Ххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххх

ХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХ

 

          

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Курс лекций по дисциплине

 «Электротехнические материалы»

для студентов дневного, вечернего и заочного отделений

 

Автор: Красницкий Владимир Леонидович,

преподаватель спецдисциплин.

 

 

Рабочая поурочная программа
по дисциплине «Электроматериаловедение»
(Теория – 70 часов)

 

Тема 1 Механические характеристики  ЭТМ (12 часов)

Занятие 1. (2 часа) Назначение и классификация электротехнических материалов

Занятие 2. (2 часа) Механические характеристики материалов

Занятие 3. (2 часа) Характеристики прочности материалов.

Занятие 4. (2 часа) Ударная вязкость, упругость и пластичность материалов

Занятие 5. (2 часа) Хрупкость и усталость материалов.

Занятие 6.(2 часа) Контрольная работа №1 ЭМ У6

Тема 2. Электрические характеристики ЭТМ (8 часов)

Занятие 7  (2 часа) Удельное электрическое сопротивление

Занятие 8. (2 часа) Диэлектрическая проницаемость 

Занятие 9. (2 часа) Электрическая прочность.

Занятие 10. (2 часа) Контрольная работа №2 ЭМ У10

 

Тема 3 Тепловые и физико-химические характеристики ЭТМ  (14 часов)

Занятие 11. (2 часа) Температура плавления и температура размягчения

Занятие 12.(2 часа)Теплостойкость, нагревостойкость и холодостойкость.     

Занятие 13. (2 часа) Температура вспышки паров

Занятие 14 (2 часа) Вязкость.

Занятие 15. (2 часа) Водопоглощение.

Занятие 16. (2 часа) Тропическая стойкость.

Занятие 17. (2 часа) Контрольная работа №3 ЭМ У17

Тема 4. Характеристики проводниковых материалов (12 часов)

Занятие 18.    (2 часа) Проводниковая медь и ее сплавы.

Занятие 19. (2 часа) Алюминий

Занятие 20 (2 часа) Серебро

Занятие 21. (2 часа) Тугоплавкие проводниковые материалы

Занятие 22. (2 часа) Материалы с высоким удельным сопротивлением

Занятие 23. (2 часа) Контрольная работа №4 ЭМ У23

Тема 5. Характеристики изоляционных электротехнических материалов (16 часов)

Занятие 24 (2 часа) Твердые органические  диэлектрики

Занятие 25. (2 часа) Твердые неорганические  диэлектрики

Занятие 26. (2 часа) Лаки и эмали.

Занятие 27. (2 часа) Компаунды

Занятие 28 (2 часа) Жидкие диэлектрики.

Занятие 29 (2 часа) Газообразные диэлектрики.

Занятие 30 (2 часа) Активные диэлектрики

Тема 6. Полупроводниковые материалы  (4 часа)

Занятие 31(2 часа) Германий и кремний   

Занятие 32 (2 часа) Селен и теллур.

Занятие 33 (2 часа) Контрольная работа №5 ЭМ У31

Занятие 34 (2 часа) Зачет

Занятие35 (2 часа) Зачет

 

 

Тема 1 Механические характеристики ЭТМ (12 часов)

 

Занятие 1. (2 часа) Назначение и классификация электротехнических материалов

Топливо

горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжи­гании тепловой энергии.

По происхождению топливо подразделя­ется:

· на природное (нефть, уголь, природный газ, торф, древеси­на)

· искусственное (кокс, моторные топлива и др.).

 

1.1.7.Технологические материалы

 представляют собой большую группу вспомогательных материалов, которые использу­ют для обеспечения выполнения технологических процессов пере­работки основных технических материалов в изделия или нормаль­ной работы оборудования. Такими материалами являются:

· лакокра­сочные материалы,

· клеи и герметики,

· флюсы,

· припои,

· раство­рители,

· моющие материалы,

· антиадгезионные материалы и др.

 

Классификация электротехнических материалов

Электротехнические материалы - это специальные материалы, из которых изготовляют электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок.

Все электротехнические материалы делятся на четыре основных группы:

· электроизоляционные

· проводниковые

· полупроводниковые

· магнитные

 

Твердость материала.

Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого. более твердого тела. Есть несколько методов определения твердости.

 

 Наиболее широкое распространение получили следующие:
— вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля);
— вдавливание вершины алмазного конуса (метод Роквелла);
— вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса).

