Учебно-методическое пособие "Металлы и сплавы, используемые в электротехнике"

1
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ТЕМА: Металлы и сплавы, используемые в электротехнике
Разработал: преподаватель цикла Галкин Григорий Алексеевич
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………… ……………………………. 3
Глава 1 Общие сведения об электрических материалах……………… 5
1.1 Общие сведения о строении материалов…………………………….. 5
1.2 Классификация материалов, используемых в электротехнике…… 6
Глава 2 Металлы и сплавы, используемые в электроэнергетике……...8
2.1 Общие свойства металлов и их сплавов ……………………………. 8
2.2 Медь и её сплавы ………………………………………………… 10
2.3 Алюминий и его сплавы …………………………………………… 13
2.4 Железо и его сплавы............................................................................ 15
2.5 Благородные металлы………………………………………………. 16
Глава 3 Электроизоляционные материалы, используемые в
электроэнергетике..........................................................................................18
3.1 Общие свойства электроизоляционных материалов……………….18
3.2 Электрические свойства диэлектриков……………………………. 19
3.3 Механические свойства диэлектриков…………………………… 22
Глава 4 Припои и их свойства……………………………………………. 26
4.1 Назначение и свойства мягких припоев…………………………….26
4.2 Назначение и свойства твёрдых припоев………………………… 27
Список использованных источников и литературы ……………………29
3
ВВЕДЕНИЕ
Выработка, передача, распределение, преобразование и использование
электрической энергии осуществляется с помощью самого разнообразного
электротехнического оборудования. Его совершенствование происходит
непрерывно за счёт применения новых конструктивных решений, новых
материалов, элементов и технологий изготовления.
Одно из наиболее значимых направлений такого технического прогресса
связано широким применением полупроводниковых элементов и устройств,
новых перспективных электротехнических материалов. Это позволяет
расширить функциональные возможности и области применения
электрооборудования, повысить технико-экономические характеристики,
надёжность работы и удобство в эксплуатации, как самого
электрооборудования, так и обслуживаемых ими технологических агрегатов,
рабочих машин и механизмов. Одновременно с этим возрастает и уровень
требований к квалификации персонала, который занимается монтажом,
наладкой, эксплуатацией, ремонтом и модернизацией электрооборудования.
Персонал должен иметь и знать не только свойства используемых
электроматериалов, но и иметь соответствующую техническую подготовку,
так как без этого невозможно понять практические вопросы современного
производства.
Электроматериалы обладают разнообразными свойствами, благодаря
которым их применяют в электроэнергетике. От этих свойств зависят такие
процессы, протекающие в элементах электроприборов, как передача,
генерация, выпрямление и модуляция электрического тока, преобразование
электрических сигналов в звуковые или световые и т. д. В зависимости от
свойств электроматериалов изготавливают такие разные по
функциональному назначению, конструктивному исполнению и размерам
изделия, как провода, волноводы, трансформаторы, магниты, электронные
лампы, лазеры, приёмники света, интегральные схемы и т. д. Для
правильного выбора и эффективного использования этих материалов
необходимо знание не только их свойств, но и причин их разнообразия,
которые связаны со строением вещества.
Техническое значение материалов зависит от их строения. Строение
материалов характеризуется их структурой. Особенности материалов
выражаются в их свойствах. Связь между структурой и свойствами
материалов является основной целью данного методического пособия. В
4
данной работе приводятся основные свойства и области применения ряда
распространённых электротехнических материалов.
При эксплуатации электрооборудования возникает необходимость
проведения ремонтных работ по соединению и оконцеванию медных и
алюминиевых жил проводов, восстановления электрических схем монтажных
плат и других элементов оборудования.
Соединение и оконцовка медных алюминиевых жил изолированных
проводов производится несколькими способами: опрессовкой, сваркой,
пайкой и механическим сжимом. Наиболее широкое применение получила
пайка как наиболее дешёвая и простая. Данное методическое пособие
предназначено для подготовки электромонтёров силовых и осветительных
агрегатов. В методическом пособии рассмотрены вопросы строения и
свойств электротехнических материалов, а также порядок проведения работ
по соединению проводов методом пайки. Кроме этого в методическом
пособии на основе обобщения передового педагогического опыта
рассмотрены вопросы организации и методики занятий при обучении
основным приёмам лужения и пайки жил проводов.
5
Глава 1 Общие сведения об электрических материалах
1.1 Общие сведения о строении материалов
Все вещества состоят из атомов. Атом – это наименьшая частица
химического элемента, обладающая его свойствами. Атом представляет
собой систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг
которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Электроны
притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Внешние электроны
могут отрываться от одного атома и присоединяться к другому атому,
изменяя число его внешних электронов. Такие электроны называются
валентными. Атом потерявший один или несколько электронов, становится
положительно заряженным. Атом, который присоединил к себе свободные
электроны, становится отрицательно заряженным.
Из атомов строятся молекулы. Молекула является наименьшей
частицей вещества, которая сохраняет его химические свойства. В состав
молекул входят от двух до многих сотен и тысяч атомов. Молекулы имеют
размеры порядка 10
-1
….10
6
нм и находятся в непрерывном движении.
Способность атомов вступать в соединения с атомами других веществ и
образовывать молекулы определяет химические свойства вещества.
