Какие материалы относятся к электротехническим. Конспект лекций. Слюдинитовые электроизоляционные материалы

Лекция 1

Введение. Предмет и содержание курса. Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения. Роль электротехнических материалов в развитии энергетики.

Каждый специалист, работающий в области электро- и радиотехники должен знать перечень основных электрических, магнитных, механических и др. характеристик , которыми обладают материалы диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые, магнитные и конструкционные. При изготовлении и ремонте радио и электротехнического оборудования необходимы детали и узлы, выполненные из материалов определенных классов и обладающие конкретными электрическими и магнитными характеристиками, а для несущих деталей – и механическими характеристиками. Зная для каждого класса материалов перечень этих характеристик, необходимо знать единицы их измерения и порядок величины, а также то, как (и почему) эти характеристики изменяются под действием температуры, величины и частоты напряжения, механической нагрузки и т.д.

Хочу вас обрадовать, определенный запас знаний по данному курсу у вас уже имеется. Так, например, покупая одежду, обувь и другие товары, вы выбираете их, руководствуясь не только формой, размером и условиями эксплуатации (зимой или летом, в дождливую или влажную погоду и т.д.), но и характеристиками материалов, из которого они изготовлены, - цветом, теплопроводностью, стойкостью к воде, солнечному свету и т.д.

Материаловедение – наука, занимающая изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение – раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

В настоящем курсе «Материаловедение», ч. II будут рассмотрены:

ü Строение и свойства металлических и неметаллических электротехнических материалов;

ü Мы подробно рассмотрим особенности поляризации, электропроводности, диэлектрических потерь и пробоя диэлектриков, изучим процесс электрического старения изоляции;

ü Будут изучены новые электротехнические материалы: активные диэлектрики, проводники, сверхпроводники, применяемые в современных устройствах.

ü Будут рассмотрены физика явлений, имеющих место в диэлектриках, полупроводниках, проводниках и магнитных материалах, находящихся в электрическом или магнитном поле;

Для лучшего понимания изучаемого материала на лекционных занятиях будет использоваться мультипроектор, некоторая информация будет представлена в виде раздаточного материала.

На изучение курса предусмотрено 6 часов лекций и лабораторных занятий, 36 часов самостоятельной работы. По окончанию – зачет.

Для изучения курса вам понадобится следующая литература:

1. Н.П. Богородицкий. Электротехнические материалы: Учебник для вузов / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Л.: Энергоатомиздат., 1985.

2. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2007. - 535 с.: ил.

3. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: Учебник для вузов / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М.: Высш. шк., 2003.

4. Новиков Л.И. Методические указания к лабораторным занятиям № 1, 2, 3, 4: Методические указания / Л.И. Новиков. - Киров, изд. ВятГУ, 2007.

5. Новиков Л.И. Методические указания к лабораторным занятиям № 6: Методические указания / Л.И. Новиков. - Киров, изд. ВятГУ, 2007.

Роль материалов в развитии электро- и радиотехники

Современное электрооборудование представляет собой сложное устройство с большим количеством разнообразных деталей, для изготовления которых требуется широкий ассортимент различных электротехнических и конструкционных материалов с вполне определенными электрическими, механическими и химическими свойствами, которые зависят от их химического состава и строения, а также интенсивности внешнего энергетического воздействия (напряженности и частоты электрического поля, температуры, давления и т.п.). Без знания основных свойств ЭТМ, без понимания физических процессов, протекающих в ЭТМ при помещении их в электрическое или магнитное поле, без понимания связи этих процессов с химическим составом и строением материала нельзя спроектировать и изготовить электротехническую аппаратуру, невозможно грамотно ее эксплуатировать. Поэтому, главной задачей науки материаловедение является:

1. Изучение основных физических процессов, протекающих в материалах при воздействии на них электрического, магнитного или теплового полей и механического напряжения;

2. Изучение зависимости электрических, механических и других свойств материалов от их химического состава и строения;

3. Описание свойств и знакомство с материалами, наиболее часто применяемыми в производстве электрооборудования.

Классификация электротехнических материалов по свойствам и областям применения

Для начала отметим, что же такое материал.

Материал – это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.

Материалы различаются по:

1. Агрегатному состоянию:

a. Твердое;

b. Жидкое;

c. Газообразное;

d. Плазменное (состояние ионизированного газа, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов равны).

2. Выполняемым функциям . Функции, которые выполняют материалы разнообразны:

a. Обеспечение протекания тока – проводниковые материалы;

b. Сохранение определенной формы при механических нагрузках (КМ);

c. Обеспечение изоляции – диэлектрические материалы;

d. Превращение электрической энергии в тепловую – резистивные материалы.

Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Классификация веществ по электрическим свойствам:

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры на ЭТМ воздействуют электрическое и магнитное поля (в отдельности и совместно). ПО поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация ЭТМ по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел, сущность которой состоит в следующем.

Общеизвестно, что в подавляющем большинстве твердых тел электрический ток обусловлен движением электронов. Такие электроны называются электронами проводимости. Они появляются во внешних, удаленных от ядра областях атома. Эти области формируют в твердом теле валентные зоны. Чтобы возник электрический ток, электроны должны из валентной зоны взобраться выше по энергетической шкале и перейти в зону проводимости, преодолев при этом зону запрещенных значений энергии, или запрещенную зону. Если все три упомянутые зоны разместить по оси энергии, то зона с меньшей энергией будет валентной, далее идет запрещенная зона и потом зона с наибольшей энергией - зона проводимости.

Как валентная зона, так и зона проводимости представляют собой очень плотную упаковку из множества доступных для электронов дискретных уровней энергии - энергетических «изолиний». Эти уровни расположены так близко друг к другу, что практически сливаются в непрерывную полосу, которая и называется энергетической зоной. Напротив, в запрещенной зоне доступных для электрона энергетических уровней вообще нет, и электроны там находиться не могут. Итак, чтобы возник электрический ток, необходимо, чтобы электроны из валентной зоны перескочили через запрещенную зону и попали в зону проводимости.

Как известно из школьного курса физики, вещества, в зависимости от того, как они проводят электрический ток, можно разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. С точки зрения зонной теории металлы - это твердые тела, у которых запрещенная зона отсутствует, вместо нее наблюдается сильное перекрытие валентной и проводящей зон. Получается, что электронам в металле нет необходимости тратить энергию на преодоление запрещенной зоны, а потому под внешним воздействием - в электрическом поле - они легко переходят в зону проводимости. Отсюда легко понять, почему металлы - хорошие проводники.