 

Прочность материала

Прочность материала  - это способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

Материалы испытываются на  сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение, истирание, а также совокупность этих нагрузок.

Прочность материалов характеризуется пределом прочности.

Пределом прочности (МПа) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разру­шение образца. Предел прочности определяют опытным путем, используя при этом гидравлические прессы или разрывные машины и стандартные образцы материа­ла.

 

Рис.3.1.Гидравлические стенды для испытания образцов

 

           

 

Рис.3.2. Испытание образца оконного блока

 

Рис.3.3. Разрушение болта при его растяжении с помощью резьбы и гайки.

 

К основным характеристикам предела прочности относятся:

· разрушающее напряжение при растяжении σ_р.

· разрушающее напряжение при

  сжатии σ_с.

· разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и.

 

 

3.2. Разрушающее напряжение при растяжении σ_р.

Определяется на образцах определенной формы (см. рис. 3. 4.) Образец растягивают в специальной машине с гидравлическим приводом. При разрушении образца фиксируют разрушающее усилие Р.

Разрушающее напряжение подсчитывают по формуле:

 

 

Где: σ_р- разрушающее напряжение при разрыве (Н /м ²)

     Р_р - разрушающее усилие при разрыве образца (Н).

    S - площадь поперечного сечения образца (м ²).

 

Рис.3.4. Испытание образца на разрыв.

 

На рисунке:

1 - образец.

2 - захваты.

 

3.3. Разрушающее напряжение при сжатии σ_с

 

Определяется на образцах, имеющих форму цилиндра или куба. Обычно это цилиндра высотой 15 мм и диаметром 10 мм. Образец располагают между плитами испытательного пресса, к которым прикладывают сжимающую нагрузку до момента разрушения образца.

Разрушающее напряжение вычисляют по формуле:

 

Где: σ _с - разрушаюшее напряжение при сжатии (Н /м ²)

   Р_с - разрушающее усилие при сжатии образца (Н)

  S - площадь поперечного сечения образца (м ²)

 

 

 

На рисунке:

1 - стальные плиты пресса.

2 - образец.

 

 

3.4. Разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и

 

Определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного сечения.  Образец в испытательной машине свободно опирается на две стальные опоры. Изгибающее усилие прикладывается к сере- дине образца через стальной наконечник. Разрушающее напряжение изгиба определяется по формуле:

 

 

Где: σ_и - напряжение при изгибе (Н /м ²)

   Р - разрушающее усилие при изгибе(Н).

    L - расстояние между стальными опорами в испытательной машине (м).

    b - ширина образца (м).

    h - толщина образца (м).

 

 

На рисунке:

· 1 - стальной наконечник.

· 2 - образец.

· 3 - стальные опоры.

 

Для большинства материалов в качестве образца при меняют бруски сечением

10 на 15 мм. и длиной 120 мм.

 

 

Занятие 4.     (2 часа)  Ударная вязкость, упругость и пластичность материалов

Ударная вязкость

 

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

 

Определяется на образцах длиной 120 мм и сечением 10 на 15 мм или сплошных цилиндров. Образец укладывают на две стальные опоры, как при испытании на изгиб и наносят удар стальным наконечником, который падает с определенной высоты.

 

 

Рис.4.1.Разрушение образца на стенде

 

Если образец разрушается, то определяют по прибору величину работы разрушения и вычисляют ударную вязкость по формуле:

 

Где: а - ударная вязкость (Дж /м ²)

    ΔА  - работа, затраченная на разрушение образца (Дж).

     S - поперечное сечение образца (м ²)

  Чем меньше величина ударной вязкости, более хрупок данный материал.

 

Упругость материала.

 

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает.

 

Наиболее простые виды деформации тела:

• растяжение,
• сжатие,
• сдвиг,
• изгиб,
• кручение.

Упругость – это свойство тел восстанавливать свою форму и объем (твердые тела) или только объем (жидкости и газы) после прекращения действия внешних сил.

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости.

Силы упругости препятствуют изменению размеров и формы тела. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. Например, со стороны упруго деформированной доски D на брусок С, лежащий на ней, действует сила упругости F _упр (рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Действие силы упругости.

 

Состояние упруго деформированного тела характеризуют величиной σ, называемой механическим напряжением.

