Влияние температуры на свойства электротехнических материалов сообщение

Обновлено: 02.07.2024

В процессе эксплуатации РЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама РЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять от минус 50°С до +150°С, а в космосе он еще шире. Объект установки РЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама РЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию. Рассмотрим, как может повлиять нагрев на работу РЭС.

В составе РЭС находит применение множество разнообразных материалов. Большинство их относятся к подмножеству электротехнических материалов. Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В отличие от электротехники материалы радиоэлектронных средств обычно находятся под воздействием не только отдельных составляющих (магнитной и электрической) электромагнитного поля, но и их совокупности, кроме того, частотный диапазон воздействий на РЭС значительно шире, чем тот, что имеет место в электротехнических установках, и простирается до инфракрасного диапазона электромагнитных волн.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнитные) и слабомагнитные (немагнитные). Магниты изготовляют из ферромагнетиков. Ферромагнетики имеют доменную структуру. В жёстких ферромагнетиках домены способны ориентироваться в одну сторону даже в отсутствие внешнего магнитного поля - это и есть постоянные магниты. Но у ферромагнетиков есть ещё точка Кюри - температура, при которой доменная структура разрушается, и магнит перестаёт быть магнитом. При нагревании разрушается именно доменная структура, исчезает спонтанная намагниченность в пределах домена - она разрушается тепловым движением атомов кристаллической решётки (энергия теплового движения становится выше энергии, удерживающей атомы в определённой ориентации).

Точка Кюри для разных магнитов разная. У железа - около 770 0 C, у фенебора (неодимовые магниты) - около 300 0 C, у самарий-кобальта 700-800 0 C. Если магнит нагреть выше точки Кюри и затем охладить, доменная структура вновь образуется, но каждый домен уже имеет произвольную ориентацию, поэтому магнитные свойства материалов изменяются в худшую сторону или вообще теряются.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на ПРОВОДНИКОВЫЕ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ и ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ.

Рассмотрим влияние нагрева на проводники.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Электропроводность материала связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в нем, достаточно свободно перемещаться. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура. С повышением температуры скорость колебательного движения в узлах кристаллической решетки возрастает, при этом частота столкновений электронов с ионами увеличивается, а значит сопротивление возрастает.

Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле

где r это удельное сопротивление после нагрева, r₀ – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t₂ – температура до нагрева, t₁ - температура после нагрева.

При нагреве резисторов также происходит увеличение их сопротивления, но если нагрев сравнительно небольшой, то увеличение сопротивления укладывается в номинальную погрешность, которая составляет 5%, а то и 10% от заявленного номинала

Рассмотрим влияние нагрева на диэлектрические материалы.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. В РЭС можно выделить 2 характера использования диэлектриков: пассивный (электроизоляция) и активный (например, прослойка между пластинами конденсаторов). Важнейшими твердыми диэлектриками являются стекло, керамика, различные полимеры. В них преобладает ионный и ковалентный тип связей, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10 12 – 10 20 Ом*М. Для описания температурной зависимости диэлектрической проницаемости вводят понятие температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.

При нагреве многих диэлектриков диэлектрическая проницаемость уменьшается, в следствии появления свободных электронов и ионов. При разогреве материалов в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. возникает тепловой пробой. Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях).

Таким образом, например, при сильном нагреве конденсатора, он не только теряет свою емкость, но и превращается в проводник с низким сопротивлением, что влечет за собой нарушения в работе всей системы радиоприбора. Нарушение в работе высоковольтных изоляторов и их пробой ведет к разрушению установки, возникновению электрической дуги, пожару.

Рассмотрим влияние нагрева на полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые материалы характеризуются промежуточными значениями электропроводности по отношению к проводникам и диэлектрикам. В полупроводниках с ростом температуры концентрация носителей увеличивается и, как результат, теплопроводность проводника увеличивается, а сопротивление, соответственно, уменьшается.

Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает. В полупроводниках с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрации – очень сильно (по экспоненциальному). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности.

В заключении нужно отметить, что влияние температуры на основные компоненты РЭС довольно велико, поэтому важно при выборе материала изготовления компонентов учитывать температурные условия работы. Также для обеспечения надежности работы всего изделия, необходимо учитывать тепловые нагрузки на компоненты схем, строить системы термостабилизации и терморегулирования, чтобы обеспечить бесперебойную работу оборудования.

2.Композиционные материалы

Композиционными или композитными материалами называют материалы, состоящие из нескольких компонентов, что обусловливает их эксплуатационные и технологичные характеристики. В основе композитов лежит матрица на основе металла, полимера или керамики. Дополнительное армирование выполняется наполнителями в виде волокон, нитевидных кристаллов и различных частиц. Пластичность, прочность, широкая сфера применения – вот чем отличаются современные композитные материалы.

С точки зрения производства композиционные материалы состоят из металлической или неметаллической основы. Для усиления материала используются нити, волокна, хлопья большей прочности. Среди композиционных материалов можно выделить пластик, который армируется борными, углеродными, стеклянными волокнами, или алюминий, армированный стальными или бериллиевыми нитями. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам.

Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической.

2.1 Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице.

Композиты с металлической матрицей разделяют на армированные волокнами (волокнистые композиты) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные композиты).

Волокнистые композиты с металлической матрицей имеют два основных преимущества по сравнению с более распространенными композитами с полимерной матрицей: они могут использоваться при значительно более высоких температурах и более эффективны в относительно малогабаритных сильно нагруженных элементах конструкций. Последний факт определяется возможностью существенно сократить массу стыковочных элементов конструкций благодаря большей прочности металлической матрицы по сравнению, например, с полимерной, и технологичностью обработки композитов с такой матрицей (возможность использования резьбовых соединений и т. д.).

Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.

Типичными композитами с металлической матрицей являются бороалюминий (волокно бора — матрица на основе алюминиевых сплавов), углеалюминий (композиты с углеволокном), композиты с волокном карбида кремния в титановой или титан-алюминидной матрице, а также с оксидными волокнами в матрице на основе никеля. Последние позволяют существенно поднять (до 1200 °С) рабочую температуру жаропрочных материалов.

В отличие от волокнистых композитов, в дисперсно-упрочненных материалах матрица является основной несущей нагрузку составляющей, а дисперсные частицы тормозят движения дислокаций, повышая предел текучести и прочность материала. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100—500 нм и равномерном их распределении в матрице. Дисперсно-упрочненные композиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Основные приложения КММ в настоящее время — аэрокосмические конструкции, в будущем они могут заменить металлические сплавы во многих наземных механизмах, в том числе в автомобильной технике.

2.2 Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику.

Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная матрицы. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани. Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы; холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием; электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование. Осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

В зависимости от вида упрочнителя все композиты можно поделить: на стекловолокниты; карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты, органоволокниты. Упрочнительные материалы могут укладываться в две, три, четыре и больше нити, чем их больше, тем прочнее и надежнее в эксплуатации будут композиционные материалы.

Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются: высоким значением временного сопротивления и предела выносливости; высоким уровнем упругости; прочностью, которая достигается армированием слоев. За счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв. Полимерные композиты представлены в многообразии вариантов, что открывает большие возможности по их использованию в разных сферах, начиная от стоматологии и заканчивая производством авиационной техники.

Наполнение композитов на основе полимеров выполняется разными веществами. Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов.

Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта.

Рассмотрим самые популярные виды полимерных материалов:

Стеклопластики. Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике. В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например, корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов.

Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал.

Углепластики. Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким модулем упругости при легкости и прочности материала. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам углепластики находят применение в машино- и ракетостроении, производстве космической и медицинской техники, велосипедов и спортивных принадлежностей.