В диэлектриках ширина запрещенной зоны значительно больше тепловой энергии электронов даже при комнатной температуре, а значит, подавляющее большинство потенциальных носителей тока не могут перепрыгнуть в зону проводимости - им не хватает энергии. Преодоление запрещенной зоны может произойти лишь при очень сильных полях (тогда наблюдается электрический пробой диэлектрика) или очень высоких температурах.

И наконец, если ширина запрещенной зоны сравнима с энергией теплового движения электронов, то мы имеем полупроводник. Повышение температуры экспоненциальным образом увеличивает количество электронов, прыгающих через запрещенную зону в зону проводимости.

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам . Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относятся вещества с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 -5 Ом×м. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1 В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относятся к диэлектрикам . Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление и обладают способностью препятствовать прохождению тока. К диэлектрическим материалам относятся вещества с удельным электрическим сопротив­лением р > 107 Ом м. Благодаря высокому удельному электриче­скому сопротивлению их используют в качестве электроизоляци­онных материалов.

Если значение запрещенной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой прово­димостью относятся к полупроводникам . Удельное электрическое сопротивление полупроводников составляет 10 -6 ... 10 9 Ом×м. Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов - диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза - диэ­лектрик, а в модификации графита - проводник.

Диэлектрик обладает способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются:

1. Пассивные диэлектрики. Применяются:

a. Для создание электрической изоляции токопроводящих частей. Они препятствуют прохождение тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными.

b. В конденсаторах для создания определенной электрической емкости.

2. Активные диэлектрики. Применяются для изготовления активных элементов электрических схем. Служат для генерации, усиления, преобразования электрического сигнала.

Полупроводник по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п.

Проводники подразделяются на 4 подкласса:

1. Материалы высокой проводимости. Используются там, где необходимо, чтобы ток протекал с минимальными потерями. К таким материалам относят металлы: Cu, Al, Fe, Ag, Au, Pt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели, токопроводящие части электроустановок.

2. Сверхпроводники – материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Т кр сопротивление электрическому току становится равным 0.

3. Криопроводники – это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкости азота – 195 о С).

4. Проводниковые материалы высокого сопротивления – металлические сплавы, образующие твердые растворы.

Магнитные – материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. К ним относят ферромагнетики и ферриты. Собственное магнитное поле в сотни и тысячи раз больше, чем вызывающее его внешнее магнитное поле. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Fe, Co, Ni.

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке - отжигу без доступа кислорода.

Электроизоляционные материалы

Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления - величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость - величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости - величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь - величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность - величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число - это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость - это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной 5-250 мкм, а ленты - 0,2-3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20-100 мкм и шириной 8-250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30-200 мкм, а ширина 230-1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5-40 мкм и шириной 10-200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки.

Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25-100 мкм и шириной 50-650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила - 20-200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабопластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм.

Электроизоляционные лаки и эмали

Лаки - это растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел, эфиров целлюлозы или композиций этих материалов в органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. По своему назначению электроизоляционные лаки делят на пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью закрепления их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. Покровные лаки позволяют создать защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначаются для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями с целью получения слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микалента и др.).

Эмали представляют собой лаки с введенными в них пигментами - неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик и др.). Пигменты вводятся с целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дутостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали относятся к покровным материалам.

По способу сушки различают лаки и эмали горячей (печной) и холодной (воздушной) сушки. Первые требуют для своего отверждения высокой температуры - от 80 до 200° С, а вторые высыхают при комнатной температуре. Лаки и эмали горячей сушки, как правило, обладают более высокими диэлектрическими, механическими и другими свойствами. С целью улучшения характеристик лаков и эмалей воздушной сушки, а также для ускорения отверждения их сушку иногда производят при повышенных температурах - от 40 до 80° С.

Основные группы лаков имеют следующие особенности. Масляные лаки образуют после высыхания гибкие эластичные пленки желтого цвета, стойкие к влаге и к нагретому минеральному маслу. По нагревостойкости пленки этих лаков относятся к классу А. В масляных лаках используют дефицитные льняное и тунговое масла, поэтому они заменяются лаками на синтетических смолах, более стойкими к тепловому старению.

Масляно-битумные лаки образуют гибкие пленки черного цвета, стойкие к влаге, но легко растворяющиеся в минеральных маслах (трансформаторное и смазочное). По нагревостойкости эти лаки относятся к классу А (105° С). Глифталевые и масляно-глифталевые лаки и эмали отличаются хорошей клеящей способностью по отношению к слюде, бумагам, тканям и пластмассам. Пленки этих лаков обладают повышенной нагревостойкостью (класс В). Они устойчивы к нагретому минеральному маслу, но требуют горячей сушки при температурах 120-130° С. Чисто глифталевые лаки на основе немодифицированных глифталевых смол образуют твердые негибкие пленки, применяемые в производстве твердой слюдяной изоляции (твердые миканиты). Масляно-глифталевые лаки после высыхания дают гибкие эластичные пленки желтого цвета.

Кремнийорганические лаки и эмали отличаются высокой нагревостойкостью и могут длительно работать при 180-200° С, поэтому они применяются в сочетании со стекловолокнистой и слюдяной изоляцией. Кроме этого, пленки обладают высокой влагостойкостью и стойкостью к электрическим искрам.

Лаки и эмали на основе полихлорвиниловых и перхлорвиниловых смол отличаются стойкостью к воде, нагретым маслам, кислым и щелочным химическим реагентам, поэтому они применяются в качестве покровных лаков и эмалей для защиты обмоток, а также металлических деталей от коррозии. Следует обратить внимание на слабое прилипание полихлорвиниловых и перхлорвиниловых лаков и эмалей к металлам. Последние вначале покрывают слоем грунта, а затем лаком или эмалью на основе полихлорвиниловых смол. Сушка этих лаков и эмалей производится при 20, а также при 50-60° С. К недостаткам такого рода покрытий относится их невысокая рабочая температура, составляющая 60-70° С.

