Конструкционные материалы. Магнитные материалы. Проводниковые материалы. Полупроводники. Диэлектрики. Светотехнические материалы.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины» Е. П. Никитина МАТЕРИА ЛОВЕДЕНИЕ Екатеринбург УрГУПС 2016 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины» Е. П. Никитина МАТЕРИА ЛОВЕДЕНИЕ Курс лекций для студентов направлений подготовки 23.05.05 — «Системы обеспечения движения поездов», 23.05.03 — «Подвижной состав железных дорог», 23.03.02 — «Наземные транспортнотехнологические комплексы», 13.03.02 — «Электроэнергетика и электротехника», 27.03.04 — «Управление в технических системах» всех форм обучения 2-е издание, переработанное и дополненное Екатеринбург УрГУПС 2016 УДК 620.22(075) Н62 Н62 Никитина, Е. П. Материаловедение : курс лекций / Е. П. Никитина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Екатеринбург : УрГУПС, 2016. — 207, [1] с. ISBN 978-5-94614-391-2 Курс лекций содержит теоретические сведения по основным разделам учебных дисциплин «Материаловедение», «Физические основы материаловедения» и «Электротехническое материаловедение». Рассмотрены основные физические явления, происходящие в электротехнических материалах, описаны их основные свойства и применение в электроустановках транспорта и промышленности. Лекции предназначены для студентов направлений подготовки 23.05.05 — «Системы обеспечения движения поездов», 23.05.03 — «Подвижной состав железных дорог», 23.03.02 — «Наземные транспортно-технологические комплексы», 13.03.02 — «Электроэнергетика и электротехника», 27.03.04 — «Управление в технических системах» всех форм обучения. УДК 620.22(075) Издано по решению редакционно-издательского совета университета Автор: Е. П. Никитина — старший преподаватель кафедры «Электрические машины», УрГУПС Рецензенты: А. П. Сухогузов — профессор кафедры «Электрические машины», канд. техн. наук, УрГУПС А. А. Косяков — начальник отдела релейной защиты, управления и связи дирекции «Энергосетьпроект» ОАО «Инженерный центр энергетики Урала» ISBN 978-5-94614-391-2 © Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2016 Оглавление ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 6 1. КОНСТРУ К ЦИОННЫЕ М АТЕРИ А ЛЫ ................................... 10 1.1. Строение материалов .................................................................. 10 1.2. Металлы и их свойства ................................................................ 13 1.3. Стали и чугуны ............................................................................ 18 1.3.1. Классификация и маркировка сталей .............................. 18 1.3.2. Конструкционные стали ................................................... 22 1.3.3. Конструкционные чугуны ................................................ 25 1.4. Цветные металлы и сплавы ......................................................... 26 1.4.1. Алюминий и его сплавы.................................................... 26 1.4.2. Медь и ее сплавы ............................................................... 27 1.5. Композиционные и неметаллические материалы ..................... 30 1.5.1. Композиционные материалы ........................................... 30 1.5.2. Пластмассы ....................................................................... 34 1.5.3. Резиновые материалы ....................................................... 37 2. М А ГНИТНЫЕ М АТЕРИ А ЛЫ .................................................... 41 2.1. Основные свойства магнитных материалов ............................... 41 2.1.1. Поведение материалов в магнитном поле........................ 41 2.1.2. Классификация материалов по магнитным свойствам ... 43 2.1.3. Общие свойства магнитных материалов .......................... 45 2.1.4. Процесс намагничивания магнитных материалов .......... 46 2.1.5. Основная кривая намагничивания................................... 47 2.1.6. Магнитная проницаемость ............................................... 48 2.1.7. Температура Кюри ............................................................ 50 2.1.8. Магнитный гистерезис ..................................................... 51 2.1.9. Магнитная анизотропия и магнитострикция .................. 53 2.2. Потери в магнитных материалах ................................................ 55 2.3. Классификация магнитных материалов..................................... 56 2.4. Магнитомягкие материалы ......................................................... 57 2.4.1. Электротехнические стали ............................................... 58 2.4.2. Магнитомягкие материалы для техники слабых токов ... 61 2.4.3. Магнитомягкие аморфные сплавы .................................. 67 2.5. Магнитотвердые материалы ....................................................... 70 3 3. ПРОВОДНИКОВЫЕ М АТЕРИ А ЛЫ .......................................... 75 3.1. Классификация и основные свойства проводников ................. 75 3.1.1. Электропроводность проводников .................................. 76 3.1.2. Теплопроводность проводников ...................................... 79 3.1.3. Термоэлектродвижущая сила ........................................... 80 3.1.4. Зависимость удельного сопротивления от температуры . 81 3.1.5. Классификация проводниковых материалов .................. 83 3.2. Материалы высокой удельной проводимости ........................... 84 3.3. Материалы высокого удельного сопротивления ....................... 89 3.4. Проводниковые материалы специального назначения ............. 91 3.5. Металлокерамические и неметаллические проводники ........... 96 3.6. Сверхпроводники и криопроводники ...................................... 100 3.6.1. Природа сверхпроводимости.......................................... 100 3.6.2. Сверхпроводники первого и второго рода. ВТСП......... 103 3.6.3. Применение сверхпроводников ..................................... 105 3.6.4. Криопроводники............................................................. 106 4. ПОЛУ ПРОВОДНИК И ................................................................. 108 4.1. Основные свойства полупроводников ..................................... 108 4.2. Электропроводность полупроводников ................................... 109 4.3. Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников ...................................................................... 112 4.3.1. Влияние температуры ..................................................... 113 4.3.2. Влияние электромагнитного облучения (света) ............ 115 4.4. Основные полупроводниковые материалы и соединения ...... 116 4.4.1. Простые полупроводники .............................................. 116 4.4.2. Сложные полупроводниковые соединения ................... 117 4.5. Основные полупроводниковые приборы и устройства ........... 119 5. ДИЭЛЕКТРИК И .......................................................................... 124 5.1. Классификация и основные свойства диэлектриков .............. 124 5.2. Поляризация диэлектриков ...................................................... 126 5.3. Электропроводность диэлектриков .......................................... 140 5.3.1. Схемы замещения диэлектриков.................................... 140 5.3.2. Электропроводность газообразных диэлектриков ........ 143 5.3.3. Электропроводность жидких диэлектриков .................. 145 5.3.4. Электропроводность твердых тел ................................... 146 5.4. Диэлектрические потери ........................................................... 149 5.5. Пробой диэлектриков ............................................................... 155 5.5.1. Пробой газообразных диэлектриков .............................. 156 5.5.2. Пробой жидких диэлектриков ........................................ 159 5.5.3. Пробой твердых диэлектриков ....................................... 161 4 5.6. Физико-химические и механические характеристики диэлектриков .................................................. 164 5.7. Электроизоляционные материалы ........................................... 169 5.7.1. Классификация электроизоляционных материалов ..... 169 5.7.2. Электроизоляционные газы ........................................... 170 5.7.3. Жидкие электроизоляционные материалы.................... 173 5.7.4. Твердые и твердеющие электроизоляционные материалы .................................. 176 6. СВЕТОТЕХ НИ ЧЕСК ИЕ М АТЕРИ А ЛЫ ................................ 188 6.1. Светотехнические характеристики материалов ....................... 188 6.2. Классификация светотехнических материалов ....................... 194 6.3. Волоконно-оптические средства передачи информации ........ 202 ЗА К ЛЮЧЕНИЕ .................................................................................. 205 БИБЛИОГРАФИ ЧЕСК ИЙ СПИСОК ........................................... 207 5 Введение Материаловедение — комплексная наука, изучающая зависимость между составом, внутренним строением и свойствами материалов, а также закономерности их изменения под воздействием отдельных или совокупности нескольких внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных, радиоактивных. Современное материаловедение позволяет разрабатывать новые долговечные и надежные в эксплуатации материалы, эффективные технологии их получения и обработки. Правильность выбора материалов, условий их эксплуатации определяет безотказность и надежность работы любого механизма или агрегата. Поэтому выбор любого материала должен быть основан на учете его технических свойств, условий эксплуатации, заданного ресурса времени работы, технических и экономических требований, предъявляемых к детали или изделию из него. Базой при выборе каждого материала всегда служат его основные свойства: механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные. Напомним, что к основным механическим свойствам материала относятся твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость, упругость, хрупкость. К основным физическим свойствам — плотность, тепло- и электропроводность, коэффициент линейного разрушения, теплоемкость, температура плавления. От химического состава вещества, его атомно-электронного строения зависят и его химические свойства. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений, химических превращений (поверхностное окисление металла, насыщение его газами, образование ржавчины). К технологическим свойствам, т. е. к свойствам материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработ6 ки, относят литейные свойства, его способность к деформациям, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Такие свойства позволяют производить формоизменяющую обработку, получать заготовки, а из заготовок — детали машин. Совокупность технологических свойств определяет технологичность материала. К эксплуатационным свойствам, т. е. к свойствам материала, которые проявляются при эксплуатации изделия в различных условиях работы, наиболее часто относят износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность, жаростойкость и др. Все материалы по их основному применению разделяют на два класса: конструкционные и электротехнические. Конструкционные материалы — материалы, применение которых базируется на использовании их основных механических и технологических свойств, таких, как прочность, твердость, упругость, ударная вязкость, пластичность, свариваемость, обрабатываемость резанием или литейные свойства. Электротехнические материалы — специальные материалы, из которых изготавливают электрические машины и аппараты, приборы и разнообразные элементы электрооборудования и электроустановок. Применение электротехнических материалов основано, в первую очередь, на использовании таких физических свойств, как электропроводность, способность к намагничиванию или поляризации в электромагнитных полях. Понятно, что каждый материал может быть рассмотрен и как конструкционный, так и как электротехнический. Например, сталь — это конструкционный материал, обладающий высокими механическими характеристиками, широко используемый в машиностроении и строительстве, но кроме этого, сталь — электротехнический материал, обладающий свойством намагничивания в магнитных полях, имеющий высокую электропроводность и широко используемый в различных электротехнических устройствах. В свою очередь каждый класс материалов (конструкционные и электротехнические) подразделяется на классы и группы. Конструкционные материалы часто подразделяются на группы: металлические (металлы и сплавы); неметаллические и композиционные материалы. Для электротехнических материалов приято их подразделение на классы по электрическим и магнитным свойствам. Каждая из этих групп или классов материалов также может быть подразделена на определенные классы или группы. 7 Так, среди конструкционных металлических материалов выделяют группы черных и цветных металлов. Среди неметаллических и композиционных материалов — полимерные (пластмассы), металлокерамические, резиновые, стеклянные и другие материалы. Каждая группа конструкционных материалов может быть подразделена по составу, применению, свойствам, способу производства. Например, среди металлов и сплавов различают литейные, ковкие, деформируемые материалы, материалы, упрочняемые или не упрочняемые термообработкой и т. д. Пластмассы по свойствам, по способу производства делятся на две принципиально различные группы: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Все материалы по их магнитным свойствам можно классифицировать как слабомагнитные и сильномагнитные. По электрическим свойствам все материалы делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Каждый из этих классов также имеет определенные классификации по основным свойствам, применению и др. Как известно, деление электротехнических материалов на классы основано, в первую очередь, на их свойстве электропроводности. В электрическом поле элементарные заряженные частицы любого вещества (электроны, ионы или молионы) испытывают с его стороны определенные силы и начинают направленно перемещаться, образуя электрический ток. Остальные же элементарные частицы перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга и происходит поляризация. В зависимости от того, какой из этих двух процессов преобладает, принято деление веществ на проводники и непроводники (диэлектрики) электрического тока. Электропроводность диэлектриков по сравнению с проводниками очень мала. Основная характеристика электропроводности материала — это его удельное электрическое сопротивление r, значение которого для проводников (металлов и сплавов) составляет 10–8–10–6 Ом·м, диэлектриков — 10+6–10+16 Ом·м. Для промежуточного между ними класса материалов — полупроводников, удельное электрическое сопротивление составляет от 10–6 до 10+8 Ом·м. Функции, которые выполняют материалы в энергетике и электротехнике, весьма разнообразны. Они обеспечивают определенный путь протекания электрического тока или изоляции отдель8 ных частей электрооборудования, превращение электрической энергии в тепловую или механическую, усиление внешнего магнитного поля и создания магнитного потока и многое другое. Все это требует от материалов надежности и высоких электрических и магнитных свойств. Одновременно с этим каждый электротехнический материал при эксплуатации испытывает различные механические и тепловые нагрузки, поэтому должен быть надежным конструкционным материалом. В настоящем конспекте лекций кратко рассмотрены основные свойства и характеристики разных классов материалов, их практическое применение в электротехнике и энергетике. Ограниченный объем данного пособия не позволяет подробно остановиться на таких важных общих вопросах материаловедения, как строение и свойства металлов и сплавов, диаграммы состояния сплавов, термическая обработка сплавов (в том числе и железоуглеродистых), производство материалов, механические свойства материалов и их испытания. Для изучения этих и многих других вопросов необходимо использовать другие источники: учебную и методическую литературу, справочники, научные журналы, сайты сети Интернет и др. 9 1. Конструкционные материалы 1.1. Строение материалов Всякое вещество в зависимости от внешних факторов (температуры, давления и др.) и его внутреннего строения может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии или в виде плазмы. В строении материалов различают четыре основных вида химической связи: — металлическая, обусловленная большой концентрацией свободных электронов, образующих «электронный газ», в котором на определенных расстояниях друг от друга (т. е. в узлах кристаллической решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры таких материалов: чистые металлы и их сплавы; — ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов двумя или несколькими атомами. Примеры таких материалов: водород¸ хлор, алмаз; — ионная, обусловленная передачей валентных электронов одного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, При этом образовавшиеся ионы взаимно удерживаются электростатическими силами. Примеры таких материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты; — межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодействием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. Примеры таких материалов: сжиженные газы, полимеры. Кроме основных видов связи, существует большое число разновидностей промежуточных видов, обладающих признаками двух или более указанных выше. Примером может служить «водородная связь», которая присуща воде. «Водородная связь» объясняет10 ся слабой связью между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному (с большим сродством к электрону) атому (например, кислороду). Вследствие этого возникает связь атомов и молекул между собой. Вид химической связи в большой степени определяет основные физические, механические и другие свойства материала. При металлической связи большое число и «обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность материала. При ковалентной связи, как правило, наблюдается большая механическая прочность материалов (пример, алмаз — материал очень высокой твердости и прочности). Материалы с ионной связью хорошо растворяются в воде, молекулы которой поляризованы, и, взаимодействуя с ионами, разделяют их (наблюдается так называемая сольватация). Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразия строения материала. По строению все твердые тела делятся на три вида: аморфные, кристаллические и полимерные. Как известно, атомы в твердых телах могут размещаться в пространстве двумя способами: в строгом порядке или произвольно. При беспорядочном расположении атомы не занимают определенного места друг относительно друга. Такие тела называются аморфными. При упорядоченном расположении атомы занимают в пространстве вполне определенные места. Такие вещества называются кристаллическими. Благодаря упорядоченному расположению атомов в пространстве, их центры можно соединить воображаемыми прямыми линиями и совокупность таких пересекающихся линий представляет пространственную решетку, которую называют кристаллической решеткой. Вещества с кристаллическим строением характеризуются периодической повторяемостью строения в трех измерениях (так называемый многомерный дальний порядок), наличием точки плавления и в большинстве случаев анизотропией свойств, и в отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях. Следствием анизотропности кристаллов является их спайность, которая выявляется при разрушении. В изломах, проходящих через 11 кристалл, имеются правильные «микроплоскости», указывающие на смещение частей зерен под влиянием внешних сил правильными рядами и в определенном направлении. Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т. е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Для них характерно наличие ближнего и отсутствие дальнего порядков в строении. Они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации и характеризуются изотропией свойств (их свойства одинаковы во всех направлениях). Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривленную, так называемую раковистую форму. Для множества органических материалов (пластмасс, полимерных композиционных материалов) характерно полимерное строение — промежуточное между аморфным и кристаллическим. Такие материалы обладают большой молекулярной массой, одномерным дальним порядком, способностью к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, отсутствием точки плавления, изотропией свойств. Строение материала определяет его основные механические и технологические свойства. К основным механическим свойствам материала относятся: прочность — это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил; твердость — сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты); упругость — свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию; вязкость — способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность, вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке. Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить). Для оценки основных механических свойств конструкционных материалов и, прежде всего, металлов наиболее часто проводят испытания прочности и пластичности; твердости; ударной вязкости. Испытания проводятся для образцов материалов с использованием специального оборудования: разрывных машин типа Р20 12 (для испытания прочности и пластичности); маятникового копра (испытания на ударный изгиб и определения ударной вязкости); различных твердомеров (для испытания твердости). Среди всех видов механических испытаний металлов наиболее простым можно назвать испытания на твердость с помощью твердомеров. На основании механических испытаний определяются важные характеристики материала: предел пропорциональности; условный предел текучести; предел прочности при растяжении или сжатии; твердость и др. 1.2. Металлы и их свойства Все металлы, согласно классической физике, являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Строение металлов обусловливают их полезные физические свойства и эксплуатационные качества: теплопроводность, электропроводность, механическую прочность. Металлы можно разделить на группы по свойствам, по внутренней структуре, по химическому составу, по стоимости и по другим признакам. В настоящее время известно 104 химических элементов, из них 84 являются металлами. Современная металлургия получает свыше 60 металлов и производит на их основе более 5000 сплавов. Все металлы, как уже отмечалось, часто разделяют на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую удельную плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичный металл этой группы — железо и сплавы на его основе. К этой же группе относят кобальт, никель, марганец, а также тугоплавкие металлы, урановые металлы, редкоземельные и щелочноземельные металлы. Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную; желтую; белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; часто для них характерно отсутствие полиморфизма. 13 Цветные металлы обычно подразделяются на следующие группы: 1. Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой удельной плотностью. 2. Легкоплавкие металлы — цинк, олово, свинец, кадмий, висмут и др. 3. Благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы. Такие металлы обладают высокой устойчивостью против коррозии. К этой группе металлов также относится и медь, хотя она менее устойчива против коррозии. Характерной особенностью всех металлов является их способность образовывать сплавы. Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, но также они могут быть получены путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния. По числу компонентов (химических элементов или химических соединений) выделяют двойные, тройные сплавы. В жидком состоянии почти все металлы растворяются взаимно в любых соотношениях, но при затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов. В зависимости от характера этого взаимодействия выделяют следующие типы сплавов: твердые растворы (различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения); химические соединения; механические смеси. Наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы, о процессах затвердевания и структурного изменения различных сплавов дают диаграммы состояния сплавов. Диаграммы состояния представляют системы, компоненты которых полностью взаимно растворяются в жидком состоянии. Они характеризуют процессы затвердевания и структурного изменения различных сплавов и дают наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы и при всех охватываемых диаграммой температурах. Особо важное практическое значение имеет диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов — диаграмма состояния «железо — цементит». По диаграммам состояния сплавов можно заранее судить о свойствах всех сплавов данной системы, выбирать температуру нагре14 ва сплава при термической обработке сплава, обработке его давлением, температуру нагрева для литья. Многие металлы и их сплавы содержат легирующие элементы и примеси. Обычно сплавы легируют для улучшения их физических, химических, прочностных и технологических свойств, вводя в их состав различные легирующие элементы. Так, стали могут содержать один или несколько легирующих элементов (хром, марганец, никель, кобальт, вольфрам и др.), которые придают им специальные свойства, повышают механическую прочность или улучшают технологические свойства. Примеси — это дополнительные компоненты, которые ухудшают или улучшают свойства сплавов. Как все кристаллические тела, металлы имеют определенный тип кристаллической решетки. Наиболее часто у них различают три типа элементарных кристаллических ячеек: объемно-центрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Некоторые металлы в твердом состоянии могут изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки в разных температурных интервалах в зависимости от температуры или легирования. Это явление называют аллотропией (или полиморфизмом) и широко используется в технологиях термической обработки металлов для получения определенных свойств материала. Кристаллическая решетка тела, в которой все узлы заполнены однородными атомами, называется идеальной кристаллической решеткой. Любое отклонение строения кристаллического тела от идеального периодического строения называется дефектом. Обычно кристаллическая решетка реального металла не идеальна, а содержит определенные дефекты упаковки. Эти дефекты могут быть подразделены на группы: точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные — дефекты, соизмеримые с размерами атомов (так называемые нульмерные дефекты). К ним относятся вакансии, междоузлия, атомы примесей замещения и внедрения. Линейные — линейный набор точечных дефектов, которые могут являться местом скопления примесей — дислокации. Это нарушения структуры, приводящие к сдвигу атомных плоскостей в решетке. Различают краевые и винтовые дислокации. Поверхностные — границы зерен, т. е. микрообъемы, в которых кристалл вырос в одном направлении, границы между разными участками кристаллов или доменов, ряды или сетки дислокаций. 15 Объемные — скопление вакансий, образующее поры и каналы, скопление выделений из пересыщенного расплава, скопление посторонних включений. Дефекты строения металла вызывают упругие искажения структуры и внутренние механические напряжения, значительно изменяют электромагнитные свойства, механические, оптические свойства и параметры, оказывают влияние на тепловые характеристики материала. Пластическая деформация металлов Деформация — это изменение размеров и (или) формы тела, вызванное взаимным смещением его частиц под воздействием механической или другой нагрузки. Деформация может быть упругой и пластической. Упругая деформация — это обратимая деформация, которая исчезает после снятия вызвавшей ее внешней нагрузки. Пластическая деформация — необратимое изменение формы или размеров тела без его разрушения, возникающие при механических воздействиях, и в основе которого лежит перемещение дислокаций в металле. В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую пластическую деформацию. Движение дислокаций в процессе пластической деформации порождает множество новых дислокаций, в результате их плотность повышается, что и приводит к упрочнению (к повышению предела прочности) материала, которое называется наклепом, или нагартовкой. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен — текстурой. При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, прочность) и понижаются пластичность и вязкость материала, изменяются его физические свойства — понижается плотность металла, возрастает удельное электрическое сопротивление, у магнитных материалов возрастает коэрцитивная сила, понижается магнитная проницаемость и остаточная индукция. Способность пластически деформироваться — важное и полезное свойство многих металлов и сплавов. Данное свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т.д. 16 Большое значение имеет оно и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий. Термическая обработка Термическая обработка — собственное тепловое воздействие или тепловое воздействие, сочетаемое с деформационными и (или) химическими воздействиями. Применяется термическая обработка для придания металлу или сплаву определенного комплекса механических или химических свойств, для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик изделия или для изменения структуры и свойств металлических деталей в заданном направлении. Термическая обработка применяется либо как промежуточная технологическая операция (для улучшения обрабатываемости давлением или резанием), либо как окончательная операция при изготовлении изделия. Различают следующие виды термической обработки: собственная термообработка (ТО), химико-термическая обработка (ХТО) и термомеханическая обработка (ТМО). Собственная термообработка (ТО) заключается только в термическом воздействии на металл или сплав. Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в сочетании термического и химического воздействия на поверхность. Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в сочетании термического воздействия и пластической деформации. Наиболее широко применяются такие виды термической и химико-термической обработки, как: — отжиг; — нормализация; — закалка (с последующим низким, средним или высоким отпуском); — улучшение; — старение; — насыщение поверхностного слоя материала определенными элементами: углеродом (цементация), азотом (азотирование), различными металлами (диффузионная металлизация). Термическая обработка проводится по строго определенному циклу, который определяется: — температурой нагрева; 17 — скоростью нагрева; — временем выдержки при заданной температуре; — скоростью охлаждения. Варьируя этими параметрами при термической обработке, изменяют фазовую и дислокационную структуру сплава, получают определенные требуемые механические и другие свойства. 1.3. Стали и чугуны 1.3.1. Классификация и маркировка сталей Главные требования, предъявляемые к конструкционным материалам, — это высокая механическая прочность и пластичность. Дополнительные требования: коррозионная стойкость, низкая плотность, низкая или высокая электропроводность, обычно добавляются в зависимости от области применения материала. Как уже говорилось, все конструкционные материалы подразделяются на металлические и неметаллические. В металлических конструкционных материалах (металлах и сплавах) наиболее часто сочетается высокая прочность и пластичность, но они тяжелее (имеют более высокую плотность), дороже (особенно цветные металлы), имеют большую электропроводность и теплопроводность по сравнению с неметаллическими материалами. В качестве металлических конструкционных материалов широко применяются сплавы черных металлов на основе железа и цветных на основе алюминия, меди, магния и титана. Наиболее важное место среди всех конструкционных материалов занимают железоуглеродистые сплавы: стали и чугуны. Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, а чугунами — сплавы, имеющие в своем составе от 2,14 до 6,67 % углерода. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод. Железо может находиться в двух аллотропических формах (a и g) и образовывать с углеродом твердые растворы внедрения и химическое соединение. Растворимость углерода в железе различна: a-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °C), g-железо растворяет значительно большее количество углерода — до 2,14 % при 1147 °C. Твердый раствор углерода и других элементов в a-железе 18 называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность, но высокую пластичность. Твердый раствор углерода и других элементов в g-железе называется аустенитом. Аустенит пластичен и достаточно прочен, но в железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe3C, называемое цементитом, или карбидом железа. Цементит содержит 6,67 % углерода, имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Углерод — главный элемент, от которого зависят свойства сталей. С увеличением концентрации углерода повышается прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вязкость сталей. В зависимости от количества углерода все стали делят на группы: доэвтектоидные (содержат до 0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С) и заэвтектоидные (содержат свыше 0,8 % С). Для сталей различают классификации по химическому составу, по содержанию углерода, по назначению и др. По химическому составу различают углеродистые и легированные Стали. Углеродистые стали в своем составе кроме железа и углерода содержат марганец (до 1 %) и кремний (до 0,8 %), а также определенные вредные примеси: серу, кислород и фосфор. В состав легированных сталей специально вводят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др. Легирующими элементами могут быть также марганец при его содержании более 1 % и кремний — более 0,8 %. Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотропические превращения в железе, фазовые превращения в стали и служат для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик стали и придания ей особых свойств. К элементам, способным образовывать карбиды, относятся Мn, Cr, W, V и др. Обозначают карбиды формулами: Cr7C3, W2C, VC и др. Элементы, не образующие карбидов — Ni, Si и другие, находятся в стали главным образом в твердом растворе. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистые (малоуглеродистые), среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали. Содержание углерода в низкоуглеродистых сталях оставляет менее 0,25 %, в среднеуглеродистых — от 0,25 до 0,60 %, а в высокоуглеродистых — превышает 0,60 %. 19 По структуре различают классы сталей в отожженном и нормализованном состояниях: в отожженном состоянии — ферритный, аустенитный; в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный. К перлитному классу обычно относят углеродистые и низколегированные стали, к мартенситному — среднелегированные стали, к аустенитному — высоколегированные стали. По назначению различают конструкционные, инструментальные стали и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали — материалы для изготовления строительных и машиностроительных деталей или изделий. Инструментальные стали — материалы для изготовления режущего, мерительного и прочих инструментов. Содержание углерода в таких сталях составляет более 0,65 %. Среди сталей с особыми свойствами (специального назначения) различают группы: — с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар и др.; — с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали. По качеству различают стали: обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные. По характеру застывания из жидкого состояния или степени раскисления различают стали: спокойные, полуспокойные и кипящие. В зависимости от содержания легирующих элементов различают низко-, средне- и высоколегированные стали. Легированные стали по содержанию легирующих элементов разделяются: низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (свыше 10 %). Маркировка сталей Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и условным номером марки (от 0 до 6) Примеры маркировки: Ст1кп2 — углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, марки 1группа А; ВСт5Г — углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца (Г), спокойная, марки 5. 20 Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации: а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65 % углерода; б) в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой «У». Высококачественные стали маркируют так же, как и качественные, но в конце марки ставят букву А. Примеры маркировки: 05кп — сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05 % углерода; 60 — сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60 % углерода; У7А — углеродистая инструментальная, высококачественная сталь, содержащая 0,7 % углерода, спокойная. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А, Б, В, и т. д. Обозначение основных легирующих элементов при маркировке сталей представлено в табл. 1.1. Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8–1,5 % легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2–0,3 %), а также бора, ниобия, циркония, селена и редкоземельных элементов (эти присадки в сталях могут быть в количестве 0,4–0,005 %). Таблица 1.1 Обозначение А К Т Б М Ф В Н Х Химический Химический Обозначение элемент элемент Азот Г Марганец Кобальт Д Медь Титан П Фосфор Ниобий Ц Цирконий Молибден Р Бор Ванадий Ю Алюминий Вольфрам Е Селен Никель С Кремний Хром Ч Редкоземельные элементы 21 Примеры маркировки стали: 14Г2 — низколегированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,14 % углерода и до 2,0 % марганца. 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,03 % C, 16,0 % Cr, 15,0 % Ni, до З,0 % Мо, до 1,0 % Nb. 1.3.2. Конструкционные стали Конструкционные стали — стали, из которых изготовляют детали и узлы машин, механизмы, строительные конструкции и многое другое. Обычно конструкционные стали подразделяют на несколько групп: — улучшаемые конструкционные стали; — цементуемые конструкционные стали; — пружинно-рессорные стали; — стали для подшипников качения; — автоматные стали; — строительные стали; — стали специального назначения. Улучшаемые конструкционные стали — как правило, это среднеуглеродистые, мало- или среднелегированные стали. Свойства таких сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке в масле и последующем высоком отпуске (550–650 °C) с получением структуры сорбита. Цементуемые стали — малоуглеродистые стали. Их назначение — обеспечивать в изделии высокую поверхностную твердость и износостойкость при высокой пластичности и ударной вязкости сердцевины. Детали подвергаются цементации и последующей закалке с низким отпуском, чем обеспечивается высокая твердость науглероженного слоя, а сердцевина не упрочняется и сохраняет высокую пластичность. От сталей для подшипников качения требуется высокая твердость и износоустойчивость, что достигается высоким содержанием в них углерода (около 1 %), легированием хрома (до15–18 %) и термообработкой: закалкой в масле с низким отпуском. Автоматные стали предназначены для изготовления изделий (гайки, болты, оси и др.), обрабатываемых на автоматических ли22 ниях. Такие стали хорошо обрабатываются режущими инструментами благодаря повышенному содержанию в них S, P, Рb. Строительные стали (арматурная, мостовая и др.), как правило, содержат не более 0,2–0,25 % углерода, так как большинство строительных конструкций изготовляют с применением сварки. Наиболее широко для металлических конструкций применяется углеродистая сталь обыкновенного качества. Среди группы сталей специального назначения обычно выделяют стали специального назначения с особыми физическими свойствами (с определенными магнитными и электрическими характеристиками) и стали с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали. Среди всех конструкционных сталей в энергетике и электротехнике наиболее широко применяются пружинно-рессорные стали и стали с особыми физическими свойствами (электротехнические стали). Пружинно-рессорные стали с особыми свойствами обычно подразделяют на следующие группы: нержавеющие (Cr не менее 13 %): 40Х13, 40Х14Ф, 65Х13 и пр.; жаростойкие и теплостойкие стали: 40Х9С2, 40Х10С2М, 07Х16Н4Б, 09Х17Н7Ю, 03Х10Н11М2Т и пр. Стали с особыми физическими свойствами, такие как сталь электротехническая нелегированная, сталь электротехническая кремнистая, высокоуглеродистые легированные закаленные стали, занимают одно из первых мест по применяемости в энергетике и электротехнике. Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая применяется для изготовления электрических машин и аппаратов постоянного и переменного тока промышленной частоты (сердечники, реле, трансформаторы, статоры электрических машин). Марку стали обозначают пятизначным числом: — первая цифра в марке указывает способ изготовления: 1 — горячекатаная; 2 — холоднокатаная изотропная. — вторая цифра (0) указывает низкое содержание кремния (менее 0,03 %), если вместо нее стоит цифра 1, сталь изготовляют с нормированным коэффициентом старения (процент увеличения коэрцитивной силы Hc образца после старения). — третья цифра — 8 определяет основное нормируемое свойство, гарантируемое для стали — коэрцитивную силу Hc. — четвертая и пятая цифры читаются вместе и обозначают максимальное значение коэрцитивной силы, А/м.) 23 Сталь электротехническая тонколистовая кремнистая применяют для генераторов, двигателей, трансформаторов. Марку стали по ГОСТ обозначают четырехзначным числом: — первая цифра в марке указывает способ изготовления и структурное состояние стали: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. — вторая цифра указывает содержание кремния: 0 — до 0,4 % включительно (нелегированная); 1 — свыше 0,4 до 0,8 %; 2 — свыше 0,8 до 1,8 %; 3 — свыше 1,8 до 2,8 %; 4 — свыше 2,8 до 3,8 %; 5 — свыше 3,8 до 4,8 %. — третья цифра определяет основное нормируемое свойство, гарантируемое для стали: 0 — удельные потери при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (р1,7/50); 1 — удельные потери при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц; 2 — удельные потери при индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц; 6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н = 0,4 А/м; 7 — магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля H = 10 А/м; — четвертая цифра в марке стали означает порядковый номер стали в пределах одного типа. Высокоуглеродистые легированные закаленные стали — стали, закаленные до мартенсита, легированные такими элементами как вольфрам, хром, молибден, кобальт. Содержание углерода в них составляет не менее 0,7 %. Марки таких сталей: ЕХ3, ЕХ5К5, ЕХ9К15М и др. Такие стали применяют для изготовления постоянных магнитов и других элементов магнитных цепей. На железнодорожном транспорте, кроме названных сталей, значительное место занимают рельсовая, осевая, бандажная, колесная стали. Ко всем сталям предъявляются повышенные требования, что связано с условиями их эксплуатации: вибрациями, ударными нагрузками, интенсивным изнашиванием, резкими изменениями в окружающей среде. 24 1.3.3. Конструкционные чугуны Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, кроме этого в состав чугунов всегда входят кремний (от 0,5 до 3 %) и марганец (от 0,5 до 1,5 %). Чугуны являются исключительно литейными сплавами. Они не подвергаются никакому пластическому деформированию. Чугунные отливки составляют более 80 % всего фасонного литья. При производстве отливок возможны случаи, когда в полученном чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. По структуре и свойствам чугуны подразделяются на белые, серые, высокопрочные и ковкие. В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны имеют ферритнографитную структуру. Различие в их структуре составляет только форма графитных включений, которая может быть пластинчатой, шаровидной или хлопьевидной соответственно в сером, высокопрочном и ковком чугунах. Чугун ферритно-графитной структуры, в котором весь углерод находится только в свободном состоянии в виде, называют серым ферритным чугуном. В зависимости от формы графитных включений изменяется прочность чугуна. Наиболее сильно ослабляет металлическую основу пластинчатый графит, наименее сильно — шаровидный. Маркируются чугуны двумя буквами: СЧ, ВЧ и КЧ, далее следует число, показывающее предел прочности при растяжении (серые чугуны), или два числа, показывающие предел прочности при растяжении и относительное удлинение (высокопрочные и ковкие чугуны), например, СЧ35, КЧ 35–10, ВЧ70. Отливки из чугуна широко используются в машиностроении: для станин металлорежущих станков, маховиков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и тракторных двигателей, картеров, зубчатых колес, распределительных валов и др. Применяются чугуны и для изготовления таких деталей и частей электрических машин, главным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок (валы, станины и стояки). 25 1.4. Цветные металлы и сплавы 1.4.1. Алюминий и его сплавы Алюминий — легкий металл с удельной плотностью 2700 кг/м3. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная пленка Al2O3 предохраняет его от коррозии. Из-за низкой прочности алюминий технической чистоты не применяется как конструкционный материал. Однако высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хранения продуктов питания. Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Классификация алюминиевых сплавов: — деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; — деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы подразделяют на группы: упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. К деформируемым, не упрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Они не упрочняются термической обработкой. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мп и Мg в Al. Поставляются в виде листового проката, а также прессованного материала. К деформируемым, упрочняемым термической обработкой относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и другие. Типичные представители сплавов — дуралюмины и авиали. Дуралюмины (маркируются Д) относятся к сплавам системы Аl–Си–Мg и характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. В состав дуралюминов часто дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свойства. Однако перечисленные компоненты образуют растворимые соединения, такие как СиАl2, Mg2Si, Al2CuMg, Аl12Мn2Си, вызывающие старение материала. 26 Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500–600 МПа. Авиали — сплавы системы Аl–Си–Мg, в состав которых добавочно входит цинк, который делает эти сплавы более пластичными, чем дуралюмины. Литейные алюминиевые сплавы — силумины. Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния. Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы, содержащие 12–13 % Si . Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ: А — означает, что сплав алюминиевый, Л — литейный; цифра после буквенного обозначения — порядковый номер по ГОСТ. Например, в сплаве АЛ-2 кроме алюминия содержится 10–13 % Si; 0,8– 1,5 % Fe и 2,2–2,8 % других элементов. Существует и другая система маркировки литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583–73 Е), подобная маркировке легированных сталей, в которой указывается буквами легирующий элемент (К – кремний, М — медь, Н — никель, Ц — цинк), а цифрами — их содержание. Например, АК21М2,5Н2,5 алюминиевый сплав, содержащий 20–22 % Si; 2,2–3,0 % Cu; 2,2–3,8 % Ni. Силумины широко используют для изготовления картеров и блоков двигателей, корпусов компрессоров, деталей авиационных двигателей, корпусов приборов и др. По жаропрочности все алюминиевые сплавы превосходят спеченные алюминиевые порошки (САП). САП относятся к композиционным материалам, которые состоят из алюминия и оксида алюминия, и которые получают методами порошковой металлургии. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием и удовлетворительно свариваются. Наиболее часто САП используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 500 °C, когда требуется также высокая прочность и коррозионная стойкость конструкции. 1.4.2. Медь и ее сплавы Медь — это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м3. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (r = 0,0178 Ом·мм2/м), поэтому чистая медь находит широкое применение в электротехнике. Технически 27 чистая медь маркируется М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), M1 (99,95 % Cu) и т. д. Механические свойства чистой меди относительно низки. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и антифрикционных свойств. Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основной легирующий элемент — это цинк. Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45 %. В зависимости от содержания цинка различают однофазные латуни и двухфазные латуни. Однофазные латуни (до 39 % цинка) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состояния, так как они имеют хорошую пластичность. Из них изготавливаются ленты, радиаторные трубки, проволока, гильзы патронов. Двухфазные латуни, содержащие цинка от 39 до 45 %, используются для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 °C. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали. Латуни маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л 62 имеется 62 % Сu и 38 % Zп. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О – олово, А — алюминий, К — кремний, С — свинец, Н — никель, Мц — марганец, Ж — железо). Количество этих элементов обозначается цифрами. Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных. Двухфазные латуни нередко легируют Аl, Fe, Ni, Si, Мn, Рb и другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными. Так, свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства (ЛC 59–1). Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкость латуни (ЛA 77–2). Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к деформациям (ЛК 80–3). Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства (ЛН 65–5). Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (ЛО 70–1 — морская латунь). 28 Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые, из которых изготавливают листы, ленту, трубы, проволоку (ЛАЖ 60–1–1, ЛЖМц 59–1–1, ЛC-59–1) и литейные для фасонного литья (ЛК 80-ЗЛ, ЛАЖМц 66–6–3–2, ЛКС 80–3–3), из которых изготавливают детали в судостроении и общем машиностроении. Латунь ЛC 59–1 относится к двухфазным и называется автоматной латунью, так как хорошо обрабатывается резанием, чему способствует присутствующий свинец. Литейные латуни обозначаются подобно легированным сталям, где количество каждого легирующего элемента приводится непосредственно после его буквенного обозначения. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит около 23 % Zn, 6 % Al; 3 % Fe, 2 % Mn и остальное медь. Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Название бронзам дают по основным элементам. Так, подразделяются бронзы оловянные, свинцовые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и др. Бронзы маркируются буквами «Бр», за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Например, бронза БрО4Ц2С2,5 содержит около 4 % Sn, 2 % Zn и 2,5 % Рb. Бронза с содержанием 10 % олова является лучшим антифрикционным материалом и применяется как подшипниковый сплав. Различают деформируемые (БрО6,5Ф0,15; БрО4Ц3; БрО4Ц4С2,5) и литейные (БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО5Ц5С5, БрО10) бронзы. Из деформируемых бронз изготавливают прутки, трубки, ленту, проволоку. Литейные бронзы применяют для изготовления пароводяной аппаратуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов, червячных колес, вкладышей подшипников скольжения. В электротехнической промышленности кроме латуней и бронз широко применяются сплавы меди с никелем, такие, как константан, мельхиор, куниаль, нейзильбер. Такие сплавы маркируются буквой М, а по легирующим элементам — как бронзы. В качестве примера можно привести константан МНМц40–1,5, который имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах, или мельхиор МНЖМпЗО-1–1, имеющий высокую коррозионную стойкость и применяющийся в теплообменных аппаратах, работающих в морской воде. 29 1.5. Композиционные и неметаллические материалы 1.5.1. Композиционные материалы Композиционным материалом (композитом) называется конструкционный материал, состоящий из двух или более компонентов, химически не связанных между собой, но изменяющих параметры (свойства) материала в целом по сравнению с параметрами (свойствами) каждого из компонентов. Обычно основные свойства, размеры, форма и распределение компонентов в таком материале заранее проектируются и формируются в процессе его изготовления. Основные компоненты любого композита — это матрица и наполнитель (или армирующий элемент). Компонент, непрерывный в объеме материала, называют матрицей, прерывистые компоненты — армирующими элементами. В качестве матрицы может выступать металл, сплав или полимер. Матрица связывает композицию и придает ей форму. От свойств матрицы зависят технологические режимы получения материала и такие его характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, сопротивление воздействию среды, плотность, удельная прочность. Армирующие элементы равномерно распределяются в матрице. Армирующие элементы могут значительно изменять прочностные и другие характеристики материала. Они могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали или бериллия. В зависимости от формы наполнителя различают волокнистые, слоистые и дисперсно-упрочняемые композиционные материалы. Материалы, армированные стекловолокнами, называются стеклопластиками, армированные металлическими волокнами — металлопластиками, борными волокнами — боропластиками, углеродистыми волокнами — углепластиками. Наиболее часто композиты представляют собой неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу, в которую введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы, хлопья, твердые частицы более прочного компонента. В резуль30 тате такого комбинирования создается удачное сочетание максимальной прочности с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы (композита) с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствам. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, позволяющей обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. Композиты с металлической матрицей (МКМ) состоят из металлической матрицы (чаще всего Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Композиты с неметаллической матрицей (ПКМ, ККМ) состоят из неметаллической матрицы и упрочняющих наполнителей. В качестве неметаллических матриц наиболее широко используются полимерные, углеродные и керамические материалы. Упрочняющими наполнителями могут служить различные волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. К основным полимерным композиционным материалам относятся: а) стеклопластики — материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т. д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т. д.). Такие материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными 31 свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики достаточно дешевые материалы и их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т. п.; б) углепластики — полимерные композиты, в которых наполнителем служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т. д. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков (термореактивные и термопластичные полимеры). Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медицинской техники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря. На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 °C. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование; в) боропластики — материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу. Волокна могут быть как в виде нитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью, или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока в связи с особенностя32 ми технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. Боропластики используются в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды; г) органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, или реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги. В термореактивных органопластиках матрицей, как правило, служат эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, полиимиды. Содержание наполнителя в таких материалах составляет 40–70 %; д) полимеры, наполненные порошками (наполненные термореактивные полимеры). Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Известно более 10000 марок наполненных полимеров, которые широко используются в разных областях науки и техники. Применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электрической изоляции, облицовочных плиток и полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера; е) текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяется неорганическое связующее — на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т. д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов. Гибридные композиционные материалы (ГКМ), обычно подразделяют следующим образом: — однородные, характеризующиеся равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему материала; 33 — материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распределенные по объему материала; — композиты с плоскостной неоднородностью, когда волокна каждого вида образуют чередующиеся слои; — макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия. На железнодорожном транспорте в современных условиях композиционные материалы успешно заменяют традиционно применяемые металлы и сплавы. Так, в тормозных устройствах достаточно широко применяются композитные фрикционные кольца. Такие фрикционные кольца успешно устраняют кольцевой износ шейки оси при плохой фиксации подшипника. Композиционные материалы нашли применение и в локомотивах, где это вызвано соображениями аэродинамики, дизайна и безопасности. Перспективным материалом здесь может стать композит на основе сотового алюминия. Сочетание малой массы и возможности придания изделию любой формы делает сотовый алюминий одним из наиболее надежных, эффективных и практичных из доступных материалов. На железнодорожном транспорте конструкции из сотового алюминия используются в виде заведомо разрушаемых зон, устраиваемых в торцевых частях подвижного состава для поглощения энергии в таких целях, как, например защита кабины управления при столкновении. 1.5.2. Пластмассы Пластмассами называют искусственные композиционные материалы, полученные на основе органических или неорганических полимерных связующих веществ, наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и красителей. Для всех пластмасс характерно следующее: высокие электроизоляционные свойства, хорошие механические свойства, достаточно высокая нагревостойкость, химическая стойкость, влагонепроницаемость, высокая технологичность и низкая стоимость. Среди всего разнообразия материалов часто выделяют простые и сложные пластмассы. 34 Простые пластмассы представляют собой чистые полимеры (например, полиэтилен, органические стекла и др.) Сложные пластмассы — материалы, в состав которых кроме полимера входят другие компоненты: накопители, отвердители, ингибиторы, пластификаторы, отвердители, красители и смазывающие добавки. Полимером обычно служат различные смолы, которые в период формирования деталей находятся в жидком или высокопластическом состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом состоянии. При нагревании до определенной температуры полимер приобретает пластичность, а затем затвердевает, сохраняя заданную форму при эксплуатации. По форме макромолекул различают полимеры с линейной, разветвленной, лестничной и сетчатой формой. Полимеры линейной структуры, по сравнению со «сшитыми» (пространственной, паркетной структуры), имеют меньшую прочность и теплостойкость, более склонны к ползучести и лучше растворимы. Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители пластмасс могут находиться в газообразной или твердой фазе. Они могут быть органического (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганического (графитная, асбестовая и кварцевая мука; стекловолокно; стеклоткань) происхождения. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Например, пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Пластификаторы увеличивают текучесть, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. Отвердители ускоряют процесс затвердевания пластмасс. Красители придают пластмассам нужный цвет. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при переработке. По виду связующего, его поведению при нагреве пластмассы подразделят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты (полиэтилен, фторопласт, полистирол, полиамиды и др.) имеют свойства обратимости: при повторных нагреваниях они переходят в пластическое или вязкотекучее состояние и им можно придать необходимую форму, а затем они вновь 35 затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты легко формуются и надежно свариваются в изделия сложных форм, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Свойства термопластов сильно зависят от температур. Термореактивные пластмассы не переходят в пластическое состояние при повторном нагревании. Они имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, сопротивлению усталостной прочности. Их свойства не так резко зависят от температуры. В зависимости от наполнителя различают монолитные (карболит), слоистые (текстолит, гетинакс) и композиционные пластмассы, где наполнителем используются волокна. В термореактивных пластмассах связующими являются эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы. По своим электрическим свойствам пластмассы относятся к классу диэлектриков. Термопластичные пластмассы по электрическим свойствам подразделяются на неполярные и полярные диэлектрики. К группе неполярных пластмасс относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт-4 и др. К группе полярных пластмасс — фторопласт-3, органическое стекло, полиамиды, поливинилхлорид, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты и др. В термореактивных пластмассах в качестве связующего вещества применяются термореактивные смолы. Кроме этого в их состав иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы подразделяются на группы: порошковые, волокнистые и слоистые. Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику свойство анизотропии. Материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали. Широкое применение в качестве конструкционных материалов получили такие слоистые пластики, как: гетинакс, текстолит (и их модификации), древеснослоистые пластики (ДСП) и др. 36 Текстолит среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки и хорошо сопротивляться раскалыванию. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным термоизоляционным и электроизоляционным материалом и обладает высокой теплостойкостью (до 300°С) и механической прочностью. К пластмассам, которые имеют малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики, относятся газонаполненные пластмассы. Газонаполненные пластмассы — гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на две группы: пенопласты — материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего; поропласты — губчатые материалы с открытопористой структурой. Обе группы газонаполненных пластмасс нашли широкое практическое применение и, в первую очередь, как теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы. 1.5.3. Резиновые материалы Резины — это продукты вулканизации композиций на основе каучуков и близких к ним по свойствам веществ, называемых эластомерами. Резина состоит из многокомпонентной смеси (добавки и наполнители), содержащей до 15 веществ, выполняющих различные функции. Основой резин является каучук натуральный или синтетический. Подавляющее большинство резиновых материалов производится на основе синтетических каучуков (всего около 250 видов). Ингредиенты, которые входят в состав вулканизируемой смеси: 1) вулканизирующие вещества (агенты) — сера; 2) наполнители (сажа, оксид цинка — для улучшения механических свойств; мел, тальк — для снижения стоимости резин); 3) антиоксиданты; 4) красители. 37 Резина является материалом, отличающимся высокой эластичностью, почти полным отсутствием пластичности, материалом с хорошими электроизоляционными свойствами. Вулканизаторы (чаще всего серу) вводят с целью образования поперечных связей между макромолекулами каучука. В результате вулканизации каучука образуется резина — материал редкосетчатой структуры. При этом возрастают прочность, эластичность, а пластичность и растворимость почти полностью исчезают. Инертные наполнители вводят в состав резин с целью их удешевления. Активные наполнители (сажа, оксид кремния) вводятся для повышения механических свойств резины. Для улучшения механических свойств в состав резин вводят активные наполнители, повышающие твердость и прочность резины, ее сопротивление истиранию. Для повышения прочности в состав резины вводят активные наполнители (углеродистую сажу, кремнекислоту, оксид цинка и др.). Пластификаторы облегчают переработку резин, увеличивают их эластичность и морозостойкость. Процесс вулканизации повышает прочность и эластичность и снижает пластичность материала. При высокой степени вулканизации композиционной смеси, содержащей до 32 % серы, образуется твердый материал — эбонит (широко применяемый в качестве электрической изоляции). Резины способны к большим и практически полностью обратимым многократно повторяемым деформациям (т. е. высокоэластическим деформациям) под действием сравнительно небольших напряжений в широком интервале температур. Различают резины общего и специального назначения. Резины общего назначения получают на основе натурального (НК) и синтетических (СК): бутадиеновых и изопреновых каучуков. Эти резины широко применяются в резинотехнической промышленности для производства шин, плоских и клиновых ремней, конвейерных лент и т. д. Резины общего назначения характеризуются высокой стойкостью в воде, в слабых растворах кислот и щелочей, высокой морозостойкостью (до минус 50 °С). Резины специального назначения получают на основе хлоропрелового (найрита), бутадиеннитрильного или сульфидного каучуков. Такие резины имеют превосходную атмосферо-, бензо- и нефтестойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, воздухопроницаемость. Их применяют в резинотехнической промыш38 ленности для изготовления напорных рукавов, муфт, шлангов, всасывающих рукавов для жидких топлив и масел. К резинам специального назначения относятся также резины, которые получают на основе теплостойкого синтетическогои фторосодержащего каучуков. Они применяются для изготовления износостойких изделий, работающих при температурах от минус 60 до плюс 130 °С. По применению резины обычно подразделяются на классы: уплотнительные, вибро- и звукоизоляционные, силовые, фрикционные, для транспортировки жидкости или газа, для электрической изоляции и пр. Для электрической изоляции наиболее часто используются натуральный, изопреновый, бутиловый и кремнийорганические, хлоропреновый и этиленпропиленовый каучуки. Резины на основе натурального каучука обладают хорошими электрическим свойствам — это полярный диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью равной 2,4; с малыми диэлектрическими потерями (tg d = 0,002). Бутиловый каучук имеет превосходную атмосферо- и озоностойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, а также высокую воздухопроницаемость, обладают хорошими диэлектрическими свойствами. Резины на основе бутилового каучука применяются для изоляции установок высокого напряжения. К недостаткам таких резин можно отнести значительные остаточные деформации при растяжении и сжатии. Резины на основе изопренового каучука по своим диэлектрическими свойствами близки к резинам на основе натурального каучука. На основе изопреновых каучуков получают электроизоляционные материалы типа СКИ-3. В кабельной промышленности широко применяются кремнийорганические резины марок: К-69, К-69Т, К-673, К-1520. Эти материалы имеют высокий класс нагревостойкости (до 250 °С), сохраняют эластичность в диапазоне температур от минус 70 до плюс 100 °С, обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Резины на основе хлоропренового и этиленпропиленовых каучуков имеют высокую прочность и стойкость к воздействию внешних факторов, обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Они успешно применяются и при производстве множества РТИ и электрической изоляции. Хлоропреновый каучук кристаллизуется при растяжении, благодаря чему резины на его основе без наполнителей имеют высокую 39 прочность. При использовании наполнителей в резинах прочность в некоторых случаях снижается, но другие ценные свойства (сопротивление разрыву, бензостойкость и др.) часто улучшаются. Недостаток таких резин — ограниченная стойкость при низкой температуре. Резины на основе хлоропренового каучука широко применяются при производстве конвейерных лент, ремней, рукавов, шлангов, а также для изготовления оболочек проводов и кабелей, для защитных покрытий. Этиленпропиленовые резины имеют хорошую атмосферостойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, высокую воздухопроницаемость. Они устойчивы в агрессивных средах, обладают хорошими диэлектрическими и механическими свойствами. Применяются такие резины в производстве прочного полипропилена, губчатых изделий для изоляции проводов и кабелей. Для применения резин в электротехнической промышленности очень важно, что в зависимости от применяемого при их производстве каучуков можно получать материалы с разными электрическими свойствами. Например, резины с высокими электроизоляционными свойствами могут быть получены только на основе неполярных каучуков. 40 2. Магнитные материалы 2.1. Основные свойства магнитных материалов 2.1.1. Поведение материалов в магнитном поле Все материалы обладают определенными магнитными свойствами, что обусловлено реакцией материала на воздействие внешнего магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который определяется из закона Ампера, выражающего силу, которая действует на элемент длины проводника с током I, помещенного в магнитное поле: dF = kI[Bdl], (2.1) где dF — сила; k — коэффициент пропорциональности; B — вектор магнитной индукции; dl — вектор элемента длины проводника, проведенный в направлении протекания тока. Из закона Ампера следует, что магнитная индукция численно равна силе, действующей на единицу длины проводника, расположенного перпендикулярно к направлению магнитного поля, по которому течет ток единичной силы. Таким образом, магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля. Магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряжённостью магнитного поля в нем следующим образом: B = m0mrH, (2.2) где m0 — магнитная постоянная равная, 4.10–7 Гн/м; mr — относительная магнитная проницаемость материала; Н — напряженность магнитного поля. 41 Напряженностью магнитного поля называется векторная величина, характеризующая магнитное поле, созданное движущимися зарядами и токами, и не зависящая от магнитных свойств окружающей среды. Удельная энергия магнитного поля зависит от напряженности и индукции и находится по формуле W = B ЧH . 2 (2.3) Известно, что магнитное поле создается электрическим током. Согласно закону Био– Савара напряженность магнитного поля Н пропорциональна силе тока и равна H = I , 2pR (2.4) где I — сила тока; R — расстояние (радиус) до проводника с током. Приведем выражение для напряженности поля в длинном соленоиде, которое специфично именно для магнитного поля, создаваемого током I: H = wIB = m 0m r wI , (2.5) где w — число витков катушки на единицу длины. Намагниченность любого вещества в магнитном поле J можно определить как отношение суммарного магнитного момента M материала к единичному объему V J = M . V (2.6) Намагниченность материала пропорциональна напряженности магнитного поля J = km · H, (2.7) где km — магнитная восприимчивость, величина безразмерная, характеризующая способность к намагничиванию данного вещества. Магнитная индукция B является основным параметром магнитного материала и складывается из двух составляющих 42 B = m 0 H + m r J = m 0 H (1 + km ) = m 0m r H . (2.8) Следовательно, относительная магнитная проницаемость зависит от магнитной восприимчивости материала и равна mr = 1+ km. 2.1.2. Классификация материалов по магнитным свойствам По поведению в магнитном поле все материалы можно разделить на две группы: немагнитные (слабомагнитные) и сильномагнитные (магнитные). К немагнитным материалам относятся диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики. К магнитным материалам — ферромагнетики и ферримагнетики. Диамагнетики — вещества с магнитной проницаемостью чуть меньше единицы, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это вещества, в которых в «чистом» виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков коэффициент магнитной восприимчивости материала отрицателен и равен km = (10–6 – 10–7), mr Ј 0. Коэффициент магнитной восприимчивости km диамагнетиков практически не зависит от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния. К диамагнетикам относятся все неорганические стекла, полупроводниковые элементы и их соединения, некоторые металлы (медь, серебро, золото, цинк, ртуть), инертные газы, водород, азот, вода. Парамагнетики — вещества с некомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть больше единицы km = (10–7 – 10–6), mr > 1. 43 Коэффициент магнитной восприимчивости km парамагнетиков в большинстве случаев мало зависит от температуры. К парамагнетикам относятся многие вещества, среди которых кислород, оксид азота, щелочные металлы, алюминий, платина, натрий, магний, тантал, вольфрам, соли черных металлов — железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Ферромагнетики — вещества, в которых до определенной температуры (температуры Кюри), наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Коэффициент магнитной восприимчивости ферромагнетиков (так же как и mr) достигает больших положительных значений и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона km >0, mr >>1. Основными ферромагнетиками являются железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, хрома и алюминия. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, сплавы RCo5, где R — редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr) — также проявляют свойства ферромагнетиков. Антиферромагнетики — материалы, у которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Для антиферромагнетиков коэффициент магнитной восприимчивости материала равен 10–3–10–5, и он сильно зависит от температуры. Магнитная упорядоченность исчезает при нагревании до определенной температуры, которая называется точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри), и материал переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетиками относятся хром, марганец, цезий, неодим, самарий, химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов. 44 Ферримагнетики — это вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Коэффициент магнитной восприимчивости ферримагнетиков (также как и mr) достигает больших положительных значений и зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При температурах выше точки Нееля ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние. К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, и в первую очередь — ферриты. В электротехнике практический интерес представляют сильномагнитные материалы (ферромагнетики и ферримагнетики). Подробнее рассмотрим их общие свойства и основные характеристики. 2.1.3. Общие свойства магнитных материалов К общим свойствам магнитных материалов относятся: 1) наличие кристаллической структуры. Ферромагнетики в основном имеют три типа кристаллических решеток (рис. 2.1): кубическую гранецентрированную (никель), кубическую объемноцентрированную (железо) и гексагональную (кобальт); среднее легкое среднее трудное легкое кубическая гранецентрированная легкое трудное кубическая объемно-центрированная трудное гексагональная Рис. 2.1. Типы кристаллических решеток магнитных материалов 45 2) зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего магнитного поля и температуры; 3) явление магнитного гистерезиса; 4) наличие температуры Кюри, т. е. такого предельного значения температуры, выше которого ферромагнитный материал теряет магнитные свойства и становиться парамагнетиком (mr = 1); 5) магнитная анизотропия. 2.1.4. Процесс намагничивания магнитных материалов Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связано с их доменным строением. Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей — доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности. Домен — это малая область самопроизвольной намагниченности, возникающая даже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которой магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Ниже температуры точки Кюри ферромагнитное тело разбито на домены и внутри каждого домена намагниченность равна намагниченности насыщения. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность может быть равна нулю. Такое состояние энергетически выгодно, и кристалл в целом не магнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно. Намагничивание ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля сводится к следующим процессам: — рост доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля, и к уменьшению размеров других доменов (процесс смещения границ доменов); — поворот собственных магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное насыщение достигается в момент, когда рост доменов прекратится и магнитные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля. Схема ориентации спинов в доменах приведена на рис. 2.2. 46 Поля нет Слабое поле Сильное поле H Насыщенное H H Рис. 2.2. Процесс намагничивания магнитного материала 2.1.5. Основная кривая намагничивания Основной характеристикой магнитного материала является кривая намагничивания — зависимость магнитной индукции материала В от напряженности внешнего магнитного поля Н. Основная кривая намагничивания магнитного материала представлена на рис. 2.3. Ее можно разбить на четыре области, характеризующие процесс намагничивания. B 3 Bmax 4 2 amax Bн 1 Hн aн H Hmax Рис. 2.3. Основная кривая намагничивания Область от 0 до 1 — процессы смещения границ доменов носят обратимый характер, это область слабых магнитных полей, Н < 0,1 А/м. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость не изменяются. Смещение границ доменов носит упругий характер. Магнитная цепь представляет собой линейный магнитный элемент. Область от 1 до 2 — процессы необратимого смещения границ доменов. В этой области происходит неупругое смещение границ доменов — это процесс необратимый. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость изменяются за счет роста напряженности внешнего магнитного поля 47 Область от 2 до 3 — процессы вращения. Происходит поворот векторов собственного намагничивания и их ориентация в направлении внешнего магнитного поля. Индукция изменяется за счет процесса вращения Область от 3 до 4 — насыщение. Область, где наблюдается незначительное увеличение магнитной индукции В, которое происходит только за счет роста намагниченности самого домена. 2.1.6. Магнитная проницаемость В технике используются несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала. Основными из них являются абсолютная, относительная, начальная, максимальная, дифференциальная и динамическая магнитные проницаемости. Абсолютная магнитная проницаемость ma = B . H (2.9) Относительная магнитная проницаемость mr = B . m0H (2.10) Относительная магнитная проницаемость определяется как отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания с учетом магнитной постоянной. Значение магнитной постоянной m0 равно 4p ·10–7 Гн/м. Зависимость mr = f(H) показана на рис. 2.4. При сильных полях в области насыщения относительная магнитная проницаемость существенно уменьшается. Начальная магнитная проницаемость — это магнитная проницаемость при напряженности магнитного поля, равной нулю. На практике ее значение определяется при очень слабых полях, не более 0,1 А/м. Максимальная магнитная проницаемость — это наибольшее значение магнитной проницаемости при изменении магнитного поля. Дифференциальная магнитная проницаемость — это отношение производной индукции по напряженности магнитного поля в дан48 ной точке кривой намагничивания к магнитной постоянной. Дифференциальная магнитная проницаемость равна md = dB . m 0dH (2.11) С ростом частоты переменного магнитного поля дифференциальная проницаемость md уменьшается из-за инерционности магнитных процессов (рис. 2.5). mr mmax mнач 1 H Рис. 2.4. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности md 10 105 f Рис. 2.5. Зависимость дифференциальной магнитной проницаемости от частоты Динамическая магнитная проницаемость — это отношение наибольшего значения магнитной индукции к наибольшему значению напряженности магнитного поля при одновременном воздействии постоянного Н0 и переменного Н~ магнитных полей, обычно при условии Н~ << Н0. 49 2.1.7. Температура Кюри Магнитная проницаемость магнитных материалов зависит от температуры. Зависимость относительной магнитной проницаемости от температуры показана на рис. 2.6. Предельно допустимая температура, выше которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства и становится парамагнетиком, называется точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри материал перестает быть магнитным по причине того, что области спонтанного намагничивания в нем нарушаются тепловым движением атомов. Температура Кюри каждого магнитного материала имеет определенное значение и для чистого железа равна 768 °C, для никеля — 358 °C, а для кобальта — 1131 °C. mr mнач 1 Tк T Рис. 2.6. Зависимость магнитной проницаемости от температуры Четко выраженный максимум значения магнитной проницаемости материала, сглаживающийся при увеличении напряженности внешнего поля, наблюдается при температурах немного ниже TК. Рост значения mr объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов, главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. При температурах выше TK снижение значения mr вызвано резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов и полным их исчезновением. 50 Для характеристики изменения магнитной проницаемости при изменении температуры обычно пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКm, К–1: TK m = am = 1 dm Ч . m r dt (2.12) 2.1.8. Магнитный гистерезис Если медленно производить намагничивание магнитного материала, а затем его размагничивание, то изменение индукции будет отставать от изменения напряженности. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Магнитный гистерезис — это явление отставания изменения индукции магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его квазистатическом изменении. Магнитный гистерезис вызывается необратимыми процессами намагничивания. Вид кривой намагничивания показан на рис. 2.7. К основным параметрам петли гистерезиса относятся: — индукция насыщения Bs; — напряженность поля насыщения Нs; — остаточная индукция Br; — коэрцитивная сила Hc. Для различных значений напряженности магнитного поля можно получить семейство петель гистерезиса. B 1 Br Bs 2 3 Hc Hc H Рис. 2.7. Петля гистерезиса ферромагнитного материала 51 Петля гистерезиса — это замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (кривая 2). Предельная петля гистерезиса — это симметричная петля, максимальное значение которой соответствует намагниченности насыщения материала (кривая 1). Намагниченность насыщения Bs — максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля. Напряженность поля насыщения Нs — напряженность магнитного поля, при которой которая достигается намагниченность насыщения. Остаточная индукция Br — индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля. Коэрцитивная сила Нс — напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса, при которой достигается нулевая магнитная индукция. Или другое определение: коэрцитивная сила — это величина напряженности внешнего магнитного поля, которую требуется приложить к намагниченному материалу, чтобы его полностью размагнитить С ростом температуры петля уменьшается в размерах, при этом максимальные намагниченность и напряженность поля, остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Нc уменьшаются. Зависимости индукции и напряженности от температуры приведены на рис. 2.8. B H Bs (Br) Hs (Hc) Tк T Tк T Рис. 2.8. Влияние температуры на параметры петли гистерезиса При температуре Кюри петля гистерезиса стягивается в точку начала координат, материал теряет свои магнитные свойства и становится парамагнетиком. 