Основные характеристики латуней.

Латунь	Плотность г/см³	Температура  плавления; °С	ρ, Ом-мм²/ м
Л96	8,85	1070	0,043
Л90	8,78	1045	0,045
Л85	8,75	1025	0,047
Л80	8,66	1000	0,060
Л70	8,61	950	0,069
Л68	8,60	938	0,072
Л63	8,44	906	0,074
Л60	8,4	904	0,075

Занятие 19. (2 часа) Алюминий

19.1. Общие определения

Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

Является вторым после меди проводниковым материалом, благодаря его высокой проводимости и стойкости к атмосферным воздействиям.

Алюминий - легкий металл, его плотность 2800 кг/м³. т.е. он в 3,3 раза легче меди. Температура плавления алюминия 658 °С. На воздухе алюминий очень быстро покрывается тонкой пленкой оксида, что препятствует его дальнейшей коррозии. В тоже время эта пленка имеет большое электрическое сопротивление, поэтому на открытом воздухе контактные алюминиевые соединения могут иметь большие переходные сопротивления.

Основные характеристики алюминия:

- плотность 2800 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 1800·10 ⁵  Н/м²

- уд. сопротивление r=0,028·10^-6 Ом·м

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

 

Рис. 19.1. Алюминиевый прокат

· Алюминиево- магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.

· Алюминиево- марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.

· Алюминиево- медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками. Сплав с бо́льшим содержанием меди по цвету внешне очень похож на золото, и его иногда применяют для имитации последнего.

· Алюминиево- кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

Рис.19.1. Изделия из алюминия.

Занятие 20 (2 часа)  Серебро

Общие характеристики

 

Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся на воздухе при комнатной температуре. Интенсивное окисление серебра начинается при темпера- туре 200 °С и выше.

Серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм.

Серебро отличается наивысшей проводимостью.

Основные характеристики серебра:

- плотность 10500 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 1800·10 ⁵  Н/м²

- уд. сопротивление r=0,015·10^-6 Ом·м

- температура плавления 960,5 ° С.

Применение серебра

· Применяется для контактов электротехнических изделий, например, контакты реле, ламели, а также многослойных керамических конденсаторов.

• В составе припоев: медносеребряный припой ПСР-45 используется для пайки медных котлов, чем выше процент серебра, тем выше качество; иногда также, добавляя его к свинцу в количестве 5 %, им заменяют оловянный припой.
• В составе сплавов: для изготовления катодов гальванических элементов (батареек).
• Применяется как драгоценный металл в ювелирном деле (обычно в сплаве с медью, иногда с никелем и другими металлами).
• Галогениды серебра и нитрат серебра используются в фотографии, так как обладают высокой светочувствительностью.
• В СВЧ технике как покрытие внутренней поверхности волноводов
• Используется как дезинфицирующее вещество, в основном для обеззараживания воды.

Рис.20.1. Изделия с серебряными контактами

Занятие 21. (2 часа)  Тугоплавкие проводниковые материалы

 

Общие положения.

К тугоплавким проводниковым материалам относятся металлы, имеющие температуру плавления Т_пл выше, чем у железа (у железа Т_пл = 1539°С).

К ним относятся:

• Вольфрам,
• Тантал
• Молибден

 

При низких температурах эти металлы, как правило, химически стойкие. Однако при повышенных температурах в атмосфере воздуха они довольно легко окисляются и поэтому при высоких температурах их можно эксплуатировать только в среде инертных газов или в вакууме.

Эти металлы трудно поддаются механической обработке. Изделия из них, как правило, получают методами порошковой металлургии (прессованием и спеканием порошков) или методами электровакуумных технологий (плавлением электронным или лазерным лучом, плазменной обработки и т.п.).

Тугоплавкие металлы (и сплавы на их основе), несмотря на дефицитность и высокую стоимость, являются основными проводниковыми материалами в электровакуумной промышленности.

 

Вольфрам

Это самый тугоплавкий металл (Т_пл = 3380°С) светло-серого цвета,

Основные характеристики вольфрама:

- плотность 19300 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 8000·10 ⁵  Н/м²

- уд. сопротивление r=0,05·10^-6 Ом·м

- температура плавления 3380 ° С.

- нагревостойкость в защитной среде — до 2200°С.

