Указания методические по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы». По модулю 1. РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ 1. 1. Строение и свойства металлов, сплавов Металловедение - это наука, которая является основой для экономически эффективного выбора материала и способов его обработки. Все свойства материала зависят от его внутреннего строения. Выбор материала для деталей машин, приборов, аппаратов зависит от его свойств и условий работы детали. Правильно выбранные материалы и способы обработки деталей обеспечивают надежность и долговечность работы машин и приборов, уменьшают их себестоимость. Основная задача развития производства металлов - улучшить структуру и качество конструкционных материалов; ускоренно развивать производство экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов; расширить номенклатуру, улучшить технико-экономические и повысить прочностные и антикоррозийные характеристики конструкционных материалов. Изучение этого раздела нужно начать с атомно-кристаллического строения металлов. Следует рассмотреть наиболее часто встречающиеся типы кристаллических решеток металлов. Надо помнить, что металлы при определенных температурах в процессе охлаждения или нагрева перестраивают кристаллическую решетку. Это свойство называется аллотропией или полиморфизмом . В качестве металлических машиностроительных материалов применяют главным образом сплавы, а не чистые металлы, так как сплавы обладают более ценным комплексом механических, технологических и других свойств. Свойства сплавов определяются структурой, зависящей от взаимодействия элементов (компонентов), входящих в сплав в процессе кристаллизации. В этой связи необходимо уяснить разновидности структур (твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь), условия их образования и характерные свойства. Особое внимание следует обратить на растворимость компонентов в твердом состоянии. Кривые охлаждения металлов и сплавов являются графическим описанием процесса кристаллизации, т. е. процесса перехода из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), или процессов изменения структуры в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Температуры, при которых происходят эти изменения, называются критическими точками и определяются термическим анализом. При изучении кривых охлаждения металлов и сплавов следует определить условия их кристаллизации. При этом обратите внимание на обязательное переохлаждение, которое определяется степенью переохлаждения и существенно влияет на процесс кристаллизации. Регулирование процесса кристаллизации способствует получению заданных механических свойств металлов и сплавов. Литература: [4], с. 4-29. 1. 2. Сплавы железа с углеродом Черные металлы являются самыми распространенными в народном хозяйстве материалами. Производство черных металлов должно развиваться путем ускорения технического перевооружения производства; расширения работ по промышленному освоению технологии прямого получения железа и принципиально новых металлических материалов; улучшения структуры металлопродукции. Изучая материал этой темы, обратите внимание на то, что основой теории о железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) является диаграмма состояния железо-углерод, дающая представление о структуре и свойствах железоуглеродистых сплавов при разных температурах, что необходимо для выбора технологических режимов горячей обработки изготовления отливок, сварки и термической обработки. Согласно диаграмме состояния стали, в зависимости от содержания углерода, делятся на: доэвтектоидные, содержащие до 0,8% углерода; эвтектоидные, содержащие 0,8% углерода; заэвтектоидные, содержащие от 0,8% до 2% углерода. Исходя из структурной классификации по-назначению все стали, делятся на конструкционные (с доэвтектоидной структурой) и инструментальные (с эвтектоидной и заэвтектоидной структурой). Основными требованиями, предъявляемыми к конструкционным материалам, являются: прочность, надежность, долговечность. Эти свойства стали получают после соответствующей обработки, в основном определяемой содержанием углерода. В качестве инструментальных применяют стали, имеющие, главным образом, высокую твердость и износостойкость. Но в зависимости от назначения инструмента к сталям предъявляются такие требования, как красностойкость, прочность, вязкость и др. Следует обратить внимание на то, что требования к инструментальным сталям удовлетворяют за счет высокого или повышенного содержания углерода, легирующих элементов, термообработки. Необходимо ознакомиться с легированными сталями, их назначением и применением, усвоить маркировку легированных сталей. Учащиеся должны изучить легированные стали с особыми свойствами: нержавеющими, кислотостойкими, жаропрочными. Чугуны - железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2%. По состоянию углерода различают белый чугун (углерод в связанном состоянии, используется для передела в сталь) и серый чугун (с графитом), который широко применяется как конструкционный материал. Так как сплавы чугуна с графитом обладают высокими литейными свойствами, и изделия из них получают только литьем, их называют литейными чугунами. Наличие графита обеспечивает чугунам ряд свойств, выгодно отличающих их от стали: способность гасить вибрации, малая чувствительность к надрывам, высокая износостойкость. Эти свойства, наряду с высокими литейными качествами, определяют основные области применения данного материала. Технология производства черных металлов определяется двумя, переделами - производство чугуна из обогащенных руд с добавлением кокса и флюсов в доменной печи восстановительным процессом и передел белого чугуна в сталь окислительным процессом в конвертерной, мартеновской или электропечах. Изделия из металлических порошков приобретают все более широкое применение в различных отраслях промышленности из-за высокой экономичности их производства, особенно при массовом производстве. Применение способа порошковой металлургии для изготовления мелких деталей из материалов на основе железа, меди, никеля и других позволяет в среднем сократить расход металла в 2-5 раз, трудоемкость в 1,5-2 раза, себестоимость в 1,5-2 раза по сравнению со способом изготовления изделий механической обработкой заготовок. Изучение медных сплавов следует начинать с латуни, рассмотрев влияние цинка, а затем и других различных примесей на свойства латуней. Надо знать, что латуни термической обработкой практически не упрочняют. Наклепанные латуни склонны к растрескиванию при пониженных температурах. Детали из латуни, работающие при низких температурах, подвергают низкотемпературному отжигу при 200-250°С. Изучение бронз следует начать с оловянной бронзы. Прежде всего, необходимо уяснить влияние на структуру и свойства бронзы олова и дополнительных элементов, вводимых в нее. В зависимости от содержания олова и других элементов оловянные бронзы имеют различные свойства и применение. Затем следует рассмотреть свойства и применение бронз, не содержащих олова. Особое внимание надо обратить на бериллиевую бронзу, обладающую редким сочетанием свойств: высокая прочность и твердость (они приближаются к твердости и прочности закаленных конструкционных сталей) при хорошей сопротивляемости коррозии. Нужно обязательно знать маркировку латуней и бронз. Алюминиевые сплавы делят на две большие группы: деформируемые и литейные. При изучении деформируемых сплавов главное внимание надо обратить на сплавы алюминия с медью, упрочняемые термической обработкой, которые называют дуралюминами. Литература: [4], с. 29-91. 1. 3. Основы термической и химико-термической обработки металлов Современная техника предъявляет все возрастающие требования к механическим свойствам металлов, которые в значительной степени можно улучшить путем термической и химико-термической обработки. Увеличение прочности деталей во многих случаях разрешает уменьшить их габариты и массу, что дает огромную экономию металла. Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура - время. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные вида термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель проведения термической обработки, а главное, какую структуру и свойства приобретает сталь после обработки. Следует иметь в виду, что иногда брак, полученный при термической обработке, может проявиться только при работе деталей. При изучении процесса отжига надо рассмотреть целесообразность применения каждого метода отжига, знать, каким сталям дают полный отжиг, а каким - неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига дает возможность значительно увеличить производительность труда. Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) целесообразно применять для инструментальных и шарикоподшипниковых сталей, так как зернистые структуры имеют повышенную пластичность, и детали при последующей закалке менее склонны к короблению, меньше опасность появления трещин. Цель отжига - получение максимальной вязкости и пластичности. А так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное, то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения. Следует изучить явления перегрева и пережога, разницу между ними, меры предупреждения и способы устранения этих видов брака. Изучая процесс нормализации, прежде всего надо отметить разницу назначения и способа проведения процессов отжига и нормализации. При отжиге скорость охлаждения очень медленная, обеспечивается охлаждением с печью, при нормализации охлаждение проводят на воздухе. После нормализации у разных сталей получается разная структура. В углеродистой стали структура после нормализации получается практически такая же, как и после отжига, но более мелкая, поэтому прочность нормализованных сталей несколько выше, чем отожженных. В ряде случаев для углеродистых сталей вместо отжига можно производить нормализацию. Закалка - один из наиболее важных видов термической обработки. Следует помнить, что температуру нагрева выбирают в зависимости от содержания углерода в стали. Детали, которые должны иметь твердость только на поверхности, подвергаются поверхностной закалке. В результате поверхностной закалки увеличивается также общая прочность деталей, так как увеличивается предел усталости. Основное внимание следует уделить закалке токами высокой частоты, так как она дает наилучшие результаты и ее легко автоматизировать. При изучении поверхностной закалки газовым пламенем нужно иметь в виду, что для крупных деталей это в ряде случаев единственный метод поверхностного упрочнения. Учащиеся должны знать новые прогрессивные методы упрочнения деталей: термомеханическую, ультразвуковую, термомагнитную обработку. Высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) можно подвергать любые стали, а низкотемпературной (НТМО) - только те, у которых переохлажденный аустенит обладает повышенной устойчивостью, т. е. легированные. При изучении процессов химико-термической обработки следует обращать внимание на температуру процесса, химический состав стали (особенно процентное содержание углерода) для данного вида химико-термической обработки и на необходимость термической обработки до или после того или иного вида химико-термической обработки. Каждый вид химико-термической обработки имеет свою область применения, определенные достоинства и недостатки. При изучении цементации особое внимание надо уделять газовой цементации как наиболее прогрессивному методу, разрешающему наиболее полно осуществить механизацию и автоматизацию процесса. Твердость поверхностного слоя после цементации получается только при последующей закалке, сердцевина при этом остается вязкой, так как стали с малым содержанием углерода практически не подвергаются закалке. Достоинства азотирования состоят в том, что твердость материалов не снижается при повторных нагревах до 500-600°С и увеличивается сопротивление коррозии в неэлектролитах. Но азотирование - процесс очень дорогой и непроизводительный, поэтому применять его следует только в тех случаях, когда никакая другая обработка не обеспечивает нужных свойств. При изучении цианирования следует обратить внимание на свойства цианированного слоя в зависимости от температуры, при которой производится цианирование, и на область применения низко-, средне-, высокотемпературного цианирования. Высокотемпературное цианирование обычно производится в газовой среде. Этот процесс называется нитроцементацией. Нужно иметь представление о диффузионной металлизации хромом, алюминием и другими элементами, понимать принципиальное отличие диффузионного насыщения поверхности металлами от гальванических покрытий, а главное - знать назначение каждого метода. Коррозия металлов - весьма вредный и опасный процесс. Потери металлов от коррозии составляют около 8-12 % общего количества потребляемых металлов. Но к убыткам от коррозии относятся не только потери металла, но и затраты на защитные покрытия, ремонт и перемонтаж оборудования и т. п. Электрохимическая коррозия распространена шире, чем химическая. Наиболее опасным видом является межкристаллитная коррозия. Изучая химическую коррозию, важно отметить, что она не сопровождается образованием электрического тока (в отличие от электрохимической). Суть коррозии заключается в образовании окисной пленки на поверхности металла, слой которой со временем увеличивается. Очень важно знать факторы, способствующие интенсивному развитию химической коррозии. Особое внимание при рассмотрении коррозии металлов необходимо уделить методам защиты металлов от коррозии. Следует помнить, что борьба с коррозией имеет важное народнохозяйственное значение, а предохранение от коррозии экономит миллионы тонн металла. Защита металла от коррозии осуществляется различными методами. Наиболее рациональный и надежный путь - изготовление изделий из коррозионно-стойких материалов. Но этот путь борьбы с коррозией не всегда может быть использован в силу экономических, технических и технологических соображений. Поэтому в промышленности часто изготовляют изделия из дешевых доступных материалов, обладающих высоким механическими и технологическими свойствами с последующей их защитой от коррозии. Изучая методы защиты от коррозии, необходимо обращать внимание на то, какой метод защиты, при каких условиях работы изделия целесообразнее применять. Литература; [4], с. 91-134. РАЗДЕЛ 2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2. 1. Общие свойства проводников В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, и сплавы высокого сопротивления с удельным электрическим сопротивлением при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм∙м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин, трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п. К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: удельная проводимость γ или обратная ей величина - удельное сопротивление ρ ; температурный коэффициент удельного сопротивления ТК ρ или αρ ; термо-э. д. с . Нужно иметь четкое представление обо всех этих характеристиках. Необходимо уяснить зависимость удельного электрического сопротивления металла от температуры, чистоты обработки металла. Литература: [3], с. 247-249. 2. 2. Проводниковые материалы К материалам высокой электропроводности относятся серебро, медь, алюминий. Самым малым сопротивлением обладает серебро при нормальной температуре ρ = 0,016 Ом∙м. Этот металл стойкий против окисления. Применяется для изготовления контактов, обкладок керамических и слюдяных конденсаторов и др. Медь является одним из основных проводниковых материалов благодаря высокой электропроводности (ρ =0, 0172 0м м), механической стойкости и стойкости к атмосферной коррозии. Кроме того, медь хорошо обрабатывается, относительно легко паяется и сваривается. Алюминий - второй по значению (после меди) проводниковый материал. Удельное сопротивление ρ = 0,028 Ом∙м. Он относится к группе легких металлов. При одинаковом весе и длине сопротивление алюминиевого провода получается вдвое меньше, чем медного. Доступность, сравнительно большая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии обеспечили алюминию широкое применение в электротехнике. Однако для воздушных линий электропередачи чистый алюминий неприменим из-за малой механической прочности. В этом случае используются алюминиевые сплавы. Наибольшее значение имеет альдрей - сплав алюминия с магнием, кремнием и железом. Для линий передач широко применяют также сталеалюминевый провод, представляющий собой сердечник из стальных жил, обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл - сталь, покрытую снаружи слоем меди. У ряда металлов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается явление исчезновения электрического сопротивления, которое названо сверхпроводимостью, температура при охлаждении, до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, - температурой сверхпроводникового перехода Тс . Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. Следует обратить внимание на существование критического значения магнитной индукции Вс (различного для различных металлов), превышение которого разрушает эффект сверхпроводимости. Материалы, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние, получили название сверхпроводников. Сверхпроводниками являются ниобий, свинец, тантал, ртуть, алюминий. Лучшие сверхпроводники - ниобий и сплавы на его основе. Помимо явления сверхпроводимости, в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах, но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный материал вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие указанной способностью, называются криопроводниками или гиперпроводниками. Наибольший интерес для использования в качестве криопроводников, помимо обычных проводниковых материалов - алюминия и меди, представляет бериллий. Следует изучить область применения сверхпроводников и криопроводников, т. к. применение этих материалов весьма перспективно. Материалы с большим сопротивлением можно классифицировать по области применения, определяющей предъявляемые к ним требования. Материалы первой группы - для образцовых сопротивлений; материалы второй группы - для реостатов и резисторов различных назначений; материалы третьей группы - для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов. Ко всем этим материалам предъявляются общие требования: большое удельное сопротивление, достаточная механическая прочность и технологичность. Для материалов первой группы важна стабильность сопротивления во времени при изменениях