tiểu luận an toàn điện điện tử tìm hiểu về vật liệu an toàn điện, các thiết bị an toàn điện

Mục lục PHẦN 1: CÁC VẬT LIỆU AN TOÀN ĐIỆN I. CÁC VẬT LIỆU CÁC ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN……….2 II. CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ………………………………………………..11 III. CÁC VẬT LIỆU TỪ SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN ……………....16 IV. MỘT SỐ VẬT LIỆU KHÁC…………………………………………………18 PHẦN 2: CÁC THIẾT BỊ AN TOÀN ĐIỆN I .THIẾT BỊ ĐÓNG NGẮT TỰ ĐỘNG KHI CÓ SỰ CỐ NGẮN MẠCH, SỤT ÁP.( CÁC THIẾT BỊ CHỐNG GIẬT)……………………………………………………..28 II. CÁC THIẾT BỊ CHỐNG DÒNG RÒ……………………………………..........38 III. CÁC THIẾT BỊ KHÁC…………………………………………………………44 I. CÁC VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN Để cách điện các bộ phận mang điện trong máy phát điện, người ta sử dụng vật liệu cách điện. Những vật liệu này đ̣i hỏi phải có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu ẩm, chịu được hoá chất và có độ bền cơ học nhất định. Độ bền về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng chất cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm. II .THIẾT BỊ ĐÓNG NGẮT TỰ ĐỘNG KHI CÓ SỰ CỐ NGẮN MẠCH, SỤT ÁP.( CÁC THIẾT BỊ CHỐNG GIẬT) Đáp ứng những đòi hỏi về an toàn ngày càng cao của con người, các nhà sản xuất thiết bị điện đã cho ra đời rất nhiều thiết bị bảo vệ mạng điện dân dụng nhằm đảm bảo sự an toàn tối đa cho người sử dụng, tiêu biểu và thông dụng nhất là CB bao gồm: MCB (Miniature Circuit Breaker) và MCCB (Molded Case Circuit Breaker), RCD (residual current device). Ngoài ra còn có cầu chì… Để lựa chọn và sử dụng các thiết bị trên, chúng ta nên tham khảo thông tin của từng loại sản phẩm:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

Khoa công nghệ kỹ thuật điện- điện tử

TIỂU LUẬN

AN TOÀN ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Đề tài: Tìm hiểu về các vật liệu an toàn điện, các thiết bị an toàn sử dụng trong an toàn điện

GVHD: Nguyễn Thị Thu Trúc Sinh viên: Trần Bình Khiêm

An toàn điện- điện tử Page 1

Mục lục PHẦN 1: CÁC VẬT LIỆU AN TOÀN ĐIỆN

I CÁC VẬT LIỆU CÁC ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN……….2

II CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ……… 11 III CÁC VẬT LIỆU TỪ SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN ……… 16

IV MỘT SỐ VẬT LIỆU KHÁC………18

PHẦN 2: CÁC THIẾT BỊ AN TOÀN ĐIỆN

I THIẾT BỊ ĐÓNG NGẮT TỰ ĐỘNG KHI CÓ SỰ CỐ NGẮN MẠCH, SỤT ÁP.( CÁC THIẾT BỊ CHỐNG GIẬT)……… 28

II CÁC THIẾT BỊ CHỐNG DÒNG RÒ……… 38 III CÁC THIẾT BỊ KHÁC………44

An toàn điện- điện tử Page 2

PHẦN 1: CÁC VẬT LIỆU AN TOÀN ĐIỆN

I CÁC VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN

Để cách điện các bộ phận mang điện trong máy phát điện, người ta sử dụng vật liệu cách điện Những vật liệu này đ ̣i hỏi phải có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu

ẩm, chịu được hoá chất và có độ bền cơ học nhất định

Độ bền về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây

và do đó quyết định tải của nó Nếu tính năng chất cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm

A TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN - PHÂN LOẠI

*Tầm quan trọng của vật liệu cách điện:

Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện Chúng được dùng để ngăn cách giữa phần mang điện và phần không mạng điện hoặc giữa những phần mang điện với nhau.Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo được bất kỳ một loại thiếtbị nào, cho dù là đơn giản nhất

Phân loại:

-Phân theo trạng thái: Khí, lỏng, rắn Ngoài ra còn có vật liệu hoá rắn

-Phân theo bản chất hoá học: Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ

+Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi tuy nhiên chúng có độ bền nhiệt thấp

+Cách điện vô cơ thường giòn, không có tính dẻo và đàn hồi Chế tạo phức tạp nhưng có độ bền nhiệt cao

+Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó là những vật liệu hữu cơ nhưng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên tố đặc trưng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P

-Phân theo khả năng chịu nhiệt: vật liệu được phân thành các cấp Y, A, E, B, F, H,

An toàn điện- điện tử Page 3

1) Hiđro: H2 là 1 chất khí nhẹ Dùng làm mát thay không khí trong các máy điện sẽ

giảm được tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra Do không có tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng H2 làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện

2)Nitơ: N2 đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì có đặc tính

điện gần giống không khí

3)Khí Elêga: Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần Nó

không độc, chịu được tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC Đặc biệt ở áp suất cao êlêga có những ưu điểm rất lớn Chỉ 1 lượng nhỏ êlêga lẫn vào không khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó được ứng dụng vào một số điện áp cao

C ĐIỆN MÔI LỎNG

1- Dầu mỏ cách điện:

a Dầu biến áp: Được dùng nhiều trong kỹ thuật điện Nó có công dụng chính:

+Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của lớp cách điện lên rất nhiều

+Tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra

+Ngoài ra còn dùng trong các máy cắt dầu cao áp

-Dầu biến áp được chế tạo từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất Nó phải có nhiệt độ chớp cháycao và độ nhớt thấp

-Độ bền điện của dầu giảm nhiều nếu có lẫn nước và tạp chất Khi sấy khô đúng mức thì độ bền điện được phục hồi

- Sau một thời gian làm việc dầu bị hóa già vàngười ta phải lọc và tái chế lại, tốc độ hoá già dầu tăng lên trong các trường hợp sau:

+Khi có ôxy lọt vào Đặc biệt nó tiến triển mạnh khi tiếp xúc với ôzon

+Khi nhiệt độ tăng

+Khi có sự tiếp xúc của dầu với 1 số kim loại (đồng, sắt, chì )

