Характеристики композиционных материалов

Конспект лекций

по дисциплине:

,,Электротехнические материалы,,

для курсантов 2-го курса

специальность:

5.07010407 ,,Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов,,

Конспект лекций розработал

преподаватель МКТФ ОНМА

Артюх М.В.

Рассмотрено и утверджено

на заседании цикловой комиссии,,Э.Э. и А.С,,

протокол №____от__________20___ года

Председатель цикловой комиссии

______________ Янишкевич В.С.

Одесса 2010

Лекция 1.

Тема: Введение. Роль электротехнических материалов.

План лекции :

1. Обзор современных электротехнических материалов.

2. Общая классификация электротехнических материалов.

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест.

Надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов.

Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

Все материалы, применяемые в электротехнике, по своим электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Различаются эти материалы по величине электросопротивления, по характеру изменения его при нагреве и по типу проводимости.

Проводники – удельное электросопротивления в пределах 10^-6 до 10^-3 Ом на см, при нагревании увеличивается. Используются для проводников постоянного и переменного тока, как материалы с малым переходным электросопротивлением, для элементов сопротивления, нагревательных элементов, контактов.

Полупроводники – удельное электросопротивление в пределах 10^-3 до 10⁺¹⁰ Ом на см, при нагреве уменьшается. Используются для выпрямления, усиления, превращения различных видов энергии в электрическую.

Диэлектрики – удельное электросопротивление в пределах 10⁺¹⁰ до 10⁺¹⁸ Ом на см, используются как изоляторы.

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислить группы, на которые делятся электротехнические материалы.

2. Дать общую характеристику проводниковым, полупроводниковым, диэлектрическим и магнитным материалам.

Лекция 2.

Тема: Основные типы электротехнических материалов.

План лекции :

1. Основные материалы используемые в энергетике.

2. Композиционные материалы.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. 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. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, 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. Рассмотрим, например стеклопластик. Он состоит из волокон стекловолокна, пропитанных полимером, обычно эпоксидным полимером. Основное достоинство этого материала - высокая механическая прочность. Прочность эпоксидного компаунда недостаточно велика, этот материал достаточно хрупок. Прочность стеклянного волокна - значительна, но у него хрупкость также значительна. После пропитки волокон и последующей полимеризации прочность стеклопластикового стержня на разрыв не уступает прочности волокон, тогда как хрупкость у стержней в принципе отсутствует.

Основными характеристиками материалов являются электропроводность или обратная величина - сопротивление, плотность, механическая прочность при различных нагрузках, теплоемкость, теплопроводность. Для диэлектрических материалов наиболее важны удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.

Характеристики композиционных материалов

Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характеристиками, в том смысле что они описывают потоки (зарядов, вещества, тепла, электрического поля) в зависимости от сил, вынуждающих эти потоки.

Например плотность тока связана с градиентом потенциала через проводимость:

Индукция связана с градиентом потенциала через диэлектрическую проницаемость:

Поток тепла связан с градиентом температуры через теплопроводность

Существует достаточно большое количество выражений для вычислений обобщенной проводимости композиционных материалов (диэлектрической проницаемости, теплопроводности, диффузии и электропроводности) в различных случаях. Кроме того, теоретически получена группа оценок сверху и снизу, причем при использовании дополнительной информации о частицах, среде и характере их взаимодействия интервал между оценками можно сделать достаточно узким.

Для оценочных расчетов более удобен способ непосредственного вычисления обобщенной проводимости, исходя из характеристик компонентов. Поскольку нас интересует, в первую очередь, диэлектрическая проницаемость и электропроводность, при использовании известных выражений, полученных для расчета других видов проводимости будем заменять соответствующие физические характеристики на нужные.

Здесь нужно ввести еще два понятия о структуре. Существуют две принципиально различные структуры: матричная и взаимопроникающая.

Структура является матричной, если по одному из компонентов можно попасть в любую точку этого компонента, не пересекая границ раздела компонент.

Такая компонента называется дисперсионной фазой, или матрицей композиции. Компонента, частички которой окружены дисперсионной компонентой называется дисперсной фазой, или наполнителем.

Например, частички сажи в полиэтилене. Полиэтилен является матрицей, частички сажи - наполнителем. Другой пример - молоко. Вода является дисперсионной средой, микрокапельки жира в ней - дисперсной фазой.