температуры. Кроме того, термо-э. д. с. этого материала относительно меди должна быть минимальной. Этим требованиям удовлетворяет медно-марганцевый, сплав манганин , в состав которого может входить также никель, кобальт, алюминий, железо. В материалах второй группы допускаются большие значения термо-э. д. с. и температурного коэффициента сопротивления. Основным материалом этой группы является медно-никелевый сплав константан . Важнейшее требование к материалам для нагревательных приборов - высокая рабочая температура. Широко применяются жаростойкие сплавы никеля, хрома и железа - нихром и хрома, алюминия и железа - фехраль . Из курса ТОЭ следует вспомнить, что при соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов, называется термопарой. Для изготовления термопар применяют следующие сплавы: копель (50% меди, 44% никеля); алюмель (95% никеля, остальное - алюминий, кремний, магний); хромаль (90% никеля, 10% хрома); платинородий (90% платины, 10% родия). Наибольшее применение получили термопары хромель-копель, платина-платинородий, медь-константан и др. Весьма значительными коэффициентами термо-э. д. с. обладают некоторые полупроводниковые материалы, например тройной сплав (висмут-сурьма-цинк). Следует рассмотреть основные свойства, состав и характеристики перечисленных проводниковых материалов. В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов, применяют различные сплавы и металлокерамические композиции, а также материал, состоящий из серебра и 12-20% окиси кадмия. Для разрывных контактов в установках большой мощности используют композиции серебра с кобальтом, никелем, хромом, вольфрамом, молибденом, меди с вольфрамом и кобальтом, золота с вольфрамом и молибденом. Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны обеспечивать надежность, исключать возможность обгорания контактирующих поверхностей, а также приваривания их друг к другу под действием возникающей при разрыве контакта электрической дуги. Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для этой цели применяют, холоднотянутую (твердую) медь, беррилиевую бронзу, а также материалы системы серебро-окись кадмия. Следует изучить материалы на основе благородных металлов, металлокерамику, их свойства и области применения. Важнейшими видами электротехнических угольных изделий являются: щетки для электрических машин; угольные электроды для электрических печей, электролитических ванн, гальванических элементов и сварки; осветительные угли, детали электровакуумных приборов, непроволочные резисторы, микрофонные порошки, мембраны и другие детали техники связи. Для производства электротехнических угольных изделий используются графит, кокс, антрацит, сажа, каменноугольные пеки и смолы. Исходное сырье измельчается, из него формируются изделия, после чего следует отжиг. В угольную массу часто вводят разные добавки, например в щетки для электрических машин с целью повышения проводимости - медный или бронзовый порошок, в осветительные угли - разные соли, придающие окраску электрической дуге, создаваемой с помощью этих углей. При изучении угольных материалов особое внимание следует уделить графитным, электрографитированным, угольнографитным и меднографитным щеткам. Литература: [3], с. 247-268. 2. 3. Провода и кабели Проводниковые изделия можно классифицировать по ряду признаков. По назначению различают обмоточные, монтажные, установочные провода, а также силовые, телефонные и радиочастотные кабели. По материалу токоведущей части провода и кабели можно разделить на: медные, алюминиевые, стальные и комбинированные. Каждый вид проводниковых изделий можно классифицировать также по материалу изоляции, нагревостойкости, электрической прочности, гибкости и т. д. Обмоточные провода могут иметь эмалевую, эмалево-волокнистую, волокнистую, пленочную и оксидную изоляции. Монтажные провода применяют для соединения различных приборов и частей в электрических машинах и аппаратах. Они могут иметь покрытия из электроизоляционной резины или полихлорвинилового пластиката, а также из хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжи и из синтетических волокон. Установочные провода и шнуры применяют для распределения электрической энергии, а также для присоединения к сети электродвигателей, светильников и других потребителей тока. Токоведущая часть покрывается электроизоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом. Поверх изоляции иногда накладывают защитный покров в виде оплетки из хлопчатобумажной или шелковой пряжи. У некоторых проводов защитный покров пропитывают противогнилостным составом. Шнуры выпускают двужильными. С проводами для линий воздушных передач вы частично ознакомились при изучении предыдущей темы. Необходимо ознакомиться с маркировкой проводов. Следует изучить сортамент и применение стальных, медных и алюминиевых шин. Силовые кабели служат для передачи электрической энергии токами промышленных частот. Они могут быть одножильными и многожильными. Каждая жила изолируется резиной, полихлорвиниловым пластикатом или кабельной бумагой, пропитанной составом, состоящим из минерального масла и растворенной в нем канифоли. Изолированные жилы заключаются в оболочку, которая изготовлена из свинца, полихлорвинилового пластиката, светостойкой резины или алюминия. Для защиты броневого покрова от коррозии на него накладывают слой кабельной бумаги или пряжи, пропитанной противогнилостным битуминозным составом. Изоляция высоковольтных кабелей пропитывается маловязким легкоподвижным маслом, которое находится внутри кабеля под повышенным давлением. Кроме маслонаполненных кабелей, в высоковольтной технике находят применение газонаполненные кабели. Особенно перспективны кабели с элегазовым наполнением. Необходимо разобраться с классификацией силовых кабелей по числу жил, роду оболочки (свинцовые, стальные, алюминиевые, пластмассовые, резиновые), роду изоляции (бумажная пропитанная пластмассовая, резиновая), по конструкции защитной оболочки. Защитная оболочка включает в себя кабельную броню, подушку и наружный покров. Наружный покров может быть нормальным, негорючим, из полиэтиленового шланга, из поливинилхлоридного шланга. По назначению силовые кабели классифицируются по условиям среды, в которой будут прокладываться (для наружной или внутренней прокладки и с учетом характеристики помещений). Контрольные кабели предназначены для цепей контроля и измерения. Следует разобраться с маркировкой силовых и контрольных кабелей. Специальные кабели классифицируются следующим образом: радиочастотные - для передачи электромагнитной энергии на радиочастотах; связи - для передачи сигналов информации токами различных частот; управления - для цепей дистанционного управления, релейной защиты и автоматики; сигнально-блокировочные - для цепей сигнализации и блокировки, а также геодезические, гидроакустические, термопарные и нагревательные. Следует ознакомиться с маркировкой кабелей специального назначения. Литература: [3], с. 259-264; [7], с. 5-32. РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3.1. Физика диэлектриков Изучение темы следует начинать с определения физического смысла проводимости диэлектриков. Необходимо ознакомиться с зонной теорией электропроводности, уяснить причины электронной и ионной проводимости. Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твердых диэлектриках различают два тока утечки: объемный (Iv ), проходящий между электродами через толщу диэлектрика, и поверхностный (Is ), проходящий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объемное удельное сопротивление ρ v и поверхностное удельное сопротивление ρ s . Необходимо знать методику определения и единицы измерения удельных сопротивлений. Следует иметь в виду, что удельное сопротивление диэлектрика является параметром, определяющим ток утечки в нем. При подсчете диэлектрических потерь, ведущих к нагреву диэлектрика, обычно учитывается только объемный ток утечки. Поверхностный ток утечки создает потери мощности на поверхности, что практически не влияет на нагрев диэлектрика. Далее необходимо ознакомиться с поляризацией диэлектриков, то есть, с процессом упорядочения связанных электрических зарядов внутри диэлектрика под действием электрического поля. Следует различать электронную, дипольную и спонтанную (или доменную) поляризацию, а также способность материалов к поляризации, названную абсолютной диэлектрической проницаемостью. Нужно знать единицы измерения абсолютной диэлектрической проницаемости и ознакомиться с относительной диэлектрической проницаемостью. Если к диэлектрику приложить переменное напряжение, в цепи будет проходить ток, содержащий три составляющих. Одна из них, являющаяся сквозным током проводимости (Iпр ), совпадает по фазе с приложенным напряжением; вторая, вызванная электронной поляризацией и называемая током смещения (Iсм ), опережает напряжение на четверть периода и третья, вызванная дипольной объемно-зарядной поляризацией и названная током абсорбции (Iабс ) также опережает по фазе напряжение, но на угол меньше, чем 90° (рис. I). Из векторной диаграммы: Iа = Iа абс + Iпр ; Iр = Iр абс + Iсм .; tgδ=Iа /Iр, откуда Iа = Iр∙ tgδ. Реактивный ток Iр =U/Xр = U∙ω∙C, тоесть Iа =U∙ω∙C∙tgδ. Активная мощность, т. е. мощность, расходуемая на нагрев диэлектрика: Ра =U∙Iа =U2 ∙ω∙C∙tgδ. Из этой формулы видно, что при заданной величине напряжения, его частоты ω и емкости С потери энергии в диэлектрике будут зависеть от tgδ. В соответствии с этим угол δ, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°, называют утлом диэлектрических потерь. Эта величина является важнейшей электрической характеристикой каждого диэлектрика. При изучении данного вопроса следует ознакомиться с методикой определения тангенса угла диэлектрических потерь. Электрическая прочность диэлектрика Епр - напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой. Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектрике Eпр = Uпр /h , B/м где Uпр - напряжение, приложенное к диэлектрику; h - толщина диэлектрика. Нужно изучить следующие виды пробоя диэлектриков: тепловой, электрический, электрохимический и смешанный. Следует помнить основные электрические характеристики диэлектрика: удельное электрическое сопротивление ρ , диэлектрическая проницаемость ε , тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и электрическая прочность Епр . Литература: [3], с. 4-18. 3.2. Механические, тепловые и физико-химические характеристики диэлектриков. Электротехническая аппаратура может работать в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для ее изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические свойства, а правильный выбор их обеспечивает надежность и долговечность работы диэлектриков. Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибро прочность. Простейшие виды статические механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов. Значения пределов прочности при растяжении (σр ), сжатии (σс ) и изгибе (σи ) в системе СИ выражаются в паскалях (Н/м2 ). Ударную вязкость (σуд ) материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м2 . В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций. Такая проверка проводится на вибростендах. К основным тепловым характеристикам относятся температура вспышки паров, температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, морозостойкость, нагревостойкость, температурные коэффициенты. Температура вспышки - это такая температура, при которой смесь паров жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает от приближения небольшого открытого пламени, от искры и т. д. Она определяется с помощью прибора ПВНО (прибор вспышки - нагрева огневой) или ПВНЭ (прибор вспышки - нагрев электрический). Если для кристаллических материалов основным тепловым параметром является температура плавления, то для аморфных веществ аналогичной характеристикой является температура размягчения. При размягчении происходит снижение механической прочности и постепенная деформация изделий. Одним из весьма распространенных параметров, характеризующих способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, является теплостойкость по Мартенсу. Морозостойкость определяет способность материала противостоять действию низких температур. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких изменений температуры называется нагревостойкостью. Материалы, употребляемые для изоляции электрических машин и аппаратов, по величине длительно допустимой рабочей температуры подразделяются на семь классов нагревостойкости, которые следует изучить. Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1 . Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. Следует изучить следующие физико-химические характеристики диэлектриков: вязкость жидких диэлектриков, кислотное число, химическую стойкость, влагостойкость, радиационную стойкость, тропическую стойкость. Вязкость является важным параметром жидких диэлектриков. Она измеряется вискозиметром. Сущность определения сводится к тому, что из сосуда через калиброванное отверстие в его дне выпускается определенный объем испытуемого материала и точно измеряется время истечения. Кислотное число характеризует содержание в материале свободных кислот, которые вызывают коррозию соприкасающихся с ним металлов. Его величина определяется количеством едкого кали КОН, требующимся для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала. При работе материалов в химически активных, агрессивных средах разрешающее воздействие на разные материалы может быть сильным. Для работы в таких условиях, в зависимости от их природа, материалы должны обладать определенной химической стойкостью, которая определяется аналогично влагостойкости по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров. Для испытания на тропикостойкость материалы и изделия из них выдерживают при температуре 40-50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков. Радиационной стойкостью называется способность электроизоляционного материала без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств выдержать воздействие радиационных излучений. Литература: [3], с. 18-87. 3. 3. Газообразные диэлектрики Наиболее важным из числа газообразных диэлектриков является воздух. В силу своей всеобщей распространенности воздух повсеместно входит в состав электротехнических установок и играет в них роль электроизоляционного материала дополнительно к твердым и жидким диэлектрикам. В отдельных частях электротехнических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между проводниками. Кроме воздуха, в практической электротехнике используются азот, имеющий такую же электрическую прочность, как и воздух, углекислый газ и водород, имеющие меньшую электрическую прочность, а также так называемые электроотрицательные газы, отличающиеся тем, что их молекулы способны присоединять к себе (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь, таким образом, в малоподвижные отрицательные ионы. Для осуществления ударной ионизации этими ионами требуется большая напряженность электрического поля, чем при ионизации электронами, поэтому электроотрицательные газы отличаются повышенной электрической прочностью. К ним относятся газы, содержащие в своих молекулах атомы фтора, брома и хлора, а именно: гексафторид серы (элегаз) , дихлордифторметан (фреон-12), трихлорфторметан (фреон-11), тетрахлорметан и фторфенатрен. В естественных условиях любой газ имеет начальную ионизацию, обусловленную влиянием тепла, света, радиации и других факторов, поэтому если к разрядному промежутку подвести напряжение, в цепи возникнет небольшой ток, возрастающий с увеличением напряжения (участок I, рис. 2). При некотором значении напряжения ток перестает возрастать (участок II). На этом участке происходит накопление энергии заряженными частицами газа - электронами и ионами. С дальнейшим повышением напряжения скорость заряженных частиц возрастает настолько, что при соударении их с нейтральными частицами газа происходит ионизация, то есть образование новых свободных электронов и положительных ионов. В результате ток резко возрастает (участок III). Зависимость тока, проходящего через газ, от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (рис. 2). Процесс ударной ионизации сопровождается резким уменьшением удельного объемного сопротивления и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь. Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, исключающих (Рис. 2) процесс ударной ионизации. Следует изучить явление пробоя газа в однородном и неоднородном полях, типы электродов, создающих их. Пробой газа в неоднородном электрическом поле проходит ряд промежуточных стадий. Вначале наступает электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом (острие, провод), т. к. у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При напряжении значительно меньшем пробивного у поверхности этого электрода в газе возникает коронирующий разряд - электрическая корона. Она представляет собой светло-фиолетовое свечение в слое воздуха около электрода. Корона сопровождается шипением и образованием в воздухе озона (О3 ) и окислов азота (NO). При пробое газообразных диэлектриков в однородном электрическом поле пробивные напряжения на постоянном и переменном токе (до частот 10000 Гц) практически не отличаются по величине. Кроме отмеченных случаев, газы используются как диэлектрики в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях, высоковольтных выключателях и т. д. Литература: [3], с. 87-93. 3. 