при 100°С не более 3,5 мм²/с, при 50°С не более 10 мм²/с, при 20°С не более 40 мм²/с и при 0°С не более 110 мм²/с; температура застывания не выше минус 45°С и температура вспышки не ниже +135°С.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) и напряжения от 110 до 500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200; оно имеет кинематическую вязкость при 100°С не более 11 мм²/с, при 50° С не более 50 мм²/с, при 20°С не более 800 мм²/с и при 0°С не более 5000 мм²/с. Температура застывания масла С-«)) не выше минус 30°С; температура вспышки не ниже плюс 200°С; tgδ (при 50 Гц и 100°С) не более 0,003; электрическая прочность (при 50 Гц и20°С) не менее 20 МВ/м.

Контрольные вопросы:

1. Трансформаторные масла, конденсаторные масла.

2. Жидкие диэлектрики.

3. Кабельные масла и принцип их использование.

Тема 3.4.1 Синтетические жидкие диэлектрики. Свойство и применение совола, совтола, гексола.

Синтетические жидкие диэлектрики.

Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, если требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Синтетические жидкие диэлектрики, по тем или иным свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора.

Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила,имеющие общий состав С₁₂Н_10-_nСl_n. Молекула дифенила С₁₂Н₁₀( или Н₅С₅ – С₅Н₅) состоит из двух фенильных остатков. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования n от3 до6.

Хлорированные дифенилы (ХД) обладают ε_rповышенной по сравнению с неполярными нефтяными маслами; так, пентахлордифенил С₁₂Н₅Сl₅ (совол) имеет при 50 Гц и 20°С ε_r= 5, а при 90°С - ε_r=4,1.Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками: плотность D = 1500...1560, температура вспышки Т_всп = 205...230 °С, темпетарура застывания Т_з = +5°С, электрическая прочность при температуре Т = 20°С, Е_пр = 14...18 МВ/м, значительная вязкость в области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.

Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.

Поэтому замена масел на ХД при пропитке конденсаторов уменьшает обьем конденсатора (при той же электрической емкости) почти в два раза.

Совол и севтол – 10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Севтол – 10 – негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом.

Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.

Преимуществом ХД является также их негорючесть. Однако ХД имеют свои недостатки. Они токсичны, из-за чего применение их для пропитки конденсаторов в некоторых странах запрещено законом.

В связи с сильно выраженной полярностью ХД на их электроизоляционные свойства весьма значительно влияют примеси; наличие примесей существенно сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре, но практически не влияет на tgδ в области дипольного максимума потерь. Недостатком ХД является заметное снижение их ε_r и, следовательно, емкости пропитанных ХД конденсаторов при пониженных температурах.

Хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления ХД менее вязкими хлорированными углеводородами.

Кинематическая вязкость совола составляет 75 мм²/с, трихлорфенила (С₁₂Н₇Cl₃) – 126 мм²/с, совтола (смесь 90% совола и 10% трихлорбензола С₆Н₃Cl₃) имеет при той же температуре вязкость 25 мм²/с, а гексол ( смесь 20% совола и 80% гексахлорбутадиена С₄Cl₆) всего 1,8 мм²/с.

Температура вспышки совола равна +5°С, совтола – минус 7°С, гексола – ниже минусм 60°С.

Кремний органические жидкости – это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяютя типом органических радикалов. Они обладают малым tgδ, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические продукты, эти жидкости весьма дорогие. В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам Si, различают полиметилсилоксановые (ПМС), полифенилсилоксановые (ПФС) и другие кремнийорганические жидкости.

Кремнийорганические жидкости имеют ε_rот 2,5 до 3,3 и tgδ от 0,0001 до 0,0003 (при 1 кГц и 20°С); наивысшая допустимая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С (длительно) и до 350°С (кратковременно).

Кинематическая вязкость жидкости марки ПМС – 10 около 10 мм²/с, а марки ПМС-20 – около 20 мм²/с (при 20°С).

Фторорганические жидкости имеют малый tgδ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость.

Некоторые фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200°С и выше, а некоторые имеют необычно высокую диэлектриков электрическую прочность.

Характерным свойством фторорганических жидкостей являются малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции), высокий температурный коэффициент обьемного расширения (значительно больший, чем у других электроизоляционных жидкостей), сравнительно высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями.

Контрольные вопросы:

1.Роль синтетических диэлектриков.

2.Понятие о процессах полимеризаций и поликонденсаций.

Тема 3.5 Общие сведения о высокомолекулярных органических веществах.

Строение полимеров.

По строению и особенностям свойств полимеры нельзя строго отнести к телам аморфным или кристаллическим, поскольку' обладают рядом качественных признаков, присущих только им: большой протяженностью молекул, их высокоасимметричностью, цепным строением и гибкостью. На основании этих признаков полимеры выделены в самостоятельный класс материалов. Молекулы полимеров — макромолекулы или молекулярные цепи, построены из многократно повторяющихся химических звеньев. Количество химических звеньев в макромолекуле определяет ее протяженность и называется степенью полимеризации — п. Например, макромолекула полиэтилена (—СН2-СН2—)n состоит из п химических звеньев, в данном случае этилена — СН2 = СН2. Произведение молекулярной массы (ММ) химического звена на степень полимеризации представляет собой ММ макромолекулы. В зависимости от величины ММ макромолекул одного и того же полимера различают:

1) мономер — низкомолекулярный исходный продукт, образующий химические звенья макромолекулы;

2) олигомер - низкомолекулярный продукт полимеризации (или поликонденсации); это уже не мономер, но еще не полимер;

3) высокомолекулярный продукт — полимер.

Полимеры получают двумя основными методами: полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация — химический процесс объединения в молекулярную цепь большого числа мономеров по месту их кратных (двойных, тройных) связей или разрыва неустойчивых циклов.

Поликонденсация — химический процесс образования молекулярной цепи из мономеров за счет их функциональных групп(это полярные группы), сопровождающийся образованием побочного низкомолекулярного сильнополярного продукта (воды, аммиака, галоидоводорода и т.п.). Если мономеры неполярные, то образуется неполярный полимер, а если полярные — образуется полярный полимер. В отличие от простых веществ полимер состоит из множества макромолекул, имеющих различную ММ. Следовательно, по своей природе полимер полимолекулярен.. Поэтому, говоря о ММ полимера, имеют в виду ее среднее значение. Полимолекулярность характеризуется величиной, называемой молекулярно-массовым распределением (ММР). Величина ММР (как ММ) влияет на ряд физических свойств полимера: чем ближе значение ММР к единице, тем однороднее по величине макромолекулы полимера. Полимер с ММР = 1 — мономолекулярен. По строению макромолекул полимеры подразделяют на линейные, разветвленные или пространственные («сшитые»).

Линейными называют полимеры, макромолекулы которых имеют высокую асимметрию и представляют собой длинные цепи. У разветвленных полимеров молекулярные цепи имеют боковые ответвления, число и длина которых могут варьировать в очень широких пределах.

Боковые ответвления являются дефектами строения. Пространственные полимеры построены из длинных молекулярных цепей, соединенных («сшитых*) между собой в пространстве поперечными химическими связями. Полимеры линейные и разветвленные образуют класс термопластичных полимеров или термопластов, а пространственные -- класс термореактивных полимеров или реактопластов. Характерная особенность термопластов — при нагревании они, как правило, плавятся и в соответствующих растворителях растворяются; реактопласты при нагревании не плавятся и в растворителях не растворяются.

Полимеризационные материалы и их характерные особенности.

Надмолекулярная структура аморфных полимеров

В полимерах, находящихся в аморфном состоянии, имеет место только ближний порядок, распространяющийся на области образованные складчатой конформацией молекулярных цепей (конформация — одна из возможных форм макромолекулы, которая приобретается ею под действием теплового движения или внешнего поля без разрыва химических связей). Эти области называют доменами. Домены имеют четкие границы. Они обособлены и дезориентированы друг относительно друга. Размер доменов соизмерим с макромолекулой и равен примерно 30—100 А. В аморфных полимерах объемная доля доменов составляет около 50%. Домен образован за счет складывания отдельных частей молекулярной цепи (в том числе соседних макромолекул) как бы параллельно друг другу. Однако отрезки молекулярных цепей в доменах не имеют прямолинейной (вытянутой) формы и не расположены друг относительно друга строго на определенном расстоянии. Поэтому, хотя в доменах наблюдается некоторая упорядоченность в расположении отрезков макромолекул, они не обладают кристаллографическим порядком. Домены являются переходным типом структуры от аморфной к кристаллической. Истинно неупорядоченными участками аморфных полимеров являются области, расположенные между доменами. Они образованы свободными концами и длинными петлями молекулярных цепей и частями «проходных» макромолекул. Эти области называют междоменными. Они содержат пустоты, имеют наименьшую плотность молекулярной упаковки, наибольшую концентрацию примесей и других дефектов. Домены — это простейшие надмолекулярные структурные образования

аморфных полимеров, из которых могут формироваться более крупные надмолекулярный («наддоменные») структуры, например глобулы. Подобно бусинам в ожерелье, домены связаны между собой проходными молекулярными цепями. Домены могут играть роль зародышей кристаллизации, непосредственно образуя монослойные кристаллические пластины.

Из сказанного следует, что аморфные полимеры не являются веществами, образованными из перепутанных молекулярных цепей, подобно нитям в войлоке, а представляют собой молекулярные системы с относительно упорядоченными областями. Кристаллизацию же полимера можно рассматривать как переход структуры от менее упорядоченной к высокоупорядоченной.

Рис. 3. Схематическое двумерное изображение

кристаллита полиэтилена: 1 — пластинчатый монокристалл;

2 — аморфная область.

Надмолекулярная структура кристаллизующихся полимеров. В кристаллизующихся полимерах образуются области как ближнего, так и дальнего порядка, которые в отличие от доменов обладают значительно более высокой упорядоченностью в расположении

молекулярных цепей, имеющих складчатую конформацию. Для данной складчатой конформации молекулярных цепей характерно проявление регулярно повторяющихся изгибов (складок) из выпрямленных отрезков цепей, расположенных на одинаковом расстоянии и параллельно друг другу, т.е. имеет место кристаллографический порядок.

В результате образуется простейший (первичный) элемент надмолекулярной структуры кристаллизующихся полимеров — кристаллографическая (элементарная) ячейка. Размеры элементарной ячейки малы — от единиц до нескольких десятков ангстрем, поэтому каждая макромолекула может «проходить» через несколько элементарных ячеек. В образовании элементарной ячейки обычно принимают участие несколько макромолекул. Длина отрезка (складки) молекулярной цепи состоит из нескольких десятков сегментов (у полиэтилена примерно 20 сегментов). Для элементарных ячеек полимеров типичной является орторомбическая форма. Однако поскольку полимеры, так же как и простые вещества, обладают полиморфизмом, элементарные ячейки могут иметь и другие формы. Например, полипропилен может образовывать моноклинную, гексагональную или триклинную форму симметрии.

Если полимерное тело полностью построено из элементарных ячеек, которые все совмещены друг с другом строго параллельно своим ребрам и расположены на расстояниях, равных периодам решетки, то образуется монокристалл, который может иметь сравнительно большие размеры (см. ниже). В действительности элементарные ячейки, как правило, образуют монослойные плоские пластины — пластинчатые монокристаллы, называемые кристалллитами, толщина которых порядка 100—200 А, а размеры сторон способны

достигать до 1 мкм. Кристаллиты могут иметь различную конфигурацию. Атомы молекулярных цепей в пластинчатых монокристаллах располагаются в строго трехмерном порядке, как в кристаллах низкомолекулярных веществ. Каждая макромолекула может не только «проходить» через множество элементарных ячеек, но и участвовать в создании нескольких кристаллитов.

Три физических состояния полимеров

Аморфные полимеры (в отличие от кристаллических) при изменении температуры вплоть до температуры химического разрушения не подвергаются фазовым превращениям. В зависимости от температуры они могут находиться в одном из трех физических состояний

стеклообразном, высокоэластическом или вязкотекучем, — соответствующих одному и тому же фазовому состоянию – аморфному. Области перехода полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое и из высокоэластического в вязкотекучее ( и обратно) характеризуются средними значениями температур которые соответственно называют температурой стеклования Тс и температурой текучести Тт. Чем больше ММР полимера, тем больше области Т, и Тт .

У мономера М, и олигомера М2 Тс и Тт имеют одно и то же значение

(Тс = Тт = Т размягчения), высокоэластическое стояние и сегментальная подвижность у них отсутствуют. С дальнейшим увеличением ММ, когда образуется полимерное тело, в молекулярных цепях появляется сегментальная подвижность. При этом Тс остается постоянной, а Тт возрастает.

В отличие от низкомолекулярных соединений полимеры обладают новым состоянием вещества -- высокоэластическим. Каждому физическому состоянию отвечает определенный комплекс физических свойств, в том числе электрических, и переход полимера из одного физического состояния в другое связан с изменением этого комплекса свойств. Изделия из полимеров эксплуатируют, когда они находятся в стеклообразном состоянии (например, изоляторы, каркасы катушек индуктивности, корпуса электроизмерительных приборов) или высокоэластическом (например, изоляция проводов и кабелей). Перерабатывают полимеры в изделия в вязкотекучем состоянии. Не все полимеры могут обнаруживать все три физических

состояния.

Контрольные вопросы:

1. Электрические и физико – химические характеристики полистирола.

2. Область применение полистирола в электротехнике.

3. Три физических состояния полимеров

Тема 3.6 Пластмассы, пленочные материалы.

Пластмассы обьединяют группу твердых или упругих материалов, которые состоят полностью или частично из полимерных соединений и формуются в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций.

Пластмассы получают на основе различных натуральных и искусственных смол, они успешно заменяют металлы, фарфор, каучук, стекло, шелк, кожу и другие материалы.

Основные характеристики пластмасс:

- сравнительно высокие механические свойства, достаточные для изготовления изделий, которые не подвергаются значительным динамическим нагрузкам;

- хорошие электроизоляционные свойства;

- высокая стойкость к коррозии;

- высокая химическая стойкость;

- низкая гигроскопичность;

- легкость (плотность пластмасс обычно составляет 900...1800 кГ/м²);

- широкий диапазон коэффициентов трения и высокое сопротивление истиранию;

- хорошие оптические свойства и прозрачность.

Основное сырье для производства пластмасс – недорого и доступно (продукты переработки нефти, газа, поваренной соли, известь, песок и др.). Получение изделий – несложный и дешевый процесс.

Недостатки пластмасс – ползучесть, невысокая теплостойкость, пониженная прочность при переменных нагрузках; быстрое старение.

Пластмассы чаще всего состоят из связующего вещества и наполнителя. В их состав входят пластификаторы, стабилизаторы и красители.

Связующие вещества определяют в основном свойства деталей из пластмасс и представляют собой сложные химические соединения органического и неорганического происхождения, получившие в промышленности общее название «смолы». Содержание связующего вещества в пластмассах колеблется в пределах 30...60%.

Наполнители обладают способностью прочно сцепляться со связующим веществом, придают пластмассам требуемые свойства – механическую прочность (древесная мука, асбест), теплопроводность( молотый мрамор, кварц), диэлектрические свойства (молотая слюда или кварц), нагревостойкость ( асбест, стекловолокно).

Введение наполнителей уменьшает обьемную усадку пластмасс, однако повышает гигроскопичность и ухудшает гигроскопичность и ухудшает их электроизоляционные свойства. Обычно пластмассы содержат 40...70% наполнителя.

Пластьификаторы вводят в пластмассы для повышения пластичности, хладостойкости, предупреждения прилипания изделия к стенкам прессформы при прессовании.

Стабилизаторы способствуют длительному сохранению пластмассами своих основных свойств.

Красителипридают пластмассам определяют окраску. Желто-коричневая окраска получается введением охры и кропа, красная – додалином, черная – нигрозином, зеленая – зеленый бриллиант.Пластмассы классифицируют по различным свойствам: применению, нагревостойкости, химическим свойствам, способу переработки, используемым связующим смолам.

2.Слоистые пластики и фольгированные материалы

Слоистые пластики являются разновидностью пластмасс, которые получают горячим прессованием листовых волокнистых материалов, предварительно пропитанных синтетическими смолами. Связующими веществами в этом случае служат синтетические фенолформальдегидные, кремнийорганические и эпоксидные смолы, а наполнителями – полотна ткани, бумаги или древесного шпона.

Гетинакс – слоистый листовой материал, изготовленный методом горячего прессования двух или более слоев бумаги, пропитанной термореактивной смолой (фенолформальдегидной или эпоксидной).Изделия из гетинакса изготовляют механической обработкой, штамповкой и вытяжкой. Для повышения влагостойкости изделия из гетинакса пропитывают в бакелитовой смоле, разведенной в спирте, с последующей сушкой.

Выпускают гетинакс в виде листов и плит, трубок и цилиндров, из которых изготавливают каркасы катушек и изоляционные трубки, как основание для печатных плат.

Текстолит – слоистый материал, изготовленный методом горячего прессования хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой. Выпускается конструкционный и электротехнический текстолит на разных связках.Текстолит электротехнический выпускают в виде листов толщиной 0,5...8 мм и плит толщиной 0,5...50мм. Этот текстолит используют в интервале температур о -60 до + 105°С.

Листовой текстолит применяют как конструкционно-изоляционный материал для изготовления изделий, которые подвергаются ударным нагрузкам, истиранию (детали переключателей), не требуют высоких электроизоляционных свойств (панели, каркасы, щиты, крепежные планки), а также в качестве оснований для печатных плат.Детали из текстолита изготавливают по такой же технологии, как и детали из гетинакса, подвергая их бакелизации.Текстолит значительно дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно выше стоимости бумаги.Разновидности текстолита: стеклотекстолит (обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с гетинаксом и текстолитом, но хуже обрабатывается механически), асботекстолит (применяется для изготовления деталей с повышенной теплостойкостью).

Фольгированные слоистые материалы представляют собой слоистые пластики или синтетические пленки, облицованные с одной или двух сторон металлической фольгой (гетинакс, стеклотекстолит, армированный фторопласт) и используют в качестве оснований для печатных плат.

3.Пленочные, фольгированные материалы

Пленки представляют собой ценный диэлектрический материал благодаря повышенной электрической прочности, достаточной механической прочности и малой толщине, а также часто высокая влагостойкость.Свойства пленок обусловлены свойствами исходных полимеров, поэтому их можно разделить на полярные и неполярные.

Неполярные пленки.

Полистирольная пленка (ПС) выпускается толщиной 0,03 мм и шириной 20...100 мм.

Ориентированная ПС пленка обладает высокой влагостойкостью и малыми диэлектрическими потерями. Недостаток – сравнительно невысокая температура размягчения и низкая механическая прочность при нагревании.Применяют для изготовления высокочастотных конденсаторов и кабелей.

Полиэтиленовая (ПЭ) пленка - отличается высокой морозостойкостью, сохраняет основные свойства до температуры -60°С, низкой влагопроницаемостью, при нагревании до температуры выше 110°С дает усадку, что обеспечивает дополнительное уплотнение изоляции обмоток, подвержены воздействию нефтяного масла, что ограничивает их применение в конденсаторах, кабелях и монтажных проводах, наиболее дешевые.

Полипропиленовые (ПП) пленка – схожа с ПЭ. Применяют для изготовления высоковольтных конденсаторов в качестве комбинированной бумажно-пленочной изоляции.

Политетрафторэтиленовую (ПТФЭ) – выпускают нескольких видов. Электроизоляционная применяется для изоляции проводов, работающих при температурах -60 до +250°С – применяется для межслойной изоляции, как пленка конденсаторная.

Полярные пленки.

Полиэтилентерефталевая (лавсановая) обладает высокой прочностью на разрыв и надрыв, хорошим электрическим свойствам, химической стойкости, устойчивости к действию органических растворителей, повышенной нагревостойкости, влагостойкости.

Недостаток – излишняя жесткость и упругость. Применяют для изготовления конденсаторов и кабелей, а также для изоляции обмоток низковольтных электрических приборов.

Поливинилхлоридная(ПВХ) – обладает невысокими электрическими свойствами и низкой нагревостойкостью, что ограничивает ее применение.

Винипластовая – применяют как влагостойкий и химически стойкий материал для изоляции водопогруженных электродвигателей.

Полиамидная (ПАМ) – обладает высокой механической прочностиью, невысокими электрическими параметрами, малой газопроницаемостью, высокой стоимостью.

Применяют как бензо- и маслостойкий герметизирующий материал в основном в кабельной технике для изоляции проводов с наружным покрытием из поливинилхлорида или полиэтилена.

Поликарбонатная (ПК) применяется при изготовлении конденсаторов низкого напряжения, а также для высоковольтной изоляции.

Пленка из эфиров целлюлозы применяют для изготовления малогабаритных намоточных конденсаторов низкого напряжения.

Контрольные вопросы:

1. Основные особенности пластмассы.

2. Слоистые пластики и особенности их получения.

3. Общие сведения о получении и применение пленочных материалов.

Тема 3.7 Резина. Натуральные и синтетические каучуки, их недостатки.

Эластомерами называют полимеры, которые при нормальной температуре подвержены большим обратным деформациям растяжения (до многих сотен процентов). Эластомерами являются все каучуки и резины.

Каучуки бывают натуральные и искусственные (синтетические).

Натуральный каучук (НК) получают из латекса- млечного сока тропических растений гевеи и др.

Натуральный каучук неполярен, легко растворяется в эфире, бензине, минеральных маслах, не растворяется в воде, при нагревании до температуры 90°С размягчается, а при температуре ниже нуля становится твердым и хрупким.

Синтетические каучуки. Сырьем для синтетических каучуков(СК) служат спирт, попутные продукты нефтедобычи, природного газа и нефтепереработки. Синтетические каучуки подразделяются на каучуки общего назначения (универсальные) и специального назначения (теплочтойкие, морозостойкие, маслостойкие, кислотоупорные и др.).

Бутадиеновый каучук (СКБ) получают полимеризацией бутадиена в присутствии катализатора (металлического натрия) – это каучук общего назначения. Применяют для изготовления эбонитовых изделий и оболочек кабелей.

Бутадиенстирольный каучук (СКС) – имеет хорошие диэлектрические свойства, хорошо сопротивляется тепловому старению и действию многократных деформаций.

Бутилкаучук получают совместной полимеризацией изобутилена и изопрена, обладает высокой механической прочностью, химической стойкостью, газонепроницаемостью, стойкостью к тепловому старению, озоностойкостью.Применяют для изготовления электроизоляционных резин.

Изопреновый каучук (СКИ) – обладает высокой механической прочностью и эластичностью, но меньшей клейкостью, чем натуральный каучук.

Полихлоропреновый обладает высокой механической прочностью, стойкостью к действию нефтяных масел и технических растворителей, высокой стойкостью к воздействию света, озоностойкостью, по электрическим свойствам уступает другим синтетическим каучукам.

Применяют для защитных оболочек кабелей, которые по влагостойкости не уступают свинцовым.

Полисилоксановый имеет хорошие диэлектрические свойства, высокие термо- и морозостойкость, светостойкость и озоностойкость, растворяется в концентрированных кислотах и щелочах. Применяют для изготовления прокладок и изоляции.

Натуральный и синтетические каучуки в чистом виде не используются, их вулканизируют (частично сшивают) при нагревании в присутствии вулканизаторов ( серы, металлического натрия, перекиси бензола и др).

Для получения резины в каучуки кроме вулканизаторов добавляют ускорители полимеризации (дифенил, оксид цинка и др.), наполнители (сажу, мел , углекислый марганец и др), пластификаторы (стеариновую, олеиновую кислоты, парафины и др.), красители (охру, ультрамарин и др.).

Резине свойственны хорошая вибростойкость, высокая эластичность, повышенная химическая стойкость, достаточная механическая прочность, хорошие электроизоляционные свойства, устойчивость к износу.

Недостатки резины: низкая нагревостойкость, плохая стойкость к действию нефтяных масел и других неполярных жидкостей (бензина, бензола и др.), неустойчивость к воздействию света.

Резины применяют для изоляции проводов и кабелей, изготовления прокладок, шайб, изолирующих трубок, диэлектрических перчаток, электроизоляционных ковриков.

Пластмассы на основе каучука.

Эбонит – твердая резина, которую получают при вулканизации каучуков :натурального и синтетических при добавлении 25...30% серы и наполнителя. Эбонит имеет высокие электроизоляционные свойства, устойчив к действию кислот и щелочей, не растворяется в органических растворителях, имеет высокую дугостойкость и стойкость к ударным нагрузкам. Эбонит хорошо обрабатывается резанием и полируется.

Недостаток эбонита – низкая теплостойкость (до 80°С), склонность к холодной текучести, стареет под действием тепла и света.

Эскапон - получают при полимеризации синтетического бутадиенового каучука при повышенном давлении и температуре (270°С) в пресс-формах. Он не содержит серы. По механическим и химическим свойствам близок к эбониту, но обладает меньшими диэлектрическими потерями, повышенной нагревостойкостью, не подвержен старению.

Асбодин – композиция на основе каучука, асбестового волокна и железного сурика с вулканизирующими добавками. Он имеет повышенные нагревостойкость и дугостойкость, устойчив к воздействию плесени, тропикостоек, имеет низкую текучесть. Применяют в качестве низковольтного изоляционного материала.

Хлоркаучук – получают при хлорировании каучука, обладает хорошими электроизоляционными свойствами, стойкостью к действию кислот, щелочей, хлора, но растворяется в ароматических углеводородах; негорюч и имеет низкую нагревостойкость.

Изомеризованный каучук – получают при обработке каучука в присутствии кислого катализатора – серной кислоты, электроизоляционные свойства выше, чем у хлоркаучуков, устойчив к действию кислот, щелочей и растворителей.

Тема 3.8 Лаки, эмали, компаунды.

Лаки – коллойдные растворы пленкообразующих веществ в соответствующих летучих растворителях.

Лаки состоят из пленкообразующих веществ (масла, смолы, битумы, эфиры целлюлозы и др.), растворителей (бензол, толуол, спирт и др), пластификаторы (касторовое масло), сиккативы (для ускорения высыхания), красители, разжижители.

Лаки бывают холодной и горячей сушки.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и волокнистой изоляции. К пропиточным лакам относятся кремнийорганические, битумно-масляные, масляно-алкидные и др.

Покровные лаки служат для защиты изделий от воздействия атмосферной влаги и паров агрессивных веществ.

К покровным лакам относят кремнийорганические лаки, лаки на поливинилацетатной основе, лаки на полиуретановой основе, масляные лаки, полиамидный и полиимидный лаки, целлюлозные лаки. Лаки используют для изготовления различных покрытий проводов .

Эмали – представляют собой разновидность покрывных лаков, в состав которых вводится неорганический наполнитель – пигмент. Пигменты повышают твердость, теплопроводность, влагостойкость покрытий и придают им соответствующий цвет. В качестве наполнителей используют железный сурик, оксиды цинка, титана и др. Эмали используют в основном в качестве защитных покрытий поверхностей различных деталей и элементов радиоэлектроники и для декоративной отделки корпусов электрорадиотехнических приборов.

Лакокрасочные покрытия. Нанесение жидких лаков, компаундов и эмалей с последующим их отвердением является одним из первых методов защиты поверхности и относится к наиболее простым и широко распространенным способам защиты при сборке изделий электронной техники.

Компаунды представляют собой механические смеси из электроизоляционных материалов, не содержащие растворителей.

По сравнению с лаками компаунды обеспечивают лучшую влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, так как при охлаждении после пропитки полностью затвердевают без следов испаряющегося растворителя; повышение мощности аппарата за счет лучших условий отвода тепла.

Компаунды могут быть жидкими или твердыми.

В жидкие компаунды перед употреблением вводят отвердитель, в результате чего они постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный твердый диэлектрик.

Твердый компаунд предварительно нагревают при соответствующей температуре для получения массы с определенной вязкостью.

В зависимости от применяемых смол компаунды могут быть термопластичными или термореактивными.

По назначению компаунды разделяют на пропиточные и заливочные.

Наибольшее распространение получили синтетические компаунды – эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные.

