13.3. Сверхпроводящая керамика

Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах содержащих вещества с переменной валентностью возможна сверхпроводимость, причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие из двух разных оксидов. Здесь не удалось найти сверхпроводимость. И только в тройных системах BaO-La₂O₃-CuO в 1986 г была обнаружена сверхпроводимость при температуре 30-35 К. За эту работу Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию в следующем, (!!) 1987 г. Интенсивные исследования родственных составов в течение года привели к обнаружению сверхпроводимости в системе BaO-Y₂O₃-CuO при температуре 90 К. На самом деле сверхпроводимость получена в еще более сложной системе, формулу которой можно представить как YBa₂Cu₃O_7-d. Значение d для самого высокотемпературного сверхпроводящего материала составляет 0.2. Это означает не только определенное процентное соотношение между исходными окислами, но и уменьшенное содержание кислорода. Действительно, если посчитать по валентностям, то у иттрия - 3, у бария - два, у меди 1 или 2. Тогда у металлов полная валентность составит 10 или 13, а у кислорода - чуть меньше 14. Значит в этой керамике избыток кислорода относительно стехиометрического соотношения.

Лекция 14 Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов

14.1. Природные факторы старения.

14.2. Техногенные факторы старения.

14.3. Коррозия металлов и композитов. Электрокоррозия. Защита от коррозии.

 

Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала, происходящие под действием внешних физических, химических и биологических факторов и вызывающие ухудшение электрических и механических показателей материала. 

Долговечность материалов в условиях эксплуатации определяется не только свойствами материалов, но и действием разнообразных факторов, вызывающих изменение характеристик материалов.

Основные факторы, изменяющие свойства материалов можно разделить на природные и техногенные факторы.

 

14.1. Природные факторы старения

Здесь можно выделить физические, химические, биологические факторы.

Физические факторы. В первую очередь, это изменение температуры. Дело в том, что при изменении температуры меняются многие характеристики. Впрочем, об этом уже говорилось в той лекции, когда вводили понятия температурных коэффициентов, показывающих изменение физических свойств материалов: Ткl, Ткr, Ткe и т.п.

Одну из главных ролей играет температурный коэффициент расширения Ткl. Ясно, что различные материалы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Поэтому они удлиняются по-разному при нагревании, а соответственно и сокращаются по-разному при охлаждении. Поскольку любое изделие состоит из частей, изготовленных из различных материалов, то само механическое сочленение материалов при изменении температуры вызывает появление механических напряжений в обоих материалах.

Другим важным фактором старения, также связанным с изменением температуры, является переход через нулевую температуру. При замерзании воды ее объем увеличивается, поэтому, если вода попала в какую-нибудь трещину в материале, она при превращении в лед начнет расширяться, что вызовет рост этой трещины. При таянии вода заполнит свежеобразованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины. Такой тип старения характерен для каменных материалов.

С температурой также связано старение трансформаторного масла. И это уже физико-химический фактор. При росте температуры резко (экспоненциально) растет скорость химических реакций, в том числе реакций окисления. Поэтому, если в кабеле или трансформаторе где-то начинается рост температуры, например за счет частичных разрядов, диэлектрических потерь или нагрева обмотки (например, при феррорезонансе), то активизируются процессы разложения масла, что приводит к ухудшению его диэлектрических характеристик.

Из других физических воздействий отметим действие ультрафиолета  и озона. Характеристиками светостойкостью и озоностойкостью должны обладать изоляторы, работающие на линиях электропередач. Актуально это только для полимерных изоляторов, т.к. фотоны света и активные молекулы озона могут приводить к деструкции полимера.

На долговечность линий электропередач сильное влияние оказывают ветровые нагрузки. Это и т.н. "пляска проводов", возникающая при порывах ветра, и "парусность" опор и проводов. Возникающие при этом механические нагрузки в опорах, растяжках, проводах могут привести к их деформации и разрушению.

Химические факторы старения заключаются в действии химических агентов на элементы электроустановок. Например, резины, используемые для герметизации, набухают во многих растворителях, в том числе бензине, трансформаторном масле. При набухании они вылезают из уплотнений, что приводит к разгерметизации. Частным случаем является воздействие влаги. Наиболее значительно влияние влаги на электрическую изоляцию, в особенности на жидкие диэлектрики и гидрофильные твердые диэлектрики (картон, бумага). Например, достаточно примерно 0.1% воды в трансформаторном масле, чтобы его электрическая прочность уменьшилась примерно в два раза. Соответственно, трансформатор, заполненный таким маслом, может выйти из строя при незначительных перенапряжениях, либо даже при рабочем напряжении. Влага уменьшает не только электрическую прочность, но и механическую прочность. Периодическое увлажнение и высушивание может привести к короблению изделий, расслоению, растрескиванию и т.д. , что характерно для бумажной изоляции и картона.

Биологические факторы старения - это в первую очередь действие грибков и микроорганизмов. Для большинства видов электротехнических изделий в нашей стране они не актуальны. По-видимому опасны они только для деревянных элементов установок, в первую очередь для деревянных опор линий электропередач. Грибки вызывают гниение дерева, потерю механической прочности, что чревато замыканиями при падении опор.

Вещество, при попадании в окружающую среду должно разлагаться, чтобы не происходило загрязнения природы. Этому условию отвечает обычное трансформаторное масло, а, например, хлордифенилы, или фторорганические вещества - не отвечают.

Возвращаясь к биологическим факторам. Стойкость твердых материалов против грибков наиболее актуальна для тропических условий, поэтому при поставке энергооборудования в тропические страны, необходимо выбирать наиболее стойкие материалы.