Реферат на тему классификация материалов
Обновлено: 07.07.2024
Основные понятия о материалах, их строении, свойствах, термической обработке и областях применения. Исторический обзор применения материалов. Вклад отечественных ученых в развитие материаловедения.
1.Предмет материаловедения. Классификация материалов.
2. История материаловедения(хронология событий).
3. Современные керамические материалы
4. Современные биоматериалы
5. Дисперсные материалы
Предмет материаловедения.
Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.
Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.
Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии - прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).
Исторически для техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.
Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:
Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.
Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для использования в технике является алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).
Классификация материалов
В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки , волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.
Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.
Технические материалы принято классифицировать по назначению:
материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.
Детерминированный хаос
Движущие силы
I - обратимость
II - нелинейное поведение
III – бифуркации (>2 управляющих параметров)
IV – переход к детерминированному хаосу
Таким образом, подходы самоорганизации и динамического хаоса позволяют:
• С единых позиций объяснить многие разрозненные наблюдения в области создания и функционирования материалов,
• Предложить принципиально новый путь получения материалов в форме ДС,
• Улучшить традиционную керамическую технологию,
• Дать рекомендации, облегчающие получение материалов с воспроизводимыми свойствами.
Предпочтительные реагенты
• Стехиометрические молекулярные соединения
• Твердые растворы изоструктурных бинарных солей
((NH4)2SO4*MSO4*6H2O, M=Fe, Co, Ni, Mg, Mn, Zn, Cu)
• Криохимически гомогенизированные соли (а также
другие методы химической гомогенизации: RESS,
пиролиз аэрозолей, золь-гель. )
Современные биоматериалы
Основная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокона, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества: “Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в
области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное
применение специально спроектированных керамических материалов для
замены и лечения больных или поврежденных частей тела” [1]. Эту область
современного материаловедения именуют (не вполне, впрочем, справедливо)
биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства. В настоящее время рынок биокерамики имеет емкость ∼2.3 млрд.$, прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12 %, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн [1,2]. Число больных,
нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно
велико: для США эта цифра составляет 1 млн. человек и более ежегодно (из
них свыше 300 тыс. – протезирование тазобедренного и коленного суставов,
такой же порядок имеют зубные имплантаты). Динамика продвижения идеи на рынок биоматериалов имеет ряд особенностей, связанных с прохождением
длительных тестов и сертификаций, в силу этого обстоятельства лишь немногие из рассматриваемых ниже материалов могут считаться рекомендованными к применению. Текущее состояние рынка имплантатов может рассматриваться как ожидание массированного вторжения новых идей и материалов.
Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами
(отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми
жидкостями, отсутствие коррозии), механическими характеристиками
(прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению,
износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны имунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза). По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:
1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) – большинство металлов;
2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на
3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла. Основной недостаток биоинертной керамики – низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава. К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятся биостекла (наиболее используется состав "45S5": 24.5 % Na2O, 24.5 % CaO, 45.0% SiO2, 6% P2O5; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) – Ca10(PO4)6(OH)2 (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия на металлических имплантатах; композиты ГАП–полимер, моделирующие, как, например, композит ГАП–коллаген, состав и структуру кости). К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты. Перспективы в области разработки биоматериалов связаны с развитием всего спектра имеющейся на сегодня биокерамики. Особый интерес представляют исследования, исповедающие “регенерационный” подход [1], в котором акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала и замену его костной тканью (т.е. на первое место у таких материалов выходят биологические свойства).
Т.о. биоматериалы необходимы для лечения, восстановления и замены:
• кожных покровов, мышечной ткани
• костной ткани
– эндопротезы в травматологии и ортопедии
– стоматология (пломбировочные материалы),челюстно-лицевая хирургия
– медико-косметические средства (кремы, пасты)
За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для замены более 40 различных частей
Требования, предъявляемые к биоматериалам:
• химические свойства
– отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми
– отсутствие коррозии, или растворение с контролируемой скоростью
• механические свойства
– сопротивление замедленному разрушению(усталости)
• биологические свойства
– отсутствие реакций со стороны иммунной системы (биосовместимость)
– срастание с костной тканью
Отклик организма на имплантат
Если материал токсичный – окружающие ткани отмирают
биоинертный – образуется соединительная
волокнистая ткань
биоактивный – образуется костная ткань
биорезорбируемый – происходит замена материала
Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы. Так, например, использование материалов на основе композитов туглеродных трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе in vitro тестов не наблюдается ухудшения прочностных свойств [2]. Другой перспективный "кандидат" на роль полного заменителя сустава - углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические свойства близки к характеристикам кости. В зависимости от микроструктуры материала, которая легко контролируется в широких пределах, получаю следующие значения энергии разрушения, упругих модулей, прочности на изгиб: 400-2900 Дж/м2, 10-72 ГПа, 100-450 МПа соответственно.
