ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ               МАТЕРИАЛОВ

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

В.П.ГОРЕЛОВ,  С.В.ГОРЕЛОВ,  

В.С.ГОРЕЛОВ,  Е.А.ГРИГОРЬЕВ

 

КОНСТРУКЦИОННЫЕ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛЫ

 

Учебное пособие

 

 

Под редакцией доктора технических   наук, профессора В.П. Горелова

 

Новосибирск 2016

 

УДК 621.315(075)

ББК 621.3

К 65

Горелов, В.П. Конструкционные электротехнические     материалы: учеб. пособие / В.П. Горелов, С.В. Горелов,         В.С. Горелов, Е.А. Григорьев; под ред. В.П.Горелова. – 4-е изд. перераб. – Новосибирск: Сиб. гос. ун-т водн. трансп., 2016. – 341 с.

 

ISBN 978-5-8119-0420-4

 

В книге рассмотрены основы строения и физики явлений, происходящих в металлах, полупроводниках, диэлектриках и магнитных материалах. Приводится классификация их электрофизических, физико-механических, физико-химических параметров.

Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантовэлектротехнических и неэлектротехнических специальностей при изучении курсов "Технология конструкционных материалов", "Техника высоких напряжений", "Перенапряжения и молниезащита", "Электротехника с основами электроники". Издание представляет интерес для преподавателей, слушателей системы повышения квалификации и переподготовки кадров.

 

Рецензенты:

Завкафедрой «Теоретические основы электротехники»  ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор В.Ю.Нейман;

 Первый замдиректора Филиала ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» НПСБ, доктор технических наук, профессор А.Г.Овсянников;

Главный сотрудник ЗАО «Институт автоматики энергетических систем», доктор технических наук, профессор Н.Н.Лизалек.

 

Ó В.П.Горелов, С.В. Горелов,    

В.С.Горелов, Е.А.Григорьев, 2016

Ó ФГБОУ ВО «Сибирский  

государственный университет

водного транспорта», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ОТ АВТОРОВ................................................................................ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………….……...… 1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 1.1 Классификация технических материалов….……………...                                                           10 1.2 Сведения о строении вещества……….…..…………….…. 1.3 Основные понятия зонной теории……….…….…………..                                               28 2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ……………….…...... 2.1 Общие сведения о проводниках……………..……............. 2.2 Основы металлургии……………………..………….….….     2.2.1 Диаграммы состояния сплавов………….…..…….…     2.2.2 Стали и сплавы……………………………….…….… 2.3 Физическая природа электропроводности……….…….… 2.4 Сверхпроводящие материалы…………………….………..     2.4.1 Физика низкотемпературной сверхпроводимости.... 2.4.2 Высокотемпературные сверхпроводящие                                  материалы на основе сложных оксидов………….………. 2.4.3 Применение криопроводников……………………… 2.5 Свойства благородных металлов……………………….…                                               86 2.6 Цветные металлы и сплавы……………………………...… 2.7 Проводниковые конструкции из биметалла……………… 2.8 Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар. 2.9 Припои и флюсы…………………………………………... 2.10 Неметаллические проводящие материалы……………… 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ…………….... 3.1 Общие сведения о полупроводниках ……………………. 3.2 Основы технологии получения электротехнических материалов ………………….......................................................     3.2.1 Классификация способов очистки                                 электротехнических материалов………...………….…….     3.2.2 Получение чистых полупроводниковых                    материалов………………………………………………….     3.2.3 Выращивание полупроводниковых                    монокристаллов…………………………………………….     3.2.4 Легирование материалов радиационным               способом……………………………………………………     3.2.5 Основные свойства некоторых элементарных      полупроводников и полупроводниковых соединений….. 3.3 Применение полупроводниковых материалов…………… 4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ…………………… 4.1 Общие сведения о диэлектриках……………………….…. 4.2 Виды поляризации диэлектриков…………………….…… 4.3 Диэлектрическая проницаемость диэлектриков…….…… 4.4 Электропроводность диэлектриков…………………….… 4.5 Виды электрического пробоя диэлектриков……………... 4.6 Механические, тепловые и физико-химические свойства        диэлектриков………………………………....………………… 4.7 Общая характеристика газовой изоляции ......…………… 4.8 Развитие разряда в однородном поле…………………..… 4.9 Развитие разряда в неоднородном поле………………….. 4.10 Разряд в газе вдоль поверхности твёрдого диэлектрика.. 4.11 Коронный разряд на проводах линий                         электропередачи………………………………………………...  4.12 Изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения………………………..…………………………….. 4.13 Неорганические и органические диэлектрики……......… 5 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ………………………..….… 5.1 Классификация магнитных материалов………..…………     5.1.1 Парамагнетики……….………………………….……     5.1.2 Диамагнетики……………………………………....…     5.1.3 Ферромагнетики…………………………………....…     5.1.4 Антиферромагнетики……………….…….……….…     5.1.5 Ферримагнетики……………………………………...     5.1.6 Метамагнетики……………………………………..…     5.1.7 Деление магнитных материалов на группы………... 5.2 Основные характеристики магнитных материалов…....…                                                                        336 5.3 Магнитомягкие материалы………………………………...     5.3.1 Технически чистое железо и электротехнические стали………………………………………………………...     5.3.2 Сплавы железа с металлами……………………….…     5.3.3 Ферритовые материалы………………………….…..     5.3.4 Магнитодиэлектрики…………………………….….. 5.4 Магнитотвёрдые материалы……………………………....…        5.4.1 Сплавы с различной технологией твердения…….…     5.4.2 Магнитотвёрдые композиты………………….….….. 5.5 Разработки специальных магнитных материалов……...….. 5.5.1 Термомагнитные материалы……………………….…. 5.5.2 Магнитострикционные материалы…………………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………..….

