Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

Графит. Бетэл

            Вторым по значению резистивным материалом является графит. Здесь стоит упомянуть, как изменение структуры материала ведет к принципиальным изменениям характеристик.

Например существует кристаллическая модификация углерода - алмаз. Это твердый, прозрачный, диэлектрический материал. Структура  кристаллической решетки -  тетраэдры из атомов углерода.

          Графит - также кристаллическая модификация углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца.   Удельное  сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, электропроводность составит 104 См/м, если приложить напряжение в плоскости слоев, электропроводность достигает 2×106 См/м.

          Карбин - линейная структура из цепочек углерода С=С=С=С=С или С-СºС-СºС-СºС, столбики, которых связаны между собой. Это полупроводник n-типа, энергия активации 0.64 эВ, очень прочный, sp =2200 ГПа (для сравнения прочность закаленных сталей до 700 МПа), электропроводность 10-4 См/м.

          В последние годы открыты новые модификации чистого углерода - т.н. фуллерены. Это соединения многих атомов углерода Сn , где n-60, 84 и т.д. Эти атомы соединены так, что образуется сфера из них, с пустотой внутри. Считается, что они обладают неожиданными свойствами и их исследования бурно продолжаются.

Несколько лет назад в России был бум по получению фуллеренов. Некоторое время это был самый дорогой химический продукт, стоимость его доходила до 10 тыс. долларов за 1 грамм. Сразу несколько групп начали пытаться делать этот продукт. Появились посредники, конечные потребители были в Японии и США. Фуллерены стали находить и в пламени, и в электрическом  разряде в смеси гелия с углекислым газом и в плазмотронах и т.д. Рынка еще никто не знал, предложения поставить фуллерены стали делать все мало-мальски грамотные химики. В результате менее чем за год цену сбили примерно в 100 раз. Совсем недавно появился новый способ: фуллерены стали получать с помощью электрического взрыва графитовых стерженьков, т.е. пропуская через стерженек мощный импульс тока, превращали материал в плазму, состоящую из ионизированного углерода. Оказалось, что если это делать в воде, то выход фуллеренов значительно возрастает (оставаясь все равно в пределах процента). Свойства ткани при изгибе Ткани при изгибе в обуви и перчатках разрушаются главным образом вследствие сложной нагрузки на растяжение и изгиб. Сопротивление изгибу осложняется загрязнением обуви при носке вследствие снижения подвижности структурных элементов ткани, что создает увеличение жесткости ткани при изгибе.

          Эти примеры исчерпывают известные к настоящему времени модификации чистого углерода. Видно, как структура материала принципиально меняет его свойства.

          Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их физические характеристики также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий.

Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений. Начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя. Из последних мы упомянем бетэл и более подробно остановимся на ЭКОМе.

Бетэл - (бетон электротехнический) - исторически один из первых российских электропроводящих композиционных материалов. Предложен в середине шестидесятых новосибирскими учеными. Эта разработка в начале восьмидесятых была награждена государственной премией. Состоит из четырех компонентов: цемент, сажа, вода, заполнитель. Главное достоинство - дешевизна исходных компонентов и простота технологии приготовления. Сделав смесь типа обычного бетона, где вместо песка использована сажа, получаем материал с удельным сопротивлением примерно 0.01-10 Ом×м. Это означает, что например резистор номиналом 100 Ом можно изготовить из бетонного параллелепипеда размером 10 см х 10 см х 1 м. Здесь, правда возникает проблема с вводом тока в такое сопротивление. Действительно, как сделать подходящие контакты? Решение нашли достаточно простое - аквадаг. Но к аквадагу, в свою очередь трудно присоединять контакты. Поэтому используют либо прижимные контакты к  аквадагу, либо внедренные в тело композита разнообразные проволочные элементы.  

Недостатки бетэла - нестабильное сопротивление, водопоглощение с последующим изменением многих параметров, (цементный камень продолжает расти в течение многих лет), малый коэффициент теплопроводности (~ 0.6 Вт/(м×К)). Это не дает возможности создания мощных резисторов для энергетики. Точнее резисторы такие можно создать, но они могут работать только ограниченное время.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Во время работы резистора в нем выделяется энергия

W = , где U- напряжение, R- сопротивление, t - время. У бетэла теплопроводность низка, поэтому резистор будет просто нагреваться и выделяющаяся электрическая энергия будет превращаться в тепловую энергию.

Q =c×m×( Tкон -Tнач), где с - удельная теплоемкость материала, m - масса резистора, Tкон, Tнач - начальная и конечная температуры. Приравнивая W и Q и считая Tкон  соответствующее теплостойкости или хотя бы температуростойкости материала, видно, что если нет теплопроводности (т.е. теплоотвода), то  резистор за конечное  может нагреться до температур, при которых он начнет разрушаться. Известны случаи, когда бетэловые резисторы взрывались в процессе включения в эксплуатацию под большую нагрузку. Предполагается, что это происходило при попадании влаги внутрь резистора, что приводило к бурному вскипанию воды внутри материала при нагреве выше точки кипения после  включения резистора под нагрузку.

Опыт показывает, что бетэловый резистор можно включать только на несколько секунд. Влагостойкость, химстойкость, морозостойкость и тропикостойкость диэлектриков - стабильность электрических и физико-химических характеристик электроизоляционных материалов при воздействии соответственно влаги, кислот или щелочей низкой температуры в пределах от -45° до -60° С, а также тропического климата, характеризуемого высокой и резко изменяющейся в течение суток температурой воздуха, его высокой влажностью и загрязненностью, наличием плесневых грибков, насекомых и грызунов.