 

 

Вольфрам получают из руды путем сложной химической переработки в виде порошка, из которого методами порошковой металлургии (прессованием и спеканием порошков W) производят бруски и детали несложной формы. Путем волочения получают тонкие гибкие нити диаметром до 10 мкм. Механическую обработку вольфрама производят при высоких температурах в защитной среде — в атмосфере водорода, так как на воздухе он начинает окисляться при температуре выше 400°С. По этой же причине изделия из вольфрама, работающие при температуре выше 400°С, должны эксплуатироваться в атмосфере инертных газов (азоте, аргоне и др.) или в вакууме.

 

Вольфрам относительно дорог и трудно поддается механической обработке, поэтому его применяют только там, где нельзя заменить другим металлом. Основная область его применения — нити накаливания, электроды, крючки в осветительных и электронных лампах, в рентгеновских трубках.

Основные недостатки вольфрама:

• трудность механической обработки;
• образование в атмосфере воздуха при температуре выше 400°С оксидных пленок
• необходимость больших контактных давлений для получения небольших величин сопротивления в месте электрического контакта.

 

 

Рис.21.1. Изделия с применением вольфрама

 

Тантал

 Тугоплавкий металл светло-серого цвета с голубоватым оттенком.

Основные характеристики тантала:

- плотность 16600 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 8000·10 ⁵  Н/м²

- уд. сопротивление r=0,12·10^-6 Ом·м

- температура плавления 3000 ° С.

- нагревостойкость в защитной среде — до 2200°С.

 

В сравнении с вольфрамом тантал лучше поддается пластическому деформированию — ковке, волочению, прокатке, которые производят при комнатной температуре.

Фольгу и листовой тантал выпускают толщиной 0.008–2.0 мм, проволоку — диаметром 0.03–1.6 мм, бесшовные тянутые трубки — наружным диаметром 15–40 мм при толщине стенок 0.3–2 мм. Тантал получают методом порошковой металлургии с последующей механической обработкой.

Применяют для изготовления анодов и сеток генераторных ламп, в производстве электролитических конденсаторов, которые по своим свойствам превосходят алюминиевые электролитические конденсаторы, при изготовлении пленочных резисторов,

 

 

 

 

Рис.21.2. Конденсаторы и пленочные резисторы с применением тантала.

 

Молибден

Металл, по внешнему виду и по свойствам похож на вольфрам, однако значительно легче вольфрама

Основные характеристики молибдена:

- плотность 10200 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 3500·10 ⁵  Н/м²

- уд. сопротивление r=0,05·10^-6 Ом·м

- температура плавления 2620 ° С.

 

Молибден получают из руды, и изделия из него изготавливают по тем же технологиям, что и из вольфрама. На воздухе молибден начинает окислятся при температуре 400°С и интенсивно при 600—700°С и выше. Во влажной атмосфере окислы образуются уже при 250°С, поэтому детали из молибдена при высоких температурах должны работать в вакууме или в инертных газах.

 

Используют в качестве электродов в радиолампах, испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов, термостойкого инструмента.

 

 

Рис.21.3. Изделия с использованием молибдена

Занятие 22. (2 часа) Сплавы с высоким электрическим сопротивлением

22.1. Общие определения

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением – нихром (сплавы на основе никеля и хрома),  константан (сплав меди с никелем и кобальтом); манганин (сплав меди с марганцем)  и фехраль (сплавы на основе железа и хрома)  широко применяются в электронагревателях печей для всех отраслей промышленности, аппаратах теплового действия, во встроенных и навитых спиралях керамических и других основ различных бытовых приборов, а также в широком многообразии промышленных приборов, использующих физические свойства сплавов с высоким сопротивлением.

Нихром.

Сплав железа, никеля и хрома, и  состоящий из следующих элементов: Ni (55-78%); Cr (15-23%); Mn (1,5%); остальное Fe.

Нихром обладает высокими рабочей температурой и механической прочностью. Данный сплав хрома и никеля используется для изготовления нагревательных элементов лабораторных и промышленных электрических печей, плиток, паяльников.

Характеристики нихрома

 

Свойство	Параметры
Плотность нихрома, кг/м^3	8400
Температура плавления, °С	1400
Удельное сопротивление нихрома, Ом·м	1,0-1,1·10^6
Напряжение разрыва σр, Н/м^2	7000∙10^5

Применение нихрома

Нихром используется в электронагревателях печей для всех отраслей промышленности, бытовых приборов и аппаратов теплового действия.

Широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Применяется в качестве нагревательных и резисторных элементов.

 

Рис. 22.1. Применение нихромовой проволоки.

 

 

22.3. Константан                             

Сплав 58—60% меди, 32—40% никеля и 1 — 2% марганца.

Цвет константана — серебристо-желтый, температура плавления °С, ТКР = 14 • 10-6 1/°С.

Характеристики константана

 

Свойство	Параметры
Плотность константана, кг/м^3	8900
Температура плавления, °С	1260
Удельное сопротивление нихрома, Ом·м	0,52·10^6
Напряжение разрыва σр, Н/м^2	6500∙10^5

 

Из константана изготовляют мягкие и твердые изделия — проволоку 0 0,03—5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм. Константановые изделия могут использоваться при температурах, не превышающих 450°С.

 

22.4. Манганин — сплав меди (83%), марганца (13%) и никеля (4%). Применяют в электротехнике для изготовления манганиновой проволоки, электропроводность которой почти не изменяется с температурой. Имеет удельное сопротивление 0,5 ∙10^-6 Ом ∙м

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

 

Контрольные вопросы:

1. Назовите проводниковые материалы на основе меди и дайте их общие характеристики.
2. Дайте характеристики и области применения проводниковой меди.
3. Дайте характеристики и области применения бронз
4. Почему некоторые бронзы называют берилливыми?
5. Есть ли алюминиевые бронзы? Поясните.
6. Есть ли оловянные бронзы? Поясните.
7. Дайте характеристики и области применения латуни.
8. Приведите пример обозначения простой латуни и объясните его.
9. Приведите основные характеристики алюминия.
10. Назовите сплавы на основе алюминия.
11. Дайте основные характеристики серебра.
12. Назовите области применения серебра в электротехнике.
13. Дайте общие характеристики тугоплавких проводниковых материалов.
14. Дайте характеристики и области применения вольфрама
15. Дайте характеристики и области применения тантала
16. Дайте характеристики и области применения молибдена.
17. Дайте общие характеристики сплавам с высоким сопротивлением.
18. Дайте характеристики и области применения нихрома
19. Дайте характеристики и области применения константана
20. Дайте характеристики и области применения манганина

 

 

Тема 5. Характеристики изоляционных электротехнических материалов (16 часов)

Занятие 24        (2 часа) Твердые органические диэлектрики

24.1.Общие сведения о высокополимерных твердых материалах  

 

Высокополимерные твердые материалы состоят из молекул большой величины. Эти молекулы включают в себя десятки тысяч молекул простых веществ, называемых мономерами. Мономеры - это вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций и образуется высокополимерное вещество с большой молекулярной массой. В молекулах полимера молекулы мономера прочно связаны между собой силами химической связи. Полимеры могут быть аморфными или кристаллическими. Высокополимерные вещества могут быть природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид). Современная электротехника использует в основном синтетические высокополимерные диэлектрики. Твердые синтетические диэлектрики можно получать двумя путями:

 

- полимеризацией;

- поликонденсацией;

 

Полимеризацией называется процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества в большие молекулы высокополимерного вещества без изменения его элементарного состава.

 

24.2. Твердые полимеризационные диэлектрики - полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, органическое стекло, капрон;

24.2.1.   Полистирол - твердый прозрачный материал в виде пластин, стержней, гранул или порошка.

Основные характеристики полистирола:

- плотность 1050 кг/м³.

- напряжение  разрыва σ_р =500·10⁵ Н/м²

- теплостойкость 75-80 °С.

- водопоглощение 0,03 %.

- холодостойкость - 60 ° С.

- уд. сопротивление r=10¹⁴ Ом·м

- эл.прочность Е_пр = 30 МВ/м

 

Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. Кроме того полистирол можно вытягивать в тонкие пленки, которые обладают такими же изоляционными свойствами, как и толстый полистирол. У полистирольных пленок электрическая прочность значительно выше, чем у толстого полистирола Е_пр=100 МВ/м.

Полистирольные пленки применяют для изоляции жил кабелей и при производстве конденсаторов.

Недостатком конструкций из полистирола является их хрупкость и склонность к растрескиванию. Для повышения ударной прочности полистирол смешивают с синтетическими каучуками получая ударопрочный полистирол.

24.2.2.   Полиэтилен - твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета несколько жирный на ощупь.

Различают:

- полиэтилен высокого давления (ВД).

- полиэтилен среднего давления (СД).

- полиэтилен низкого давления (НД).

Полиэтилены НД и СД отличаются от полиэтилена ВД большей плотностью, повышенной механической прочностью и большей жесткостью, но они менее устой- чивы к тепловому старению.

Полиэтилены термопластичные материалы. Они поступают на заводы в виде гранул, из которых методом литья под давлением наносят изоляцию на провода, изготовляют изоляционные шланги,трубки и пленки.

Основные характеристики полиэтилена ВД:

- температура плавления 108 ° С.

- плотность 920 кг/м³.

- напряжение  разрыва σ_р=150·10⁵ Н/м².

- теплостойкость 60° С.

Основные характеристики полиэтилена СД:

- температура плавления 125 ° С.

- плотность 940 кг/м³.

- Напряжение разрыва σ_р= 270·10⁵ Н/м².

- теплостойкость  85° С.

Основные характеристики полиэтилена НД:

- температура плавления 130 ° С.

- плотность 960 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р= 230·10⁵ Н/м².

- теплостойкость   70° С.

Холодостойкость всех полиэтиленов - 60° С. Очень низкое водопоглощение 0,004 %

за 30 суток нахождения в воде.

Все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету.

Поливинилхлорид.

 

Представляет собой порошок белого цвета, из которого получают горячим прессованием механически прочные изделия, стойкие к минеральным маслам, многим растворителям кислотам и щелочам.

Горячим прессованием получают два вида поливинилхлоридных материалов:

- винипласт - в виде листов, пластин, труб и стержней.

- пластикат - в виде гибкого рулонного материала.

а) Винипласт - отличается химической стойкостью к минеральным маслам, разбавленным кислотам и щелочам. Изделия из винипласта обладают высокой механической прочностью и имеют хорошие электроизоляционные свойства. Винипласт хорошо формуется в металлических формах при температуре 150-160  ° С. Изделия из винипласта хорошо обрабатываются механически, а также легко свариваются и склеиваются. Недостатками винипласта являются малая холодостойкость и сравнительно малая теплостойкость.

Основные характеристики винипласта:

- плотность  1350 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р=500·10⁵ Н/м².

- теплостойкость 60-70 °С.

- водопоглощение  0,4-0,6 %.

- холодостойкость - 25 ° С.

- уд. сопротивление r=10¹² Ом·м

- эл.прочность Е_пр = 22 МВ/м

-

 б)  Поливинилхлоридный пластикат.

Гибкий рулонный материал, получаемый из поливинилхлоридного порошка. Пластикат широко применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, а также для изготовления гибких защитных оболочек- шлангов, кабелей. Пластикат окрашивают в различные цвета с целью защиты от светового старения, а также для распознавания проводов при монтаже.

Основные характеристики пластиката:

- плотность  1400 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р=250·10⁵ Н/м²

- теплостойкость 60-70 °С.

- водопоглощение  0,2-0,5 %.

- холодостойкость - 50 ° С.

- уд. сопротивление r=10¹² Ом·м

- эл.прочность Е_пр = 25 МВ/м

Органическое стекло.

Представляет собой высокополимерный термопластичный прозрачный материал, легко окрашиваемый во многие цвета. Его выпускают в виде листов толщиной от 0,8 до 24 мм и более, площадью от 400 на 500 мм2 до 1400 на 1600 мм2, а также в виде порошка. Органическое стекло обладает очень высокой оптической прозрачностью (пропускает до 92 %  лучей видимой области спектра). Оргстекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, бензину и минеральным маслам. Оргстекло поддается всем видам механической обработки. Детали из оргстекла легко склеиваются дихлорэтановым клеем.

Основные характеристики оргстекла:

- плотность  1180 кг/м³.

- напряжение разрыва σ_р=700·10⁵ Н/м²

- теплостойкость 60-80 °С.

- холодостойкость - 60 ° С.

- уд. сопротивление r=10¹¹ Ом·м

- эл.прочность Е_пр = 18 МВ/м

Капрон

Представляет собой твердый материал белого или светло-желтого цвета. Капрон очень устойчив к воздействию плесневых грибков, но очень не устойчив к атмосферным воздействиям. В электропромышленности применяется капроновое волокно для изготовления изоляционных тканей, которые после пропитки лаками и смолами имеют высокую электрическую прочность.

Основные характеристики капрона:

-  плотность  1140 кг/м³ .

- напряжение разрыва σ_р=700·10⁵ Н/м²

- теплостойкость 50-60 °С.

- водопоглощение 3 %.

-  холодостойкость - 60 ° С.

- уд. сопротивление r=10¹² Ом·м

- эл.прочность Е_пр = 20 МВ/м