Лаки и эмали на основе эпоксидных смол отличаются высокой клеящей способностью и несколько повышенной нагревостойкостью (до 130° С). Лаки на основе алкидных и фенольных смол (фенолоалкидные лаки) имеют хорошую высыхаемость в толстых слоях и образуют эластичные пленки, могущие длительно работать при температурах 120-130° С. Пленки этих лаков обладают влаго- и маслостойкостью.

Водно-эмульсионные лаки - это устойчивые эмульсии лаковых основ в водопроводной воде. Лаковые основы производят из синтетических смол, а также из высыхающих масел и их смесей. Водно-эмульсионные лаки пожаро- и взрывобезопасны, потому что в их составе нет легковоспламеняющихся органических растворителей. Из-за малой вязкости такие лаки имеют хорошую пропитывающую способность. Их применяют для пропитки неподвижных и подвижных обмоток электрических машин и аппаратов, длительно работающих при температурах до 105° С.

Электроизоляционные компаунды

Компаунды представляют собой изоляционные составы, которые в момент использования бывают жидкими, а затем отвердевают. Компаунды не имеют в своем составе растворителей. По своему назначению данные составы делятся на пропиточные и заливочные. Первые из них применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые - для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электромашинах и приборах с целью герметизации.

Компаунды бывают термореактивными (не размягчающимися после отвердевания) и термопластичными (размягчающимися при последующих нагревах). К термореактивным можно отнести компаунды на основе эпоксидных, полиэфирных и некоторых других смол. К термопластичным относятся компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков и термопластичных полимеров (полистирол, полиизобутилен и др.). Пропиточные и заливочные компаунды на основе битумов по нагревостойкости относятся к классу А (105° С), а некоторые к классу Y (до 90° С). Наибольшей нагревостойкостыо обладают компаунды эпоксидные и кремнийорганические.

Компаунды МБК изготовляют на основе метакриловых эфиров и применяют как пропиточные и заливочные. Они после отвердевания при 70-100° С (а со специальными отвердителями при 20° С) являются термореактивными веществами, которые могут использоваться в интервале температур от -55 до +105° С.

Непропитанные волокнистые электроизоляционные материалы

К этой группе относятся листовые и рулонные материалы, состоящие из волокон органического и неорганического происхождения. Волокнистые материалы органического происхождения (бумага, картон, фибра и ткань) получают из растительных волокон древесины, хлопка и натурального шелка. Нормальная влажность электроизоляционных картонов, бумаги и фибры колеблется от 6 до 10%. Волокнистые органические материалы на основе синтетических волокон (капрон) обладают влажностью от 3 до 5%. Такая же примерно влажность наблюдается у материалов, получаемых на основе неорганических волокон (асбест, стекловолокно). Характерными особенностями неорганических волокнистых материалов являются их негорючесть и высокая нагревостойкость (класс С). Эти ценные свойства в большинстве случаев снижаются при пропитке этих материалов лаками.

Электроизоляционную бумагу изготавливают обычно из древесной целлюлозы. Наибольшую пористость имеет микалентная бумага, применяемая в производстве слюдяных лент. Электрокартон изготавливают из древесной целлюлозы или из смеси хлопчатобумажных волокон и волокон древесной (сульфатной) целлюлозы, взятых в различных соотношениях. Увеличение содержания хлопчатобумажных волокон снижает гигроскопичность и усадку картона. Электрокартон, предназначенный для работы в воздушной среде, имеет более плотную структуру по сравнению с картоном, предназначенным для работы в масле. Картон толщиной 0,1-0,8 мм выпускают в рулонах, а картон толщиной от 1 мм и выше - в листах различных размеров.

Фибра представляет собой монолитный материал, получаемый в результате прессования листов бумаги, предварительно обработанных нагретым раствором хлористого цинка и отмытых в воде. Фибра поддается всем видам механической обработки и формованию после размачивания ее заготовок в горячей воде.

Летероид - тонкая листовая и рулонная фибра, используемая для изготовления различного вида электроизоляционных прокладок, шайб и фасонных изделий.

Асбестовые бумаги, картоны и ленты изготавливаются из волокон хризотилового асбеста, обладающего наибольшей эластичностью и способностью скручиваться в нити. Все асбестовые материалы стойки к щелочам, но легко разрушаются кислотами.

Электроизоляционные стеклянные ленты и ткани производят из стеклянных нитей, получаемых из бесщелочных или малощелочных стекол. Преимущество стеклянных волокон перед растительными и асбестовыми состоит в их гладкой поверхности, понижающей поглощение влаги из воздуха. Нагревостойкость стеклянных тканей и лент выше асбестовых.

Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани)

Лакированные ткани представляют собой гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким-либо электроизоляционным составом. Пропиточный лак или состав после отвердевания образует гибкую пленку, которая обеспечивает хорошие электроизоляционные свойства лакоткани. В зависимости от тканевой основы лакоткани делятся на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклоткани).

В качестве пропиточных составов для лакотканей применяют масляные, масляно-битумные, эскапоновые и кремнийорганические лаки, а также кремнийорганические эмали, растворы кремнийорганических каучуков и др. Наибольшей растяжимостью и гибкостью обладают шелковые и капроновые лакоткани. Они могут работать при нагреве не выше 105° С (класс А). К этому же классу нагревостойкости относятся все хлопчатобумажные лакоткани.

Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппараты и приборы низкого напряжения. Лакоткани используют для гибкой витковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок.

Пластические массы

Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов. Исходными материалами для получения пластмассовых изделий являются прессовочные порошки и прессовочные материалы. По нагревостойкости пластмассы бывают термореактивные и термопластичные.

Слоистые электроизоляционные пластмассы

Слоистые пластмассы - материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции.

В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом.

Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги.

Асбестотекстолит представляет собой слоистую электроизоляционную пластмассу, получаемую горячим прессованием листов асбестовой ткани, предварительно пропитанных бакелитовой смолой. Его выпускают в виде фасонных изделий, а также в виде листов и плит толщиной от 6 до 60 мм. Асбогетинакс - слоистая пластмасса, получаемая горячим прессованием листов асбестовой бумаги, содержащей 20% сульфатной целлюлозы или асбестовой бумаги без целлюлозы, пропитанных эпоксидно-фенолоформальдегидным связующим.

Из рассмотренных слоистых электроизоляционных материалов наибольшей нагревостойкостью, лучшими электрическими и механическими характеристиками, повышенной влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени обладают стеклотекстолиты на кремнийорганических и эпоксидных связующих.