Механическое напряжение σ равно отношению модуля силы упругости F _упр к площади поперечного сечения тела S:

Где: F_упр - сила упругости

S - площадь поперечного сечения тела:

 

Измеряется механическое напряжение в Па: [ σ ] = Н/м² = Па.

 

 

Количественная характеристика упругих свойств материалов - модуль упругости.

модуль упругости численно равен такому механическому напряжению, которое должно было бы возникнуть в теле при увеличении его длины в 2 раза.

Пластичность материалов

Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными.

       Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибкаи др.

 

Мерой пластичности является относительное удлинение δ при разрыве. Относительное удлинение - величина, показывающая на сколько процентов удлиняется материал, прежде чем разорвется. Измеряется в процентах. Например, при значении показателя 100%, материал выдерживает двукратное удлинение до разрыва. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал.

 

 К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали.

 

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно.

В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так, при очень больших напряжениях сталь обнаруживает пластичные свойства. Это широко используют при штамповке стальных изделий с помощью прессов, создающих огромную нагрузку.

Холодная сталь или железо с трудом поддаются ковке молотом. Но после сильного нагрева им легко придать посредством ковки любую форму. Пластичный при комнатной температуре свинец приобретает ярко выраженные упругие свойства, если его охладить до температуры ниже –100 °С.

 

 

Занятие 5.     (2 часа)  Хрупкость и усталость материалов.

Хрупкость материалов.

Хрупкость — свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов удлинение при разрыве не превышает 2…5 %, а в ряде случаев измеряется долями процента.

Изделия из стекла и фарфора хрупкие: они разбиваются на куски при падении на пол даже с небольшой высоты. Чугун, мрамор, янтарь также обладают повышенной хрупкостью. Наоборот, сталь, медь, свинец не являются хрупкими.

 

 

 

 

а) кирпич                            б) стекло                                  в) фарфор

Рис.5.1. Хрупкие материалы

 

Усталость материалов

Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время

Обратное свойство материала называется выносливостью (свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения указанное время). Кроме того это понятие близко связано с прочностью, имеет место быть понятие усталостной прочности.

Усталостное разрушение — это процесс интенсивного разрушения поверхностей деталей, возникающий от внутренних напряжений, пластических деформаций, усталостных явлений, появляющихся при больших удельных давлениях и нагрузках.

       При этом на поверхности трения образуются микротрещины, трещины, единичные и групповые впадины в виде оспы. Примером такого разрушения может служить выкрошивание поверхностей зубьев шестерен редукторов.

 

 

    

      

 

 

Рис.5.2. Примеры усталостного разрушения

 

 

Занятие 6.     (2 часа) Контрольная работа №1 ЭМ У6

Контрольные вопросы:

1. Перечислите и дайте краткое определение материалов по их общему назначению
2. Дайте определение и перечислите характеристики конструкционных материалов
3. Дайте определение и классификацию электротехнических материалов
4. Дайте классификацию характеристик электротехнических материалов
5. Дайте определение триботехнических материалов.
6. Дайте определение инструментальных материалов.
7. Дайте определение рабочих тел.
8. Дайте определение топлив.
9. Дайте определение технологических материалов
10. Перечислите механические характеристики электротехнических материалов.
11. Опишите определение твердости материала по методу Бринелля
12. Опишите определение твердости материала по методу Роквелла
13. Опишите определение твердости материала по методу Виккерса
14. Дайте определение и характеристики прочности материалов.
15. Опишите методику определения разрушающего напряжения при растяжении
16. Опишите методику определения разрушающего напряжения при сжатии
17. Опишите методику определения разрушающего напряжения при изгибе
18. Дайте определение и опишите методику определения ударной вязкости.
19. Дайте определение и опишите методику определения упругости материала.
20. Дайте определение и физический смысл пластичности материала
21. Дайте определение и физический смысл хрупкости материала
22. Дайте определение и физический смысл усталости материала

Тема 2. Электрические характеристики ЭТМ (8 часов)

Занятие 7 (2 часа) Удельное электрическое сопротивление

 

Температура плавления

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением.

Чтобы расплавить вещество, его необходимо нагреть до определенной температуры.

       Температура, при которой вещество плавится называется температурой плавления.

Каждое вещество имеет свою температуру плавления.

           

 

Переход вещества из жидкого в твердое состояние называется кристаллизацией. (отвердеванием)

Чтобы начался процесс кристаллизации необходимо тело охладить до определенной температуры.

