Электротехническое и конструкционное материаловедение

Р. Т. Хазиева








        ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ



Учебное пособие
























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.313
ББК 31.26
     Х15

Рецензенты:
профессор кафедры электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета доктор технических наук, профессор Р. Р. Саттаров;
заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования предприятий Уфимского государственного нефтяного технического университета доктор технических наук, доцент М. И. Хакимъянов



     Хазиева, Р. Т.
Х15 Электротехническое и конструкционное материаловедение : учебное пособие / Р. Т. Хазиева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -124 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1295-7

            Приведены современные данные о механических, электрических, тепловых и физико-химических характеристиках конструкционных и электротехнических материалов. Изложены основы металловедения, приведены области применения электротехнических материалов и их классификация. Рассмотрены основные свойства, классификация и применение газообразных, жидких и твердых проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов.
            Для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».

                                                                УДК 621.313
                                                                ББК 31.26













ISBN 978-5-9729-1295-7

     © Хазиева Р. Т., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..........................................................4
1. ОСНОВЫ КОНСТРУКЦИОННОГО И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ..................................................5
1.1. Введение. Предмет и задачи дисциплины........................5
1.2. Структура, химические связи и формирование свойств материалов..12
1.3. Современные достижения в материаловедении...................17
2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.......................................19
2.1. Классификация и области использования проводниковых материалов.19
2.2. Основные характеристики и свойства проводниковых материалов.23
2.3. Электропроводность проводниковых материалов и её зависимость от различных факторов............................................28
2.4. Требования к проводниковым материалам.......................34
3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................35
3.1. Общие сведения и классификация полупроводников..............35
3.2. Физические основы электропроводности полупроводников и её зависимость от различных факторов...........................40
3.3. Контактные, термоэлектрические и магнитные явления в полупроводниках................................................49
3.4. Применение полупроводников..................................61
4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.....................................66
4.1. Классификация и области использования диэлектрических материалов.......................................................66
4.2. Основные характеристики и свойства диэлектрических материалов..72
4.3. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации..................76
4.4. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков и её зависимость от внешних факторов..............................................80
4.5. Электропроводность диэлектриков.............................81
4.6. Диэлектрические потери. Тангенс угла диэлектрических потерь.86
4.7. Электрическая прочность диэлектриков........................88
5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ...........................................89
5.1. Классификация и области использования магнитных материалов..89
5.2. Основные характеристики и свойства магнитных материалов.....94
5.3. Магнитомягкие материалы и их свойства.......................99
5.4. Магнитотвердые материалы и их свойства..................103
5.5. Магнитные материалы специализированного назначения......105
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................107
Приложение А. Перечень элементов периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, относящихся к металлам....112
Приложение Б. Некоторые физические постоянные и формулы для расчетов....................................................114
Приложение В. Свойства некоторых проводниковых материалов.......119

3

ВВЕДЕНИЕ


     Основной целью дисциплины является получение знаний по современным данным о механических, электрических, тепловых и физико-химических характеристиках конструкционных и электротехнических материалов.
     Предметом изучения дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение» является рассмотрение основных свойств, изучение классификации и областей применения электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов.
     По многим вопросам электротехнического и конструкционного материаловедения выпущены монографии, учебники, руководящие указания, авторами которых являются известные представители вузовской науки: Е.Е. Привалов, М.В. Радченко, Н.Д. Агеева, Н.Г. Винаковская, В.Н. Лифанов и др.
     Учебное пособие предназначено для бакалавров очного и заочного обучения, изучающих курс «Электротехническое и конструкционное материаловедение» и подготовлено на основе материала книг перечисленных выше ученых, а также публикаций в периодических изданиях. Сведения о современных способах выработки электрической и тепловой энергии собраны с использованием Интернет-ресурсов.

4

1.         ОСНОВЫ КОНСТРУКЦИОННОГО И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1.1. Введение. Предмет и задачи дисциплины

     Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.
     Наука, занимающаяся изучением структуры и свойств материалов, а также устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами, называется материаловедением.
     Электротехническое материаловедение - это раздел материаловедения, который изучает материалы для электротехники и энергетики, т. е. материалы, обладающие специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.
     Успешное освоение дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение» играет важную роль для специалистов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Профессия инженера-электротехника связана с электроустановками, электромагнитными приборами, электрическими машинами (двигателями и генераторами постоянного и переменного тока), электротехническими системами - с устройствами, функционирующими, работающими в электрическом и магнитном полях, оказывающих на них влияние. Поэтому наука об электротехнических и конструкционных материалах представляет собой комплексную учебно-научную дисциплину, которой при подготовке специалистов в учебных заведениях следует уделять большое внимание.

