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電工領域應用的各類材料的統稱。包括導電材料、半導體材料、絕緣材料和其他電介質材料、磁性材料。另有同名圖書。

1 電工材料 -電工材料

electrical engineering material

2 電工材料 -正文

  電工領域應用的各類材料的統稱。包括導電材料、半導體材料、絕緣材料和其他電介質材料、磁性材料。這些材料均具有一定的電學或磁學性能。具體的電工材料一般按用途分類。例如鐵氧體,若按磁導率分,用於磁路時是磁性材料;但按電阻率分,用於電路時屬於半導體材料。  
  工程技術領域中,材料佔有重要的地位。各種技術都要通過一定的設備來實現,設備則需用具體的材料製作。沒有相應的材料,即使是原理上可行的技術和產品,也都無法實現。新材料的出現常能帶來技術上的重大進展。電工領域的情況也是如此。例如硅鋼片的出現使旋轉電機和變壓器的效率大大提高,容量也更大,從而促進了電能的遠距離輸送和廣泛應用;高矯頑力、高剩磁的釹鐵硼等材料的出現,滿足了永磁同步電動機對強磁體的需要,使這類電機在驅動微電機中佔有重要地位,並仍在擴大其應用範圍。1986年以來,高臨界溫度超導材料所實現的突破,展現了低耗(或無損耗)輸電和電能的工業規模儲存的前景,引起世界各國物理界、電工界的注意。研製各種適用電工新材料仍是電工領域的重要任務。
  導電材料  具有高電導率的材料,在電工設備中用作導體,如銅、鋁等,其典型製品是電線、電纜的導電線心。屬於導電材料的還有用於製造電觸頭、溫差電偶、熔絲等的材料。這些材料除電導率高外,還有一些另外的特殊性能,例如製造熔絲的材料需要具有相對低的熔點;觸頭材料需要高的耐電弧性能等。
  高電阻合金如鎳鉻、鉻鎳鐵、錳銅、康銅也屬於導電材料,可用作加熱元件,將電能轉化為熱能,或用於製造電阻器。
  石墨是一種特殊的導體,雖然電導率低,但由於它的化學惰性和高熔點,以及它的製品具有低的摩擦係數、一定的機械強度,被廣泛地用作電刷、電極等。
  屬於導電材料的還有低溫導電材料和超導材料。例如,純鋁在20K下,即液氫溫度範圍中是最好的低溫導電材料;而鈹在77K左右,即液氮溫度下電阻率也只有常溫下的千分之一到萬分之一以下。超導材料一般在接近0K的溫度下工作,其電阻率已測不出。80年代已發現上千種超導材料,其中有元素類,也有化合物。較為實用的是Nb3Sn、Nb3Al 等。 1986年發現的鋇、釔、銅、氧化物陶瓷在液氮溫度(77K)即具有超導性, 這將對超導電技術的普及,甚至對人類文明產生深遠影響。
  半導體材料  電導率介於導電材料和絕緣材料之間,約為105~10-7西/米的材料。對於電子(空穴)電導也可按能帶理論的禁帶寬度來定義,其值約為0.08~3電子伏(也有人認為其上限應為1.5或2電子伏)。半導體與導體相比,除電導率小外,其電導率隨溫度升高而增大,而導體的電導率隨溫度升高而下降。
  半導體的性質隨缺陷和雜質含量而顯著變化,所以可利用摻雜來控制其性能。例如硅、鍺中摻入磷、砷、銻等元素可製成電子型(N型)半導體, 摻入硼、鋁、鎵、銦等元素可製成空穴型(P型)半導體。利用 N型和P型的不同組合,可獲得整流和放大作用,在電工中作為電源和控制、調節之用。
  半導體的電導率對外界因素極為敏感,在其作用下可觀察到一系列物理現象。例如在不同波長的光照下能產生光電效應,這時電子吸收光能,導致自由載流子濃度增大,從而電導率增大,稱為光電導性。利用這一性質,可製成光敏元件。此外,還有熱電效應、霍耳效應、磁阻效應、壓電效應、場效應和隧道效應等都可加以利用。
