ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 ПРАКТИЧНЕ ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Мета роботи: вивчення основних властивостей і зовнішнього вигляду електротехнічних матеріалів.
1.1 Основні теоретичні відомості
Можливість і ефективність використання певних електротехнічних матеріалів при визначених умовах експлуатації залежить від їх фізико-механічних, технологічних та електричних властивостей.
У роботі вивчається зовнішній вигляд електротехнічних матеріалів, що представлені на стендах. Нижче розглядаються їх основні властивості, переваги та недоліки, особливості виробництва та використання.
1.1.1 Полімери (або смоли), які мають лінійну будову молекул та їх характеристики
Ці смоли термопластичні і переробляються найпрогресивнішими методами у вироби, тобто технологічні. Вони здатні витягуватися в волокна, з них можна виготовити широкий асортимент плівчастих виробів. Вони мають достатню механічну міцність і використовуються часто у вигляді чистих смол без наповнювачів.
Майже всі представники термопластичних полімерів є волого- і тропікостійкими, тобто тривкими до розвитку мікроорганізмів. Винятком є пластифіковані матеріали на базі цих полімерів, оскільки сам пластифікатор часто виявляється поживним середовищем для мікроорганізмів.
Радіоактивне опромінення лінійних термопластичних смол невеликими дозами призводить, як правило, до підвищення теплостійкості, твердості, крихкості, до погіршення електричних характеристик. Великі дози радіації викликають деструкцію цих смол. Особливо низькою радіаційною стійкістю характеризуються фторопласти, ефіри целюлози, органічне скло.
Фторопласт-4 – нейтральний, тобто з симетричною молекулою, молочно-білого кольору полімер з жирнуватою та м'якою поверхнею, не горить, не фарбується.
Він має відмінні електричні характеристики: Епр=40–60 (в тонких плівках до 250) МВ/м; tgδ=10-4; ε=1,8–2,2; ρv=1016 Ом×м;
робочі температури -70°С – +200°С.
Недоліками фторопласта-4 є висока густина (2200 кг/м3), низька радіаційна стійкість і так званий “холодний плин”. Фторопласт-4 роздавлюється при тривалому статичному навантаженні. Серед переваг необхідно відзначити вологостійкість, тропікостійкість, хімічну стійкість.
Поліетилен – нейтральний полімер з тими ж поверхневими характеристиками. Горить, фарбується, має високу хімічну стійкість, вологостійкий, тропікостійкий.
Електричні характеристики близькі до характеристик інших лінійних полімерів.
Епр=40–60 (в тонких плівках до 120) МВ/м; tgδ =10-4; ε =2,4; ρv=1016 Oм×м.
Він має непогані механічні характеристики. Діапазон робочих температур -70°С – +120°С.
Деталі з поліетилену з'єднують зварюванням.
Полістирол – полярний лінійний полімер, безбарвний, легко фарбується. Має тверду поверхню, легко полірується. Полярність його молекули викликає бензолове кільце-радикал, крупне і малорухоме в електричних полях. Тому за властивостями полістирол близький до нейтральних лінійних полімерів.
Епр=20 МВ/м; tgδ=10-4; ε=2,2–2,4; ρv=1016 Ом×м.
Полістирол стійкий до дії лугів та кислот, але нестійкий до ароматичних та хлорованих вуглеводнів, завдяки чому на основі полістиролу виготовляють лаки і клеї. Діапазон робочих температур -40°С
– +85°С.
Поліамідні смоли – мають лінійну будову молекул, відмінні ливарні якості. При холодному протягуванні поліамідів одержують волокна з дуже високою міцністю. Вони є стійкими до дії багатьох органічних розчинників. Під дією вологи, світла, тепла та під впливом електричного поля полімери старіють, збільшується їх схильність до розтріскування. Їхні
електричні характеристики:
Епр=18–23 МВ/м; tgδ=10-12; ε =3,7–3,9; ρv=1014 Ом× м.
