Электротехническое и конструкционное материаловедение».
Введение в курс
Введение. Предмет материаловедения. Значение курса в подготовке инженера-электрика. Требования, предъявляемые к современным материалам.
Классификация электротехнических материалов. Диэлектрики, полупроводники, проводники. Диамагнетики. Парамагнетики
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
ВКЛАД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
В широком понимании материалы – это исходные вещества для производства различной продукции. Различают следующие разновидности материалов в общем виде: – сырье, которое подлежит дальнейшей переработке (железные руды, нефть, газ); – полуфабрикат – переработанный материал, прошедший несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, пригодным к потреблению. Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между составом, строением и свойствами, а также разрабатывающая пути воздействия на их свойства с целью повышения их качества, которое связано с применением внешних воздействий (тепловое, механическое, химическое). Предмет изучения материаловедения состоит из двух частей: металлические и неметаллические материалы. Сегодня основным конс- трукционным материалом в промышленном производстве являются металлы и металлические сплавы. Поэтому основное содержание этого предмета относится к изучению металлических материалов – ме- талловедения, науки, изучающей строение и свойства металлов и сплавов и устанавливающей связь между их составом, строением и свойствами, а также разрабатывающей технологии воздействия на свойства с целью их улучшения. Сегодня, наряду с классическими металлическими материала- ми, находят применение пластические массы, техническая керамика, композиционные материалы, амфорные сплавы. Особо следует отметить внедрение в производство композитов, что дает экономию дефицитных металлов, уменьшает массу изделий и повышает их надежность и долговечность. В современном автомобилестроении замена металлических деталей на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволяет уменьшить массу машины, расход топлива, антикоррозийную стойкость
Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.
Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами были еще древние люди, , например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.
Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам.
Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это электротехнические материалы, применяются для производства элементов, используемые для сборки электрических схем и осуществляемые прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление и т.п. К электротехни ческим материалам относятся диэлектрические материалы, полупроводниковые материалы и проводниковые материалы. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10-8 – 10-5, 10-6 – 108, 107 – 1017. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Поэтому они должны обладать рядом специфических свойств – электрофизических, механических, химических, потому что от них будут зависеть качество, надежность и безопасность работы электроустановок .
Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле. В магнитном поле – на два класса: сильномагнитные, к ним относятся ферромагнетики и ферримагнетики и класс сильномагнитных - сюда относят диа-, пара- и антиферромагнетики.
Конструкционные материалы используют для изготовления несущих конструкций, корпусов электрооборудования и т.д. К ним относят металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, сплавы, композиционные материалы.
Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно используют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и неметаллы. При этом компоненты могут смешиваться друг с другом на молекулярном уровне, т.е. взаимно растворяться друг в друге, а могут и не смешиваться, образуя отдельные кристаллиты. В металловедении их называют фазами. Форма кристаллитов, их размер, взаимное расположение играет важную роль в создании тех свойств, которые требуются от материала. Каждый кристаллит представляет собой однородную систему со своей кристаллической структурой. Последняя образована ионами, образующими остов решетки и обобществленными электронами. Большинство металлов имеют решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная.
Если в идеальный кристалл ввести атомы другого типа, которые хорошо смешиваются друг с другом на молекулярном уровне (растворяются), то в ряде случаев образуются т.н. «твердые растворы». Введенные атомы в достаточно большом количестве, чтобы они были в окружении каждого атома -хозяина, но в недостаточном количестве, чтобы менять строение решетки, образуют твердый раствор. Бывают два типа твердых растворов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В первом случае добавленные атомы находятся в междоузлиях решетки, а во втором случае - они замещают атомы в кристаллической решетке.
Здесь также следует выделить целый класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.
Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонентов, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.
Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.
Диэлектрические материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей электрооборудования. Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоватьсяпод действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.
Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют 1 – для создания электрической изоляции токопроводящих частей – они препятствуют прохождению электрического тока другими путями, не предусмотренными электрической схемой и являются электроизоляционными материалами; 2 – в электрических конденсаторах – для создания определенной емкости; здесь важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем она выше, тем меньше габариты конденсатора.
Активные диэлектрики в отличие от обычных применяются для изготовления активных элементов электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, преобразования электрического сигнала. К ним относят материалы, управляемые электрическим полем – сегнетоэлектрики, механическим усилием – пьезоэлектрики, управляемые теплом –пироэлектрики, электреты, фотоэлектреты, люминофоры.
Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур ниже точки Кюри вследствии изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры:
- необычно высокая диэлектрическая поляризация;
- нелинейная зависимость поляризованности, а следовательно, и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля;
- резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;
- наличие диэлектрического гистерезиса.