Боропластики. Это многокомпонентные материалы, в основе которых лежат борные волокна, введенные в термореактивную полимерную матрицу. Сами волокна представлены мононитями, жгутами, которые оплетаются вспомогательной стеклянной нитью. Большая твердость нитей обеспечивает прочность и стойкость материала к агрессивным факторам, но при этом боропластики отличаются хрупкостью, что осложняет обработку. Борные волокна стоят дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничена в основном авиационной и космической промышленностью.

Органопластики. В этих композитах в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна – жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этих полимеров можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам. Этот композиционный материал широко используется в таких сферах, как машино-, судо-, автостроение, при производстве космической техники, химическом машиностроении.

Композитные материалы за счет уникального состава могут использоваться в самых разных сферах: в авиации при производстве деталей самолетов и двигателей; космической технике для производства силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию; автомобилестроении для создания облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов; горной промышленности при производстве бурового инструмента; гражданском строительстве для создания пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях. Использование композитов позволяет увеличить мощность двигателей, энергетических установок, уменьшая при этом массу машин и оборудования.

По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения. Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов. Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах .

Изучение видов электротехнических материалов, которые характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяются в технике с учетом этих свойств. Старение материала, его коррозия и окисление при участи внешней среды.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	06.03.2011
Размер файла	17,8 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Внешние воздействия на электротехнические материалы

Список используемой литературы

Электротехническими материалами называются материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В практике различным материалам приходится встречаться с воздействием как отдельных сторон электромагнитного поля -- электрическим и магнитным полями, так и с их совокупностью. Электротехнические материалы для тех или иных электрических устройств был сравнительно простым. Часто в качестве электротехнических материалов использовались материалы, применявшиеся в других областях промышленности. Так, в электроизоляционной технике широкое применение находили материалы природного происхождения: древесина, хлопчатобумажное волокно, шелк, растительные масла, натуральный каучук, природные смолы, каменные породы и др.

1. Внешние воздействия на электротехнические материалы

Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала, происходящие под действием внешних физических, химических и биологических факторов и вызывающие ухудшение электрических и механических показателей материала. Долговечность материалов в условиях эксплуатации определяется не только свойствами материалов, но и действием разнообразных факторов, вызывающих изменение характеристик материалов. Основные факторы, изменяющие свойства материалов можно разделить на природные и техногенные факторы. Природные факторы старения могут быть физическими, химическими и биологическими. Физические факторы это изменение температуры. Дело в том, что при изменении температуры меняются многие характеристики. важным фактором старения, также связанным с изменением температуры, является переход через нулевую температуру. При замерзании воды ее объем увеличивается, поэтому, если вода попала в какую-нибудь трещину в материале, она при превращении в лед начнет расширяться, что вызовет рост этой трещины. При таянии вода заполнит свежеобразованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины.

Такой тип старения характерен для каменных материалов. Из других физических воздействий отметим действие ультрафиолета и озона. Характеристиками светостойкостью и озоностойкостью должны обладать изоляторы, работающие на линиях электропередач. Актуально это только для полимерных изоляторов, т.к. фотоны света и активные молекулы озона могут приводить к деструкции полимера. На долговечность линий электропередач сильное влияние оказывают ветровые нагрузки. Это и т.н. "пляска проводов", возникающая при порывах ветра, и "парусность" опор и проводов. Возникающие при этом механические нагрузки в опорах, растяжках, проводах могут привести к их деформации и разрушению.

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

Периодическое увлажнение и высушивание может привести к короблению изделий, расслоению, растрескиванию и т.д. , что характерно для бумажной изоляции и картона. Биологические факторы старения - это в первую очередь действие грибков и микроорганизмов. Для большинства видов электротехнических изделий в нашей стране они не актуальны. По-видимому опасны они только для деревянных элементов установок, в первую очередь для деревянных опор линий электропередач. Грибки вызывают гниение дерева, потерю механической прочности, что чревато замыканиями при падении опор.

