Раздел 11. Проводниковые материалы

При изучении данной темы необходимо освоить следующее: тип связи элементов тонкой микроструктуры и природа электропроводности металлов и сплавов, основные свойства и характеристики проводниковых элементов.

Проводниковые материалы по применению классифицируют на металлы и сплавы высокой проводимости, криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электрическим сопротивлением, контактные материалы, сплавы для термопар, неметаллические проводниковые материалы, припои и пр.

Среди металлов высокой электрической проводимости широко распространены медь (удельное сопротивление ρ = 0,017 мкОм . м), алюминий (ρ = 0,028 мкОм . м) и железо (ρ = 0,098 мкОм . м). Имеют практическое значение серебро (ρ = 0,006 мкОм·м) и золото (ρ = 0,022 мкОм·м).

Электрические и механические характеристики проводников в значительной степени определяются наличием примесей и напряженностью структуры металла. Любые примеси снижают электропроводность металлов. Деформационное упрочнение ухудшает проводниковые свойства металлов и сплавов, но увеличивает их механическую прочность

К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком охлаждении (ниже -173°С) высокую электрическую проводимость, но не переходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Al). При температуре жидкого азота минус 195.6°С удельное электрическое сопротивление составляет около 0,003 мкОм·м, а при гемпературе жидкого водорода минус 252,6°С - около 0,00005 мкОм·м.

Сверхпроводимость – явление резкого уменьшения сопротивления материала (практически до нуля) при понижении температуры.

Вещества, обладающие свойством сверхпроводимости, называются сверхпроводниками (СВП).

Применение СВП позволяет: уменьшить потери при передаче электрической энергии; увеличить кпд электрических машин и аппаратов до 90% и более; использовать эффект сверхпроводникового подвеса (левитации) в подшипниках без трения, в скоростных электропоездах и для других целей.

Сверхпроводниковое состояние веществ существует при температурах менее критической (Т < Т_кр), напряженности магнитного поля менее критической напряженности ( Н < Н_кр) и плотности тока, индуцирующего магнитное поле, менее критического значения ( j < j_кр).

К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не менее 0,3 мкОм ·м) относятся медноникелевые сплавы: манганин (МНМц 3-12), константан (МНМЦ 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60), на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (ОХ23Ю5) и др.

Сплавы высокого электросопротивления применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов и печей. Рабочие температуры таких сплавов до 900 - 1200°С.

Вопросы для самопроверки

1. Механизм электропроводности металлических проводниковых материалов.

2. Что называется удельным сопротивлением и температурным коэффициентом удельного сопротивления проводниковых материалов? В каких единицах измеряются и каковы их величины у различных металлов и сплавов?

3. Как изменяется удельное электрическое сопротивление металлического проводника в результате холодной пластической деформации

4. Дайте сравнение свойств меди и алюминия.

5. Медные и алюминиевые сплавы, применяемые в электроэнергетике и электротехнике, их назначения и основные свойства.

6. Сталеалюминевые провода и проводниковый биметалл, их свойства и область применения.

7. Каковы преимущества безкислородной меди?

8. Какой материал называют твердой медью?

9. Какие металлы не переходят в сверхпроводниковое состояние даже при самых низких температурах?

10. Где применяются углеродные проводниковые материалы?

11. Назовите марки сплавов на основе системы железо-никель-хром, укажите их свойства.

12. Перечислите наиболее широко применяемые сплавы высокого сопротивления с указанием величин и . Укажите назначение этих сплавов и допустимые рабочие температуры.

13. Какие сплавы высокого сопротивления применяются в измерительных приборах, реостатах, электронагревательных приборах и почему?

14. Укажите важнейшие материалы, применяемые для изготовления термопар. Как зависит термоэлектродвижущая сила от разности температур спаев термопары?

Раздел 12. Магнитные материалы. Технология ЭТМ

Наиболее широкое применение в электроэнергетике и электротехнике получили ферромагнитные и ферримагнитные материалы. В зависимости от конфигурации петли маг­нитного гистерезиса их подразделяют на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые сплавы используют для изготовления постоянных маг­нитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной (размаг­ничиваюшей) силой Н_с > 4 кА/м и обладают значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам Н_с и остаточной магнитной индукции В_r.

Увеличение коэрцитивной силы магнитно-твердых сталей достигается по­лучением неоднородной напряженной структуры, представленной высокоуглеро­дистым мартенситом с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использованы углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ5К5 и др.). Легирующие эле­менты увеличивают прокаливаемость стали, повышают ее коэрцитивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК40Т8АА, обладающие значительно большей коэрци­тивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве мате­риалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Fe-Ni-AI, сплавы на основе РЗМ (Sm, Рг,Y), получаемые методом порошковой металлургии.