Эти механические параметры соответствуют материалам с размерами дефектов в несколько сот мкм (например, пор диаметром до 120 мкм). Углеродные материалы биосовместимы, более того, можно легко контролировать их резорбируемость. На сегодняшний день углеродные композиты – наиболее вероятные материалы, которые прейдут на замену Тi протезам.
Очень интересным и перспективным является так называемый "регенерационный подход". При этом используются различные материалы
(биодеградируемые полимеры, биоактивные стекла, композиты HAp/CaSO4,
Покрытие из НАр (b) , на полимерных волокнах (a) в растворе-аналоге межтканевой жидкости костные клетки и протеины на носителях из HAp, CaSO4 и др.) для стимуляциии ускорения костной регенерации. Правда, данный подход применим лишь кзалечиванию малых дефектов.
Применение наноматериалов
• Катализ, преобразование солнечной энергии (TiO2)
• Нано-батареи и топливные ячейки
• Дисперсионное упрочнение/прочные материалы
• Магнитная томография (магнитные наночастицы -зонды), маркеры, минироботы, носители лекарств
• Системы с перпендикулярной записью, электроника
• Молекулярные сита / клатраты
Раздел 2. Материаловедение
Лекция 1. Материалы, их классификация и области применения
Основные понятия о материалах, их строении, свойствах, термической обработке и областях применения. Исторический обзор применения материалов. Вклад отечественных ученых в развитие материаловедения.
1.Предмет материаловедения. Классификация материалов.
2. История материаловедения(хронология событий).
3. Современные керамические материалы
4. Современные биоматериалы
5. Дисперсные материалы
Предмет материаловедения.
Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.
Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.
Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии - прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).
Исторически для техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.
Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:
Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.
Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для использования в технике является алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).
Классификация материалов
В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки , волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.
Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.
Технические материалы принято классифицировать по назначению:
материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.
Материалы гораздо глубже входят в нашу культуру, чем многие думают. Необходимыми элементами нашей повседневной жизни являются транспорт, жилища, средства связи, отдых, производство пищи, и все они в той или иной степени зависят от выбора подходящих материалов. С исторической точки зрения развитие и успехи общественного строя неразрывно связаны с возможностями людей производить и перерабатывать материалы для удовлетворения существующих потребностей. Ранние цивилизации даже определялись по названиям материалов, которые люди научились использовать — Каменный век, Бронзовый век, Железный век.
На ранних этапах человеческого существования люди использовали крайне ограниченное число материалов. Это были, естественно, материалы, имеющиеся в природе — камни, дерево, глина, шкуры животных и т. п. Со временем люди научились производить материалы, по свойствам превосходящие природные продукты. Это были такие новые материалы, как керамика и различные металлы. В дальнейшем было обнаружено, что свойства материалов могут видоизменяться в результате термической обработки или добавления к ним различных субстанций. В то время выбор материала определялся сопоставлением очень ограниченного количества вариантов, исходя из их качества применительно для той или иной цели. Лишь сравнительно недавно ученые поняли, что существует соответствие между структурными элементами, составляющими материал, и им самим. Эти знания стали доступными примерно 100 лет назад, и в значительной степени были обусловлены тем, что люди научились оценивать характеристики материала. Все это привело к тому, что появились десятки тысяч различных материалов с весьма специфическими свойствами, что позволило удовлетворять самые сложные потребности современного общества. К числу материалов, используемых в наши дни, относятся металлы, полимеры, стекла и волокна.
Успехи современных технологий, которые сделали наше существование столь комфортным, связаны с тем, что стали доступными подходящие материалы. Успехи в понимании того, чем определяется тип материала, зачастую предшествуют развитию новых технологий. Так, например, становление автомобильной промышленности было бы невозможным без разработки сравнительно недорогих сталей или иных подходящих материалов. В наше время развитие многочисленных сложных электронных устройств основывается на использовании компонентов, производимых из так называемых полупроводниковых материалов.
Зачем мы исследуем материалы? Многие ученые и инженеры, работающие в области машиностроения, гражданского строительства, химической или электротехнической промышленности, рано или поздно сталкиваются с задачей разработки конструкции изделия. В качестве примера таких изделий можно привести передаточные шестерни, конструкции, используемые в строительстве, детали для нефтеперерабатывающего оборудования, интегральные чипы. Конечно, ученые и инженеры, занимающиеся материаловедением, являются экспертами, знакомыми с задачами изучения материалов и проблемами конструирования из них изделий.
Во многих случаях задача состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать окончательный выбор. Прежде всего, необходимо четко охарактеризовать условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям. Поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала по сравнению с другими более важными. Классический пример — это требования по прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.
Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут снижаться свойства материала в процессе эксплуатации изделия. Например, весьма заметное снижение прочности может быть результатом действия повышенных температур или коррозии в окружающей среде. И, наконец, решающий аргумент может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость конечного изделия? Можно найти материал, который идеально подходил бы по своим свойствам всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог. И здесь опять-таки неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в стоимость конечного продукта входят не только стоимость материала, но и затраты в процессе формования готового изделия.
Чем лучше ученый или инженер знаком с различными характеристиками материала и соотношением между его структурой и свойствами, равно как и с технологией получения изделий, тем более умелым и надежным будет его (или ее) выбор материала, основанный на перечисленных критериях.
Классификация материалов
Твердые материалы обычно подразделяются на три основные группы. Это металлы, керамика и полимеры. Это деление основывается, прежде всего, на особенностях химического строения и атомной структуры вещества. Большинство материалов можно вполне однозначно отнести к той или иной группе, хотя возможны и промежуточные случаи. Кроме того, следует отметить существование композитов, в которых комбинируются материалы, принадлежащие к двум или трем из перечисленных групп. Ниже будет дано краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные характеристики.
Металлы
Материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах.
Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока.
Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.
В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. электронов, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.
Керамика
Керамика — это группа материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами. Как общее правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так, например, некоторые из наиболее популярных видов керамик состоят из оксида алюминия (Al2O3), диоксида кремния (SiO2), нитрида кремния (Si3N4). Кроме того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те, которые идут на изготовление фарфора), а также бетон и стекло. Что касается механических свойств, то керамика — это относительно жесткие и прочные материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. Кроме того, типичные виды керамики очень твердые. Однако керамика исключительно хрупкий материал (практически полное отсутствие пластичности) и плохо сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и электрический ток (т.е. их электропроводность очень низкая).
Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или совсем непрозрачным материалом, а некоторые оксиды, например, оксид железа (Fe2O3) обладают магнитными свойствами.
Композиты
Композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ, перечисленным выше, т.е. металлов, керамики и полимеров. Целью создания композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных материалов, которые не могут быть получены для индивидуальных компонент, а также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик. Известно большое количество различных композитов, которые получены при совмещении металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы также представляют собой композиты, например, это дерево и кость. Однако большинство композитов, которые рассматриваются в настоящей книге, это материалы, полученные из синтетических материалов.
Одним из наиболее популярных и знакомых всем композиционных материалов является стеклопластик. Этот материал представляет собой короткие стеклянные волокна, помещенные в полимерную матрицу, обычно в эпоксидную или полиэфирную смолу. Стеклянные волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, но они хрупкие. В то же время полимерная матрица пластична, но ее прочность низкая. Комбинирование указанных веществ приводит к получению относительно жесткого и высокопрочного материала, который, тем не менее, обладает достаточной пластичностью и гибкостью.
Другим примером технологически важного композита являются углепластики — полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP). В этих материалах в полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но в то же время более дорогие. Углепластики используют в аэрокосмической технике, а также при изготовлении высококачественного спортивного оборудования, например велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных ракеток, лыж и сноубордов.
Прогрессивные материалы
Полупроводники
Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.
БИОМАТЕРИАЛЫ
Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека (т.е. не должны вызывать реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ — металлы, керамика, полимеры и полупроводники — могут быть использованы в качестве биоматериалов. В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.
Материалы будущего
В качестве компонентов умных материалов (или систем) могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.
Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на изменение электрического или магнитного поля, соответственно.
Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами, аббревиатура MEMS.
Нанотехнологические материалы
Одним из примеров материалов рассматриваемого типа являются углеродные нанотрубки. В будущем, несомненно, нам удастся найти все больше и больше областей, в которых проявятся достоинства нанотехнологичных материалов.
Необходимость создания новых материалов
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все же остается необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. По этому вопросу необходимо дать некоторые комментарии, чтобы обрисовать возможные перспективы в этой области.
Создание ядерной энергетики предлагает определенные обещания будущего, но здесь остаются многочисленные проблемы, связанные с разработкой новых материалов, которые необходимы на всех стадиях — от системы размещения топлива в реакторе до хранения радиоактивных отходов.
Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и материалы, которые могут работать в условиях повышенных температур.
Далее, существует общепризнанная необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в более эффективном использовании существующих источников. Несомненно, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии этого направления. Так, например, была продемонстрирована возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрический ток. В настоящее время солнечные батареи представляют собой довольно сложные и дорогостоящие устройства. Несомненно, что должны быть созданы новые относительно дешевые технологические материалы, которые должны быть более эффективными в осуществлении использования солнечной энергии.