Намотанные электроизоляционные изделия

Намотанные электроизоляционные изделия представляют собой твердые трубки и цилиндры, изготовленные методом намотки на металлические круглые стержни каких-либо волокнистых материалов, предварительно пропитанных связующим веществом. В качестве волокнистых материалов применяют специальные сорта намоточных или пропиточных бумаг, а также хлопчатобумажные ткани и стеклоткани. Связующими веществами являются бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Намотанные электроизоляционные изделия вместе с металлическими стержнями, на которые они намотаны, сушат при высокой температуре. С целью гигроскопичности намотанных изделий их лакируют. Каждый слой лака сушат в печи. К намотанным изделиям можно отнести и сплошные текстолитовые стержни, потому что их тоже получают путем намотки заготовок из текстильного наполнителя, пропитанного бакелитовым лаком. После этого заготовки подвергают горячему прессованию в стальных пресс-формах. Намотанные электроизоляционные изделия применяют в трансформаторах с воздушной и масляной изоляцией, в воздушных и масляных выключателях, различных электроаппаратах и узлах электрооборудования.

Минеральные электроизоляционные материалы

К минеральным электроизоляционным материалам относятся горные породы: слюда, мрамор, шифер, талькохлорит и базальт. Также к этой группе относятся материалы, получаемые из портландцемента и асбеста (асбестоцемент и асбопласт). Вся эта группа неорганических диэлектриков отличается высокой стойкостью к электрической дуге и обладает достаточно высокими механическими характеристиками. Минеральные диэлектрики (кроме слюды и базальта) поддаются механической обработке, за исключением нарезания резьбы.

Электроизоляционные изделия из мрамора, шифера и талькохлорита получают в виде досок для панелей и электроизоляционных оснований для рубильников и переключателей низкого напряжения. Точно такие же изделия из плавленого базальта можно получить только методом литья в формы. Чтобы базальтовые изделия обладали необходимыми механическими и электрическими характеристиками, их подвергают термической обработке с целью образования в материале кристаллической фазы.

Электроизоляционные изделия из асбестоцемента и асбопласта представляют собой доски, основания, перегородки и дугогасительные камеры. Для изготовления такого рода изделий используют смесь, состоящую из портландцемента и асбестового волокна. Изделия из асбопласта получают холодным прессованием из массы, в которую добавлено 15% пластичного вещества (каолина или формовочной глины). Этим достигается большая текучесть исходной прессовочной массы, что позволяет получать из асбопласта электроизоляционные изделия сложного профиля.

Основным недостатком многих минеральных диэлектриков (за исключением слюды) является невысокий уровень их электрических характеристик, вызванный большим количеством имеющихся пор и наличием оксидов железа. Такое явление позволяет использовать минеральные диэлектрики только в устройствах низкого напряжения.

В большинстве случаев все минеральные диэлектрики, кроме слюды и базальта, перед применением пропитывают парафином, битумом, стиролом, бакелитовыми смолами и др. Наибольший эффект достигается при пропитке уже механически обработанных минеральных диэлектриков (панели, перегородки, камеры и др.).

Мрамор и изделия из него не переносят резких изменений температуры и растрескиваются. Шифер, базальт, талькохлорит, слюда и асбестоцемент более устойчивы к резким сменам температур.

Слюдяные электроизоляционные материалы

Данные материалы состоят из листочков слюды, склеенных при помощи какой-либо смолы или клеящего лака. К клееным слюдяным материалам относятся миканиты, микафолий и микаленты. Клееные слюдяные материалы используют в основном для изоляции обмоток электрических машин высокого напряжения (генераторы, электродвигатели), а также изоляции машин низкого напряжения и машин, работающих в тяжелых условиях.

Миканиты представляют собой твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щипаной слюды с помощью шеллачной, глифталевых, кремнийорганических и других смол или лаков на основе этих смол.

Основные виды миканитов - коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий. Коллекторный и прокладочный миканиты относятся к группе твердых миканитов, которые после клейки слюды подвергаются прессованию при повышенных удельных давлениях и нагреве. Эти миканиты обладают меньшей усадкой по толщине и большей плотностью. Формовочный и гибкий миканиты имеют более рыхлую структуру и меньшую плотность.

Коллекторный миканит - это твердый листовой материал, изготовляемый из листочков слюды, склеенных при помощи шеллачной или глифталевой смол или лаков на основе этих смол. Для обеспечения механической прочности при работе в коллекторах электрических машин в данные миканиты вводят не более 4% клеящего вещества.

Прокладочный миканит представляет собой твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной или глифталевой смол или лаков на их основе. После склеивания листы прокладочного миканита подвергают прессованию. В данном материале 75-95% слюды и 25-5% клеящего вещества.

Формовочный миканит - твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной, глифталевой или кремнийорганических смол или лаков на их основе. После склеивания листы формовочного миканита прессуют при температуре 140-150° С.

Гибкий миканит представляет собой листовой материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Он изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных масляно-битумным, масляно-глифталевым или кремнийорганическим лаком (без сиккатива), образующим гибкие пленки.

Отдельные виды гибкого миканита оклеивают с двух сторон микалентной бумагой для увеличения механической прочности. Гибкий стекломиканит - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Это разновидность гибкого миканита, отличается повышенной механической прочностью и повышенной устойчивостью к нагреву. Данный материал изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных друг с другом кремнийорганическими или масляно-глифталевыми лаками, образующими гибкие нагревостойкие пленки. Листы гибкого стекломиканита оклеиваются с двух или с одной стороны бесщелочной стеклотканью.

Микафолий - это рулонный или листовой электроизоляционный материал, формуемый в нагретом состоянии. Он состоит из одного или нескольких, чаще двух-трех, слоев листочков слюды, склеенных между собой и с полотном бумаги толщиной 0,05 мм, или со стеклотканью, или со стеклосеткой. В качестве клеящих лаков применяют шеллачный, глифталевый, полиэфирный или кремнийорганический.

Микалента представляет собой рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной или двух сторон тонкой микалентной бумагой, стеклотканью или стеклосеткой. В качестве клеящих лаков используют масляно-битумные, масляно-глифталевые, кремнийорганические и растворы каучуков.

Микашелк - рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микашелк представляет собой одну из разновидностей микаленты, но с повышенной механической прочностью на разрыв. Он состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной стороны полотном из натурального шелка, а с другой - микалентной бумагой. В качестве клеящих лаков использованы масляно-глифталевые или масляно-битумные лаки, образующие гибкие пленки.