1.1.1. Возникновение материи во Вселенной. Возникновение Земли

     Происходит разделение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, другим - Вселенная стала прозрачной для излучения. Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над антивеществом, из него в результате дальнейшей эволюции возникло всё богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и заканчивая галактиками [1]. Сегодня Вселенная характеризуется следующим процентным содержание элементов (рисунок 1.1).
     Земля вместе с Солнцем и планетами образовалась 4,6-4,0 млрд лет назад из газопылевого облака, включавшего крупные обломки, появившиеся в связи со вспышкой Сверхновой звезды, которая к тому же породила гравитационную волну, способствовавшую сжатию газопылевого облака и началу конденсации составлявшего его рассеянного материала.


5

¹¹ Водород ■» Гелий = Прочие
Рисунок 1.1. Процентное содержание химических элементов во Вселенной

      Разогрев Земли на самой ранней стадии её развития мог вызвать плавление внешнего ядра и более поверхностных частей планеты, вплоть до возникновения так называемого «магматического океана». На этом этапе развития началось расслоение Земли на оболочки - ядро (внутреннее и внешнее), мантию, кору и атмосферу. На этапе формирования протоконтинентальной коры (4,0-3,5 млрд лет назад) Земля обогатилась ещё двумя оболочками - протоконтинентальной корой (по одной из гипотез), гидросферой и первыми признаками биосферы [2]. Земная кора - это внешняя твёрдая оболочка Земли, верхняя часть литосферы. Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около половины массы земной коры приходится на кислород, более 25 % - на кремний. Всего 18 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba - составляют 99,8 % массы земной коры. На сегодняшний


день земная кора характеризуется следующим содержанием основных химических элементов (рисунок 1.2).


О Si Al Fe Ca Na К Mg H Ti Cl P C Mn
Рисунок 1.2. Процентное содержание химических элементов в земной коре

6

1.1.2. Освоение материалов человечеством. Основные этапы материаловедения


     Важнейшим этапом развития стало использование железа и его сплавов. В середине XIX века появляются первые методы производства стали, а к концу века осваивают мартеновский метод. Быстрое развитие технологий производства металлов в XIX веке явилось результатом работы учёных разных стран, в России наиболее выдающиеся инженеры-металлурги П.П. Аносов, Д.К. Чернов, Н.В. Калакуцкий [3].
     Основоположником металловедения является крупнейший русский учёный Д.К. Чернов, который, работая на Обуховском заводе, в 1868 г. сделал открытие критических точек стали и установил связь между ними и изменениями в структуре и свойствах металла. В последующем развил учение о кристаллизации стали при затвердевании стальных слитков и о центрах кристаллизации. В 1884 г. им были описаны линии скольжения на поверхности деформированной стали и установлено, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и горячих средах при температуре 200 °C и несколько выше, также разработал вопрос о термической усталости на примере артиллерийских орудий [4].
     Среди выдающихся достижений ученых XIX века А. Ампера, Г. Ома, Д. Джоуля, Э. Ленца и др. особое место занимают работы Д. Максвелла, обобщающие достижения в электродинамике и изложенные в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873 год). Д. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля и написал уравнения, составляющие теоретическую основу электромеханики [5].
     В начале XX века определены основные проводниковые материалы (алюминий, медь, сталь). В 1906 году Альфред Вильм обнаружил, что алюминиевые сплавы упрочняются за счет выделения мелких частиц. Появился первый высокопрочный алюминиевый сплав - дюралюминий. Т.А. Эдисон представляет более долговечную лампу накаливания - с вольфрамовой нитью вместо угольной. В 1911 году Каммерлинг Оннес во время исследования металлов при сверхнизких температурах открыл сверхпроводимость. В 1986 году Йоханн Беднорц и Карл Мюллер создали высокотемпературную сверхпроводящую керамику на основе системы иттрий-барий-медь-кислород. Открылась возможность широкомасштабного применения сверхпроводящих материалов. В 1960 году кабельные заводы «Москабель» и «Севкабель» внедрили в производство серию маслонаполненных кабелей для напряжений до 220 кВ. В 1977 году Хидеки Сиракава, Алан Мак-Диармид и Алан Хеегер обнаружили электропроводящие полимеры.
     Самыми распространенными изоляторами в настоящее время являются фарфоровые и стеклянные, причем изоляторов из закаленного стекла в настоящее время выпускают больше, чем фарфоровых. Это объясняется тем, что изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми.
     Стеклянные изоляторы из закаленного стекла компактны, обладают небольшой массой, меньшим электрическим сопротивлением, внушительной механической прочностью, подлежат длительной эксплуатации. В изоляционном