Еще одним очень привлекательным и вполне реальным примером в технологии преобразования энергии служат водородные топливные элементы, которые к тому же обладают тем преимуществом, что не загрязняют окружающую среду. В настоящее время только начинается использование этой технологии в электронных устройствах; в перспективе такие элементы могут использоваться как силовые установки в автомобилях. Для создания более эффективных топливных элементов нужны новые материалы, а для производства водорода необходимы новые катализаторы.
Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для осуществления контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей нас природе при добыче полезных ископаемых. Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов образуются токсичные вещества, так что следует учесть возможный ущерб экологии от сброса таких отходов.
Автор: Каллистер У.Д., мл. (Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина)
Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник
Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение
Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Реферативная работа
Характеристики электроизоляционных материалов……………………….4
Электроизоляционные материалы…………………………………………. 8
По агрегатному состоянию……………………………………………….8
Природные неорганические……………………………………. 11
Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление.
С электрическими установками приходится сталкиваться практически всем работающим. Электрический ток представляет большую потенциальную опасность для человека. Статистика показывает, что хотя число электротравм невелико и составляет всего 0.5. 1% от общего числа травм на производстве, однако среди причин смертельных несчастных случаев на долю электротравм уже приходится 20…40%. Это связано со следующими причинами:
органы чувств человека не могут на расстоянии обнаружить наличия электрического напряжения на оборудовании.
электрический ток через нервную систему проходит сквозь все тело.
после легких ударов током человек способен сразу продолжить работу, поэтому эти удары не фиксируются даже как микротравмы.
Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, являющееся совокупностью термического (нагрев тканей), электролитического (разложение крови и плазмы) и биологического (раздражение и возбуждение нервных волокон) воздействий. Наиболее сложным является биологическое действие, свойственное только живым организмам. Любое из этих воздействий может привести к электротравме. Различают местные электротравмы и электрические удары. Приблизительно 55% случаев носят смешанный характер. Электроизоляционные материалы (диэлектрики) играют важную роль в безопасности обслуживающего персонала от поражения электрическим током.
Электроизоляционные материалы можно подразделить:
по агрегатному состоянию:
по происхождению:
Характеристики электроизоляционных материалов
В современном электромашиностроении широко применяют разнообразные электроизоляционные материалы. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность.
1.1 Электрические характеристики
Электрическая прочность характеризуется напряженностью однородного электростатического поля, при которой наступает пробой. Эта величина численно равна напряжению, при котором наступает пробой электроизоляционного материала толщиной в единицу длины.
Электрическая прочность определяется по формуле:
где U – напряжение кВ, h - толщина образца электроизоляционного материала, мм.
Удельное сопротивление. В реальном диэлектрике всегда имеется некоторое количество свободных электронов и ионов. Под действием электрического поля эти электроны и ионы перемещаются внутри диэлектрика, образуя так называемый ток утечки. Ток утечки при нормальных условиях работы электрической установки должен быть очень малым по сравнению с рабочими токами, протекающими по ее токоведущим частям (проводам, шинам, кабелям). В соответствии с этим различают объемные и поверхностные токи утечки, а также удельное объемное сопротивление диэлектрика и его удельное поверхностное сопротивление v. Удельное объемное сопротивление измеряют, как и у проводниковых материалов, в омметрах (Ом*м); оно равно сопротивлению куба из данного материала с ребром 1 м при прохождении тока от одной его грани к противоположной. Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах, оно представляет собой сопротивление квадрата, вырезанного из поверхности изоляции данного материала, при прохождении тока от одной его стороны к противоположной.
Диэлектрическая проницаемость безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость.
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике.
Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик:
предел прочности материала при растяжении;
относительное удлинение при растяжении;
предел прочности материала при сжатии;
предел прочности материала при статическом изгибе;
Нагревостойкость — способность изоляционных материалов выдерживать кратковременно или длительно действие высокой температуры без ухудшения свойств в течение всего срока службы. В соответствии с ГОСТом 8865-70 по наибольшим длительно допустимым рабочим температурам все диэлектрики, применяемые для изоляции электрических машин и аппаратов, разделяют на семь классов нагревостойкости, °С: У—90 0 ; А — 105 0 ; Е— 120 0 ; В — 130 0 ; F— 155 0 ; R — 180; С >180 0 . Это значит, что при данных температурах изоляция электрооборудования будет работать установленный целесообразный срок службы.
Морозостойкость . Во многих случаях эксплуатации важна морозостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до -70 0 С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.
Теплопроводимость. Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам.
2.1 По агрегатному состоянию
Газообразные диэлектрики делят на две группы: естественные и искусственные.