Микаполотно - рулонный или листовой электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микаполотно состоит из нескольких слоев щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с двух сторон хлопчатобумажной тканью (перкаль) или микалентной бумагой с одной стороны и тканью - с другой.

Микалекс представляет собой слюдяную пластмассу, изготовляемую прессованием из смеси порошкообразной слюды и стекла. После прессования изделия подвергают термической обработке (сушке). Микалекс выпускают в виде пластин и стержней, а также в виде электроизоляционных изделий (панели, основания для переключателей, воздушных конденсаторов и пр.). При прессовании микалексовых изделий в них могут быть добавлены металлические части. Данные изделия поддаются всем видам механической обработки.

Слюдинитовые электроизоляционные материалы

При разработке природной слюды и при изготовлении электроизоляционных материалов на основе щипаной слюды остается большое количество отходов. Их утилизация дает возможность получить новые электроизоляционные материалы - слюдиниты. Такого рода материалы изготовляют из слюдинитовой бумаги, предварительно обработанной каким-либо клеящим составом (смолы, лаки). Из слюдяной бумаги путем склеивания с помощью клеящих лаков или смол и последующего горячего прессования получают твердые или гибкие слюдинитовые электроизоляционные материалы. Клеящие смолы могут быть введены непосредственно в жидкую слюдяную массу - слюдяную суспензию. Среди наиболее важных слюдинитовых материалов нужно сказать о следующих.

Слюдинит коллекторный - твердый листовой материал, калиброванный по толщине. Получается горячим прессованием листов слюдинитовой бумаги, обработанной шеллачным лаком. Коллекторный слюдинит выпускается в листах размером от 215 х 400 мм до 400 х 600 мм.

Слюдинит прокладочный - твердый листовой материал, получаемый горячим прессованием листов слюдинитовой бумаги, пропитанных клеящими лаками. Прокладочный слюдинит выпускается в листах размером 200 х 400 мм. Из него изготовляют твердые прокладки и шайбы для электрических машин и аппаратов с нормальным и повышенным перегревом.

Стеклослюдинит формовочный - твердый листовой материал в холодном состоянии и гибкий - в нагретом. Получается при склеивании слюдинитовой бумаги с подложками из стеклоткани. Формовочный нагревостойкий стеклослюдинит - твердый листовой материал, формуемый в нагретом состоянии. Его изготовляют путем склеивания листов слюдинитовой бумаги со стеклотканью при помощи нагревостойкого кремнийорганического лака. Он выпускается в листах размером 250 х 350 мм и более. Данный материал имеет повышенную механическую прочность при растяжении.

Слюдинит гибкий - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Его получают путем склеивания листов слюдинитовой бумаги с последующим горячим прессованием. В качестве связующего применяется полиэфирный или кремнийорганический лак. Большинство видов гибкого слюдинита оклеивается стеклотканью с одной или двух сторон. Стеклослюдинит гибкий (нагревостойкий) - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Производится в результате склеивания одного или нескольких листов слюдинитовой бумаги со стеклотканью или стеклосеткой при помощи кремнийорганических лаков. После склеивания материал подвергается горячему прессованию. Он оклеен стеклотканью с одной или двух сторон с целью повышения механической прочности.

Слюдинитофолий - рулонный или листовой материал, гибкий в нагретом состоянии, получаемый склеиванием одного или нескольких листов слюдинитовой бумаги с телефонной бумагой толщиной 0,05 мм, применяемой в качестве гибкой подложки. Область применения этого материала та же, что и микафолия на основе щипаной слюды. Слюдинитофолий выпускается в рулонах шириной 320-400 мм.

Слюдинитовая лента - рулонный нагревостойкий материал, гибкий при комнатной температуре, состоящий из слюдинитовой бумаги, оклеенной с одной или обеих сторон стеклосеткой или стеклотканью. Слюдинитовые ленты выпускают преимущественно в роликах шириной 15, 20, 23, 25, 30 и 35 мм, реже - в рулонах.

Стеклобумослюдинитовая лента - рулонный, гибкий в холодном состоянии материал, состоящий из слюдинитовой бумаги, стеклосетки и микалентной бумаги, склеенных и пропитанных эпоксидно-полиэфирным лаком. С поверхности ленту покрывают липким слоем компаунда. Выпускают ее в роликах шириной 15, 20, 23, 30, 35 мм.

Стеклослюдинитоэлектрокартон - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Он получается в результате склеивания слюдинитовой бумаги, электрокартона и стеклоткани при помощи лака. Выпускается в листах размером 500 х 650 мм.

Слюдопластовые электроизоляционные материалы

Все слюдопластовые материалы изготовляются путем склеивания и прессования листов слюдопластовой бумаги. Последнюю получают из непромышленных отходов слюды в результате механического дробления частиц упругой волной. По сравнению со слюдинитами слюдопластовые материалы обладают большей механической прочностью, но менее однородны, т. к. состоят из частиц большей величины, чем слюдиниты. Важнейшими слюдопластовыми электроизоляционными материалами являются следующие.

Слюдопласт коллекторный - твердый листовой материал, калиброванный по толщине. Получается горячим прессованием листов слюдопластовой бумаги, предварительно покрытых слоем клеящего состава. Выпускается в листах размером 215 х 465 мм.

Слюдопласт прокладочный - твердый листовой материал, изготавливаемый горячим прессованием листов слюдопластовой бумаги, покрытых слоем связующего вещества. Выпускается в листах размером 520 х 850 мм.

Слюдопласт формовочный - прессованный листовой материал, твердый в холодном состоянии и способный формоваться в нагретом. Выпускается в листах размером от 200 х 400 мм до 520 х 820 мм.

Слюдопласт гибкий - прессованный листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Выпускается в листах размером от 200 х 400 мм до 520 х 820 мм. Стеклослюдопласт гибкий - прессованный листовой материал, гибкий при комнатной температуре, состоящий из нескольких слоев слюдопластовой бумаги, оклеенных с одной стороны стеклотканью, а с другой - стеклосеткой или с обеих сторон стеклосеткой. Выпускается в листах размером от 250 х 500 мм до 500 х 850 мм.