7

теле стеклянных устройств отсутствуют скрытые дефекты и внутренние напряжения. Они обладают стабильными электроизоляционными свойствами. Изоляторы из стекла не стареют, в них не возникают микротрещины. Вышедшие из строя устройства на линии быстро идентифицируются. Высоковольтные полимерные изоляторы для линий электропередач, выпускаемые из высокомолекулярных пластмасс, самые распространенные. Конструкция полимерных композитных изоляторов состоит из полимерной оболочки и стеклопластикового стрежня с оконцевателями. Чтобы повысить изолирующие свойства у фарфоровых изоляторов, их покрывают глазурью и обжигают.
     В 1991 году Сумио Иизима обнаружил углеродные нанотрубки - перспективный материал, в сто раз прочнее стали, весит в шесть раз меньше, обладающий необычными тепловыми и электрическими свойствами. Эли Яблоно-вич сделал фотонный кристалл, который способен остановить свет определенной длины волны.
     К слоистым композитам относят композиционные материалы, у которых входящие в композицию элементы выполнены в виде слоев. Современные слоистые композиты составляются из природных материалов, металлов, сплавов, пластических масс, керамики, искусственных волокон.
     Изучив историю материаловедения, проанализировав основные этапы развития материалов, можно сделать вывод, что с появлением нового материала возникают новые возможности, появляются новые принципы работы электрооборудования.
     Ниже приведена классификация материалов и их свойства с точки зрения применения в электротехнической промышленности.

1.1.3. Классификация материалов и их свойств

     Материалы по способу получения делятся на естественные (природные), искусственные и синтетические (таблица 1.1).


Т а б л и ц а 1.1

Классификация материалов по способу получения [6]

   Отрасли    Строительство Машиностроение   Электротехническая  
                                               промышленность    
  Материалы        ---           ---                ---          
  Природные      Цемент          ---              Кремний        
                  Песок                           Германий       
Искусственные     Бетон          ---               Графен        
Синтетические      ---           ---       Сплавы: бронза, латунь

8

     Природные (естественные) материалы получают из недр Земли. Этим материалам придают соответствующую форму и размеры, но не изменяют их химический состав, внутреннее строение. Синтетические материалы могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.
     Синтетические материалы получают все большее применение благодаря тому, что могут быть созданы с заранее заданными характеристиками, намного превышающими характеристики естественных материалов. Свойства материалов зависят от их молекулярного строения. Благодаря достижениям химии и химической промышленности можно создавать синтетические электроизоляционные материалы с оптимальным для своего назначения молекулярным строением.
     Материалы, используемые в электротехнике, делятся на:
      -         конструкционные (из них изготавливаются вспомогательные детали и элементы, например, корпусы);
      -         электротехнические (электрорадиоматериалы) (провода, антенны, изоляторы, трансформаторы, транзисторы, диоды). От их свойств зависит работа электрических схем.
     Различают четыре основные группы электротехнических материалов: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные.
     По поведению в электрическом поле все ЭТМ, в зависимости от значения удельного электрического сопротивления р, делятся на:
      -        проводниковые (р < 10-5 Ом-м);
      -        полупроводниковые (10-6 < р < 109 Ом-м);
      -        диэлектрические (р > 10⁷ Ом-м).
     Основное свойство вещества по отношению к электрическому полю -электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля. Количественной оценкой электропроводности является удельная электрическая проводимость у [См/м] или удельное электрическое сопротивление р [Ом-м}
Р ⁼¹/ у.
     Значение удельного электрического сопротивления лежит в пределах от 0 до +<»; граничные значения р относятся, соответственно, к сверхпроводникам и разреженным газам.
     Для твердых веществ при нормальных условиях рС [ 10 8-10гОм-м].
     Материалы с различным значением р имеют различное назначение и применение.
     Проводниковые материалы, в полном соответствии с названием, служат для проведения электрического тока (из них изготавливаются провода, резисторы, нагревательные элементы). Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