Діапазон робочих температур -40 °С – + 100 °С, в маслах можуть працювати до 140°С.
Полівінілхлорид використовують у двох модифікаціях:
- без пластифікатора – вініпласт;
- з пластифікатором – пластикат.
Вініпласт є твердим, механічно міцним матеріалом. Пластикат – гнучкий, з нього виготовляють плівкові вироби, ізоляції дротів та кабелів.
Полівінілхлорид має високу хімічну стійкість та вологостійкість. Він є
полярним, його електричні характеристики:
Епр=30–40 МВ/м; tgδ =10-2; ε = 4–6; ρv=1014 Ом× м.
Діапазон робочих температур -10°С – +60 °С.
Органічне скло – полярний полімер, що легко фарбується і полірується. Найчастіше його використовують для виготовлення установчих деталей. Органічне скло легко розчиняється в хлорованих вуглеводнях (діхлоретані, чотирихлорному вуглеводні) і є сильно
полярною речовиною.
Епр=25–30 МВ/м; tgδ =10-2; ε =3,7; ρv=1012 Ом×м.
Діапазон робочих температур -80°С – +80°С.
Лавсан – використовують у вигляді плівки та волокон. Він має високу механічну міцність та широкий діапазон робочих температур (-80°С –
+160°С). Його електричні показники в плівці такі:
Епр=30–120 МВ/м; tgδ =10-2; ε =3,5; ρv=1014 Ом×м.
Вологостійкий та тропікостійкий, при підвищених температурах легко окислюється.
Еластоміри (каучук та гума). Ці матеріали названі так тому, що при розтягуванні легко подовжуються, а після вивільнення повертаються до початкових розмірів і форми, тобто вони еластичні. Залежно від складу та технології виготовлення вони можуть мати такі властивості:
Епр=20 – 30 МВ/м; tgδ=0,1–0,0005; ε=2,5–7; ρv=1015 Ом×м.
Діапазон робочих температур від -60°С до +220°С.
1.1.2 Термореактивні матеріали та їх характеристики
Преспорошки та шаруваті пластики – це пластмаси, з використанням як наповнювача подрібнених порошків та волокон органічних або неорганічних речовин чи паперу та волокон органічного й неорганічного походження, що можуть бути складені шарами (шаруваті пластики). Для зв'язування використовують термореактивні та термопластичні смоли: фенолформальдегідні, поліефірні, епоксидні, кремнійорганічні.
Всі ці пластмаси мають високу теплостійкість – до 150°С-200°С (а на базі азбестових волокон та кремнійорганічних смол – до 300°С) і характеризуються високою хімічною стійкістю та електричними характеристиками:
Епр=20–30 МВ/м; tgδ =0,01–0,5; ε =5–6; ρv=1012 Ом×м.
Папір, картон, фібри – належать до волокнистих матеріалів. Ці матеріали складаються з целюлози, що визначає їх основні переваги та недоліки. Вони легко окислюються, старіють при підвищених температурах, горючі. В непросоченому виді гігроскопічні, а при зволоженні знижують свою механічну міцність. Сухий, непросочений конденсаторний папір має такі електричні властивості:
Епр до 40 МВ/м, а просочений – до 300 МВ/м, tgδ =0,03; ε =3,7.
Менш цупкі види паперу (кабельний, намотковий) і картон мають набагато нижчу електричну міцність.
Епр = 15–45 МВ/м, а діелектричні втрати в 5-10 разів вищі порівняно з конденсаторним папером.
Крім електричних характеристик папір характеризується добрими механічними властивостями (особливо вздовж рулону). Його вартість невисока. Текстильні матеріали (нитки, тканини) мають, як правило, високу гнучкість, міцність на розривання, але дуже гігроскопічні і горючі. До негорючих неорганічних текстильних матеріалів належать скло та азботканина. Для покращення механічних, хімічних, теплових характеристик та вологостійкості текстильні матеріали просочують різними лаками (лакотканини).