52 2.1.9. Магнитная анизотропия и магнитострикция Магнитная анизотропия — это зависимость магнитных свойств материала от направления намагничивания в зависимости от его кристаллического строения. Ферромагнетики, как отмечалось выше, наиболее часто кристаллизуются в трех типах решеток: кубической пространственной, кубической объемно-центрированной и гексагональной, показанных на рис. 2.1. Приведенные зависимости B = f(H) показывают, что кристаллы являются анизотропными, т. е. имеют оси легкого и тяжелого намагничивания. К примеру, направление намагничивания вдоль ребер куба является легким для железа, а для никеля — трудным. При отсутствии внешнего поля векторы намагничивания располагаются в направлении легкого намагничивания. Площадь, заключенная между кривыми легкого и трудного намагничивания, пропорциональна энергии, которую требуется затратить для изменения направления намагничивания с от легкого на более трудное. В случае, когда в ферромагнетике наблюдается ярко выраженная магнитная анизотропия, говорят, что он обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое практическое значение в электротехнике для получения определенных магнитных характеристик материала. В 1842 году Дж. Джоулем было открыто явление магнитострикции. Магнитострикция — это обратимое изменение формы и размеров кристалла магнитного материала при намагничивании. Магнитострикция достаточно заметна во многих магнитных материалах. Относительное удлинение в них может достигать значений порядка 10–6–10–2. В слабомагнитных материалах магнитострикция обычно очень мала. Магнитострикция в ферромагнетике может возникнуть в отсутствие внешнего поля в случае перехода температуры через точку Кюри (самопроизвольная магнитострикция) и при воздействии на него внешнего поля и температуре меньше ТК. В магнитных материалах может наблюдаться явление обратное магнитострикции — изменение намагниченности образца материала при деформации, называемое магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари. В современной теории магнетизма явление магнитострикции рассматривают как результат проявления основных типов 53 взаимодействий в магнитных телах: электрического обменного взаимодействия и магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллических решеток: за счет изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счет изменения обменных сил взаимодействия. При намагничивании материала магнитные силы действуют в интервале напряженностей полей от нуля до величины Hs, при которой образец достигает магнитного насыщения. Намагничивание в этом интервале напряженностей магнитных полей обусловлено процессом смещения границ между доменами и процессом вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решетки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между ее узлами. В результате атомы смещаются, происходит магнитострикционная деформация решетки. При этом магнитострикция носит анизотропный характер и зависит от направления и величины намагниченности J. А проявлять себя она может изменением линейных размеров монокристалла без изменения его объема (линейная магнитострикция) или изменением объема и формы кристалла (объемная магнитострикция). Коэффициент магнитострикции определяется по формуле Kс = Dl l . DH H (2.13) Знак магнитострикционной деформации у разных материалов может быть положительным (происходит растяжение в направлении поля) или отрицательным (происходит сжатие в направлении поля). Кроме этого, в магнитном материале может наблюдаться изменение знака магнитострикционной деформации в зависимости от направления его намагничивания, что связано с явлением магнитной анизотропии. Так, монокристалл железа, намагниченный в направлении ребра куба, удлиняется и Кс > 0, но при направлении намагничивания вдоль диагонали куба он сжимается и Кс < 0. Наибольший магнитострикционный эффект, как показывают экспериментальные данные, наблюдается у чистого никеля. 54 2.2. Потери в магнитных материалах При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале, теряется, т. е. переходит в тепло. Эти потери называются потерями на перемагничивание. Потери на перемагничивание пропорциональны площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т. е. уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше. В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Рг, потерь на вихревые токи Рвт и дополнительных потерь Рд. Такая петля называется динамической, а сумма этих потерь называется полными или суммарными потерями. Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению n Pг = hВmax Ч f ЧV . (2.14) Другая составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных полях, и равна 2 Pвт = xВmax Ч f 2 ЧV . (2.15) В этих формулах h, x — коэффициенты, зависящие от материала; Bmax — максимальная индукция за цикл перемагничивания; n — показатель, изменяющийся в диапазоне от 1,6 до 2; f — частота; V — объем тела. На высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые токи, так как они пропорциональны второй степени частоты. В переменных полях для характеристики магнитных потерь применяется параметр «тангенс угла магнитных потерь», который можно определить по эквивалентной схеме замещения (рис. 1.9): tgdm = R . wL (2.16) Величина, обратная tgdm, называется добротностью сердечника. 55 Суммарные активные потери равны Pa = I 2 · Lw · tgdm, (2.17) где I — сила тока; L — эквивалентная индуктивность; w — круговая частота; dm — угол магнитных потерь. Значение tgdm различных материалов приводится в справочниках. I I UR UL L R U d U UR UL Рис. 2.9. Схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником Удельные магнитные потери можно найти по формуле руд = m0mr · H2w2 · tgdm. (2.18) Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи Рд = Р – (Рг + Рвт). (2.19) 2.3. Классификация магнитных материалов Основным критерием для классификации всех магнитных материалов является значение их коэрцитивной силы. Обычно различают два класса магнитных материалов — магнитомягкие материалы (Нс < 800 А/м) и магнитотвердые материалы (Нс > 4 кА/м). Для магнитомягких материалов (МММ) характерны следующие общие свойства: — малая коэрцитивная сила Нс; — высокая магнитная проницаемость mr; 56 — малые потери на перемагничивание для получения максимальных значений магнитной индукции материала (узкая петля гистерезиса); — независимость магнитных свойств от величины механических напряжений, приложенных к магнитопроводу; — узкая петля гистерезиса; — высокая пластичность. Магнитомягкие материалы благодаря своим свойствам применяются в основном в качестве магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромагнитов, электрических машин и др. Для магнитотвердых материалов (МТМ) характерно следующее: — высокое значение коэрцитивной силы Нс (выше 4 кА/м); — большая удельная энергия Wmax (кДж/м2). Удельная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила материала; — широкая петля гистерезиса; — невысокие значения магнитной проницаемости mr (чем «тверже» магнитный материал, тем ниже значение mr); — трудно намагничиваются, но длительное время сохраняют намагниченность. Магнитотвердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов и устройств для хранения информации (звуковой, цифровой, видео). Различия между классами магнитных материалов наблюдаются и при их намагничивании. В основном намагничивание магнитомягких материалов происходит за счет смещения междоменных границ кристалла, а магнитотвердых — за счет вращения вектора намагниченности доменов. 2.4. Магнитомягкие материалы Принято делить магнитомягкие материалы принять на три группы. Первая группа — электротехнические стали: низкоуглеродистые (нелегированные) и кремнистые (легированные кремнием). Вторая группа — магнитомягкие материалы для техники слабых токов: — материалы с высокой магнитной проницаемостью; — магнитомягкие ферриты; 57 — материалы с особыми свойствам: материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), магнитострикционные, термомагнитные, материалы для сверхвысоких частот (СВЧ) и др. Третья группа — магнитомягкие аморфные сплавы. 2.4.1. Электротехнические стали Электротехнические стали — это основные магнитные материалы, широко применяемые в электроустановках низкого и высокого напряжения постоянного и переменного тока. Электротехническая сталь — это практически чистое железо с содержанием углерода не выше 0,1 % и д не более 0,6 % других примесей. Чем меньше в стали примесей, и чем лучше она отожжена, тем лучше ее магнитные свойства: выше магнитная проницаемость, ниже коэрцитивная сила. Вредными примесями в этих сталях считаются: углерод, кислород, фосфор, сера и марганец. Низкоуглеродистые нелегированные электротехнические стали обычно подразделяется на технически чистое железо и особо чистое железо. В технически чистом железе содержание углерода и примесей допускается до 0,1 %, а у особо чистого железа их содержание должно быть более 0,05 %. Особо чистое железо получают прямым восстановлением чистых железных руд или с применением электролитического или карбонильного процессов. Низкоуглеродистые нелегированные электротехнические стали обладают высокими значениями магнитной проницаемости и индукции насыщения, низкой коэрцитивной силой и невысоким значением удельного электрического сопротивления. Из-за малого значения удельного электрического сопротивления потери на вихревые токи велики. Основные магнитные характеристики низкоуглеродистых нелегированных электротехнических сталей приведены в табл. 2.1. Из нее видно, что наиболее высокие магнитные характеристики имеет особо чистое карбонильное железо. Нелегированные электротехнические стали наиболее часто применяются в устройствах постоянного тока для изготовления полюсных наконечников электромагнитов, магнитопроводов электромагнитных реле, экранирующих корпусов. 58 Таблица 2.1 Характеристики низкоуглеродистых сталей Значение mr mнач mmax Hc, А/м Bs, Тл r, мкОм·м Технически чистое 250–400 3 500–4 500 50–100 2,18 0,1 Электролитическое 600 15 000 30 2,18 0,1 Карбонильное 2 000–3 000 20 000–21 500 6,4 2,18 0,1 Железо Электротехнические кремнистые стали — это высококачественные стали, легированные кремнием (Si от 0,5 до 5 %) с содержанием углерода и примесей не более 0,05 %. Добавлением кремния в состав стали достигается повышение удельного сопротивления от 0,14 мкОм·м (при содержании кремния 0,5 %) до 0,6 мкОм·м (при содержании кремния более 4 %). Кремний переводит углерод стали из цементита в графит, способствует росту зерен, связывая вредные газы, и прежде всего кислород, уменьшает констант магнитной анизотропии и магнитострикции, снижает потери на вихревые токи и гистерезис. Но при содержании кремния более 5 % механические свойства стали ухудшаются, повышаются ее твердость и хрупкость, затрудняется ее обработка. Это важно учитывать в электромашиностроении. Известно, что, чем меньше электрическая машина, тем меньше размеры и сложней конфигурация зубцов и пазов, в которые укладываются обмотки, и, следовательно, тем труднее использование стали с высокой степенью легирования. В связи с этим, высоколегированную сталь (с содержанием кремния 2,8–3,8 % и выше) применяют только при изготовлении силовых трансформаторов и крупных вращающихся электрических машин. При изготовлении малых электрических машин применяют электротехническую сталь с содержанием кремния 0,4–1,9 %. Различные сорта листовой электротехнической стали составляют наиболее важный класс магнитных материалов в электромашиностроении. Сталь поставляют в виде листов, рулонов или резаной ленты, в основном в термически обработанном состоянии. Часто листы стали бывают с электроизоляционным покрытием, в качестве которого используется слой оксидной пленки толщиной 3–5 мкм или лаковой пленки толщиной 15–20 мкм. 59 На магнитные свойства электротехнических сталей, как известно, влияют: химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической решетки, механические напряжения. При ковке, протяжке и другой механической обработке магнитные свойства стали ухудшаются, поэтому для их восстановления и снятия внутренних напряжений сталь обычно подвергается отжигу. Большое влияние на качество электротехнической стали оказывает технология ее изготовления. Обычную листовую электротехническую сталь получают путем горячей прокатки. В последнее время в электротехнической промышленности широко применяется холоднокатаная текстурированая сталь. Магнитные свойства такой стали при перемагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной стали. Различные марки электротехнической стали обозначают четырехзначными числами (например, 1211; 2013; 2212; 3413; 3416 и т.п.). Напомним обозначения в маркировке электротехнической стали: первая цифра — структурное состояние и вид прокатки: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой; вторая цифра — содержание кремния в массовых процентах: Класс Si,% До 0,4 1 До 0,8 2 До 1,8 3 До 2,8 4 До 3,8 5 До 4,8 третья цифра — тип нормируемых магнитных характеристик (0 — удельные потери при индукции, равной 1,7 Тл и частоте 50 Гц, 1 — удельные потери при индукции, равной 1,5 Тл и частоте 50 Гц, 2 — удельные потери при индукции, равной 1 Тл частоте 400 Гц, 6 — индукция при напряженности, равной 0,4 А/м, 7 — индукция в средних полях при напряженности, равной 10 А/м); четвертая цифра — порядковый номер. В электрических машинах применяются стали марок 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1411, 1412, 1511, 1512, 3411, 3412, 3413. Для изготовления асинхронных машин с высотой оси вращения до 180 мм используют сталь марки 2013, а при больших высотах вращения — марок 2212, 2312 и 2421. Статоры синхронных машин изготовляют из сталей тех же марок. Сталь 2013 обладает высокой магнитной проницаемостью и сравнительно низкими потерями на перемагничивание. После штамповки сталь подвергают 60 отжигу для устранения ухудшения магнитных свойств и оксидации — для создания изоляционного слоя. Стали марок 2212, 2321 и 2411 имеют электроизоляционное покрытие и не требуют отжига. В машинах постоянного тока для сердечников якорей часто применяют сталь марок 2013. Для снятия наклепа после штамповки сталь отжигают, а затем изолируют. При больших частотах вращения используют стали марок 2112, 2212, 2312, 2411. При изготовлении трансформаторов используют холоднокатаные анизотропные стали марок 3412 и 3413 с изоляционным покрытием. Полюсы машин постоянного тока и синхронных машин наиболее часто собирают из листов низкоуглеродистой конструкционной стали толщиной 1–2 мм или электротехнической стали 3411. В электрических машинах с частотой тока до 100 Гц обычно применяется листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм или сталь толщиной 0,35 мм (в некоторых типах трансформаторов). При более высоких частотах используется более тонкая сталь. Размеры листов электротехнической стали стандартизированы: ширина листов — 240–1000 мм, длина — 1500–2000 мм. Корпуса машин постоянного тока изготовляют путем сварки из листовой низколегированной низкоуглеродистой стали или стального литья (т.к. они являются частью магнитопровода). Стальное литье применяют также для изготовления станин и роторов синхронных машин. Валы машин выполняют из высокопрочных конструкционных сталей легированных хромом, никелем и т. п. 2.4.2. Магнитомягкие материалы для техники слабых токов К группе материалов с высокой магнитной проницаемостью относятся пермаллои и альсиферы. Пермаллои — железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой (так называемые низкокоэрцитивные сплавы). В них практически отсутствует анизотропия и магнитострикция. Применяемые в электрических машинах и аппаратах пермаллои бывают как нелегированные, так и легированные. По химическому составу различают низконикелевые (40–50 % Ni) и высоконикелевые (72–80 % Ni) пермаллои. Такое подразделение 61 обусловлено смещением магнитных и электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля (рис. 2.10). Зависимость mmax (Ni %) имеет два максимума. Область первого максимума соответствует пермаллоям с содержанием никеля 40–50 %, а область второго максимума — пермаллоям с содержанием никеля 72–80 % и обладающим наибольшими значениями mmax. mmax 10+6 10+3 50 80 Ni, % Рис. 2.10. Зависимость максимальной магнитной проницаемости пермаллоев от содержания никеля Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений. Магнитные свойства пермаллоев зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т. д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев обычно значительно сложнее, чем низконикелевых. Удельное электрическое сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного электрического сопротивления. Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно коль62 цеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом. При маркировке пермаллоев первая цифра в обозначении указывает процентное содержание никеля. Основные магнитные свойства некоторых распространенных марок пермаллоев приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Основные характеристики пермаллоев Марка 45Н, 50Н mнач mmax 1700–3000 16 000–35 000 Hс, А/м 32–10 Bs, Тл 1,5 Группа Нелегированный, низконикелевый 50НХС 1500–3200 150 00–30 000 20–8 1,0 Легированный, низконикелевый 79НМ 16 000–35 000 50 000–200 000 5,2–1,0 0,65 Нелегированный, высоконикелевый Cупер100 000 До 1 500 000 0,3 0,8 79Ni, 5Mo, пермаллой 15Fe, 0,5Mn Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения. Сплавы 45Н, 50Н применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, реле, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплав 50НХС применяют для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающих без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД применяют для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов; при 63 толщине 0,02 мм — для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле. Тонкие ленты применяют для ячеек памяти. Сплавы с повышенным удельным сопротивлением применяются для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания. При работе на высоких частотах следует применять более низконикелевые пермаллои тонкого проката. Альсиферы — тройные сплавы системы Al–Si–Fe (9,6 % Si и 5,4 % Al). По своим свойства альсиферы близки к высоконикелевым пермаллоям. Они имеют следующие характеристики: высокое значение магнитной проницаемости (mнач = 35400, mmax = 117 000), значение коэрцитивной силы равно 1,76 А/м. Альсиферы — это нековкие, с высокой твердостью, хрупкие материалы (легко размалываются в порошки и затем из них изготавливают фасонные отливки). Они применяются для изготовления магнитных экранов, корпусов приборов и аппаратов, фасонных деталей магнитопроводов и других изделий, работающих в постоянных магнитных полях. Тонкие порошки альсифера применяются в качестве ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков. Ферриты представляют собой магнитную керамику, состоящую из зерен оксидов железа Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов, прошедших обработку в магнитном поле. В зависимости от образующего металла ферриты подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Химическая формула магнитомягкого феррита имеет вид: MeO · Fe2O3 или MeO · Fe2O4, где Me — какой-либо двухвалентный катион, например цинк, кадмий, литий, железо. Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Поэтому у ферритов имеется две магнитные подрешетки, векторы собственной намагниченности которых направлены навстречу друг другу и результирующий магнитный момент определяется как разность собственных магнитных моментов. Основные механическим свойствам ферритов: высокая твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. Ферриты 64 хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом. Удельное электрическое сопротивление ферритов в отличие с металлических ферромагнетиков сопоставимо с удельным сопротивлением полупроводников. Удельное сопротивление может меняться в широких пределах в зависимости от состава, типа элементов структуры и вида примесей. Так удельное сопротивление ферритов иттрия равно 1010–1012 Ом · м, ферритов никеля — 103–105 Ом · м, ферритов лития — 1–10 Ом · м. Потери на вихревые токи в ферритах практически отсутствуют. Энергия активации проводимости ферритов находится в пределах 0,2–2 эВ. В ферритах часто наблюдается поляронная (прыжковая) проводимость, обусловленная перескоком локализованных электронов из одного состояния в другое. У большинства ферритов магнитная проницаемость ниже, чем у стали, но есть некоторые ферриты с магнитной проницаемостью до нескольких тысяч (ферриты маорок 2000НМ, 1000НМ и др.). Синтез ферритов производится по керамической технологии и может быть осуществлен по трем различным технологическим схемам: 1) из механической смеси оксидов или карбонатов; 2) термическим разложением твердой смеси солей, полученной выпариванием из водного раствора; 3) из совместно сочетаемых гидроксидов, карбонатов и оксилатов. Наиболее распространенным из трех способов считается первый. К общим свойствам всех ферритов можно отнести: — высокое значение удельного сопротивления; — малое значение индукции насыщения; — сложная температурная зависимость и наличие точки температурного насыщения, при которой магнитная индукция меняет свой знак на противоположный (В становится меньше нуля); — резко выраженный частотный диапазон, наличие граничной частоты, при которой начинается быстрый рост тангенса магнитных потерь. Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103–1013 раз, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике. 65 Магнитомягкие ферриты часто применяются для изготовления магнитопроводов, работающих в слабых или сильных магнитных полях до 100 МГц, и в импульсном режиме; магнитных усилителей, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных двигателей, термомагнитных компенсаторов. Наиболее широко в электротехнических устройствах применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они представляют собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe2O4 и MnFe2O4, которые являются ферримагнетиками, и немагнитным ферритом ZnFe2O4. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20 000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя. Особое место занимают магнитомягкие ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Основной параметр этих ферритов — коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной индукции, измеренной при напряженности равной, 5Нс. Они обычно используются для изготовления логических элементов в запоминающих устройствах, термодатчиков. Основной недостаток ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами — малое значение их магнитной проницаемости. В переменных полях для оценки допустимого частотного диапазона, кроме параметра mr, ферриты характеризуются тангенсом угла магнитных потерь. Маркировка магнитомягких ферритов: первое число в маркировке ферритов указывает номинальное значение начальной магнитной проницаемости mн; буква, следующая за числом, означает область частот, для которой предназначен феррит: Н (низкочастотный) или В (высокочастотный). Затем следует буква, указывающая состав феррита: М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый и т. д. Характеристики некоторых ферритов приведены в табл. 2.3. К группе материалов с особыми свойствами относятся материалы, применение которых основано на наличии у них тех или иных особенностей магнитных свойств. К этой группе можно отнести: 1. Сплавы, обладающие незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля, например сплавы перминвар и изоперм. 66 Таблица 2.3 Характеристики ферритов Марка феррита 2000НН 200НН 6000НМ 4000НМ 2000НМ 10ВЧ mmax Н, А/м (при mmax) 7000 300 1000 1000 2000 40 12 160 8 12 16 3 700 r, Ом·м 10 1 000 5000 5000 5000 108 TК, °C 70 120 110 110 180 500 Перминвар — сплав железа, никеля, кобальта и марганца. Магнитная проницаемость его равна 300 и сохраняет постоянное значение при напряженности поля до 200 А/м и индукции 0,1 Тл. Изоперм — сплав железа, никеля, алюминия или меди. Магнитная проницаемость его мало изменяется при значительном изменении напряженности магнитного поля и равна 35–80. 2. Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры (термомагнитные материалы), к ним относятся сплавы никель–медь и железо–никель–кобальт. 3. Сплавы с высокой магнитострикцией — это сплавы железо–платина, железо–кобальт, железо–алюминий, чистый никель, а также некоторые виды пермаллоев и различные ферриты. 4. Сплавы с особо высокой индукцией насыщения, например пермендюр. Пермендюр — это сплав железа и кобальта (кобальта до 50–70 %). Его индукция насыщения достигает 2,4 Тл. 2.4.3. Магнитомягкие аморфные сплавы Аморфные магнитные материалы (АММ), несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, обладают упорядоченным расположением магнитных моментов. Такие материалы получают при быстром охлаждении расплавленного сплава, когда кристаллизация не успевает осуществиться, с последующей термообработкой в магнитном поле. Особенностью АММ по сравнению с кристаллическими материалами является большое (около 20 %) содержание немагнитных 67 элементов (бор, углерод, фосфор), необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими материалами и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электрическое сопротивление, повышают твердость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость. По магнитным свойствам АММ очень близки к электротехническим сталям и пермаллоям. Но в сравнении с кристаллическими магнитными материалами АММ имеют целый ряд преимуществ: — низкие удельные потери; — узкая петля гистерезиса; — высокое электрическое сопротивление; — отличные электромагнитные характеристики в широком диапазоне частот (до 1 МГц); — возможность дальнейшей миниатюризации и повышения эффективности электронных устройств; — снижение искрового тока и подавление шумов; — экономия электроэнергии; — хорошие механические свойства. Цикл производства изделий из аморфных лент по сравнению с пермаллоями более короткий (на 25 %), что снижает энергетические затраты заводов-изготовителей. Производство изделий из аморфных материалов по сравнению, например, с производством ферритов, экологически более чистое. АММ и новые нанокристаллические материалы, применяются для замены в радиотехнических и электротехнических изделиях пермаллоев, ферритов, электротехнических сталей и ферритов. В настоящее время АММ находят применение в различных отраслях: — в системах телекоммуникаций использование сетей с элементами из аморфных сплавов позволяет с высоким качеством и надежностью подключить к одной линии до 10 абонентов; — в электротехнической промышленности замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом позволяет сэкономить электроэнергию за счет уменьшения потерь на вихревые токи; — в устройствах защитного отключения (УЗО), управляемых дифференциальным током, предназначенных для защиты 68 людей от поражения электрическим током, в том числе при использовании бытовой электроаппаратуры; — в электроизмерительной технике — в магнитомерах с аналоговым выходом, трансформаторах тока, счетчиках электроэнергии; — в импульсных источниках питания; — в AC/DC- и DC/DC-преобразователях; — в аудио- и видеоаппаратуре для изготовления магнитных головок высокочастотной высокоплотной записи. Высокое удельное сопротивление аморфных материалов позволяет их применять в качестве резистивных элементов, в том числе для устройств высокоэффективных систем электрического нагрева. Высокая радиационная и коррозийная стойкость аморфных материалов дает возможность использовать их в качестве аморфных припоев на основе меди для соединения узлов ядерных и термоядерных реакторов в энергетике. Магнитные методы контроля используются для обнаружения дефектов в виде нарушения сплошности в деталях, изготовленных из ферромагнитных металлов (к примеру колесных пар). Наибольшее распространение на практике получили магнитопорошковый и феррозондовый методы контроля, так называемая магнитная дефектоскопия. Магнитопорошковый метод. Этим методом можно контролировать детали практически любой формы и размеров. Метод магнитопорошковой дефектоскопии позволяет выявлять поверхностные и неглубоко залегающие под поверхностью технологические и эксплуатационные дефекты, а также литейные и усталостные трещины. Сущность метода магнитопорошковой дефектоскопии заключается в следующем. Если стальная деталь не имеет дефекта, то при помещении ее в магнитное поле магнитные силовые линии идут внутри детали, равномерно распределяясь по ее сечению, не выходя на поверхность детали. Если же деталь из стали имеет внутреннюю (подповерхностную) трещину, то при намагничивании такой детали в месте трещины магнитное сопротивление резко возрастает, и часть магнитных силовых линий будет ее обходить, проходя по воздуху. При этом вблизи трещины образуется поток рассеяния. Если на поверхности детали насыпать железные опилки или железный порошок, то эти железные частички соберутся вдоль трещины как четко видимые нити или плотные валики магнитного порошка, стремясь скомпенсировать увеличение магнитного сопротивления в месте трещины. 69 Магнитного поля на поверхности детали при отсутствии дефекта нет, а при наличии дефекта магнитные силовые линии огибают его, выходя на поверхность детали, и над дефектом появляется магнитное поле. В это магнитное поле и перемещаются частицы ферромагнетика, находящиеся на поверхности детали. В магнитопорошковой дефектоскопии в качестве основных дефектоскопических магнитных материалов наиболее часто применяют чистое железо (карбонильное железо) или оксиды железа Fe2O3 и Fе 3O4 в порошкообразной форме. 2.5. Магнитотвердые материалы Магнитотвердые материалы применяются в основном для изготовления постоянных магнитов электротехнических и радиотехнических устройств. Характеристиками магнитотвердых материалов обычно служат коэрцитивная сила Hc, остаточная индукция Вr и максимальная энергия Wmax, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Для оценки свойств этих материалов обычно используют часть кривой перемагничивания материала, которая лежит во втором квадранте петли гистерезиса. Эта кривая носит название кривой размагничивания. В первом квадранте изображают изменение удельной магнитной энергии W в зависимости от магнитной индукции В (рис. 2.11). B Br Bd W Hc Hd Wmax Рис. 2.11. Кривая размагничивания и зависимость магнитной энергии от магнитной индукции Магнитная энергия W, Дж/м3 воздушном зазоре постоянного магнита будет максимальна при некоторых значениях Нd и Вd. Это условие определяет наилучшее использование магнита и является важнейшим параметром, характеризующим качество материала. 70 W max = Bd Ч H d . 2 (2.20) Коэффициент выпуклости характеризует форму кривой размагничивания и степень ее прямоугольности b= (B Ч H )max . Вr Ч H c (2.21) Постоянные магниты из магнитотвердых материалов по сравнению с электромагнитами имеют ряд преимуществ. И главные их преимущества — повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения. Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания — закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений, посторонних включений при высокой магнитострикции. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. Магнитотвердые материалы по составу, способу получения и состоянию принято делить на группы: — высокоуглеродистые легированные закаленные стали; — литые магнитотвердые (высококоэрцитивные) сплавы; — магнитотвердые ферриты; — порошковые магнитотвердые материалы (магниты из порошков); — пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты; — сплавы на основе редкоземельных металлов. Высокоуглеродистые легированные закаленные стали — стали с содержанием углерода не менее 0,7 % и легирующими добавками, такими, как вольфрам, хром, молибден, кобальт, закаленные до мартенсита. Наиболее известные марки таких сталей (ЕХ3, ЕХ5К5, ЕХ9К15М) — самые простые и доступные материалы для изготовления постоянных магнитов. Значение максимальной удельной энергии в них равно 1–4 КДж/м3, остаточная магнитная индукция изменяется от 0,8 до 1 Тл, коэрцитивная сила равна 4,6–14 кА/м. 71 В настоящее время легированные закаленные стали мало применяются ввиду их невысоких магнитных свойств. Литые магнитотвердые (высококоэрцитивные) сплавы — сплавы типа Al–Ni–Fe или Al–Ni–Fe–Co, получаемые литьем. Часто такие сплавы называют сплавами «альни» и «альнико». Магнитные свойства литых магнитов зависят от кристаллографической и магнитной текстур его компонентов. У всех таких магнитотвердых материалов наилучшие магнитные свойства достигаются при значительном искажении кристаллической решетки, которое происходит при концентрации никеля 20–30 % и алюминия 11–17 %. Для улучшения магнитных и механических свойств, а также для облегчения технологии производства изделий, эти сплавы легируют кремнием, кобальтом, медью, кобальтом и титаном. Хорошие магнитные свойства литых магнитов обусловливаются не только их составом, но и специальной обработкой — охлаждением готовых магнитов после отливки в сильном магнитном поле. Их недостаток — трудность изготовления изделий точных размеров из-за хрупкости и твердости сплавов, допускающих обработку только шлифовкой. Марки литых магнитов обозначаются буквами, обозначающими металлы основного состава и легирующих элементов, и цифрой, указывающей процентное содержание этого элемента. Буквы в маркировке сплавов означают: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Наиболее часто на практике используют бескобальтовые (ЮНД) и высококобальтовые (ЮНДК) литые магниты. Бескобальтовые магниты (ЮНД4, ЮНД8 и др.) — самые дешевые материалы для изготовления постоянных магнитов, но магнитные свойства у них относительно низкие. Высококобальтовые магниты (ЮНДК15, ЮНДК18) — сплавы, содержащие кобальт (15 % или более). Такие сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью и магниты из них изготавливаются только методом литья. Применяются они в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные свойства и изотропия свойств магнитного материала. Обрабатываются высококобальтовые магниты шлифовкой, и в том числе с применением алмазного инструмента или ультразвука. При большом воздушном зазоре предпочтительнее применять сплавы с наибольшей коэрцитивной силой — сплавы, содержащие титан. 72 Примеры некоторых литых магнитотвердых сплавов: ЮНДК15 и ЮНДК18 — изотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами; сплавы ЮНДК24 (с содержанием кобальта 24 % и выше) имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке; сплавы ЮНДК35Т 5БА обладают наибольшей энергией Wmax (от 35 до 40 кДж/м3); ЮНДК40Т 8 — титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых системах. Имеет наиболее высокую коэрцитивную силу. Порошковые магнитотвердые материалы получают методами порошковой металлургии из сплавов Fe–Ni–Co или из деформируемых сплавов Cu–Ni–Co, Cu–Ni–Fe, Fe–Co–Mo, Pt–Co и Ag–Mn–Al. По сравнению с литыми магнитами механическая прочность таких материалов в 3–6 раз выше, а величина удельной магнитной энергии на 10–20 % ниже. Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Магниты из порошков подразделяют на группы: металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые. Промышленностью выпускаются металлокерамические магниты марок ММК1–ММК11. Магнитные свойства таких магнитов могут быть различны: коэрцитивная сила 24–128 кА/м, остаточная индукция 0,48–1,1 Тл и запасенная магнитная энергия 3–16 кДж/м3. Металлопластические магниты (так называемая «магнитная резина») получают методом прессовки обычно на основе феррита бария (наполнитель) и резины (связующее). Изделия и в этом случае получаются эластичными, но по магнитным свойствам уступающие металлокерамическим магнитам. Магнитотвердые ферриты — это ферриты на основе бария (BaO · 6Fe2O3), кобальта (CoO · Fe2O3) и стронция (SrO · 6Fe2O3). Высокая коэрцитивная сила этих материалов связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано сих высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например, удельное сопротивление равно 104–107 Ом·м. Из магнитотвердых ферритов наиболее известны бариевые ферриты. Промышленностью выпускаются бариевые изотропные 73 (БИ) и бариевые анизотропные (БА) магниты, получаемые методом прессования в магнитном поле. Анизотропные магниты из ферритов обладают более высокими магнитными свойствами по сравнению с литыми магнитами. У бариевых магнитов коэрцитивная сила и остаточная индукция отличаются высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, различных механических воздействий, структурного старения. Они стойки к воздействию радиации, но температурная стабильность этих магнитов невысока. По сравнению с магнитотвердыми бариевыми ферритами большей температурной стабильностью характеризуются кобальтовые ферриты, но их стоимость обычно получается выше. Кроме этого, при работе в зоне повышенной радиации (например, вблизи ядерных реакторов) кобальтовые ферриты способны накапливать радиацию, что затрудняет их дальнейшую утилизацию. Стоимость магнитов из магнитотвердых ферритов значительно меньше, чем литых магнитов: в сравнении с ЮНДК24, то почти в 10 раз. К недостаткам магнитотвердых ферритов можно отнести их большую хрупкость и твердость, а также сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ) имеют очень высокие значения удельной энергии (до 112 кДж/м3) и коэрцитивной силы (до 2000 кА/м) и поэтому должны быть стабильными в эксплуатации, не бояться ударов и тряски. Основные их недостатки — это довольно низкие механические свойства и высокая стоимость. Наибольший интерес представляют соединения типа RCo5 и R2Co17, где R — редкоземельный металл (цезий, самарий и празеодим). Для бинарных соединений такой группы материалов удельная энергия достигает значений 90 кДж/м3, а для тройных сплавов типа R 2(Co1xFex) удельная энергия равна 240 кДж/м3 (теоретическое значение). Магниты из этих сплавов получаются наиболее часто жидкофазным спеканием из порошков. К примеру, магниты на основе SmCo5 спекаются после прессования при температуре 1100 °С в течение 30 минут в атмосфере чистого аргона. Сплавы на основе РЗМ можно считать наиболее перспективными из всех магнитотвердых материалов, но они пока еще недостаточно изучены и мало освоены технологически. 74 3. Проводниковые материалы 3.1. Классификация и основные свойства проводников В соответствии с ГОСТ Р 52002–2003 проводниками электрического тока называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропроводность. Проводниками в нормальных условиях могут быть твердые, жидкие и газообразные вещества при воздействии сильных электрических полей. Все проводниковые материалы условно делятся на проводники первого и второго рода, а также газы и пары. Практический интерес имеют проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся чистые металлы, их сплавы и некоторые неметаллы, обладающие высокой электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты (растворы и расплавы щелочей, кислот и солей). Особенность электропроводности электролитов состоит в переносе вещества при прохождении электрического тока через него. В электротехнических устройствах часто применяются разнообразные твердые проводниковые материалы, поэтому рассмотрим подробнее их свойства, классификацию и назначение. Итак, проводниковые материалы — материалы, которые характеризуются весьма малым удельным электрическим сопротивлением и способностью проводить электрический ток. Как известно, в твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. Согласно классической теории (Друде, Лоренца) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженных в среду 75 из свободных коллективизированных электронов, называемую «электронным газом» или «электронной жидкостью». Наличие свободных электронов обусловливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность. Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания со средней скоростью порядка 105 м/с, приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько миллиметров в секунду), что вызывает протекание тока. Данное объяснение свойств металлов не находится в противоречии с квантовой теорией. Хотя, как известно, электроэнергия передается не по проводникам, а по диэлектрическому пространству между ними, проводники необходимы для направления потоков этой энергии. Для всех проводниковых материалов характерно: — высокая электропроводность; — высокая теплопроводность; — возникновение термоэлектродвижущей силы при контакте различных проводников; — линейная зависимость сопротивления от температуры (положительный температурный коэффициент удельного сопротивления); — высокие механические характеристики (прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность); — высокие физико-химические характеристики: коррозионная стойкость, нагревостойкость, влагостойкость, износостойкость и др. 3.1.1. Электропроводность проводников Классическая физика объясняет различие в электропроводности твердых диэлектриков и проводников тем, что в металлах есть свободные электроны, а в диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает их, а лишь слегка смещает. Однако такое объяснение не совсем точное. Как показывает зонная теория твердого тела, твердое тело представляет собой как бы гигантскую «молекулу», где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени 76 справедливо и для диэлектриков, и для проводников. Причиной различного поведения электронов в проводниках, диэлектриках и полупроводниках является характер распределения электронов по энергетическим уровням. Упрощенные энергетические диаграммы материалов показаны на рис. 3.1. а б W W Зона проводимости Валентная зона в W Зона проводимости Зона проводимости Запрещеная зона Запрещеная зона Валентная зона Валентная зона Рис. 3.1. Энергетические диаграммы материалов: а — проводник, б — полупроводник, в — диэлектрик Для возникновения в материале под воздействием электрического поля направленного движения электронов, необходимо, чтобы часть электронов могла увеличивать свою энергию под действием поля, т. е. переходить с нижних энергетических уровней (валентная зона) на более высокие (зона проводимости). В проводниках такой переход не требует дополнительных энергетических затрат, так как к заполненным уровням валентной зоны непосредственно примыкают свободные уровни зоны проводимости. В диэлектриках свободные уровни отделены от заполненных уровней запрещенной зоной, которую электроны под действием обычных, не слишком сильных, электрических полей преодолеть не могут. Действие электрического поля в диэлектрике сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к его поляризации. В полупроводниках распределение электронов по уровням энергии сходно с их распределением в диэлектриках. Отличается полупроводник от диэлектрика лишь более узкой запрещенной зоной: при DWЗЗ до 3 эВ — полупроводник, DWЗЗ до 10 эВ — диэлектрик. Высокая электропроводность — это важнейшая особенность всех проводников. Значения удельной электропроводности металлов и сплавов по порядку величины составляют (108–106) См/м. Как известно, в любом теле при приложении напряжения протекает электрический ток в соответствии с выражением: 77 j = е ni Ч qi Ч vi , (3.1) где j — плотность тока; ni — концентрация носителей заряда i-го сорта; qi — значение заряда; vi — средняя скорость теплового движения носителя заряда. Носителями заряда для большинства проводников, как неоднократно уже упоминалось, являются основные элементарные частицы материального мира — электроны. Количество электронов в металлах составляет 1022–1024шт/см3, заряд электрона — это отрицательная постоянная величина, равная 1,6·10–16 Кл. Согласно классической теории физики электроны в металлах при движении сталкиваются с дефектами решетки, колебаниями атомов и за счет этого их скорость остается ограниченной в электрическом поле. До столкновения электрон должен ускоряться в течение времени t. Из классической механики известно, что длина свободного пробега λ равна l= e ЧE 2 Чt . 2m (3.2) Заряд, который протекает через единичную площадку в течение времени t и заполняет цилиндр длиной l с плотностью n, равен d= e2 Чn Ч E Ч t. 2m (3.3) Согласно закону Ома в дифференциальной форме d=g·Е (3.4) можно получить выражение для удельной проводимости проводника g= e2 Чn e2 Чn Ч l Чt = . 2m 2mv (3.5) Из этого выражения следует, что значение удельной проводимости проводника зависит главным образом от длины свободного пробега электронов, которая определяется строением кристаллической решетки металла. 78 Одним из важнейших параметров любого проводникового материала считается величина, обратная его удельной проводимости — удельное электрическое сопротивление r. Удельное электрическое сопротивление в Международной системе единиц СИ измеряется в Омметрах (Ом·м), а для проводников часто используется и несистемная единица измерения — мкОм·м. Для расчетов электрического сопротивления R проводников обычно применяется формула l R = rЧ , S (3.6) где l — длина проводника; S — площадь поперечного сечения проводника. Средние значения удельной проводимости и удельного сопротивления основных проводниковых металлов приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Электропроводность основных проводниковых металлов g, r, Металл МСм/м мкОм·м Серебро 67–62 0,015–0,016 Алюминий Медь 57–54 0,0179–0,0182 Железо Металл g, r, МСм/м мкОм·м 35–32 0,028–0,0295 10 0, 1 3.1.2. Теплопроводность проводников Теплопроводность проводников определяет их способность передавать тепловую энергию. Характеризуется она коэффициентом теплопроводности lт. Коэффициент теплопроводности численно равен потоку теплоты, проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры 1 °C. Металлы передают тепло лучше других материалов. Так, для меди lт равен 400 Вт/мК, для серебра — 418 Вт/мК, для алюминия — 200 Вт/мК, для нержавеющей стали — 20 Вт/мК, а для других сталей примерно в два раза выше. 79 Выражение для удельной теплопроводности имеет вид lт = 3k 2 Ч n Ч t ЧT , 2m (3.7) где k — постоянная Больцмана (k = 1,38·10–23 Дж/К); Т — температура; t — время. Отсюда следует, что чем больше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность. Отношение коэффициента теплопроводности lт к удельной проводимости металла выражается законом Видемана — Франца — Лоренца lт = L0 ЧT , g (3.8) где L0 — число Лоренца (L0 = 2,45·10–8 В2/К2); Т — температура. 3.1.3. Термоэлектродвижущая сила Между двумя различными металлическими проводниками в точке их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа. Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 < Т2), называется термоэлектродвижущей силой (так называемый эффект Зеебека) (см. рис. 3.2.). mV Т2 A Т1 I B Рис. 3.2. Схема возникновения термоЭДС 80 Контактная разность потенциалов между проводниками А и В равна n kT U AB = j A - jB + Ч ln 0 A , (3.9) e n0 B а контактная разность потенциалов между проводниками В и А равна U BА = jВ - j А + n kT Ч ln 0 В , e n0 А (3.10) где k — постоянная Больцмана; Т — рабочая температура спая; е — абсолютная величина заряда электрона; φA и φB — потенциалы соприкасающихся металлов А и В; n0А и n0В — концентрация электронов в металлах. Если спаи будут находиться при разных температурах (Т2 > Т1), на концах разомкнутой электрической цепи возникает разность потенциалов U, называемая термоЭДС и равная U = UAB – UBA = yт(T2 – T1), (3.11) где yт — относительная дифференциальная (удельная) термоЭДС. Причины возникновения термоЭДС: — температурная зависимость контактной разности потенциалов; — диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным; — различие значений работы выхода электронов в металлах; — неодинаковая концентрация электронов в металлах спая; — увлечение электронов квантами тепловой энергии. 3.1.4. Зависимость удельного сопротивления от температуры С увеличением температуры число свободных электронов в проводниковых материалах остается неизменным. Однако вследствие роста колебаний узлов кристаллической решетки металла возникает больше препятствий на пути направленного движения электронов, что приводит к уменьшению средней длины свободного пробега и снижению подвижности электронов. 81 И в результате с ростом температуры удельное электрическое сопротивление металлов возрастает. Рассмотрим влияние изменения температуры на величину удельного электрического сопротивления проводника на примере одного из основных твердых проводниковых материалов, применяемых в электротехнике, — меди. Температурная зависимость удельного сопротивления меди с характерными для всех металлов точками показана на рис. 3.3. r 1 2 3 rост T Tкр qд Tпл Рис. 3.3. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры Из приведенной температурной зависимости видно, что ее характерными точками являются: — температура плавления Тпл; — температура Дебая qд; — температура перехода в сверхпроводящее состояние Ткр (характерно только для определенных материалов). У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей существует область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры (область 1). Остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл. Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая qд может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда — область 2. При Т > qд, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Тпл — область 3. При переходе металла в жидкое состояние (для меди это температура, равная 1083 °С) проис82 ходит скачкообразное изменение его удельного электрического сопротивления — для большинства металлов увеличение в 1,5–2 раза или для некоторых металлов (висмут, галлий) его уменьшение. Зависимость электропроводности металлов от температуры важна для их практического применения. Экспериментально было установлено, что эта зависимость для чистых металлов практически линейная. Обычно ее приводят в виде температурной зависимости удельного сопротивления: r2 = r1(1+ar(T2 – T1)), (3.12) где r1 и r2 — удельное сопротивление проводника при температуре T1 и T2, соответственно (Т2 > Т1); ar (или ТКr) — средний температурный коэффициент удельного сопротивления. Для чистых металлов температурный коэффициент удельного сопротивления положителен и равен 1 dr ar = Ч . r dT (3.13) Температурный коэффициент удельного сопротивления металлических сплавов в зависимости от их химического состава может быть как положительным, так и отрицательным. Для некоторых специальных сплавов ar практически стремится к нулю. 3.1.5. Классификация проводниковых материалов Наиболее часто проводниковые материалы подразделяют на следующие группы: — материалы высокой проводимости; — материалы (сплавы) высокого удельного сопротивления; — материалы специального назначения; — неметаллические и металлокерамические проводники; — сверхпроводники и криопроводники. 83 3.2. Материалы высокой удельной проводимости Материалами высокой удельной проводимости являются металлы и сплавы, у которых удельное сопротивление менее 0,05 мкОм·м. К этой группе относятся серебро, медь, алюминий, железо и некоторые сплавы этих металлов. Серебро — материал, обладающий хорошей коррозионной стойкостью и самой высокой из всех металлов электропроводностью и теплопроводностью. При комнатной температуре удельное сопротивление серебра составляет 1,4·10–8 Ом·м, теплопроводность — 418 Вт/(м·К). Однако этот материал слишком дорогостоящий, поэтому используется для изготовления ответственных контактов, высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов. В электрических контактах серебро часто применяется в сплавах с медью, никелем или кадмием. Механические характеристики серебра невысоки: — Твердость — 25НВ; — предел прочности при разрыве sр не более 200 МПа; — относительное удлинение при разрыве Dl/l примерно 50 %. По сравнению с золотом и платиной имеет пониженную химическую стойкость. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки. Медь — металл, широко применяемый в качестве проводникового материала. Медь обладает целым рядом ценных технологических свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы и ленты, протягивается в проволоку); хорошей способностью к пайке и сварке; удовлетворительной стойкостью к коррозии. В производстве проводниковых изделий применяют марки меди с содержанием примесей не более 0,05–0,1 % марок М0 и М1. Для проводов малого диаметра (0,01 мм) и проводов, работающих при температурах выше 300 °С, применяют проволоку из меди марки МООБ, которая, как и катодная медь (МООК), относится к особо чистым маркам меди и содержат не более 0,001 % примесей. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь марки МТ, которая имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом 84 (благодаря влиянию наклепа). Медь марки МТ применяется для изготовления волноводов, при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин. Из твердотянутой меди марки МФ изготавливают контактные провода для электрических железных дорог (МФ-100, МФ-85, МФО-100, МФО-150). Мягкую (отожженую) медь марки ММ получают отжигом. Такая медь сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, большое относительное удлинение перед разрывом. Отожженная медь, в сравнении с твердотянутой медью, имеет более высокую электропроводность. Применяется для изготовления токопроводящих жил кабелей, монтажных и обмоточных проводов. Ленточная медь широко используется для экранирования высокочастотных кабелей и электрических аппаратов. Для защиты поверхности меди от окисления ее обычно лудят или покрывают слоем серебра, золота или никеля. Основные характеристики вышеуказанных марок меди приведены в табл. 3.2. Таблица 3.2 Основные характеристики меди Характеристика Плотность, кг·м3 Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Относительное удлинение,% Удельное электрическое сопротивление, мкОм·м Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, 1/oC Марка меди ММ МТ 8900 8960 260–280 360–390 6–35 0,0172–0,0174 0,5–2 0,0177–0,018 0,0043 0,0043 На практике, когда проводник должен иметь повышенные механические характеристики, а высокие требования по проводимости не предъявляются, помимо чистой меди часто используются ее сплавы: латуни и бронзы. Сплавы меди обладают более высокой механической прочностью и незначительно уступают ей по электрическим свойствам. 85 Латуни — сплавы меди с цинком (не более 45 % Zn), обладающие более высоким относительным удлинением перед разрывом по сравнению с чистой медью. Это делает их более технологичными при штамповке, протяжке и т. п. Применяются латуни в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей: винтов, гаек, шайб, шпилек, контактов штепсельных разъемов. Латунь применяют для изготовления короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей. Бронзы — сплавы меди с различными металлами: оловом, алюминием бериллием, кадмием, кремнием, хромом и др. По электропроводности бронзы уступают чистой меди, но значительно превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Бронзы применяются для изготовления пружинящих контактов электрических приборов, контактов токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин. К наиболее широко применяемым в электротехнической промышленности бронзам можно отнести оловянную бронзу БрО10 (10 % олова, остальное медь), алюминиевую бронзу БрА7 (6–8 % алюминия, остальное медь), кадмиевую бронзу БрКд5 (5 % кадмия, остальное медь), бериллиевую бронзу БрБ10 (10 % бериллия, остальное медь). Бронзу БрКд5 применяют для контактных проводов и коллекторных пластин машин особо ответственного назначения. Бронза БрБ10 применяется для изготовления пружинных деталей выполняющих одновременно и роль проводника (щеткодержателя или штепсельного разъема). Для повышения механической прочности бронзовые детали часто подвергают термической обработке — закалке и отпуску при повышенных температурах. Предел прочности на растяжение твердых закаленных бронз может достигать 800–1200 МПа и более, но при этом их проводимость снижается и может составлять только 10–30 % от проводимости чистой меди. Алюминий — металл, который по распространению в природе занимает первое место, а по практическому применению в электротехнике — второе после меди. Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди, значительно дешевле ее, но по электрическим и механическим свойствам уступает ей. Его удельное электрическое сопротивление выше, чем у меди (r не менее 0,028 мкОм·м). 86 Для того чтобы получить провод заданного электрического сопротивления из меди и алюминия, поперечное сечение алюминиевого провода должно быть в 1,3–1,5 раз больше медного. Однако по весу такой провод будет в 2 раза легче. Кроме этого алюминий намного дешевле меди и за счет образования защитной оксидной пленки стоек к атмосферной коррозии. Предел прочности при разрыве у алюминия марки АМ (алюминий мягкий) составляет не более 80 МПа, а для алюминия марки АТ (алюминий твердый) 160–170 МПа. По сравнению с медью алюминий имеет больший температурный коэффициент линейного расширения (26.10–6 °С–1), что является его недостатком. Во влажной среде в местах контакта алюминия и других металлов возникает гальванический эффект и незащищенная алюминиевая поверхность может разрушаться от коррозии. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0,005 % изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0,3–0,5 % (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Промышленностью выпускаются мягкая (AM), полутвердая (АПТ) и твердая (AT) алюминиевая проволока диаметром от 0,08 до 10 мм и шины прямоугольного сечения. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей — марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев. Листовой алюминий широко применяют для экранов. Все алюминиевые сплавы, применяемые на практике, можно условно поделить на конструкционные (дуралюмины (дюрали), силумины, авиаль и др.) и электротехнические (альдрей и магналий) Альдрей — алюминиевый сплав, в состав которого входит 0,3–0,5 % магния, 0,4–0,7 % кремния, 0,2–0,3 % железа, остальное — алюминий. Этот сплав обладает повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия), высоким пределом вибрационной прочности, сохраняет легкость алюминия и близок к алюминию по величине удельного сопротивления (0,0317 мкОм·м). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой термообработки. Применяется для изготовления проводов малонагруженных линий электропередачи. Магналий — сплав алюминия и магния, отличается низкой плотностью и применяется для изготовления электротехнических и радиотехнических приборов. 87 Дуралюмин, силумин и авиаль — эти литейные сплавы алюминия, они имеют хорошие механические свойства: твердость, прочность, коррозионную стойкость. Обычно применяется в энергетике и электротехнике как конструкционный материал (для изготовления станин электрических машин). Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление (порядка 0,1 мкОм-м) и только условно его можно отнести к материалам высокой удельной проводимости. При переменном токе в стали как в магнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10–0,15 %. Сталь как проводниковый материал также используется для производства шин, рельсов электрических железных дорог и трамваев (включая «третий специальный контактный рельс» метро). Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает, поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Проводниковые биметаллы. Для изготовления проводов кроме чистых металлов и сплавов (алюминия, меди или бронзы) часто используется их сочетание с железом (сталью) — так называемые проводниковые биметаллы. Биметалл имеет механические и электрические свойства промежуточные между свойствами чисто медного (или алюминиевого) и чисто стального проводника того же сечения: прочность биметалла будет больше, но электрическая проводимость меньше. В электротехнических устройствах часто применяют сталемедную проволоку (с содержанием меди не менее 50 % полной массы проволоки), которая выпускается с наружным диаметром от 1 до 4 мм. Она применяется для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из такого проводникового биметалла изготовляются шины 88 для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов. К популярными биметаллическими проводами можно отнести сталеалюминиевые провода марки АС, например АС 95/16 (в поперечном сечении 95 мм2 — алюминий и 16 мм2 — сталь). Такой провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого, провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. 3.3. Материалы высокого удельного сопротивления К материалам высокого удельного сопротивления относятся сплавы металлов, имеющие удельное сопротивление более 0,3 мкОм·м и малое значение температурного коэффициента удельного сопротивления. По применению эти материалы подразделяются на группы: 1) материалы для изготовления образцовых резисторов и реостатов; 2) материалы для нагревательных элементов (жаропрочные). К основным представителям первой группы относятся сплавы меди с никелем, известные под названиями манганин, константан и нейзильбер. Манганин — сплав на медной основе, содержит около 12 % марганца и 3 % никеля. Его удельное сопротивление составляет 0,42–0,48 мкОм·м, предел прочности sр = 45–600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15–30 %, максимальная длительная рабочая температура не более 200 °С, в паре с медью имеет малую термоЭДС (1–2 мкВ/К). Данный материал достаточно пластичен и применяется для изготовления образцовых и точных прецизионных резисторов, шунтов и приборов. Изделия из манганина обычно изготавливаются в виде проволоки толщиной до 0,02 мм с эмалевой или иной изоляцией. 89 Константан — медно-никелевый сплав (содержание меди — 60 %, никеля — 40 %). Удельное сопротивление составляет 0,648– 0,52 мкОм·м, температурный коэффициент удельного сопротивления — (5–25)·10–6 К–1, предел прочности sр = 400–500 МПа, относительное удлинение перед разрывом составляет 20–40 %. Нагревостойкость константана по сравнению с манганином выше, что позволяет применять его для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, способных длительно работать при температуре до 450 °C. Высокое значение термоЭДС (45–55 мкВ/К) константана в паре с медью или железом успешно используется при изготовлении термопар. Нейзильбер — медно-никелево-цинковый сплав (содержит 18 % цинка, 13–16,5 % никеля и кобальта). Обладает высокими механическими характеристиками, высокой коррозионной стойкостью, пластичен, но удельное сопротивление его меньше, чем у манганина, и составляет 0,3–0,35 мкОм·м. Нейзильбер по сравнению с константаном более дешевый материал и наиболее часто применяется для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических изделий. Вторую группу материалов высокого удельного сопротивления составляют материалы для нагревательных элементов (или жаропрочные сплавы). Жаростойкие сплавы — это сплавы на основе никеля, хрома, железа и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. Наличие железа повышает их жаропрочность. Сплавы системы Fe–Ni–Сг с небольшим содержанием железа называются нихромами, а при повышенном содержании железа — ферронихромами. При замене в составе сплавов никеля на алюминий или хром получаются сплавы, имеющие название фехрали и хромали. В марках сплавов буквы обозначают: Х — хром, Н — никель, Ю — алюминий, Т — титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание данного металла. Основная область применения жаропрочных сплавов — электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности обычно используют более дешевые, чем нихром, сплавы, а именно фехрали и хромали. 90 Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в табл. 3.3. Таблица 3.3 Свойства жаростойких сплавов Марка сплава Х20Н80 Х13Ю4 Х23Ю5Т Тип сплава Нихром Фехраль Хромаль r, мкОм·м 1,04–1,17 1,2–1,34 1,3–1,5 ar·105, °C–1 9 15 5 Траб, oC 1100 960 1150 3.4. Проводниковые материалы специального назначения К данной категории проводниковых материалов относятся металлы и сплавы, обладающие особыми физико-химическими, механическими и электрическими свойствами. По назначению такие материалы можно подразделить на следующие группы: — контактные материалы; — материалы для изготовления термопар; — припои; — материалы для электровакуумных приборов. Контактные материалы — это проводниковые материалы, применяемые для изготовления и обеспечения контактных соединений. Функционирование проводников в месте их контакта имеет определенные особенности. Во-первых, невозможно сделать площадь контакта такой же, как площадь сечения проводов, и поэтому плотность тока и выделение тепловой энергии в области контакта всегда выше. Во-вторых, в месте контакта возникают микроскопические пробои, а иногда и макроскопические пробои, переходящие в электрическую дугу (на контактах выключателя, контактора или реле), происходит высокое локальное выделение тепла. Все это приводит к деформации материала в области контакта или локальному расплавлению. В-третьих, в местах контакта возникает трение при движении одной части контакта о другую. В-четвертых, контактные поверхности в разомкнутом состоянии при взаимодействии с окружающей средой могут окисляться. 91 Из указанного выше следует, что материалы для контактов должны обладать особыми свойствами: быть стойкими к коррозии, к электрической эрозии и уносу материала, не свариваться, иметь высокую износостойкость на истирание, легко обрабатываться, иметь высокую тепло- и электропроводность, иметь невысокую стоимость. Идеальных материалов для контактов, обладающих всеми перечисленными свойствами, нет. Поэтому в зависимости от назначения контакта применяют определенные проводниковые материалы. Для разрывных слаботочных контактов применяют тугоплавкие металлы — вольфрам и молибден, благородные металлы — платину, золото, серебро, сплавы на их основе, а также металлокерамические композиции, например Ag–CdO. Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов или композиций, например серебро–графит, серебро–никель, медь–вольфрам–никель. Для скользящих контактов часто используют пары из металлического и графитсодержащего материалов, проводниковые бронзы, латуни, твердую медь и медь, легированную серебром (например, для коллекторных пластин) и другие материалы. Недостатком серебра как контактного материала является образование непроводящих серых пленок сульфида серебра в результате взаимодействия с влажным сероводородом. Другой недостаток — это малая температура плавления серебра (960 °С) и возможное сваривание контактов. Для улучшения свойств в серебро добавляют кадмий, медь, золото, палладий или кремний. Золото, хотя оно абсолютно не окисляется, само по себе редко используется ввиду его мягкости. В месте контакта может легко образовываться эрозия, иглы из металла и унос материала. Для улучшения свойств в золото обычно добавляют серебро (до 50 %), никель и цирконий, платину. В результате можно получить твердые контакты со слабой эрозией, которые не окисляются. Платина — металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, но дороги и применяются только для ответственных целей. 92 Вольфрам — один из распространенных контактных материалов. Это металл с очень высокой температурой плавления и большой твердостью. Основные характеристики вольфрама: плотность 19 300 кг/м2, температура плавления 3380 °C, r = 0,0503–0,0612 мкОм·м, температурный коэффициент удельного сопротивления — 0,0046 °C–1. Вольфрам лучше других металлов противостоит дуговым разрядам, практически не сваривается, (благодаря высокой температуре плавления), не изнашивается (благодаря высокой твердости). При эксплуатации следует помнить, что данный материал нестоек против коррозии и окисления и лучше всего работает в вакууме, в атмосфере водорода или азота. Для контактов с малым нажатием вольфрам практически неприменим. Для сильноточных контактов используются композиционные материалы или так называемые псевдосплавы, получаемые методами порошковой металлургии. Псевдосплав — это спеченная смесь двух порошков, один из которых более тугоплавкий. При этом более легкоплавкий компонент может расплавиться в процессе работы, но наличие каркаса из тугоплавкого компонента удерживает жидкость за счет капиллярных сил. Легкоплавкий компонент обычно является более тепло- и электропроводным. Наиболее часто применяются такие материалы: серебро–окись кадмия, серебро–графит, серебро–никель, серебро–вольфрам, медь–графит, медь–вольфрам. Для мощных размыкающих контактов с токами электрической дуги до 100 кА используют медно-графитовые контакты, которые мало свариваются, но сильно изнашиваются под действием электрической дуги. Материалы для изготовления термопар В качестве материалов для изготовления термопар наиболее широко применяются константан, сплав платины и родия, специальные сплавы на основе никеля: хромель (сплав никеля и хрома, содержащий 90 % никеля, 10 % хрома), алюмель (сплав никеля (94 %) с алюминием, кремнием и марганцем), копель (сплав никеля (46 %) и меди (56 %) с кобальтом). Материалы, образующие термопару, выбираются таким образом, чтобы в диапазоне измеряемых температур они обладали максимальным значением термоЭДС, что обеспечивает снижения погрешности измерения. 93 Согласно этому условию для измерения температуры могут применяться следующие термопары: «медь — константан» и «медь — копель» — для измерения температуры до 350 °C; «железо — константан», «железо — копель», «хромель — копель» — для измерения температуры до 600 °C; «хромель — алюмель» — для измерения температуры до 1000 °C; «платина-родий — платина» — для измерения температуры до 1600 °C. Знак термоЭДС у термопары зависит от направления тока в холодном и горячем спае. Принято считать, что в холодном спае ток протекает от первого названного в паре материала ко второму, в горячем — наоборот. В настоящее время для изготовления термопар более широко применяются полупроводниковые материалы, обладающие высоким коэффициентом термоЭДС и низкой стоимостью. Припои представляют собой чистые металлы или сплавы, применяемые в качестве связующего вещества при пайке металлических частей. Всякий припой должен выбираться с таким расчетом, чтобы он имел температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые им металлические части. Припои делят на группы: легкоплавкие и тугоплавкие. Легкоплавкие, или мягкие, припои имеют температуру плавления ниже 500 °C, а тугоплавкие, или твердые, выше 500 °C. В марках припоев буквы и цифры обозначают следующее: — буква, расположенная на первом месте, П — припой; — следующие буквы: О — олово, Су — сурьма, С — свинец, А — алюминий, Ср — серебро, М — медь, Кр — кремний, Ви — висмут, Зл — золото, К — кадмий; — цифры, располагающиеся за буквами, указывают процент содержания массы основного металла в припое. Например, ПОС-90 — припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 90 % (по массе). ПОСК-50/18 — припой, который содержит олова — 50 %, кадмия — 18 %, остальное свинец (по массе). Наиболее широко применяют оловянно-свинцовые припои. Они обладают большой жидкотекучестью и хорошо проникают в самые тонкие швы, хорошо схватываются с большинством металлов (медью, латунью, сталями, цинком) и обеспечивают достаточно высокую прочность паяных швов. Припои с содержанием олова менее 15 % применяют для паяния деталей, где не требуется большая механическая прочность. Оловянно-свинцовые припои с большим со94 держанием висмута (от 50 до 57 %) обладают наиболее низкой температурой плавления (70–95 °C), но паянные ими швы более хрупки. К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ-54, ПМЦ-48 и др.) и медно-серебряные сплавы (ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50 и др.), а также сплавы алюминия с медью, цинком и кремнием. Наиболее широко применяются медно-серебряные припои. Они отличаются малым удельным электрическим сопротивлением, применяются для пайки токопроводящих частей из черных и цветных металлов, которые хорошо смачиваются этими припоями, и образуют механически прочные и стойкие к коррозии паяные швы. Припои на алюминиевой основе с добавками меди, кремния и олова отличаются повышенной механической прочностью и стойкостью к атмосферной коррозии. Эти припои применяются для пайки алюминиевых проводов и других деталей из алюминия и его сплавов. Медно-цинковые припои обладают хрупкостью и не стойки к вибрациям и ударным нагрузкам, но электрическое сопротивление швов очень мало. Эти припои применяются для пайки деталей из меди, латуни, бронзы и сталей. Кроме припоя для пайки необходимы флюсы (флюсующие вещества). Их назначение заключается в очистке поверхности спаиваемых металлов от оксидов и других загрязнений и в предохранении поверхностей спаиваемых металлов от окисления в процессе пайки. Флюсы могут представлять собой твердые порошкообразные вещества (бура, борная кислота, канифоль) или жидкости (водный раствор хлористого цинка, спиртовой раствор канифоли). Иногда применяют полужидкие флюсы–пасты. При пайке меди, латуни и бронз легкоплавкими припоями на свинцовой основе применяют флюсы, не вызывающие коррозии паяных швов. К таким флюсам относятся канифоль, раствор канифоли в этиловом спирте и другие составы на основе канифоли. Канифоль является слабоактивным флюсом, поэтому поверхности спаиваемых металлов должны быть тщательно защищены перед нанесением канифольного флюса. При пайке тугоплавкими (твердыми) припоями с температурой плавления выше 500 °С нельзя применять канифоль и иные легко распадающиеся при высокой температуре флюсы. При высокотемпературной пайке стали, меди и медных сплавов (латуни, бронзы и др.) в качестве флюсов чаще всего используют буру Na2B407 или смеси ее с борной кислотой Н3ВОэ и другими солями. 95 Для пайки алюминия, легко окисляющегося на воздухе, применяют особо активные флюсы, могущие растворять плотную пленку оксидов на алюминии. К таким флюсам относится состав из хлористого лития, фтористого натрия, хлористого цинка и хлористого калия. Во всех случаях выбора флюса надо иметь в виду следующее: температура плавления твердого флюса должна быть ниже температуры плавления припоя, а температура пайки — ниже температуры термического разложения флюса. Во избежание коррозии паяных швов твердыми припоями остатки флюса должны быть удалены промывкой швов горячей водой с помощью щетки. Для электровакуумной техники широко используются тугоплавкие материалы, такие, как молибден, вольфрам и их сплавы. Детали из этих металлов должны работать в условиях вакуума или в среде инертного газа. В вакууме детали из вольфрама могут надежно работать при температурах до 2000 °C. В электровакуумной технике также широко применяется никель. Его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99 % Ni), но иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.). Выпускается в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести его достаточную механическую прочность после отжига. Никель легко поддается механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению, из него могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия. 3.5. Металлокерамические и неметаллические проводники В современных условиях к проводниковым материалам предъявляются повышенные требования: высокая электропроводность, высокая механическая прочность, твердость, упругость и пластичность, устойчивость к коррозии в различных средах и т. п. Часто металлические проводники не могут одновременно удовлетворить всем перечисленным требованиям, кроме того, большинство металлов являются дорогостоящими, дефицитными материалами. В связи с этим в настоящее время широкое применение получили новые твердые проводниковые материалы: металлокерамические и композиционные материалы, а также материалы на основе элек96 тротехнического угля и графита. Такие проводники используются для изготовления металлографитных щеток для электрических машин, электрических контактов и других деталей. Металлокерамическими называют материалы, получаемые прессованием из металлических порошков с последующим спеканием их при высоких температурах (1000–1400 °C). Исходные порошкообразные массы состоят из двух или более порошков различных металлов, из которых один должен обладать более высокой температурой плавления по сравнению с порошками других металлов. При высокотемпературной обработке — спекании изделий из порошкообразной массы более легкоплавкие порошки плавятся и заполняют поры между частицами тугоплавкого металла. В результате этого получают монолитные металлокерамические изделия. По сравнению с металлическими контактами из серебра, меди, вольфрама и сплавов металлов металлокерамические контакты отличаются повышенной износостойкостью, допускают большие силы сжатия и обладают стойкостью к эрозии. В электрических аппаратах низкого напряжения находят широкое применение контакты из металлокерамического материала на основе порошков серебра и оксида кадмия (CdO). Они обладают всеми характерными свойствами металлокерамических изделий. Кроме того, могут надежно работать в условиях тропического климата. В качестве сильноточных размыкающих дугу контактов применяют металлокерамические детали, изготавливаемые из порошков серебра, вольфрама (40–50 %) и никеля (2–3 %). Металлокерамические детали этого состава обладают пластичностью и допускают все виды механической обработки. Металлокерамические контакты, изготовляемые из порошков меди и графита, отличаются высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (30–100 кА). Это достигается не только составом и структурой металлокерамического материала на основе порошков меди и графита, но и наличием в материале пор. В производстве металлокерамических изделий количество пор в них можно изменять в широких пределах. В металлокерамических контактах на небольшие токи пористость не должна превышать 2–5 %. Это достигается повторным прессованием металлокерамических изделий с последующей тепловой обработкой — отжигом. Неметаллические проводники (электроугольные материалы) — это проводники на основе электротехнического угля или графита. Такие материалы изготовляют методами порошковой технологии 97 из смеси углеродистых материалов: графита, кокса, сажи, антрацита. В исходный состав некоторых электроугольных изделий вводят металлические порошки (медный, свинцовый, оловянный и др.). Кроме этого при производстве электроугольных изделий применяют связующие вещества — каменноугольные и синтетические смолы: бакелитовые, кремнийорганические и др. Исходные материалы (графит, сажа, антрацит) проходят специальную термообработку при температуре 1200–1300 °C, затем в них добавляют связующие вещества и прессуют в стальных пресс-формах при давлении от 100 до 300 МПа. В процессе обжига происходит спекание — соединение частиц исходных материалов и цементация их коксом, образующимся из связующих органических веществ. В результате обжига изделия приобретают механическую прочность и способность к механической обработке. При этом уменьшается величина их удельного электрического сопротивления. Электроугольные изделия, содержащие сажу, кокс и другие неграфитовые компоненты, после обжига подвергают дополнительной термической обработке (при 2400–2800 °C), называемой графитизацией. При этом неграфитовые компоненты в изделиях превращаются в графит, а большинство примесей испаряется. В результате графитизации изделия, приобретают некоторую мягкость, уменьшается коэффициент трения и резко снижается их удельное электрическое сопротивление. Полученные после графитизации и механической обработки (резки, шлифования) изделия обладают значительной пористостью. Поэтому их подвергают пропитке лаками или воскообразными веществами, а в некоторых случаях и расплавленными металлами (оловом, свинцом и др.). Пропитка имеет целью устранить пористость и уменьшить гигроскопичность электроугольных изделий, а иногда ввести в них смазочные вещества (воскообразные). Пропитка металлами резко увеличивает механическую прочность и повышает проводимость изделий. Удельное электрическое сопротивление электротехнического угля составляет 8–30 мкОм·м. Неметаллические проводниковые материалы применяются для изготовления щеток для электрических машин, контактных деталей, электродов для электродуговых печей и ванн, прожекторов, непроволочных высокоомных резисторов, разрядников, электровакуумных приборов. 98 В электрических машинах обычно применяются: 1) угольно-графитные щётки (маркиТ 2, УГ2, Г20, Г21, Г22). Они изготавливаются из графита с добавлением кокса, сажи и связующих веществ и после термической обработки покрывают тонким слоем меди. Они обладают повышенной механической прочностью, твердостью и большой износоустойчивостью; 2) графитные щетки (марки ГЗ, 611М, 6110М); 3) электрографитированные (марки ЭГ2А, ЭГ2АФ, ЭГ-4, ЭГ-8, ЭГ-14, ЭГ-15, ЭГ-83 и др.). Изготавливают так же, как и угольнографитные щетки, но после первой термической обработки подвергают графитизации. Обладают повышенной механической прочностью и применяются в электрических машинах, работающих при больших частотах вращения и толчкообразных изменениях нагрузки (например, в тяговых электродвигателях); 4) металлографитные (марки М1, МЗ, М 20, МГ, МГО, МГ2, МГ4, МГС, МГСО, СМ и др.). Обычно применяют в электрических машинах низкого напряжения. Широкое применение в автоматике, измерительной и вычислительной технике находят непроволочные резисторы. В качестве проводящих материалов в них используется природный графит, сажа, углерод. бороуглеродистые пленки. От проволочных резисторов непроволочные резисторы отличаются малыми размерами, высоким верхним пределом номинального сопротивления, высокой стабильностью при воздействии температуры и влажности. Угольные электроды применяют в качестве нагревательных элементов электрических печей при производстве ферросплавов, электротехнической стали, абразивных материалов для шлифования, при электролизе алюминия, электросварке и в качестве проводника электроэнергии к нагревательному элементу (угольная крупка в печах сопротивлений). Электроугольные электроды, отличающиеся стойкостью к электрической дуге, очень медленно окисляются, не горят, не плавятся до температуры 3800 °C и они широко применяются в электрических аппаратах большой мощности. Контактные детали, применяемые в электровозах, троллейбусах и других токосъемных устройствах, обычно изготовляют из электроугольных и медно-графитных масс. Изделия имеют очень малое удельное электрическое сопротивление, составляющее 0,02–0,05 мкОм·м. 99 3.6. Сверхпроводники и криопроводники 3.6.1. Природа сверхпроводимости Сверхпроводимость — это физическое явление возникновения у некоторых материалов практически бесконечной проводимости при температурах, близких к абсолютному нулю. Материалы, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, называются сверхпроводниками. Переход в сверхпроводящее состояние происходит при охлаждении вещества ниже определенной критической температуры — температуры сверхпроводящего перехода Tс. При повышении температуры выше значения Tс вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости. Явление сверхпроводимости связано с тем, что при температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и кристаллической решеткой, становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных («куперовских») пар. В состоянии сверхпроводимости электронные пары обладают большой энергией связи, отсутствует обмен энергетическими импульсами между ними и кристаллической решеткой и сопротивление материала становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние, характерное для обычных металлов. Электронные пары распадаются при температуре выше Tс, и состояние сверхпроводимости исчезает. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году ученым Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4,4 К), полностью теряет электрическое сопротивление. Позднее было установлено, что сверхпроводимость возможна в олове, свинце и других металлах. К настоящему времени известно 35 металлов и более 1 000 сплавов и химических соединений различных элементов, обладающих сверхпроводимостью. Среди чистых металлов сверхпроводимость наблюдается у алюминия, кадмия, индия, галлия, ванадия, ртути и др. По физико-химическим свойствам сверхпроводниковые чистые металлы подразделяют на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Ta, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления (от 39 до 156 °С)) и отсутствие внутренних механических напряжений, а жесткие сверхпроводники наоборот от100 личаются высокой температурой плавления (выше 1700 °С)) и наличием значительных внутренних напряжений. Критическая температура. У чистых металлов переход в сверхпроводящее состояние совершается скачком при определенной температуре, которая зависит от структуры кристаллической решетки материала. Например, белое олово обладает сверхпроводимостью, а серое — нет. Критическое магнитное поле (критическая индукция). Сверхпроводящее состояние разрушается магнитным полем, когда магнитная индукция превосходит некоторое критическое значение, зависящее от материала сверхпроводника и температуры. Экспериментально обнаружено, что критическое поле напряженностью Нс достаточно хорошо аппроксимируется параболами вида: 2 ж T ц H с = H 0 з1 - с ч , и T0 ш (3.14) где Н0 — напряженность при абсолютном нуле; Тс — температура сверхпроводящего перехода; Т0 — температура при отсутствие магнитного поля. Зависимость критического поля от температуры представляет собой фазовую диаграмму сверхпроводника (рис. 3.4). Металл будет находиться в сверхпроводящем состоянии при любой комбинации температуры и приложенного магнитного поля, например в точке А. Н Нс Нормальное состояние A Сверхпроводящее состояние Tс T Рис. 3.4. Фазовая диаграмма сверхпроводника 101 Для любого сверхпроводника существует критическая плотность тока dкр, выше которой сверхпроводимость разрушается. Например, если через цилиндрическую проволоку радиуса «R» в отсутствие внешнего поля пропускать ток I, то на ее поверхности возникает магнитное поле напряженностью H = I , 2pR (3.15) отсюда критический ток будет равен Jкр = 2pR·Hc, (3.16) где R — радиус; Нс — критическая напряженность магнитного поля, создаваемого током I. Зависимость критического тока от напряженности магнитного поля Н при продольном приложении поля к проводнику показана на рис. 3.5. Вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводящего тела или проводника получило название эффекта Майснера по имени немецкого ученого, отрывшего его. Поверхностный ток, занимая тонкий слой вблизи поверхности сверхпроводника, создает магнитное поле, уничтожающее внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. I Iкр 2p · Hc H Рис. 3.5. Зависимость критического тока от напряженности магнитного поля При переходе материала в сверхпроводящее состояние его относительная магнитная проницаемость уменьшается до нуля скачком. Внешнее магнитное поле «выталкивается» из сверхпроводника, т. е. он ведет себя как идеальный диамагнетик. 102 3.6.2. Сверхпроводники первого и второго рода. ВТСП С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы делятся на сверхпроводники первого, второго и третьего родов. Сверхпроводники первого рода — это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Майснера (при напряженности магнитного поля до 105 А/м). Фазовая диаграмма сверхпроводника первого рода, показана на рис. 3.6. Для сверхпроводников первого рода характерны скачкообразное измерение удельной проводимости и определенная температура сверхпроводящего перехода. Сверхпроводящее состояние может нарушаться даже при малых отклонениях температуры и напряженности магнитного поля от критических значений. Это затрудняет их практическое использование. B Bc2 Нормальное состояние Bc Смешанное состояние Bc1 Сверхпроводящее состояние T Tc Рис. 3.6. Фазовая диаграмма сверхпроводника второго рода Сверхпроводники второго рода — это вещества, в которых эффект Майснера проявляется частично (только при напряженности поля более 107–108 А/м). В таких материалах переход в сверхпроводящее состояние происходит не скачком, а постепенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции — Вс1 и Вс2 при температуре ниже Тc. Если магнитная индукция во внешнем поле превышает значение нижней критической индукции, то происходит частичное проникновения магнитного поля в толщину сверхпроводника. При этом под действием силы Лоренца электроны в материале начинают двигаться по окружности, образуя так называемые вихри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближения к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения 103 и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает и сокращается расстояние между ними. Когда это расстояние становится соизмеримым с размером «куперовской» пары, материал переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникает в объем. К сверхпроводникам второго рода из чистых металлов относятся необий, ванадий и технеций. Сверхпроводники третьего рода включают в себя неидеальные сверхпроводники второго рода (жесткие сверхпроводники). Для них характерно наличие крупных неоднородностей, возникающих при пластической деформации или выделении другой фазы. Дефекты структуры могут служить узлами закрепления вихрей, что значительно уменьшает допустимые токи. Например, по проволоке из станнида ниобия Nb3Sn в полях с индукцией около 10 Тл можно пропускать ток с плотностью выше 109 А/м2 при частотах не более 10 кГц, потери в таких материалах носят гистерезисный характер и не зависят от формы тока, на частотах 10–100 Гц критическая плотность переменного тока мало зависит от частоты и по амплитуде приближается к плотности постоянного тока. К сверхпроводникам третьего рода относятся в основном сплавы и химические соединения, например галлид ванадия, станнид ниобия. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — материалы, переход в сверхпроводящее состояние у которых происходит при достаточно высоких температурах. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минерала CaTiO3). Плотность тока в системах Y–Ba–Cu–O получена в настоящее время до 104 А/см2, что меньше, чем в металлических сверхпроводниках. Перспективными являются висмутовые системы Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, температура перехода которых достигает –158 °С. В популярных изданиях имеются сведения о получении ВТСП с критической температурой 250 К. Лучшие сверхпроводящие свойства получаются в пленочных образцах, пропускающих ток плотность около 106 А/см2. Свойства ВТСП во многом зависят от технологии. Наиболее простой способ состоит в размоле металлических оксидов, прессования смеси и отжиге в атмосфере кислорода при температуре 900 °С. Новое вещество образуется в результате химической реакции. Для устранения межгранулярных прослоек и получения более упорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке с последующим охлаждением. 104 Широкое применение ВТСП сдерживается рядом трудностей, к которым можно отнести необходимость получения больших плотностей тока, гибкости, прочности, способности выдерживать большие магнитные и центробежные нагрузки, легкость обработки, стабильность свойств и др. 3.6.3. Применение сверхпроводников Сверхпроводники имеют широкие перспективы применения в различных областях науки и техники, хотя в настоящее время главная проблема, ограничивающая их использование, связана со сложностью получения и поддержания низких рабочих температур. Основные области применения сверхпроводников: 1. сверхпроводящие магниты; 2. накопители и генераторы электрической и магнитной энергии; 3. обмотки электрических машин и трансформаторов; 4. транспорт на магнитной подушке; 5. сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы; 6. вычислительная техника. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенную на железном сердечнике, можно создавать магнитные поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см2. Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100 000 А/см2. Такие плотности тока дают возможность получать сплавы из ниобия 3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К). Объемные образцы иттрий — барий — оксид меди выдерживают плотность тока до 4000 А/см2 при температуре жидкого азота (77 К) в магнитном поле 1 Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока достигает значения 17000 А/см2. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99,5 %, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98,6 %. Ежегодная экономия топлива составит 1 %. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии. 105 Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом на 3 % дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты на обслуживание уменьшаются еще на 5 %. Поезда на магнитной подушке — наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500 км обойдется в 1,5–4,5 млрд дол. Стоимость самих поездов составит не более 10 %, а система охлаждения всего 1 % общей суммы затрат. Сверхнизкие температуры до 10 К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у современных компьютеров. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) сможет составлять не более 10–13 с при температуре 10 К. Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (СКВИД) позволяет измерять падение напряжения до 10–18 В, а токи от 10–18 А и магнитные поля меньшие 10–14 Тл. Сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 1012 Гц (близко к квантовому пределу), в то время как чувствительность обычных приборов не превышает 1010 Гц. Основное применение СКВИДов — это магнитоэнцефалография, элементы памяти. В квантовой физике СКВИДы используются для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, а также в геологии для поисков нефти, воды, минералов. Одной из самых перспективных областей применения сверхпроводников космическая техника — бортовая и «забортовая» измерительная аппаратура и вычислительные системы. 3.6.4. Криопроводники Криопроводники — это материалы (металлы), удельное сопротивление которых достигает малых значений при температурах, близких к температуре жидкого азота (минус 195,6 °С), а температуры ниже 120 К называют криогенными температурами. Криопроводимость — частный случай нормальной электрической проводимости металлов в условиях криогенных температур. Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюда106 ется. Снижение сопротивления у криопроводников происходит за счет уменьшения рассеяния электронов проводимости на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Так как в криопроводниках при низких температурах основной вклад в величину удельного сопротивления вносит рассеяние электронов проводимости на дефектах кристаллической решетки (в том числе и на примесных атомах), материал должен быть подвергнут отжигу и иметь высокую степень чистоты. Наиболее широко в качестве криопроводников применяются чистые металлы (с 0,001 % примесей): медь и алюминий, и технически чистый бериллий (с 0,1 % примесей). Бериллий обладает наименьшим сопротивлением при температуре жидкого азота (77,4 К). При температуре жидкого водорода (20,3 К) наиболее эффективными криопроводниками являются медь и алюминий. Чаще всего в качестве криопроводникового материала используют алюминий. Алюминий недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление. Например, при температуре жидкого гелия (минус 269 °С) удельное сопротивление алюминия марки А999 составляет (1–2) 10–16 мкОм·м. Явление криопроводимости, как и явление сверхпроводимости, достаточно широко используется в электротехнике. Криопроводники применяются в электрических машинах и аппаратах, для изготовления жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидкого водорода и азота. Применение криопроводников в электроустановках по сравнению с применением сверхпроводников имеет ряд преимуществ. К основным преимуществам можно отнести: — плавное увеличение сопротивления при повышении температуры; — упрощение тепловой изоляции; — уменьшение мощности на охлаждение; — большая экономичность вследствие применения для охлаждения жидких водорода или азота, так как они намного дешевле жидкого гелия, применяемого при охлаждении сверхпроводников. 107 4. Полупроводники 4.1. Основные свойства полупроводников Полупроводники представляют собой группу веществ, которые по свойствам электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их удельное электрическое сопротивление находится в диапазоне от 10–6 до 10+8 Ом.м, ширина запрещенной зоны — до 3,0 эВ. При температурах, близких к абсолютному нулю, полупроводники проявляют свойства хороших диэлектриков, но даже при незначительном повышении температуры сопротивление полупроводника быстро уменьшается и он начинает проводить электрический ток. В этом основное отличие полупроводников от других классов электротехнических материалов. Другая отличительная особенность полупроводников — сильная зависимость их электропроводности от воздействия различных внешних факторов. К классу полупроводниковых материалов относятся сотни неорганических и органических веществ — кристаллического и аморфного строения, элементарные и сложные химические соединения. По мнению основоположника полупроводникового материаловедения академика А. Ф. Иоффе, «полупроводники — это почти весь окружающий нас неорганический мир». Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно качество — способность значительно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий. По химическому составу все полупроводники подразделяются на простые или элементарные и сложные или полупроводниковые соединения. Простыми полупроводниками являются 12 химических элементов, находящиеся в средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Наиболее широкое применение среди этой группы имеют кремний, германий, селен и теллур. 108 К полупроводниковым соединениям относятся оксиды металлов, бинарные соединения, сложные тройные соединения. В качестве примера таких соединений можно привести следующие материалы: SiC, InSb, ZnО, ZnSiAs2, CuAlS 2 и т. д. К главным электрическим характеристикам полупроводников относятся: — удельная электрическая проводимость (удельное электрическое сопротивление); — концентрация носителей заряда (электронов и дырок); — температурный коэффициент удельного сопротивления; — ширина запрещенной зоны; — энергия активации примесей; — подвижность носителей заряда; — работа выхода носителей заряда; — коэффициент диффузии носителей заряда. 4.2. Электропроводность полупроводников Свободными носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рис. 4.1 показана атомная модель и энергетическая диаграмма кремния — собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si W, эВ ЗП ЗЗ DW0 Si ВЗ Рис. 4.1. Атомная модель и энергетическая диаграмма кремния У полупроводников при абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны (ВЗ) полностью заполнены. Под действием избыточной энергии DW0, появляющейся 109 за счет внешних энергетических воздействий (температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д.), некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости (ЗП). Энергия DW0 в случае беспримесного полупроводника равна ширине запрещенной зоны (ЗЗ) и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющее единичный положительный заряд. Напомним, что способность любых материалов (в том числе и полупроводников) проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения, тогда плотность тока j может быть определена по той же формуле, что и для проводников: j = е ni Ч qi Ч vi , (4.1) где i — тип носителя заряда (для полупроводника — это электроны и дырки); ni — концентрация зарядов i-го сорта; qi — значение заряда; vi — скорость носителей заряда. Собственная электропроводность полупроводника складывается из электронной и дырочной электропроводностей и равна g = gе + gn. (4.2) В собственном полупроводнике концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, следовательно ni + pi = 2 ni. (4.3) Полупроводники, проводимость которых обеспечивается только собственными носителями заряда, называются собственными или полупроводниками i-типа. К ним относится значительное количество элементарных веществ: кремний, германий, селен, индий, мышьяк, йод, фосфор, теллур и другие элементы таблицы Менделеева. Для наиболее распространенных собственных полупроводников значения энергии активации приведены в табл. 4.1. В реальных условиях трудно создать кристаллическую решетку без примесей и дефектов. Поэтому собственные полупроводники встречаются редко и их применение ограничено. В большинстве случаев приходится иметь дело с полупроводниками, в кристаллической решетке которых имеются атомы посторонних элементов или другие типы дефектов. В полупроводниковой технике наибо110 лее часто используются полупроводники со специально введенными примесными элементами. Такой полупроводник называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью. Таблица 4.1 Основные характеристики собственных полупроводников ПолуПолуr, Ом·м r, Ом·м DW0, эВ DW0, эВ проводник при 20 °C проводник при 20 °C Германий (Ge) 0,72 0,47 Селен (Se) 1,7–1,9 до 1010 Кремний (Si) 1,12 2000 Теллур (Те) 0,35 29 ·10–4 В примесных полупроводниках поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону происходит за счет примесей, которые могут ионизоваться даже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, получили название доноров. Они занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Эти уровни называются донорными. Так, если в полупроводник IV группы (например, в кремний) ввести в качестве примеси мышьяк, являющийся элементом V группы, то пятый электрон примеси в ковалентной связи не участвует, со своим атомом он связан только силой кулоновского взаимодействия, а энергия этой связи невелика (сотые доли электронВольт). Для ионизации примесных атомов требуется энергия значительно меньшая, чем для ионизации основных. Полупроводники, имеющие донорные примеси, обладают электронной проводимостью и называются полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, называются акцепторными. В этом случае в полупроводник IV группы (например, в кремний) вводится примесь III валентной группы (например, йод или алюминий). Все три валентных электрона примеси будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. В эту незаполненную связь около атома йода благодаря тепловой энергии может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуется отрицательный ион примеси и свободная дырка основного вещества 111 перемещается по связям и принимает участие в проводимости данного полупроводника. В таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а неосновными — электроны. Полупроводники с акцепторными примесями называются дырочным полупроводниками или полупроводниками р-типа. Энергетические диаграммы полупроводников с донорной и акцепторной примесью показаны на рис. 4.2. а б ВЗ DW0 ЗЗ DWп ЗЗ DW0 ЗП DWп ЗП ВЗ Рис. 4.2. Энергетическая диаграмма полупроводника с примесной проводимостью: а — донорная примесь, б — акцепторная примесь Из энергетической диаграммы видно, что, если энергетические уровни атомов примеси находятся в зоне ЗЗ вблизи зоны ВЗ, то наблюдается дырочная проводимость, а если вблизи зоны ЗП, то — электронная проводимость. Примеси с энергией DWп < 0,1 эВ являются оптимальными. Их относят к «мелким» примесям, которые определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200–400 К. Скомпенсировать «мелкие» примеси можно с помощью «глубоких» примесей, которые ионизуются при более высоких температурах. «Глубокие» примеси, влияют на процессы рекомбинации и определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. 4.3. Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников Электропроводность полупроводников в большой степени зависит от воздействия внешних факторов. К основным внешним воздействиям относятся: температура, электромагнитное облучение (свет), механические напряжения, напряженность электрического и магнитного поля и др. 112 Рассмотрим влияние на электропроводность полупроводников главных внешних факторов, а именно температуры и света. 4.3.1. Влияние температуры Температура окружающей среды оказывает очень сильное влияние на электропроводность полупроводников. Рост температуры приводит к резкому изменению подвижности и концентрации носителей заряда и повышению проводимости вещества. Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает их упорядоченному движению. Основные причины, влияющие на подвижность носителей: — тепловые колебания атомов или ионов кристаллической решетки; — рассеивание на атомах или ионах примесей; — рассеивание на дефектах кристаллической решетки (в пустых узлах, в искажениях, связанных с внедрением ионов другой валентности, дислокациями, трещинами и т. д.). При низких температурах преобладает рассеяние на примесях и подвижность носителей m изменяется согласно выражению 3 m = а ЧT 2 , (4.4) где а — параметр полупроводника; Т — температура. Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей заряда зависит от температуры и определяется выражением nа = Ae - DW 0 2kT , (4.5) где nе — концентрация носителей заряда; A — константа, не зависящая от температуры; DW0 — ширина запрещенной зоны; k — постоянная Больцмана. Для примесных полупроводников n = Be - DWп 2kT , (4.6) 113 lng Собственная проводимость где n — концентрация носителей заряда примеси; DWп — энергия ионизации примеси, В — константа, не зависящая от температуры. Таким образом, от температуры зависит не только концентрация свободных носителей заряда, но и их подвижность. Характер этой зависимости в полулогарифмических координатах показан на рис. 4.3. n < n1 < n2 2 DW0 2 n2 DWп Примесная проводимость n1 DWп n 1/T Рис. 4.3. Зависимость проводимости полупроводника от температуры В области собственной проводимости удельная проводимость полупроводника зависит от температуры и равна g = g 0e - DW 0 2kT . (4.7) В области примесной электропроводности удельная проводимость определяется выражением g п = g1e - DW п 2kT . (4.8) Уменьшение удельной проводимости на участке 2 приведенной зависимости связано с истощением примесных уровней и рассеянием носителей на фононах (при тепловых колебаниях решетки) и дефектах решетки при увеличении температуры. Приведенные уравнения можно использовать для определения ширины запрещенной зоны полупроводника. Полупроводник, у которого энергия ионизации (активации) примеси DWп равна нулю, называется вырожденным. 114 4.3.2. Влияние электромагнитного облучения (света) При облучении полупроводника светом вся энергия электромагнитного излучения поглощается и вызывает появление в материале избыточного количества носителей заряда (по сравнению с равновесным состоянием при данной температуре). Электропроводность полупроводника под воздействием электромагнитного излучения повышается. Если энергии фотона hν для собственных полупроводников больше энергии активации DW0, а для примесных полупроводников меньше DWп, то в материале появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Фототок с энергией hν, большей или равной ширине запрещенной зоны DW0, переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара «электрон–дырка» становится свободной и участвует в создании электропроводности. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, называется темновой проводимостью. Процесс, при котором электроны, оставаясь в теле полупроводника, изменяют свое энергетическое состояние так, что переходят из одной энергетической зоны в другую под действием электромагнитного излучения, называется внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект наблюдается при частоте облучения больше определенной для данного материала граничной частоты, называемой красной границей фотоэффекта. С учетом того что ширина запрещенной зоны различных полупроводников находится в интервале от 0,1 до 3 эВ, граничная длина волны поглощаемого света может находиться в различных частях спектра: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой. При увеличении температуры красная граница фотоэффекта смещается в сторону коротких волн. Зависимость фотопроводимости от длины волны и от температуры для германия показана на рис. 4.4. Влияние электромагнитного излучения на свойства полупроводников используется для создания фотосопротивлений, фотодиодов и светодиодов, фототранзисторов, в различных оптоэлектронных устройствах: лазерах, фотодетекторах (датчиках), в солнечных батареях и фильтрах. 115 gф gф ДКФ ТХ 1 2 l T Рис. 4.4. Зависимость фотопроводимости от длины волны и температуры: ДКФ — длинноволновой край фотоэффекта, ТХ — тепловой хвост В качестве материала при их производстве эффективно используются бинарные химические соединения. 4.4. Основные полупроводниковые материалы и соединения 4.4.1. Простые полупроводники Германий — элемент IV группы таблицы Менделеева, один из наиболее хорошо изученных полупроводников. В земной коре его содержание невелико — 0,0001 % массы. Ширина запрещенной зоны — 0,72 эВ. Интервал рабочих температур находится в диапазоне от минус 60 до 70 °С. Тип проводимости и величина удельного электрического сопротивления зависит от примесей, вводимых в исходный материал. Используется германий для производства полупроводниковых приборов с электронным и дырочным типом проводимости, а именно выпрямительных диодов на токи от 0,3 до 1 кА, туннельных диодов, варикапов, высокочастотных и импульсных диодов, биполярных транзисторов, оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Однако невысокий верхний предел рабочих температур ограничивает применение германия, и в настоящее время наиболее широко применяется кремний, называемый полупроводником номер один. Кремний — элемент IV группы таблицы Менделеева, самый широко применяемый полупроводниковый элемент. Его содержание в массе земной коры составляет 29,5 %. Ширина запрещенной 116 зоны — 1,12 эВ. Интервал рабочих температур находится в диапазоне от минус 60 до 180–200 °С (в зависимости от степени очистки кремния). Кремниевые приборы по сравнению с приборами из германия могут работать при более высоких температурах (благодаря большей ширине запрещенной зоны кремния). Кремний широкого используется для изготовления различного типа диодов, транзисторов, термоэлементов, тензопреобразователей, тиристоров, интегральных микросхем и микропроцессоров. Кремний удается наращивать на монокристаллы или на инородные подложки при толщине слоя 5–10 мкм. Этот процесс производится при температуре, меньшей температуры плавления, и называется эпитаксией, при наращивании на инородных подложках, например на сапфире, — гетероэпитаксией. Такие структуры используются как основа ИС наиболее быстродействующих, энергоемких и радиационностойких. Селен и теллур — элементы VI группы таблицы Менделеева, обладающие рядом интересных электрических свойств. Ширина запрещенной зоны селена равна 1,7–1,9 эВ, а теллура — 0,35 эВ. В чистом виде селен и теллур применяются достаточно редко. Чаще они используются в химических соединениях типа AIIBVI (селениды и теллуриды) при производстве выпрямителей переменного тока, фотоэлементов и фоторезисторов, а также в технологии красок, пластмасс, керамики, как легирующая добавка при производстве стали, в электрофотографии. Как защитное покрытие селен применяется в приборах инфракрасного диапазона, так как он почти прозрачен в инфракрасном спектре. Теллур применяется в виде сплавов с сурьмой и свинцом для изготовления термоэлектрических генераторов. 4.4.2. Сложные полупроводниковые соединения Развитие полупроводниковой, оптоэлектронной техники и микроэлектроники привело к широкому использованию полупроводниковых соединений. Взаимодействие различных соединений друг с другом приводит к образованию твердых растворов, что дает возможность путем изменения состава раствора получать материалы с заранее заданными свойствами. Основным способом получения таких структур является эпитаксия. Различные методы эпитаксии позволяют получать тонкие и сверхтонкие 117 однослойные и многослойные полупроводниковые структуры разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и электрофизических свойств по толщине и поверхности наращиваемого слоя. Применение в микроэлектронике и оптоэлектронных устройствах гетероэпитаксиальных структур позволяет создавать сложнейшие многослойные эпитаксиальные композиции с заданными параметрами. Созданы приборы на основе поликристаллических и аморфных материалов, что позволило снизить стоимость полупроводниковых преобразователей солнечной энергии (солнечных батарей) наземного применения. Среди прочих сложных полупроводниковых соединений наибольшее распространение в электротехнике получили бинарные и оксидные соединения. Карбид кремния — бинарное соединение (АIVВIV) с большой шириной запрещенной зоны 2,8–3,1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния — одно из наиболее твердых веществ, стоящий третьим после алмаза и нитрида бора. Полупроводниковые приборы из него могут работать при высоких температурах до 600–700 °С. Карбид кремния устойчив против окисления до температуры свыше 1400 °С. При комнатной температуре он не взаимодействует с кислотами. В электротехнике и полупроводниковой технике карбид кремния применяется для изготовления варисторов, светодиодов, высокотемпературных диодов, транзисторов, тензосопротивлений, счетчиков частиц высоких энергий, силитовых стержней электрических печей. По многим важным критериям карбид кремния превосходит классические полупроводниковые материалы — кремний и арсенид галлия, что позволяет создать новые приборы (светодиоды и др.), излучающие во всем диапазоне спектра видимого света и с высокой радиационной стойкостью. Счетчики частиц высоких энергий на основе карбида кремния способны работать в химически агрессивных средах, силитовые стержни могут применяться в электрических печах на максимальную температуру до 1500 °С. Важное применение карбида кремния — нелинейные элементы вентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений. Карбид кремния — перспективный материал. 118 Бинарные соединения типа АIIIВV классифицируются по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди них занимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1,4 эВ) и высокой подвижностью электронов. Он используется для изготовления приборов, работающих при высоких температурах и высоких частотах, для инжекционных лазеров, светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Широко применяются в электронике антимонид индия, фосфид галлия, антимонид галлия. Бинарные соединения типа АIIВVI, к которым относятся халькогениды, сульфиды, селениды, теллуриды. Они применяются для изготовления фоторезисторов, высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике, для создания промышленных люминофоров и др. Оксидные соединения — гемиоксид меди, оксид цинка и др. широко применяются для изготовления выпрямителей, терморезисторов и фотоэлементов. Оксид цинка используется для изготовления терморезисторов с большим отрицательным коэффициентом удельного сопротивления, варисторов ограничителей перенапряжений (ОПН). 4.5. Основные полупроводниковые приборы и устройства В электротехнике и электронике применение полупроводников идет по двум основным направлениям: — использование свойств p–n-перехода (создание диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем и др.) — использование зависимости удельного сопротивления полупроводников от внешних факторов (применение нелинейных сопротивлений: варисторов, терморезисторов и фотосопротивлений; различных и датчиков и преобразователей). Для практического применения полупроводников важны такие их параметры полупроводников как: — коэффициент термоЭДС; — коэффициент термоэлектрического эффекта; — удельная фотопроводимость; — коэффициент тензочувствительности; — коэффициент Холла и др. 119 В основе изготовления многих полупроводниковых приборов и устройств лежат следующие эффекты: выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла (гальваномагнитный эффект), Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический. Кратко рассмотрим некоторые из них. Выпрямительный эффект Выпрямительными свойствами обладает лишь p–n-переход и контакт полупроводника с другими металлами. Границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью, в примесном полупроводнике называют p–n-переходом. Переход должен быть непрерывным. В цепи с переменным электрическим полем p–n-переход работает как выпрямитель. Вольт-амперная характеристика p–n-перехода показана на рис. 4.5. I Uпр Uобр Рис. 4.5. Выпрямительный эффект (ВАХ диода) Эффект Холла (гальваномагнитный эффект) — это явление возникновения ЭДС на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции B. Рассчитывается ЭДС Холла по формуле I ЧB (4.9) , h где Кх — постоянная Холла; I — ток; В — индукция внешнего магнитного поля; h — толщина кристалла. Постоянные Холла для полупроводников n- и р-типа, соответственно равны Uх = Kх 120 Кх = - В А и Кх = , nр Ч q nе Ч q (4.10) где nе и nр — концентрации электронов и дырок; q — заряд электрона; A и B — коэффициенты, значения которых изменяются от 0,5 до 2,0 для различных материалов. В сильных полях или для вырожденных полупроводников A = B = 1,0. Для монокристаллических образцов с совершенной структурой A = B = 3p/8. Случай «дырочного» полупроводника изображен на рис. 4.6. Смещ ение B 1 «дыро к» I p-тип 2 Uх = j1 – j2 Рис. 4.6. Явление возникновения ЭДС Холла Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда для данного типа полупроводника. По направлению и величине ЭДС Холла можно определить тип носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность. Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида или теллурида ртути (HgTe, HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженнности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений — и преобразование сигналов. Термоэлектрические эффекты К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона. Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает разность ЭДС, если между краями этих материалов существует разность температур. 121 Если один край спая нагрет до температуры Т1, а другой до Т2 (Т2 > Т1), то в цепи появляется электродвижущая сила, называемая термоЭДС, равна E т = l т (T2 - T1 ), (4.11) где λт — коэффициент термоЭДС, зависящий от материала. Рассмотрим процесс образования термоЭДС на примере однородного полупроводника, у которого один край нагрет больше, чем другой. Свободные носители заряда у горячего края имеют более высокие энергии и скорости, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего края к холодному будет больше, чем холодного к горячему. Если концентрация (или подвижность) электронов и дырок в полупроводнике неодинакова, края полупроводников будут заряжены противоположно. У полупроводника р-типа на холодном крае возникнет положительный заряд, а у полупроводника n-типа — отрицательный. Эффект Пельтье — эффект, обратный рассмотренному выше эффекту Зеебека. При прохождении тока через спай двух разнородных полупроводников происходит поглощение или выделение тепла. Количество теплоты Q, выделяемое или поглощаемое в контакте, пропорционально протекающему току и равно Q = П · I · t, (4.12) где П — коэффициент Пельтье; I — сила тока; t — время. Основой для преобразователей тепловой энергии в электрическую являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников р- и n-типа. Большое значение термоЭДС полупроводников позволяет использовать их в качестве эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном полупроводнике, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур приводит к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля совпадает с полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть работы получается за счет тепловой энергии самого полупроводника, в ре122 зультате чего он охлаждается. При смене направления внешнего поля — нагревается. Теплота Томпсона Q определяется по формуле Q = t(T2 – T1)I · t, (4.13) где t — коэффициент Томпсона; I — сила тока; t — время. Также термоЭДС может возникнуть на противоположных гранях полупроводника, имеющих градиент температур, при этом ее величина прямо пропорциональна разности температур. Этот эффект используют для определения типа проводимости полупроводника. На рис. 4.7 показан принцип возникновения разности потенциалов на гранях полупроводников n- и p-типов. – + n + T 1 < T2 p – T1 < T2 I I Рис. 4.7. Определение типа проводимости Тензоэффект — это зависимость удельного сопротивления (проводимости) от деформации. При растяжении иди сжатии происходит изменение подвижности носителей, что вызывает изменение проводимости проводника. Это явление положено в основу тензодатчиков, позволяющих электрическими методами выполнять изменение механических воздействий. Эффект Ганна впервые наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. Заключается эффект Ганна в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности и относится к эффектам сильных полей. В современной электронике широко применяются приборы, построенные на его основе и генерирующие колебания в диапазоне частот до сотен гигагерц (кварцевые генераторы и др.). 123 5. Диэлектрики 5.1. Классификация и основные свойства диэлектриков Диэлектрики — это материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением (r = 108–1016 Ом·м). К их основным электрическим свойствам относится способность поляризоваться в электрическом поле. Существует множество классификаций диэлектриков. Наиболее часто диэлектрики принято делить по их агрегатному состоянию и степени поляризации. По агрегатному состоянию различают газообразные, жидкие, твердые и твердеющие диэлектрики. По степени поляризации все диэлектрики можно поделить на неполярные (или нейтральные), полярные (среди которых, в свою очередь, различают: слабополные, полярные и сильнополярные) и сегнетоэлектрики. По химическому строению существуют диэлектрики с молекулярной и ионной структурой. По механизму поляризации, зависящему от характера химической связи в материале, можно разделить несколько классов диэлектриков: — материалы, обладающие только одним механизмом поляризации; — материалы, обладающие несколькими видами механизмов поляризации (электронная и дипольно-релаксационная; ионная и дипольно-релаксационная; ионная, дипольно-релаксационная и миграционная и т. д.). По характеру изменения поляризованности материала от напряженности внешнего поля различают линейные (пассивные) и нелинейные (активные) диэлектрики. 124 По области использования диэлектрические материалы обычно подразделяют на классы: — электроизоляционные (изоляция кабелей и проводов, изоляторы линий электропередачи и контактной сети, вводы и выводы устройств, пропитка обмоток машин, трансформаторов, дросселей и др.); — конденсаторные (т. е. накопители электрической энергии); — конструкционные (корпуса и различные детали приборов и электротехнических устройств). Каждый диэлектрический материал обладает определенными механическими, физическими, химическими и технологическими свойствами, среди которых определяющими чаще всего служат его электрические свойства. Активные (нелинейные) диэлектрики К нелинейным диэлектрикам относятся материалы, свойства которых зависят от внешних энергетических воздействий. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию сигналов, преобразование и запоминание информации и поэтому их часто используют для создания элементов электроники. Среди всех активных диэлектриков широко применяются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, жидкие кристаллы, материалы для твердотельных лазеров. Для сегнетоэлектриков характерно наличие особого вида поляризации — самопроизвольной (спонтанной) поляризации. Спонтанная поляризация имеет место в некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся к группе жидкокристаллических. В таких материалах в определенном температурном интервале наблюдаются фазовые переходы без изменения агрегатного состояния. В процессе этих фазовых переходов происходит существенная перестройка структуры материала. Такая перестройка, не нарушая физически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенному изменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние, называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние — спонтанной поляризацией. 125 В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы: ионные кристаллы и дипольные кристаллы. К группе ионных кристаллов относятся титанат бария (BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат калия (KNbO3), барий-натриевый ниобат (или сокращенно БАНАН) и др. К группе дипольных кристаллов — сегнетова соль, триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в акусто- и пьезоэлектрических преобразователях. Пьезоэлектрики — это вещества с сильно выраженным прямым или обратным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений, а обратным пьезоэлектрическим эффектом — изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. В качестве пьезоэлектрических материалов часто используются кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется и пьезоэлектрическая керамика, получаемая в основном из твердых растворов цирконататитоната свинца (ЦТС). К электретам относятся диэлектрики, длительно сохраняющие поляризационное состояние и создающие вокруг себя электрическое поле (т.е. они аналоги постоянных магнитов). Электретами могут быть пассивные и активные диэлектрики: парафин, стеарин, фторпласт-4, поливинилхлорид, кварц, ЦТС, корунд, ультрафарфор, стеатит и др. 5.2. Поляризация диэлектриков Поляризация — это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул диэлектрика при воздействии на него электрического поля. В процессе поляризации связанные заряды или дипольные молекулы диэлектрика приобретают электрический момент (дипольный момент). 126 В некоторых диэлектрических материалах возникновение электрического момента может происходить также и под действием механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно). Поляризацию диэлектриков характеризуют вектором поляризации P, который представляет собой дипольный момент единичного объема диэлектрика и определяет интенсивность поляризации диэлектрика. Вектор поляризации является количественной характеристикой диэлектрика. Механизм поляризации диэлектриков во многом зависит от типа химической связи, поэтому в одних диэлектриках происходит только деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), а в других поляризация является суммой нескольких видов поляризаций. Так, в каменной соли (ионный кристалл), где электроны распределены таким образом, что можно выделить отдельные ионы, поляризация является одновременно результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация) и деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. Механизм поляризации рассмотрим на примере нейтрального диэлектрика (рис. 5.1). Элементарный электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика (дипольный момент молекулы), равен Mq = q · l, (5.1) где q — величина заряда; l — расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. E=0 –q +q E +q –q Рис. 5.1. Механизм поляризации нейтрального диэлектрика Если существует n таких молекул (или диполей) в единице объема, то суммарная поляризованность диэлектрика будет равна P = Mq · n. (5.2) 127 Поляризованность (или вектор поляризации) Р (Кл · м /м3) совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика. Направление вектора поляризации совпадает с направлением электрического момента. Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр — относительную диэлектрическую проницаемость er. Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из плоских параллельных пластин площадью S (м2), расстояние между которыми d (м). Подключим конденсатор к внешнему источнику ЭДС и рассмотрим два случая: между его обкладками расположен вакуум (рис. 5.2, а) и между его обкладками расположен диэлектрик, толщина которого равна расстоянию между электродами (рис. 5.2, б). а б +Q0 E –Q0 +Q0 E0 E Вакуум –Qд +Qд Eд E0 –Q0 Рис. 5.2. Процесс заряда плоского конденсатора На пластинах конденсатора, помещенного в вакуум, возникнет заряд Q0. На пластинах конденсатора с диэлектриком из-за процессов его поляризации на противоположных сторонах возникают дополнительные заряды DQ, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком равен Q = Q0 + DQ = er ЧQ0 , (5.3) где er — относительная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость — это один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика: 128 er = Q0 + DQ DQ . =1+ Q0 Q0 (5.4) Из формулы (5.4) видно, что если DQ = 0, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика будет больше единицы. Обычно слово «относительная» при наименовании диэлектрической проницаемости опускается. Определение диэлектрической проницаемости можно дать с использованием понятия емкости электрического конденсатора С: C= Q . U (5.5) Используя формулу (5.4), найдем C= Q er ЧQ0 = = er ЧC 0 . U U (5.6) C , C0 (5.7) er = где С — емкость плоского конденсатора с диэлектриком; С0 — емкость того же конденсатора, помещенного в вакуум. Итак, можно дать следующее определение: относительной диэлектрической проницаемостью называется физическая величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума между его обкладками на диэлектрический материал. По характеру изменения поляризации и диэлектрической проницаемости различают линейные и нелинейные диэлектрики. У линейных диэлектриков поляризованность и диэлектрическая проницаемость изменяются пропорционально напряженности электрического поля Е. Только в сильных электрических полях линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля нарушается. У нелинейных диэлектриков пропорциональности между векторами Р и Е не наблюдается. Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля для линейного и нелинейного диэлектриков показана на рис. 5.3 и рис. 5.4. 129 er er E E Рис. 5.3. Зависимость диэлектрической проницаемости линейного диэлектрика от напряженности электрического поля Рис. 5.4. Зависимость диэлектрической проницаемости нелинейного диэлектрика от напряженности электрического поля Линейные диэлектрики относятся к классу пассивных диэлектриков, а нелинейные диэлектрики — к классу активных диэлектриков. Пассивные диэлектрики принято подразделять по механизмам поляризации молекул на полярные и неполярные. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств материалов. Неполярные диэлектрики (нейтральные) состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом, т. е. Mq = q · l = 0. (5.8) К неполярным диэлектрикам относятся многие газы, нефтяные электроизоляционные масла, парафин, полиэтилен. Полярные диэлектрики состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся многие диэлектрики органического и неорганического происхождения: фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды, вода, ацетон, стекло, керамика, слюда и др. Значение диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков обычно значительно выше, чем неполярных. Например, er трансформаторного масла (неполярный диэлектрик) составляет 2,2–2,4, а er воды (сильнополярный диэлектрик) — 81. 130 Можно отметить особенность некоторых полимерных материалов, у которых возможно получение полярных диэлектриков из неполярных путем замещения некоторой части водородных атомов другими атомами или радикалами. Примером этому могут служить фторопласты: фторопласт-4 — неполярный диэлектрик, а фторопласт-3 — полярный. Механизмы поляризации диэлектрика Рассмотрим различные возможные механизмы поляризации диэлектрика сложного состава в электрическом поле. Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости (рис 5.5, а). Эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, содержит ряд емкостей, включенных параллельно источнику напряжения U, как это показано на рисунке 5.5, б. а б –––––––––– +++++++++ E U С –––––––––– +++++++++ – Q0 QЭ QИ U + C0 CЭ CИ QД-Р QИ-Р QЭ-Р QМ QСП CД-Р CИ-Р CЭ-Р CМ CСП rД-Р rИ-Р rЭ-Р rМ RИЗ r СП Рис. 5.5. Основные виды поляризации диэлектриков а — диэлектрик в электрическом поле; б — эквивалентная схема замещения Эквивалентная схема замещения сложного диэлектрика содержит следующие элементы: — источник напряжения U; — емкость и заряд в вакууме С0 и Q0; — емкости и заряды от электронной, ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной, электронно-релаксационной, миграционной и спонтанной поляризаций С и Q с соответствующими индексами; — сопротивления, эквивалентные потерям энергии при этих механизмах поляризации, r с соответствующими индексами; — сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик RИЗ. 131 При рассмотрении явления поляризации диэлектриков в соответствии с их состоянием и структурой, следует различать два основных вида поляризации. К первому виду относится поляризация, происходящая в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла. Второй вид поляризации не совершается мгновенно, а нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией. К первому виду поляризации относятся электронная и ионная. Остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблюдаемая в диэлектриках при световых частотах, а потому малосущественная для практической электротехники. Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловливаются суммой различных механизмов поляризации. Несколько механизмов одновременно могут быть у одного и того же материала. Емкость С0 и заряд Q0 соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика (вакуум). Электронной поляризации соответствуют величины СЭ и QЭ. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10–15 с). Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света п. Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависят от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обусловливается лишь изменением его плотности. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии. Электронная поляризация происходит практически мгновенно и не зависит от частоты внешнего электрического поля. Ионная поляризация (СИ, QИ) характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных 132 ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Время установления ионной поляризации порядка 10–13 с. Дипольно-релаксационная поляризация (СД-Р, QД-Р, rД-Р), для краткости называемая дипольной, отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольная поляризация с увеличением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать. Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация связана с потерями энергии. Это отражено на рис. 5.5, б в виде последовательно включенного с емкостью активного сопротивления rД-Р. В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что в быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля, и дипольная поляризация при повышенных частотах приложенного напряжения может полностью исключаться. Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, называют временем релаксации. Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям. Этот вид поляризации может наблюдаться также и в твердых полярных органических веществах, но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней радикалов по отношению к молекуле. 133 Такой вид поляризации называют также дипольно-радикальной поляризацией. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми молекулярными связями возможна ориентация и более крупных частиц. Ионно-релаксационная поляризация (СИ-Р, QИ-Р, rИ-Р) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых скачков получают избыточные скачки в направлении поля. После снятия электрического поля смещение ионов постепенно ослабевает по экспоненциальному закону. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация заметно усиливается. Электронно-релаксационная поляризация (СЭ-Р, QЭ-Р, rЭ-Р) отличается от электронной и ионной и возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Электронно-релаксационная поляризация характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокиси титана, загрязненной примесями на основе окислов металлов переменной валентности — титана, ниобия, висмута. Миграционная поляризация (СМ, QМ, rМ) представляет собой дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. д. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области. Все емкости эквивалентной схемы на рис. 5.5, б шунтированы сопротивлением RИЗ, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик. На рис. 5.5, б штриховыми линиями показаны также элементы ССП, QCП и rСП, которые относятся к механизму самопроизвольной или спонтанной поляризации. Этот вид поляризации существует у активных диэлектриков — сегнетоэлектриков. В таких веществах 134 имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом еще в отсутствие внешнего поля. Ориентация электрических моментов при этом в разных доменах различна. Наложение же внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации в спонтанной поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Поэтому диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля. В температурной зависимости er наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным выделением тепла. Особенности поляризации дают возможность классифицировать все диэлектрики на несколько групп. К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией. Таковыми являются, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.). Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. К ним принадлежат полярные органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), а также некоторые хлорированные углеводороды. Третью группу составляют полярные твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и другими релаксационными поляризациями. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с электронной поляризацией, равна квадрату лучепреломления диэлектрика ν (следствие уравнения Максвелла). er = n2. (5.9) Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярного диэлектрика носит плавно убывающий характер. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярного диэлектрика имеет вид, показанный на рис. 5.6. 135 er T Рис. 5.6. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярного диэлектрика При низких температурах время релаксации дипольных молекул велико из-за высокой вязкости полярного диэлектрика и малой тепловой подвижности молекул, т.е. ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому диэлектрическая проницаемость невелика. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольнорелаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости. После достижения максимума er уменьшается приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей). От частоты питающего напряжения диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика, обладающего только мгновенными видами поляризации, не зависит. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного диэлектрика носит сложный характер. С увеличением частоты в области низких частот диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (t << 0,5f ), т. е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией. Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует (t >> 0,5f ), так как диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшения диэлектрической прони136 цаемости в ее частотной зависимости называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного диэлектрика показана на рис. 5.7. er t << 0,5 f t >> 0,5 f f Рис. 5.7. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного диэлектрика В диэлектриках сложной структуры (при наличии в них нескольких физических механизмов поляризации с различными значениями временами релаксации) в зависимости диэлектрической проницаемости от частоты может наблюдаться несколько областей дисперсии. Рассмотрим значения диэлектрической проницаемости для материалов разных по агрегатному состоянию классов диэлектриков. Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость газов незначительна и близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярные, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. видно, что Диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы (см. табл. 5.1). При практическом применении газообразных диэлектриков следует учитывать зависимость их диэлектрической проницаемости от давления. При увеличении давления число молекул, способных поляризоваться в единице объема диэлектрика увеличивается, что приводит к росту диэлектрической проницаемости газа. Зависимость диэлектрической проницаемости некоторых газов от давления приведена в табл. 5.2. 137 Таблица 5.1 Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов (при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С) Газ Радиус молекулы, нм Показатель преломления ν ν2 Дэлектричская проницамость er Гелий Водород Кислород Аргон Азот Углекислый газ Этилен 0,112 0,135 0,182 0,183 0,191 0,230 0,278 1,000035 1,00014 1,00027 1,000275 1,00030 1,00050 1,00065 1,00070 1,00028 1,00054 1,00055 1,00060 1,00100 1,00130 1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 1,00138 Таблица 5.2 Зависимость диэлектрической проницаемости газов от давления при 20 °С Газ Воздух Углекислый газ Азот 0,1 1,0008 1,00098 1,00060 Давление, МПа 2 1,0108 1,0200 1,0109 4 10218 1,0500 1,0550 Значение диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков зависит от химического строения, механизмов поляризации и степени их поляризованности. Значение диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей обычно не превышает 2,5. Поляризация полярных жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризацией. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема. Значения диэлектрической проницаемости некоторых жидких диэлектриков при нормальных условиях приведены в табл. 5.3. Значительное влияние на er дипольной жидкости оказывают температура и частота. Зависимость er от частоты для полярной 138 жидкости подтверждает положение, высказанное выше: пока частота настолько мала, что диполи успевают следовать за полем, er велика и близка к значению, определенному при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что молекулы уже не успевают следовать за изменениями поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается, приближаясь к значению er, обусловленному электронной поляризацией. Таблица 5.3 Значение диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков Жидкий диэлектрик Особенности строения er Гексан Неполярный 1,88 Бензин Неполярный 2,0 Бензол Неполярный 2,2 Трансформаторное масло Неполярный 2,2 Диэтилэфир 4,38 Полярный Совол Полярный 4,5 Метиленхлорид Полярный 8,56 Ацетон Сильнополярный 22 Этиловый спирт Сильнополярный 33 Вода Сильнополярный 81 Диэлектрическая проницаемость твердых тел зависит от структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается данными табл. 5.4. Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев положителен. Некоторые твердые диэлектрики представляют собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (электротехнический фарфор, керамика и др.). 139 Таблица 5.4 Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков при 20 °С Материал Парафин Полистирол Сера Алмаз ν 1,43 1,55 1,92 2,40 ν2 2,06 2,40 3,69 5,76 er 1,9–2,2 2,4–2,6 3,6–4,0 5,6–5,8 В таких диэлектриках наблюдается электронная, ионная и ионно-релаксационная поляризация. В большинстве случаев они характеризуются сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости и большим положительным температурным коэффициентом. Так, для электротехнического фарфора при температуре 20 °С диэлектрическая проницаемость равна 5, а при повышении температуры до 300 °С ее значение повышается и достигает 20. 5.3. Электропроводность диэлектриков 5.3.1. Схемы замещения диэлектриков В диэлектриках поляризационные процессы смещения связанных зарядов, протекающие до момента установлении равновесного состояния, создают токи смещения. Токи смещения упруго связанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов релаксационных поляризаций, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле. Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению в них малых по величине сквозных токов. 140 Таким образом, ток утечки iут в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока iск и тока абсорбции iабс. iут = iск + iабс. (5.10) После завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток (рис. 5.8). Но при измерениях проводимости диэлектриков необходимо принимать во внимание и токи смещения. При небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости материала. iск iабс iут 60 t, с Рис. 5.8. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов. Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее электронный (или ионный) характер. Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее сквозной ток, может быть вычислено по формуле Rиз = U . I ск (5.11) 141 Электропроводность нейтрального диэлектрика можно рассмотреть на основании схемы замещения и соответствующей ей векторной диаграммы (рис. 5.9). Iд Iсм U Ссм Rиз Iск Iд d Iсм j Iск U Рис. 5.9. Схема замещения и векторная диаграмма нейтрального диэлектрика В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения İсм, обусловленный быстрыми видами поляризаций. Длительность этого тока зависит от времени поляризации. Таким образом, в момент включения ток через диэлектрик равен сумме токов İут = İсм + İск. (5.12) В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости İск, который определяет потери в диэлектрике. В полярных и неоднородных (реальных) диэлектриках кроме тока смещения и тока сквозной проводимости протекает также ток абсорбции İабс, вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. В момент включения ток через диэлектрик будет равен сумме токов İут = İсм + İабс + İск. (5.13) Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, ток абсорбции устанавливается за время меньше 1 мин. Схема замещения полярного диэлектрика, обладающего несколькими видами поляризации (электронной и дипольно-релаксационной), будет иметь вид, показанный на рис. 5.10. Несложно построить векторную диаграмму для данной схемы замещения. 142 Iд Iск Iабс Сабс U Ссм Iсм Rабс Iд Rиз Iабс Iск Iсм d j U Рис. 5.10. Схема замещения и векторная диаграмма полярного диэлектрика Электропроводность диэлектриков и его удельное электрическое сопротивление r во многом зависят от строения диэлектрика, от механизма поляризации, от его агрегатного состояния и температуры. Рассмотрим подробнее электропроводность диэлектриков в зависимости от их агрегатного состояния. 5.3.2. Электропроводность газообразных диэлектриков Преимуществами газов перед остальными видами диэлектрических материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление и малая, близкая к единице, диэлектрическая проницаемость. Воздух, двух- и трехатомные газы — азот, водород, углекислый газ, элегаз и многие другие газы имеют при нормальных условиях мало различающиеся электрические свойства. Поэтому свойства газообразных диэлектриков будем изучать на примере воздуха как наиболее распространенного газообразного диэлектрика. В области слабых электрических полей носители заряда в воздухе появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений. В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света. 143 На длине свободного пробега электроны получают от электрического поля дополнительную скорость, при этом их кинетическая энергия является достаточной для ионизации других нейтральных атомов. Начинается ударная ионизация нейтральных атомов воздуха, и процесс приобретает лавинообразный характер. Ударная ионизация — это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами. Достигая противоположно заряженных электродов, носители заряда нейтрализуются на них, и в цепи возникает электрический ток. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) воздушного промежутка приведена на рис. 5.11 I d Iн b c a Eн Eи E Eпр Рис. 5.11. ВАХ воздушного промежутка Область от точки а до b — участок несамостоятельной электропроводности воздушного промежутка, возникновение которой объясняется только действием внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновское облучение, активные фотоны). Область от точки b до с — участок насыщения, на котором наблюдается равенство количества свободных и рекомбинированных носителей заряда. Область от точки с до d — участок несамостоятельной электропроводности воздушного промежутка, вызванной действием сильного электрического поля и ударной ионизацией атомов воздуха. В точке с начинается процесс ударной ионизации (для воздуха Еи = 106 В/м). Процесс ударной ионизации носит лавинообразный характер и приводит к пробою воздушного промежутка (точка d, где Е = Епр). 144 5.3.3. Электропроводность жидких диэлектриков В жидких диэлектриках возможны два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая). Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малыми значениями удельной проводимости. Полярные жидкости всегда имеют более высокую проводимость по сравнению с неполярными. Обычно чем выше диэлектрическая проницаемость жидкого диэлектрика, тем больше его проводимость. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью. Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик также можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка). Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов из-за уменьшения вязкости жидкости, а степень тепловой диссоциации может увеличиваться. Оба эти фактора повышают проводимость диэлектрика. В отличие от газов, для жидких диэлектриков в кривой зависимости тока от напряженности электрического поля отсутствует горизонтальный участок (рис. 5.12). Только у жидкостей высокой степени очистки на этой кривой возможен горизонтальный участок, отвечающий току насыщения. В сильных электрических полях в жидкостях, очищенных от примесей, может наблюдаться электронная электропроводность (при эмиссии электронов с катода). 145 I E Eкр Рис. 5.12. Зависимость тока от напряженности поля в жидких диэлектриках Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков, которые в неотвержденном состоянии, содержат мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Удельное электрическое сопротивление неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло) составляет не менее 1010–1013 Ом·м, слабополярных (совол, касторовое масло) — 108–1010 Ом·м, сильнополярных (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) — 103–105 Ом·м. 5.3.4. Электропроводность твердых тел Электропроводность твердых тел обуславливается передвижением заряженных частиц как самого диэлектрика, так и случайных примесей. Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. У некоторых материалов она может быть вызвана наличием свободных электронов. Наиболее заметна электронная электропроводность при сильных электрических нолях. Следует отметить, что в процессе электропроводности участвуют не только собственные ионы кристаллической решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na+, К+, Н+, роль которых велика уже при комнатной температуре. К числу ионов римесей с большой подвижностью относятся также ионы Cu+, Au+, Ag+. Ионная электропроводность часто сопровождается переносом вещества. В процессе прохождения электрического тока че146 рез твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это наблюдается в жидкостях. При электронной электропроводности этого явления не наблюдается. В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, и их удельная проводимость весьма мала. В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность. Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионный характер. Источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионы примеси. У высокомолекулярных органических и элементоорганических полимеров электропроводность зависит от степени полимеризации (например, для фенолформальдегидной смолы) и от степени вулканизации (для эбонита). Органические неполярные полимерные диэлектрики, например полистирол и полиэтилен, отличаются очень малой удельной проводимостью. Особую группу составляют неорганические стекла. Электропроводность стекол самым тесным образом связана с их химическим составом. Это дает возможность в некоторых случаях получать заранее заданное значение удельной проводимости материала. Введение оксидов металлов в химический состав стекла по-разному отражается на его электропроводности. Например, введение оксидов щелочных металлов увеличивает в разной степени удельную проводимость стекла. Например, ион натрия увеличивает удельную проводимость стекла в большей мере, чем ион калия. Введение в состав стекла тяжелых оксидов (оксид бария или свинца) не только нейтрализует вредное влияние щелочных оксидов, но и приводит к значительному понижению удельной проводимости стекол. Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их удельное сопротивление. В отличие от газообразных и жидких диэлектриков у твердых диэлектриков возможны два пути протекания тока утечки — через толщу диэлектрика (объемный ток утечки) и по поверхности (поверхностный ток утечки). 147 Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимости различных материалов пользуются значениями удельного объемного rV и удельного поверхностного rS сопротивлений. Удельное объемное сопротивление rV определяется химическим строением и природой диэлектрика и зависит от температуры, влажности, приложенного напряжения. Удельное поверхностное сопротивление rS также является параметром диэлектрика и зависит от типа диэлектрика, температуры, влажности, приложенного напряжения. Для большинства диэлектриков объемное удельное сопротивление на один или несколько порядков выше, чем поверхностное. Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле rV = RV Ч S , h (5.14) где RV — объемное сопротивление образца, Ом; S — площадь электрода, м2; h — толщина образца, м. Удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле rS = RS Ч d , l (5.15) где RS — поверхностное сопротивление образца, Ом; d — ширина электродов, м; l — расстояние между электродами, м. По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению — удельная поверхностная проводимость. Полная проводимость твердого диэлектрика складывается из объемной и поверхностной проводимостей. При практическом применении твердых диэлектриков необходимо помнить, что их электропроводность достаточно значительно возрастает при воздействии внешних факторов (повышении температуры, увлажнении, перенапряжении, механических воздействиях и т. п.) 148 5.4. Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении потери вызываются только сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном к ним добавляются потери на поляризацию, связанные с преодолением сил внутреннего трения при повороте дипольных молекул диэлектрика. При переменном напряжении ток абсорбции имеет место, если время релаксации процесса медленных поляризаций соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения или меньше его. В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля, т. е. диэлектрические потери, обусловленные токами смещения и абсорбции, наблюдаются в течение всего времени воздействия напряжения. Эти потери пропорциональны активной составляющей тока диэлектрика. Для сопоставления потерь различных материалов часто пользуются удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1 м определяются по формуле pуд = Е 2 Ч g = Е2 , r (5.16) где E — напряженность электрического поля; g — удельная электрическая проводимость; r — удельное электрическое сопротивление. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига φ между током и напряжением в емкостной цепи. Только для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь d равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига φ и тем больше tgd. Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного напряжения. Эта схема должна быть выбрана так, чтобы активная расходуемая мощность была равна мощности, рассеиваемой 149 в диэлектрике, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и в реальном конденсаторе. Поставленная задача может быть решена заменой конденсатора с потерями идеальным конденсатором с последовательно включенным активным сопротивлением (рис. 5.13, а) или идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением (рис. 5.13, б). Последовательная и параллельная схемы замещения, представленные на рис. 5.13, эквивалентны, при равенстве полных сопротивлений Z 1 = Z 2 . Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения U в схемах замещения равны и значения активной мощности одинаковы. Используя схемы замещения, можно получить выражение для расчета полных диэлектрических потерь: P = U Ч I = U 2 Ч wC Ч tgd, (5.17) где w — угловая частота. а UC C I I UR R 1 IR U12 UR d 2 U12 UR б U12 I 1 IR IC U12 C I 2 R d IR IC Рис. 5.13. Упрощенные схемы замещения реального диэлектрика и векторные диаграммы: а — параллельная; б — последовательная Величина удельных диэлектрических потерь в диэлектрике может быть легко найдена из выражения (5.17), она пропорциональна tgd и равна руд = E 2 Ч 150 er e 0 S Ч f Ч tgd. d (5.18) Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида: 1) потери, обусловленные сквозной проводимостью Pск; 2) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией Pпол; 3) ионизационные диэлектрические потери Pион; 4) диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры материала Pнеод. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае можно вычислить по формуле (5.19). Протекание сквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения (см. рис. 5.13, б). Для такой схемы замещения tgd = Iа U 1 1 , = Ч = I с R U wC R wC (5.19) где Iа и Iс — активная и реактивная составляющие тока диэлектрика. Очевидно, что тангенс угла диэлектрических потерь обратно пропорционален круговой частоте w и активному сопротивлению R диэлектрика. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов. Основная причина, вызывающая поляризационные потери, — это протекание через диэлектрик абсорбционных токов. Отметим, что потери поляризационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в неполярных, например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др. 151 Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля наряду с неоднородностью обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул. В вязких жидкостях полярные молекулы — диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость), в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами. Зависимость tgd от частоты для полярного диэлектрика показана на рис. 5.14. Если пренебречь потерями сквозной проводимости (кривая 2), то для чисто дипольного механизма потерь при частоте wд будет наблюдаться максимум (кривая 1). tgd 3 2 1 wд w Рис. 5.14. Зависимость тангенса диэлектрических потерь полярного диэлектрика от частоты Увеличение tgd происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул t << 0,5f, однако с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации t >> 0,5f, и tgd уменьшается. В реальных полярных диэлектриках суммарная зависимость поляризационных потерь и потерь на сквозную проводимость имеет вид кривой 3. Если пренебречь потерями от сквозной проводимости, то в температурной зависимости tgd (рис. 5.15) будет наблюдаться максимум (кривая 1). С ростом температуры потери от сквозной проводимости возрастают (кривая 2), а суммарные поляризационные потери будут иметь более сложный характер с ярко выраженным максимумом (кривая 3). Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии, а также, при наличии газовых 152 включений в жидком и твердом. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Зависимость tgd от напряжения имеет нелинейный характер и носит название кривой ионизации (рис. 5.16). tgd 3 2 1 T Tд Рис. 5.15. Зависимость tgd полярного диэлектрика от температуры tgd B A U Uи Рис. 5.16. Зависимость тангенса диэлектрических потерь от напряжения Процесс ионизации пор в жидком или твердом диэлектрике начинается в точке А и завершается в точке В, после чего кривая tgd несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока, обусловленная ионизацией, не будет возрастать, а реактивный ток, пропорциональный напряжению, растет. В процессе ионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3, ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев 153 наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgd конденсатора (эффект «мерцания»). Наличие в жидком или твердом диэлектрике газовых включений часто приводит к возникновению в нем частичных разрядов. Частичным разрядом (ЧР) называется локальный лавинный разряд в газовых включениях диэлектрика. Каждый разряд оказывает слабое воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность ЧР зависит от напряженности поля. Однако разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, поэтому с течением времени их действие нарастает. Это ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию) и к зарождению дендрита. Дендрит — древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10–20 мкм. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе. Во многих устройствах электроизоляционной, кабельной, электронной техники применяемые диэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примером таких диэлектриков является многослойная бумажная изоляция электрических вводов, кабелей диэлектрика силовых бумажных конденсаторов, объемно-пористых диэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам. В электрическом поле в подобных диэлектриках практически мгновенно устанавливается распределение электрического поля в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости. В переменных полях протекание замедленных абсорбционных процессов поляризации приводит к диэлектрическому поглощению. Процесс оседания свободных зарядов на границах раздела, вызывающий искажение электрического поля, часто называют межповерхностной или объемной поляризацией. Подоб154 ного типа поляризационные процессы возможны и в однородных диэлектриках при наличии в них структурных дефектов, дислокаций, трещин. В многослойных диэлектриках при работе в переменных электрических полях при частотах, совпадающих с собственными колебаниями электронов и ионов, могут возникать диэлектрические потери, называемые резонансными. 5.5. Пробой диэлектриков Диэлектрик, находясь в электрическом поле, напряженность которого превышает некоторое критическое значение, теряет свойства электроизоляционного материала. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Пробивное напряжение — это минимальное значение напряжения, приложенное к диэлектрику, которое приводит к образованию в нем проводящего канала. Электрическая прочность диэлектрика — это напряженность внешнего электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика. При выборе изоляции эта характеристика она очень часто является основной. Для оценки электрической прочности диэлектрика рассматривают его пробой в однородном электрическом поле. В этом случае пробивное напряжение Uпр будет пропорционально его электрической прочности Епр: E пр = U пр h , (5.20) где h — толщина диэлектрика. Пробой диэлектрика может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также пробой по поверхности диэлектрика (поверхностное перекрытие) после которого возможно повреждение поверхности материала, с образованием на органических диэлектриках науглероженного следа — трекинга. Пробой газообразного диэлектрика обусловливается явлением ударной и фотоэлектрической ионизации. Пробой жидких 155 диэлектриков происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим процессом, так и тепловым, возникающим под действием внешнего поля. Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения. При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля. Следует подчеркнуть, что пробой газов и неполярных жидкостей — явление чисто электрическое. Изоляционные свойства диэлектрика в этом случае после пробоя восстанавливаются. Изоляция такими материалами называется самовосстанавливающейся. Пробой твердых и полярных жидких диэлектриков имеет более сложный физический характер, вызванный электрическими, тепловыми и электрохимическими процессами. Он приводит к необратимым изменениям в веществе, значительному ухудшению, а часто и к полной потере электроизоляционных свойств материала. 5.5.1. Пробой газообразных диэлектриков Рассмотрим подробнее самый распространенный газообразный диэлектрик — воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. Небольшое количество содержащихся в воздухе положительных и отрицательных ионов и электронов, равно как и нейтральные молекулы газа, находятся в беспорядочном тепловом движении. При воздействии на находящийся между электродами воздушный промежуток электрического поля заряженные частицы приобретают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля. 156 Заряженные частицы в результате движения приобретают дополнительную энергию, равную W э = q ЧU кр = q Ч E Ч lср , (5.21) где Е — напряженность поля между электродами; lср — среднее расстояние, пройденное заряженной частицей без столкновения, т. е. длина свободного пробега. Молекулам газа, с которыми заряженная частица сталкивается, сообщается дополнительная энергия. Если энергия столкновения достигает уровня ионизации, то в результате столкновения молекула газа ионизируется, т. е. расщепляется на электроны и положительные ионы. При недостаточной энергии соударений происходит возбуждение молекул, т. е. переход электронов на более отдаленную от ядра орбиту. Энергию ионизации Wэ обычно характеризуют ионизационным потенциалом Uи. Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах от 4 до 25 эВ. Скорость электрона, при которой начинается процесс ионизации молекул газа, должна быть свыше 1000 км/с. Основную долю ударной ионизации осуществляют электроны, так как их длина свободного пробега на порядок выше, чем у тяжелых ионов. При сформированном разрядном процессе тяжелые положительные ионы бомбардируют поверхность катода, тем самым создавая ударную эмиссию электронов с поверхности катода. В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу газа, а привести ее в возбужденное состояние. В дальнейшем возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения кванта энергии путем испускания фотона. Фотон поглощается другой частицей газового диэлектрика, которая может ионизироваться. Такой механизм фотонной ионизации газа характеризуется высокой скоростью развития процесса излучения, что обусловливает дополнительное развитие разрядных процессов в газовом промежутке и формирование канала высокой проводимости, называемого стримером. Одновременно с развитием стримера, направленного от катода к аноду, начинается формирование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. 157 Под воздействием ударов положительных частиц на катоде возникает катодное пятно, активно излучающее электроны, что способствует увеличению в разрядном канале электронов. В результате указанных процессов формируется разрядный канал газового промежутка, соединяющий электроды электрической цепи плазменным промежутком. Уровень пробивных напряжений в газовых промежутках в значительной степени зависит от степени однородности электрического поля. Однородное поле можно получить при плоских электродах с закругленными краями, а также между сферами (шарами) большого диаметра. Следует отметить, что воздушные промежутки с равномерным электрическим полем между электродами широко используют для измерения высоких напряжений. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа (760 мм. рт. ст) и температуре 20 °C, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 0,01 м составляет 3,2 МВ/м. Для пробоя воздуха в постоянном однородном поле характерна зависимость Епр от давления (рис. 5.17). Eпр P, мПа 0,1 Рис. 5.17. Зависимость прочности воздуха от давления Электрическая прочность при давлении больше нормального растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации. Возрастание Епр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за его малой плотности. Минимальное значение пробивного напряжения для разных газов составляет 280–420 В, а для воздуха — около 300 В. При увеличении давления выше одной атмосферы повышается плотность газа, снижается расстояние между отдельными молеку158 лами. В результате уменьшается длина свободного пробега электронов, процесс ударной ионизации газовых молекул затруднен, и электрическая прочность газа возрастает. При уменьшении давления ниже атмосферного наблюдается падение электрической прочности. При очень низком давлении газа электрическая прочность начинает снова возрастать. Это объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема, при котором вероятность столкновения электронов с молекулами значительно уменьшается. При высоком вакууме пробой формируется за счет вырывания электронов с поверхности электрода (холодная эмиссия электронов). В подобных случаях электрическая прочность промежутка достигает 100 МВ/м. В переменных электрических полях электрическая прочность воздуха зависит от частоты питающего напряжения: с ростом частоты электрическая прочность уменьшается. Минимальная прочность воздуха имеет место при частоте переменного напряжения 5·106 Гц. При более высоких частотах значения пробивных напряжений воздуха вновь возрастают и начинают превышать в 1,5 раза электрическую прочность газа при постоянном напряжении. Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажением поля за счет формирования объемных зарядов по причине различной подвижности положительных ионов и электронов. Механизм пробоя газа в неоднородном и однородном полях значительно отличается. Неоднородное поле возникает между двумя электродами — «игла — игла», «игла — плоскость», между сферами, если расстояние между ними превышает радиус сферы. Формирование пробоя газа в неоднородном поле начинается с возникновения очагов частичных разрядов в виде короны с дальнейшим перерастанием в искровой разряд и дугу. Электрическая прочность воздуха в неоднородном поле меньше, чем в однородном поле и во многом зависит от полярности электродов и от степени неоднородности поля. 5.5.2. Пробой жидких диэлектриков Жидкие диэлектрики по сравнению с газами имеют более высокую электрическую прочность, что обусловлено меньшей длиной свободного пробега электронов в них. 159 Электрическая прочность жидкостей определяется следующими факторами: степенью очистки, наличием влаги, температурой, давлением, длительностью воздействия напряжения, частотой и скоростью нарастания напряжения. Для жидких диэлектриков, так же, как и для газообразных, с ростом давления электрическая прочность увеличивается, а с увеличением температуры она снижается. Повышение частоты питающего напряжения снижает электрическую прочность жидкостей за счет увеличения диэлектрических потерь. Природа пробоя жидких диэлектриков во многом зависит от их чистоты. В особо чистых (дегазированных) жидкостях пробой носит чисто электронный характер и, в результате процессов фотоионизации между электродами, разрядный канал формируется за время 10–8–10–5 с. В технически чистых жидких (не дегазированных) диэлектриках пробой носит электронный и тепловой характер и начинается с ионизации газовых включений. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самого жидкого диэлектрика за счет соударений с заряженными частицами. В неочищенных и загрязненных (водой или токопроводящей пылью) жидкостях пробивное напряжение и электрическая прочность определяются концентрацией этих примесей. Например, для такого типичного представителя жидких диэлектриков, каким является трансформаторное масло, основной примесью, повышающей его электропроводность, является вода, а примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и также вода. На практике трансформаторное масло обычно дегазируют в вакууме, очищают различными способами и осушают с помощью пропускания через объем, заполненный адсорбентами (цеолитами или силикагелем). Цеолиты — твердые вещества естественного или искусственного происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в этих порах. Силикагель — пористый адсорбент для поглощения влаги и полярных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с цеолитами. 160 Электропроводность жидкостей значительно снижается (удельное сопротивление возрастает до шести порядков по сравнению со справочными данными) после применения нового способа очистки — электродиализа. Электродиализ — это разделение веществ, основанное на их электролитической диссоциации и переносе образовавшихся ионов через мембрану под действием разности потенциалов, создаваемой в растворе по обе стороны мембраны. Для управления движением ионов используются ионообменные мембраны, через которые проходит только определенный вид ионов (катионы — в катионообменной, анионы — в анионообменной). За счет различных способов очистки жидкостей в современных установках часто удается получить их электропроводность не выше электропроводности лучших твердых диэлектриков, а именно до 10–19 См/м. 5.5.3. Пробой твердых диэлектриков В твердых диэлектриках различают несколько видов пробоя: электрический; тепловой (электротепловой); электрохимический; пробой под воздействием частичных разрядов (ЧР); пробой по поверхности твердого диэлектрика (поверхностное перекрытие) и др. Механизм формирования электрического пробоя в твердых диэлектриках определяется степенью однородности материала. Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от вида потенциальных нагрузок, а именно — постоянных или переменных, импульсных, низкой или высокой частоты, от продолжительности воздействия напряжения, наличия в диэлектрике дефектов, линейных размеров материала изоляционной конструкции, условий охлаждения и т. п. Электрический пробой — это разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронов или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами вещества. Электрический пробой однородных твердых диэлектриков развивается быстро за 10–8–10–7с и не связан с выделением тепловой энергии, хотя величина электрической прочности в некоторой степени зависит от температуры диэлектрика. 161 Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из малого числа начальных электронов создается электронная лавина. Тепловой пробой твердых диэлектриков возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, рассеиваемого с поверхности изоляционной конструкции в данных условиях. При наличии подобных условий нарушается тепловое равновесие и тепловой процесс приобретает лавинообразный характер. Величина электрической прочности при тепловом пробое является не только характеристикой диэлектрического материала, но и зависит от условий его охлаждения и реальной эксплуатации. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой воздействующего напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с ростом температуры. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда преобладающими становятся потери от сквозной электропроводности. В реальных условиях развитие теплового пробоя протекает достаточно сложно, поскольку по толщине диэлектрика имеют место перепады температуры, средние слои и слои, прилегающие к электродам, подвергаются повышенному нагреву. Это вызывает искажение электрического поля и повышение градиентов напряженности поля в поверхностных слоях. Это способствует тому, что реальные уровни электрической прочности диэлектрика становятся ниже его расчетных значений. Электрохимический пробой диэлектриков наблюдается в материалах при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя возможен как при постоянном, так и при переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются процессы электрохимического старения. Такая разновидность пробоя диэлектрика обусловлена процессами, вызывающими снижение электрического сопротивления. Интенсивность электрохимического старения диэлектрических материалов значительно активизируется при наличии частичных разрядов, которые формируются в воздушных включениях, расположенных внутри твердых диэлектриков. В сложных материалах развитие электрохимического пробоя зависит от их состава. Например, электрохимический пробой в керамике встречается значительно чаще, если в ее состав входят окислы алюминия, кремния, магния. 162 Пробой по поверхности твердого диэлектрика или поверхностное перекрытие — это нарушение электрической прочности среды (воздуха, газа, жидкости) на границе с твердым диэлектриком. В электроизоляционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изоляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагоприятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона. Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределения потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности возникают мощные искры, под действием которых в материале могут образовываться проводящие каналы — треки. Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающее образование проводящих следов, называется тренингом диэлектрика. Способность диэлектрика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без образования проводящих следов характеризует его трекингостойкость. Трекингостойкость определяется по времени tр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них, равном Up, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного значения Iр. Во время испытаний поверхность диэлектрика, расположенная между электродами, смачивается электролитом путем падения на нее определенного числа капель или нанесения на поверхность тонкого, медленного стекающего слоя электролита. Возможны загрязнение поверхности синтетической пылью, и последующее ее увлажнение. Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает поверхность диэлектриков. Однако при мощном дуговом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев неорганических диэлектриков, а поверхность органических диэлектриков обугливается, и на ней может образоваться сплошной проводящий след. В связи с этим одной из важнейших характеристик твердых диэлектриков является его дугостойкость. Дугостойкость — это способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств На практике многие электроизоляционные изделия конструируют таким образом, чтобы предотвратить образование поверхностных 163 искровых разрядов и короны в случае загрязнения или увлажнения. Например, поверхность высоковольтного изолятора выполняется с ребрами определенной формы, что удлиняет путь поверхностного разряда и защищает участки его поверхности от смачивания во время дождя. 5.6. Физико-химические и механические характеристики диэлектриков Все диэлектрики помимо электроизоляционных характеризуются целым рядом физико-химических и механических свойств. Для практического применения диэлектрических материалов (и особенно твердых и твердеющих) важно, чтобы все его свойства были достаточно высокими, поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических и иных нагрузок. Большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность не деформироваться от механических напряжений. К наиболее важным физико-химическим свойствам диэлектриков относятся: — влажностные (влагостойкость, гигроскопичность и т. д.); — термические (нагревостойкость, морозостойкость, хладостойкость, стойкость к термоударам, тропикостойкость и т. д.); — химические (химостойкость, коррозионная стойкость, химическая безопасность, токсичность, растворимость и др.); — стойкость к электромагнитным воздействиям, радиоактивному излучению и др. К наиболее важным механическим свойствам диэлектриков относятся механическая прочность; твердость; ударная вязкость; прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении; сопротивление раскалыванию; эластичность и др. Остановимся подробнее на наиболее важных свойствах диэлектриков. Влагостойкость — это способность диэлектрика к надежной эксплуатации при нахождении в атмосфере близкой, к состоянию насыщения водяным паром. Влагопроницаемость — свойство материала пропускать пары воды при наличии разности давлений водяного пара с двух сторон этого материла. Она измеряется количеством влаги в микро164 граммах, прошедшее за время t через участок поверхности S слоя изоляции толщиной h под действием разности давлений водяного пара с двух сторон. Водопоглощаемость — способность материала поглощать влагу при погружении в воду. Гигроскопичность — способность материала впитывать влагу из окружающей среды. Появление влаги в изоляции (адсорбция влаги) приводит к резкому снижению сопротивления утечки, так как во влаге содержатся растворенные и диссоциированные примеси, т.е. свободные ионы. Уменьшение сопротивления утечки опасно тем, что приводит к росту диэлектрических потерь. Вследствие этого снижается напряжение теплового пробоя и происходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения. Например, если при влагосодержании 0,3 %, бумажная изоляция считается хорошо высушенной и имеет полный срок службы, то при влагосодержании 1,5 % старение начинает ускоряться, а при влагосодержании более 3,3 % процессы старения и окисления становятся опасными для изоляции. Вода — это сильнополярный диэлектрик, ее относительная диэлектрическая проницаемость равна 80, т. е. во много раз больше, чем у диэлектрических материалов, используемых во внутренней изоляции. В связи с этим сильное увлажнение может влиять на диэлектрическую проницаемость увлажненных слоев. При неравномерном увлажнении это обстоятельство может привести к искажению электрического поля в изоляции и снижению пробивного напряжения. Увлажнение в принципе процесс обратимый, т. е. адсорбированная влага может быть удалена из изоляции путем сушки. Однако сушка требует затрат времени и энергии. Для периодического контроля состояния изоляции электрооборудования высокого напряжения в эксплуатации используются методы, позволяющие обнаружить опасную степень увлажнения изоляции. Нагревостойкость — способность материала выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без разрушения или недопустимого ухудшения его электрических свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Различают семь классов нагревостойкости. Допустимые рабочие температуры каждого класса приведены в табл. 5.5. 165 Таблица 5.5 Классы нагревостойкости диэлектриков Класс Y Рабочая температура, °C 90 A E B F H 105 120 130 155 180 C Выше 180 Эксплуатация материала при температурах, превышающих допустимый для данного материала класс нагревостойкости, приводит к его старению. К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, хлопчатобумажные и шелковые ткани, ленты, бумага, картон, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал. К классу А принадлежат те же самые органические волокнистые материалы, пропитанные лаками или компаундами или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, предохраняющий от доступа кислорода воздуха, который ускоряет тепловое старение изоляции. Например, это хлопчатобумажная изоляция проводов в пропитанной лаком обмотке электрической машины или хлопчатобумажная изоляция обмотки маслонаполненного трансформатора, а также изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках. К классу Е относятся пластические массы с органическим наполнителем на основе термоактивного связующего типа фенолформальдегидных смол (гетинакс, текстолит). К этому же классу относятся и лавсановые пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы, а также изоляция эмаль-проводов на таких смолах. Итак, к первым трем классам нагревостойкости — Y, А и Е — относятся главным образом органические электроизоляционные материалы. К классу В относятся материалы, содержащие неорганические компоненты (щепанную слюду, асбестовые и стекловолокнистые материалы) в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами. Сюда входят миканиты, стеклоткани и стеклотекстолиты на фенолформальдегидных термореактивных смолах и эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями. К классу F принадлежат слюдяные продукты (миканиты), изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой с органическими связующими и пропитывающими ве166 ществами, обладающими повышенной нагревостойкостью. К таким связующим относятся эпоксидные, термореактивные, полиэфирные и кремнийорганические смолы. К классу Н относятся материалы, применяемые для класса F, но для изготовления которых применяют кремнийорганические смолы особо высокой нагревостойкости. К классу С относятся чисто неорганические материалы без связующих и пропитывающих органических веществ: слюда, стекло, стеклоткани, асбест, квард, микалекс. Из органических электроизоляционных материалов к этому классу относятся только политетрафторэтилен (фторопласт-4 или тефлон) и материалы на основе полиимидов. При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы электрооборудования. При повышении температуры срок службы изоляции снижается. Наивысшая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения поведения материала при различных температурах с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой надежности и заданного срока службы. Теплостойкость — температура, при кратковременном достижении которой происходит заметное ухудшение характеристик материала. Термостойкость — температура, при которой происходят химические изменения в материале. Морозостойкость — способность работать при пониженных температурах (этот параметр особо важен для таких материалов, как резины, каучуки). Горючесть — способность материала к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению (этот параметр важен для масел, бумаги, картона). Тропикостойкость — параметр диэлектрика, который определяется по изменению его электрических характеристик при воздействии тропических климатических факторов. К тропическим климатическим факторам относятся: повышенная температура и высокая влажность; атмосфера, загрязненная морской солью, пустынной или степной пылью, песком или пеплом; воздействие микроорганизмов — плесневых грибов и бактерий, вредителей животного мира — термитов, муравьев, тараканов, грызунов и других представителей фауны. Химостойкость — различная стойкость диэлектриков к разрушению (или к коррозии) при контакте с водой, кислотами, щелочами, 167 солевыми растворами, маслами, топливами и газами. При определении химостойкости образцы материала длительное время выдерживают в условиях, наиболее близких к эксплуатационным, после чего отслеживают изменение их внешнего вида, массы, электрических и других параметров. Например, в нефтяных маслах при эксплуатации происходит коррозия изоляции и металлов, погруженных в масло. В процессе коррозии образуются кислоты и масло стареет. Кислоты содержатся и в плохо очищенном масле. Количество кислоты в масле обычно характеризуется кислотным числом, равным количеству граммов едкого калия, необходимого для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1кг испытуемого материала. В процессе эксплуатации диэлектриков очень важно контролировать изменения их механических свойств, потому что во многих случаях эти необратимые изменения определяют изменения основных электрических свойств материала: электрической прочности и удельного сопротивления. Механические характеристики диэлектриков характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. Статическая нагрузка на материал — это нагрузка, которая при эксплуатации или испытаниях плавно возрастает с малой скоростью. Динамическая нагрузка воздействует мгновенно (рывком, ударом) и быстро изменяется по величине и (или) направлению. Способность диэлектрика выдерживать статические нагрузки характеризуется разрушающим напряжением при растяжении, сжатии или изгибе, пределом текучести, относительным удлинением при разрыве, относительной деформацией при сжатии и другими характеристиками. Перечисленные параметры определяются стандартизированными методами. Для электроизоляционных материалов слоистого или волокнистого строения значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Для стекол, керамических материалов и многих пластмасс предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе. Механические свойства гибких материалов (например, бумаги, пленки) часто характеризуются таким условным параметром, как стойкость к надрыву. Механическая прочность диэлектриков сильно зависит от температуры, и как правило, уменьшаясь с ее ростом. 168 Для многих материалов, особенно защитных, важным параметром считается их твердость. Способность диэлектрика выдерживать динамические механические нагрузки характеризуют ударной вязкостью и стойкостью к вибрации. Удельная ударная вязкость — это отношение энергии удара при изломе образца к площади его поперечного сечения. Она характеризует прочность материала при динамическом изгибе. В таком режиме работают многие узлы электротехнического оборудования, выполненные из пластмасс, слоистых пластиков и других материалов. Стойкость к вибрациям материалов определяется отсутствием механических повреждений, нарушением герметичности в случае герметизированных конструкций, сохранением в заданных пределах электрических параметров изоляции после воздействия в течение определенного времени вибрации с заданными параметрами (амплитудой ускорения, диапазоном частот и др.). Для вибрационных испытаний материалов и изделий используются специальные вибрационные стенды. 5.7. Электроизоляционные материалы 5.7.1. Классификация электроизоляционных материалов Электроизоляционные материалы — это диэлектрические материалы с удельным электрическим сопротивлением от 10+8 Ом·м и выше, с хорошими механическими и физико-химическими характеристиками, применяемые для разделения разнопотенциальных токоведущих частей электроустановок. Электроизоляционные материалы, как и все диэлектрики, можно классифицировать по нескольким признакам: по агрегатному состоянию, по химическому составу, по способам получения, по применению и т. д. В зависимости от агрегатного состояния различают газообразные, жидкие и твердые электроизоляционные материалы. По химическому составу различают органические (бумага, картон, полиэтилен и др.) и неорганические (слюда, фарфор, неорганическое стекло и др.) электроизоляционные материалы. В качестве электроизоляционных материалов используют как природные 169 (естественные), так и искусственные (синтетические) материалы. Преимуществом искусственных электроизоляционных материалов является то, что их можно создавать с заданным набором необходимых электрических и физико-химических свойств, поэтому эти электроизоляционные материалы наиболее широко применяют в электротехнике и радиотехнике. В соответствии с электрическими свойствами молекул вещества различают полярные (дипольные) и неполярные (нейтральные) электроизоляционные материалы. К полярным электроизоляционным материалам относятся бакелиты, совол, гетинакс, текстолит, поливинилхлорид, многие кремнийорганические материалы и др. К неполярным электроизоляционным материалам относятся воздух, водород, бензол, четыреххлористый углерод, кабельное и трансформаторное масло, полиэтилен, полистирол, парафин и др. Полярные электроизоляционные материалы отличаются от неполярных повышенной диэлектрической проницаемостью и несколько повышенной электрической проводимостью и гигроскопичностью. Рассмотрим некоторые применяемые в электротехнике и энергетике электроизоляционные материалы. 5.7.2. Электроизоляционные газы Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая, близкая к единице, диэлектрическая проницаемость. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. В качестве электрической изоляции широко используют воздух, элегаз, а также двухатомные и трехатомные газы — азот, водород, углекислый газ. Электрическая прочность этих газов при нормальных условиях практически одинакова и равна прочности воздуха. Воздух — наиболее широко применяемый в энергетике газообразный диэлектрик. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве элек170 трической изоляции, — это линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т. п. Электрические и другие свойства воздуха нами были рассмотрены выше. В энергетике в настоящее время достаточно широко применяется изоляция высоким вакуумом, т. е. газом с давлением меньше 10–2 Па, когда молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде — при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым и происходит искровой пробой. Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований. В электротехнике нашли свое применение и электроотрицательные газы — газы, молекулы которых обладают сродством к электрону: при захвате электрона молекула превращается в отрицательный ион и выделяется дополнительная энергия. Наиболее широкое применение среди электроотрицательных газов получил элегаз. Элегаз (SF6) — электроотрицательный газ с высокой электрической прочностью. Свое название он получил от сокращения «электрический газ». Уникальные свойства этого газа были открыты в России. Электрическая прочность элегаза выше, чем у воздуха и при атмосферном давлении и зазоре равном 1 см, составляет 86–89 кВ/см. Он обладает очень большим коэффициентом теплового расширения и высокой плотностью. 171 При нормальной температуре элегаз может быть сжат до 2 МПа, а уже при давлении 0,3–0,4 МПа электрическая прочность элегаза практически соответствует электрической прочности среднего по качеству трансформаторного масла. Элегаз используется в герметизированных распределительных устройствах, конденсаторах, трансформаторах, выключателях и в газонаполненных высоковольтных кабелях. Во многих высоковольтных конструкциях (в кабелях и др.) часто приходится применять распорки из твердого материала между жилой и оболочкой — стальной трубой, что обычно снижает разрядные напряжения на 10–20 %. Элегазовые кабели просты по своей конструкции, а трансформаторы с элегазовым заполнением более взрывобезопасны. Кроме этого за счет повышенной плотности элегаз обладает хорошей охлаждающей способностью. Но по сравнению с воздухом его теплопроводность и удельная теплоемкость невелики: теплопроводность составляет 0,0136 мкВт/(м·°C) при 70 °С, а удельная еплоемкость при 20 °C равна 0,598 кДж/(кг·°C). Высокая охлаждающая способность элегаза имеет особенно большое значение для высоковольтных кабелей, трансформаторов. Применение элегаза в высоковольтных выключателях определяется его высокими дугогасящими свойствами и на практике элегаз применяют в выключателях на рабочее напряжение 750 кВ. Перспективно применение элегаза в комплектных распределительных устройства на разные классы напряжения. Но при его применении следует иметь в виду сравнительно высокую стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. Такая смесь обычно применяется в устройствах с большим заполняемым газом объемом, а также для работы при низких окружающих температурах. Пробивное напряжение смеси, содержащей до 40 % азота, очень мало отличается от пробивного напряжения чистого элегаза. В электрических устройствах элегаз обычно используется под давлением несколько атмосфер для большей компактности электроустановок и в связи с тем, что электрическая прочность газов увеличивается с ростом давления. Использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распределительных устройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно, несмотря на достаточно высокую стоимость материала. Наиболее широкое применение он нашел в Японии. 172 5.7.3. Жидкие электроизоляционные материалы Жидкие электроизоляционные материалы, применяемые в энергетике и электротехнике, принято делить на две группы. К первой группе относятся нефтяные и природные масла — трансформаторное, конденсаторное, кабельное, вазелиновое, касторовое и др. Это горючие, но практически нетоксичные и биоразлагаемые жидкости. Ко второй группе относятся синтетические жидкости. Это негорючие или трудногорючие жидкости, которые по сравнению с нефтяными и природными маслами имеют более высокое значение диэлектрической проницаемости и менее подвержены электрическому старению. Основные области применения нефтяных электроизоляционных масел: маслонаполненные трансформаторы, масляные выключатели, высоковольтные силовые кабели, конденсаторы, высоковольтные изоляторы (вводы). Трансформаторное масло — это горючая жидкость, от почти бесцветной до темно-желтого цвета. По химическому составу трансформаторное масло представляет собой смесь различных углеводородов. Получается из нефти путем ее ступенчатой перегонки, с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химических нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, а затем щелочью, промывки водой и сушки. Электрическая прочность очищенного трансформаторного масла равна 28 МВ/м при частоте 50 Гц. Незначительная примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость у воды (er = 80) значительно выше, чем у масла (er = 2,2). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность электрического поля особенно велика, и где, собственно, и начинается развитие пробоя. Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем кроме воды содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла. 173 Для сушки масла имеется несколько способов: — пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках — фильтропрессах; — воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность больше, чем у масла, отжимается с периферии сосуда и отделяется от масла; — обработка адсорбентами; — распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом, и т. п. При сушке электрическая плотность увлажненного масла восстанавливается. Конденсаторное масло получается из трансформаторного масла путем более глубокой очистки и служит для пропитки бумажных конденсаторов, особенно силовых, предназначенных для компенсации индуктивного фазового сдвига. При пропитке бумажного диэлектрика повышаются как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность. Нефтяное конденсаторное масло, по сравнению с трансформаторным имеет меньший тангенс угла диэлектрических потерь (tgd = 0,002 при частоте 1 кГц). Его диэлектрическая проницаемость равна 2,1–2,3, плотность 0,86–0,89 Мг/м3, температура застывания –45 °C. Электрическая прочность конденсаторных масел не менее 20 МВ/м. Кабельные масла получаются из трансформаторного масла, используются в производстве силовых электрических кабелей для пропитки бумажной изоляции с целью повышения ее электрической прочности и для отвода теплоты. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ, в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) применяется масло марки КМ25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм2/c при температуре 10 °C, температурой застывания не выше –10 °C и температурой вспышки, не ниже +220 °C. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль или синтетический загуститель. В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110–220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3–0,4 МПа. Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряжения от 110–500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200. 174 Наравне с конденсаторными маслами для пропитки бумажных конденсаторов применяется касторовое масло, которое получается из семян клещевины. Плотность касторового масла равна 0,95–0,97 мг/м2, температура застывания от –10 до –18 °C, диэлектрическая проницаемость er = 4,0–4,5 при температуре 20 °C, tgd = 0,01–0,03, электрическая прочность достигает значений 15–20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. Среди электроизоляционных жидкостей второй группы наиболее распространены хлорированные углеводороды, хлорированные дифенилы, фторорганические и кремнийорганические жидкости и т. д. Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы (например, совол, совтол) обладают er, повышенной по сравнению с неполярными нефтяными маслами, поэтому замена масел на хлорированные дифенилы при пропитке конденсаторов уменьшает объем конденсатора (при этой же электрической емкости) почти в 2 раза. Преимуществом хлорированных дифенилов является его негорючесть. Однако хлорированные дифенилы имеют и свои недостатки — токсичность; сильная зависимость электроизоляционных свойств от примесей; заметное снижение при пониженных температурах er и, следовательно, емкости пропитанных ними конденсаторов. Наличие примесей при повышенной температуре значительно сказывается на увеличении потерь от сквозной электропроводности. Поэтому в некоторых странах применение таких материалов для пропитки конденсаторов запрещено. Хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления их менее вязкими хлорированными углеводородами. Фторорганические жидкости имеют малый tgd, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Некоторые фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200 °C и выше. Пары некоторых фторорганических жидкостей имеют высокую для газообразных диэлектриков электрическую прочность. Для фторорганических жидкостей характерны следующие свойства: малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции), высокий температурный 175 коэффициент объемного расширения, высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями. Фторорганические жидкости способны обеспечить более интенсивный, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости, отвод теплоты потерь от охлаждаемых ими элементов электроустановки. Сейчас существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями. В этих установках для улучшения отвода теплоты используется испарение жидкости с последующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (так называемая «кипящая изоляция»). При этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров под повышенным давлением значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в электрическом аппарате. Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является их полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Кремнийорганические жидкости обладают невысоким значением tgd, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабовыраженная зависимость вязкости от температуры. Кремнийорганические и фторорганические жидкости — это достаточно дорогие материалы. В электротехнике применяются и некоторые другие полярные электроизоляционные жидкости, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость — 35–39, например нитробензол, этиленгликоль и цианоэтилсахароза. 5.7.4. Твердые и твердеющие электроизоляционные материалы К твердым и твердеющим электроизоляционным материалам относится большое количество материалов: бумага, фарфор, стекло, слюда, асбест, резины, пластики, лаки и компаунды на основе природных и органических смол, полиамиды и полиэфиры. Все они нашли широкое применение в электротехнике. 176 По химическому составу и практическому применению твердые и твердеющие диэлектрики разделяют две группы. Первая группа — неорганические диэлектрики (стекло, керамика, фарфор, слюда, кварц, неорганические пленки и др.). К их общим свойствам этих материалов относятся следующие свойства: — повышенная электрическая прочность по сравнению с другими диэлектриками; — практическое отсутствие старения на переменном напряжении; — низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях; — стойкость к горению; — светостойкость; — озоностойкость; — высокие нагревостойкость и термостойкость. Вторая группа — органические диэлектрики (воски, лаки, компаунды, резины, каучуки, бумаги, лакоткани, полимерные материалы). Многие из этих материалов имеют невысокий класс нагревостойкости (Y, A, Е, B) и меньшую атмосферостойкость, отсутствие старения на постоянном напряжении, низкую стоимость и высокую технологичность. Из всего многообразия твердых электроизоляционных материалов остановимся на самых разнообразных и перспективных группах: полимерных материалах; материалах на основе слюды, стекла и керамике. Пластмассами, как уже говорилось, называют искусственные материалы, полученные на основе органических или неорганических полимерных связующих веществ и наполнителя. Для пластмасс характерны высокие электроизоляционные свойства, хорошие механические свойства, высокая нагревостойкость, химическая стойкость, влагонепроницаемость, высокая технологичность и низкая стоимость. Различают термопластичные и термореактивные пластмассы. Термопластичные пластмассы В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопластичные пластмассы применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна. По строению различают неполярные и полярные термопластичные пластмассы. 177 К неполярным пластикам относятся такие материалы, как полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4. Полиэтилен — это продукт полимеризации этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах не выше 100 °C. Морозостойкость полиэтилена достигает минус 70 °C и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных слаботочных деталей, защитных и изолирующих покрытий проводов и кабелей, чехлов и корпусов устройств. Полиэтилен можно применять как защитное покрытие металлов от коррозии и влаги. Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом полипропилен более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150 °C. Полипропиленовые пленки прочнее и более газонепроницаемые, чем полиэтиленовые, а волокна эластичнее и химически более стойкие. Полипропилен применяют для изготовления различных конструкционных деталей, труб, емкостей и пленок. Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам он близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки для изоляции. Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) являются термически и химически стойкими материалом. Фторопласт-4 можно длительно эксплуатировать при температуре до 250 °C. Разрушение материала происходит при температуре выше 415 °C. Он стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, радиотехнических деталей. Вследствие сложности технологии производства и переработки фторопласта-4 изоляция на его основе является сравнительно дорогой, поэтому был разработан ряд его разновидностей. Фторопласт-40 имеет большую твердость, чем фторпласт-4, у которого почти отсутствует хладотекучесть. Технология переработки фторопласта-40 значительно лучше, он подвергается обычным методам прессования при повышенной температуре. 178 Фторопласт-42 растворим в некоторых органических растворителях, благодаря чему из него могут изготавливаться лаки, а также пленки и волокна. Фторопласт-40 и фторпласт-42 обладают значительной химостойкостью, тропикостойкостью. Фторопласт-40 применяется для покрытия проводов, а фторопласт-42 используется в виде лака для влагозащитных покрытий. Температура разложения фторопласта-40 и фторопласта-42 ниже, чем у фторопласта-4. К полярным термопластикам относятся такие материалы, как фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты и многие другие. Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) обладает большим значением диэлектрических потерь, чем фторопласт-4. Производство фторопласта-3 и технология его переработки проще и дешевле, чем фторопласта-4, но интервал его рабочих температур составляет от минус 105 до 70 °C. Наиболее часто фторопласт-3 используется в кабельном производстве как низкочастотный диэлектрик. Кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металла. Полиметилметакрилат (ПММА, органическое стекло, плексиглас) — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в электромашиностроении, самолетостроении и автомобилестроении. На железнодорожном транспорте органические стекла используют как светотехнические материалы для изготовления световых фильтров, оптических линз и рассеивателей. Поливинилхлорид (ПВХ) — полярный аморфный полимер. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химическим веществам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки. 179 Полиэтилентерефталат (ПТФЭ или лавсан) — это аморфнокристаллический полимер, имеющий интервал рабочих температур от минус 70 до 170 °C, прозрачный (аморфный) или непрозрачный (кристаллический). Наиболее широко в электротехнике применим кристаллический полимер, из которого изготавливают пленки и нити, имеющие хорошие диэлектрические и механические характеристики, высокую радиационную и химическую стойкость. Применяется для изоляции кабелей, электрических машин, для производства пленочных конденсаторов и др. Полиамиды (капрон, нейлон) — это кристаллизующиеся полимеры с низкой плотностью. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; ударопрочные и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивые в тропических условиях. Применяются для изготовления шестерни, втулок, подшипников, болтов и гаек, деталей ткацких станков, маслобензопроводов, колес центробежных насосов, турбин, турбобуров. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, в качестве антифрикционных покрытий металлов. В современных условиях широкое применение получили термостойкие пластики и термопласты с наполнителями, имеющие температуру эксплуатации до 400 °C. К ним относятся ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон, полиимиды и полибензимидазолы. В электротехнике в основном применяются полиимиды и полибензимидазолы. Полиимиды — ароматические гетероциклические полимеры. В зависимости от структуры они могут быть термопластичными и термореактивными. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от –200 до +300 °C), стойкостью к радиации. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабым кислотам и основаниям. Разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров. Могут длительно работать в вакууме при высоких температурах. Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей, печатных схем, электронно-вакуумной тепловой изоляции. Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Они обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Полибен180 зимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов, могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. Стекловолокниты обладают повышенной прочностью и теплостойкостью, усталостной прочностью и износостойкостью. Интервал рабочих температур от минус 60 до 150 °C. Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (капрон, лавсан) обладают высокой длительной прочностью и являются перспективными изоляционными материалами. Слоистые термопласты, содержащие в качестве наполнителей ткани из различных волокон, применяются при изготовлении подшипников, зубчатых передач, труб вентилей, емкостей для агрессивных сред и др. Термореактивные пластмассы К термореактивным пластмассам относятся полимерные материалы, у которых в качестве связующих веществ, применяются термореактивные смолы. Также в их состав вводятся пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые (волокниты) и слоистые. У порошковых пластмасс в качестве наполнителя применяют органические и минеральные порошки. Их свойства характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью. На основе фенолоформальдегидных смол с органическими наполнителями изготовляют пресс-порошки, из которых прессованием получают электроизоляционные детали: рукоятки, детали приборов и др. Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату. Пластмассы с порошковыми наполнителями чаще всего применяют для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и др. 181 К группе пластмасс с волокнистыми наполнителями относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты. Волокниты применяют для деталей общего технического назначения с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающим на изгиб и кручение. Асбоволокниты характеризуются повышенной теплостойкостью (более 200 °C) и ударопрочностью, устойчивостью к кислым средам и высокими фрикционными свойствами. Они используются в качестве материала тормозных устройств (колодки, накладки, диски вагонов, подъемных кранов, автомобилей). Из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы. Слоистые пластмассы применяют как конструкционные, изоляционные и поделочные материалы. К слоистым пластикам относятся такие материалы, как гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклогетинакс, древеснослоистые пластики, асботекстолит и т. д. Эти материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали. Гетинакс по назначению подразделяется на электротехнический и декоративный. Он может иметь различные цвета и текстуру. Электротехнический листовой гетинакс представляет собой слоистый материал, полученный методом горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивным связующим на основе фенолформальдегидных или эпоксидных смол. Длительно допустимая рабочая температура от минус 65 °C до 120 °C. Электротехнический гетинакс выпускается разных марок (I, V, ЛГ). Все марки имеют высокие электротехнические показатели и изготавливаются в листах толщиной от 0,4 до 50 мм. Например, гетинакс марки I применяется в низковольтной технике до 1 000 В для работы на воздухе при нормальных условиях и в трансформаторном масле. Гетинакс устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов. Декоративный гетинакс используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве. Текстолит представляет собой слоистый прессованный конструкционный материал, состоящий из нескольких слоев хлопчатобумажной ткани, пропитанной термореактивной фенолформальдегидной смолой. Изготавливается в листах толщиной от 0,5 до 80 мм и в стержнях диаметрами от 6 до 200 мм. 182 Рабочая температура от минус 40 до 105 °C. Среди слоистых пластиков текстолит обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. Применяется для изготовления панелей, прокладок, шестерен, червячных колес, втулок, подшипников скольжения, роликов, колец и других изделий конструктивного назначения в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10–15 раз дольше бронзовых, но рабочая температура текстолитовых подшипников невысокая и составляет 90 °C. Стеклотекстолит представляет собой материал, полученный методом горячего прессования с теклотканей, пропитанных термореактивным связующим (на основе совмещенных эпоксидной и фенолформальдегидной смол). Диапазон рабочих температур составляет от минус 65 до 155 °C. Изготавливается в листах толщиной от 0,3 до 50 мм. Предназначен для работы на воздухе при напряжении свыше 1000 В. Высокая механическая прочность и электрическая стабильность стеклотекстолита позволяют проводить его механическую обработку и использовать его для конструкционных деталей электрооборудования. Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно-формальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. ДСП имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные металлы и сплавы. Недостатком этого материала является чувствительность к влаге. Из ДСП изготавливают шкивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей, железнодорожных вагонов, лодок и детали текстильных машин. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным термоизоляционным материалом. Обладает высокой теплостойкостью (300 °C) и механической прочностью. Из асботекстолита изготавливают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски и тормозные колодки. Он выдерживает кратковременные высокие температуры и поэтому применяется в качестве теплозащитного теплоизоляционного материала. Резиты или литые материалы (литые резиты) представляют собой отвержденные неналолненные смолы, получаемые из жидких резольных смол в формах с последующим нагреванием. Изделия из них изготовляют преимущественно механической обработкой. 183 В зависимости от состояния исходных компонентов и условий конденсации при отверждении резольных смол получаются литые резиты, обладающие различными изоляционными и другими свойствами. Наиболее широко применяемые резиты — бакелит и карболит. Карболит отличается от бакелита более высокими диэлектрическими свойствами и значительно меньшей хрупкостью. В основном эти материалы применяются для производства высоковольтных изоляторов и других электротехнических изделий. Материалы на ее основе электроизоляционной слюды Слюда — природный минерал слоистого строения, что позволяет расщеплять ее кристаллы на листочки толщиной до 0,006 мм. Тонкие листочки слюды обладают гибкостью, упруги и имеют большое разрушающее напряжение при растяжении. Склеивая листочки слюды клеящими смолами или лаками (щелочным, маслянобитумным и др.), получают твердую (миканиты) или гибкую (микаленты) слюдяную изоляцию для обмоток электрических машин. Среди довольно большой группы природных слюд в качестве электроизоляционных материалов находят применение только мусковит и флогопит, потому что они легко расщепляются и обладают высокими электрическими характеристиками. Мусковит — калиевая слюда, имеющая преимущественно серебристый, иногда с зеленоватым или красноватым оттенком, цвет кристаллов. Тонкие листочки (0,05–0,06 мм) этой слюды прозрачны. Мусковит обладает химической стойкостью: на него не действует ни один из растворителей и щелочей. Серная и соляная кислота разлагают мусковит только при нагревании. Мусковит не изменяет своих свойств до температуры 500 °C. Флогопит — калиево-магнезиальная слюда, имеющая цвет кристалловот черного до янтарного. Тонкие (0,006–0,01 мм) листочки этой слюды полупрозрачны. Они имеют меньшее разрушающее напряжение при растяжении и менее упруги по сравнению со слюдой мусковит. Сравнительно низкое сопротивление истиранию позволило применять флогопит в производстве клееных листовых материалов — коллекторных миканитов, из которых штампуют прокладки для изоляции медных пластинв коллекторах электрических машин. Находясь во время работы под истирающим действием щеток, изоляционные прокладки из флогопита истираются в одинаковой степени с медными пластинами. Это обеспечивает нормальную работу коллектора. Флогопит по сравнению с мусковитом обладает меньшей химической стойкостью: реагирует с кислотами, 184 но щелочи на него не действуют. Флогопит не изменяет своих характеристик до температуры 800 °C Все виды слюды поглощают влагу главным образом по плоскостям спайности листочков. Водопоглощение слюды составляет 1,3–5,5 %. Слюда залегает в земле вместе с другими минералами (пегматит, кварц и др.). Добытые кристаллы слюды подвергают очистке, а затем раскалывают на пластины, называемые слюдяными подборами. Разделением слюдяных пластин — подборов — получают щепаную слюду. Это листочки слюды толщиной от 10 до 45 мкм, имеющие форму контура, соответствующую контуру подбора. Щепаную слюду получают расщеплением мусковита и флогопита. Этим методом можно получать однородные по толщине листочки. Щепаную слюду применяют для изготовления ответственных видов изоляции (пазовая) в турбогенераторах, гидрогенераторах, тяговых электродвигателях и в других электрических машинах. Из-за малой площади листочков щепаной слюды ее используют в виде клееных слюдяных материалов — миканитов и микалент. Фторфлогопит — синтетическая слюда, которая расщепляется на совершенно прозрачные листочки. По сравнению с природными слюдами фторфлогопит обладает более высокой нагревостойкостью (до 1000 °C), меньшим водопоглощением (0,5–2,0 %) и более высокими электрическими характеристиками. Удельное объемное сопротивление синтетической слюды в 15–20 раз, электрическая прочность в 1,5 раза выше, а тангенс угла диэлектрических потерь в 2 раза меньше, чем природной. Основные области применения фторфлогопита — это внутренняя изоляция в электронных лампах и в специальных электрических машинах. Миканиты — твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щепаной слюды с помощью клеящих смол (щелочной, глифталевой и др.) или лаков на их основе. Для этого листочки природной щепаной слюды раскладывают на столах в один слой, сбрызгивают клеящим лаком, накладывают второй слой, тоже сбрызгивают лаком и т. д., пока не будет набран лист требуемой толщины. Полученный лист подвергают горячему прессованию. Промышленностью выпускается коллекторный, прокладочный, формовочный, гибкий миканиты и их модификации. Из листочков коллекторного миканита штамповкой получают изоляционные прокладки, применяемые для изоляции медных пластин в коллекторах электрических машин. Из прокладочного миканита изготовляют различные электроизоляционные твердые прокладки для электрических машин и аппаратов. 185 Формовочный миканит — листовой материал, получаемый склеиванием листочков щепаной слюды мусковит, флогопит или их смеси — глифталевой или кремнийорганической смолой. Гибкий миканит — листовой материал, получаемый склеиванием щепаной слюды (мусковит или флогопит) масляно-глифталевым, масляно-битумным или кремнийорганическим лаком, образующих гибкую пленку. Гибкий стекломиканит отличается от гибкого миканита тем, что оклеен бесщелочной стеклотканью, которая значительно повышает его механическую прочность и гибкость. Нагревостойкий гибкий стекломиканит (класс Н) изготовляют на кремнийорганическом связующем. Остальные стекломиканиты склеивают масляно-глифталевыми или эпоксидно-полиэфирными лаками. Гибкие стекломиканиты содержат 35–60 % слюды флогопит, клеящих веществ 36–15 %, остальное — стеклоткань. Толщина их составляет от 0,20 до 0,60 мм. Все виды миканитов на кремнийорганическом связующем могут длительно работать при 180 °C (класс Н), на полиэфирных и эпоксидных клеящих составах— при 155 °C (класс F), а на шеллачных и глифталевых смолах — не выше 130 °C (класс B). Микафолий — рулонный или листовой материал, состоящий из одного или нескольких слоев щепаной слюды (мусковит или флогопит), наклеенных на плотную телефонную бумагу (толщиной 0,05 мм), на тонкую стеклоткань или стеклосетку. В качестве клеящих составов применяют масляно-глифталевые, полиэфирные и кремнийорганические лаки. Из микафолия изготовляют (горячим прессованием) трубки для изоляции болтов и шпилек, гильзы для пазовой изоляции обмоток и другие фасонные изделия. Основные виды микафолия по нагревостойкости относятся к классу В, т. е. могут работать при температурах до 130 °C. Микалента — рулонный материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Микаленту получают наклеиванием в один слой листочков щепаной слюды (с перекрытием) на тонкую (0,02–0,03 мм) бумагу или стеклянную ткань. Такой материал имеет толщину 0,08 мм. В микаленте содержится (по массе): 30–60 % слюды; 25–20 % бумаги; 32–15 % клеящего вещества; остальное — летучие вещества. Электрокерамические материалы Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только 186 абразивами (карборунд и др.) и по назначению делят на три группы: изоляторная, конденсаторная и сегнетоэлектрическая керамика. Все электрокерамические материалы негигроскопичны и атмосферостойки. Электротехнический фарфор является одним из широко применяемых электрокерамических материалов и служит для изготовления различных конструкций изоляторов высокого и низкого напряжения Стеатит — это более дорогостоящий электрокерамический материал, который отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 250 °C, существенно не изменяя своих электрических характеристик (у изделий из электротехнического фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от 100 °C и выше). Силикатные (неорганические) стекла Неорганическое стекло — дешевый материал, который изготовляют из доступных веществ: кварцевого песка SiО2, соды Na2СОз, доломита CaCO3·MgCO3, мела СаСО3 и некоторых других. Смесь этих веществ, взятых в определенном соотношении, называют шихтой. Загруженная в стекловаренную печь шихта при нагревании до 1350–1600 °C плавится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия. Чистые кварцевые стекла обладают рядом ценных свойств: очень высокими электрическими характеристиками, стойкостью к влаге (гидролитической стойкостью). Изделия из кварцевого стекла, нагретые до красного, каления и погруженные в холодную воду, не растрескиваются. Некоторые термостойкие электроизоляционные изделия (небольшие изоляторы) изготовляют из чистого кварцевого стекла. Механическая прочность закаленных стеклянных изоляторов в 2–3 раза выше, чем незакаленных, и выше, чем фарфоровых изоляторов. Поэтому размеры закаленных стеклянных изоляторов по сравнению с изоляторами из фарфора меньше на 10–20 %. Стеклянные изоляторы малых габаритов (например, штыревые изоляторы на 10 кВ и некоторые другие) изготовляют не из закаленного, а из отожженного стекла. 187 6. Светотехнические материалы 6.1. Светотехнические характеристики материалов Светотехническими материалами называются материалы, предназначенные для непосредственного взаимодействия со световым потоком. В результате этого взаимодействия происходят физические процессы отражения, пропускания, рассеивания, поглощения светового потока, изменения его физических характеристик или генерирования качественно новых форм излучений. По характеру взаимодействия со световым потоком все светотехнические материалы обычно принято делить на отражающие, пропускающие, поглощающие и излучающие материалы. В технических системах магистрального железнодорожного транспорта используется большое количество разнообразных светотехнических элементов и устройств: сигнальные, осветительные, светотехнические элементы различного назначения, фильтры, линзы, отражатели, рассеиватели, а также разнообразные волоконно-оптические приборы и системы. Физический механизм взаимодействия потока излучения с материалом обусловлен двойственными проявлениями света, определяемыми волновой и квантовой природой. Волновая природа электромагнитного излучения в общем виде характеризуется уравнением Максвелла, связывающим показатель преломления с диэлектрической проницаемостью er и магнитной проницаемостью mr материала, что выражается зависимостью вида n = m r Ч er , (6.1) где п — показатель преломления. Квантовая природа электромагнитного излучения описывается формулой Планка, связывающей энергетические показатели светового потока с физическими параметрами потока: 188 E = h · v, (6.2) где Е — энергия кванта фотона; h — постоянная Планка; v — частота излучения. Светотехнические материалы по их физическим параметрам делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики. Оптические характеристики этих материалов значительно различаются. При высоких значениях электрической проводимости имеет место оптика металлов. Если проводимость мала, то в материалах преимущественно проявляются оптические свойства, характерные для диэлектриков. При взаимодействии материала и лучистого потока происходит как явления, приводящие к изменению характеристик падающего на материал излучения, так и явления, приводящие к изменению характеристик самих материалов при воздействии на них оптического излучения. Эти две группы физических явлений имеют принципиальные значения в работе светотехнических материалов и требуют углубленного анализа и учета. Активное взаимодействие материалов и света происходит при падении светового потока на поверхность материала, т. е. на границу раздела двух оптических сред, а также при прохождении света сквозь материал и при выходе светового потока из материала. При прохождении света из одной оптической среды в другую у него меняется в одно и то же число раз как длина волны λ, так и скорость распространения. Эта числовая характеристика называется показателем преломления среды п и выражается как n= c , V (6.3) где с — скорость света в вакууме; V — скорость света в данной среде. Поскольку с = λ0·V, то сила света будет равна I = l , l0 (6.4) где λ — длина световой волны в данной среде; λ0 — длина световой волны в вакууме. Явления взаимодействия света с материалом могут протекать как в оптически однородной, так и в оптически неоднородной среде. 189 Оптически однородной считают среду, все участки которой имеют одно и то же значение показателя преломления. Оптически неоднородной может быть либо среда, в которой значение показателя преломления неодинаково на различных участках, либо среда, представляющая комбинацию участков с различными значениями показателей преломления. Из двух сред более оптически плотной считается среда, у которой значение показателя преломления больше. При световых явлениях, протекающих в оптически неоднородной среде, закон прямолинейного распространения света не выполняется. Явления, связанные с отклонением от этого закона, протекают на границах раздела сред, имеющих различные показатели преломления. Воздействие среды на свет проявляется в изменении характера его распространения в пространстве, а также в изменении структуры светового потока, поглощении света средой. Воздействие света на материал проявляется в характере и интенсивности развития тепловых, фотохимических и фотоэлектрических явлений. Основные свойства светотехнических материалов определяются по их взаимодействию со световым потоком при его отражении, пропускании, преломлении и поглощении. К основным световым характеристикам относятся коэффициент яркости ra; коэффициент отражения r; коэффициент поглощения a; коэффициент пропускания t; степень рассеивания g; цвет. Световым потоком называется мощность лучистой энергии видимого спектра электромагнитного излучения, которая оценивается по световому ощущению, производимому на зрение человека. Сила света — это пространственная плотность светового потока, приходящаяся на элементарный телесный угол. Сила света равна I = dF , dw (6.5) где dF — элементарная плотность светового потока в единице объема dw. Яркость поверхности в направлении a оценивается выражением B= 190 Ia , S Ч cos a (6.6) где Ia — сила света, исходящая от светящейся поверхности в направлении a; S — площадь светящейся поверхности. У различных материалов в зависимости от строения их поверхности процесс отражения света может быть направленным (зеркальное отражение) или рассеянным. Количественно процесс отражения оценивается коэффициентом отражения r. Коэффициент отражения r определяется отношением отраженного светового потока Fотр к падающему световому потоку F0: r= Fотр F0 . (6.7) Отражение как физический процесс может быть: направленным, рассеянным, направленно-рассеянным, диффузно-рассеянным и смешанным. Направленным считают отражение, при котором величины телесных углов падающего и отраженного световых потоков одинаковы, в этом случае имеет место сохранение величины телесного угла светового потока при его отражении. Рассеянным отражением, в отличие от направленного, считается такое отражение, при котором телесный угол отраженного светового потока больше телесного угла падающего светового потока, т. е. имеет место увеличение телесного угла светового потока при его отражении. Направленно-рассеянное отражение характеризуется преимущественным отражением света в направлении оси телесного угла направленно–отраженного светового потока. Диффузно-рассеянное отражение характеризуется распределением света в отраженном световом потоке по закону косинусов. В некоторых случаях имеет место смешанное отражение, при котором падающий световой поток частично отражается зеркально и частично рассеивается. Коэффициент пропускания t определяется как отношение прошедшего сквозь материал светового потока Fпр к падающему потоку F0 t= Fпр F0 . (6.8) При отражении и пропускании света всегда имеет место частичное поглощение материалом светового потока. 191 Коэффициент поглощения a определяется отношением поглощенного материалом светового потока Fпогл к падающему потоку F0 a= Fпогл . F0 (6.9) Согласно закону сохранения энергии соблюдается зависимость r + t + a = 1. (6.10) При взаимодействии светового потока с замутненным пропускающим материалом часть падающего потока отражается от его поверхности, часть поглощается материалом, а остальная часть рассеивается в толще материала и выходит из него в виде рассеянного света. Рассеивающая способность материала при пропускании света определяется степенью рассеивания, равной g= I 40 , I0 (6.11) где I40 и I0 — сила света от светового пятна на образце в проходящем потоке под углом соответственно 40° и 0° к нормали поверхности образца. Рассеивание света материалом оценивают по величине телесного угла, в котором заключено 70 % рассеянного светового потока. Более точно способность материала к рассеиванию характеризуется индикатрисой рассеивания, т. е. зависимостью силы света от угла наблюдения освещенного пятна в проходящем свете. Индикатриса рассеивания используется для оценки материалов с макроструктурной поверхностью, когда использование понятий степени рассеивания неприменимо из-за наличия в рассеянном потоке локальных максимумов сил света по отдельным направлениям. Степень рассеивания света при отражении от материала также оценивается по индикатрисе рассеивания или по индикатрисе коэффициентов яркости. Коэффициент яркости ra определяется отношением яркости освещенного пятна на данном материале в направлении a к яркости идеальной диффузно-отражающей поверхности с коэффициентом отражения равном единице. 192 Индикатриса коэффициентов яркости характеризует блеск (глянец) материала, т. е. относительную величину направленной составляющей отраженного света. На практике для правильного выбора светотехнического материала необходимо знать расстояние между поверхностью рассеивателя и источником света, при котором достигается верхний предел допустимого значения яркости. Кратчайшее допустимое расстояние между источником света и поверхностью рассеивателя, при котором яркость достигает предельно допустимых значений, является дополнительной характеристикой светорассеивающего материала для оценки выбранных условий его применения. Помимо вышеуказанных светотехнических параметров к дополнительным характеристикам относятся также цвет и цветность материала. Цветность определяется координатами цветности на стандартном цветовом графике. Цвет является более полной характеристикой материала, поскольку в данном случае оценивается качественно и количественно координатами цветности и яркости отраженного потока. Наиболее важной характеристикой для отражающих светотехнических материалов является их белизна, определяемая цветовым контрастом между испытуемым образцом и образцом с идеально белой поверхностью. Светотехнические материалы помимо высоких оптических характеристик должны обладать необходимым уровнем устойчивости к повышенным температурам нагрева и повышенной устойчивостью к возгоранию. Количественная оценка основных характеристик светотехнических материалов и устройств осуществляется с помощью специальных приборов и измерительных комплексов. Одним из наиболее распространенных измерительных приборов можно назвать шаровой универсальный фотометр ФШУ, предназначенный для измерения интегральных значений коэффициентов отражения r, пропускания r, поглощения а, а также степени рассеивания у листовых и пленочных изделий. При рассмотрении белых отражающих эмалей и листовых полимерных материалов, для которых блеск — одна из основных характеристик, часто применяют блескомеры. Блеск плоских и криволинейных поверхностей оценивается фотоэлектрическим блескомером ФБ-68 или фотоэлектрическим гониофотометром ГФ-65, 193 который позволяет получить индикатрисы рассеивания в отраженном и проходящем свете при различных углах освещения и наблюдения. Гониофотометр ГФ-65 дает возможность измерить индикатрисы коэффициентов яркости окрашенных и неокрашенных материалов. Коэффициенты яркости отражающих поверхностей под определенными углами наблюдения, а также блеск материалов могут быть измерены фотоэлектрическим фотометром ФМ-58. Белизна покровных материалов определяется с помощью электронного компаратора цвета ЭКЦ-1 или ФКЦ-Ш. Этими приборами оценивается цветовое различие между образцом и белым эталоном. Компараторы цвета могут быть использованы для сравнения образцов материалов не только белого, но и других цветов с соответствующими по цвету эталонами в отраженном и проходящем свете. Для определения цветности окрашенных материалов используются фотоэлектрические калориметры УФК-1, ТК-2, КНО-3. Спектральные характеристики пропускания и отражения таких материалов получают с помощью регистрирующих спектрофотометров СФ-2 и СФ-10. 6.2. Классификация светотехнических материалов Практическое применение светотехнических материалов в устройствах железнодорожного транспорта носит направленный характер, ориентированный на преимущественное использование конкретных свойств исходных материалов, что позволяет добиваться наибольшей эффективности их использования. К материалам, которые используются в светотехнике, относятся: неорганические и органические стекла, полимерные материалы, алюминий, серебро, никель, белые пигменты и эмали. Эти материалы применяются при создании таких устройств как: отражали, пропускатели, световозвращатели, источники света и волоконно-оптических средств передачи информации. Отражатели С целью отражения света наиболее часто используются металлические поверхности, реже белые пигменты и эмали. Пропускать свет могут только очень тонкие пленки металлов, поэтому все металлические поверхности можно рассматривать как 194 отражающие свет элементы. Однако отражающие свойства металлов различны. Значения спектральных коэффициентов отражения металлов снижаются в коротковолновой части спектра и возрастают в длинноволновой. Например, в области коротковолнового ультрафиолета (λ = 250 нм) только один алюминий и его сплавы с магнием (магналии) обладают коэффициентом отражения 0,6–0,8, а серебро, золото, платина, медь, никель и другие металлы имеют коэффициенты отражения ниже 0,4. В инфракрасной области спектра (λ = 800–2000 нм) многие металлы, в том числе и алюминий, имеют повышенные значения коэффициента отражения. Уровень коэффициентов отражения и их стабильность зависят от способа получения отражающей поверхности металла, характера обработки и методов защиты от коррозии. Поверхность алюминиевых покрытий в диапазоне эксплуатационных температур нагрева легко окисляется, в результате чего образуются окисные пленки, предохраняющие металл от дальнейшей коррозии. Поэтому алюминиевые покрытия в реальных условиях надежно противостоят воздействию атмосферы и влаги. На указанных особенностях алюминия основан метод электрохимической защиты полированного алюминия, при котором образующаяся в результате анодированная прозрачная твердая пленка окиси алюминия надежно защищает полированную поверхность от механических воздействий и влияния атмосферы. Зависимости изменения коэффициентов отражения металлических полированных поверхностей от длительности испытаний в атмосферных условиях приведены на рис. 6.1. Значения коэффициента отражения алюминия значительно выше, чем у других металлических покрытий (хром, никель, серебро, родий). r 1 Al 0,8 Ni 0,6 Cr 0,4 Rh 0,2 Ag 10 20 30 40 50 60 70 80 t, недели Рис. 6.1. Зависимость коэффициентов отражения поверхности металлов от длительности атмосферного воздействия 195 Приведенные зависимости показывают, что зеркальные отражатели, выполненные из чистого алюминия, в течение длительного времени сохраняют начальный уровень коэффициента отражения (0,9). Большим преимуществом алюминия является возможность его одновременного использования в качестве светоотражающего и конструкционного материала. Для увеличения жесткости изготавливаемых отражателей и экономии чистого алюминия применяется плакированный алюминий, состоящий из тонкого слоя чистого алюминия, нанесенного на несущую конструкцию из сплава на основе алюминия. Наиболее прогрессивным способом производства зеркальных отражателей в настоящее время является напыление чистого алюминия в вакуумных установках. Такая технология позволяет получить высокие значения коэффициентов отражения, экономию расхода алюминия, возможность нанесения его на металлические, стеклянные, пластмассовые поверхности. При таком производстве отражателей алюминиевые покрытия защищаются от коррозии путем напыления окиси кремния или путем анодирования алюминиевой пленки. Помимо алюминия для производства отражателей могут применяться и другие металлы, например серебро, которое обладает наибольшим коэффициентом отражения (около 0,95) в видимой области спектра. Однако при температурах более 200 °C серебро окисляется на воздухе, а при воздействии на него озона окисление происходит и при комнатной температуре, что резко сокращает сроки эффективного использования данного материала. Кроме того, поверхность серебра темнеет по причине того, что сероводород, содержащийся в воздухе, в присутствии кислорода образует соединение серебра с серой. Следовательно, при использовании серебра в качестве отражающего металла необходима его надежная защита от воздействия атмосферных факторов. В ряде случаев в качестве отражателей в светотехнике используются никель, хром и родий. Кроме металлов в качестве отражателей используются белые пигменты и эмали. Белые пигменты, являясь составной частью многих светотехнических материалов, обеспечивают высокие свойства отражения и рассеивания света. Природные белые пигменты: мел, гипс, коалин, магнезит, тяжелый шпат, обычно имеют различные примеси и для непосредственного использования в светотехнических материалах непригодны. В современных светотехнических матери196 алах используются синтетические белые пигменты: окись цинка сернокислый барий двуокись титана. Они имеют высокие светотехнические характеристики и стабильность, обеспечивают высокие значения КПД и долговечность устройств. Наибольшее распространение в светотехнической промышленности получили пигменты на основе двуокиси титана, а также алюмосиликатов. Последние обладают высокими коэффициентами отражения и являются наиболее химически стабильными компонентами. Белые эмали используются для покрытия диффузных отражателей, которые широко применяются в светильниках с люминесцентными источниками света. Для получения высоких КПД светильников необходимо применение белых диффузных эмалей с высокими коэффициентами отражения. Таким требованием в наибольшей степени удовлетворяют меламиноформальдегидная белая эмаль марки АС-72, имеющая коэффициент отражения 0,8, перхлорвиниловая эмаль марки ХСЭ-1, у которой коэффициент отражения равен 0,72, а также эмали на основе пигмента алюмината цинка (марки АС-72 и МЛ-242) с коэффициентом отражения 0,85–0,9. Светотехнические стекла — это материалы, предназначенные для изменения направления и спектрального состава светового потока. По типу изменения светового потока стекла подразделяются на: пропускающие и преломляющие (фары прожекторов, автомобилей и локомотивов), отражающие (сферические, гиперболические и параболические), световозвращающие (катафоты) и рассеивающие (осветительные плафоны). В качестве пропускателей светового потока в светотехнических устройствах применяются силикатные и органические стекла. Силикатные стекла представляют собой переохлажденные расплавы различных окислов, из которых основным является окись кремния. В зависимости от содержания окислов стекла разделяются на: силикатные, алюмосиликатные, боросиликатные, алюмоборосиликатные, алюмофосфоросиликатные и др. В зависимости от состава, способа термической обработки и качества поверхности силикатные стекла обладают различными свойствами и имеют различное применение. Прозрачное бесцветное силикатное стекло применяется в качестве защитных стекол, призматических преломлятелей, прессованных рассеивателей, оптических деталей зеркальных светильников и др. 197 Известковое стекло имеет зеленоватый или голубоватый оттенок за счет наличия в нем окислов железа. Свинцовое стекло обладает оптической прозрачностью, наибольшим показателем преломления, хорошей атмосферостойкостью. Боросиликатное стекло характеризуется высокой температурой плавления, низким коэффициентом расширения и низким показателем преломления. Оно обладает химической, температурной и абразивной устойчивостью. Силикатное стекло отличается повышенной хрупкостью и значительной жесткостью. Из силикатных стекол изготавливают два типа изделий: — легкие стекла с плотностью 2,48–2,6 г/см3 и коэффициентом преломления 1,48–1,55; — тяжелые стекла с плотностью выше 2,6 г/см3 и коэффициентом преломления более 1,55. Светотехнические характеристики стекол могут быть изменены путем нанесения на них различных пленочных материалов. Так, например, для повышения коэффициента отражения наносится слой непрозрачной пленки серебра, алюминия и др. Светоделительное покрытие обеспечивает определенное соотношение между отраженным и пропущенным световыми потоками. Для получения таких характеристик на стекло наносится слой полупрозрачных металлических пленок из серебра, хрома, никеля, серебристого цинка, трехсернистой сурьмы, алюминия. Металлические пленки при этом поглощают значительное количество света. Коэффициент поглощения хрома равен 0,4, а пленок — более чем на порядок ниже (ZnS — 0,01–0,02, Sb2S3–0,01–0,1). Для получения покрытий в виде нейтральных фильтров, ослабляющих падающий световой поток в требуемое число раз без изменения его спектрального состава, применяется платина. Просветляющие покрытия применяются для уменьшения коэффициента отражения поверхности стекла. Для просветления используются пленки из фтористого магния, расположенные между двумя полупрозрачными слоями серебра или двуокиси кремния. Для увеличения коэффициента отражения используются сочетания пленок из двуокиси кремния и титана. В светотехнике применяются различные окрашенные стекла для получения оптических фильтров видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра электромагнитного излучения. 198 Важную роль в светотехнике играют светорассеивающие стекла (глушенные и матированные), которые составляют главные элементы светильников. Глушенное силикатное стекло содержит микрочастицы белого пигмента, показатель преломления которого отличается от показателя преломления самого стекла. Разность показателей преломления, размеры и количество частиц определяют характеристики рассеивания и пропускания света глушенным стеклом. Глушенные стекла часто обладают направленным пропусканием света, что составляет их принципиальное отличие от матированных стекол. Матированные стекла обладают небольшой рассеивающей способностью, но не пропускают направленной составляющей светового потока. Стекла с односторонней матировкой имеют разные коэффициенты пропускания с различных сторон. Более высокие коэффициенты пропускания имеют место в случае, когда матированная поверхность обращена к источнику света. Это связано с наличием в подобных условиях многократного полного отражения света внутри стекла и дополнительными потерями светового потока за счет поглощения. Особое место по применению занимает кварцевое стекло. Кварцевое стекло представляет собой силикатное стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, жильного кварца, кварцевого песка и синтетической двуокиси кремния. Чаще всего оно прозрачное (оптическое), непрозрачность ему могут придавать мельчайшие пузырьки, рассеивающие свет. Кварцевое стекло однородно, обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления и наибольшей светопропускаемостью, особенно для ультрафиолетовых лучей. Оно обладает высокой термической и химической стойкостью, малой электрической проводимостью. Стекловолокна имеют высокую гибкость и прозрчность, что позволяет применять их при производстве стеклотканей, стеклотекстолитов и др. своеобразное применение стекловолокна — это изготовление световодов волоконно-оптических средств передачи информации. Рассеиватели светового потока могут быть получены из прозрачного стекла путем нанесения на него белых эмалей, тонкий слой которых играет роль светорассеивающего материала. Светотехнические характеристики светорассеивающих силикатных стекол отечественного производства приведены в табл. 6.1. В настоящее время для светотехнической аппаратуры выпускается целая серия органических стекол с разнообразными характеристиками по степени рассеивания. 199 Таблица 6.1 Характеристики силикатных стекол для рассеивателей Марка стекла НМП НМЦ М ПО Описание стекла Коэффициенты пропу- отраже- рассеискания ния вания 0,5–0,7 0,2–0,35 0,5–0,75 Накладное молочное стекло с малой составляющей прямого пропускания, рассеивающее в объеме стекла Накладное молочное цветное 0,3–0,6 стекло Матированное стекло 0,7–0,85 прозрачное Прозрачное стекло, окрашен- 0,5–0,7 ное рассеивающей светостойкой краской 0,2–0,3 0,5–0,85 – 0, 1–0, 15 – 0,1–0,15 Органические стекла изготавливаются из полиметилметакрилата и его сополимеров. Различают окрашенные, неокрашенные, армированные стеклотканью, термостойкие и другие стекла. Промышленностью выпускается органическое стекло прозрачное, светорассеивающее, бесцветное и окрашенное, в листах, в виде порошка или гранул. По характеристикам рассеивания света органические стекла делятся на шесть групп с коэффициентом рассеивания от 0,02 до 0,8. Основными отрицательными качествами органических стекол являются: способность к электризации, возможность выделения токсичных веществ, быстрое старение и горючесть. Для уменьшения этих качеств обычно применяется обработка антистатиками, введение в их состав специальных пластификаторов и наполнителей. В качестве рассеивателей светильников применяются различные полимерные материалы: полистирол, поливинилхлорид, поликарбонат, полиэтилен, светотехнические стеклопластики. Световозвращающие материалы, люминофоры — это сложные материалы, обладающие способностью отражать свет в направлении, обратном направлению падения, независимо от угла падения света на материал. Зависимость коэффициента яркости световозвращающего материала от угла падения светового потока показана на рис. 6.2. 200 r 60 40 20 20 40 b Рис. 6.2. Зависимость коэффициента яркости световозвращающего материала от угла падения света Световозвращающие материалы состоят из оптических элементов в виде микроскопических стеклянных шариков, равномерно распределенных в полимерной среде. Показатель преломления таких элементов значительно больше показателя преломления пленочных изделий. Материал может иметь различные конструктивные решения, при которых обеспечивается плотная упаковка шариков и наличие зеркального покрытия со стороны их тыловой поверхности. Рабочая поверхность материала защищается прозрачной погодоустойчивой пленкой, а с обратной его стороны наносится клеящий слой. Если на поверхность световозвращающего материала падает пучок света, то он с небольшой долей рассеивания отражается обратно в сторону источника света. При наблюдении освещенной поверхности световозвращающего материала со стороны источника света благодаря своим специфическим свойствам он производит впечатление светящегося предмета. Такие материалы нашли широкое применение в светосигнальных дорожных устройствах. Источники света В качестве источников света на транспорте, как и в промышленности и быту, используются электрические лампы накаливания, газоразрядные лампы и светодиодная техника. В последние годы, как известно, предпочтение отдается светодиодной технике. Современные светодиоды (СД) перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне света. 201 Их применение дает существенную (в несколько раз) экономию электроэнергии и затрат на обслуживание. Общая тенденция применения светодиодов — увеличение дальности сигнала и уменьшение времени обнаружения его наблюдателем. Сфера применения светотехнических устройств на основе светодиодов расширяется. Сейчас полупроводниковые источники света применяют в сигнальной технике — это светофоры и навигационные световые системы; освещение вспомогательных помещений и улиц; дежурный и аварийный свет; техника ночного видения (например, в виде белых и красных буферных фонарей локомотивов). Среди основных применяемых материалов в светодиодной светотехнике предпочтение отдают поликарбонату, так как этот материал имеет хорошие оптические, диэлектрические, прочностные свойства, высокую теплостойкость и огнестойкость. 6.3. Волоконно-оптические средства передачи информации Волоконно-оптическая связь возникла в результате объединения оптической связи — передачи информации в виде модулированного пучка света и волоконной оптики — распространения света внутри гибких оптических волокон. Волоконно-оптические линии связи по сравнению с традиционными (кабельными) линиями имеют определенные преимущества: 1. большая пропускная способность; 2. защищенность от внешних электромагнитных воздействий; 3. отсутствие взаимного влияния между сигналами, передаваемыми по различным оптическим волокнам; 4. малые потери энергии сигнала при его распространении; 5. электрическая безопасность; высокая степень защищенности от несанкционированного доступа; экономичность; 6. малые габариты и масса. В настоящее время можно выделить четыре основных направления применения волоконно-оптических элементов: ВОЛС (волоконно-оптические линии связи); ЛВОС (локальные волоконно-оптические сети); ВОП (волоконно-оптические преобразователи); системы видеонаблюдения. 202 Общим для этих областей является применение электроннооптических и оптоэлектронных преобразователей и оптических волокон. Кратко рассмотрим составляющие волоконно-оптической системы. Основной частью любой волоконно-оптической системы является световод, представляющий собой двухслойную нить из оптического волокна и защитного покрытия. Под оптическим волокном часто понимают, не просто слои легированного и чистого кварца, а также и защитную оболочку. Оптическое волокно в первичном покрытии из полимера имеет внешний диаметр d. Обычно d = 245 + 10 мкм. Оптическое волокно может быть прозрачно или окрашено. Вторичная защита может осуществляться с помощью плотно прилегающего защитного покрытия. Строение световода, состоящего из стержня 1, оболочки 2 и защитного покрытия 3, показано на рис. 6.3. 1 2 3 Рис. 6.3. Строение световода: 1 — стержень, 2 — оболочка, 3 — защитное покрытие Стержень (сердцевина, сердечник) — основная зона прохождения света через световолокно. Чем больше диаметр стержня, тем больший пучок светового излучения может передаться по световоду. Оболочка обеспечивает достаточно низкий показатель преломления на поверхности стержня, чтобы вызвать эффект полного внутреннего отражения в сердечнике для передачи световых волн через волокно. Для обеспечения нормального функционирования световода коэффициент отражения стержня обязательно должен быть больше, чем у оболочки. 203 Оптическое волокно (стержень и оболочка) изготавливается из высококачественного кварцевого или органического (менее часто) стекла, обеспечивающего надежное распространение световых сигналов. Благодаря защитной оболочке, которая изготавливается из материалов, не распространяющих горение: поливинилхлоридных пластиков или специальных полиэтиленовых композиций, обеспечивается высокая нагревостойкость и пожаробезопасность такого кабеля. Защитное покрытие представляет собой многослойную пластмассовую оболочку, предназначенную для защиты волокна от ударов и других внешних воздействий. Такие буферные покрытия имеют толщину от 250 до 900 мкм. Оболочки оптических шнуров, к которым предъявляются требования высокой гибкости, делаются в основном из поливинилхлоридных пластикатов (эпоксиакрилата, силиконовой смолы). Применяется два типа световода: многолучевое (многомодовое) и однолучевое (одномодовое). Кроме того, световоды различается по типам маршрутов световых лучей или способам их прохождения по сердечнику волокна. Световоды с многолучевым типом сердечника обычно делят на: шаговые и ступенчатые. Многолучевой шаговый тип получил свое название из-за резкой, подобно скачку, разности в показателях преломления сердечника и оболочки. В более распространенном ступенчатом сердечнике световые лучи также распространяются по волокну многолучевыми трассами, но в отличие от шагового ступенчатый сердечник содержит много слоев стекла, каждый с более низким коэффициентом преломления в направлении от оси. В результате такой градации световые лучи ускоряются на внешних слоях, с тем, чтобы совпасть с лучами, проходящими более короткими траекториями, идущими вблизи от оси. Серийно световоды со ступенчатым сердечником выпускается диаметром 50, 62,5 и 100 мкм. Световоды однолучевого типа позволяет передавать по сердечнику единичные световые лучи. Это фактически устраняет любое искажение из-за наложения световых импульсов друг на друга. Сердечник волокна однолучевого типа чрезвычайно мал по размеру: приблизительно 5..10 мкм. Световоды однолучевого типа по сравнению с многолучевыми обладает более высокой пропускной способностью и мощностью. Например, телекоммуникационный кабель для подводного использования может передавать до 60 000 каналов телефонной радиосвязи на паре волокон однолучевого типа. 204 Заключение Общеизвестно, что применение новейших, более совершенных материалов — одно из главных направлений научно-технического прогресса. В нескольких словах остановимся на некоторых дополнительных направлениях развития электротехнических материалов. Одним из основных таких направлений является создание материалов, располагающих свойством сверхпроводимости. Значительный интерес здесь представляет применение металлического водорода. Хотя водород — отличный диэлектрик, но при определённых для него условиях он может быть также идеальным проводником электрического тока. Представляет интерес и возможность замены меди или алюминия при изготовлении силовых кабелей на натрий. Применение натрия имеет большие преимущества. Было определено, что 1кг натрия способен заменить до 3,5 кг меди или 1,75 кг алюминия. Натрий примерно в 6 раз дешевле меди, а использование натрия в сочетании с полиэтиленовой изоляцией позволяет изготовить кабель более гибкий, чем с медными или алюминиевыми жилами. Большой интерес представляет применение гибких магнитов. При их производстве в резиновую смесь добавляют до 70 % ферритовых частичек и затем пропускают такую смесь через формовочную машину и получают «магнитную» резину. Гибкие магнитам находят широкое применение в машиностроении (дверцы холодильников и др.) и электротехнической промышленности при изготовлении различных переключателях, реле и других схожих устройств. Быстрое развитие химии и химической промышленности дало возможность получать многие материалы, заблаговременно задавая свойства, которыми они должны располагать. Такие материалы необходимы в различных областях науки и техники, в том числе энергетике и электротехнической промышленности. Немалый интерес отводится, например, формированию синтетического латекса, представляющего собой лёгкую, гнущуюся, в тоже время прочную губчатую резину. Синтетический латекс нашёл себе применение не только в электротехнической промышленности, но и также, в автомобилестроении, бумажной, строительной и других различных отраслях промышленности. 205 Различного вида изделия из пластмасс давно нашли широкое применение в электротехнике. Тем не менее, проводятся постоянные работы в создании новейших видов пластмасс. К примеру, создан пенопласт изолан-1, для которого характерны прекрасные электроизоляционные свойства, он легко поглощает звук и практически не горит. Одно из важных направлений производства новых материалов, используемых в электротехнике — синтез термостойких, жаропрочных и ограниченно горючих волокон. Такие материалы обладают повышенной эластичностью, термостойкостью, электроизоляционными свойствами, прочностью, химической инертностью и т. д. Например, из борных волокон и полиэпоксидных полимеров получают слоистые пластики, имеющие высокие технические и технологические свойства. В энергетике прогрессивно использование новых композиционных материалов, представляющих собой композиции металлов и высокомолекулярных полимеров и обладающих большой износостойкостью, антифрикционными и антикоррозионными свойствами. 206 Библиографический список 1. Бондаренко Г. Г. Материаловедение : учеб. для бакалавров / Г. Г. Бондаренко, Т. А. Кабанова, В. В. Рыбалко. — 2-е изд. — М. : Юрайт, 2016. — 359 с. 2. Бабенко Э. Г. Материалы на железнодорожном транспорте : учебное пособие / Э. Г. Бабенко, А. В. Лукьянчук. — М. : ФГБОУ «Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014. — 204 с. 3. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника : учебник в 2 т. / А. Т. Бурков. — М. : ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2015. — Т. 1 : Электроника. — 480 с. 4. Серебряков А. С. Электротехническое материаловедение. Проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / А. С. Серебряков — М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. — 372 с. 5. Серебряков А. С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы : пособие для вузов / А. С. Серебряков — М. : Маршрут, 2005. — 280 с. 6. Тимофеев И. А. Электротехнические материалы и изделия : учеб. пособие / И. А. Тимофеев — М. : Лань, 2012. — 272 с. 7. Электротехнические и конструкционные материалы : учеб. пособие для сред. проф. образования / В. Н. Бородулин [и др.]; под ред. В. А. Филикова. — 2-е изд., стер. — М. : Академия, 2005. — 280 с. 8. Алиев И. И. Электротехнические материалы и изделия. Справочник / И. И. Алиев — М. : Радиософт, 2012. — 352 с. 9. Майорова О. В. Светотехника : учеб. пособие для студентов вузов / Е. Е. Майоров, Б. А. Туркбоев. — СПб. : СПбГУ ИТМО, 2005. — 83 с. 10. ГОСТ Р 52007–2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий. — М. : Стандартинформ, 2003. 207 Учебное издание Никитина Евгения Петровна МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Курс лекций для студентов направлений подготовки 23.05.05 — «Системы обеспечения движения поездов», 23.05.03 — «Подвижной состав железных дорог», 23.03.02 — «Наземные транспортно-технологические комплексы», 13.03.02 — «Электроэнергетика и электротехника», 27.03.04 — «Управление в технических системах» всех форм обучения 2-е издание, переработанное и дополненное Редактор С. В. Пилюгина Верстка — А. В. Трубин Подписано в печать 26.10.2016. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 12,1. Тираж 110 экз. Заказ 149 УрГУПС 620034, Екатеринбург, Колмогорова, 66