4. Жидкие диэлектрики. В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах применяют минеральные масла и синтетические жидкие диэлектрики. Следует изучить электропроводность и пробой жидких диэлектриков, уяснить влияние степени чистоты жидкости на ее электрическую прочность. Минеральное (или нефтяное) масло получают в результате ступенчатой и последующей обработки нефти. По характеру использования нефтяные масла могут быть разделены на три группы: трансформаторные масла, используемые для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей; кабельные масла, применяемые для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей; конденсаторные масла, используемые для пропитки изоляции конденсаторов. Необходимо ознакомиться со свойствами каждого из видов масел, их достоинствами, недостатками; рассмотреть способы очистки, сушки и регенерации минеральных масел. Помимо нефтяных масел, находят применение синтетические жидкие электроизоляционные материалы. Совол - это прозрачная бесцветная жидкость, по химическому составу отвечающая формуле С12 H5 Сl5 (пентахлордифенил). Электрическая прочность совола близка к прочности трансформаторного масла. Совол используется для заливки конденсаторов. Из-за большой вязкости в трансформаторах он не применяется. Для масляных выключателей совол также не пригоден, потому что при разрыве электрической дуги в нем выделяется много сажи. Аналогичными свойствами обладает совтол , то есть совол, разбавленный трихлорбензолом (С6 H3 Cl3 ). Благодаря меньшей вязкости он может использоваться для заливки трансформаторов. Оба материала токсичны. В трансформаторах применяется гексол , представляющий собой смесь 80% гексахлорбутадиена и 20% -совола. Широкое применение находят кремнийорганические и фторорганические соединения, в числе которых имеются жидкости. В зависимости от особенностей структуры и химического состава различают четыре основных вида кремнийорганических диэлектриков: полиметилсилоксановые (ПМСЖ), полиэтилсилоксановые (ПЭСЖ), полиметилфенилсилоксановые (ПМФСЖ), полихлорорганосилоксановые (ПХОСЖ) или полифторорганосилоксановые (ПФОСЖ). Кремнийорганические диэлектрики обладают большой стабильностью электрических и физико-химических параметров, весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью (наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С). Однако кремнийорганические жидкости дороги, что ограничивает их применение. Фторорганические жидкости имеют малый tg δ , ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Отдельные фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200°С и выше. Фторорганические жидкости обладают высокой стабильностью электрических и физико-химических характеристик, однако дороги, что ограничивает их применение. Литература: [3], с. 93-104. 3. 5. Полимеры. Значительное место среди электроизоляционных материалов принадлежит органическим соединениям (на основе углерода), главным образом искусственным (синтетическим) высокомолекулярным материалам. Это объясняется тем, что многие из них обладают ценными свойствами и могут быть получены из дешевого, легко доступного сырья: нефти, природного газа, угля. Многие из этих высокомолекулярных соединений являются полимерами, молекулы которых состоят из значительного количества групп атомов, имеющих одинаковое сравнительно простое строение (мономеры). Синтетические полимеры могут быть получены двумя способами: поляризацией и поликонденсацией. Полимеризация - это такая химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения элементарного химического состава вещества. Поликонденсация - это химическая реакция между разнородными мономерами, сопровождающаяся обычно выделением побочных продуктов: воды, Водорода, аммиака, хлористого водорода и других, способных в той или иной мере сказываться на свойствах конечного продукта. Полимеры могут классифицироваться по их поведению при нагревании. Некоторые из них при нагревании плавятся, а при охлаждении затвердевают. Они растворяются в определенных растворителях. Такие материалы называются термопластичными. В отличие от них термореактивные материалы или реактопласты при нагревании не плавятся и не имеют способности растворяться. Полимеры различаются также по молекулярной структуре. Молекулы полимеров имеют вид цепочки. Молекулы пространственных полимеров развиты в различных направлениях, что придает всей молекуле большую жесткость, неподвижность. Кроме общих сведений о высокомолекулярных органических веществах, необходимо изучить наиболее распространенные полимеризационные материалы и их особенности. Особое внимание следует уделить полистиролу , его получению и разновидностям. Необходимо ознакомиться с электрическими и физико-химическими характеристиками блочного и эмульсионного полистирола, а также областями его применения. Нужно изучить состав, электрические, физико-химические свойства и применение полиэтилена и поливинилхлорида (полихлорвинила). Следует изучить основные свойства, виды и применение фторопластов - нагревостойких полимеризационных материалов. Необходимо изучить состав, структуру, основные характеристики и область применения следующих наиболее распространенных поликонденсационных материалов: фенолформальдегидных смол, бакелитовых, новолачных, полиэфирных смол, эпоксидных полимеров, а также уяснить получение и применение кремнийорганических смол (полиорганосилоксанов). В состав кремнийорганических смол, помимо характерного для органических полимеров углерода, входит кремний. Основу строения их молекул образует силоксанная группировка чередующихся атомов кремния и кислорода. Полиорганосилоксаны могут быть как термопластичными и иметь линейное строение, так и термореактивными и образовывать пространственные структуры. Кремнийорганические полимеры используются в лаках, компаундах, пластмассах, некоторые из них весьма эластичны (кремнийорганические каучуки). Кремнийорганические соединения могут быть получены и в виде жидкостей (см. тему 3. 4). Кремнийорганики обладают высокой нагревостойкостью. Электроизоляционные свойства кремнийорганических соединений высоки даже при повышенных температурах, поэтому кремнийорганики целесообразно использовать в композиции с нагревостойкими неорганическими материалами (слюда, стеклянное волокно, асбест и пр.) в виде миканитов, стеклотканей, пластмасс. Кроме того, кремнийорганические соединения обладают очень малой гигроскопичностью и практически не смачиваются водой. Однако они дороги, что ограничивает применение. К природным смолам относятся шеллак, канифоль, копал, янтарь. Следует ознакомиться с получением и применением природных смол. Литература: [3], с. 113-144. 3. 6. Пластмассы, пленочные материалы. Пластическими массами называют материалы, способные в нагретом состоянии приобретать пластичность, то есть легко приобретать заданную форму и ее сохранять. Они состоят из связующего вещества, наполнителей, пластификаторов, красителей, стабилизаторов и других материалов. В качестве связующего материала используются термореактивные и термопластические органические полимеры, кремнийорганические и фторорганические полимеры, а также эфиры целлюлозы. Наполнителями служат порошкообразные, волокнистые или листоабразивные вещества. Они улучшают физико-механические свойства пластмасс. Пластификаторы (трикрезилфосфат, диметилфтолат, дибутилфтолат) уменьшают хрупкость и повышают морозостойкость. В зависимости от физико-химической природы связующего вещества пластмассы и изделия из них разделяют на термопластичные и термореактивные. Изделия из термопластичных материалов при нагревании вновь размягчаются. Они, как правило, наполнителей не имеют. Термореактивные пластмассы необратимы, то есть переработке не подлежат. При изучении пластмасс необходимо ознакомиться со способами переработки пресспорошков и прессматериалов в изделия, свойствами и областями применения пластмасс в электротехнике. Слоистые пластики - это термореактивные пластмассы, в которых наполнителями служат бумага, хлопчатобумажная, лавсановая ткань, стеклоткань или асбест. В соответствии с этим получают гетинакс, текстолит, стеклотекстолит или асботекстолит. Ознакомьтесь с маркировкой, характерными особенностями и применением слоистых пластиков. Древеснослоистые пластики (ДСП) - материалы типа фанеры на бакелитовой смоле более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоляционными свойствами и более гигроскопичны. Пленочные материалы довольно широко применяются в электроизоляционной технике. Они представляют собой тонкие гибкие материалы, изготовляемые из различных термопластических полимеров. Их можно разделить на два класса: неполярные и полярные. К неполярным относятся полистирольные, полиэтиленовые, полипропиленовые и политетрафторэтиленовые. Полярными пленками являются триацетатцеллюлозная, лавсановая, поликарбонатная, полиамидная, поливинилхлоридная. Необходимо знать типы, свойства и применение пленочных материалов. Литература: [3], с. 191-202. 3. 7. Резины Натуральный каучук получается из латекса-сока некоторых тропических растений. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5 Н8 )n. Уже при нагреве до температуры 50°С каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах он хрупок. Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляется. Для устранения этих недостатков каучук подвергается вулканизации , т. е. нагреву после введения в него серы. В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, при вулканизации получают различные материалы: при 1-3% серы - мягкую резину, обладающую высокой растяжимостью и упругостью, а при 30-35% серы - твердую резину (эбонит) - обладающую высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Из синтетических каучуков получили применение бутадионовый каучук, эскапон, бутадиен стирольный, хлоропреновый, бутилкаучук, кремниевые каучуки. Необходимо изучить свойства и применение эбонита в электротехнике, а также состав резин; влияние составляющих на электрические, механические и тепловые свойства; их достоинства, недостатки и области применения. Литература: [3], с. 210-214. 3. 