Світлі лакотканини мають більш високу хімічну стійкість і теплостійкість (до 120°С). Чорні лакотканини (на бітумних лаках) мають кращі електричні характеристики, їх електрична міцність Епр сягає 70 МВ/м, тоді як у світлих тканинах не перевищує, здебільшого, 30 МВ/м. До групи неорганічних ізоляційних матеріалів належать скло, керамічні матеріали, сітали, азбест та матеріали на їх основі. Всі вони є складними системами різних оксидів, при цьому у склі оксиди об'єднані квазіізоморфною структурою.
Електротехнічне скло – залежно від складу може мати такі властивості:
tgδ=0,0002–0,01; ε=4–16; ρv=1015 Ом×м.
Поверхнева провідність сильно залежить від вологості навколишнього середовища, оскільки більшість типів скла має низьку гідролітичну стійкість (їх інколи називають частково розчинними у воді діелектриками). Електрична міцність скла залежить від складу. Великий вплив чинять газові включення, які різко зменшують Епр. В однорідному постійному полі електрична міцність скла може сягати 500 МВ/м.
Сітали – близькі за властивостями до скла, проте мають набагато меншу крихкість та дещо кращі електричні властивості порівняно зі склом того ж складу. Крім того, їх поверхня відмінно полірується та добре змочується металами, що дозволяє використовувати їх як підкладки для мікросхем, тим більше, що, змінюючи їх склад, можна одержати сітали з коефіцієнтами лінійного розширення близькими до коефіцієнтів лінійного розширення металів.
Матеріали на базі азбесту використовують в електротехніці у вигляді стрічок, пряжі, тканин, паперу, картону, азбоцементу тощо. Особливістю азбестових волокон є те, що до температури +500°С азбест зберігає механічну міцність, тоді як органічні волокна руйнуються при більш низьких температурах.
Керамічні матеріали представлені практично всіма типами цих матеріалів: пасивною, активною, установчою та конденсаторною кераміками.
Низькочастотна кераміка (високовольтний фарфор) відрізняється від інших видів установчої кераміки більшою пористістю, більшими втратами (tgδ=10-2) та має проходити глазурування.
Епр=20–30 МВ/м; ε=6.
Високовольтні високоякісні види установчої кераміки (стеатит, ультрафарфор, алюміноксид) не завжди глазуруються. Їх електричні характеристики:
Епр=30 МВ/м; tgδ=10-4; ε=6-9.
Сегнетокераміка відрізняється великим ε=1500–7500, tgδ=0,03, Епр=5МВ/м. Використовують її для виготовлення малогабаритних конденсаторів, варікондів, у системах пам'яті ЕОМ.
Слюди: мусковіт (прозора) і флюгопіт (темна, непрозора) відрізняються анізотропією властивостей, легко розшаровуються на тонкі лусочки, мають високу теплостійкість.
Електричні властивості мусковіта:
Епр до 300 МВ/м; tgδ=10-4; ε=7;
флюгопіта:
Епр до 60 МВ/м; tgδ=10-2; ε=9.
Матеріали на основі слюди представлені міканітами, мікалексом, слюдотермом. Ці матеріали характеризує велика неоднорідність і більш низькі електричні властивості.
У мікалекса:
Епр до 20 МВ/м; tgδ=10-2; ε=6–8; ρv=1012 Ом×м.
У міканітів:
Епр до 45 МВ/м; tgδ =10-2; ε =6–8; ρv до 1014 Ом×м.
У слюдотерма:
Епр до 30 МВ/м; tgδ=10-2; ε =6; ρv до 1013 Ом×м.
1.1.3 Провідникові, напівпровідникові і магнітні матеріали та їх характеристики
Електровугільні вироби одержують змішуванням сажі, природного графіту або антрациту зі зв’язувальною речовиною. Вони мають питомий електричний опір до 100 мкОм×м, від’ємний температурний коефіцієнт питомого опору. Вугільні вироби працездатні до температур +3000°С в нейтральних атмосферах чи в вакуумі та до +400°С на повітрі. Матеріали на основі вуглецю використовують для виготовлення електродів, резисторів, щіток колекторних електричних машин.