Из магнитно-мягких сплавов изготавливают электромагниты, магнитопро­воды электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппаратов. Основные требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам: малая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная прони­цаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание, Низкие значения Н_с и высокая магнитная проницаемость µ достигаются в ферромагнетиках при однофазной близкой к равновесию структуре с минимумом внутренних напряжений.

Наиболее широкое распространение в качестве магнитно-мягких материа­лов, работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), полу­чили кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния - увеличение удельного электросопротивления стали, и, следовательно, сокращение потерь при перемагничивании. Дальнейшее уменьшение тепловых потерь достигается изготовлением магнитопроводов (роторов и статоров двигате­лей, сердечников трансформаторов и т.д.) из набора тонколистовых деталей с прослойкой изоляции (полимеров, оксидов).

Ферриты представляют собой материалы, состоящие из оксидов Fe, Zn, Мп, Ni, получаемые методом порошковой металлургии. Ферриты широко применяют в устройствах, работающих в слабых полях на низких и высоких радиочастотах.

Технология – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства, для получения готовой продукции.

Технология – наука о способах воздействия на сырье, материалы и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства.

Разработка технологии осуществляется по отраслям производства (технология металлов, технология полимеров, технология керамики и др.).

Медь получают пирометаллургическим способом. Пирометаллургия – совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах.

Основным способом производства алюминия в настоящее время является электролитический. Электролиз – совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.

Синтез полимеров осуществляетсяпутем объединения в макромолекулу молекул сравнительно простых веществ (мономеров)в условиях высоких давлений и температур и в присутствии катализатора.

Обработка металлов давлением – группа технологических процессов в результате которых происходит формоизменение заготовок без нарушения их сплошности, то есть пластической деформацией под влиянием приложенных внешних сил. Основные методы обработки металлов давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Резание материалов – обработка материалов снятием стружки для придания изделию заданной формы, размеров и обеспечения определенного технологией качества поверхности.

Литье – процесс получения изделий (отливок) из различных материалов (металлов, керамики, пластмасс и др.). Для получения металлических отливок применяют следующие методы: литье в кокиль, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др.

Литье под давлением полимерных материалов – метод изготовления изделий различной формы из пластических масс (термопластов и реактопластов) и резиновых смесей при котором материал нагревается и размягчается (пластифицируется )в обогреваемом цилиндре литьевой машин, откуда под давлением поршня или шнека нагнетается в литьевую форму.

Сварка – процесс получения неразъемного соединения путем создания химических или физических связей между структурными частицами вещества соединяемых деталей.

Различают сварку плавлением (электродуговая газовая, лучевая и др.) и сварку давлением (контактная, холодная, ультразвуковая, конденсаторная и др.).

Пайка – процесс получения неразъемного соединения материалов (стали, чугуна, стекла, графита, керамики и др.), находящихся в твердом состоянии, расплавленным припоем.

Вопросы для самопроверки

1. Классификация материалов по магнитным свойствам.

2. Какие химические элементы обладают ферромагнитными свойствами?

3. Укажите условия возникновения спонтанной намагниченности и, как следствие, высокой магнитной восприимчивости.

4. Что такое домены в магнитных материалах?

5. Как называется физическая величина, показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается от индукции магнитного в вакууме называется?

6. Как называется материалы, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют результирующего магнитного момента?

7. Что такое точка Кюри?

8. Какие материалы применяют для изготовления сердечников трансформаторов?

9. Почему сердечники из электротехнической стали изготавливают из тонких листов с прослойками изоляции?

10. Магнитострикционные материалы, их состав, свойства и назначение.

Вопросы для самопроверки

1. Как различаются свойства стального прутка до и после волочения?

2. В чем заключается сущность и каковы особенности центробежного литья?

3. Какие из особенностей кондесаторной сварки позволяют ее использовать для сварки очень малых толщин, а также для сварки разнородных металлов?

4. Какие виды сварки и сварочные материалы применяют для меди и ее сплавов?

5. Всегда ли при пайке прочность соединения равна прочности припоя?

6. Возможна ли электроэрозионная и электрохимическая обработка керамики?

7. Почему спекание и термообработку порошковой заготовки рассматривают как две различные операции?

8. Чем отличается изготовление деталей из резинотехнических материалов от изготовления их из полимерных композиционных материалов?

9. Какие технологические методы используются для получения ферритов? Для чего нужны первичный и вторичный отжиг?

10. Какова технология получения полимерных электроизоляционных материалов?

11. В чем заключается технология получения слоистых пластиков?

12. В чем заключается технология старения манганиновой проволоки?

13. В чем заключаются методы зоной плавки и бестигельной зоной плавки?

14. В чем заключается метод получения монокристаллов полупроводников путем вытягивания их из расплава (метод Чохральского)?

СОДЕРЖАНИЕ И ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