8. Лаки, эмали, компаунды Лаки представляют собой коллоидные растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. К пленкообразующим веществам относятся смолы, растительные масла, эфиры, целлюлозы, битумы и др. В качестве растворителей применяют бензол, толуол, ацетон, скипидар и т. д. В состав лаков могут также входить пластификаторы и сиккативы. Пластификаторы придают лаковой пленке эластичность. К ним относятся касторовое масло, жирные кислоты льняного масла и другие маслообразующие жидкости. Сиккативы ускоряют процесс высыхания лака. По своему назначению электроизоляционные лаки делятся на пропиточные, покровные и клеящие. По способу сушки лаки делятся на две группы: лаки воздушной (холодной) и печной (горячей) сушки. При изучении темы следует ознакомиться со свойствами и использованием смоляных, масляных, масляно-битумных и эфироцеллюлозных лаков, а также требованиями, предъявляемыми к лакам. Эмали представляют собой лаки с введенными в них мелкодисперсными веществами - пигментами. В качестве пигментов применяют окислы металлов и их смеси. В процессе высыхания эмалей пигменты вступают в химические реакции с лаковой основой, образуя плотное покрытие с повышенной твердостью. Следует изучить вопрос применения лаков и эмалей. Компаунды - это электроизоляционные составы, изготовленные на основе битумов, парафина, церезина, полистирола (термопластичные компаунды), а также на основе эпоксидных, полиэфирных и других смол (термореактивные компаунды). В отличие от лаков и эмалей компаунды не содержат летучих растворителей. По назначению компаунды разделяются на пропиточные, заливочные и обмазочные. Следует ознакомиться с основными характеристиками и областями применения компаундов. Литература: [3], с. 144-163. 3. 9. Волокнистые материалы Волокнистые материалы состоят из природных, искусственных или синтетических волокон. К природным относятся бумажные, хлопковые, льняные, асбестовые, шелковые и другие волокна. Группу искусственных волокон составляют ацетатный, медно-ацетатный шелка и стеклянные волокна. Синтетические волокна изготовляют из синтетических смол, капрона, лавсана и др. Волокнистые материалы бывают тканые (всевозможные ткани, ленты) и нетканые (пряжа, бумага, картон). Бумаги и картоны представляют собой довольно сложно перепутанную систему волокон, в которой может быть и направление преимущественной ориентации. Для изготовления бумаги и картона применяется древесная целлюлоза. Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, телефонные (для кабелей связи), конденсаторные, приточные, намоточные, микалентные и бумаги для оклейки электротехнической стали. Электроизоляционные картоны изготовляют тем же способом, что и бумаги, но они имеют большую толщину. Необходимо обратить внимание на фибру, изготовляемую из бумаги или картона путем их обработки хлористым цинком, на бумаги, изготовляемые из синтетических волокон: лавсана и фенилола, - а также на теплостойкую бумагу, изготовляемую из асбестового волокна. Следует остановиться на основных характеристиках, получении и областях применения целлюлозных, синтетических и асбестовых бумаг и картонов. Электроизоляционные лакоткани изготовляют путем пропитки тканей соответствующими лаками. Их классифицируют по типу ткани и пропиточному материалу. Для лакотканей используют хлопчатобумажные, шелковые, капроновые, стеклоткани. Хлопчатобумажные бывают на масляном лаке, полиэфирном и битумно-масляном; шелковые и капроновые - на масляном лаке. Стеклолакоткани выпускают на масляном, битумно-масляном, полиэфирноэпоксидном, кремнийорганическом лаках и на фторопластовой суспензии. К числу пропитанных волокнистых материалов относятся также лакированные гибкие трубки, основой которых являются хлопчатобумажные, шелковые, лавсановые чулки или чулки из стеклопряжи. Линоксиновые трубки изготовляются из хлопчатобумажной или шелковой ткани, многократно покрытой масляным лаком. Лавсановые трубки покрываются масляным, пентаглифталевым или эпоксидным лаком. Для трубок из стеклопряжи используется пентаглифталевый или кремнийорганический лак. Следует ознакомиться с областями применения лакотканей, электроизоляционных и стекловолокнистых трубок. Литература: [3], с. 163-181. 3. 10. Минеральные диэлектрики Слюда - природный минерал с характерным слоистым строением, позволяющим расщеплять кристаллы на тонкие листочки до 0, 005 мм. Из довольно большой группы природных слюд в качестве электроизоляционных материалов применяют калиевую слюду мусковит и калиево-магнезиальную слюду флогопит. Следует ознакомиться с областями применения мусковита и флогопита. Миканиты получают путем склеивания листочков щепаной слюды с помощью клеящих смол (шеллачной, глифталевой, масляно-глифталевой) или лаков на основе этих смол. В зависимости от назначения различают коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий миканиты. Микофолий является разновидностью формовочного материала миканита. Он имеет подложку из бумаги. Стекломикофолий имеет подложку из стеклоткани. Микалента представляет собой гибкий миканит. Ее получают путем наклеивания на подложку (шелк, микалентная бумага, стеклоткань) одного слоя щепаной слюды. Слюда и материалы на ее основе имеют высокую стоимость и большую трудоемкость изготовления. Этих недостатков лишены слюдяная бумага, слюдиниты и слюдопласты. При освоении темы необходимо изучить свойства и применение слюды и материалов на ее основе. В настоящее время в электронной технике используется также фторфлогопит - синтетическая слюда, получаемая путем кристаллизации из расплавленной шихты. Фторфлогопит обладает более высокой химической, радиационной стойкостью, нагревостойкостью. Он много дороже природной слюды. Фторфлогопит применяется для изготовления штампованных деталей, могущих работать в интервале температур от -200 до +800°С, а также для изготовления микалекса, обладающего более высокими свойствами, чем микалекс на природной слюде. Литература: [3], с. 215-230. 3. 11. Стекло и керамика Стекла - это аморфные неорганические материалы, представляющие собой результат переплавки различных исходных материалов. Главную часть большинства стекол составляет окись кремния SiO (кварц). Необходимо изучить состав стекол, способы получения, характеристики, а также классификацию стекол. Керамика представляет собой неорганическую массу, из которой изготовляют изделия различной формы, подвергаемые обжигу при высокой температуре. Различают изоляторную, конденсаторную и сегнетоэлектрическую керамику. К изоляторной керамике относятся фарфор и стеатит. Для производства фарфора применяют следующие компоненты: пластичные глинистые материалы (каолин и пластичные огнеупорные глины), отощающие материалы (кварц и фарфоровый бой), плавни (полевой шпат и пегматит), плавни для глазури (мел, доломит). Глинистые материалы придают массе пластичность, отощающие снижают усадку, деформацию и растрескивание. Плавни снижают температуру обжига. Необходимо ознакомиться с основными электротехническими, механическими и тепловыми характеристиками фарфора. Из фарфора изготовляют самые разнообразные электрические изоляторы: линейные, подвесные, телеграфно-телефонные, стационарные, аппаратные, а также установочный фарфор (ролики, детали штепсельных розеток, ламповых патронов и др.). Стеатит отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовая масса включает в себя тальк, углекислый барий или углекислый кальций и глинистые вещества. Конденсаторная керамика отличается большими значениями диэлектрической проницаемости и используется для изготовления конденсаторов. Основным ее компонентом является двуокись титана. Используются также соединения двуокиси титана с окислами кальция, магния, цинка и небольшими добавками глинистых веществ. Среди керамических материалов особое место занимает титанат бария, который является сегнетоэлектриком. Он отличается очень большой диэлектрической проницаемостью, величина которой зависит от напряженности электрического поля и температуры. Кроме того, титанит бария обладает пъезоэффектом. Перечисленные свойства позволяют широко использовать сегнетокерамику в электронной аппаратуре. При изучении темы необходимо ознакомиться со способами изготовления керамических деталей, их свойствами и применением. Литература: [3], с. 231-245. 3. 12. Активные диэлектрики Активные (управляемые) диэлектрики не только играют "пассивную" роль, т. е. создают электрическую изоляцию. В различных устройствах, в частности в некоторых радиоэлектронных аппаратах, используется изменяемость параметров этих материалов под действием различных факторов. К активным диэлектрикам относятся сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики, электреты и др. Сегнетоэлектрики - это диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Для них характерна резкая зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Диэлектрическая проницаемость может достигать высоких и сверхвысоких значений (нескольких тысяч). Изменения температуры вызывают изменение диэлектрических свойств сегнетоэлектриков, что является их существенным недостатком. К сегнетоэлектрикам относится сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, титанат бария и др. Используются они в нелинейных конденсаторах - варикондах, применяющихся в счетно-решающих устройствах, автоматике и радиотехнике. Пьезоэлектрики - это диэлектрики, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, т. е. образованием электрических зарядов на поверхности диэлектрика и поляризации внутри него, которые происходят в результате воздействия механического напряжения. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь. Используют пьезоэлектрики - монокристаллы: кварц, турмалин, сегнетова соль, синтетический кристалл ниобат лития и др., а также пьезоэлектрическую керамику (это, в основном, материалы на основе титаната бария). Пьезоэлектрики применяются для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, некоторых видов радиотехнических фильтров. Электретом называется тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле после удаления внешнего электрического поля. Различают несколько видов электретов: термоэлектреты, фотоэлектреты и электроэлектреты. Используют электреты из органических материалов (из различных восков и их смесей, из сахара, асфальта, слюды и др.) и неорганических (электреты из керамики, в основном, титансодержащие) и электреты из щелочно-галоидных кристаллов. Электреты представляют собой источники постоянного электрического поля и в качестве таковых могут быть использованы в различных приборах. Электреты могут использоваться как элементы электрической памяти, электрофотографии, имеются электретные микрофоны и пр. Диэлектрики для оптической генерации - это материалы, предназначенные для изготовления активных элементов оптических квантовых генераторов ОКГ. Используются различного рода окислы, фториды, хлорида, стекла, пластмассы и др. Кристаллы ряда сегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом, под которым понимают изменение показателя преломления среды, вызванное внешним статическим электрическим полем. Электрооптические свойства этих кристаллов используются для модуляции лазерного излучения. Разнообразные конструкции электрооптических модуляторов света созданы на базе кристаллов ниобата лития (LiNbO3 ), дигидрофосфата калия (KH2 PO4 ). Весьма перспективно применение прозрачной сегнетокерамики системы ЦТСЛ - твердые растворы цирконата - титаната свинца с окисью лантана. Литература: [5], с. 261-289; [6]. РАЗДЕЛ 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 4. 1. Основные свойства полупроводников Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельным сопротивлением проводников и диэлектриков, может быть отнесена к полупроводникам. Полупроводники обладают собственной электронной и дырочной проводимостью, в сути которой необходимо разобраться, а также понять сущность примесной проводимости. Сущность эффекта Холла заключена в следующем: если поместить пластину из полупроводника во внешнее магнитное поле и приложить в направлении длины ее разность потенциалов, создающую электрическое поле, то вследствие смещения электрических зарядов, движущихся вдоль пластины, к одной из граней пластины, возникает поперечная э. д. с, измеряемая вольтметром. При изменении типа электропроводности меняется и направление отклонения указателя вольтметра. Эффект Холла применяется для определения типа электропроводности полупроводника. На электропроводность полупроводников влияют следующие факторы: температура, воздействие света, воздействие сильных электрических полей. Под действием этих факторов резко возрастает электропроводность различных полупроводников. В полупроводниковом материале можно создать только электронную или только дырочную электропроводность. Это достигается внесением в очищенный полупроводниковый материал атомов той или иной примеси. Атомы примеси, снабжающие полупроводник свободными электронами, называют донорами, а полупроводники с такой примесью - проводником n-типа. Атомы примеси, создающие в полупроводнике дырки, называются акцепторами, а полупроводник - полупроводником р-типа. Например, при добавлении в германий примеси фосфора получается полупроводник n-типа, а примесь бора делает его полупроводником р-типа. Необходимо разобраться в сути образования электронно-дырочных переходов и ознакомиться с применением вентильного эффекта в электротехнике. Литература: [3], с. 270-277. 4. 2. Полупроводниковые материалы и их параметры Технические полупроводники могут быть разбиты на следующие группы: кристаллы с атомной решеткой (графит, кремний, германий) и с молекулярной решеткой (селен, теллур, сурьма, мышьяк, фосфор); различные окислы: меди, цинка, кадмия, титана, молибдена, вольфрама, никеля и др.; сульфиды (сернистые соединения); селениды (соединения с селеном); теллуриды (соединения с теллуром, свинца, меда, кадмия и др.); химические соединения некоторых элементов третьей и пятой групп периодической таблицы элементов. Из этой группы наиболее распространены фосфиты, арсениды и антимониды. Серьезное практическое значение в настоящее время имеют арсенид и фосфид галлия, антимонид индия. Основные области применения полупроводниковых материалов: выпрямительные и усилительные приборы различной мощности на разные частоты управляемые и неуправляемые - диоды, транзисторы; тиристоры; нелинейные резисторы - варисторы; терморезисторы; фоторезисторы; фотоэлементы, термоэлектрические генераторы. В зависимости от специфических свойств полупроводников разного вида они находят преимущественное применение в той или иной области. Необходимо ознакомиться с основными характеристиками и применением германия, кремния, селена, карбида кремния. Литература: [3], с. 277-288. РАЗДЕЛ 5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 5.1. Основные характеристики магнитных материалов По особенностям магнитных свойств все материалы могут быть разделены на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетики и парамагнетики практически не намагничиваются. Способность намагничиваться в магнитных полях в большой мере выражена у ферромагнетиков. К числу ферромагнетиков относятся железо, кобальт, никель, гадолиний и многие их сплавы. Ферромагнитными свойствами обладают также некоторые сплавы и соединения, содержащие алюминий, хром, марганец, медь, серебро. Необходимо усвоить, что магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферромагнетизма связано с доменным строением магнитного материала. Однако хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных доменов получаются самыми разными. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. И только под влиянием внешнего магнитного поля материал намагничивается, т. е. происходит процесс смещения границ доменов и процесс ориентации доменов в направлении внешнего магнитного поля. Из курса ТОЭ следует вспомнить количественное выражение магнитного поля - магнитный поток, интенсивность магнитного поля - магнитную индукцию и способность материалов намагничиваться - магнитную проницаемость. В связи с нелинейностью процессов намагничивания ферромагнитных материалов их относительная магнитная проницаемость величина переменная. Она довольно быстро увеличивается от начального до максимального значения по мере возрастания напряженности магнитного поля. Но с началом процесса магнитного насыщения магнитная проницаемость уменьшается, приближаясь к единице при полном намагничивании материала. В зависимости от того, в каких полях (слабых, изменяющихся с малой или большой частотой) работает ферромагнетик, меняются требования, к нему предъявляемые. Поэтому следует знать для каждого материала его начальную и максимальную, статическую и динамическую магнитную проницаемость. У различных магнитных материалов величина максимальной относительной магнитной проницаемости неодинакова и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Необходимо проанализировать зависимость магнитных свойств материалов от температуры. Ферромагнитные материалы нашли широкое применение в качестве основных элементов магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, измерительной и вспомогательной аппаратуры, электромагнитов и постоянных магнитов. Важно разобраться в сути перемагничивания, которое происходит по петле гистерезиса. В предельной петле магнитного гистерезиса следует обратить внимание на индукцию насыщения, остаточную индукцию и коэрцитивную силу (рис. 3). В зависимости от величины двух последних параметров магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Площадь петли гистерезиса позволяет судить о величине потерь энергии на перемагничивание материалов. Следует разобраться в способах уменьшения потерь в магнитных материалах. Начальная кривая намагничивания и петли гистерезиса Рис. 3. Кроме потерь на перемагничивание, в магнитном материале имеют место потери на вихревые токи. Литература: [3], с. 288-294; [6], т. 3, с. 6-14. 5. 2. Металлические магнитные материалы К металлическим магнитным материалам относятся магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы предназначены для работы в качестве магнитопроводов для переменного магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током. Такие материалы должны иметь малые потери на гистерезис и вихревые токи. Они должны обладать большими величинами магнитной проницаемости и в то же время иметь малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения. Последние две величины обуславливают узкую и высокую петлю гистерезиса, что является характерным признаком всех материалов, входящих в данную группу. К магнитомягким материалам относятся технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа с никелем, получившие название пермаллоев, и альсиферы - сплавы железа, кремния и алюминия и др. Все эти материалы имеют высокую магнитную проницаемость, очень малую коэрцитивную силу и небольшие потери на гистерезис. Технически чистое или так называемое армко-железо содержит очень мало примесей (сотые доли процента). Его выплавляют в мартеновских печах из особо чистых руд. Другой вид технически чистого железа - электролитическое железо получают методом электролитического осаждения из раствора сернокислого или хлористого железа. широкое применение получило железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Оно представляет собой порошок, выделяемый из карбонила железа (Fe(CO)5)при температуре 200-250°С и давлении 150 МПа. Армко-железо, электролитическое и карбональное железо используют в производстве магнитодиэлектриков. Самым массовым магнитомягким материалом, имеющим широкую область применения, является листовая электротехническая сталь. Это сплав железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8-4,8%. Электротехническая сталь выплавляется в мартеновских печах. Листы изготовляются прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии. Поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Горячекатаная сталь в магнитном отношении не анизотропна, то есть ее магнитные характеристики одинаковы во всех направлениях. Применение повторной прокатки листов стали в холодном состоянии с последующим отжигом существенно меняет ее кристаллическую структуру за счет ориентации ребер кристаллов вдоль направления прокатки, т. е. происходит текстурирование стали. Текстурированная сталь отличается большой анизотропией: магнитные свойства ее в несколько раз выше в продольном (по ходу прокатки) направлении. Необходимо разобраться в маркировке электротехнической стали, ее характеристиках и применении в электромашиностроении. Пермаллой представляет собой железоникелевый сплав. Он предназначен для получения больших индукций в слабых магнитных полях. Различают высоконикелевый (с содержанием никеля до 80%) и низконикелевый (до 50%) пермаллой. Высоконикелевый пермаллой используется при изготовлении магнитных усилителей, слаботочных трансформаторов, катушек индуктивности аппаратуры связи и автоматики. Низконикелевый пермаллой используется в телефонии и радиотехнике для деталей электромагнитных реле, полюсных наконечников, магнитных экранов. Порошкообразный пермаллой применяют в производстве магнитодиэлектриков. К числу материалов с большой начальной магнитной проницаемостью относится альсифер - сплав алюминия, кремния и железа. Он используется для магнитных экранов, корпусов приборов, деталей магнитопроводов для работы на постоянном токе. Альсифер, измельченный в тонкий порошок, применяется в производстве магнитодиэлектриков. Магнитодиэлектрики предназначены для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а, следовательно, и малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Магнитодиэлектрики получают путем прессовки порошкообразного ферромагнетика с органической или неорганической связкой, изолирующей зерна друг от друга. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т. п. К сплавам с особыми свойствами следует отнести: сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля. Это перминвар , представляющий собой тройной сплав Fe-Ni-Сo, и изотерм , в состав которого входят железо, никель, алюминий или медь; сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры. Это термомагнитные сплавы : медноникелевый сплав - кальмаллой, железоникелевый - термаллой и железоникельхромовый - компенсатор; сплавы с высокой магнитострикцией. При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров. Это носит название магнитострикции. Магнитострикционные материалы (никель и сплавы железа с кобальтом) широко используются в технике в качестве излучателя ультразвука. Огромной магнитострикцией обладают редкоземельные элементы: тербий, тулий, эрбий и их соединения, а также атомы урана. Акустическая энергия излучателей на РЗМ в сотни раз больше, чем у излучателей на ферромагнитных сплавах; сплавы с особо высокой индукцией насыщения. Это железокобальтовые сплавы пермендюры с индукцией насыщения до 2,4 Т, т. е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Следует ознакомиться с областью применения указанных сплавов. В последнее время возник новый класс магнитомягких материалов - аморфные магнетики. У этих веществ нет кристаллической решетки; их структура аналогична структуре жидкостей или таких веществ, как стекло или смола. Эти материалы обладают целым рядом ценнейших свойств и при устранении сложности их получения весьма перспективны. Вторую группу металлических магнитных материалов составляют магнитотвердые материалы. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты, будучи один раз намагничены, в течение многих лет сохраняют состояние намагниченности. Для них характерна большая коэрцитивная сила Нc и большая остаточная индукция Вr . Петля гистерезиса у них значительно шире, чем у магнитомягких, поэтому магнитотвердые материалы трудно перемагничиваются. Металлические магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на четыре группы: I. Легированные стали мартенситной структуры . Они являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Легируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта. Необходимо изучить их состав, свойства и магнитные характеристики. II . Тройные сплавы . Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Αl-Νί-Fe, которые раньше называли сплавами альни. Сплав альни с добавкой кремния называли альниси, сплав альни с кобальтом - альнико, сплав альни с небольшим содержанием кобальта магнико. В современной маркировке сплавов системы Al-Ni-Fe приняты следующие обозначения: Ю - алюминий, Η - никель, Д - медь, К - кобальт, Τ - тина, Б - ниобий. Наибольшее применение имеют сплавы ЮНД4 (альни - 3), ЮНДК24 (альнико - 24), ЮНДК-15 (альнико - 15). Необходимо ознакомиться с маркировкой, составом, магнитными характеристиками тройных сплавов. III . Магниты из порошков . Невозможность получения особенно малых изделий со строго выраженными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила привлечение методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. С методом порошковой металлургии учащиеся ознакомились при изучении темы 1.2. При этом следует различать металлокерамические магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты). Очень большой коэрцитивной силой обладают спеченные магнитотвердые материалы на основе кобальта с редкоземельными металлами, самарием, празеодимом. Необходимо ознакомиться с получением, свойствами и применением магнитов из порошков. IV. Пластически деформируемые сплавы . Используются для записи и воспроизводства звука. К ним относятся сплавы меди, железа и никеля (кунифе ), меди, никеля и кобальта (кунико ); железа, кобальта и ванадия (викаллой ). Использование перспективных магнитных материалов в современной электротехнике, радио-, телевизионной и вычислительной технике позволяет создавать устройства нового типа, которые гораздо компактнее, надежнее и экономичнее традиционных. Литература: [3], с. 294-311. 5. 3. Неметаллические магнитные материалы. Ферриты представляют собой магнитную керамику с незначительной электронной электропроводностью. Большое удельное сопротивление, превышающее ρ железа в 106 -1011 раз, а, следовательно, и малые потери на вихревые токи в области повышенных и высоких частот, наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам самое широкое применение в высокочастотной технике. Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных, реже одновалентных металлов. Следует изучить магнитные и электрические характеристики ферритов. Ферриты могут быть магнитомягкие и магнитотвердые. Первые получают обычно с использованием окислов никеля, марганца, цинка, лития, меди. Необходимо разобраться с маркировкой, свойствами и применением основных типов магнитомягких ферритов. Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса используются как материалы для запоминающих устройств счетно-вычислительной техники. К материалам и изделиям этого типа предъявляется ряд специфических требований, и для их характеристики используются некоторые дополнительные параметры, такие, как коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Κпу , представляющий собой отношение остаточной индукцией Вг к максимальной индукции Кпу =Вr /Bмакс . Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а, следовательно, иметь высокую точку Кюри и некоторые другие свойства. Магнитотвердые ферриты получают с использованием окислов бария и кобальта. Необходимо разобраться с маркировкой, свойствами и применением основных типов магнитотвердых ферритов. Литература: [3], с. 311-313. ЛИТЕРАТУРА 1. Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы.- М.: Машиностроение, 1988. 2. Под редакцией Филикова В. Н. Конструкционные и электротехнические материалы. - М.: Высшая школа. 1990. 3. Корицкий В. И. Электротехнические материалы. - М.: Энергия, 1976. Дополнительная 4. Под общей редакцией проф. Б. А. Кузьмина. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Машиностроение, 1989. 5. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1986. 6. Под редакцией Корицкого Ю.В. Справочник по электрическим материалам. Ленинград: Энергия, 1976.