ОГЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений…………………………………………….. |
5 |
|
Введение………………………………………………………………......... |
6 |
|
1. Роль электротехнических материалов………………………………….. |
7 |
|
2.Классификация электротехнических материалов…………………….. 11
2.1.Классификация электротехнических материалов по поведению
в электрическом поле…………………………………………………. |
11 |
2.2. Классификация электротехнических материалов по поведению |
|
в магнитном поле……………………………....................................... |
14 |
2.3. Классификация электротехнических материалов по |
|
применению в технике…………………………................................... |
20 |
3. Основы строения вещества………………………………….................... |
32 |
3.1. Виды химических связей в молекулах………………………….. |
32 |
3.1.1. Ковалентная связь………………………………………… |
32 |
3.1.2. Ионная связь……………………………………………….. |
34 |
3.1.3. Металлическая связь…………………………………….. 36 |
|
3.1.4. Молекулярная связь………………………………………. |
37 |
3.1.5. Водородная связь………………………………………….. |
38 |
3.2. Элементы зонной теории твердого тела………………………… |
38 |
4. Диэлектрики………………………………………………………………. |
41 |
4.1. Общие сведения и классификация диэлектриков………………. |
41 |
4.2. Свойства диэлектриков…………………………………………… |
42 |
4.2.1. Поляризация………………………………………………. |
42 |
4.2.2. Электропроводность…………………………………......... |
47 |
4.2.3. Диэлектрические потери………………………………….. |
58 |
4.2.4. Пробой диэлектриков…………………………………….. |
65 |
4.3. Газообразные диэлектрики………………………………………. |
74 |
4.4.Жидкие диэлектрики……………………………………………. 76
4.4.1.Классификация и основные требования к жидким
диэлектрикам…………………………………………………….. |
76 |
4.4.2. Краткие сведения о некоторых промышленных жидких |
|
диэлектриках…………………………………………………….. 81 |
|
4.5. Твердые органические диэлектрики……………………………. |
84 |
3
4.6. Твердые неорганические диэлектрики…………………………. 94 |
|
4.6.1. Классификация неорганических диэлектриков………… |
94 |
4.6.2. Слюда……….……………………………………………… |
97 |
4.6.3. Стекла………………………………………………………. |
99 |
4.6.4. Ситаллы…………………………………………………….. |
107 |
4.6.5. Керамика…………………………………………………… |
108 |
4.7. Композиционные диэлектрические материалы………………… |
112 |
5. Проводники………………………………………………………………. |
116 |
5.1. Общие сведения и классификация проводников……………….. |
116 |
5.2. Свойства проводников…………………………………………… |
118 |
5.2.1. Электропроводность…………………………………......... |
118 |
5.2.2. Температурный коэффициент удельного электрического |
|
сопротивления…………………………………………………… |
122 |
5.2.3. Термоэлектродвижущая сила……………………………. 122 |
|
5.2.4. Температурный коэффициент расширения……………… |
123 |
5.2.5. Механические свойства…………………………………… |
125 |
5.2.6. Температура плавления…………………………………… |
125 |
5.2.7. Плотность………………………………………………….. |
126 |
5.3. Проводниковые материалы………………………………………. |
127 |
5.3.1. Проводники с высокой электропроводностью………….. |
127 |
5.3.2.Криопроводники………………………………………… 139
5.3.3.Классификация проводников различного назначения…. 141
5.3.4. Проводящие модификации углерода…………………….. |
158 |
6. Сверхпроводники………………………………………………………… |
169 |
6.1. Общие сведения о сверхпроводниках…………………………… |
169 |
6.2. Эффекты сверхпроводимости……………………………………. |
169 |
6.3. Сверхпроводниковые материалы……………………………….. |
175 |
6.3.1.Сверхпроводники первого рода…………………………. 176
6.3.2.Сверхпроводники второго рода…………………………. 176
6.3.3.Высокотемпературные сверхпроводники………………. 178 Библиографический список………………………………………………. 189
4
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ЭТМ — электротехнические материалы; РПТЗМ — радиопрозрачные теплозащитные материалы; ρ — удельное электрическое сопротивление;
Тс — критическая температура перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно; СП — сверхпроводник;
ВТСП — высокотемпературный сверхпроводник; относительная магнитная проницаемость; температура Кюри; дипольный момент;
тангенс угла диэлектрических потерь; остаточная намагниченность; напряженность электрического поля; электрическая индукция; абсолютная диэлектрическая проницаемость;
относительная диэлектрическая проницаемость; емкость конденсатора; энергия; электрический заряд;
частота электрического поля; концентрация носителей заряда; плотность тока; удельная электрическая проводимость;
ток абсорбции; сопротивление изоляции;
поверхностное сопротивление; объемное сопротивление; напряжение; активный ток; реактивный ток; мощность;
электрическая прочность диэлектрика; пробивное напряжение;
температурный коэффициент линейного расширения; температурный коэффициент объемного расширения.