+Khi có tác dụng của ánh sáng

+Khi có tác dụng của điện trường cường độ cao

b Dầu tụ điện: Để tẩm các tụ điện giấy, đặc biệt là các tụ động lực dùng để bù trong

các thiết bị điện Khi được tẩm dầu điện trở cách điện cũng như độ bền điện tăng lên, làm giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của tụ điện

An toàn điện- điện tử Page 4

c Dầu cáp: Dùng để tẩm lớp giấy cách điện của cáp làm tăng độ bền điện dùng cho

cáp điện lực Có nhiều loại dầu cáp khác nhau

2 Điện môi lỏng tổng hợp:

a Xôvôn: Là chất lỏng không mầu và trong suốt, nặng hơn dầu mỏ Độ nhớt cao hơn

đầu biến áp nhiều Ở nhiệt độ bình thường và ở tần số thấp 5 (nó phụ thuộc vào nhiệt

độ và tần số theo tính quy luật đặc trưng cho các điện môi cực tính)

Xôvôn và xôvtôn không dùng được trong các máy cắt chứa chất lỏng vì khi dập hồ quang thì trong xôvôn có bồ hóng thoát ra cùng với hơi có tính độc và tính ăn mòn Khi làm việc cần chú ý không để dính vào da và đảm bảo thông gió tốt

b.Chất lỏng Silic hữu cơ: Có nhỏ, độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao Có thể dùng tẩm

tụ điện nhưng đắt tiền và độ bền cơ thấp

c Chất lỏng Flo hữu cơ: Có tổn hao điện môi rất nhỏ, độ hút ẩm nhỏ không đáng kể

và độ bền nhiệt cao Độ nhớt nhỏ, tương đối dễ bay hơi, khả năng đảm bảo thoát nhiệt

ra khỏi dây quấn và lõi từ của chất lỏng Flo hữu cơ mạnh hơn nhiều so với dầu mỏ

Ưu điểm: Không cháy được, có độ bền chịu hồ quang cao nhưng đắt tiền

3 Dầu thực vật:Là những chất lỏng nhớt thu được từ hạt của những loại thực

vật khác nhau Cần đặc biệt chú ý tới dầu khô Nó thường dùng chế tạo sơn dầu cách điện, vải sơn, tẩm gỗ

Có 2 loại dầu khô phổ biến là dầu gai và dầu trẩu (Thu được từ hạt gai và hạt trẩu) Dầu trẩu chóng khô hơn dầu gai

D.VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN HỮU CƠ

* KẾT CẤU - PHÂN LOẠI ĐIỆN MÔI HỮU CƠ

2 Phân loại:

An toàn điện- điện tử Page 5

*Theo nguồn gốc: Tự nhiên, tổng hợp và nhân tạo

*Theo cấu trúc phân tử:

-Pôlime đường thẳng: cấu trúc phân tử hình chuỗi xích Loại này khá mềm, co giãn tốt Khi nhiệt độ tăng lên vừa phải thì chúng hoá dẻo sau đó nóng chảy Chúng

dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp, có khả năng tạo ra các sợi mảnh, dẻo

và bền có thể tạo ra các sản phẩm dệt và màng mỏng

- Pôlime không gian: cấu trúc phân tử phát triển theo nhiều hướng khác nhau Chúng chỉ hoá dẻo ở nhiệt độ cao và có khi chưa đạt tới nhiệt độ hoá dẻo thì nhiều loại đã bị phá huỷ về mặt hoá học (cháy, phồng lên ), khó hoà tan trong dung môi, có loại không thể hoà tan được Chúng cũng không thể tạo ra sợi dệt và màng mỏng được

*Theo tính chất nhiệt:

-Loại nhiệt dẻo: khi nhiệt độ thấp thì ở trạng thái rắn, khi bị nung nóng thì hoá dẻo và dễ biến dạng Khi nguội đi chúng rắn trở lại và không gây nên sự biến đổi không phục hồi tính chất của chúng Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp Vật liệu nhiệt dẻo thường là các pôlime mạch thẳng

-Loại nhiệt cứng: khi bị nung nóng thì biến đổi tính chất không phục hồi được như trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan Vật liệu nhiệt cứng thường là các pôlime không gian hoặc polime chuyển sang cấu trúc không gian khi bị đốt nóng

*Theo tính hút ẩm và các tính chất điện:

-Loại có phân tử trung hoà: ít hút ẩm, tg bé, độ bền cơ học không cao

-Loại có phân tử cực tính: tính hút ẩm nhiều hơn, tính chất điện kém hơn nhưng độ bền cơ cao hơn

E NHỰA CÁCH ĐIỆN

Khái niệm:

Là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất khác nhau nhưng có 1số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng như 1 số tính chất vật lý chung Ở nhiệt độ thấp thì nó cứng và giòn nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì

nó trở nên dẻo, đàn hồi Nhựa không hòa tan trong nước, nhưng lại hòa tan trong một

số dung môi

1 Nhựa thiên nhiên:

An toàn điện- điện tử Page 6

Là những chất do một số động vật (cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra Người ta khai thác chúng ở dạng sẵn có trong tự nhiên và chỉ cần tẩy sạch, nấu chảy

Đặc tính cách điện: =1014 1015 cm; Eđt= 10 15 KV/mm; và tg phụ thuộc nhiệt

độ đặc trưng cho điện môi cực tính Nhiệt độ hoá dẻo: 50 700C

* Nhựa khoáng sản (điển hình là Copan):

Là loại nhựa khó nóng chảy Nó bóng, cứng, khó hoà tan Nhựa này 1 phần khai thác trong khoáng sản do các loại cây có nhựa đã sinh trưởng trước đây tách ra 1 phần thu được từ nhựa của các loại cây đang mọc hiện nay Chúng dùng làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng của màng sơn

Hổ phách thuộc loại Côpan có: = 2,8; =1017 1019 cm và tg = 0,001 có thể dùng làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở cách điện rất cao

2 Nhựa nhân tạo:

Gồm ete xenlulo (Điển hình) và este xenlulo Chúng được tạo ra từ việc xử lý hoá học các xenlulo tự nhiên Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng được dùng chế tạo vật liệu dệt, màng mỏng, sơn, chất dẻo