электротехнический коррозия старение

Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия характерна для материалов, состав и структура которых далеки от природных. Традиционно термин "коррозия" применяют только к металлам. Коррозия является одной из самых больших и дорогостоящих инженерных проблем человечества. Прямые потери от коррозии составляют в США более 70 млрд. долл. в год. В любой стране мира потери составляют 3-4% от валового национального продукта.

Непрямые потери, в виде простоев, недописка энергии, потерь газа, нефти и т.п., потерь мощности насосов, котлов, порча воды, консервов и других продуктов вообще трудно поддаются исчислению.

Обязательным условием возникновения коррозии является наличие влаги, причем по влаге должна осуществляться проводимость между участками, участвующими в процессе коррозии. Основной металл, который подвергается коррозии, и который необходимо защищать от коррозии - это железо, точнее сталь. Итог коррозии - образование каверн в монолите материала, заполнение этих каверн и окружающего пространства рыхлой рыжеватой массой, состоящей из гидроксида железа Fe(OH)2, окисленного гидроксида Fe(OH)3.

В принципе, к каждому из гидроксидов могут присоединиться несколько молекул воды, получаются гидраты окислов двух и трехвалентного железа. Цвет ржавчины, в основном определяется цветом гидроксида трехвалентного железа.

Изучение электрических и иных свойств веществ в связи с их химическим составом и строением позволит получать новые материалы с заранее заданными свойствами. Такой подход к разработке новых материалов, характерный для современной техники, заменил собой прежнюю практику изыскания новых материалов путем несистематических попыток случайного нахождения новых рецептур и технологических процессов.

Список используемой литературы

Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев. Сухотина Л. Химия.

Подобные документы

Назначение и свойства электротехнических материалов, которые представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Пермаллои и ферриты.

реферат [41,3 K], добавлен 02.03.2011

Основные компоненты современного ядерного реактора. Общая характеристика коррозионно-стойких материалов: нержавеющих сталей, металлокерамических материалов, конструкционных электротехнических сплавов. Эффективность методов защиты металлов от коррозии.

курсовая работа [616,4 K], добавлен 26.10.2010

Свойства материалов, предназначенных для изготовления деталей машин, аппаратов, приборов, конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Классификация материалов: металлические, электротехнические, магнитные, проводники, полупроводники, диэлектрики.

презентация [670,7 K], добавлен 18.05.2019

Основные климатические факторы, влияющие на атмосферную коррозию. Механизм ее возникновения. Старение неметаллических материалов в атмосферных условиях. Коррозионная устойчивость сталей и сплавов. Основные методы изучения коррозии металлов и старения.

дипломная работа [3,5 M], добавлен 02.03.2014

Виды электротехнических проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Их свойства, состав, область применения. Технологическая схема переработки озерной соли.

реферат [1000,4 K], добавлен 14.10.2011

Коррозия, старение и биоповреждения изделий и материалов как одни из самых разрушительных процессов, их место и негативное влияние в металлургической промышленности. Требования стандартов ЕСЗКС, направления. Параметрические ряды и предпочтительные числа.

лекция [27,3 K], добавлен 19.04.2011

Классификация внешних воздействующих факторов, их разновидности и характер воздействия на технические системы техносферы. Старение материалов, этапы и направления данного процесса, критерии оценки. Факторы нагрузки, механическая и химическая энергия.

Независимо от причины перегрева, основным и главным следствием перегрева электронного компонента является повреждение. В этой статье исследуются и обсуждаются эффекты чрезмерного нагрева различных типов электронных компонентов.

На микроуровне перегрев вызывает деградацию материала на конкретном электронном компоненте или в нем. Это разрушение дополнительно вызвано трещинами, расширением и другими деформациями конструкции. Ухудшение также вызвано различными изменениями физических и химических свойств конкретного материала из-за воздействия высоких уровней тепла.