Температура, при которой начинается процесс кристаллизации называется температурой кристаллизации.

В вещества кристаллизируются при температуре, при которой они плавятся. Но для процесса кристаллизации теплоту надо отнимать от тела, а для процесса плавления теплоту необходимо передавать телу.

Процесс перехода твердых веществ в жидкое и обратно характеризуется графиком плавления и отвердевания кристаллических тел.

 

Удельная теплота плавления.

 

Вновь обратимся к графику плавления и кристаллизации. На горизонтальных участках ВС и EF не происходит ни повышения, ни понижения температуры, хотя теплообмен происходит. На что же расходуется энергия топлива во время плавления вещества?

Если вспомнить молекулярное строение твердых и жидких веществ, то можно увидеть существенную разницу в их строении. Твердые вещества имеют кристаллическую решетку, а в жидких веществах ее нет. При плавлении происходит процесс разрушения кристаллической решетки. На этот процесс и расходуется тепловая энергия, при этом температура вещества не поднимается. И только после того, как все твердое вещество превратилось в жидкость начинается повышение температуры жидкости.

У каждого вещества своя особенность строения кристаллической решетки, и на ее разрушение у каждого вещества потребуется свое количество теплоты.

Физическая величина, показывающая какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

 

Обозначается буквой λ, Единица измерения Дж/кг.

 

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии вещества в твердом состоянии.

Количество теплоты, требуемое для плавления определенной массы вещества равно количеству теплоты, требуемое для кристаллизации этого же вещества той же массы.

Количество теплоты требуемое для плавления (кристаллизации) вещества определяется по формуле:

 

Q= λm             (Дж)

 

Где: Q – количество теплоты (Дж)

λ - удельная теплота плавления (Дж/кг)

m - масса тела (кг)

Температура размягчения.

Определяется у материалов аморфной структуры (смолы, битумы и др.). У этих материалов переход из твердого в жидкое состояние происходит не при строго определенной температуре, а в некотором интервале температур. Поэтому у аморфных материалов измеряют некоторую условную температуру, при которой материал приобретает вязкотекучее состояние. При температуре, близкой к температуре размягчения материал применять нельзя т.к. он будет размягчаться и течь.

 

Занятие 12.   (2 часа)         Теплостойкость,  нагревостойкость и холодостойкость.

Теплостойкость.

Теплостойкость материала обычно оценивают максимальной температурой, при которой наблюдаемые изменения физико-механических свойств носят необратимый характер.

Эта характеристика позволяет оценить стойкость диэлектрика к кратковременному нагреву.

Теплостойкость — способность веществ сохранять жесткость при повышении температуры.

Потеря жёсткости вызывается плавлением кристаллических структур, или переход аморфных тел в высокоэластичное состояние.

Чаще всего понятие теплостойкости используется по отношению к полимерам.

Рис.12.1. Теплостойкость изоляции проводов

 

Нагревостойкость.

При длительном воздействии по­вышенной (но небольшой) температуры могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических про­цессов: это термическое (теп­ловое) старение изоляции.

У трансформаторно­го масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок — в повышении жесткости и хрупкости, образовании третий и отставании от подложки  и т. п.

Нагревостойкость - э то способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без признаков разрушения.

 

 

Для электроизоляционных материалов, используемых электроаппаратах установлено семь классов нагревостойкости.

- класс Y -предельно допустимая температура 90 ° С.

- класс А - предельно допустимая температура 105 ° С.

- класс Е - предельно допустимая температуре 120 ° С.

- класс В - предельно допустимая температура 130 ° С.

- класс F - предельно допустимая температура 155 ° С.

- класс Н - предельно допустимая температура 180 ° С.

- класс С - предельно допустимая температура выше 180 ° С.

Холодостойкость.

 

Во многих случаях, на­пример для самолетного электро- и радиообо­рудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т. п., важна холодо­стойкость изоляции, т. е. способность ее рабо­тать без ухудшения эксплуатационной надеж­ности при низких температурах, например — (- 60…- 70)°С или даже еще более низких (крио­генных).

При низких температурах, как пра­вило, электрические свойства электроизоляци­онных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает за­труднения для работы изоляции.

Проверка стойкости электроизоляционных материалов и изделий из них к действию низких температур нередко проводится при одновременном воздей­ствии вибраций.

Испытание на холодостойкость позволяет оценить способность материала противостоять действию низких температур. Некоторые материалы (резина, пластмасса, лаковая пленка и др.) при низких температурах растрескиваются или теряют гибкость. У жидких диэлектриков холодостойкость определяют температурой застывания, при которой они превращаются в твердое тело.

   

Занятие 13.   (2 часа) Температура вспышки паров

13.1. Общие определения.

Температура вспышки паров — наименьшая температура горючего вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества способны вспыхивать при контакте с открытым источником огня; устойчивое горение при этом не возникает.

По температуре вспышки из группы горючих жидкостей выделяют легковоспламеняющиеся.

Легковоспламеняющимися называются горючие жидкости с температурой вспышки не более 66 °C в открытом сосуде.

Из-за сложностей прямого измерения температуры вспышки газов и паров, за неё принимают минимальную температуру стенки сосуда, при которой наблюдают вспышку. Эта температура зависит от условий теплообмена как внутри сосуда, так и самого сосуда с окружающей средой, объёма смеси и ряда других параметров.

Температура воспламенения

Температура воспламенения - минимальная температура, при которой вспыхнувший от постороннего источника пламени (искры) нефтепродукт горит устойчивым, незатухающим пламенем; определяется в тех же приборах, что и температура вспышки. Температура воспламенения, как правило, выше температуры вспышки на 15-25°.

 

АППАРАТ ТВЗ

Предназначен для определения температуры вспышки паров в закрытом тигле

Анализу подлежат:  горючие жидкие и плавящиеся (до +50 ^oС) органические химические продукты.

Сущность метода:

Определение самой низкой температуры горючего вещества, при которой в условиях испытания над его поверхностью образуется смесь паров и газов с воздухом, способная вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения.

 Для этого испытуемый продукт нагревается в закрытом тигле с постоянной скоростью при непрерывном перемешивании и испытывается на вспышку через определенные интервалы температур.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Максимальная температура нагрева, oС до	300
Напряжение питания в сети переменного тока частотой 50 Гц, В	220 + 22
Потребляемая мощность, ВА, не более	400
Габаритные размеры, мм, не более	390х360х410
Масса, кг, не более	10

 

Порядок  работы:
1. Залить образец в тигель до метки.
2. Поместить тигель на электронагреватель, настроить горелку, термометр и пламя, одновременно с этим установить мощность электронагревателя.
3. Довести температуру до 28 ^оС и начать тестирование, последовательно повышая температуру с шагом 2 ^оС, по секунде на каждый шаг повышения температуры.
4. При возгорании записать температуру, она будет соответствовать температуре вспышки.
5. После тестирования очистить прибор и отключить электропитание.

Занятие 14        (2 часа) Вязкость материалов

14.1. Общие определения.

Представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости. Если вязкость велика жидкость густая, ее частицы  имеют малую подвижность, если же вязкость мала, то частицы жидкости подвижны, жидкость обладает большой текучестью.

Вязкость определяет пропитывающую способность диэлектриков. Чем меньше вязкость пропиточных составов (лаков, компаундов), тем глубже проникают их частицы в поры волокнистой изоляции обмоток. С возрастанием вязкости пропитывающая способность жидких диэлектриков уменьшается.

Вискозиметр — прибор для определения вязкости вещества. Вискозиметры бывают:

· капиллярными,

· ротационными,

· с падающим шариком.

14.2. Капиллярные вискозиметры

 

 

Рис.14.1. Капиллярный вискозиметр

 

Принцип действия основан на подсчёте времени протекания заданного объёма жидкости через узкое отверстие или трубку, при заданной разнице давлений.

Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса, в таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне вытекающей из очень толстой трубки.

При использовании капиллярных вискозиметров измеряется время истечения известного количества жидкости сквозь капиллярные трубки определенного диаметра.

Ротационные вискозиметры

Два тела вращения, одинаковых или разных, совмещаются по осям так, что одно из них прикасается изнутри к другому (примером может послужить цилиндр или конус).

 

Рис.14.2. Ротационный вискозиметр

На рисунке: 1 – исследуемый материал; 2 – вращающееся тело; 3 – ось вращения;

 4 - сосуд

Пространство между телами заполняют исследуемым веществом, (1)  и к одному из тел (2) подаётся крутящий момент, тело начинает вращаться с угловой скоростью, зависящей от вязкости вещества (у вискозиметров, как правило, стабилизируется скорость вращения и измеряется крутящий момент

Бронзы