9

     В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.
     Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления.
     Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.
     К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.
     Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда - плазма. К группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.
     Полупроводниковые материалы используются для получения проводимости, управляемой внешними факторами, например, напряжение, температура, освещенность. Из них изготавливаются диоды, транзисторы, фоторезисторы и тому подобные элементы.
     Полупроводниковые материалы классифицируются по химическому составу как элементы (простые полупроводники) и соединения (сложные полупроводники). Такая классификация не является единственной. Полупроводники классифицируются и по типу электропроводности: те, в которых преобладает электронная электропроводность, называются полупроводниками типа «п», а те, в которых преобладает дырочная электропроводность, - полупроводниками типа р». Полупроводники по составу делятся на неорганические и органические, а по характеру электропроводности - на электронные и ионные. По структуре различаются кристаллические и аморфные полупроводники.
     Диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов, т. е. их назначение - препятствовать прохождению электрического тока.
     Активные диэлектрики в отличие от обычных диэлектриков участвуют в работе электрических схем для генерации и преобразования электрических сигналов. Это материалы для лазеров, сегнето-, пьезо-, пироэлектрики, электреты.
     Диэлектрические материалы, к которым относятся и электроизоляционные материалы, делятся в зависимости от агрегатного состояния на газообразные, жидкие и твердые. Большинство из них относится к твердым, которые делятся на природные и синтетические, а также на органические, неорганические и элементоорганические. По размерам молекул органические электроизоляци

10

онные материалы делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные. Последние можно также разделить по форме молекул и поведению при нагревании на термопластичные и термореактивные.
     Однако с точки зрения объяснения электрофизических свойств электроизоляционных материалов гораздо ценнее их классификация на полярные (гетеро- и гомеополярные) и неполярные.
     По поведению в магнитном поле все материалы делятся на магнитные и немагнитные. Немагнитные ЭТМ практически не приобретают намагниченности при внесении в магнитное поле. Магнитные ЭТМ обладают способностью намагничиваться, а некоторые из них - сохранять намагниченность после прекращения воздействия магнитного поля. Служат для изготовления магнитопроводов (сердечников индуктивностей), трансформаторов, запоминающих устройств, постоянных магнитов и пр.
     Магнитные материалы по физическим свойствам делятся на ферромагнитные и ферримагнитные (ферриты), а по применению - на магнитотвердые и магнитомягкие. Последнее деление условно, и некоторые материалы в зависимости от способа обработки могут иметь характер как магнитомягких, так и магнитотвердых. Среди магнитомягких материалов выделяются группы со специальными свойствами, например, с прямоугольной петлей гистерезиса, с постоянной магнитной проницаемостью и т. п. Ферримагнитные материалы различают иногда по типу кристаллической структуры.
     Свойства материалов зависят от внутренних и внешних факторов.
     К внутренним факторам относятся состав и структура данного материала.
     Внешние факторы - это температура, давление, электрическое или магнитное поле, радиация, химические реагенты, влажность и т. д.
     Существует два основных способа управления свойствами материалов:
      -  изменение состава (путем введения примесей, присадок и т. п.);
      -        изменение структуры (в основном с помощью термообработки, механической обработки, химического воздействия и облучения).
     Механическая обработка электротехнической стали изменяет магнитные свойства. Широкое применение находят высококачественные холоднокатаные электротехнические стали, например, электротехническая сталь с ребровой текстурой, характеризующиеся пониженными удельными потерями. Для снятия механических напряжений, возникающих при изготовлении деталей магнитопроводов, проводят дополнительный кратковременный отжиг при 800-850 градусов Цельсия. Некоторые электротехнические стали поставляются в неотожженном виде; в этом случае для обеспечения заданного уровня магнитных свойств после механической обработки необходимо проводить термическую обработку деталей.
     Электротехническая сталь выпускается в виде листов (часто в рулонах) и узкой ленты толщиной 0,05-1 мм. К электротехнической стали относится также чистое железо в виде листов или ленты толщиной 0,1-8 мм либо в виде сортового проката (круг или квадрат) различных размеров.

11