Естественные газообразные диэлектрики . Наибольшее применение из них в силу своей распространенности получил воздух, даже в тех случаях, когда его присутствие в изоляции нежелательно.
Воздух — смесь газов с электрической прочностью £ПР = 3,2 кВ/мм (при 0,1 МПа и 20°С), плотностью— 1,293 кг/м3. Епр воздуха зависит в основном от расстояния между электродами, давления, температуры и влажности. Приведенная величина соответствует +20°С, давлению 0,1 МПа и расстоянию между электродами 10 мм. Ток утечки через воздух крайне мал, поэтому tgδ его практически равен нулю.
В воздушных линиях электропередачи, сухих трансформаторах, коммутационных аппаратах, распределительных устройствах и т.п. воздух является основной изоляцией. Во многих электрических объектах он играет роль дополнительной изоляции к твердым и жидким диэлектрикам.
Азот по электрическим характеристикам близок к воздуху, однако в отличие от него не содержит кислорода, который оказывает окисляющее воздействие на соприкасающиеся с ним материалы.
Водород — очень легкий газ с высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью, что делает его весьма полезным для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха. Применение его в электрических машинах снижает потери электрической мощности на трение и вентиляцию, а отсутствие окисляющего фактора замедляет старение органической изоляции.
Гелий — инертный газ, используется в качестве низкотемпературного хладагента, например, для получения сверхпроводимости.
Искусственные газообразные диэлектрики . К ним относятся элегаз, хладоген 12 и др. Из них в ремонтной практике определенный интерес представляет элегаз. Он нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, распространен в конденсаторах, кабелях и пр.
В электровакуумных лампах и приборах широко применяются инертные газы и пары ртути, в качестве охлаждающей среды — водород, для получения сверхпроводимости — жидкий гелий.
Для неполярных жидкостей ε невелика и близка к значению квадрата показателя преломления света n
Для нейтральных жидкостей ε уменьшается с ростом температуры, что связано с уменьшением плотности жидкости с ростом температуры, а, значит, и уменьшением концентрации молекул.
В дипольных (полярных) жидкостях одновременно протекают и электронная, и дипольно – релаксационная поляризации. ε тем больше, чем больше электрический момент диполей μ и чем больше число молекул в единице объема. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей больше чем у неполярных. Например, ε касторового масла = 4,5.
Температурная зависимость ε полярных жидкостей характеризуется дипольным максимумом в области резкого изменения вязкости жидкости. С ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей снижается до значений, определяемых электронной поляризацией.
В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.
Для нейтральных диэлектриков ε = n2, что подтверждается ниже
приведенными результатами для неполярных диэлектриков при температуре 20 ºС.
Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. ε изменяется в широких диапазонах. С ростом температуры ε обычно растет. В неорганических аморфных диэлектриках (стеклах) ε изменяется в пределах от 4 до 20, возрастает с ростом температуры, хотя в ряде случаев (рутил TiO2, титанат кальция CaTiO3) может и уменьшаться.
Органические полярные диэлектрики имеют дипольно – релаксационную поляризацию. ε изменяется в широких пределах, но обычно имеет значение 4 – 10. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, подчиняясь, в целом, закономерностям, проявляющимся у полярных жидкостей.
2.2.1 Природные неорганические
К природным минеральным неорганическим диэлектрикам относятся слюда и асбест.
Слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью. В тонких слоях многие виды слюды прозрачны.
Слюда встречается в виде кристаллов, которые легко расщепляются на тонкие пластинки по параллельным друг другу плоскостям. По химическому составу слюда – водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: мусковит, состав которого приближенно может быть выражен формулой
Фактический состав природных слюд много сложнее из-за присутствия в них примесей.
По сравнению с флогопитом мусковит обладает лучшими электроизоляционными свойствами, более прочен механически, тверд, гибок и упруг. Допустимая рабочая температура слюд ограничивается выделением входящей в их состав воды (у мусковитов обычно при 500 - 600 °С, у флогопитов – при 800 - 900 °С), что связано с потерей прозрачности, увеличением толщины (“вспучиванием”) и разрушением кристаллической структуры; обезвоженные слюды плавятся при температуре 1250 - 1300°С
Значение ε слюд составляет 6 – 8; tg δ ~ 10-4; ρ =1011 – 1014 Ом·м.
По применению в радиоэлектронике различают конденсаторную слюду – прямоугольные пластинки мусковита, применяемые в качестве диэлектрика в слюдяных конденсаторах; телевизионную слюду – пластинки мусковита, образующие диэлектрическую основу фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках.
Слюдяные детали для электронных приборов – штампованные фасованные детали, служащие для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных приборах.