  半導體可以按化學組分分為有機的和無機的兩類,目前主要使用無機半導體。無機半導體可進一步分為元素型和化合物型。後者按組分元素又可分為二元、三元等,近年來發展迅速。半導體也可按其結構形態分為結晶半導體和非晶態半導體。一般多使用前者,但70年代以來正在大力開發後者。
  電絕緣或電介質材料  電阻率約為 1010歐米以上的材料。實用中優良絕緣材料的電阻率在室溫下都大於1012歐米。通常所用的絕緣材料都含有雜質,在工作溫度下的電阻或電導屬離子型。對於電導屬電子型的絕緣材料,一般認為禁帶寬度在2~3電子伏以上。
  電介質材料的特點是其在電場中能發生極化。由於電介質多數是優良的絕緣材料,兩者經常作為同義詞使用。
  絕緣材料常按其聚集狀態而分為固態、液態和氣態。絕緣材料多數屬於固體。液態和氣態絕緣材料一般不能起力學上的支撐作用,所以較少單獨使用。
  氣體絕緣材料的特點是電導率、介電常數和介質損耗均低,擊穿強度一般比液體和固體絕緣材料也低得多,但擊穿后能自行恢復絕緣狀態,具有自愈性。六氟化硫氣體(SF6)具有較高的擊穿強度,廣泛用作封閉式電器的絕緣。
  液體絕緣材料一般用來替代空氣,填充電氣設備中的空間,或浸漬設備絕緣結構中的孔隙。除了絕緣作用,它還可以起散熱或滅弧作用。在選擇液體絕緣材料時應考慮它在電場作用下的穩定性、熱穩定性、粘度、閃點、酸值、鹼值、雜質含量、水含量、熱膨脹係數以及與其他絕緣和結構材料的相容性等。應用最多的液體絕緣材料是礦物絕緣油。為了保證液體材料成分的純凈,目前發展多種合成絕緣油,如高溫下使用的硅油以及十二烷基苯等。
  固體絕緣材料可以分成天然的和合成的。天然的有棉紗、絲綢、紙、蟲膠、瀝青、礦物油、橡膠、石棉、雲母等,在19世紀已開始用於電工設備。合成材料,特別是高分子材料,在20世紀得到迅速發展。原因在於高分子材料的絕大多數具有高電阻率,並且高分子材料(包括塑料、合成橡膠和合成纖維等許多品種)能滿足多種使用場合的要求。高分子材料與相應的天然材料相比有著更為優異的介電性能、力學性能和耐高溫性能,在絕緣材料中佔有重要地位。重要的高分子材料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚酯和不飽和聚酯、環氧樹脂、有機硅樹脂,以及聚醯亞胺為代表的芳雜環高分子材料等。
  在無機絕緣材料方面,也有重大的進展。例如,製成了粉雲母紙,解決了雲母資源的不足;玻璃纖維布的出現,使纖維的耐熱等級大大提高;陶瓷品種的發展滿足了高機械強度、高溫度和高介電常數的要求。由於超導技術的迅速發展,低溫電工材料也相應取得重大進展。低溫電絕緣漆膠和粘合劑,電工薄膜和層壓製品以及低溫無機絕緣材料,如玻璃、石英、陶瓷等,都有很大發展。
  磁性材料  電工中應用的磁性材料主要有鐵磁性材料和鐵氧體。按其矯頑力可分為軟磁材料和永磁材料兩大類。軟磁材料用於交變磁場,而永磁材料用於靜態磁場。按材料組成可分成金屬和非金屬兩種。前者有Fe、Co、Ni、Gd及其合金,也可包括稀土類元素,如RCO5,其中 R為稀土元素Sm、Ce和Pr。非鐵磁元素的合金也可以成為鐵磁材料,例如Mn、Cu和Al等。非金屬型材料有鐵氧體,它具有磁疇結構,能自發磁化而具有鐵磁性。鐵磁性材料具有磁滯回線,在交變磁場中造成損耗,必須設法降低。交流磁場作用下引起的渦電流,也會造成損耗。兩種損耗統稱鐵耗,都造成設備發熱,這在高頻率下特別突出。鐵氧體的鐵耗在高頻下特別小,成為適用於高頻的磁性材料。
  磁性材料的某些特殊性能還可用於特殊場合。例如具有直角磁滯回線的材料可以用作磁記憶材料。某些磁性材料在磁場強度變化時其幾何尺寸發生變化,稱為磁致伸縮材料,可用於超聲發生器和接收器及機電換能器中,用以測量海洋深度、探測材料的缺陷等。

 

3 電工材料 -配圖

 

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