Химические связи между атомами вещества подразделяются на ковалентные,
ионные, металлические и молекулярные.
Ковалентные связи возникают между атомами за счёт образования
устойчивых пар валентных электронов разных атомов. Вещества с
ковалентными связями обычно характеризуются твёрдостью, хрупкостью,
тугоплавкостью и химической инертностью. К ним относятся кристаллы
германия, кремния, алмаза.
Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения
между положительными и отрицательными ионами. Соединения с ионной
связью обладают разными свойствами, которые характерны для типичных
металлов и неметаллов, неорганических диэлектриков. Ионные связи менее
прочны, чем ковалентные, поэтому соединения, образованные ионной
связью, уступают веществам с ковалентной связью по механической
прочности и химической стойкости.
Металлические связи образуются в металлах и обусловлены
особенностями поведения внешних электронов. Атомы металлов обладают
способностью отдавать внешние электроны, превращаясь в положительный
6
ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом. В
результате металл представляет собой систему, состоящую из
положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных
электронов. В этой системе одновременно имеют место притяжение между
ионами и свободными электронами и ковалентная связь между
нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и
прочность металлов. Благодаря наличию свободных электронов металлы
обладают высокой электро- и теплопроводностью.
Все существующие в природе материалы подразделяются на
аморфные и кристаллические. По структуре кристаллические материалы
бывают монокристаллическими и поликристаллическими.
Монокристаллические материалы – это однородные анизотропные тела, у
которых атомы расположены по всему объёму в правильном порядке. При
этом сами атомы состоят из периодически повторяющихся одинаковых
кристаллических ячеек. Поликристаллические материалы состоят из
большого числа сросшихся между собой мелких кристаллических зёрен,
которые хаотически ориентированы в разных направлениях. В отличии от
кристаллических аморфные материалы не имеют строго определённой
температуры перехода из твёрдого состояния в жидкое. Аморфные
материалы подразделяются на простые аморфные материалы
(низкомолекулярные жидкости, неорганические стёкла, плавленый кварц), и
высокополимерные соединения, к которым относятся каучуки, резины,
органические стёкла, смолы. В настоящее время находят широкое
применение нанокристаллические материалы – это материалы с размерами
кристаллов менее 100 нм. По свойствам они существенно отличаются от
обычных материалов с мелкозернистой структурой такого же химического
состава.
1.2 Классификация материалов, используемых в электротехнике
По назначению материалы, используемые в различных областях
электротехники, условно подразделяют на:
- конструкционные;
- электротехнические;
- триботехнические;
- инструментальные;
- рабочие тела;
- технологические.
7
Конструкционные материалы применяют для изготовления деталей
приборов, инженерных конструкций, работающих в условиях воздействия
механических нагрузок. Они характеризуются конструктивной прочностью,
надёжностью, износостойкостью, долговечностью.
Электротехнические материалы характеризуются особыми
электрическими и магнитными свойствами и предназначены для
изготовления изделий, применяемых для производства, передачи,
преобразования и потребления электроэнергии. К электротехническим
материалам относятся проводники, полупроводники, диэлектрики в твёрдой
и газообразной фазах, магнитные материалы.
Триботехнические используются в узлах трения. Основными
триботехническими материалами являются смазочные, антифрикционные и
фрикционные материалы.
Инструментальные материалы отличаются высокой твёрдостью,
прочностью и износостойкостью. Их используют для изготовления
мерительного, режущего, слесарно-монтажного и другого инструмента. К
инструментальным материалам относятся твёрдые сплавы, инструментальная
сталь, алмаз, некоторые виды керамических и композиционных материалов.
Рабочие тела – жидкие и газообразные материалы, с помощью которых
энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту.
Технологические материалы представляют собой большую группу
вспомогательных материалов, которые используют для обеспечения
выполнения технологических процессов и нормальной работы оборудования.
Глава 2 Металлы и сплавы, используемые в электроэнергетике
2.1 Общие свойства металлов и их сплавов
Все электротехнические, радиотехнические, электронные материалы
можно разделить по их поведению в электромагнитном поле на основные
четыре группы:
1. Диэлектрики
2. Полупроводники
3. Проводники
4. Магнитные материалы.
Каждая группа материалов имеет свои основные электрические,
магнитные, тепловые, механические и другие характеристики.
8
Металлы и их сплавы относятся к группе проводников .Проводники-
это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их
удельное сопротивление мало и составляет от 10
-8
до 10
-4
Ом. м.
Металлы обладают металлическим типом химической связи, при
которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так
называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в
узлах кристаллической решетки, являются положительно заряженными
ионами, так как они отдали свои электроны. В такой системе имеет место
большое количество свободных носителей заряда- электронов. Формула
электропроводимости проводников:
Y=qNu
N Концентрация свободных носителей заряда.м
-3
;
u - Подвижность носителей заряда. м
2
\В.с;
q Величина заряда носителя, Кл.
При большом количестве электронов их число практически не
зависит от содержания примесей или от температуры. Но на подвижность
примеси оказывают большое влияние. Создавая своим присутствием
дополнительные препятствия направленному движению электронов в
электрическом поле. Повышение температуры также уменьшает
электропроводность. Так как уменьшается подвижность электронов в
результате тепловых колебаний кристаллической решетки и увеличения
хаотического движения электронов.