3 Nhựa tổng hợp:

Nhựa tổng hợp có vai trò quan trọng trong kỹ thuật cách điện Theo bản chất người ta lại chia nhựa tổng hợp ra thành nhựa trùng hợp và nhựa ngưng tụ

a Nhựa trung hoà: Êtylen, Polyêtylen (PE), Polypropylen (PP) hay Polystyrol (PS)

b Nhựa cực tính: Rượu Polyvinyl, nhựa Polimetylmetacrilat (thuỷ tinh hữu cơ), nhựa

Flo hữu cơ, nhựa tổng hợp nhiệt dẻo,nhựa Phenolfomandehit

F SƠN VÀ HỢP CHẤT CÁCH ĐIỆN

1 Khái niệm:

Sơn: Là dung dịch keo của nhựa, của dầu khô, bi tum các chất ấy gọi là nền

sơn hoà tan trong dung môi dễ bay hơi Khi sơn được sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn thì chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn

An toàn điện- điện tử Page 7

Hợp chất khác với sơn ở chỗ thành phần của nó không có dung môi Nó gồm các

loại nhựa, bi tum, sáp dầu ở trạng thái đầu nếu nó là chất rắn thì trước lúc đem dùng người ta đun nóng nó lên để thu được1 chất có độ nhớt khá thấp

2 Sơn:

* Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia làm 3 nhóm chính: Sơn tẩm, sơn

phủ, sơn dán

- Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là cách điện ở

dạng xơ (giấy, vải, sợi, cách điện của dây quấn máy điện và thiết bị điện)

Khi được tẩm chất cách điện có điện áp đánh thủng cao hơn, độ dẫn nhiệt lớn hơn, tính thấm ẩm giảm đi, tính cơ học tốt hơn Sau khi tẩm chất cách điện hữu cơ ít

bị ảnh hưởng ôxy hoá của không khí vì vậytính chịu nóng tăng lên

-Sơn phủ: Dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn bóng,

chịu ẩm và bền về cơ học

Quét sơn này lên cách điện rắn xốp để cải thiện đặc tính của chất cách điện đó (tăng điện áp phóng điện bề mặt và điện trở bề mặt, chống hơi ẩm ) Có 1 số loại sơn phủ (Emay) dùng quét trực tiếp lên kim loại nhằm tạo ra trên bề mặt của nó 1 lớp cách điện (cách điện của dây emay, các lá tôn silic )

+ Men màu cũng được xếp vào loại sơn phủ

+ Sơn bándẫn cũng là 1 loại men màu đặc biệt

-Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật liệu

cách điện vào kim loại Ngoài các đặc tính cần thiết cho sơn cách điện nó còn phải có lực bám dính cao

* Theo chế độ sấy sơn được chia thành 2 loại:

Sơn sấy nóng: (dùng dung môi sôi ở nhiệt độ cao) là loại sơn lâu khô ở nhiệt

độ thấp,

phải sấy khô ở nhiệtđộ > 1000C

Sơn sấy nguội: (dùng dung môi dễ bay hơi) khô khá nhanh và tốt trong không khí ở nhiệt độ trong phòng

* Một số loại sơn cách điện quan trọng: Sơn nhựa, sơn Bakêlit, sơn Polyclovinyl, sơn Polistirol, sơn cánh kiến, sơn xenlulo, sơn dầu, Sơn dầu nhựa…

3 Hợp chất cách điện:

Gồm 2 nhóm chính là: hợp chất tẩm và hợp chất làm đầy, dùng để tẩm và làm đầy các

lỗ trống giữa các chi tiết khác nhau trong thiết bị điện, giữa các mối nối nhằm bảo

vệ chất cách điện chống ẩm và chống tác dụng của các chất có hoạt tính hoá học, tăng cường điện áp phóng điện, hoàn thiện điều kiện toả nhiệt có thể làm tăng công suất của các thiết bị

An toàn điện- điện tử Page 8

G VẬT LIỆU XƠ

1 Xơ và nguồn gốc của nó

Xơ là vật liệu mà toàn bộ hoặc chủ yếu được cấu tạo bằng các phần tử nhỏ và dài Độ

bền cơ và độ dẻo khá cao, sản xuất thuận tiện, rẻ tiền Độ bền điện và độ dẫn điện không cao,độ hút ẩm cao

Nguồn gốc:

- Phần lớn là vật liệu gốc hữu cơ gồm có:

+Vật liệu gốc thực vật (gỗ,bông, giấychủ yếu là xenlulô)

+Vật liệu gốc động vật (tơ, len)

+Xơ nhân tạo: Thu được bằng cách chế biến hoá học nguyên liệu xơ thiên nhiên chủ yếu là xenlulô

+Xơ tổng hợp: Sản xuất từ các polyme tổng hợp

-Ngoài ra còn có xơ vô cơ: Trên cơ sở mica, xơ thuỷ tinh

2 Vật liệu dệt

Được chế tạo từ các loại xơ dài để làm vải, băng cách điện Nó có độ bền cơ cao hơn giấy tẩm nhưng đắt tiền và có độ bền điện nhỏ hơn

Vải và băng thường dùng bảo vệ phần cách điện chủ yếu của máy điện và thiết

bị điện chống tác dụng cơ từ phía ngoài Nó còn dùng để sản xuất vải sơn cách điện (đó là vải được tẩm sơn vừa có độ bền cơ vừa có độ bền điện cao) dùng làm cách điện trong máy điện và thiết bị điện, trong các sản phẩm cáp

H VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÔ CƠ

* THUỶ TINH

Là những chất không định hình và là hệ phức tạp của nhiều loại ôxit khác nhau Thành phần chủ yếu trong đa số các loại thuỷ tinh là SiO2 =>được gọi là thuỷ tinh Silicat

An toàn điện- điện tử Page 9

1 Các đặc tính của thuỷ tinh:

Biến đổi trong 1 phạm vi rộng tuỳ theo thành phần cấu tạo và chế độ nhiệt luyện của chúng

+ Đặc tính cơ: Độ bền nén lớn hơn bền kéo rất nhiều Trong điều kiện bình thường thuỷ tinh rất giòn

+ Đặc tính nhiệt: Không có nhiệt độ nóng chảy nhất định Nhiệt độ hoá dẻo của các loại thuỷ tinh từ 400 16000C Khi thêm chất phụ vào thì nhiệt độ hoá dẻo của thuỷ tinh giảm dần