6 9 15 15 22 32 39 39 39 43 49 57 61 61   68 70 73 77 92 97 101 103 107 107   118   120   126   127   128   131 138 140 149 151 158 164 180   195 212 224 232 242   248   250 256 297 297 298 299 300 303 304 305 305 307 315   316 318 320 322 327 332 335 338 338 341 343

 

 

Посвящается 65-летию (1951–2016 г.г.) Сибирского государственного университета водного транспорта

ОТ АВТОРОВ

Начало XXI в. отмечено резким сокращением выпуска учебников и специальной технической литературы. Поэтому перед авторами была поставлена задача написать книгу, отвечающую программам политехнических вузов, и, одновременно, которая не устарела бы сразу по выходу из печати, т.к. учитывала бы постоянное развитие науки о технических материалах. Этим определены особенности курса для студентов как электротехнических, так и неэлектротехнических специальностей речных, морских, транспортных и других учебных заведений. Учтены изменения в использовании материалов для изготовления судовых, плавучих и береговых сооружений. Приводятся развернутые сведения о конструкционных материалах, применяемых как для изготовления судов, их изоляции и обстройки, так и для проводниковых и электроизоляционных изделий судовых электроэнергетических систем.

В написании учебного пособия принимали участие учёные в области материаловедения и изучения поведения электротехнических конструкций в слабых и сильных электрических полях, одной из главных целей которых являлось информирование о технических материалах читателей, проживающих в регионах Сибири и Дальнего Востока, недостаточно обеспеченных научно-технической литературой. Поэтому информация приведена в объёме, достаточном для понимания сложных вопросов по электротехническим, конструкционным и другим материалам.

 Порядок чередования разделов книги старались сохранить согласно перечню тем программы по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Авторы использовали выдержки из материалов, как своих научных трудов, так и печатных работ других авторов. Значительная часть пособия содержит материалы лекций по дисциплинам «Электротехнические материалы», «Техника высоких напряжений» и «Перенапряжения и молниезащита», «Основы электротехники и электроники», читаемых авторами с 1973 г. студентам электротехнических специальностей Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова и ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», а также информацию из книг: «Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова. – 2-е изд. дополн. – Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005.  Кн. 1 – 387 с.;  Кн. 2 – 239 с.» [ 5 ] .

В разделах раскрывается физическая сущность процессов и явлений в материалах при воздействии электромагнитных полей, механических нагрузок и др., изменения характеристик материалов и изделий в процессе эксплуатации, наиболее важные области их применения. Курс является базой для дисциплин конструкторско-технологического профиля и предназначен для формирования у будущих специалистов инженерного подхода к анализу возможностей применения материалов в конкретных электротехнических изделиях. Особое внимание уделено классификации материалов и изделий из них, а также современному состоянию теории и практики гомогенных и гетерогенных систем. Содержание учебного пособия несколько выходит за рамки действующей программы, что позволяет использовать его и при дальнейших изменениях в науке и практике по материалам электротехнического профиля.

В заключении следует отметить особое значение материаловедения при формировании у обучаемых диалектико-материалистического мировоззрения. Особенно явным становится сознание того, что развитие науки и замена привычных понятий невозможны без диалектико-материалистического метода познания для понимания научных факторов. Это помогает выработать правильный взгляд в ещё мало исследованной области знаний.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам:     доктору технических наук, профессору Владимиру Юрьевичу Нейману, доктору технических наук, профессору Александру Георгиевичу Овсянникову, доктору технических наук, профессору Николаю Николаевичу Лизалеку.

«Люди, постепенно изучая вещество, им овладевают, точнее и точнее делают в отношении к нему предсказания, оправдываемые действительностью, шире и чаще пользуются им для своих потребностей, и нет повода видеть где-либо грань познанию и обладанию веществом.»

       Д.И. Менделеев (ок. 1890 г.)

ВВЕДЕНИЕ

 

Использование одной из главных производительных сил – электрической энергии – находит всё большее применение в промышленности и аграрном секторе хозяйства. Это стало возможным благодаря основополагающим открытиям российских и зарубежных учёных.

Во второй половине ХVIII века академиками Петербургской академии наук М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом был впервые построен прибор для количественной оценки электрического заряда. Разработка новых материалов позволила итальянскому физику А. Вольта в 1800 году создать химический источник тока. Академик Петербургской академии наук В.В. Петров в 1802 г. открыл электрическую дугу и указал возможные области её применения. В1820 г. французский учёный А. Ампер открыл закон взаимодействия проводников, по которым течёт ток, а немецкий физик Т.Н. Зеебек описал явление непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую, т.е. термоэлектричество. Немецкий учёный Г.С. Ом нашёл важное соотношение между силой тока I, падением напряжения U и сопротивлением проводника R. В 1831 г. английским физиком М. Фарадеем был открыт закон об электромагнитной индукции, и академиком Петербургской академии наук Э.Х. Ленцем в 1833 г. установлено правило, по которому определяется направление индукционных токов. В 1838 г. российский физик Б.С. Якоби впервые построил электродвигатель и указал некоторые области его применения. В 1847 г. немецкий физик Г.Р. Кирхгоф сформулировал правила для разветвлённых электрических цепей.

Необходимо подчеркнуть, что значительный прогресс науки и техники происходит благодаря развитию электроники – науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов. До открытия электронов атом считали основой структуры материального мира. Электрический ток рассматривали как “жидкую субстанцию, текущую по проводам”. Так, американский учёный Б. Франклин к 1853 г. разработал общую “унитарную теорию электрических явлений”, происходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обуславливает знак заряда тела. Он же предложил эффективный метод защиты от грозового разряда – молниеотвод. О дискретном строении электричества впервые в 1856 г. немецкий физик В.А. Вебер указывал, что “с каждым весовым атомом связан электрический атом”. Позднее в 1891 г.          Г. Стоней предложил называть атом электричества с элементарным зарядом 1,6∙10^-19Кл. – электроном. Только к 1897 г. английский физик Д.Д. Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе (9,106∙10^-28г.) и пришёл к выводу о существовании частиц гораздо меньших, чем атомы. Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимости атома и привело к развитию науки – электроники.

Особенно важным событием явилось открытие российским учёным Д.И. Менделеевым в 1871 г. Периодической системы элементов – П.с.э., важной вехой на пути развития которой явилась предложенная английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. планетарная модель атома. В основе теории П.с.э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоёв, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста их атомного веса. Это представление было развито датским физиком Н.Х. Бором в 1923 г. С учётом характера изменения свойств химических элементов П.с.э. явилась фундаментом, в первую очередь, неорганической химии. Она помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами. Это способствовало разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специальных катализаторов для различных химических процессов.

В конце XIX и начале ХХ века большой вклад в развитие электротехники внесли американский учёный Т.А.Эдисон и югославский физик и электротехник Н.Тесла.

Изобретение в 1895 г. российским физиком и электротехником А.С. Поповым радио открыло новую эру в развитии науки и техники. Хорошо понимая потребность военного флота в средствах беспроводной сигнализации его прибор в реальных корабельных условиях к 1901 г. получил дальность связи 150 км. Итальянский радиотехник и предприниматель Г. Маркони, используя большие материальные возможности, получил в 1897 г. английский патент на принцип действия и конструкцию приборов, по способу действия и схеме радиоприёмника тождественных приборам Н.Тесла и А.С. Попова. В дальнейшем к концу 1901 г. на усовершенствованных приборах Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Разработка электронных приборов началась с изобретением в 1904 г. Д. Флемингом двухэлектродной лампы с накалённым катодом-диода. Под руководством Н.А. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича до 1935 г. был создан целый ряд многосеточных электронных ламп. Дальнейший прогресс связан с работами американских учёных Д. Бардина, У. Браттайна и У. Шокли, приведшими к изобретению германиевого точечного транзистора. В 60-х годах XX века были созданы интегральные системы (ИС), в которых элементы получают в нераздельном технологическом процессе. В течение следующего десятилетия перешли к производству больших интегральных микросхем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих до 10⁶ элементов размером до 3 мкмна полупроводниковом кристалле.

В настоящее время и в перспективе отмечается бурное развитие функциональной электроники, которая основывается на физических явлениях в твёрдом теле без применения базовых элементов (резисторов, транзисторов и т.п.).

При этом используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие акустических волн в твёрдом теле с потоком электронов (акустоэлектроника) и др. Дальнейшее бурное развитие получает новое направление – наноэлектроника, позволяющая управлять атомами, размещая их в точно определённом месте атомной структуры различных материалов.

Особо отмечают в XX веке развитие квантовой электроники, занимающейся исследованием устройств, действие которой основано на вынужденом излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Ещё в 1900 г. немецкий физик М.Л. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, которые впоследствии получили название фотонов. В 1964 г. советские учёные Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и американский физик Ч.Х. Таунс получили Нобелевскую премию за разработку мазеров, позволяющих усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона вынужденного (когерентного) излучения. В 1960 г. американский физик Т.Г. Мейман создал лазер, который являлся источником электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Употребляется также термин “оптический квантовый генератор” – ОКГ. В качестве активной среды ОКГ применяют твёрдые, жидкие и газообразные вещества с внешним воздействием (накачкой) от непрерывного или импульсного источника. Одним из перспективных направлений явилась разработка полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой (ДГС-лазеров) советским физиком Ж.И. Алфёровым, удостоенным Нобелевской премии в 2001 г. Их отличительными особенностями являются высокий КПД, удобство возбуждения и малые габариты.

С каждым годом открываются новые области применения различных типов лазеров в военной технике, на флоте, в связи, в медицине и в быту.

Необходимо отметить большой прогресс в теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников в сильных магнитных полях (1957 – 1970 г.), а также в физике сверхпроводников, начиная с 1977 г. За основополагающий вклад в теорию сверхпроводимости российские физики А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург в 2003 г. были удостоены Нобелевской премии.

При проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования судового и другого назначения требуется комплекс знаний в области конструкционных и электротехнических материалов. Это связано с особыми условиями эксплуатации судового электрооборудования с высокой степенью влажности, широким диапазоном изменения температуры, давления, вибрации. Предъявляются жёсткие требования в отношении надёжности действия, пожарной безопасности, к снижению стоимости. Выбор электротехнических материалов для электрооборудования и приборов возможен только после глубокого анализа основных требований к материалам в реальных эксплуатационных условиях в строгом соответствии с Речным Регистром, который является органом, осуществляющим технический надзор за всеми морскими и речными судами независимо от их ведомственной принадлежности [9]. Он издаёт Правила, касающиеся постройки и оборудования судов, использования материалов в судостроении.

Развитие морского и речного флота связано с комплексной автоматизацией электрифицированных судов. Для этого применяют новые электротехнические материалы, в основном из органических полимеров, монокристаллов различных веществ.

В последние годы открыты новые виды магнитных, диэлектрических, проводниковых и полупроводниковых материалов, обладающих малоизученными свойствами. На основе этих материалов могут быть изготовлены: принципиально новые электротехнические устройства; многочисленные полупроводниковые приборы; разнообразные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические устройства; выпрямители,усилители, стабилизаторы напряжения, преобразователи энергии, запоминающие ячейки; электретные и фотоэлектретные устройства; жидкие кристаллы; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.

Для изготовления электротехнических материалов используются разнообразные приёмы химического синтеза, различные виды обработки, включая искусственное выращивание монокристаллов,нанесение тонких плёнок на различные подложки, а также ионно-плазменная обработка, воздействие на материалы электромагнитного поля и ионизирующих излучений.

Всё вышеуказанное подчёркивает важность повышения надёжности электрооборудования электроэнергетических систем мобильных и стационарных объектов на основе новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

 

 

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ               МАТЕРИАЛОВ