Механическая обработка металлов вызывает искажение
кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного
сопротивления.
Многие металлы и сплавы ниже определённой температуры (для
каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее
состояние, т.е. их сопротивление постоянному току становится равным
нулю. Если металл переходит в это состояние скачком – это
сверхпроводник 1-го рода, если плавно – сверхпроводник 2-го рода.
Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется
критической, выше этой температуры сверхпроводник переходит в
обычное состояние.
9
Сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при
определённых условиях образуются пары электронов, имеющие
противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с
кристаллической решеткой – один электрон, отдавая ей свой импульс,
переводит её в возбуждённое состояние, второй электрон этой пары
забирает переданный решетке импульс и тем самым переводит её в
нормальное состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а
между электронами, обменявшимися фотонами возникает сила взаимного
притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но все
они движутся, согласовано, электронные волны их имеют, одинаковые
длинны и фазы.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что
движение всех электронных пар в металле можно описать как
распространение одной электронной волны, которая не рассеивается
кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в
образовании этой волны, т.е. собственные колебания решетки
согласованы с электронной волной, имеют те же длины волн и фазы.
Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника в сверхпроводящие
цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней
поддерживать определённые условия. Кроме нулевого сопротивления
сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков,
магнитные силовые линии в них не проникают, выталкиваются.
Не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее
состояние. Такие хорошие проводники при нормальных условиях как
медь и серебро не переходят в сверхпроводящее состояние даже при
температурах близких к абсолютному нулю.
В таблице 1 приведены некоторые проводниковые материалы,
способные становиться сверхпроводниками при низких температурах.
Таблица 1 Сверхпроводниковые материалы
МАТЕРИАЛ
КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА К
о
Цинк
0,88
Алюминий
1,2
Кадмий
0,56
10
Ртуть
4,15
Свинец
7,2
Ниобат олова
18,1
Применение сверхпроводников в мощных магнитах,
трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в
проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и
напряженность магнитного поля.
2.2 Медь и её сплавы
Медь является одним из самых распространенных материалов
высокой проводимости. Она обладает малым удельным электрическим
сопротивлением, высокой механической прочностью, удовлетворительной
коррозионной стойкостью, хорошей паяемостью и свариваемостью,
хорошей обрабатываемостью.
Таблица 2 Свойства медной проволоки
п\п
Основные свойства
Еденицы
измерения
Марка медной проволоки
1
Марка
ММ
2
Плотность
кг/м
3
8,90*10
3
3
Удельное электрическое
сопротивление
мкОм м
0,0175
4
Предел прочности
при растяжении
МПа
260-280
5
Относительное удлинение
при разрыве
%
18 - 35
Медь марки МТ (твёрдотянутая) получают методом холодной
протяжки. Она обладает высоким пределом прочности при растяжении,
твёрдостью и упругостью. Твёрдую медь применяют в тех случаях, когда
необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твёрдость и
11
сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, шин РУ,
коллекторных пластин электрических машин, экранов токопроводящих
жил кабелей и проводов).
Медь марки ММ (мягкая) получают путём отжига до нескольких
сотен градусов с последующим охлаждением. Эта медь имеет
проводимость на 3 – 5% выше, чем у твёрдой меди. Мягкая медь широко
применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил кабелей и
обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность.
Бронзы это сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния,
бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным
легирующим элементом.
При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно
более высокие механические свойства, чем чистая медь.
Таблица 3 Свойства бронзы
Параметры
Кадмиевая
бронза
Бериллиевая
бронза
Фосфористая
бронза
Состав бронзы
Медь –
99,1%
Кадмий –
0,9%
Медь 98%
Бериллий – 2%
Медь –
93,35%
Олово – 6,5%
Фосфор – 0,15%
Удельная
электропроводность по
отношению к
электротехническому
стандарту, %
95
37
15
Предел прочности при
растяжении, МПа
310
700
400
Относительное
удлинение при
разрыве, %
50
20
50
12
Бронзы обладают малой объёмной усадкой по сравнению с чугуном и
сталью, у которых усадка достигает 1,5 – 2,5 %, поэтому наиболее
сложные детали отливают из бронзы. Маркируют бронзы буквами Бр,
после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество
легирующих добавок.
Например: Бр. В2 – бериллиевая бронза, состоящая из двух
процентов бериллия и 98% меди; Бр.ОФ 6,5 – 0,15 фосфористая
бронза, состоящая из 6,5% олова, 0,15 фосфора, остальное медь.
Латуни – представляют собой медные сплавы, в которых основным
легирующим элементом является цинк (до 43%). Латуни прочнее,
пластичнее меди, обладают достаточно высоким относительным
удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по
сравнению с чистой медью. Они имеют пониженную стоимость, так как
цинк значительно дешевле меди. Для повышения коррозионной стойкости
в состав сплава вводят в небольшом количестве алюминий, никель,
марганец.
Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой
вытяжке, их применяют для изготовления контактов
термобиметаллического реле, пластин воздушных конденсаторов
переменного тока, колпачков радиотехнических ламп
Таблица 4 Основные свойства латуней
п/п
Основные параметры
Л68
Л59-1
1
Состав сплава
Cu 68%,
Zn 32%
Cu 59%,
Pb 1%, Zn -
40%
2
Удельная
электропроводность по
отношению к
электротехническому
стандарту, %
46
30
3
Предел прочности при
растяжении, МПа
380
350
13
4
Относительное удлинение
при разрыве, %
65
25
2.3 Алюминий и его сплавы.
Алюминий относится к так называемым лёгким металлам. Удельное
сопротивление алюминия в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена
меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиотехнике. Алюминий
приблизительно в 3,5 раза легче меди. Алюминий на воздухе активно
окисляется и покрывается тонкой оксидной плёнкой с большим
электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от
дальнейшей коррозии, но создаёт большое переходное сопротивление в
местах контакта алюминиевых проводов. Алюминий менее дефицитен, чем
медь.
Существенным недостатком алюминия как проводникового материала
является низкая механическая прочность, для повышения которой алюминий
подвергается механической обработке.Примеси значительно снижают
проводимость алюминия.
Таблица 5 Свойства алюминиевой проволоки
п/
п
Основные свойства
Еденицы
измерения
Марка
алюминиевой
проволоки
1
Марка
АТ
АМ
2
Плотность
кг/м
3
2600
600-
2700
3
Удельное электрическое
сопротивление
мкОм м
0,0295
0,029
0
4
Предел прочности при
растяжении
МПа
160-170
80
5
Относительное
удлинение при разрыве
%
1,5-2
10-18
АТ- проволока алюминиевая твёрдая.
14
АМ - проволока алюминиевая мягкая.
Альдрей алюминиевый сплав, состоящий из 0,3% меди, 0,4% кремния,
0,2% железа, остальное – алюминий. Альдрей обладает повышенной
механической прочностью (в два раза прочнее алюминия), более высоким
пределом вибрационной прочности по сравнению с чистым алюминием,
близок к алюминию по электрическому сопротивлению (ρ = 0,0317 мкОм м).
Альдрей применяется для изготовления проводов малонагруженных линий
электропередачи.
Магналий это сплав алюминия с магнием, отличается низкой
плотностью. Применяется для изготовления стрелок различных
электроизмерительных приборов.
Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным
содержанием кремния, меди, марганца. Он обладает хорошей
жидкотекучестью, малой усадкой, большой плотностью и повышенной
прочностью по сравнению с алюминием и широко применяется для
изготовления корпусов воздушных конденсаторов.
Дюраль принадлежит к деформируемым сплавам алюминия с медью,
магнием и марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства
сплава, а марганец увеличивает твёрдость и коррозийную стойкость, которая
является недостаточной по сравнению с другими сплавами.
2.4 Железо и его сплавы
Железо обладает более высоким по сравнению с медью и алюминием
удельным сопротивлением, что ограничивает возможности применения
железа как проводникового материала; высоким температурным
коэффициентом удельного электрического сопротивления; высокой
механической прочностью; низкой стоимостью и доступностью материала;
большой магнитной проницаемостью и высокой индукцией насыщения;
технологичностью.
Железо применяют в электровакуумных приборах как материал для
анодов, экранов и других элементов, работающих при температуре до 500
о
С.
Как ферромагнитный материал железо является основным и наиболее
дешёвым магнитным материалом. Железо, вследствие низкого удельного
электрического сопротивления, используют для изготовления изделий,
предназначенных для работы в постоянных магнитных полях.
15
Стали. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05%
принято называть – техническим железом, с содержанием углерода 0,05 – 1,
35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме
углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния,
марганца, серы и фосфора. Углерод определяет, структуру и свойства стали,
с его увеличением повышается твёрдость и снижается вязкость и
электропроводность.
В углеродистой стали, кроме основной примеси – углерода, всегда
присутствуют постоянные примеси: кремний 0,1 – 0,37%; марганец 0,2 –
0,8%; сера 0,03 – 0,06%; фосфор 0,03 – 0,07%. По назначению углеродистую
сталь подразделяют на конструкционную и инструментальную.
Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и
механизмов.
Таблица 6 Основные свойства проводниковых резистивных материалов.
п/п
Основные параметры
Манганин
Константин
Нихром
1
Основной состав
Медь – 85%
Марганец-
12%
Никель – 3%
Медь – 58,5%
Марганец1,5%
Никель 40%
Никель –
хром -
железо
2
Плотность, кг/м
3
8400
8900
8200-
8300
3
Удельное электрическое
сопротивление, мкОм м
0,42 0,48
0,48 0,52
1,1 1,2
4
Температурный
коэффициент удельного
электрического
сопротивления, К
-1
(6 50)10
-6
-(5 -25)10
-6
(100-
200)10
-6
5
Коэффициент термо-ЭДС в
паре с медью, мкВ/К
1 - 2
45 - 55
_
6
Предел прочности при
450 - 600
_
650 - 700
16
растяжении, МПа
7
Относительное удлинение
при разрыве, %
15 - 30
20 - 40
25 - 30
8
Рабочая температура,
о
С
200
400
1000
2.5 Благородные металлы
Группу благородных металлов составляют металлы, обладающие
наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и
действию агрессивных сред – серебро, платина, палладий, золото.
Серебро белый блестящий металл, который является самым
электропроводным металлом (удельное электрическое сопротивление ρ=
0,016мкОм м). Он обладает высокими механическими свойствами, что
позволяет промышленно изготовлять проводники различного диаметра, в том
числе микропровода диаметром 20 мкм и менее. Серебро используют при
производстве конденсаторов в чистом виде и в виде сплавов как материал
для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий в
ответственных ВЧ и СВЧ устройствах и тонких токопроводящих плёнок в
печатных платах, монтажных проводах. Серебро является остродефицитным
материалом.
Платина светло – серый металл, который не соединяется с
кислородом. Это наиболее химически стойкий металл, обладающий высокой
пластичностью. Платину используют как материал для сеток в мощных
генераторных лампах, для изготовления термопар, изготовления особо
тонких нитей в подвижных системах электрометров.
Палладий белый пластичный металл, по свойствам близкий к
платине, в ряде случаев служит его заменителем. Палладий и его сплавы с
серебром и медью применяют в качестве контактных материалов, а так же в
электровакуумной технике для очистки водорода.
Золото металл жёлтого цвета с высокой пластичностью, что позволяет
получать фольгу толщиной 0,08 мкм и менее. Золото обладает коррозионной
стойкостью к образованию сернистых плёнок при комнатной температуре и
при нагревании и химической стойкостью. Золото в чистом виде и в виде
сплавов с платиной, серебром, никелем применяют для изготовления
17
прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фотоэлементов,
золочения контактных поверхностей электронных ламп СВЧ, корпусов
микросхем.
Вольфрам металл белого или серебристо-белого цвета с самой
высокой температурой плавления, очень большой плотностью, наименьшим
значением температурного коэффициента линейного расширения. Он
дорогой и с трудом обрабатывается, поэтому применяется только там, где
его нельзя заменить. Основная область применения вольфрама –
изготовление нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и
косвенного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок,
размыкающих контактов реле.
Глава 3 Электроизоляционные материалы, используемые в
электроэнергетике
3.1 Общие свойства электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы – это материалы, используемые для
изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания ёмкостей –
накопителей зарядов, изоляторов и для других целей.
По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы
подразделяют на:
- газообразные;
- жидкие;
- твёрдые.
Особую группу составляют твердеющие материалы, которые в
исходном состоянии являются жидкостям, а в процессе изготовления
изоляции затвердевают и в период эксплуатации представляют собой
твёрдые вещества. Эти материалы, имея широкую запрещенную зону,
относятся к неметаллам, обладают большим удельным электрическим
сопротивлением 10
5
- 10
16
Ом.м.
18
По химическому составу их разделяют на:
1. Органические:
А) воскообразные
Б) смолы и пластмассы
В) битумы и компаунды
Г) лаки и клеи
Д) лакоткани
Е) слоистые пластики
Ж) эластомеры
З) фторорганические диэлектрики.
2. Неорганические:
А) стёкла, ситаллы и эмали
Б) керамика
В) слюда
Г) сегитоэлектрики и пьезоэлектрики
Д) оксидная и фторидная изоляция
Е) асбест.
3. Элементоорганические:
А) кремнийорганическая смола
Б) кремнийорганический каучук
В) кремнийорганический компаунд.
Каждая из этих групп имеет свои специфические особенности и
соответственно – своё применение в электроэнергетике.
Для оценки эксплутационных свойств изоляционных материалов и
возможных областей их применения необходимо знать основные
электрические, механические, тепловые, влажностные и физико-химические
свойства.
19
3.2 Электрические свойства диэлектриков.
К электрическим свойствам диэлектриков относятся поляризация,
электропроводность, диэлектрические потери и пробой.
Диэлектрик, помещённый между электродами, к которым подводится
электрическое напряжение, поляризуется. Поляризация это процесс,
состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в
диэлектрике при воздействии на него электрического поля.
В зависимости от строения диэлектрика и его агрегатного состояния
различают электронную, ионную, дипольную, миграционную,
самопроизвольную и резонансную поляризации.
Электронная поляризация это смещение электронных орбит
относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего
электрического поля.
Электронная поляризация происходит во всех атомах любого вещества
и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других
видов поляризации.
Ионная поляризация это смещение друг относительно друга из
положения равновесия разноимённо заряженных ионов на расстояние,
которые не превышают расстояния между ионами. Отрицательные ионы
смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы – в
сторону отрицательного.
Представителями ионной диэлектриков с ионной поляризацией
являются – изоляторный фарфор, нагревостойкая керамика, щелочные
изоляционные стёкла.
Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации)
дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля.
В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики
подразделяют на полярные и неполярные.
В неполярных диэлектриках наблюдается в основном электронная
поляризация. Они применяются как высококачественные
электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот.
Полярными являются воздух, полистирол, эпоксидные смолы,
полиэтилен, фторопласт, бензол и др.
20
Электропроводность диэлектриков связана с направленным
перемещением заряженных частиц. Образуются эти частицы по разным
причинам. Электроны образуются при ионизации молекул вещества и
соударения заряженных частиц с поверхностью анода. Ионы создаются при
ионизации нейтральных молекул под воздействием внешних факторов и
диссоциации основного вещества и примесей.
Ток в диэлектриках называется током утечки. Ток, протекающий через
объём материала, называется объёмным, а ток, протекающий по
поверхности, - поверхностным.
Удельное сопротивление твёрдых диэлектриков зависит от температуры,
влажности и приложенного напряжения.
По отношению к воде изоляционные материалы подразделяются на
гидрофобные – слабо взаимодействующие с водой, гидрофильные
интенсивно взаимодействующие с водой.
Электропроводность гидрофобных материалов мала и практически
независит от влажности воздуха. К ним относятся воски, янтарь, полистирол
и др.
Электропроводность гидрофильных материалов зависит от влажности
окружающей среды, к ним относятся – мрамор, бумага, пластмассы,
электроизоляционные стёкла.
При воздействии электрического поля на любое вещество часть
потребляемой им электрической энергии превращается в тепловую и
рассеивается. Рассеянная часть поглощённой диэлектриком
электрической энергии называется диэлектрическими потерями.
Важнейшим параметром всех диэлектриков является тангенс угла
диэлектрических потерь, который определяет активную мощность, теряемую
в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Он выражается
отношением плотности тока проводимости к плотности тока смещения. Чем
выше тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, тем больше нагрев
диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.
Явление образования в диэлектрике проводящего канала под
действием электрического поля вследствие резкого возрастания
электропроводности называется пробоем.
21
При пробое весь ток течёт по узкому каналу, в газах по месту пробоя
образуется канал газоразрядной плазмы, в жидких диэлектриках происходит
вскипание и газовыделение, в твёрдых диэлектриках ток большой силы
прожигает в месте пробоя отверстие с выделением продуктов разрушения,
которые обладают высокой электропроводностью.
Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика,
называется пробивным напряжением. Пробивное напряжение растёт с
увеличением толщины диэлектрика.
3.3 Механические свойства диэлектриков
Прочность – это способность материала сопротивляться действию
внешних сил, не разрушаясь.
Физическим пределом текучести называют наименьшее напряжение,
при котором образец материала деформируется без заметного увеличения
нагрузки.
Пластичность – свойства материала деформироваться без разрушения
под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения
действия этих сил.
Вязкость – способность материала оказывать сопротивление
динамическим нагрузкам.
Твёрдость – способность материала сопротивляться внедрению в него
другого, более твёрдого материала.
Механические свойства важны для изоляторов, несущих механические
нагрузки, например, подвесные, проходные, опорные изоляторы.
Тепловые свойства материалов.
Нагревостойкость способность диэлектрика выдерживать воздействие
повышенной температуры без недопустимого ухудшения своих свойств. Она
оценивается минимальной температурой, при которой проявляются
изменения электрических характеристик, основные из которых приведены в
таблице 7.
22
Таблица 7 Характеристика электроизоляционных материалов
Класс
нагревостойкости
Температура,
о
С
Характеристика основных групп
электроизоляционных материалов.
1
2
3
Y
90
Волокнистые материалы из
целлюлозы, хлопка и натурального
щёлка, не пропитанные и не
погруженные в жидкий
электроизоляционный материал
1
2
3
А
105
Волокнистые материалы из
целлюлозы, хлопка или
натурального и искусственного
щёлка, пропитанные или
погруженные в жидкий
электроизоляционный материал
Е
120
Синтетические органические
материалы или простые их
сочетания
В
130
Материалы на основе слюды,
асбеста и стекловолокна,
применяемые с органическими
связующими и пропитывающими
составами
F
155
Материалы на основе слюды,
асбеста и стекловолокна,
применяемые в сочетании с
синтетическими связующими и
пропитывающими составами
Н
180
Материалы на основе слюды,
асбеста и стекловолокна,
применяемые в сочетании с
кремнийорганическими
23
связующими и пропитывающими
составами, кремнийорганические
эластомеры
С
Свыше
180
Слюда. Керамические материалы,
стекло, кварц или их комбинации,
применяемые без связующих или с
неорганическими составами
Температурные условия работы изоляции могут быть самые различные
от повышенных температур, до очень низких. Поэтому необходимо
учитывать свойства диэлектриков в условиях их эксплуатации, основные из
которых приведены в таблице 8
Таблица 8 Свойства диэлектрических материалов.
Материал
Плотность
кг/м
3
Электрическ
ая
прочность
при 20
о
С,
кВ/мм
Влагопоглоща
емость за 24
ч., %
Нормируемая
температура,
о
С
Асбест
2100….28
00
2,4….4,6
2……4
500…..600
Асбестоцемент
1600….18
00
2……3
15……20
250
Битумы
1000
15……20
----
30……130
Вазелин
820…..840
20……25
----
-----
Бумага
700…..870
5…….10
7……10
110
Гетинакс
1300…..
1400
20……22
2
150…..180
Лакоткань
900……12
00
20……70
3,6…..8
105
Миканит
1500……2
600
----
-----
130 …. 200
Масло
840 …...
15 ….. 20
-----
135…. 145
24
трансформаторн
ое
920
(вспышка)
Влага, содержащаяся в воздухе, сильно снижает электрические
характеристики многих диэлектриков, т. к. вода является сильно полярным
диэлектриком и обладает малым удельным электрическим сопротивлением.
Гигроскопичность – способность материала впитывать в себя влагу из
окружающей среды.
Влагостойкость способность материала сохранять свои
характеристики в атмосфере, влажность которой близка к состоянию
насыщения.
Химическая стойкость – способность материала выдерживать
длительное воздействие тех или иных химических реагентов без
существенного изменения электрических, механических и др. свойств.
В зависимости от условий эксплуатации должны учитываться
вышеперечисленные характеристики диэлектриков.
Глава 4 Контактные соединения пайкой.
4.1 Пайка мягкими припоями.
Технологический процесс образования неразъёмного соединения
металлических деталей нагревом и заполнением зазора между ними
расплавленным припоем, образующим после кристаллизации прочный
механический сплав, называется пайкой.
В процессе пайки происходит взаимное растворение и диффузия припоя
и основного металла, чем обеспечивается после затвердения определённая
механическая прочность места соединения. К преимуществам пайки
относятся: незначительный нагрев соединяемых частей, что сохраняет
структуру и механические свойства металла; чистота соединения, не
требующая в большинстве случаев последующей обработки; сохранение
размеров и форм деталей; прочность соединения.
Современные способы позволяют паять углеродистые, легированные и
нержавеющие стали, цветные металлы и их сплавы.
25
Качество, прочность и эксплуатационная надёжность паянного
соединения в первую очередь зависят от правильного выбора припоя. Не все
металлы и сплавы могут выполнять роль припоя.
Припой – это специальный сплав, применяемый при пайке.
Припой представляет собой сплав, с помощью которого происходит
соединение металлических деталей за счёт взаимодействия жидкого припоя с
поверхностными слоями металлов. Припой имеет температуру плавления
ниже, чем у соединяемых металлов, и обладает способностью их смачивать.
Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате припой плавится,
растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между
ними. На границе соприкосновения расплавленного припоя и поверхностей
соединяемых деталей происходят сложные физико-химические процессы.
Припои должны обладать следующими свойствами:
- хорошая жидкотекучесть;
- малый интервал температур кристаллизации;
- высокая механическая прочность;
- коррозийная стойкость;
- высокая электропроводность.
В зависимости от температуры плавления припои подразделяются на
мягкие и твёрдые. При пайке мягкими припоями преобладает адгезия –
поверхностное сцепление. Мягкие припои имеют сравнительно невысокую
температуру плавления – до 400
о
С. Они имеют предел прочности при
растяжении не выше 50….70МПа. Состав, основные свойства и область
применения приведены в таблице 1.
Таблица 1 Мягкие припои
Марка
припоя
Химический
состав, %
Температура
плавления,
о
С
Область применения
1
2
3
4
ПОС - 30
Sn 30, Pb 68,
Sb - 2
256
Пайка меди, латуней,
оцинкованного железа
ПОС - 61
Sn -61, Pb 38,1,
Sb 0,8, Bi 0,1
183
Пайка проводов
радиодеталей, микросхем
ПОС - 90
Sn 90, Pb 9,7,
Sb 0,3
222
Пайка деталей с
гальваническим покрытием
1
2
3
4
ПОС - 47
Sn 47, Pb 36,
Sb 5,5, Cd 11,5
142
Создание контактов с
посеребренной и
омеднённой керамикой
ПОСИС -
1
Sn 30, Pb 19,
In 50, Ag - 1
130
Пайка проводов к тонким
плёнкам на подложках из
26
стекла
Сплав
Вуда
Sn 12,5, Pb 25,
Bi 50, Cd 12,5
65
Пайка контактов,
требующих пониженных
температур
АВИА - 1
Sn 55, Cd 20,
Zn - 25
200
Пайка алюминия и его
сплавов
АВИА - 2
Sn 40, Cd 20,
Zn 25, AI - 15
250
Пайка алюминия и его
сплавов
ПСр – 2,5
Pb 92,7, Ag 2,5
300
Пайка элементов
микроэлектроники
Твёрдые припои отличаются тугоплавкостью и высокой механической
прочностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс
ведётся в специальных электрических печах. Твёрдые припои должны
отвечать следующим требованиям:
- должны обеспечивать высокую механическую прочность паяного
соединения в инертной среде без применения флюса;
- не должны испаряться при нагревании и загрязнять детали,
находящиеся внутри устройства;
- должны обладать достаточно большими значениями электро-и
теплопроводимо
Состав, основные свойства и область применения твёрдых припоев
приведены в таблице 2.
Таблица 2
Марка
припоя
Химический
состав, %
Температура
плавления,
о
С
Область применения
ПСр - 25
Ag 25, Cu 40,
Zn - 35
765
Пайка стальных и
медных деталей
ПСр - 70
Ag 70, Cu 20,
Zn - 10
730
Пайка серебра и
платины
ПСр - 36
Cu 36, Zn - 64
800
Пайка латуней и
бронз
Для получения электрических контактов и монтажа схем различного
назначения применяют также токопроводящие пасты, клеи, эмали,
объединяемые общим названием контактолы. По сравнению с мягкими
припоями контактолы обладают более высокой прочностью и
эластичностью, лучшими антикоррозионными свойствами и более низкой
плотностью. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют
27
контактолы, содержащие серебро, палладий, никель, посеребренный никель,
золото.
В марках припоев буква П, расположенная на первом месте, обозначает
припой, стоящие за ней буквы – название элемента:
О олово;
Су – сурьма;
С свинец;
А алюминий;
Ср – серебро;
М медь;
Кр – кремний;
Ви – висмут;
Зл – золото;
К кадмий.
Цифры указывают процент содержания в нём массы основного
металла. Например, ПОС – 40 припой оловянно-свинцовый с содержанием
олова 40% по массе.
Оловяно-свинцовые припои обладают большой текучестью и хорошо
проникают в самые тонкие швы, хорошо схватываются с большинством
металлов (медью, латунью, сталями, цинком) и обеспечивают достаточно
высокую прочность паяных швов. Оловяно-свинцовые припои с большим
содержанием висмута (50…57%) обладают наиболее низкой температурой
плавления (79…95
о
С), но паяные ими швы хрупкие.
К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ – 54, ПМЦ –
48) и медно – серебряные (ПСр – 72, ПСр – 70, ПСр – 50), а также сплавы
алюминия с медью, цинком и кремнием. Наиболее широко применяются
медно-серебряные припои. Они отличаются малым удельным электрическим
сопротивлением, поэтому широко применяются для пайки токопроводящих
частей из чёрных и цветных металлов, которые хорошо смачиваются ими, и
образуют механически прочные и корозионно-стойкие швы. Припои на
олюминиевой основе с добавками меди, кремния и олова отличаются
повышенной механической прочностью и стойкостью к коррозии. Эти
припои применяются для пайки алюминиевых проводов и других деталей из
алюминия и егосплавов.
Кроме припоя для пайки необходимы флюсы. Их назначение
заключается в очистке поверхностей спаиваемых металлов от оксидов и
других загрязнений и предохранении их от окисления в процессе пайки.
28
Флюсы являются вспомогательными материалами для получения
качественной и надёжной пайки.
Они должны:
- хорошо смачивать поверхности металла и улучшать растекаемость
припоя;
- растворять и удалять оксиды и загрязнения с поверхности
соединяемых деталей;
- защищать в процессе пайки поверхность металла и расплавленный
припой от окисления, образуя жидкую зону;
- снижать поверхностное натяжение расплавленного припоя для
улучшения смачивания им основного металла;
- иметь рабочую температуру на 50..100
о
С ниже температуры
плавления припоя;
- не вызывать коррозию;
- не изменять своего состава при температуре пайки;
- легко удаляться с поверхности после пайки.
По действию на соединяемые поверхности флюсы подразделяются на
активные, бескислотные, активированные и антикоррозионные. Активные и
активированные флюсы после пайки требуют тщательной промывки и
полного удаления остатков флюса, поэтому их применение при монтаже
радиоэлектронной аппаратуры исключено.
При пайке меди, латуни и бронз легкоплавкими припоями на
свинцовой основе применяют флюсы, не вызывающие коррозии образуемых
швов (бескислотные и антикоррозионные). К этим флюсам относятся
канифоль, раствор канифоли в этиловом спирте и другие составы на основе
канифоли. При пайке твёрдыми припоями в качестве флюсов используют
буру или смеси её с борной кислотой и другими солями. Для пайки
алюминия применяют особо активные флюсы, которые могут растворять
плотную плёнку оксидов. Таким флюсом является состав из хлористого
лития, хлористого цинка и хлористого калия.
Таблица 3. Флюсы для пайки мягкими припоями.
Марка флюса
Область применения
Химический состав,%
КЭ
Пайка токопроводящих частей из
меди, латуни и бронзы
Канифоль – 30.
Этиловый спирт - 70
ВТС
Пайка проводниковых изделий из
меди, латуни, алюминия, бронзы,
константана, манганина, серебра
Вазелин – 63; Кислота
салициловая – 6,5;
триэтаноламин – 6,3;
спирт этиловый – 24,2
ФВ - 3
Пайка изделий из алюминия и его
сплавов цинковыми и
Фтористый натрий –
8; хлористый литий –
29
алюминиевыми припоями
36; хлористый цинк –
16; хлористый калий –
40.
Водный раствор
хлористого
цинка
Пайка изделий из стали, меди,
латуни, бронзы
Хлористый цинк -40;
вода - 60
ФТКА
Пайка алюминиевых проводов с
медными
Фторобора кадмия –
10; фтороборат
аммония – 8;
триэтаноломин - 82
4.2 Рекомендации по организации и методике проведения занятий.
Организационно вводный инструктаж проводится фронтально для всей
группы. Основа вводного инструктажа демонстрация и пояснение приёмов
паяния легкоплавкими припоями, а также лужения способом погружения и
растирания.
Техника выполнения основных приёмов этих операций раскрыта в
инструкционных картах, которыми следует руководствоваться при показе.
Преподаватель показывает приёмы и способы паяния легкоплавкими
припоями с применением электрического паяльника, а также приёмы и
способы лужения. В ходе упражнений курсанты отрабатывают приёмы
пайки, руководствуясь инструкционной картой. Успех упражнения зависит
от обеспеченности учебных мест достаточным количеством материалов, от
работоспособности и исправности применяемого оборудования. Особое
внимание должно уделяться обеспечению безопасности.
Глава 4 Припои и их основные свойства
4.1 Назначение и свойства мягких припоев
Припой – это специальный сплав, применяемый при пайке.
Припой представляет собой сплав, с помощью которого происходит
соединение металлических деталей за счёт взаимодействия жидкого припоя с
поверхностным