+ Đặc tính quang học:Phần lớn các thuỷ tinh kỹ thuật đều hấp thụ mạnh tia tử ngoại

+Đặc tính điện:Phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó

2.Phân loại và 1 vài ứng dụng của thuỷ tinh:

*Phân loại theo công dụng:

-Thuỷ tinh tụ điện: Dùng làm điện môi cho tụ dùng trong bộ lọc cao thế, trong máy tạo xung, trong mạch dao động của các thiết bị cao tần

-Thuỷ tinh định vị: Chế tạo các chi tiết định vị, sứ cách điện

-Thuỷ tinh bóng đèn:Làm bong đèn thắp sángvà nhiều loại ống điện tử khác

-Men thuỷ tinh: Là 1 loại thuỷ tinh đục và dễ nóng chảy dùng để phủ lên mặt ngoài của nhiều loại sản phẩm

- Thuỷ tinh có chất độn: Thuỷ tinh mica Là những chất dẻo được ép nóng bằng thuỷ tinh và bột mica

-Xơ thuỷ tinh:Là thuỷ tinh kéo ra thành sợi nhỏ (đường kính 4-7 micron), dài, mềm dùng để sản xuất ra vật liệu dệt

-Sợi quang học: được làm bằng thuỷ tinh gồm 2 lớp có chiết suất khác nhau, hệ số chiết suất của lớp lõi cao hơn lớp vỏ Đường kính mỗi sợi khoảng 0,125mm (đường kính trong của sợi quang khoảng 4 m)

*Phân loại theo thành phần hoá học:

-Thuỷtinh kiềm không chứa ôxit nặng: làm cửa kính, chai lọ

-Thuỷ tinh kiềm có chứa ôxit nặng (BaO ): Làm kính quang học và thuỷ tinh cách điện Các loại thuỷ tinh nàycó độ dẫn điện không đáng kể và tg nhỏ

- Thuỷ tinh vô kiềm: (thuỷ tinh thạch anh thuần khiết và kể cả các loại có hàm lượng ôxit kiềm rất nhỏ) dùng vào mục đích quang học và cách điện

* VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN BẰNG GỐM

An toàn điện- điện tử Page 10

Vật liệu gốm là những vật liệu vô cơ có thể dùng để sản xuất những sản phẩm bất kỳ sau đó đem nung ở nhiệt độ cao

Nếu ta chọn thành phần cấu tạo và quá trình công nghệ chế tạo thích hợp thì gồm

có độ bền cơ học cao, góc tổn thất điện môi nhỏ, hằng số điện môi rất cao, chịu nóng tốt Gốm có độ bền hoá già vì điện và vì nhiệt cao hơn vật liệu cách điện hữu cơ Nó không bị biến dạng khi chịu tải trọng cơ trong 1 thờigian dài

1 Sứ cách điện: Sứ được dùng rộng rãi vào mục đích cách điện Sứ được chế

tạo từ những loại đất sét đặc biệt cùng với khoáng thạch anh SiO2 và fenspat

Công nghệ chế tạo sứ:

+Lọc sạch tạp chất khỏi các chất thành phần và nhào kỹ với nước

+Gia công tạo hình đem sấy khô để loại lượng nước thừa

+Tráng men (ngăn không cho hơi ẩm thấm vào trong làm tăng độ bền cơ cho

sứ, giảm độ rò điện theo bề mặt, loại bỏ các vết nứt nhỏ trên bề mặt)

+Nung: Là nguyên công cơ bản làm cho sứ có độ bền cơ học cao, chịu được nước và có đặc tính cách điện tốt

Đặc tính điện quan trọng nhất của sứ cách điện điện áp cao là trị số điện áp phóng điện bề mặt Có 2 loại điện áp phóng điện: Điện áp phóng điện khô và điện áp phóng điện ướt

Điện áp đánh thủng: Là điện áp gây ra sự đánh thủng qua chiều dày của sứ nằm giữa các điện cực Trị số này lớn hơn điện áp phóng điện khô

*Những yêu cầu của cách điện bằng sứ:

-Bề dày của lớp sứ không quá dày (trường hợp cần lớp sứ dày người ta gắn các lớp sứ mỏng lại bằng men sứ hoặc chất kết dính khác)

-Tránh sự thayđổi đột ngột của bề dày lớp sứ, các góc cạnh của sứ cần nhẵn và tròn -Nên để cho sứ chịu nén trong quá trình làm việc

-Cần đảm bảo điện áp phóng điện bề mặt sứ (kể cả phóng điện khô và ướt)

-Điện áp đánh thủng qua bề dày lớp sứ phải nằm trong phạm vi cho phép

2.Các loại sứ cách điện: Sứ cách điện đường dây:

a Sứ đứng: Đảm bảo siết cứng dây dẫn vào những vị trí nhất định của cột, dùng ở U

< 35 KV

Sứ treo: Dùng cho U 35 KV Ta nối sứ treo riêng biệt thành chuỗi và treo dây dẫn vào

đấy Số lượng bát sứ được xác định theo điện áp làm việc của đường dây Cũng có thể

sử dụng ở dạng thanh

b Sứ dùng trong trạm:

An toàn điện- điện tử Page 11

Sứ đỡ: Siết cứng thanh dẫn của thiết bị phân phối điện và các chi tiết khác nhau của

thiết bị điện

Sứ xuyên: Luồn dây dẫn có điện áp cao đi xuyên qua tường hoặc vách ngăn

c.Sứ dùng trong điện báo điện thoại: Kích thước nhỏ hơn và yêu cầu kém chặt chẽ

hơn sứ đứng

d.Sứ đặt trên các thiết bị: Có hình dáng và kích thước khác nhau Quan trọng nhất là

sứ đầu vào (đưa dây dẫn vào trong vỏ hoặc thùng chứa thiết bị bằng kim loại của MBA, của máy cắt dầu )

e.Sứ định vị: Gồm cácpuly sứ, các chi tiết của ổ cắm và phích cắm

Mikanít: Được sản xuất thành tấm hoặc cuộn do những cánh mica rời dán lại với

nhau, có thể dùng thêm nền bằng xơ giấy hoặc xơ bông Nó có độ bềnnhiệt cao

Xi măng Amian: Là chất dẻo được ép nguội Thành phần của nó là những chất

vô cơ, chất độn là amian, kết dính là xi măng Sản xuất thành tấm, ống Có đặc tính cơ không tồi và chịu được nhiệt độ cao, chống được tác dụng của tia lửa và hồ quang => dùng làm bảng phân phối và tấm chắn ngăn cách các buồng dập hồ quang Vì đặc tính cách điện không cao nên khi dùng làm cách điện phải tẩm

II CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

1.1 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT DẪN

An toàn điện- điện tử Page 12

1.Phân loại:

*Phân loại theo trạng thái: Vật liệu dẫn điện có thể là vật rắn, lỏng và trong những

điều kiện nhất định có thể là thể khí

*Phân loại theo điện dẫn:

Vật dẫn có điện dẫn cao:Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp

Vật dẫn có điện trở cao: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: Biến trở, đèn sợi đốt, điện trở mẫu

*Phân theo tính chất:

-Vật dẫn loại 1: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tử tự do(kim loại rắn và lỏng)

-Vật dẫn loại 2: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tích, gồm các ion

và điện tử (dung dịch điện phân, axit, kiềm…)

2.Các tính chất cơ bản:

a Điện dẫn suất: Đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu

( mm2/m) (7.1)

b Hệ số nhiệt của điện trở suất: Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của vật liệu cũng

thay đổi, gần đúng có thể tính theo (7.2), t 0.(1 t) (7.2)

Với t và 0 là điện trở suất tại nhiệt độ t0, và nhiệt độ ban đầu,

Hệ số nhiệt của điện trở suất

TK

1

d

1

t 0

(độ-1) (7.3)

d Sự biến đổi điện trở suất khi biến dạng

Đối với kim loại khi bị kéo hay bị nén, điện trở suất có thể thay đổi l

Với: - Ứng suất cơ, - Hệ số ứng suất cơ,dấu (+) khi bịéo, dấu (-) khi bị nén

e Độ dẫn nhiệt: Kim loại khácnhau có mức độ dẫn nhiệt khác nhau, thông thường

kim loại dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt

f Hệ số nhiệt giãn nở dài của vậtdẫn: l TK 1 dl (độ-1)

An toàn điện- điện tử Page 13

g Sức nhiệt điện động:

Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc giữa chúng phát sinh hiệu điện thế

tiếp xúc, được gọi là sức nhiệt điệt động

h Tính chất cơ học của vật dẫn: Là khả năng chống lại tác dụng của lựcbên

ngoài lên kim loại Đặc trưng bởi độ đàn hồi, độ bền,độ dẻo, độ cứng, độ dai

va chạm, độ chịu mỏi

II.2.VẬT LIỆU ĐIỆN DẪN CAO

1.Đồng và hợp kim của đồng:

a Đồng: Là kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong lỹ thuật điện, đồng có

một số ưu điểm sau:

-Điện trở suất nhỏ ( = 0,017241 mm2/m)

-Có độ bền cơ tương đối cao

-Trong đa số các trường hợp đồng có tính chống ăn mòn tốt (bị ôxi hoá chậm

trong không khí)

-Dẫn nhiệt tốt, nhiệt độ nóng chảy cao (tnc= 10830C)

-Dễ gia công (Rất dẻo, dễ biến dạng khi kéo, cán, dát mỏng ), hàn gắn dễ dàng

* Tính chất của đồng: Điện dẫn suất rất nhạy với tạp chất ở trong đồng,

với gia công cơ khí và sự xử lýnhiệt Cơ tính của đồng phụ thuộc vào công

nghệ gia công

+ Đồng cứng (MT): Cứng, chịu mài mòn tốt, chủ yếu được sử dụng làm

tiếp điểm, thanh cái, thanh dẫn …

+ Đồng mềm (MM), đồng có ủ: Dẻo, chịu uốn và chịu kéo tốt, chủ yếu

được dùng làm dây dẫn, dây quấn …

b Hợp kim của đồng:

Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng hợp kim của đồng, với một lượng

nhỏ thiếc, silic, crom, magie… Hợp kim đồng có cơ tính tốt và vẫn giữ được

những tính chất đáng quý của đồng

*Theo thành phần hoá học: có 2 nhóm chính

- Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm 46% Nó có độ

giãn dài tương đối khá cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh

khiết Được dùng để sản xuất mọi chi tiết dẫn điện Có thể phân thành: đồng

thau dùng để đúc, dùng để cán mỏng, dùng để hàn gắn chiều, xoay chiều tần

số thấp hoặc trong những trương hợp vừa là vật dẫn vừa là vật liệu kết cấu

An toàn điện- điện tử Page 14

- Lưỡng kim: Là vật dẫn bằng thép được bọc đồng, hai kim loại gắn chặt với nhau

trên suốt chiều dài của thanh dẫn Các tính chất cơ và điện là trung bình của hai kim loại đó

- Đồng thanh (Brông): Là hợp kim của đồng với 1 lượng nhỏ thiếc, Si, P, Mg, Cr

Nó có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết, được dùng để chế tạo lò xo dẫn điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn

-Ngoài ra còn Đồng - Cadimi : là hợp kim chịu mài mòn , được ứng dụng ở những

chỗ tiếp xúc và phiến góp có công dụng đặc biệt

2.Nhôm và hợp kim của nhôm

a Nhôm: Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng Hệ số nhiệt độ giãn nở

dài của nhôm lớn hơn đồng Nhưng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng như các đặc tính điện Khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện Các tạp chất cũng làm giảm điện dẫn của nhôm

Nếu đem so sánh hai dây dẫn có cùng chiều dài và cùng điện trở, thì dây nhôm nhẹ hơn dây đồng khoảng 2,2 lần Điều đó có nghĩa rất lớn khi sử dụng nhôm làm dây dẫn trên không Ngoài ra nhôm còn được dùng làm vỏ tụ điện, làm điện cực bể điện phân, làm dây quấn rotor máy điện quay… Trong đại đa số các trường hợp khác nếu dùng dây nhôm thay dây đồng thì không cớ lợi về mặt kinh tế

*Tính chất của nhôm: Điện trở suất cũng rất nhạy với các tạp chất, cơ tính cũng

phụ thuộc vào công nghệ gia công, nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn Lớp màng này bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn nhưng tạo nên điện trở lớn ở chỗ tiếp xúc, ngoài ra nhôm còn bị ăn mòn điện hóa mạnh…

b Hợp kim của nhôm:

Theo tính công nghệ hợp kim nhôm phân thành: hợp kim biến dạng (chế tạo bán thành phẩm bằng gia công áp lực) và hợp kim đúc (đúc chi tiết)

Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội (ủ mềm, tôi, tôi và hoá già nhân tạo, biến cứng, biến cứng không hoàn toàn ) Ta còn có thể phân biệt thành loại có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và loại không hoá bền bằng nhiệt luyện

Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau

An toàn điện- điện tử Page 15

3.Sắt: Là vật liệu rẻ tiền, có độ bền cơ học cao, sắt tinh khiết có 0,1 mm2/m,

trong nhiều trường hợp sắt cũng được dùng làm vật dẫn Trong kỹ thuật chủ yếu sắt được dùng dưới dạng hợp kim (thép) Khi sử dụng vật dẫn bằng thép sẽ gặp hiệu ứng mặt ngoài và tổn hao từ trễ, do vậy thép chủ yếu được dùng trong mạch điên một chiều

II.3 CÁC HỢP KIM ĐIỆN TRỞ CAO VÀ THAN KỸ THUẬT ĐIỆN

1- Các hợp kim điện trở cao:

a Manganin: Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến trong

các dụng cụ đo điện và điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc 600C với điện trở và khoảng 3000C với biến trở)

b Conxtantan:

1- Vonfram: Là kim loại rắn rất nặng, màu xám Nó có nhiệt độ nóng chảy cao

nhất trong các kim loại, bị ôxyhoá ở nhiệt độ 7000C Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, càng giảm chiều dày của nó giới hạn bền kéo càng tăng Nó có thể làm việc ở nhiệt độ cao trong chân không ở điều kiện khí quyển tạo thành màng ôxit

2- Môlipđen: Được dùng làm tiếp điểm, các lưới của bóng đèn điện tử, phần tử

đốt nóng trong chân không, trong những lò điện trở có nhiệt độ đến 16000C

3- Vàng: Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, được dùng như vật liệu tiếp

xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện Có thể dùng hợp kim (Au+ 20% Cr) làm dây dẫn ở các điện trở trong điện kế vì chúng có hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé

4- Bạch kim (Platin): Dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến

16000C Do độ cứng thấp nó ít dùng làm tiếp điểm nhưng hợp kim của nó lại được dùng làm tiếp điểm (Platin- Inđi) Cũng dùng làm điện cực trong các quy trình điện phân hay mạ platin các chi tiết Nhược điểm là đắt tiền nên chỉ dùng trong những việc quan trọng

5- Thuỷ ngân: Là kim loại duy nhất có trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thường

Nó được dùng trong các dụng cụ phóng điện chứa khí vì hơi thuỷngân có điện thế ion hoá thấp Nó có tính bền hoá học tốt, chỉbị ôxyhoá ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi

7- Chất giúp chảy: Là vật liệu để giúp mối hàn được đảm bảo bền về cơ hoc,

tiếp xúc tốt và đẹp Chất giúp chảy có nhiệm vụ

+Hoà tan, khử ôxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại được hàn

+Bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng như chất hàn nóng chảy khỏi bị ôxy hoá

An toàn điện- điện tử Page 16

+Giảm lực căng mặt ngoài chất hàn nóng chảy

+Cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt được nối

III CÁC VẬT LIỆU TỪ SỬ DỤNG TRONG AN TOÀN ĐIỆN

A VẬT LIỆU TỪ MỀM

Có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ, được dùng làm lõi MBA, nam châm điện, trong các dụng cụ đo diện và trong các trường hợp cần có cảm ứng từ lớn nhất với lượng tiêu phí năng lượng nhỏ

*Sắt (thép các bon thấp): Vì điện trở suất tương đối thấp nên phần lớn chỉ dùng cho

các lõi từ Thường dùng làm mạch từ có từ thông không đổi

*Thép kỹ thuật (tôn silic): Thép lá kỹ thuật điện là vật liệu từ mềm được dùng rộng

rãi nhất.Nó là hợp kim của sắt và silic (Si chiếm từ 1÷4%), do thành phần có Silic làm tăng điện trở suất và tổn hao dòng xoáy giảm

Ký hiệu: 11, 21, 310, 330A

+Con số thứ nhất chỉ hàm lượng Silic theo % (Số càng lớn hàm lượng silic càng nhiều, thép có độ từ tính càng tốt nhưng độ giòn tăng, điện trở suất tăng Quá 5% thép trở nên giòn)

+Con số thứ 2 đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép (chỉ chất lượng về mặt tổn hao Số càng lớn tổn hao càng ít)

+Con số thứ 3 (0) chỉ tôn cán nguội

+Có 2 chữ số 0 liên tiếp là thép cán nguội và ít thớ

+Chữ A ký hiệu suất tổn hao rất thấp

*Fecmalôi:

Là hợp kim Fe - Ni, có độ từ thẩm ban đầu lớn trong vùng từ trường yếu Nó không có hiện tượng dị hướng và từ giảo Để nâng cao điện trở suất của nó người ta đưa thêm vào các tạp chất Mn, Si

Fecmalôi nhiều niken (72 - 80% Ni) dùng làm lõi cuộn cảm kích thước nhỏ, biến áp âm tần nhỏ, các biến áp xung

Fecmalôi ít niken (40 - 50% Ni) có từ cảm bão hoà lớn hơn gần 2 lần fecmalôi nhiều Niken, thường dùng làm lõi thép máy biến áp điện lực, cuộn cảm và các dụng

cụ cần có từ thông cao

Các Fecmalôi với vòng từ trễ hình chữ nhật dùng làm khuyếch đại từ, cơ cấu chuyển mạch, thiết bị chỉnh lưu và các phần tử của máy tính

An toàn điện- điện tử Page 17

* Thép hợp kim hoá: Chế tạo nam châm vĩnh cửu Chúng được hợp kim hoá với

các chất phụ như: Vonfram, Crôm, Côban

*Hợp kim từ cứng đúc: Là hợp kim của 3 nguyên tố Al - Ni - Fe (Aluni) Vì có

độ giòn và cứng chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài nên khó chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác

*Các nam châm bột: Chế tạo nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp luyện kim bột từ

hợp kim Fe - Ni - Al Nó được ép từ bột nghiền sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao

* Ferit từ cứng: Loại được biết đến nhiều nhất là Ferit bari: BaO 6Fe2O3

Thường dùng để sản xuất nam châm bari Chúng có tính ổn định cao với tác dụng của

từ trường ngoài, chịu được lắc, va đập, điện trở suất lớn Có thể dùng ở tần số cao Nhưng độ bền cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

C VẬT LIỆU TỪ CÓ CÔNG DỤNG ĐẶC BIỆT

* Ferit: Là vật liệu ôxit phức tạp, nó khác với các chất sắt từ là trị số từ cảm nhỏ

hơn, quan hệ giữa nhiệt độ và từ cảm phức tạp hơn và có điện trở suất cao hơn hoặc rất cao Nó không phải là kim loại Ferit là gốm từ có thể xếp vào loại bán dẫn điện tử (vì có điện dẫn điện tử không đáng kể) Năng lượng tổn hao ở vùng tần số cao tương đối nhỏ làm cho Ferit được dùng rộng rãi ở tần số cao Các Ferit là những vật liệu cứng và giòn, không cho phép gia công bằng cắt gọt, chỉ có thể mài hoặc đánh bóng

* Ferit từ mềm: Có lớn, có trị số tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng Có

hằng số điện môi tương đối lớn phụ thuộc vào tần số và thành phần của Ferit, khi tần

số tăng giảm

* Ferit từ cao tần: Ngoài Ferit từ mềm ở tần số cao có thể dùng thép lá kỹ thuật

điện hoặc Fecmalôi cán nguội và điện môi từ (Điện môi từ chế tạo bằng cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện)

An toàn điện- điện tử Page 18

* Ferit có vòng từ trễ hình chữ nhật: Được đặc biệt chú ý trong kỹ thuật máy

tính để làm bộ nhớ, trong các thiết bị chuyển mạch

* Gang và thép kết cấu: Dùng trong ngành chế tạo máy điện, thiết bị điện và

dụng cụ cần có đặc tính cơ tốt và khả năng áp dụng rộng rãi các phương pháp công nghệ Phân thành vật liệu từ tính (gang xám, thép các bon, thép hợp kim) và vật liệu không từ tính (thép không từ tính, gang không từ tính)

*Gang xám: Dùng đúc vỏ máy điện, các chi tiết ghép chặt, đúc các chi tiết có

hình dáng đặc biệt lớn

*Thép cacbon: thường dùng thép có hàm lượng cacbon từ 0,08 - 0,2% Với

những máy chuyên dụng và đặc biệt quan trọng dùng thép có độ bền cơ tăng cường bằng cách hợp kim hoá với niken, crôm, môlipđen

*Gang không từ tính: Gang có pha thêm Ni, Mn Dễ gia công cắt, điện trở gang

không từ tính lớn nên giảm tổn hao dòng xoáy Dùng chế tạo nắp, vỏ, các ống của máy cắt dầu, vòng cách của máy biến áp điện lực

*Thép không từ tính: Đưa thêm Ni, Mn vào thép Thép không từ tính có cơ tính

cao, dùng chế tạo nhiều chi tiết mà dùng hợp kim đồng,nhôm không đủ độ bền cơ http://webdien.com/d/showthread.php?t=3380

IV MỘT SỐ VẬT LIỆU KHÁC

1.Graphene

An toàn điện- điện tử Page 19

Khi nói về tương lai của vật liệu chế tạo các thiết bị điện tử, người ta không thể không nhắc tới graphene, đối tượng được quan tâm và được đầu tư nghiên cứu rầm rộ nhất trong những năm qua Về mặt cấu tạo, thực chất graphene là một dạng thù hình của nguyên tố carbon Trong tinh thể graphene, các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo quy tắc cộng hóa trị để tạo thành các ô hình lục giác Tuy nhiên, không giống như một dạng thù hình khác của carbon là graphite, mạng tinh thể này chỉ có cấu trúc hai chiều, tức là độ dày của nó chỉ vào kích cỡ của một nguyên tử Do có cấu trúc đặc biệt như vậy, graphene có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, trong suốt với ánh sáng và điều quan trọng nhất đối với việc triển khai công nghiệp là chi phí tạo các chi phí thấp

+Kỹ thuật tạo ra vật liệu bán dẫn của các nhà khoa học tại NTNU

Với mục tiêu tạo ra một thế hệ vật liệu mới mang tính cách mạng, các nhà khoa học tại NTNU đã phát triển một kỹ thuật "nuôi cấy" đặc biệt từ nền graphene Đầu tiên, họ đặt mạng graphene vào một buồng chân không nhằm tránh ảnh hưởng của môi trường Tiếp theo, họ phun các nguyên tử gallium và asen lên lớp màng vật liệu đế

Do có hiệu ứng liên kết, các nguyên tử gallium tiếp xúc sẽ xếp lên trên mặt mạng graphene và tạo thành những cấu trúc lục giác đồng dạng với nó Trong khi đó, các nguyên tử gallium ở lớp trên tiếp tục liên kết với lớp tiếp xúc và chồng lên nhau Chúng cũng kết hợp với các nguyên tử asen và cấu trúc được mở rộng cho tới khi tạo thành một hình ống nano siêu nhỏ với độ dày vào khoảng 1 micromet

+ Tính chất của vật liệu chế tạo theo phương thức mới

Nhờ quá trình chế tạo như trên, vật liệu bán dẫn tạo ra có tính mềm dẻo, trong suốt với ánh sáng Chúng cũng là một chất dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời Và như đề cập

ở trên, do giá thành sản xuất graphene tương đối rẻ nên vật liệu chế tạo theo cách này đưa đến khả năng triển khai công nghiệp rộng lớn

graphene-tuong-lai-cua-cong-nghiep-silicon.1551345/

http://www.tinhte.vn/threads/nghien-cuu-vat-lieu-ban-dan-deo-trong-suot-mong-tu-2 Vật liệu cách điện Aerogel

a Lịch sử tìm ra Aerogel

Sự ra đời của một cái mới, bao giờ cũng mang theo xung quanh nó nhiều điều thú vị

Và Aerogel cũng không phải là ngoại lệ Sự ra đời của Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo

sư hóa học người mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của mình Charles Learned rằng

An toàn điện- điện tử Page 20

"có tồn tại một loại gel không lỏng" Tất nhiên, không một ai tin điều ông nói là đúng

Vì đặc tính lỏng vốn là đặc tính cố hữu của gel được biết đến trong một thời gian dài

trước đó

Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất

bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái

lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tưởng ra

nó Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng

thái khí, và đặt tên cho nó là "Aerogel" Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của

mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa

học Nature

Ông đã tìm ra Aerogel như thế nào?

Aerogel còn được ông gọi là Alcogel, do được chế tạo từ gel silica (SiO2) và ancol

Nói một cách đơn giản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi gel silica là chúng ta sẽ tạo ra

cấu trúc Aerogel, giống như chúng ta thổi không khí qua một miếng bọt biển thấm

nước vậy, nó sẽ bị khô đi Tuy nhiên, trên thực tế, nếu để tự nhiên sẽ không bao giờ

xảy ra được quá trình đó Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, Aerogel được chế tạo qua

các công đoạn như sau:

Ban đầu, ông tạo ra trong môi trường gel một nhiệt độ và áp suất đạt đến điểm tới hạn

- ở mức mà không có sự khác biệt nhiều giữa chất lỏng và chất khí Tiếp đến, giữ

An toàn điện- điện tử Page 21

nguyên mức nhiết độ ở điểm tới hạn, giảm từ từ áp suất Khi áp suất giảm, các phân tử được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không quá dày đặc Bước tiếp theo

là làm lạnh Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được ngưng tụ lại thành chất lỏng, sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu

Những gì còn lại sẽ là một chất rắn bằng silica, nhưng thay vì ở dạng lỏng thì nó lại chứa đầy không khí Sản phẩm thu được ở bước này có thể gọi là Alcogel Acogel sau khi bị khử rượu sẽ được gọi là Aerogel (rượu đã bị thay thế bằng khí)

b Quá trình phát triển của Aerogel

Kỹ thuật điều chế aerogel của Kistler mặc dù hiệu quả nhưng lại khá nguy hiểm do phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao và lại còn rất tốn kém về mặt thời gian và tiền bạc Sau 30 năm được đưa vào sản xuất bởi công ty Monsanto, đến cuối thập niên 70, quá trình sản xuất đã phải dừng lại do thiếu nhà đầu tư

Tuy nhiên, không hẳn mọi thứ đã chấm hết với Aerogel Chỉ không lâu sau đó các nhà khoa học đã tìm ra một phương pháp sản xuất ít độc hại hơn bằng cách sử dụng hợp chất alkoxide thay vì gel silico, ancol được thay thế bằng CO2 Với tiến bộ này, Aerogel như được hồi sinh trở lại, và tiếp tục vai trò của mình trong các lĩnh vực đời sống

An toàn điện- điện tử Page 22

Khi quá trình sản xuất trở nên an toàn hơn, Aecogel ngày càng trở nên phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp Các nhà sản xuất silicon, vật liệu xây dựng và các cơ quan không gian đều sử dụng nó Tính phổ biến của nó chỉ bị cản trở bởi giá cả, mặc

dù đã có những bước tiến dài để giảm chi phí sản xuất Hiện tại, Aerogel có thể được tìm thấy trong các lĩnh vực như: Sản xuất đồ bơi; Quần áo dành cho lính cứu hỏa; Cửa kính; Tên lửa; Sơn; Mỹ phẩm; Vũ khí hạt nhân

c Tính ưu việt của Aerogel

Với cấu trúc “ khí lẫn rắn” như vậy, Aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế giới mà con người từng biết đến Nó nhẹ đến mức, có thể đặt được trên một bong hoa Với thể tích

1 inch khối (khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên toàn bộ một sân bóng đá Cùng với đặc tính này, có một số điều thú vị về Aerogel (loại silica):

An toàn điện- điện tử Page 23

+ Giữ 15 mục trong sách kỷ lục Guinness cho các thuộc tính vật chất, điển hình là nhẹ nhất, rắn nhất, cách điện tốt nhất và mật độ vật chất thấp nhất

An toàn điện- điện tử Page 24

Với ngần ấy tính năng ưu việt, Aerogel có thể được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho phép con người làm được những điều chưa từng làm được với các loại vật liệu trước đó

Tuy nhiên, chi phí sản xuất Aerogel rất lớn, do mỗi lần chỉ sản xuất được một lượng rất nhỏ và điều kiện sản xuất yêu cầu những thiết bị tối tân Mức giá hiện nay khá đắt, khoảng 100 USD cho mỗi centimet khối, tương đương 23.000 USD mỗi pound (khoảng 453,6 g)

d Các loại Aerogel

Có ba loại Aerogel phổ biến nhất hiện nay đó là silica, carbon và oxit kim loại, tuy nhiên trong thực tế, silica vẫn thường được sử dụng hơn cả Aerogel silica có màu xanh da trời, do hiện tượng tán xạ xảy ra khi ánh sáng trắng (hỗn hợp các tia sáng có màu sắc từ đỏ đến tím) chiếu vào bản Aerogel Những tia sáng có bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn so với tia sáng có bước sóng dài Bởi vì màu xanh và màu tím có bước sóng ngắn nhất (trong phổ ánh sáng nhìn thấy) nên chúng bị tán xạ mạnh nhất Mặt khác, do mắt người nhạy cảm với các bước sóng màu xanh lam hơn nên chúng ta

có cảm giác nghiêng về màu xanh hơn chứ không phải màu tím

An toàn điện- điện tử Page 25

Không giống như silica aerogel với biệt danh là khói xanh hay khói lạnh, khói rắn (do hình thù mờ ảo của nó), carbon aerogel có màu đen và khi sờ lên có cảm giác giống như đang sờ lên những hòn than Chúng có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng dẫn điện tốt Các tính chất này làm cho aerogels carbon rất hữu ích đối với tụ điện, pin và hệ thống khử muối

Aerogle oxít kim loại làm từ oxít kim loại và sử dụng như là chất xúc tác trong các phản ứng hóa học Chúng cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp thuốc nổ, sợi nano carbon và thậm chí là để tạo ra từ tính Aerogel oxit kim loại như sắt hay crom ngoài các tính chất tương tự người anh em silica phổ biến thì chúng còn có một điểm khác, đó là màu sắc rất đẹp Aerogel crom có màu xanh lá cây hoặc xanh dương rất đậm; Aerogel oxit nhôm, titania, zirconia có màu xanh hoặc trắng; Aerogel oxit sắt có