Пьезоэлектрики- это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля.
Пироэлектрики, то-есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем.
Электреты – это вещества способные длительное время сохранять поляризованность и создавать в окружаемом их пространстве электрическое поле в отсутствии внешнего энергетического воздействия. Это – воск, парафин, канифоль, янтарь, слюда и др. ; синтетические полимеры – политетрафторэтилен, полистирол, полипропилен, поликарбонаты и др,; неорганические материалы – сера, сульфид цинка, стекла. В зависимости от метода получения различают следующие типы электретов:
термоэлектреты получаются в результате нагрева до температуры плавления кристаллических или размягчения аморфных тел с последующим охлаждением в сильном электрическом поле;
короноэлектреты – воздействием коронным разрядом в газовом промежутве между поверхностью диэлектрика и электродом;
фотоэлектреты – одновременным воздействием света и постоянным электрическим полем;
хемоэлектреты – электризацией в электрическом поле в процессе химических превращений;
радиоэлектреты – воздействием пучком заряженных частиц высокой энергии;
механоэлектреты – воздействием механических нагрузок, сопровождающимися контактной электризацией;
трибоэлектреты – воздействием трением, сопровождающимися контактной электризацией.
По агрегатному состоянию все диэлектрики делятся на твёрдые, жидкие и газообразные.В особую группу выделяют твердеющие материалы,т. е. при изготовлении изоляции эти материалы находятся в жидком состоянии, а при эксплуатации в твёрдом (пластмассы, лаки, битумы, компаунды). По химической природе электроизоляция делится на органические и неорганические, элементоорганические. К органическим веществам относятся соединения углерода, содержащие водород, кислород, азот, галогены. К неорганическим относятся вещества, содержащие фосфор, кремний, алюминий.
В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.
Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.
Полярные (дипольные) диэлектрики — это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы и др.
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
С древних времен люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их. Вся история существования человечества связана с освоением различных материалов: каменный век сменился медно-каменным, затем бронзовым и железным веками. На очереди, вероятно, алюминиевый век, так как запасы алюминия в земной коре значительно превосходят железо. Изготовив первые орудия труда из камня, человек освоил плавление и литье меди, оловянной бронзы. Применение каменного угля вместо древесного в качестве топлива при плавлении руд и открытие коксования каменного угля способствовало ускоренному развитию плавки чугуна. Затем расплавленный чугун был впервые превращен в сталь. Научные открытия в области химии и металловедения способствовали созданию новых сплавов. После открытия бензола началось развитие новой отрасли промышленности, вырабатывающей синтетические конструкционные материалы. Новый материал бакелит стал первым продуктом производства пластических масс. Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет число сплавов, обладающих коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, особыми магнитными свойствами, «памятью» механической формы. Создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники, аморфные и космические сплавы. Сегодня научнотехнический прогресс требует создания новых материалов, работающих в условиях сверхвысоких температур и давлений.
ВКЛАД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские ученые. Появление новых материалов, научно-технический прогресс в этой области основаны на работах этих ученых. Основоположниками в данной области науки являются М.В. Ломоносов, П.П. Аносов, Д.К. Чернов, И.П. Бардин, М.А. Павлов, С.С. Штейнберг, Н.А. Минкевич, А.М. Бутлеров, С.В. Лебедев и многие другие. 2. Краткий исторический обзор применения материалов…Введение в предмет «Материаловедение» 12 М.В. Ломоносов работал в различных областях науки. Он впервые создал теоретические основы металлургии, исследовал строение и свойства стали. Д.К. Чернов исследовал свойства полиморфизма железа, открыл критические точки (температуры) фаз превращения стали, разработал теорию кристаллизации стального слитка, всемирно признан ос- новоположником научного металловедения. П.П. Аносов заложил основы металлографии, раскрыл секреты получения булатной стали. Его фундаментальный труд «О булатах» был опубликован в России в 1841 г. М.А. Павлов разработал теоретические основы доменного процесса получения чугуна. А.М. Бутлеров создал научную основу получения синтетических полимерных материалов. С.С. Штейнберг и Н.А. Минкевич работали в области теоретических основ термической обработки металлических сплавов. С.В. Лебедев разработал теорию получения синтетического каучука. Огромное влияние на изучение металлов имело открытие периодического закона Д.И. Менделеева. В 1960 г. Е.С. Федоровым была выдвинута гипотеза о том, что в кристаллах существует закономерное расположение атомов. Экспериментально эта гипотеза была подтверждена М. Лауэ с помощью рентгенографического анализа.