Мідь та її сплави високої провідності. Мідь має низький питомий електричний опір – 0,0017 мкОм×м, що поступається тільки показникам срібла та золота. Добре обробляється, краще за залізо чинить опір корозії, легко зварюється і загартовується. Проте вона дорога, має високу густину і часто не задовольняє вимоги до механічної міцності. Її ζв=280 МПа. Кращі механічні властивості мають сплави міді: бронза та латунь. Бронзи (берилійові та кадмієві) можуть мати ζв=1350 МПа. Латуні (сплав міді та цинку) добре піддаються деформуванню (прокатуванню, протягуванню тощо), мають високу міцність (ζв = 300...600 МПа).
Алюміній має більш низькі, порівняно з міддю, механічні та електричні властивості. Його ρv=0,029 мкОм×м, а ζв=80–160 МПа. Проте він у 3,5 раза легший за мідь та менш дорогий. Його сплави мають вищу міцність (ζв до 350 МПа) і дещо більше значення питомого електричного опору ρv=0,031 мкОм×м.
Вольфрам відрізняють від інших металів високі робочі температури (більше +2000°С) та висока міцність волокна (ζв до 600МПа). Використовують його для виготовлення контактів, які характеризуються малим механічним зношуванням, високою твердістю, високим опором електричній ерозії тощо.
До сплавів міді високого опору відносять:
Манганин – сплав міді з марганцем та нікелем – має робочу температуру до 200°С, добрі механічні властивості (ζв до 600 МПа) і високе ρv до 0,48 мкОм×м.
Константан – сплав міді з нікелем – має високе ρv до 0,52 мкОм×м, того ж порядку механічну міцність та робочу температуру до 450°С.
Напівпровідники Германій має нешироку заборонену зону (при 20°С до 0,72 еВ), власну концентрацію носіїв 2,5×1019 м-3 і питомий опір при 20°С – 0,47 Ом×м.
Кремній має питомий опір до 2000 Ом×м при ширині забороненої зони 1,2 еВ і власній концентрації основних носіїв до 1016 м-3.
Магнітні матеріали Магнітом'які матеріали
Електротехнічні сталі є найбільш поширеним матеріалом в трансформаторобудуванні. Найчастіше сталі легують кремнієм, вміст якого може досягати 4,8%. При збільшенні кремнію відбувається зростання магнітної проникності, зменшення Нс, ρ і, відповідно, зменшення втрат на гістерезис та на вихрові струми. Проте погіршуються показники механічних властивостей внаслідок зростання крихкості.
Згідно з ГОСТ 21427.0-75 електротехнічні сталі можуть підрозділятися на три групи, за якими відбувається маркування сталей:
- за структурним станом і видом прокатки на класи (перша цифра в маркуванні):
- – гарячекатана ізотропна;
- – холоднокатана ізотропна;
- – холоднокатана анізотропна з ребровою текстурою;
- за масовою часткою кремнію (друга цифра в марці):
- – з масовою часткою кремнію до 0,4% включно (нелегована);
- – з масовою часткою кремнію від 0,4 до 0,8% включно;
- – з масовою часткою кремнію від 0,8 до 1,8% включно;
- – з масовою часткою кремнію від 1,8 до 2,8% включно;
- – з масовою часткою кремнію від 2,8 до 3,8% включно;
- – з масовою часткою кремнію від 3,8 до 4,8% включно.
- за основною нормованою характеристикою на групи (третя цифра в марці):
- – питомі втрати при магнітній індукції 1,7 Тл і частоті 50 Гц;
- – питомі втрати при магнітній індукції 1,5 Тл і частоті 50 Гц;
- – питомі втрати при магнітній індукції 1,0 Тл і частоті 400 Гц для гарячекатаної або холоднокатаної ізотропної сталі і питомі втрати при магнітній індукції 1,5 Тл і частоті 400 Гц для холоднокатаної анізотропної сталі;
- – магнітна індукція в слабких магнітних полях при напруженості поля 0,4 А/м;
- – магнітна індукція в середніх магнітних полях при напруженості поля 10 А/м.
- четверта цифра в марці відповідає порядковому номеру типу сталі.
Приклад: 1521 – 1 – гарячекатана ізотропна; 5 – з масовою часткою кремнію від 3,8 до 4,8% включно; 2 – нормується за питомими втратами при магнітній індукції 1,0 Тл і частоті 400 Гц; 1 – порядковий номер типу сталі.
Пермалої розділяють на високонікелеві (78-80% Nі) та низьконікелеві (40–65% Nі). Вони характеризуються легким намагнічуванням, високим μ (у високонікелевих до 1500000, у низьконікелевих до 60000); невеликими втратами на гістерезис і низькими значеннями коерцитивної сили (до 30 А/м). Їх недоліками є висока вартість, підвищена чутливість магнітних властивостей до механічних впливів, необхідність термообробки після кожної механічної обробки.
Магнітом'які ферити (магнітна кераміка) відрізняються високою магнітною проникністю (від 400 до 20000) і високими ρv=102–1011 Ом×м, що дозволяє їх використовувати у полях до 300 МГц при температурах від
70°С до 180°С.
Магнітодіелектрики є пластмасою з магнітом'яким наповнювачем. Для них ε=15–25. Граничні частоти для магнітодіелектриків на базі карбонільного заліза – до 100 МГц. Робоча температура від -60°С до +100°С.
Магнітотверді матеріали – матеріали для виготовлення постійних магнітів. За способом виготовлення поділяються на:
- литі;
- порошкові (металокерамічні, металопластичні, оксифери і мікропорошки);
- пластично деформовані. Їх коерцитивна сила Нс коливається від 50 до 150 кА/м (у рідкоземельних до 700 кА/м) при залишковій індукції Вr від 0,3 до 1,5 Тл.
1.2 Послідовність виконання роботи
1.2.1 Розглянути зовнішній вигляд матеріалів, розташованих на стендах:
- на першому – полімери (або смоли), які мають лінійну будову; -на другому – термореактивні матеріали та їх характеристики;
-на третьому – провідникові, напівпровідникові і магнітні матеріали.
1.2.2 Описати основні особливості зовнішнього вигляду та властивості всіх розглянутих груп матеріалів.
1.3 Обробка експериментальних даних
На зразках, які вкаже викладач, визначити види матеріалів і дати характеристику їх властивостям, визначити призначення.
1.4 Зміст звіту
1.4.1 Мета та програма роботи.
1.4.2 Порядок виконання лабораторної роботи.
1.4.3 Описати основні особливості зовнішнього вигляду та властивостей усіх розглянутих груп матеріалів.
1.4.4 Висновки за результатами виконаної роботи.
1.4.5 Список використаної літератури.
1.5 Контрольні питання
1.5.1 Фізико-хімічні і механічні властивості діелектриків. Вологісні властивості, механічні властивості, теплові властивості; хімічні властивості діелектриків і дія на них випромінювання високих енергій.
1.5.2 Газоподібні діелектрики.
1.5.3 Нафтові електроізоляційні мастила.
1.5.4 Синтетичні рідкі діелектрики.
1.5.5 Органічні полімери, синтетичні і природні смоли, пластмаси, еластоміри.
1.5.6 Скло.
1.5.7 Керамічні та діелектричні матеріали, фарфор, сегнетокераміка, слюдяні матеріали, азбестові матеріали.
1.5.8 Магнітом’які, магнітотверді та магнітні матеріали спеціального призначення.
1.5.9 Провідникові матеріали, класифікація, матеріали високої провідності, надпровідники, кріопровідники, неметалеві провідники.
1.5.10 Напівпровідникові матеріали. Вплив зовнішніх факторів на їх провідність.