На макроуровне влияние перегрева сосредотачивается на отказе системы из-за деградации различных составляющих и компонентов, цикла причинно-следственных связей и соседних эффектов. Воздействие перегрева на электронные компоненты как на микроуровне, так и на макроуровне увеличивает риск для здоровья и безопасности всего электронного узла и электронного устройства.

Таким образом, посредством обзора в этой статье также обсуждаются методы или процессы предотвращения перегрева или уменьшения негативных последствий чрезмерного нагрева.

ВВЕДЕНИЕ

Электронные компоненты, такие как интегральные схемы, транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы, среди прочего, спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы выдерживать определенные количества или уровни тепла.

Обратите внимание, при использовании в электронной системе, такой как реальное потребительское электронное устройство, большинство этих электронных компонентов выделяют тепло.

Примерами являются диоды, используемые в технологиях отображения и интегральные схемы в центральном процессоре компьютера или мобильного устройства. Однако различные внутренние и внешние ситуации могут привести к перегреву, который потенциально может повредить электронный компонент. В этой исследовательской статье исследуются и обсуждаются эффекты нагрева или, что более уместно, перегрева электронных компонентов.

Причины перегрева

Перегрев может быть результатом прямых и косвенных, а также внутренних и внешних воздействий. Это означает, что существуют различные причины или факторы, по которым электронный компонент подвергается чрезмерному нагреву.

Потребительские электронные устройства, такие как портативные ноутбуки и смартфоны, становятся более склонными к перегреву. Это связано с тем, что физические размеры этих устройств становятся меньше. Чтобы быть конкретным, поскольку спрос на устройства меньшего размера становится все выше и более обременительным, производителям электронных компонентов необходимо размещать транзисторы даже на небольших площадях, и это загроможденное инженерное устройство увеличивает восприимчивость к перегреву из-за снижения теплового потока.

Чем больше электронов упаковывается в небольшой кусок полупроводника, такой как тонкая кремниевая пластина, тем больше электронов рассеивает фононы. Это рассеяние препятствует уносу тепла фононами.

Обратите внимание, что инженеры обычно рекомендуют транзисторам и другим электронным компонентам иметь большую площадь и больший физический размер, чтобы увеличить тепловой поток и уменьшить тепловое граничное сопротивление. Другими словами, конструкторские и инженерные проблемы могут быть прямой и внутренней причиной перегрева.

Причины перегрева конденсаторов.

Рассеяние мощности вызывает нагрев конденсаторов. Однако чрезмерное рассеивание мощности приводит к повышению температуры, которая может превышать емкость транзисторов, что приводит к выходу конденсатора из строя. Другая причина - ток утечки. Более высокий ток утечки вызывает более высокую температуру конденсатора из-за потери мощности. Старение обычно вызывает более высокий ток утечки, потому что оксидный слой, используемый в конденсаторе, со временем растворяется. Перенапряжения также могут повысить внутреннюю температуру конденсатора, что в дальнейшем может привести к перегреву.

Факторы окружающей среды также могут привести к перегреву.

Неустойчивые погодные условия или вызванные перепады температуры окружающей среды могут привести к износу электронных компонентов. Это связано с тем, что температурные циклы могут со временем вызвать трещины, поскольку материалы внутри компонента расширяются и сжимаются.

Влажность или высокое содержание влаги в окружающем воздухе также могут привести к перегреву, поскольку водяной пар может загрязнять электронные компоненты и разъедать металлические компоненты или вызывать короткое замыкание.

Конечно, высокая температура также может способствовать внутреннему перегреву. Использование компьютера или ноутбука в жаркой среде снизит эффективность внутреннего распределения тепла. Другими причинами перегрева являются внешний плохой контакт и плохая проводка, которые могут привести к чрезмерным скачкам напряжения и рассеиванию мощности, неправильное использование электронного устройства, разгон аппаратных компонентов компьютерных устройств, неправильное хранение и неправильное использование.