5
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в современной науке и технике сопровождается интенсификацией производственных процессов, что находит свое выражение в ужесточении условий эксплуатации — растут температура, давление, напряженности электромагнитных полей, применяются различные виды ионизирующих излучений высокой энергии и другое. Одновременно с утяжелением эксплуатационных условий повышаются требования к надежности и ресурсу работы электротехнических устройств, что в значительной мере определяется надежностью и ресурсом их электрической изоляции, контактных соединений, проводниковых, полупроводниковых и магнитных элементов схемы.
В данном учебном пособии по электротехническим материалам особое внимание уделяется последним достижениям в области материаловедения (высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены, нанотрубки, композиционные диэлектрики, новые экспериментальные результаты, опубликованные в последнее время и др.), что позволит будущим бакалаврам и магистрам творчески решать на современном уровне комплексные задачи проектирования, создания различных электротехнических изделий и устройств с обеспечением их квалифицированной эксплуатации, разрабатывать новые электротехнические материалы.
Основная цель учебного пособия — закрепление у студентов, обучающихся по магистерской программе «140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и 140200 «Электроэнергетика» в рамках учебной программы «Электротехническое материаловедение», современных сведений по электротехническим материалам, их свойствам в эксплуатационных условиях.
6
1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Электротехническими материалами (ЭТМ) — называются ма-
териалы, обладающие специфическими свойствами по отношению к электромагнитному полю, и которые используются в технике с учетом этих свойств.
Современные технические достижения цивилизации, такие как электрические станции, радиоприемники, магнитофоны, телевизоры, мобильные телефоны, электротранспорт, полеты в космос и многое другое, были бы невозможными без электротехнических материалов.
Появление новых идей, конструкций и агрегатов ведет к разработке новых ЭТМ и, наоборот, появление новых ЭТМ стимулирует возникновение новых технических решений, усовершенствование старых конструкций, агрегатов и разработку новых.
С целью иллюстрации значимости ЭТМ ниже приводятся примеры их использования в различных сферах науки и техники, при этом внимание уделяется одной из задач, требующих решения.
Космонавтика. В данной области основной задачей является повышение рабочей температуры, так как при движении космических тел при входе в плотные слои атмосферы Земли из-за их трения о слои атмосферы возникает аэродинамический нагрев с температурой приблизительно равной 5000 – 10000 ° С. Максимальная температура плавления материала — это температура плавления углерода 3850 ° С. (Близка к этому значению температура плавление/разложения некоторых карбидов, таких как HfC, TaC, WC, NbC). Поэтому в шестидесятые годы ХХ века возникла задача создания радиопрозрачных теплозащитных материалов (РПТЗМ) для межконтинентальных баллистических ракет и космических аппаратов, в том числе управляемых,
7
позволяющих объекту вернуться на Землю без разрушений. Для разработки РПТЗМ использовались фундаментальные науки, такие как физика, теплофизика, аэродинамика, электродинамика, химия, механика. И проблема входа в плотные слои атмосферы Земли без разрушения искусственных космических аппаратов и баллистических межконтинентальных ракет была, как известно, успешно решена, в том числе за счет создания новых ЭТМ, к которым относятся РПТЗМ.
Радиоэлектроника. В данной области основной задачей является миниатюризация радиоэлектронных изделий (табл. 1.1), то есть уменьшение размеров, массы, потребления энергии и повышение надежности.
Таблица 1.1
Хронология развития радиоэлектронных изделий
|
Плотность |
|
Годы |
монтажа |
Изделие |
|
изделий в см3 |
|
|
|
|
До 1945 |
1 |
Радиолампа |
|
|
|
1950 |
2 |
Транзистор |
|
|
|
1990 |
меньше 106 |
Сверхбольшие интегральные схемы |
|
|
на основе микротехнологий (СБИС) |
2005 |
меньше 109 |
СБИС (предел современной микро- |
|
|
технологии) |
После 2015 |
меньше 109 |
Ультрабольшие интегральные схемы |
|
|
на основе нанотехнологий (УБИС) |
Электротехника. В данной области основной задачей является сокращение потерь электроэнергии, обусловленных, в первую очередь, наличием электрического сопротивления у проводников. Уменьшению потерь энергии, таким образом, будет способствовать применение сверхпроводников (СП) у которых при критической температуре перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и
8
обратно (Тс) удельное электрическое сопротивление (ρ) становится равным нулю. (По крайней мере, сейчас с учетом существующих прецизионных методов измерений для СП ρ меньше 10- 24 Ом·м при температуре ниже Тс). Критическая температура Тс вплоть до 1987 года составляла 23 К, что требовало использования в качестве хладагента дорогостоящего гелия для перевода материала в сверхпроводящее состояние. Это ограничивало сферу применения сверхпроводников. В конце 80-х годов ХХ века были созданы новые электротехнические материалы — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Тс больше, чем 77,4 К — температуры испарения жидкого азота. Это открыло большие перспективы для широкого использования сверхпроводимости в технике, в результате в настоящее время во многих промышленно развитых странах, включая Россию, разработаны опытные и промышленные образцы силовых кабелей, трансформаторов, двигателей, в конструкции которых используются ВТСП.
Данные, иллюстрирующие развитие сверхпроводников, начиная с момента их открытия, представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Хронология развития сверхпроводниковых материалов
Год |
Тс, К |
Материал |
|
|
|
1911 |
4,2 |
Традиционные сверхпроводники |
|
|
|
1973 |
23,2 |
|
|
|
|
1986 |
35 – 40 |
|
|
|
Высокотемпературные сверхпроводники |
1987 |
93 |
|
|
|
|
1993−2008 |
135 |
|
|
|
|
Таким образом, подводя итог на основе приведенных примеров, следует констатировать, что электротехнические материалы действительно играют очень важную роль в науке и технике, во многом обеспечивая современный уровень цивилизации.
9
Исходные компоненты ЭТМ получают в основном из Земной коры, а также из атмосферы и океанской воды путем переработки с помощью металлургической или химической промышленности. Изготовление электротехнических материалов и изделий из исходных компонентов осуществляется на предприятиях, как вышеприведенных областей промышленности, так и в рамках других отраслей (электротехника, радиотехника, полупроводниковое производство и др.).
Основные требования к ЭТМ:
высокая степень чистоты (низкое содержание примесей); контролируемое введение примесей для целенаправленного из-
менения свойств.
Ученые, занимавшиеся разработкой ЭТМ. Первыми, по крайней мере, в пределах Европы, были древние греки. В частности,
Фалес Милетский (V век до н. э.). |
|
|
|
|
|
В ХХ веке — это следующие ученые. |
|
|
|||
Российские |
ученые: |
П. Л. Капица*, |
Н. Н. Семенов*, |
||
И. В. Курчатов*, |
А. Ф. Иоффе* |
(работали |
в |
СПбГПУ), |
|
Ж. И. Алферов* |
(работает в |
|
СПбГПУ), |
Н. П. Богородицкий, |
|
А. Н. Абрикосов* и многие, многие другие. (*— |
нобелевские лауреа- |
||||
ты). |
|
|
|
|
|
Зарубежные ученые: Х. Камерлинг-Оннес (Голландия), открывший явление сверхпроводимости, П. Дебай (Голландия), Э. Резерфорд (Англия), А. Хиппель (США) и многие другие.
Центры разработок электротехнических материалов: Физикотехнический институт РАН (ФТИ РАН), Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ), СанктПетербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Московский государственный университет (МГУ), Московский энергетический институт (МЭИ), Массачусетский технологический институт (MTI) и многие другие организации, как в России, так и во всем мире.
10
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Существует три вида классификации ЭТМ, дополняющие друг друга: по поведению в электрическом поле; по поведению в магнитном поле; по применению в технике.
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
По поведению в электрическом поле все ЭТМ подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Критерием для классификации является величина удельной электропроводности (γ) или обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление (ρ). Электропроводность — способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля. Электропроводность связана с направленным движением носителей электрического заряда, обусловленным воздействием электрического поля.
По этому признаку ЭТМ подразделяются на три класса. Проводники — материалы с высокой и ярко выраженной элек-
тропроводностью и с учетом этих свойств они используются в технике.
Представители проводников:
твердые тела: металлы (серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al) и др.) и сплавы;
жидкие тела: расплавы и электролиты; газообразные тела: ионизированные газы (плазма).
Применение проводников определяется, в первую очередь, передачей электрической энергии.
11
Диэлектрики — материалы, основным свойством которых является способность к поляризации, и в которых могут существовать электростатические поля. Электропроводность у диэлектриков очень низкая. Реальный диэлектрик тем ближе к идеальному, чем ниже его электропроводность.
Представители диэлектриков:
твердые тела: оксиды металлов (Al2O3, MgO, SiO2, ВеО и др.), высокомолекулярные вещества /полимеры/ (полиэтилен, политетрафторэтилен /фирменные названия: в РФ — фторопласт-4; за рубежом — тефлон, фторлон/, полиэтилентерефталат, полипропилен, полиметилметакрилат (органическое стекло), древесина, шелк, шерсть), керамика, стекло и другие;
жидкие тела: нефть, нефтяные масла (кабельное, конденсаторное, трансформаторное), синтетические масла (углеводородные и кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости), бензин, бензол, сжиженные газы и другие.
газообразные тела: все газы (неионизированные).
Диэлектрики применяются, в первую очередь, в качестве электроизоляционных материалов.
Полупроводники — материалы, у которых величины электропроводности и электрического сопротивления находятся между проводниками и диэлектриками.
Представители полупроводников: кремний (Si), из него в настоящее время изготавливаются приблизительно 95 % всех полупроводниковых электронных приборов; германий (Ge); карбид кремния (SiC); арсенид галлия (AsGa) и другие.
Применение — изготовление полупроводниковых электронных приборов, таких как: транзисторы, тиристоры, микропроцессоры, солнечные элементы и другие.
Количественная оценка ЭТМ производится по параметрам: γ — удельная электропроводность, [γ] = Ом- 1·м- 1 = См/м;
ρ — удельное электрическое сопротивление, ρ = 1/ γ, [ρ] = Ом·м.
12