Асбест – неорганический природный волокнистый материал, состоящий в основном из минерала хризотила 3MgO·2SiO2·2H2O. Для улучшения механических свойств к асбестовому волокну добавляют в небольших количествах хлопчатобумажное. Из асбестовых нитей получают шнуры, ткани, бумагу и другие изделия.
Основным преимуществом асбеста является высокая нагревостойкость: он разрушается, теряя кристаллизационную воду лишь при 450 - 700 °С (температура плавления 1450 - 1500 °С). Значение ρ=106 – 1010 Ом·м. Асбестовые электроизоляционные материалы применяют главным образом для высокотемпературной электроизоляции, а также теплоизоляции.
2.2.2 Природные органические
К природным (естественным) смолам принадлежат продукты жизнедеятельности животных или растительных организмов. Из естественных смол в производстве электроизоляционных лаков и компаундов наиболее широко применяется канифоль, значительно меньше шеллак и копалы. Природные растительные смолы получают упариванием растительных соков, которые вытекают из растений естественным путем или при надрезании стеблей и стволов. Их можно экстрагировать из растительного сырья такими растворителями, как спирт и эфир. К растительным смолам относится, например, сосновая канифоль, а также смола, получаемая из клубней скаммонии (вьюнка смолоносного Convolvulus scammony), и ископаемые окаменелые смолы янтарь и копал. Смолы животного происхождения редки. Одна из них, шеллак, представляет собой выделения лаковых червецов, живущих на растениях семейства мимозовых в Индии. Некоторые растительные смолы используют в медицине; так, смола скаммонии применяется как слабительное. Другие смолы, например, шеллак, входят в состав политур. Имеется множество сортов синтетических смол, и спользуемых для получения пластмасс.
Канифоль (гарпиус) - хрупкая прозрачная в тонком слое смола, получаемая из смолы (живицы) хвойных деревьев, преимущественно сосны, способом отгонки жидких составных частей -- терпентинного масла (скипидара). Состав живицы может колебаться в зависимости от условий местности и сорта живицы. Другой способ добывания канифоли -- экстракционный, заключающийся в том, что куски дерева, пни, ветви обрабатываются растворителями, которые затем подвергаются разгонке. Существуют также смолы деревьев других хвойных пород, например, кедра, пихты и лиственницы. Их обычно называют бальзамами. Пихтовый бальзам (канадский бальзам), отличается очень высокой степенью прозрачности и нормированным показателем преломления. Его применяют в качестве клея для склеивания оптических линз. По химическому составу канифоль состоит главным образом из абиетиновой кислоты (С 20 Н 30 О 2 ) и ее изомеров, остальное -- неомыляемые, зола, влага и механические примеси. Содержание кислот в канифоли составляет 85 -90%. Канифоль хорошо растворима в спирте, бензоле, скипидаре, минеральных и растительных маслах
Электроизоляционные материалы, предназначены для работы в электрических и магнитных полях. Электроизоляционные материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электроизоляционных материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.
При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электроизоляционных материалов.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…..……………………………………………………………………….3
1 Классификация проводниковых материалов…………………..…….………..4
2 Характеристики и применение проводниковых материалов………………. 6
3 Классификация электроизоляционных материалов…………………………10
4 Характеристики электроизоляционных материалов………………………. 12
Заключение……………………………………………………………………….18
Список использованных источников…………………………………………. 19
Введение
Современную технику невозможно представить без проводниковых и электроизоляционных материалов.
Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.
Электрические устройства имеют надёжную изоляцию токонесущих проводов, проводников и корпусов электрооборудования. Основными задачами электроизоляционных материалов являются предотвращение утечки электрических зарядов, разделение токопроводящих элементов и электрических цепочек, а также обеспечение безопасных схем электроснабжения и условий работы технического персонала.
Целью данной работы являлось изучение классификации, характерных свойств и областей применения проводниковых и электроизоляционных материалов.
1 Классификация проводниковых материалов
По агрегатному состоянию проводниковые материалы длятся на газообразные, жидкие и твёрдые.
Газообразные проводниковые материалы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма. Применение: газоразрядные приборы.
Жидкие проводниковые материалы
а) электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза. Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование);
б) расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплав Hg=-39 оС и галлий Ga tплав Ga=29,7 оС) – носители заряда электроны. Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.
Твёрдые проводниковые материалы
Металлы и сплавы – носители заряда электроны. Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.
По удельному электрическому сопротивлению различают:
- материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,05 мкОм∙м): серебро Ag (применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели); медь Cu (жилы проводов и кабелей); золото Au (контакты, электроды, фотоэлементы); алюминий Al (провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей); железо Fe (провода ЛЭП не большой мощности); металлический натрий Na (провода и кабели в полиэтиленовой оболочке);
- материалы высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м): манганин сплав Cu – Mn – Ni (применение: образцовые резисторы); константан сплав Cu – Ni – Mn (реостаты и электронагревательные приборы); сплавы на основе железа – нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al (электронагревательные элементы);
- сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 оС (алюминий Al, олово Sn, свинец Pb);
- криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 оС, но не переходя в сверхпроводящее состояние (алюминий Al, медь Cu, бериллий Be).
Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).
Классификация проводниковых материалов представлена на рис. 1.
Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов
2 Характеристики и применение проводниковых материалов
К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельное сопротивление или обратную величину – удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.
Удельная проводимость выражается в сименсах на метр (См/м):
, (1)
где q – заряд электрона (1,6 ·10-19Кл); n0 – число свободных электронов в единице объема металла; λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; m – масса электрона; vт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.
Удельное сопротивление проводников:
ρ = ρтепл + ρост, (2)
где ρтепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки; ρост – удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов в кристаллической решетке.
Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.2. При температурах, превышающих температуру Дебая Θ, которая для металлов равна 400 – 800оС, удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. В области низких (криогенных) температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется только сопротивлением ρост.
Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры
Изменение удельного сопротивления металлических проводников с температурой принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления ТК ρ или αρ (К-1). Если температура изменяется в узких пределах, то пользуются средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:
(3)
где ρ0 – удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную; ρ1 – то же при температуре Т1.
Для металлов αρ составляет 4·10-3К-1, а для сплавов значительно меньше – 10-4 – 10-6 К-1. Основные характеристики проводниковых материалов представлены в табл. 1.
Металлы и сплавы высокой проводимости должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение имеют химически чистые металлы: медь, алюминий, серебро.
Медь обладает рядом ценных свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; удовлетворительной стойкостью к коррозии; хорошей обрабатываемостью давлением; хорошей способностью к пайке и сварке. Для изделий с большей прочностью используют латуни и бронзы с кадмием и бериллием.
Таблица 1 – Основные характеристики проводниковых материалов
Алюминий окисляется на воздухе, покрываясь прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Удельное электрическое сопротивление алюминия не должно превышать 0,028 мкОм·м, обладает высокой пластичностью.
Серебро обладает минимальным удельным сопротивлением 0,016 мкОм·м; невысокие прочность и твердость, но хорошая пластичность. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки.
Припои – сплавы, используемые при пайке металлов. Кроме высокой проводимости должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта). Различают два типа припоев: для низкотемпературной пайки с температурой плавления до 400оС и для высокотемпературной пайки. Используют припои на основе олова, свинца, цинка, серебра, имеющие хорошую проводимость и сопротивление которых мало отличается от сопротивления металлов, образующих сплав.
Материалы с большим удельным сопротивлением широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.
Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром. Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме нихрома) широко используются для изготовления различных нагревательных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких температурах.
Сверхпроводники (чистые металлы) по физико-химическим свойствам делятся на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления, отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие – имеют значительные внутренние напряжения. Сверхпроводники используют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов малой массы, но с очень высоким КПД и др.
Криопроводники при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий, однако он отличается плохой технологичностью, дорог и высокотоксичен. Более доступен и технологичен алюминий марки А999, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более 1…2·10-6мкОм·м).
3 Классификация электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы – класс электротехнических материалов, предназначенных для электрической изоляции, являющейся неотъемлемой частью электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.
Электроизоляционные материалы классифицируют:
• по агрегатному состоянию: газообразные (воздух, азот, вакуум), жидкие (нефтяные и природные масла, синтетические жидкости), твердые (бумага, фибра, гетинакс, фарфор, слюда, стекло) и твердеющие (канифоль, поливинилхлорид, винипласт, парафин). К группе твердых также относят твердеющие материалы, которые вводятся в электрическую изоляцию в жидком или пластичном состоянии, но в работающей изоляции являются твердыми;
• по структуре твердые электроизоляционные материалы можно классифицировать как кристаллические и аморфные;
• по химическому составу электроизоляционные материалы делятся на органические и неорганические;
• по электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы подразделяют на неполярные и полярные. Диэлектрики подразделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых сравнительно легко диссоциируют, и гомеополярные, для которых диссоциация на ионы не характерна;
• по происхождению: природные, применяемые без химической переработки; искусственные, получаемые путем химической переработки природного сырья; синтетические, получаемые методом химического синтеза.
Классификация электроизоляционных материалов представлена на рис. 3.
Рисунок 3 – Классификация электроизоляционных материалов
4 Характеристики электроизоляционных материалов
В современной технике широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.