Последствия перегрева

Повреждение электронного компонента - это потенциальное и прямое следствие перегрева. Это особенно верно, если компонент не выдерживает чрезмерного нагрева.

Обратите внимание, что большинство, если не все, отказы электрических и электронных компонентов обычно связаны с перегревом и последующим сгоранием.

Восприимчивость электронного узла или электронного устройства к отказу экспоненциально возрастает с температурой. Кроме того, существует взаимосвязь между характеристиками, включая срок службы или жизненный цикл электронного компонента, и его конкретным диапазоном рабочих температур. Температура может существенно определять эффективную работу электронных компонентов, а также то, как долго они прослужат.

Несколько исследований раскрыли и обсудили, как именно перегрев влияет на конкретный электронный компонент. В одном из исследований изучались эффекты перегрева одноэлектронного транзистора или SET путем прямого и искусственного применения чрезмерного количества тепла через ток. Исследователи продемонстрировали, что температура центрального электрода SET остается конечной из-за эффектов электронного туннелирования.

Обратите внимание, что туннелирование электронов - это явление, при котором электрон движется через барьер потенциальной энергии из-за накопления энергии.

Перегрев также вызывает повреждающее и циклическое взаимодействие между частицами.

Керамические конденсаторы могут подвергаться чрезмерному термическому напряжению и последующему выходу из строя, поскольку высокие уровни тепла приводят к пробою диэлектрика.

Перегрев также может привести к микротрещинам в керамическом конденсаторе, что в дальнейшем приведет к поглощению влаги и, в конечном итоге, к короткому замыканию. Трещина может еще больше расшириться и ухудшить целостность материала конденсатора. Повреждение из-за перегрева, как правило, более выражено в многослойных керамических конденсаторах микросхемы. Это связано с тепловым коэффициентом расширения различных керамических материалов внутри. В электролитических конденсаторах, с другой стороны, выход из строя из-за термического напряжения является результатом чрезмерного нагрева, разлагающего электролит, и накопления газа, который увеличивает внутреннее давление. Повреждение может повлиять на всю плату.

Что касается пластиковых пленочных конденсаторов, состоящих, среди прочего, из полистирола, полиэстера, поликарбоната и металлизированных полиэфирных материалов, они не склонны к образованию трещин из-за перегрева, в отличие от керамических конденсаторов. Кроме того, в случае разрывов они обладают способностью к самовосстановлению. Они значительно более устойчивы к воздействию тепла и энергии и эффективнее керамических и электролитических конденсаторов. Продолжительное воздействие чрезмерно высоких уровней тепла вызовет физические проблемы, такие как тепловое расширение или структурная деформация, и это может привести к возгоранию. Это особенно верно, когда пленочные конденсаторы используются в цепях переменного тока, в которых перегрев может вызвать нарушение горения.

Что касается твердотельных танталовых конденсаторов, перегрев из-за скачков тока может со временем привести к разрушению материала и неактивному повреждению диэлектрика. Это связано с тем, что твердые танталовые конденсаторы, в частности, включенные в них пленки оксида титана, имеют дефекты поверхности и примеси, которые делают их более уязвимыми к термическому напряжению из-за постоянного воздействия чрезмерно высоких уровней тепла.

Обратите внимание: поскольку конденсатор в основном функционирует как устройство для хранения электрического заряда и фильтрации высокочастотных составляющих напряжения, его повреждение или ухудшение, безусловно, повлияет на целостность всей платы.

Также важно отметить, что качество и производительность конденсаторов могут повлиять на весь источник питания собранного компонента или схемы. Обычно отказы конденсаторов приводят к отказу других электронных компонентов, таких как силовые транзисторы. Другой пример электронного компонента с конкретным описанием эффектов перегрева - твердотельное реле.

Специфические незначительные эффекты перегрева медных проводов.

Помните, что медь - это распространенный проводящий материал, используемый в электронных компонентах. Тем не менее, перегрев создает поверхность усталостного разрушения медных проводов. Это означает, что чрезмерное нагревание может вызвать непосредственно заметное физическое воздействие на конкретный материал. В случае проводящих материалов, таких как медь, усталостное разрушение может повлиять на физические свойства и целостность материала несколькими отрицательными способами. Поверхность усталостного разрушения, наблюдаемая на перегретой медной проволоке, может в дальнейшем привести к искрам, которые могут вызвать возгорание в схеме и, как следствие, дополнительный перегрев и возгорание. Металлы, используемые для склеивания или пайки различных компонентов или определенных компонентов внутри компонента, могут испаряться при высоких температурах.

Коэффициент теплового расширения материала может привести к деформации конструкции. Это наблюдалось в определенных составляющих электронного компонента, таких как керамика, металлы и пластмассы.

Обратите внимание, что тепловое расширение - это явление, связанное с расширением материала по размеру и объему при воздействии определенных уровней тепла. Слишком большое тепловое расширение обязательно приведет к деформации конструкции.

Структурная деформация дополнительно приводит к термическому напряжению, которое может повлиять на целостность компонента. Эта проблема еще больше усугубляется, если различные материалы в электронном компоненте страдают от теплового расширения и структурной деформации из-за воздействия более высоких уровней тепла.

Важность охлаждения электронных компонентов

Существуют способы уменьшения перегрева электронных компонентов. Это может быть увеличение теплообмена при увеличении размеров оборудования или же применение специальных решений для охлаждения.

Особенно важно обеспечить надлежащий уровень охлаждения в электрошкафах управления, в которых размещается большое количество дорогостоящего оборудования в ограниченном пространстве. Наиболее простым, но эффективным, решением для охлаждения электронных компонентов в шкафах управления и автоматики являются вентиляторы с фильтрами .

Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.

Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.

Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. Магнитные материалы условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.

Наука о материалах

Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.

Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.

Электротехническое материаловедение – это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.

Проводники

К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.

К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ -5 , при этом отличным проводником является материал с показателем 10 -8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.

Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, например электролит. Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.

Диэлектрические материалы

В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.

Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. Проводимость диэлектрика основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.

Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.

К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:

пироэлектрики;
электролюминофоры;
пьезоэлектрики;
сегнетоэлектрики;
электреты;
материалы для излучателей в лазере.

Основные электротехнические материалы - диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.

Разделение диэлектриков

На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. Неорганические вещества, такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.

Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.

По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.

Свойства диэлектриков

По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:

объемное удельное сопротивление;
диэлектрическая проницаемость;
поверхностное удельное сопротивление;
коэффициент термической проницаемости;
диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
прочность материала под действием электричества.

Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.

Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.

Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.

Диэлектрическая проницаемость определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.

Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.

Электротехнические материалы характеризуются показателем электрической прочности, который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.

Физические и химические показатели диэлектриков

В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.

Характеристика электротехнических материалов дополняется коэффициентом вязкости или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.

Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.

Магнитные материалы

Показатели оценки магнитных свойств носят название магнитных характеристик:

магнитная абсолютная проницаемость;
магнитная относительная проницаемость;
термический магнитный коэффициент проницаемости;
энергия максимального магнитного поля.

Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо – армко, пермаллой, электротехническую сталь в листах, никелево-железные сплавы.

Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.

Магнитодиэлектрики

Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.

Область использования ферромагнетиков

Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.

Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.

Полупроводниковые материалы

Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.

Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:

Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
Материалы, содержащие в составе металлические окислы – медь, окись кадмия, цинка и др.
Материалы, объединенные в группу антимонид.
Материалы органики – нафталин, антрацен и др.

В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.

Композиционные материалы

Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.

Пленочные материалы

Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:

пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.

Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.

Лаки и эмали для электрической изоляции

Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.

Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.

Компаунды для электрической изоляции

Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе "электротехнические материалы". Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.

Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.

Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы

Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.

Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.

Летероид

Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.

В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.

Читайте также: