материала увеличивается в 20 раз.
Для быстрой оценки предела прочности без разрушения часто используют пробу
на твердость.
Твердость – это способность материала противостоять проникновению в него
другого тела. Твердость определяется методом царапания или методом
вдавливаия каменного шарика (твердость которого повышена термообработкой).
В инжинерной практике используют пробу Бренеля, вдавливая в поверхность
каменный шарик. Твердость по Бринелю HB=F/S F – максимальное значение
приложенной нагрузки, S – площадь сферической поверхности отпечатка.
Термостойкость – стойкость термических удатов те срапроивление разрушению
при быстрой смене температур.
Ее оценивают по числу термоциклов, необходимых ля разрушения образца.
Химическая стойкость – стойкость против коррозии (разьедание, разрушение
под действием среды). Характеризуют либо массой вещества, притерпевающей
химическое изменение за какое – либо время, либо измением других свойств.
Иногда выделяют стойкость против биологического воздействия те
сопротивление разрушению микроорганизмами.
Глава 2
Конструкционные материалы
§1 Характеристика основных классов.
Отличительной особенностьюновых направлений техники является интенсификация
рабочих процессов, что связано с ростом рабочих t и давления, ускорением
электрических превращений. В связи с эим конструкционные материалыдолжны
обладать механической прочностью, огнеупорностью, хим и терм стойкостью.
Материалы, обладающие при высокой t сверхпроводниковыми, диэлектрическими и
оптическимии свойствами называются конструкционными.
В настоящее время выделяют 4 осноных класса кострукционных материалов:
. Металлы и их сплавы
. Материалы на основе полимеров
. Камни(природные), искуственные в тч керамика, стекло
. Композиты этих материалов
Для материалов и сплавов характерны пластичность и электропроводность,
хорошая механическая прочность, но низкая химическая стойкость (легко
окисляются при нагревании и плавяться или испаряются)
Основным достоинством полимеров и материалов является химическая стойкость,
легкость, сравнительная дешевизна, электроизоляционные свойства. Пласмассы
могут быть получены в виде тонких нитей и пленок, однако легко разрушаются
при нагревании и имеют относительно низкую прчность.
В электрической технике используют как природные камни(мрамор для
электрощитов), так и искуственные: бетон(крупно и мелко зернистый),
керамику, стекло.
Бетон используют для массивных элементов конструкций (опор ЛЭК),
мелкозернистый бетон исползуют в частности для крепления электроизоляторов
стержневых и подвесных.
Керамика - неорганический материал, полученный консолидацией
неметаллических частиц. Их консолидацию можно достичь либо стеканием
(обжигом), либо минеральными вяжущими веществами, например цементом(с
учетом этого определения бетон можно рассматривать, как безобжиговую
керамику).
Неорганическое стекло – это гомогенная масса, полученная при столь быстром
охлаждении расплава минералов, что не успевают образоваться центры
кристаллизации. Промежуточное положение м/у стеклом и керамикой –
стеклокерамика(ситаллы), в которой успевают образоваться отдельные центры
кристаллизации. Стеклокераммические материалы отличаются от некоторых
стекол более высокой ударопрочностью, твердостью, огнеупорностью.
§2 Сплавы, диаграммы состояния двухкомпонентного сплава.
Как конструкционный материал металлы в чистом виде почти не
используют. Материалы и сплавы принято делить на черные и цветные.
Черные - железо, никель, хром, марганей и их сплавы: сталь, чугун.
Цветные – медь, свинец, цинк, алюминий олово и их сплавы: бронза, латунь,
алюминиевые сплавы и тд
Сплав – вещество, полученное сплавление двух иди более элементов, которые
называют компонентами.
Фаза – однородая по химическому составу и структуре часть сплава. А и В их
химическое соединение, жидкий или твердый раствор А в В или В в А.
Твердый раствор образуется при проникновении атомов одного компонента в
кристаллическую речетку другого, называемого растворителем.
Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от
температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси
ординат, концентраци по оси абцисс
При охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике
изменения T во времени (рис 2)
Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при Tплавления (1 и 6
кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…
Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF
- линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия
перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре
перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS - линия
превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки
кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной
растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe? от температуры).
§3 Классификация электротехнических метериалов.
ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и
радио технике.
Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.
3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.
Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению
относительной магнитной проницаемости
[pic], где В – магнитная индукция
Н- напряженность магнитного поля
(0 – магнитная постоянная
Слабомагнитные материалы (((1):
1. Диамагнетики
2. Парамагенитки
3. Антиферромагнетики
Диамагнетики – вещества с ((Fe d 106-1011 раз)
Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла
(ВаО*6Fe2O3 – барриевый феррит)
Достоинства ферритов : У них из-за высокого ( потери на вихревые токи в
высокочастотных электромагнитных полях(108 Гц) малы.
Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от
напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.
Петля Гистерезиса:
1 - Кривая намагничивания
2-3 Петля Гистерезиса
Площадь петли характеризует потери энергии за 1 цикл перемагничивания на
необратимое смещение градиц доменов и др процессы. Значение Вr при Н=0
называется остаточной нидкуцией. З начение Нс при В=0 – коэрцетивная
(заднрживающая ) сила.
По величине Нс магеники делят на:
1. магнтомягкие Нс4 к A/м
Помимо них бывают еще магнитные материалы спциального назначения.
[pic]
3.2 Сильно магнитные материалы.
Типичные виды магнитомягких материалов:
1. Технически чистое железо (сплав Fe и C 0,05%)
2. Электротехническая сталь (сплав Fe и C<0,8% и кремния 0,5%) Количество
Si определяет удельное сопротивление стали.
3. Пермаллой – сплав Fe c никелем < 80% или Fe C Ni c Co и с добавьением
малибдена, хрома и других элементов.
Из чистого железа, электротехнической стали, пермаллоя делают сердечники
магнитов и трансфориаторов.
4. Магнитдиэлектрик – диэлектрик с внедрением в него частиц мягкомагнитного
материала
5. Ферриты, например марганцево – цинковые. Их, как и магнитодиэлектрики
испльзуют на высоких частотах тк вихревые токи в них малы
6. Альсифер (Al 6% Si 10% Fe) по магнитным свойствам не уступают
пермаллою, хотя и не содержат диффицитных материалов (Ni Co малибден). Из
него делают частицы магнитодиэлектрика. Извесны следующие магнитотвердые
материалы, используемые как постоянные магниты:
1) мантрситная сталь, которая содержит добавки хрома, вольфрама, кобальта
(для ее получения необходимо быстрое охлаждение)
2) сплав Кунифе (50% Сu 20% Ni 20% Fe)
сплав Кунико (50% Сu 21% Ni 20% Сo)
3) магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала, его
наносят например на ленту для записи информации.
4) Магнитотвердые ферриты (бариевый ферит BaO6Fe2O3)
Магнетики специального назначения делят на 6 групп
1) сплавы с высокой магнитострикцией (сильная деформация в магнитном поле)
Например 54%Pl ;46%Fe или 50%Co и 50%Fe
Чистый никель и его сплавы имеют высокую магнитострикцию, используемую в
генераторах звуковых колебаний.
2) Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости (
при изменении напряженности магнитного поля H. Например : сплав железа,
никеля и алюминия.
3) Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости ( от
T(термомагнитные сплавы). Например, из сплава 70% никеля и 30% купрума
делают сопротивление для компенсации температурной погрешности.
4) Магнитные пленки и монокристаллы со спецефическими доменными
структурами. Перемещение полосовых доменов под воздействием внешнего поля
используется в управляемых магнитным полем дифракционных решетках.
5) Магнитная жидкость. На рис. Приведена схема магнито-жидкосного
герметезатора.
М/у разделяемыми областями А и В есть 2 магнитных диска 1. Один из них
заострен. М/у дисками установлен постоянный колцевой магнит 2,
намагниченный в осевом направлении. Тк гермитизированный вад 3 изготовлен
из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, которая замыкает
магнитный поток 4. Магнитная жидкость 5 втянута в обасть самого сильного
магнитного поля те в зазор м/у валом и заостренной кромкой одного из дисков
1. Они образуют кольцо, разделяющее области А и В
6) Магнто-оптические материалы.
Например для записи лазером, изменяющие магнитные свойства компакт дика при
записи.
3.3 Классификация по поведению в магнитном поле.
Каждой орбите электрона твердого тела соответствуетсвое значение энергии. W
– энергетический уровень. Из-за притяжения ядра электроны полностью
заполняют нижние энергетические уровни те орбиты ближайшие к ядру, а
верхние энергтические уровни остаются свободныим(см рис).
Зонная диаграмма.
I – зона проводимости
II – запрешенная зона
III – валентная зона
( - электрон
1 – уровни возбужденного состояния электрона
2 – нормальные уровни
Энергетические уровни, заполненние эектронаминазывают валентной зоной
(III). Что бы вырвать электрон из этой зоны и вовлечь его в поток зарядов,
необходимо сообщить электрону энергию, те перевести в зону проводимости(в
свободную зону I).
Энергетическуюцель м/у валентной зоной и зоной проводимости называют
запрещенной зоной ( W (зона II). В зависимости от значений (, (( , ( W
веществ при атомном давлении делят на проводники, полупроводники и
диэлектрики.
( [Ом*м] – удельное электрическое сопротивление.
(( = [pic] - температурный коэфициент удельного сопротивления
[pic] - удельная электрическая проводимость
Один и тот же материал в зависимости от условий его использования может
являться и проводником и полупроводником и диэлектриком. Например, металлы,
являющиеся в твердом состоянии проводниками, оказываютс ядиэлектриками в
газообразном.
§4 Диэлектрики.
Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением ((108 Ом*м при t=20єC и
нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его
способность к поляризации.
Поляризация – процесс ограниченногосмещения или ориентации связанных
электрических зарядов в теле под действием электрического поля, который
происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности
материала у электронодов (см рис)
Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора
При этом образец пиобретает полярность. Отсюда термин – поляризация. На
практике мерой поляризации служит относительная диэлектрическая
проницаемомть [pic], где С и С0 – емкости кондесатора с диэлектриком и без
него соответственно. EA – абсолютная проницаемость дилектрика E0 –
диэлектрическая проницаемость вакуума.
При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами
(неполярными диэлектриками)
E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40
Диэлектрики делят на пассивные и активные:
Пассивные диэлектрики сохраняют свои свойства при внешних воздействиях
Активные сильно меняют свои свойства.
Пассивные диэлектрики используют в качестве электрической изоляции в
обычных конденсаторах. Электрическая изоляция препятствует прохождению тока
нежелательным путем.
Широко примееняют следующие активные диэлектрики :
1. Пъезоэлектрики – Значение их E сильно зависит от механических напряжений
(например кристаллический кварц). Пьезоэлектрики используют для
стабилизаторов частоты, фильтров с высокой избирательной способностью
2. Пироэлектрики – Значение их E сильно зависит от температуры(например
LiNbO3). Использут в датчиках температуры.
3. Сегнетоэлектрики – Значение E сильно зависит от напряженности
электрического поля, что используют в варикондах (переменных емкостях).
Наличие петли Гистерезиса в переменном электрическом поле – основное
свойство сигнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков
(Титонат бария BaTiO3 и материалы на его основе). Поляризованные
сигонтоэлектрики используют в качестве пъезоэлектриков.
Зависимость заряда q отнапряжения U и электрической проницаемости E от
температуры T сигнетоэлектрика.
Точка B соответсткует насыщению – вседлины ориентированны по полю. Важным
параметром сигнетоэлектрика является точка Кюри Tk - температура, при
которой диэлектрическая проницаемость E мксимальна.
4. Электреты – электрические аналоги постоянных магнитов – десятки лет
сохраняют постоянный заряд, создающий в окружающем пространстве
электричесое поле. Один из способов их получения – “бомбардировка”
заряженными частицами поверхности диэлектрика.
5. Жидкие кристаллы – органические жидкости с сильно вытянутыми нитевидными
молекулами, одинаково ориентированными. Внешнее электричекое поле меняет
направление их ориентации и тем самым прохрачность жидкого кристалла,
часто используют в индикаторах.
6. Лазерные диэлектрики с резонаторми генерируют когерентное излучение, при
этом возбужденные атомы теряют энергию те электроны переходят с верхнего
энергетического уровня на нижний. Например твердый диэлектрик лазера
(ZnO,Al2O3, SiO2 и др)должен быть прозрачным на частоте возбуждения
генерации, оптически однородным, твердым для тщательной полировки и
обладать высокой проводимостью.
4.1 Виды поляризации.
Существуют 4 основных вида поляризации:
Электронная поляризация, ионная, дипольная, спантанная.
1. Электронная – упругое смещение электронов в атомах и ионах(см рис)
Орбиты электрона в атоме водорода: 1 - в электронном поле, 2 – при
отсутствии внешнего поля ъ
Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов
добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10-14 – 10-15) и поэтому
не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время
поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10-
14 – 10-15Гц)
Зависимость диэлектрической проницаемости E от частоты электрического поля
f
При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема
в следствии чего поляризация ослабевает.
Зависимость E(T) для вещества сэлектронной (а) и ионной(б) поляризацией
1 – вещество в твердом состоянии
2 – вжидком
3 – в газообразном
Значение E веществ, имеющих электронную поляризацию (неполярные
диэлектрики, например - полистирол ), численно равно квадрату показателя
преломления света
Согласно теории Максвелла скорость света (электромагнитной волны) в пустоте
[pic]
Где E0 и (0 – электрическая и магнитная постоянные.
Скорость электромагнитной волны в веществе V=[pic]. Отношение [pic] -
показатель преломления n, следовательно, n=[pic]. В связи с тем, что
большинство диэлектриков материалы немагнитные и для них ((1, то n2=E.
2. Ионная поляризация – смещение ионов в узлах кристаллической решетки
электрическим полем за время t=10-12 – 10-13 (ионы тяжелее электронов).
Она не зависит от частоты до f=1012-1013Гц.
С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового
расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому
поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой.
К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.
Электронная и ионная поляризации – это быстрый сдвиг зарядов, независящий
от частоты электрического поля до частоты f. Потери энергии при этом
пренебрежимо малы.
3. Дипольная (ориентационная) поляризация – поворот диполей, находящихся в
хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10-6-10-8 сек.
Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в
воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление
трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика
При частоте 106-108 Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и
остается только электронная поляризация. Зависимость дипольной поляризации
от температуры см на рисунке.
При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и
электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С
увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают
поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры
плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается. Часто
строят зависимость Е от дух факторов: частоты и температуры(рис 5б). После
снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает по экспоненте из-
за теплового движения.
4. Спонтанную поляризацию наблюдают в веществах, называемых
сигнетоэлектриками(по названию сигнетовой соли, первого вещества, в
котором была обнаружена эта поляризация), например в титанате бария и
титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в
кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи
ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого
электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При
воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно
ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.
4.2 Электропроводность диэлектриков.
Электопроводность твердого диэлектрика обусловлена движением свободных
электронов, а так же движением ионов из узлов решетки (собственная или
высокотемпературная электроповодность) или ионов примесей в диэлектриках с
ковалентной связью (примесная электропроводность).
В отличье от электронной ионная теплопроводность, например, в органческих
полимерах сопровождается переносом вещества. В этом случае удельную
проводимость находят по формуле
[pic], где Ai и Bi – коэфициены для каждого типа ионов в донном
диэлектрике.
По мере изменения температуры в этой формуле приволибуют отдельные
слагаемые, позволяющие пренеюрегать остальными. Поэтому зависимость
log[pic] от 1/T можно минеаризировать, например, двумя прямыми.
Отрезок стева от (.) O справедлив для высокотемпературной или собственной
проводимости; Отрезок справа от (.) O справедлив для низкотемпературной или
примесной проводимости. Участок собственной проводимости воспроизводим для
данногосоединения. Участок примесной проводимости зависит от концентрации
примесей: чем больше концентрация, тем выше проводимость при тех же
температурах.
После подачи на диэлектрик постоянного напряжения прибор фиксирует
выпадающий ток , называемый током утечки.
Изменение тока утечки во времени после подачи посточнного напряжения на
диэлектрики.
Страницы: 1, 2