Газообразные материалы широко применяются при изготовлении аппаратов высокого напряжения (выключатели, разрядники и т.п.), кроме того, воздух окружает большинство электротехнических установок, а на ЛЭП является основной изолирующей средой. Оценивая свойства газообразных диэлектриков (табл. 2), следует отметить малую диэлектрическую проницаемость εr (при расчетах принимается равной 1), высокое удельное сопротивление ρ и особенно очень малое значение tgδ. Однако большинство газов при атмосферном давлении имеют невысокую электрическую прочность Епр. Достоинствами газообразных диэлектриков являются восстановление ими электрической прочности после пробоя и отсутствие старения.
Жидкие материалы используют для заполнения внутреннего пространства силовых трансформаторов, реакторов, кабелей, масляных выключателей, конденсаторов и др. Они хорошо пропитывают пористую изоляцию, картоны, бумаги, существенно повышая при этом электрическую прочность изоляции и улучшая теплоотвод. Наиболее широкое применение получили нефтяные электроизоляционные масла, являющиеся смесью различных углеводородов. Достоинства нефтяных масел: хорошие изолирующие свойства, доступность, дешевизна и достаточная химическая стойкость, недостатки – малый интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность.
Таблица 2 – Основные характеристики газообразных диэлектриков
Наиболее простым распространенным твердым полимером является полиэтилен (табл. 3) – термопластичный материал, химически стойкий, обладает водоотталкивающими свойствами, гибкостью, стойкостью к растворителям (до температур 100 - 120 °С). Недостатки – невысокая нагревостойкость. Применение: для изоляции проводов и кабелей, при изготовлении изоляционных шлангов, трубок, липких лент, каркасы катушек, платы.
Поливинилхлоридный пластикат широко применяют в качестве основной изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек кабелей, гибких изоляционных трубок и липкой изоляционной ленты.
Эпоксидные смолы являются термопластичными материалами, могут равномерно отверждаться в весьма толстом слое, образуя при этом монолитную, водонепроницаемую, термореактивную изоляцию. Применяют для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов, герметиков и т.д.
Резину широко применяют для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких проводов и кабелей, электроизоляционных лент и т.п.
Большое значение в электротехнике имеют лаки и эмали. По назначению различают лаки пропиточные, покровные и клеящие.
Таблица 3 – Основные характеристики электроизоляционных материалов
Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные, крепированные.
Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, тканевая основа которых пропитана электроизоляционным лаком.
По назначению керамические материалы разделяют на пять основных групп – изоляторная, конденсаторная, сегнетоэлектрическая, полупроводниковая и магнитная керамика. Одним из широко применяемых электрокерамических материалов является электротехнический фарфор (применяется для изготовления различных электрических изоляторов и покрышек высоковольтных вводов).
Стекла – неорганические вещества. Электротехнические стекла по назначению бывают конденсаторные, установочные, ламповые.
Заключение
Электротехнические материалы имеют существенное значение в конструкциях самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств и аппаратов.
Учитывая тенденцию в современной электротехнике к увеличению напряжений и мощностей, уменьшению габаритов и веса отдельных машин и аппаратов и повышению их надежности, роль электроматериалов становится более значительной.
В данной работе были изучены различные виды проводниковых и электроизоляционных материалов, их свойства и назначение.
Список использованных источников
1. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы/ Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев - Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергия, 1982. – 320 с.
3. Справочник по электротехническим материалам: Справ. / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1-3.
4. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др. Под ред. В. А Филикова. - М.: Выш. шк., 1990. – 226 с.
5. Электротехнический справочник: Справ. Т.1 / Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 448 с.
6. Арзамасов Б. Н., Сидорин И. И., Косолапов Г. Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.
7. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др.; под ред. В. А. Филикова. – М.: Высшая школа, 1990 – 296 с.
8.Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. 3-е изд.- М.: Высшая школа, 1990.-306 с.
9.Новиков, Ю.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / Ю.Н. Новиков. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c.
10.Электротехнические и конструкционные материалы. / Под общ. ред. В. А. Филикова. М.: Академия, 2009. – 385 с.
Нет нужной работы в каталоге?
Сделайте индивидуальный заказ на нашем сервисе. Там эксперты помогают с учебой без посредников Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены.
Цены ниже, чем в агентствах и у конкурентов
Вы работаете с экспертами напрямую. Поэтому стоимость работ приятно вас удивит
Бесплатные доработки и консультации
Исполнитель внесет нужные правки в работу по вашему требованию без доплат. Корректировки в максимально короткие сроки
Если работа вас не устроит – мы вернем 100% суммы заказа
Техподдержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры всегда на связи и оперативно решат любую проблему
Строгий отбор экспертов
Требуются доработки?
Они включены в стоимость работы ![]()
Работы выполняют эксперты в своём деле. Они ценят свою репутацию, поэтому результат выполненной работы гарантирован
Читайте также: