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 поляризоваться под 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.