шФлюсы

Флюсы являются вспомогательными материалами для получения качественной и надежной пайки.По действию на соединяемые поверхности флюсы подразделяют на активные (кислотные), бескислотные, активированные и антикоррозионные.

Активированные (кислотные) флюсы интенсивно растворяют оксидные пленки на поверхностях соединяемых деталей, обеспечивая хорошую адгезию и механическую прочность пайки.

Бескислотные флюсы – это канифоль и флюсы, приготовленные на ее основе с добавлением неактивных компонентов (спирта, глицерина).

Активированные флюсы приготовляют на основе канифоли с добавкой активаторов (небольшого количества салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина, солянокислого или фосфорнокислого снилина и др.).

Антикоррозионные флюсы приготовляют на основе органических кислот, фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей.

Компаунды - смеси полимеров: смол, битумов, эфиров целлюлозы, иногда с добавлением минеральных наполнителей (кварцевой или слюдяной муки, стекловолокна) для повышения прочности и нагревостойкости. Кроме смолы и отвердителя в состав компаундов входят пластификаторы, наполнители и др. Компаундами в жидком или полужидком состоянии пропитывают, обмазывают, заливают элементы радиоэлектронной аппаратуры, после чего они отвердевают. Компаунды защищают элементы аппаратуры от атмосферной влаги, повышают электрическую и механическую прочность, т.е. обеспечивают высокую надежность. Компаунды могут быть термопластичные и термореактивные.

Термопластичные компаунды - смеси на основе линейных (аморфных) смол: полиамидных, полиуретановых, полиэфирных и др., а также битумные компаунды. Битумы - нефтяные аморфные, термопластичные смеси углеводородов. Термопластичные компаунды при нагревании размягчаются до вязкотекучего состояния (для пропитки или заливки), а при охлаждении - отвердевают. Их применяют для заливки катушек трансформаторов высокого напряжения, отклоняющих и фокусирующих устройств, полупроводниковых выпрямителей и других деталей радиоэлектронной аппаратуры.

Термореактивные компаунды - материалы на основе эпоксидных, фенолформальдегидных и кремнийорганических смол. Термореактивные компаунды после заливки необратимо отвердевают, при повторном нагреве уже не размягчаются, возможность ремонта детали или прибора исключается.

Наиболее широкое распространение в электронной технике получили эпоксидные компаунды, отличающиеся низкой усадкой, влаго- и водостойкостью, высокой прочностью, нагревостойкостью до200°С и хорошими электроизоляционными свойствами. Например,

компаунд К-168 холодного отвердения (Тотв < 60°С) и К-293 горячего отвердения

(Тотв = 80...160°С). Высокой нагревостойкостью (до 370°С) отличаются компаунды

на основе кремнийорганических смол, например К-43. Их применяют для пропитки подвижных частей электрических машин, работающих в условиях повышенной температуры и влажности.

Лаки - растворы полимеров в летучих растворителях. При сушке растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя пленку. Лаки применяют в качестве пропиточных, покровных и клеящих электроизоляционных материалов. Их электрические свойства:

• ε = 2,5...4;

• ρ = 109...1012 Ом·м;

• tgδ = (10…100)·10-4;

• Епр = 10…20 МВ/м.

В зависимости от материала пленкообразователя различают лаки масляные, смоляные, нитроцеллюлозные (нитролаки). В основе масляных лаков содержатся высыхающие масла(льняное, тунговое и др.), в качестве растворителей используются скипидар и лаковый керосин (уайт-спирит). Эти лаки применяют для пропитки обмоток электрических машин, покрытия листов магнитопроводов.

Смоляные лаки - это растворы синтетических смол (бакелитовой, глифталевой, перхлорвиниловой, полистирольной, кремнийорганической и др.) в растворителях - толуоле, ксилоле, дихлорэтане. Глифталевые лаки обладают высокой клеящей способностью. Кремнийорганические лаки образуют нагрево- и влагостойкие пленки. Перхлорвиниловые лаки весьма стойки к действию бензина, масла и других химически активных веществ. Они применяются как покровные лаки для защиты изоляции. Полистирольный лак образует пленку с высокими электроизоляционными свойствами, используется в высокочастотной аппаратуре. В нитроцеллюлозных лаках основой служат растворы нитроцеллюлозы, растворители - ацетон, этилацетат, бутилацетат. Это лаки холодной сушки. Пленки нитролаков механически прочны, влагонепроницаемы, однако плохо прилипают к металлам. Нитролаки применяют для пропитки хлопчатобумажной изоляции, для защиты резины от влияния озона, масла, бензина.

Контрольные вопросы:

1. Классификация и назначение компаундов.

2. Свойства и классификация лаков.

3. Область применение лаков.

Тема 3.9 Волокнистые диэлектрики.

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, т. е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы-волокон. В некоторых материалах, а именно в текстильных, волокнистое строение совершенно очевидно. В других волокнистых материалах, таких, как дерево, бумага, картон, волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волокнами, заполненными воздухом); гигроскопичность - более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними).

Большая часть волокнистых материалов - органические вещества. К ним принадлежат материалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и прочие материалы, состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого (в основном целлюлозного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно большую гигроскопичность, что.В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая температура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не могут, применяют неорганические волокнистые материалы — на основе стеклянного волокна и асбеста.

Дерево.

Благодаря своей распространенности, дешевизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает неплохими механическими свойствами, в особенности если учесть его легкость: прочность дерева, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Более тяжелые породы деревьев прочнее, чем более легкие. Прочность дерева в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль; плохо работает дерево на раскалывание вдоль волокон.

Недостатки дерева: I) высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое снижение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробление и растрескивание деталей, изготовленных из влажного дерева, при его высушивании (вследствие того, что влажное дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях); 2) нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы; неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличие сучков и других дефектов; 3) низкая нагрево- стойкость, а также горючесть.

Бумага и картон.

Бумага и картон — это листовой или рулонный материал коротковолокнистого строения, состоящий в основном из целлюлозы. Для производства бумаги обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин (придающий древесине хрупкость), смолы (особенно в древесине хвойных пород), соли и др. Для удаления примесей размельченная в щепу древесина подвергается варке в котлах, содержащих водные растворы щелочей или кислот, которые переводят в растворимые в воде соединения; затем целлюлоза тщательно отмывается водой от примесей. Обычная писчая и печатная бумага, в том числе и бумага, на которой напечатана настоящая книга, изготавливаются из сульфитной целлюлозы, полученной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту H₂S0₃; такая целлюлоза в процессе ее изготовления легко приобретает белый цвет.

При изготовлении же бумаги, применяемой в качестве электрической изоляции, а также особо прочной упаковочной и тому подобной бумаги применяется сульфатная и натронная целлюлоза, получаемая путем варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий NaOН. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный неудаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергается деструкции (разрушению макромолекул) и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон, чем в процессе кислотной варки, щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению, что для технических бумаг, в частности электроизоляционных, чрезвычайно важно. Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с большим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. При удалении воды сквозь ячейки сетки, уплотнении и сушке при пропускании между стальными валками, некоторые из которых Разрывающее усилие кабельной бумаги марки К-080 толщиной 80 мкм для полоски шириной 15 мм в направлении вдоль рулона (кривая 1) и поперек рулона (кривая 2) в зависимости от относительной влажности воздуха φ имеют обогрев, получается бумага в виде рулона.

Кабельная бумага

Выпускается различных марок, обозначаемых буквами К, КМ, КВ, КВУ, КВМ и КВМУ (эти буквы обозначают: К — кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная, У — уплотненная) и цифрами от 15 до 240 (обозначающими номинальную толщину бумаги —от 15 до 240 мкм). Бумаги марок К и КМ применяются для силовых кабелей напряжением до 35 кВ, КВ и КВУ — 35 кВ и выше, КВМ и КВМУ — 110 кВ и более. Объемная масса неуплотненных кабельных бумаг двух различных марок составляет 0,76 или 0,87 Мг/м³, а уплотненных бумаг 1,09—1,10 Мг/м³. В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местами — очагами развития пробоя — являются зазоры между отдельными лентами бумаги в каждом повиве. В кабелях с вязкой пропиткой (например, масляно-канифольным компаундом) в эксплуатации после многократных последовательных нагревов и охлаждений кабеля часть зазоров, ближайших к жиле, оказывается не заполненной пропиточным компаундом. В этих зазорах возникает ионизация, разрушающая как компаунд, так и бумагу и способствующая постепенному прорастанию ветвистого разряда от жилы к свинцовой оболочке кабеля.

Учитывая старение пропитанной бумаги при длительном воздействии электрического поля, рабочую напряженность для бумажных конденсаторов с жидкой пропиткой обычно принимают 25—35 МВ/м при постоянном напряжении и 12— 15 МВ/м при переменном напряжении частоты 50 Гц.

Микалентная бумага, применяемая в качестве подложки микаленты,— одна из немногих разновидностей электроизоляционных бумаг, производимых не из древесной целлюлозы щелочной варки, а из длинноволокнистого хлопка. Она имеет толщину 20 ± 2 мкм и массу 1 м2, равную 17 г; выпускается в рулонах шириной 450 или 900 мм.

Картон в основном отличается от бумаги большей толщиной. Электроизоляционные картоны изготовляются двух типов; воздушные более твердые и упругие, предназначенные для работы на воздухе (прокладки для пазов электрических машин, каркасы катушек, шайбы), и масляные — более рыхлой структуры и болев мягкие, предназначаемые в основном для работы в трансформаторном масле (например, в изоляции маслонаполненных трансформаторов). Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электрическую прочность. В рулонах выпускаются только наиболее тонкие электроизоляционные картоны. Обычно же картоны (употребительные толщины — до 3 мм, в отдельных случаях выше) выпускаются в листах. Электроизоляционные картоны изготовляются из древесной или хлопковой целлюлозы. Еще выше (на 10—25 С) нагрево- стойкость бумаги, обработанной раствором цианамида CN2H3.

Контрольные вопросы:

1. Основные характеристики. Механические характеристики.

2. Электроизоляционные линекиновые и стекловолокнистые трубки.

Электроизоляционная слюда и материалы на ее основе.

Слюда - минерал ионно-кристаллического строения, обладающий способностью расщепляться на пластины. По химическому составу слюда представляет собой водные алюмосиликаты. Основные диэлектрические характеристики слюды:

• ε = 5…7;

• tgδ = (5…50).10-4;

• ρ = 1013 Ом·м;

• Епр = 12 МВ/м.

Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: температура начала резкого ухудшения свойств составляет 700...900°С. Слюда применяется для конденсаторов, штампованных деталей электронных и осветительных ламп, для изоляции коллекторных пластин электрических машин.

Слюда – природный кристаллический электроизоляционный материал, который легко расщепляется на тонкие пластинки по параллельным друг к другу плоскостям. Эти плоскости называются плоскостями спайности.

Слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью, прозрачностью (в тонких слоях многих видов слюды), резко выраженной анизотропией (свойства слюды поперек и вдоль плоскости спайности существенно различаются).

Слюда встречается в природе в виде кристаллов, включенных в горные породы, и составляет 3,8% массы земной коры. Известно более 30 разновидностей слюды, однако для диэлектрической изоляции применяют только мусковит и флогопит.

Мусковит – это алюмосиликат калия, который можно приближенно выразить формулой K2O5 . 3 Al2O3. 6 SiO2. 2H2O. Он прозрачен, примеси окрашивают его в светлые тона (зелёный, розовый).

Мусковит имеет хорошие электроизоляционные свойства (лучше, чем у флогопита), высокую механическую прочность, твердость, гибкость, упругость, стабильность свойств во времени, температуру начала обезвоживания и резкого ухудшения свойств при 500...600°С.

Из лучших сортов мусковита производят конденсаторную слюду и телевизионную слюду, которую применяют в виде диэлектрической основы для фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках.

Флогопит – это магнезиальный силикат калия, который можно приближенно выразить формулой K2O . 6MgO. 6SiO2. 2H2O. Он имеет темный цвет и более высокую нагревостойкость (до 1000°С), но по изоляционным свойствам уступает мусковиту.

Слюду применяют также в виде штампованных фасонных изделий для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных лампах, в качестве тепловой защиты цоколей мощных электрических ламп накаливания, в качестве наполнителя в нагревостойких органических пластмассах.

Кроме минеральной (природной) применяется синтетическая слюда фторфлогопит KMg3 . Si3AlO10. F2, в котором атомы воды замещены фтором. Эту слюду получают в результате выращивания кристаллов из расплавленной шихты, содержащей кварцевый песок, оксиды алюминия и магния, фтористые соединения калия и магния. Фторфлогопит обладает более высокими электрическими параметрами, чем природная слюда, более нагревостоек, химически устойчевее обычного флогопита, не вспучивается при нагревании и выдерживает смену температуры от -70 до + 1000°С.

Из-за сравнительно высокой стоимости синтетическая слюда ограничена в применении. Её используют для изготовления окон волноводов, счетчиков частиц высокой энергии, конденсаторов с высокой рабочей температурой.

Слюдяные электроизоляционные материалы изготавливают на основе пластинок щипаной природной или синтетической слюды. К ним относятся миканиты, слюдинаты, слюдокерамика, прессмика, микалекс.

Миканиты – слоистые материалы, в которых отдельные пластинки слюды склеивают между собой лаком или органическим связующим веществом. Иногда эти материалы прессуются.

Различают миканиты : коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий, жароупорный, микафолий.

Гибкий миканит должен формоваться и изгибаться в отличие от формовочного при нормальной температуре (выпускают в рулонах и листах), применяется для междувитковой и пазовой изоляции электрических машин.

Жароупорный миканит получают на основе слюды флогопит и нагревостойкого связующего вещества (эидкого стекла, фосфорнокислого аммония). Применяется для изоляции нагревательных приборов.

Микафолий отличается от гибкого миканита тем, что он приобретает гибкость только в нагретом состоянии. Его получают наклеиванием одного и более слоев слюды на бумагу или стеклоткань. Применяют для изготовления различных изоляционных шпилек истержней.

Слюдинаты по сравнению с миканитами более монолитны и однородны по толщине, имеют более высокую рабочую температуру и электрическую прочность. Для изготовления слюдинитов используют слюдянитовую бумагу. Сферы применения те же, что у миканитов.

Слюдокерамика получается в процессе обжига спрессованной мелкокристаллической слюды (мусковита и фторфлогопита) со связующим компонентом (85%-й раствор фосфорной кислоты в количестве о 5% до 15% массы). Готовые изделия сушат и обжигают. Применяют в качестве термостойкой изоляции установочных и вакуумплотных деталей, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, изоляторов радиоламп.

Стекла - материалы аморфного строения, состоящие из оксидов различных элементов. В качестве стеклообразующих оксидов используются SiO2, B2O3, Al2O3, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла на основе двуокиси кремния SiO2, благодаря химической стойкости, дешевизне и доступности сырья.

Стекла - это неорганические диэлектрики с ионным типом поляризации. По механическим свойствам они обладают высокой прочностью на сжатие, но малой прочностью на растяжение, твердостью в сочетании с хрупкостью. Оптические свойства стекол характеризуются прозрачностью, коэффициентом преломления и т.д.

Ситаллы - это стеклокристаллические материалы, получаемые путем стимулированной кристаллизации стекол. В качестве катализаторов кристаллизации в стекломассу вводятся соединения с ограниченной растворимостью или легко кристаллизующиеся из расплава. К ним относятся TiO2, FeS, B2O3, Cr2O3, V2O5, фториды и фосфаты щелочных и щелочноземельных металлов.

Ситаллы имеют температуру текучести Тт = 1300°С, температурный коэффициент линейного расширения αl = (1,2…12).10-6 К-1. Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью в сильных кислотах (кроме HF) и щелочах. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий. Ситаллы применяются для подложек гибридных интегральных схем, тонкопленочных резисторов, деталей электровакуумных приборов, работающих в условиях глубокого вакуума, деталей СВЧ-приборов, конденсаторов.

Стекловолокно получают из расплавленной стекломассы вытяжкой через фильеру с быстрой намоткой на вращающийся барабан (d = 4...7 мкм). Из стекловолокна методом текстильной технологии ткут ткани, ленты, делают шланги. Преимущества стекловолокнистой изоляции состоят в высокой нагревостойкости, значительной прочности, малой гигроскопичности и хороших электроизоляционных свойствах.

Световоды используются в оптоэлектронике для передачи различной информации от источника к приемнику с помощью тончайших волокон. Отдельные волокна соединяются в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Чтобы предотвратить прохождение света из одного волокна в другое их покрывают светоизолирующей оболочкой из стекла с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Тогда световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцеви-

на), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (оболочка) под углом больше предельного, будет испытывать многократное полное внутреннее отражение и пойдет вдоль волокна практически без потерь энергии.

Контрольные вопросы:

1. Виды миканитов, основные характеристики, область применение.

2. Электроизоляционные природные слюда.

3. Слюдиниты и слюдопласты, их особенности.

Тема 3.11 Керамические электроизоляционные материалы. Стекло и керамика.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос» (горшечная глина). В настоящее время керамика объединяет не только глиносодержащие, но и другие материалы, сходные по своим свойствам и технологическому процессу их получения.

Технологический цикл получения керамики включает следующие основные операции:

1. Тонкий размол и тщательное смешивание исходных компонентов.

2. Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката. В качестве пластификатора чаще всего используют поливиниловый спирт и парафин.

3. Формовка изделия.

4. Спекание - высокотемпературный обжиг (1300...1400°С). В

зависимости от состава шихты усадка после обжига составляет от 2 до 20%.

По структуре керамический материал состоит из кристаллической фазы, участки которой сцементированы аморфной стеклофазой. В керамике также присутствует газовая фаза (пористость), что способствует повышенной гигроскопичности. Для обеспечения влаго непроницаемости керамические изделия подвергают глазуровке.

По применению различают керамику установочную и конденсаторную, по величине диэлектрических потерь - низкочастотную и высокочастотную.

Установочная керамика используется для изготовления опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др.

Изоляторный фарфор (электрофарфор) - это керамический материал на основе глины, кварцевого песка, полевого шпата, низкочастотный диэлектрик:

• ε = 8,5;

• tgδ = 10-2;

• ρ = 1010 Ом·м;

• Епр = 20 МВ/м.

После обжига основной кристаллической фазой является муллит (3Al2O3·2SiO2). Промежутки между кристаллическими зернами заполнены стекловидной фазой полевого шпата.

Ультрафарфор - высокочастотная установочная керамика, содержит более 80%Al2O3 + бариевое стекло (SiO2+BaO). Ультрафарфор сочетает низкие диэлектрические потери (tgδ = 6.10-4) с высокой механической прочностью. Бариевое стекло улучшает электрические свойства и ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига, в результате получается плотная керамика.

Корундовая керамика (алюминоксид), состоящая из 95...99%Al2O3+SiO2, - высокочастотный диэлектрик (tgδ = 2·10-4). Используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов, подложек интегральных микросхем, внутриламповых изоляторов. Разновидностью алюминоксида является поликор, обладающий особо плотной структурой. Поликор прозрачен, поэтому он используется для изготовления колб некоторых источников света.

Брокерит - керамика на основе оксида бериллия (95...99%BeO), обладает самой высокой теплопроводностью среди неметаллических материалов (200...250 Вт/м·К-1), высоким удельным сопротивлением (ρ = 1016 Ом·м), малыми диэлектрическими потерями (tgδ<3·10-4). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумплотных спаев с медью и коваром. Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую керамику применяют в особо мощных приборах СВЧ.

Цельзиановая керамика содержит синтезированное соединение BaO·Al2O3·2SiO2 (цельзиан), углекислый барий (BaCO3) и каолин (Al2O3·2SiO2·2H2O), которые при обжиге дополнительно образуют кристаллическую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликат-

ное стекло. Особенностями этого материала являются низкие температурные коэффициенты линейного расширения (αl = 2.10-6 К-1) и тносительной диэлектической проницаемости

(αε = 6.10-6 К-1), высокая электрическая прочность (Епр до 45 МВ/м). Цельзиановая керамика применяется для каркасов высокостабильных катушек индуктивности, изоляторов и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности.

Стеатитовая керамика в основе содержит природный минерал тальк (3MgO·4SiO2·H2O). Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге, является (MgO·SiO2). Преимуществами стеатитовой керамики являются незначительная усадка при обжиге

(1...1,5%) и малая абразивность. Применяется для высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной изоляции внутри ламп. Недостатком стеатита является невысокая стойкость к

резким изменениям температуры и узкий температурный интервал спекания при обжиге (1330...1350°С).

Форстеритовая керамика (2MgO·SiO2) применяется для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов, когда требуется вакуумплотный спай с металлом, (например, с медью), имеющий повышенный температурный коэффициент линейного расширения.

Конденсаторная керамика должна обладать:

• высокой относительной диэлектрической проницаемостью для обеспечения наибольшей емкости конденсатора при минимальных размерах;

• слабой зависимостью ε от температуры (температурный коэффициент диэлектрической проницаемости αε должен быть близок к нулю);

Свойства кварцевого стекла:

• высокие механические свойства (σсж = 2500 МПа, σраст = 60 МПа,

что в 4-5 раз выше, чем у остальных стекол),

• высокая нагревостойкость (до 1000°С);

• низкий температурный коэффициент линейного расширения (αl = 0,01.10-6 К-1),

• высокая химическая инертность;

• высокая прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра до

λ = 4 мкм, радиопрозрачность.

Кварцевое стекло находит широкое применение во многих областях техники: в производстве лабораторной посуды (реакторы, тигли, лодочки, ампулы и т.д.), оптических линз, призм, баллонов ламп ультрафиолетового излучения, стабилизаторов частот и т.д.

Применение стекол:

Электровакуумное стекло применяется для изготовления баллонов и других деталей электровакуумных приборов. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (B2O3+SiO2) или алюмосиликатных (Al2O3+SiO2) с добавками щелочных оксидов. Для них важное значение имеет температурный коэффициент линейного расширения, который должен быть близок к αl соответствующего металла. Электровакуумные стекла подразделяются на:

• платиновые - αl = (8,5…9,2).10-6 К-1;

• молибденовые - αl = (4,6…5,2).10-6 К-1;

• вольфрамовые - αl = (3,5…4,2).10-6 К-1.

Изоляторные стекла используются для герметизации вводов в металлических корпусах различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов, и др.). Для таких проходных изоляторов в полупроводниковых приборах применяют щелочное силикатное стекло.

Цветные стекла - обычные силикатные стекла с добавками, придающими стеклам соответствующую окраску: CaO - синюю, Cr2O3 - зеленую, MnO2 - фиолетовую и коричневую, UO3 - желтую, что используется при изготовлении светофильтров, эмалей и глазурей.

Лазерные стекла применяются в качестве рабочего тела в твердых лазерах. Центрами излучения являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектрической, прозрачной матрице. Наиболее часто применяют баритовый крон (BaO-K2O-SiO2),

активированный ионами неодима Nd3+. Преимущество лазерных стекол перед монокристаллами - оптическая однородность, изотропность свойств, высокая технологичность, низкая теплопроводность, что важно для генерации импульсов высокой мощности.

Контрольные вопросы:

1. Классификация керамических материалов..

2. Электроизоляционные стекло и их применение в электропромышленности.

Раздел 4 Полупроводниковые материалы

Тема 4.1 Общие сведения о полупроводниках. Электронная и дырочная проводимости.

Полупроводники - это материалы с электронной проводимостью, электрические свойства которых сильно зависят от содержания примесей, дефектов структуры и внешних воздействий (температуры, освещения, электромагнитного поля и т.д.).

Интенсивно расширяется круг полупроводниковых материалов, различающихся не только природой химических связей, химическим и фазовым состояниями, но и структурным состоянием. Если раньше это были монокристаллические полупроводниковые материалы, то позднее наряду с монокристаллами различной степени совершенства стали применяться поликристаллические материалы, а затем и аморфные.

Одной из наиболее важных теорем, на которой основана зонная теория, является теорема Блоха. Из теоремы Блоха следует, что энергия W является периодичной в пространстве обратной решетки. Таким образом, для однозначного определения энергии достаточно использовать значения волнового вектора в элементарной ячейке пространства обратной решетки. Такая ячейка называется зоной Бриллюэна.

Простая кубическая(Р и т. д.) Объемноцентрированная кубическая (Na, W и т. д.)

Ячейка цинковой обманки (GaAs, GaP и т. д.) Ячейка алмаза (C, Ge, Si и т. д.)

Основные элементарные ячейки прямых решеток и кристаллическая структура ряда элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений (а – постоянная решетки)

Элементарные ячейки решеток полупроводниковых соединений (а, с - постоянные решетки): а - ячейка решетки вюрцита CdS, ZnS и т.д.); б - ячейка решетки каменной соли (PbS, PbТе и т.д.)

Форма и размеры зон Бриллюэна определяются симметрией кристалла и его межатомными расстояниями. В спектрах каждого из полупроводников имеется зона запрещенных энергий, в которой не существует электронных состояний. Эти состояния образуют разрешенные зоны с энергиями выше и ниже этой энергетической щели. Верхнюю разрешенную энергетическую область называют зоной проводимости, а нижнюю - валентной. Расстояние между дном области проводимости и потолком валентной называют шириной запрещенной зоны. К элементарным полупроводникам относятся вещества, расположенные в IV - VII подгруппах таблицы Менделеева - углерод (алмаз), кремний, германий, олово. Валентные оболочки свободных атомов этих элементов состоят из (ns)²(nр)² электронов. Связи sр³ - гибридные тетраэдрические с углом 109°28'.

Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры - его содержание в ней по массе составляет 27,6 %. Из-за своей химической активности в свободном состоянии не встречается. Содержание германия в земной коре составляет 7 10^-4 %. При этом он является рассеянным в природе элементом и в виде рудных месторождений почти не встречается.

При температурах выше абсолютного нуля некоторые валентные электроны за счет тепловых флуктуаций преодолевают запрещенную зону и переходят в зону проводимости. Энергия, необходимая для разрыва связи и освобождения электрона, количественно равна ширине запрещенной зоны ΔЭ.

Электрон, оторвавшийся от атома, становится свободным носителем заряда, а в валентной зоне остается эквивалентный положительный заряд, обладающий некоторой эффективной массой - дырка. Для восстановления нарушенной ковалентной связи образовавшуюся дырку в валентной зоне занимает электрон соседнего атома, начинается перемещение валентных электронов от атома к атому, сопровождающееся разрывом и восстановлением ковалентных связей. При отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны и дырки беспорядочно блуждают по кристаллу. Под действием внешнего электрического поля создается направленное движение носителей заряда.

Электропроводность, обусловленная возбужденными электронами в зоне проводимости, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

Электроны валентной зоны эстафетно перемещаются по дыркам от атома к атому, что можно представить как движение дырок.

Электропроводность, обусловленная диффузией дырок в валентной зоне, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа.

Кремний и германий являются самыми распространенными материалами полупроводниковой электроники и микроэлектроники.

Контрольные вопросы:

1. Электронная дырочная проводимость.

2. Основные свойства полупроводниковых материалов.

Тема 4.2 Эффект Холла. Влияние факторов на электропроводимость полупроводников.

Собственная концентрация тем ниже, чем больше ширина запрещенной зоны. Измерение концентрации носителей заряда чаще всего выполняется по схеме Холла.

Сущность метода Холла состоит в том, что если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, то на его боковых гранях А и В возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла (рис. 15.7) и вычисляемая по формулам ( ), из которых определяется коэффициент Холла ( ), где U_a – U_b – ЭДС Холла, В; I – ток через образец, А;В – магнитная индукция, Тл или Гаусс; d – толщина пластинки в направлении магнитного поля, мм.

Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла

Метод Холла позволяет определить тип проводимости полупроводника, концентрацию и подвижность носителей заряда. Проводимость полупроводников, как и других материалов, зависит от концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) при данной температуре и их подвижности.В настоящее время имеется много методов измерения удельного сопротивления полупроводника: двухзондовый, трехзондовый, четырехзондовый, бесконтактный и др. Наибольшее распространение получили двухзондовый и четырехзондовые методы.

Аморфные полупроводники

Аморфные полупроводники - это вещества, обладающие в твердом аморфном состоянии свойствами полупроводников. Под аморфным телом принято понимать такое вещество, в котором отсутствует трехмерная периодичность в расположении атомов. Благодаря такому определению термины «неупорядоченный», «некристаллический», «аморфный», «стеклообразный» являются синонимами.

Материал считается аморфным, если на его электронограммах и рентгенограммах наблюдаются диффузные кольца, а не резкие брегговские кольца или отдельные пятна, характерные для поликристаллических или монокристаллических твердых тел.

Некристаллические материалы, получаемые охлаждением расплава, называются стеклами.Большинство стекол являются широкозонными полупроводниками, в которых ширина запрещенной зоны превосходит 1 эВ. Примерами могут служить селен Se, триселенид мышьяка As₂Se₃ и сходные с ними халькогенидные полупроводники и многокомпонентные системы, а также боросиликатные стекла.

Такие вещества, как теллур Те, германий Ge, кремний Si, бор В и антимонид индия InSb, которые нельзя получить обычной закалкой расплава, могут быть получены в аморфном состоянии путем напыления. Ширина запрещенной зоны в них обычно меньше, чем в стабильных стеклах.

Ковалентные аморфные полупроводники в дальнейшем делятся еще на два класса. К первому классу относятся материалы с тетраэдрической направленностью связей, такие как элементы Si , Ge и соединения А^IIIВ^V. Эти материалы могут быть приготовлены в аморфной фазе лишь вакуумным напылением тонких пленок. Второй класс состоит из халькогенидных стекол на основе элементов S, Se и Те, к которым могут добавляться другие элементы, такие как Si, Ge и As .

Практическое использование некристаллических полупроводников определяется особенностями их структуры, свойств, химической стойкостью и механической прочностью, а также технологичностью их обработки и возможностью получения материалов с заданными свойствами. Некоторые устройства регистрации оптических изображений удалось создать только благодаря использованию некристаллических полупроводников. К таким устройствам относятся, например, телевизионные трубки типа «видикон», электрофотографические приборы и регистрирующие среды типа «халькогенидный стеклообразный полупроводник (ХСП) - термопластик».

Полупроводниковые материалы, используемые для указанных целей, должны обладать одновременно высоким удельным темновым сопротивлением (r_Т> 10¹¹Ом·см) и высокойфоточувствительностью (изменять свое удельное сопротивление при освещении на несколько порядков). Указанные требования противоречивы и могут быть удовлетворены одновременно лишь при низких значениях подвижности носителей заряда, что характерно для аморфных полупроводников.

Контрольные вопросы:

1. Аморфные полупроводники.

2. Влияние факторов на электропроводимость полупроводников.

Раздел 5 Магнитные материалы

Тема 5.1 Основные характеристики магнитных материалов.

Магнитные материалы имеют в технике широкое применение. В основном они и фа ют роль концентраторов, проводников и источников магнитного потока. Магнитные материалы являются основой для производства современных генераторов и двигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов и дросселей, постоянных магнитов и т.д.

В общем случае все магнитные материалы принято делить на две большие группы: магнитомягкие, используемые в основном как проводники магнитного потока; магнитотвердые, используемые как источники магнитного поля.

Необходимые характеристики магнитных материалов определяются в процессе перемагничивания, описываемого при циклическом изменении магнитного поля в координатах магнитной индукции (намагниченности АО и напряженности поля Н петлей гистерезиса (рис.). При этом связь магнитной индукции, намагниченности и напряженности поля выражается соотношением, где m₀ = 4·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная

В = m₀ (Н + М)

Зависимость магнитной индукции и намагниченности ферромагнитного материала от напряженности поля

По петле магнитного гистерезиса определяются основные параметры магнитных материалов: индукция насыщения B_s, максимальная напряженность поля Н_m_ах, остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с. Площадь, заключенная внутри петли магнитного гистерезиса, является мерой энергии, преобразованной в теплоту при перемагничивании.

Кривая В(Н) может быть преобразована в кривую М(Н). Поэтому, как видно из рис. следует различать понятия коэрцитивной силы по индукции Н_сВ и коэрцитивной силы по намагниченности Н_сМ. Зависимость В(Н) при монотонном изменении напряженности поля от нуля до максимального значения называется первоначальной кривой намагничивания. Связь напряженности магнитного поля Н и намагниченности магнитного материала М выражается через коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью

Отношение магнитной индукции В к напряженности поля Н в материале определяется абсолютной магнитной проницаемостью m_а: m_а = В/Н.

В общем случае, если магнитная индукция и напряженность поля являются векторами, то проницаемость - тензор. Численно проницаемость характеризуется относительной роницаемостью m_r = m_а/m₀.

Отношение изменения DВ к соответствующему изменению DН на кривой намагничивания дает относительную дифференциальную магнитную проницаемость, вычисляемую по формуле.

Полученная таким образом величина в полях с напряженностью, близкой к нулю, носит название относительной начальной проницаемости m_r_н, а максимальное ее значение на всей кривой намагничивания - относительной максимальной проницаемости m_rmax.

Для характеристики магнитотвердых материалов пользуются понятием размагничивающей части петли гистерезиса, находящейся во втором квадранте координатной плоскости В(Н). При наличии у постоянного магнита воздушного зазора остаточная индукция его B_d меньше остаточной индукции материала В_г измеренной в замкнутой магнитной цепи. Поэтому качество постоянных магнитов характеризуется, как правило, максимальным значением произведения (ВH)_max, которое определяет максимальную магнитную энергию W_max. Наибольшая энергия, отдаваемая магнитом, получается тогда, когда для данной формы магнита подобран материал, имеющий максимальное значение произведения ВН. В этом случае остаточная индукция магнита В_d в сильной степени зависит от формы размагничивающей части кривой B(Н) и размагничивающего фактора N, определяемого геометрическими соотношениями магнита и воздушного зазора. Истинное значение напряженности поля определяется соотношением где Н_в - внешнее поле; H_i - поле внутри материала, а магнитной индукции - соответственно.

Н_i = Н_е - NM

В = m_o(H_e + М - NM)

Для оценки стабильности постоянных магнитов пользуются понятием относительной проницаемости возврата m_воэв, которая является мерой чувствительности магнитотвердого материала к воздействию внешних магнитных полей (рис.) и определяется из выражения.

Все перечисленные параметры могут быть определены из статической петли гистерезиса, полученной при относительно медленном изменении внешнего магнитного поля.

Кривая размагничивания и зависимость энергии магнитного материала от напряженности поля

Если же время установления напряженности поля соизмеримо со временем перемагничивания материала, то магнитные параметры определяются динамическими характеристиками (петлями гистерезиса), на характер которых влияют такие факторы, как вихревые токи, магнитная вязкость. Основными характеристиками являются: динамическая кривая намагничивания зависимость максимального значения индукции от максимального значения напряженности поля для семейства симметричных динамических петель гистерезиса; динамическая магнитная проницаемость m_r_а (часто называемая амплитудной) - отношение индукции к напряженности поля на динамической кривой намагничивания. Чаще всего амплитудная проницаемость определяется соотношением, В_m_ах и Н_max - соответственно максимальные значения магнитной индукции и напряженности поля.

Для многих материалов в качестве справочных характеристик приводят удельные потери мощности на частотах 50, 400 Гц при различных значениях индукции (например, r_1,0/₅₀ - потери на частоте 50 Гц при индукции, равной 1 Тл); значение тангенса угла потерь.

Так, например, в железо-никелевых сплавах различная доля присадки никеля ведет к изменению намагниченности насыщения, равному 75 % насыщения чистого железа (рис.). Изменяются также температура Кюри q, константы магнитострикции и анизотропии, магнитная проницаемость, остаточная индукция, коэрцитивная сила, потери на гистерезис. Это открывает большие возможности для получения материалов с требуемыми свойствами.

Зависимость намагниченности насыщения и точки Кюри от содержания присадок никеля в железо-никелевых сплавах.

Контрольные вопросы:

1. Области применение магнитных материалов в электротехнике.

2. Характеристики магнито- мягких материалов.

3. Способы уменьшения потерь.

Тема 5.2 Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Ассортимент трансформаторных сталей.

Для получения магнитных материалов с большими удельными электрическим сопротивлением и магнитной проницаемостью используют добавку к железу кремния, обезуглероживающего примеси железа. Это приводит к снижению потерь на вихревые токи при работе материала в переменных полях (рис.). Эту группу материалов составляют в основном марки электротехнической стали, в том числе и нелегированной.

Зависимость удельных потерь от индукции при различном содержании кремния

Марки нелегированной электротехнической стали расшифровываются по следующему принципу: первая цифра обозначает вид обработки (1 - горячекатаная; 2 - холоднокатаная); вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 - сталь нелегированная с заданным коэффициентом старения); третья цифра - нормируемый параметр (8 - коэрцитивная сила); четвертая и пятая цифры - значение нормируемого параметра в целых единицах < Н_с, А/м).

Большая прямоугольность гистерезисного цикла достигается использованием сплавов с кристаллической и магнитной текстурами, а повышение чувствительности к слабым магнитным полям - легированием пермаллоевых сплавов молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью.

Зависимость максимальной магнитной проницаемости пермаллоя от содержания никеля при термической обработке в магнитном поле.

При расшифровке пермаллоевых сплавов первая цифра обозначения указывает на содержание никеля, %, буква П обозначает прямоугольность петли гистерезиса, средние буквы указывают на наличие легирующих элементов (М - молибден, К - кобальт, X - хром и т. д.).

Большое распространение получил магнитодиэлектрики на основе порошка из сплава альсифер (85 % Fe; 9,5 % Si; 5,5 % Al).

Одним из классифицирующих критериев применимости материала для тех или иных целей является рабочий участок кривой перемагничивания на петле магнитного гистерезиса. На рис.

Области работы основных групп магнитных материалов: а - материалы для работы а широком диапазоне изменения индукции; б - материалы для работы в слабых полях; в - материалы для магнитопроводов релейных и импульсных устройств; г - материалы для запоминающих устройств и магнитных усилителей; д - материалы для постоянных магнитов. В вычислительной технике большое распространение приобретает способ запоминания информации на магнитных элементах. Для обеспечения надежности записи и воспроизведения информации требуются материалы с высокой намагниченностью.

Ассортимент магнитных материалов, работающих на начальном участке технической кривой намагничивания, не ограничивается листовой электротехнической сталью. Широкое распространение получил здесь высоконикелевый пермаллой марок 79НМ, 80НХС, 76НХД, 77НДМ, содержащий соответственно 79, 80, 76 и 77 % никеля, легированный молибденом, ванадием, вольфрамом, хромом и медью.

В ряде устройств, например в магнитных усилителях, бесконтактных реле, коммутационных дросселях, элементах вычислительной техники, требуются материалы с очень узким гистерезисным циклом (50НП, 47НМП, 65НП, 68НМП, 37НКДП, 34НКМП) .

Значительно позже металлических материалов появились ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса марок 0.9ВТ; 1.3ВТ; 1.5ВТ; 1,75ВТ; 2ВТ (число в начале обозначения соответствует коэрцитивной силе в эрстедах).

Большое распространение для изготовления импульсных и широкополосных трансформаторов получили ферриты марок 1500НМ1, 1000НМЗ, 1100НМИ, 1000ННИ, 350ННИ, ЗООННИ и сплавы типов 79НЗМ и 68НМ, обладающие высокими значениями проницаемости и приращений индукции при однополярном намагничивании и 50НХС.

Внедрение новых материалов в значительной степени определяет научно-технический прогресс. Именно с применением аморфных магнитомягких сплавов (АММС) связывают будущее магнитных компонентов и различных устройств электротехники и электроники.

К основным несовершенствам АММС относится недостаточная термическая и временная стабильность, связанная с возможным спонтанным развитием кристаллизации сплавов. Кроме того, индукция насыщения и температура Кюри у аморфных сплавов АММС, как правило, ниже, чем у кристаллических, что связано с наличием в составах АММС так называемых амортизаторов - немагнитных металлов и металлоидов типа В, Si, P, С и др. Так как аморфная структура является термодинамически неравновесной, то она в большей степени, чем кристаллическая, чувствительна к таким внешним воздействиям, как температура, давление, механические деформации.

В зависимости от химического состава АММС разделяют на три группы:

сплавы на основе железа (аморфные стали);

железоникелевые сплавы;

железокобальтовые сплавы.

Кроме того, АММС часто подразделяют на материалы с высокой магнитной индукцией (как правило, аморфные стали) и материалы с высокой магнитной проницаемостью.

К сплавам на основе железа относятся аморфная сталь марок 7421, 7411, сплавы 2НСР и 2ХСР. Эти сплавы разрабатывались для серийного выпуска трансформаторов средней мощности промышленной и повышенной частоты. Они отличаются высокими значениями Bs и низкими удельными потерями Р по сравнению с кристаллической электротехнической сталью. Железоникелевые сплавы марок 10НСР, АМАГ 212, АМГ 225 обладают довольно высоким значением Bs, проницаемости и коэффициента прямоугольности, а также относительно малой Нс. Их свойства сравнимы со свойствами лучших марок пермаллоя типа 50 НП. Железокобальтовые сплавы - наиболее крупный подкласс АММС. В нем, в свою очередь, различают две подгруппы - сплавы с большим содержанием железа (24КСР, З0КСР, 9КСР, АМАГ 325), сплавы, близкие по свойствам к АММС из железоникелевых сплавов. Применяются в тех же целях и в том же диапазоне частот, что и железоникелевые сплавы. Железокобальтовые АММС с большим содержанием кобальта (71КНСР, 84КСР, 84КХСР, 86КГСР, 82К2ХСР. 823ХСР. АМАГ 176, АМАГ 183).

Контрольные вопросы:

1.Классификация магнитомягких материалов.

2. Электромеханические горячекатаные стали, их состав и магнитные характеристики.

3. Текстурованные электротехнические стали.

Основная и дополнительная литература, документы правительства, научные статьи, справочные материалы, методические указания и рекомандации и др.

	Наименование	Издательство	Год
1.	Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы.	М.Машиностроение,	1988
2.	Филикова В.А. Конструкционные и электротехнические материалы.	М. Высшая школа,	1991
3.	Никулин Н.В. Электроматериаловедения	М.Машиностроение,	1988
4.	Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев Электротехнические материалы	Энергия	1985
5.	Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев Электротехнические материалы	Энергия	1990
6.	Филикова В.А. Конструкционные и электротехнические материалы	М. Высшая школа,	1990
7.	Справочник под редакцией Березина Б. Электротехнические материалы	М. Энергоатомиздат	1991

Скачано с www.znanio.ru

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ЮЖНО –

Программой предмета «Электротехнические материалы» предусматривается изучение свойств, областей применения, способов получения конструкционных и электротехнических материалов, применяемых в электротехнических устройствах

Цели и задачи изучения предмета

Место дисциплины в учебном процессе

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми

Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т

Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл

Физические свойства некоторых металлов

Плотность и удельный вес имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления различных изделий

Детали точных приборов и измерительных инструментов изготавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают…

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными

С u - Ni ). Рисунок 4 -

Самый тугоплавкий металл — вольфрам

В зависимости от содержания углерода эти славы делятся на стали и чугуны

Феррит (Ф) Fe α (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо

Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке

Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеродистых сплавов

Предельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и продукты из черных металлов, полученных путем прямого восстановления (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами…

Классификация сталей По химическому составу : - углеродистые: • малоуглеродистые - менее 0,3%

Углеродистые стали Углеродистая сталь – сплав в который кроме железа и углерода (до 2%) входят также кремний, марганец, сера и фосфор

Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами:

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках - вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки

Так же разработаны более прочные керамические материалы, в частности марки

Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование

Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита:

Марки серого чугуна обозначаются буквами

Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления

Чугун, получаемый таким образом, является жидким передельным чугуном

Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии

По способу производства : - мартеновские; - конверторные; - электростали

Тема 1.3 Основы термической и химико-термической обработки металлов

Нормализация - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до определённой температуры , выдержке и охлаждении на спокойном воздухе

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 o

Цинкование (Zn), алюминирование (А1), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости

Контрольные вопросы: 1.

Наибольшее распространение в технике получили черные металлы

РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды), применяемые в качестве присадок к сплавам других элементов; ж) щелочноземельные (натрий, калий, литий), не находящие применения в свободном состоянии…

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными

Водород вызывает хрупкость, образуя микротрещины

Свойства медных сплавов

Бронзы - это сплавы меди с различными химическими элементами (оловом, алюминием, кремнием, кадмием, бериллием и т

Контрольные вопросы: 1.

Медь Медь (не более 4,7·10 -3 % массы земной коры) – мягкий материал красноватого оттенка, удельное сопротивление при 20 ºС – 1,7·10 -8

Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.

08.02.2019

Методическая указания по Электротехническим материалам

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ЮЖНО –

Цели и задачи изучения предмета

Место дисциплины в учебном процессе

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми

Количество протонов рав­но количеству окружающих ядро электронов, т

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл

Физические свойства некоторых металлов

Плотность и удельный вес имеют большое значение при вы­боре металлических материалов для изготовления различных из­делий

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жид­ком состоянии

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространен­ными

С u - Ni ). Рисунок 4 -

Самый тугоплавкий металл — вольфрам

В зависимости от содержания углерода эти славы делятся на стали и чугуны

Феррит (Ф) Fe α (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо

Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке

Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеро­дистых сплавов

Классификация сталей По химическому составу : - углеродистые: • малоуглеродистые - менее 0,3%

Углеродистые стали Углеродистая сталь – сплав в который кроме железа и углерода (до 2%) входят также кремний, марганец, сера и фосфор

Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами:

Так же разработаны более прочные керамические материалы, в частности марки

Как правило, лучшие свойства обеспечивает ком­плексное легирование

Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита:

Марки серого чугуна обозначаются буквами

Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления

Чугун, получаемый таким образом, является жидким передельным чугуном

По способу производства : - мартеновские; - конверторные; - электростали

Тема 1.3 Основы термической и химико-термической обработки металлов

Нормализация - вид термической обработки стали, за­ключающийся в нагреве до определённой температуры , вы­держке и охлаждении на спокойном воздухе

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 o

Контрольные вопросы: 1.

Наибольшее распространение в технике получили черные ме­таллы

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространен­ными

Водород вызывает хрупкость, образуя микротрещины

Свойства медных сплавов

Бронзы - это сплавы меди с различными химическими элементами (оловом, алюминием, кремнием, кадмием, бериллием и т

Контрольные вопросы: 1.

Медь Медь (не более 4,7·10 -3 % массы земной коры) – мягкий материал красноватого оттенка, удельное сопротивление при 20 ºС – 1,7·10 -8

Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т

Плотность и удельный вес имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления различных изделий

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными

Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеродистых сплавов

Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование

Нормализация - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до определённой температуры , выдержке и охлаждении на спокойном воздухе

Наибольшее распространение в технике получили черные металлы

Сплавы — твердые растворы являются самыми распространенными