Слюдопластофолий - рулонный или листовой материал, гибкий и формуемый в нагретом состоянии, получаемый склеиванием нескольких листов слюдопластовой бумаги и оклеенный с одной стороны телефонной бумагой или без нее.

Слюдопластолента - гибкий при комнатной температуре рулонный материал, состоящий из слюдопластовой бумаги, оклеенной микалентной бумагой с обеих сторон. Этот материал выпускается в роликах шириной 12, 15, 17, 24, 30 и 34 мм.

Стеклослюдопластолента нагревостойкая - гибкий при комнатной температуре материал, состоящий из одного слоя слюдопластовой бумаги, оклеенной с одной или с двух сторон стеклотканью или стеклосеткой с помощью кремнийорганического лака. Материал выпускается в роликах шириной 15, 20, 25, 30 и 35 мм.

Электрокерамические материалы и стекла

Электрокерамические материалы представляют собой искусственные твердые тела, получаемые в результате термической обработки (обжига) исходных керамических масс, состоящих из различных минералов (глины, талька и др.) и других веществ, взятых в определенном соотношении. Из керамических масс получают различные электрокерамические изделия: изоляторы, конденсаторы и др.

В процессе высокотемпературного обжига данных изделий между частицами исходных веществ происходят сложные физико-химические процессы с образованием новых веществ кристаллического и стеклообразного строения.

Электрокерамические материалы делят на 3 группы: материалы, из которых изготовляют изоляторы (изоляторная керамика), материалы, из которых изготовляют конденсаторы (конденсаторная керамика), и сегнетокерамические материалы, обладающие аномально большими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэффектом. Последние получили применение в радиотехнике. Все электрокерамические материалы отличаются высокой нагревостойкостыо, атмосферостойкостью, стойкостью к электрическим искрам и дугам и обладают хорошими электроизоляционными свойствами и достаточно высокой механической прочностью.

Наряду с электрокерамическими материалами, многие типы изоляторов изготовляют из стекла. Для производства изоляторов применяют малощелочное и щелочное стекла. Большинство типов изоляторов высокого напряжения изготовляют из закаленного стекла. Закаленные стеклянные изоляторы по своей механической прочности превосходят фарфоровые изоляторы.

Магнитные материалы

Величины, с помощью которых оцениваются магнитные свойства материалов, называются магнитными характеристиками. К ним относятся: абсолютная магнитная проницаемость, относительная магнитная проницаемость, температурный коэффициент магнитной проницаемости, максимальная энергия магнитного поля и пр. Все магнитные материалы делятся на две основные группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы отличаются малыми потерями на гистерезис (магнитный гистерезис - отставание намагниченности тела от внешнего намагничивающего поля). Они имеют относительно большие значения магнитной проницаемости, малую коэрцитивную силу и относительно большую индукцию насыщения. Данные материалы применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппаратов, магнитных экранов и прочих устройств, где требуется намагничивание с малыми потерями энергии.

Магнитно-твердые материалы отличаются большими потерями на гистерезис, т. е. обладают большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Эти материалы, будучи намагниченными, могут длительное время сохранять полученную магнитную энергию, т. е. становятся источниками постоянного магнитного поля. Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов.

Согласно своей основе, магнитные материалы подразделяются на металлические, неметаллические и магнитодиэлектрики. К металлическим магнитно-мягким материалам относятся: чистое (электролитическое) железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллой (железо-никелевые сплавы) и др. К металлическим магнитно-твердым материалам относятся: легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия и никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний и пр.). К неметаллическим магнитным материалам относятся ферриты. Это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов и окиси железа. Отпрессованные ферритовые изделия (сердечники, кольца и др.) подвергают обжигу при температуре 1300-1500° С. Ферриты бывают магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитодиэлектрики - это композиционные материалы, состоящие из 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного объемного сопротивления, что резко снижает потери на вихревые токи. Это позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот. Кроме этого, ферриты обладают стабильностью своих магнитных характеристик в широком диапазоне частот.

Электротехническая листовая сталь

Электротехническая сталь является магнитно-мягким материалом. Для улучшения магнитных характеристик в нее добавляют кремний, который повышает величину удельного сопротивления стали, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Такая сталь выпускается в виде листов толщиной 0,1; 0,2; 0,35; 0,5; 1,0 мм, шириной от 240 до 1000 мм и длиной от 720 до 2000 мм.

Пермаллои

Данные материалы представляют собой железо-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80%. Для улучшения тех или иных характеристик пермаллоев в их состав добавляют хром, молибден, медь и др. Характерными особенностями всех пермаллоев являются их легкая намагничиваемость в слабых магнитных полях и повышенные значения удельного электрического сопротивления.

Пермаллои - пластичные сплавы, легко прокатываемые в листы и ленты толщиной до 0,02 мм и менее. Благодаря повышенным значениям удельного сопротивления и стабильности магнитных характеристик пермаллои могут применяться до частот 200-500 кГц. Пермаллои очень чувствительны к деформациям, которые вызывают ухудшение их первоначальных магнитных характеристик. Восстановление первоначального уровня магнитных характеристик деформированных пермаллойных деталей достигается термической обработкой их по строго разработанному режиму.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы обладают большими значениями коэрцитивной силы и большой остаточной индукцией, а следовательно, большими значениями магнитной энергии. К магнитно-твердым материалам относятся:

• сплавы, закаливаемые на мартенсит (стали, легированные хромом, вольфрамом или кобальтом);
• железо-никель-алюминиевые нековкие сплавы дисперсионного твердения (альни, альнико и др.);
• ковкие сплавы на основе железа, кобальта и ванадия (виккалой) или на основе железа, кобальта, молибдена (комоль);
• сплавы с очень большой коэрцитивной силой на основе благородных металлов (платина - железо; серебро - марганец - алюминий и др.);
• металлокерамические нековкие материалы, получаемые прессованием порошкообразных компонентов с последующим обжигом отпрессованных изделий (магнитов);
• магнитно-твердые ферриты;
• металлопластические нековкие материалы, получаемые из прессовочных порошков, состоящих из частиц магнитно-твердого материала и связующего вещества (синтетическая смола);
• магнитоэластические материалы (магнитоэласты), состоящие из порошка магнито-твердого материала и эластичного связующего (каучук, резина).

Остаточная индукция у металлопластических и магнитоэластических магнитов на 20-30% меньше по сравнению с литыми магнитами из тех же магнито-твердых материалов (альни, альнико и др.).

Ферриты

Ферриты представляют собой неметаллические магнитные материалы, изготовленные из смеси специально подобранных окислов металлов с окисью железа. Название феррита определяется названием двухвалентного металла, окисел которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит окись цинка, то феррит называется цинковым; если в состав материала добавлена окись марганца - марганцевым.

В технике находят применение сложные (смешанные) ферриты, имеющие более высокие значения магнитных характеристик и большее удельное сопротивление по сравнению с простыми ферритами. Примерами сложных ферритов являются никель-цинковый, марганцево-цинковый и др.

Все ферриты - вещества поликристаллического строения, получаемые из окислов металлов в результате спекания порошков различных окислов при температурах 1100-1300° С. Ферриты могут обрабатываться только абразивным инструментом. Они являются магнитными полупроводниками. Это позволяет применять их в магнитных полях высокой частоты, т. к. потери у них на вихревые токи незначительны.

Полупроводниковые материалы и изделия

К полупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делят на 4 группы:

1. материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;
2. материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;
3. материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этой группе относятся соединения сурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомов второй и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;
4. полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

Согласно кристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы: монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.

Вторая группа материалов - это полупроводники, состоящие из множества небольших кристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводниками являются: селен, карбид кремния и пр.

По величине удельного объемного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Некоторые из них резко уменьшают электрическое сопротивление при воздействии на них высокого напряжения. Это явление нашло применение в вентильных разрядниках для защиты линий электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление под действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общим свойством для полупроводников является то, что они обладают электронной и дырочной проводимостью.

Электроугольные изделия (щетки для электрических машин)

К данного рода изделиям относятся щетки для электрических машин, электроды для дуговых печей, контактные детали и др. Электроугольные изделия изготовляют методом прессования из исходных порошкообразных масс с последующим обжигом.

Исходные порошкообразные массы составляют из смеси углеродистых материалов (графит, сажа, кокс, антрацит и пр.), связующих и пластифицирующих веществ (каменноугольные и синтетические смолы, пеки и пр.). В некоторых порошкообразных массах связующего нет.

Щетки для электрических машин бывают графитными, угольно-графитными, электрографитированными, металло-графитными. Графитные щетки изготовляют из натурального графита без связующего (мягкие сорта) и с применением связующего (твердые сорта). Графитные щетки отличаются мягкостью и при работе вызывают незначительный шум. Угольно-графитные щетки производят из графита с добавлением других углеродистых материалов (кокс, сажа), с введением связующих веществ. Полученные после термической обработки щетки покрывают тонким слоем меди (в электролитической ванне). Угольно-графитные щетки обладают повышенной механической прочностью, твердостью и малым износом при работе.

Электрографитированные щетки изготовляют из графита и других углеродистых материалов (кокс, сажа), с введением связующих веществ. После первого обжига щетки подвергают графитизации, т. е. отжигу при температуре 2500-2800° С. Электрографитированные щетки обладают повышенной механической прочностью, стойкостью к толчкообразному изменению нагрузки и применяются при больших окружных скоростях. Металло-графитные щетки производят из смеси порошков графита и меди. В некоторые из них вводят порошки свинца, олова или серебра. Эти щетки отличаются малыми значениями удельного сопротивления, допускают большие плотности тока и имеют малые переходные падения напряжения.

Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.

Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.

Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.

Наука о материалах

Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.

Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.

Электротехническое материаловедение - это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.

Проводники

К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.

К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ < 10 -5 , при этом отличным проводником является материал с показателем 10 -8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.

Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.

Диэлектрические материалы

В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.

Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.

Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.

К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:

• пироэлектрики;
• электролюминофоры;
• пьезоэлектрики;
• сегнетоэлектрики;
• электреты;
• материалы для излучателей в лазере.

Основные электротехнические материалы - диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.

Разделение диэлектриков

На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.

Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.

По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.

Свойства диэлектриков

По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:

• объемное удельное сопротивление;
• диэлектрическая проницаемость;
• поверхностное удельное сопротивление;
• коэффициент термической проницаемости;
• диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
• прочность материала под действием электричества.

Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.

Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.

Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.

Определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.

Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.

Электротехнические материалы характеризуются показателем который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.

Физические и химические показатели диэлектриков

В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.

Характеристика электротехнических материалов дополняется или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.

Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.

Магнитные материалы

Показатели оценки носят название магнитных характеристик:

• магнитная абсолютная проницаемость;
• магнитная относительная проницаемость;
• термический магнитный коэффициент проницаемости;
• энергия максимального магнитного поля.

Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо - армко, пермаллой, в листах, никелево-железные сплавы.

Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.

Магнитодиэлектрики

Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.

Область использования ферромагнетиков

Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.

Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.

Полупроводниковые материалы

Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.

Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:

1. Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
2. Материалы, содержащие в составе металлические окислы - медь, окись кадмия, цинка и др.
3. Материалы, объединенные в группу антимонид.
4. Материалы органики - нафталин, антрацен и др.

В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.

Композиционные материалы

Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.

Пленочные материалы

Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:

• пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
• полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
• полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
• фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.

Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.

Лаки и эмали для электрической изоляции

Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.

Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.

Компаунды для электрической изоляции

Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе "электротехнические материалы". Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.

Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.

Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы

Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.

Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.

Летероид

Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.

В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.

Тема №1

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехничес­кие материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления дета­лей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересую­щей нас области техники должны обладать вполне опреде­ленным набором свойств, благодаря которым они нахо­дят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических ма­териалов является набор их свойств по отношению к элек­тромагнитному полю. При взаимодействии с электромаг­нитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «элект­ротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) назы­ваются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ-элек­тропроводности- электротехнические материалы делят­ся на три группы: проводники, полупроводники и диэлект­рики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделя­ется на подгруппы по количественным параметрам, ха­рактеризующим их основные свойства. Это позволяет пред­ставить классификацию радиоматериалов в виде обобщен­ной схемы (рис. 1.1).

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, тех­нологические и другие характеристики отвечали опреде­ленным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МАТЕРИАЛОВ

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элемен­тов. Любое вещество (материал) состоит из огромного ко­личества электрически заряженных частиц - электронов и атомных ядер химических элементов, которые и опреде­ляют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств ма­териалов, позволяющие использовать часть макроскопи­ческих характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, об­разующих вещество, учитываются интегрально или авто­матически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере рас­пределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопос­тавляя между собой расположение атомов в структуре ве­щества, электронную конфигурацию этих атомов, тип хи­мической связи между ними, можно ответить на ряд важ­ных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничи­ванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются сила­ми электростатического взаимодействия между электро­нами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхожде­ния весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между ато­мами вещества предполагает, что полная энергия Е V п час­тиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е к и потенциальной U n Е V п = N (Е V k + U V n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в сво­бодном состоянии Е с п = N (Е с к + U c n). Разность этих энергий Е с п – Е V п = Е св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала опреде­ляются характером связи и количественным значением энергии связи Е св.

По характеру взаимодействия между частицами, состав­ляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

Ковалентная неполярная;

Ковалентная полярная, или гомеополярная;

Ионная, или гетерополярная;

Донорно-акцепторная;

Металлическая;

Межмолекулярная.

Ковалентная неполярная связь возникает при объеди­нении одноименных атомов в молекулы, например Н 2 , О 2 , Cl 2 , N 2 , алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обоб­ществление валентных электронов, что приводит к допол­нению внешней электронной оболочки до устойчивого со­стояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительно­го и отрицательного зарядов совпадают. В результате элек­трический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула - неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отлич­ный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по вели­чине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлек­триков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связь возникает при объединении разноимен­ных атомов, например Н 2 О, СН 4 , СН 3 С1, СС1 4 и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчиво­го состояния. Однако каждая связь имеет дипольный мо­мент. Тем не менее молекула в целом может быть нейт­ральной или полярной (рис. 1.2).

Соединения с гомеополярной связью могут быть ди­электриками (полимерные органические материалы) и по­лупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связь возникает при образо­вании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, на­пример NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраи­вая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов), В результате образуются два иона, между которыми действу­ют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэто­му вещества с ионной связью имеют сравнительно высо­кие механическую прочность, температуру плавления и ис­парения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связь по сути своей является раз­новидностью ионной связи и возникает при образовании ма­териала элементами различных групп таблицы Д.И. Мен­делеева, например соединения A III B V - GaAs и т.д.; соеди­нения A III B V - ZnS, CdTe и т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являю­щаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в ме­таллах и является следствием обобществления всех ва­лентных электронов, образующих электронный газ и ком­пенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Бла­годаря взаимодействию электронного газа и ионов возни­кает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связь характер­на для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низ­кие температуру плавления и механические характерис­тики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов свя­зи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергети­ческий спектр электронов атомов, составляющих вещество.

Материалы, используемые для изготовления любого по назначе­нию и степени сложности электрооборудования, можно разделить на две большие группы: электротехнические и конструкционные .

Электротехнические материалы (ЭТМ)применяют для произ­водства элементов (деталей), используемых для сборки электрон­ных схем и обеспечивающих прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, мо­дуляцию и т.п. Элементы, необходимые для осуществления этих операций (провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, ка­тушки индуктивности, магниты, трансформаторы, генераторы, дио­ды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы, электронные лампы, электромеханические преобразователи, вариконды, лазеры, запо­минающие устройства электронных вычислительных машин (ЭВМ) и т.п.), могут быть изготовлены толь­ко из ЭТМ определенного класса, имеющих вполне определенные физико-химические свойства – электрофизические, механические, химические. От присущих данному материалу свойств будут зави­сеть качество, надежность и безопасность работы данной детали и, следовательно, электроустановки в целом.

Конструкционные материалы (КМ) используют для изготовления несущих конструкций и вспомогательных деталей и узлов, например: стальных рельсов, опор, консолей контактной сети электрифици­рованных железных дорог, которые несут не только механические нагрузки, но и электрические; корпусов для электрооборудования, предохраняющих от механических нагрузок; шасси, на которых мон­тируется электросхема; шкал, органов управления и т.п.

При рассмотрении средней по сложности электрической схемы можно увидеть, что она состоит из элементов, изготовленных из че­тырех основных классов электротехнических материалов: диэлектри­ческих, полупроводниковых, проводниковых и магнитных.

По сво­ему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10 -8 – 10 -5 , 10 -6 – 10 8 ,10 7 – 10 17 Ом-м, а значения ширины за­прещенной зоны соответственно равны 0 – 0,05; 0,05 – 3 и более 3эВ. По сво­ему поведению в магнитном же поле ЭТМ подразделяются на два класса: магнитные (сильномагнит­ные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся ферро- и ферримагнетики, а ко вторым – диа-, пара- и антиферромаг­нетики.

Диэлектрические материалы обладают способностью поляризо­ваться под действием приложенного электрического поля и подраз­деляются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют:

1) для создания электрической изоляции токопроводящих час­тей – они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляци­онными;

2) в электрических конденсаторах – служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для из­готовления активных элементов (деталей) электрических схем. Де­тали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, моду­ляции, преобразования электрического сигнала.

К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кри­сталлы, электрооптические материалы и др.

Полупроводниковые материалы по величине удельной электро­проводности занимают промежуточное положение между диэлек­триками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электриче­ского поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса:

1) материалы высокой проводимости;

2) сверхпроводники и криопроводники;

3) материалы высокого (заданного) сопротивления;

4) контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходи­мо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Сu, А1, Fе, Аg, Аu, Рt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при темпера­турах ниже некоторой критической (Т кр ) сопротивление электрическо­му току становится равным нулю.

Криопроводники – это материалы высокой проводимости, рабо­тающие при криогенных температурах (температуре кипения жидко­го азота -195,6 о С).

Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивле­ния являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагреватель­ные элементы.

Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрыв­ные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти ма­териалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Сu, Аg, Аu, Рt и т.п.) и сплавы на их основе, с другой – тугоплавкие ме­таллы (W, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние хоть и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов.

К магнитным материалам , используемым в технике, относят фер­ромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высо­кие значения (до 1,5 . 106) и зависит от напряженности внешнего маг­нитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивно­сти, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т.п. Они способны сильно намаг­ничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют на­магниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наибо­лее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Fе, Со, Ni и их сплавы.

Конструкционные материалы – одна из самых многочисленных групп. В нее входят материалы металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, которые, в свою очередь, содержат десятки (и даже сотни) различных по составу, свойствам и назначению КМ. Наиболее широко используемыми в технике КМ являются такие ме­таллические сплавы, как углеродистые стали, легированные стали и чугуны.