Giáo trình Vật liệu cơ điện (Nghề Vận hành nhà máy thủy điện)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/ MƠ ĐUN: Vật liệu điện NGÀNH/NGHỀ: Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017 LỜI GIỚI THIỆU Hiện nước ta hầu hết hoạt động xã hội gắn với việc sử dụng điện Điện sử dụng thành phố mà đưa nông thôn, miền núi nhờ trạm phát điện địa phương, máy phát điện hộ gia đình Cùng với phát triển điện thiết bị điện dân dụng sử dụng ngày tăng lên không ngừng Chất lượng vật liệu điện không ngừng cải tiến nâng cao với phát triển cơng nghệ Vì địi hỏi người cơng nhân làm việc ngành, nghề đặc biệt ngành nghề điện, điện tử phải hiểu rõ chất vật liệu ứng dụng vật liệu đó, đồng thời phải hiểu rõ cấu tạo vật liệu, nắm tượng, nguyên nhân hư hỏng cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu kinh tế tiết kiệm điện sử dụng Nội dung môn học trang bị cho học viên kiến thức cấu tạo vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu ngành nghề MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Chương 1: Những khái niệm kim loại hợp kim Khái niệm kim loại, hợp kim Cấu tạo kim loại, hợp kim Tính chất chung kim loại hợp kim: 10 Chương Gang Giới thiệu chung gang: 14 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung gang: 15 Các loại gang thường dùng: 16 Chương Thép vật liệu dẫn từ Thép 21 Vật liệu dẫn từ 36 Chương Hợp kim cứng Khái niện chung: 48 Một số loại hợp kim cứng thường dùng 48 Chương Kim loại màu vật liệu dẫn điện 1.Khái niệm phân loại kim loại 50 Đặc điểm tính chất chung 50 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59 Một số vật liệu dẫn điện khác 60 Hợp kim làm ổ trượt 61 Chương Ăn mòn kim loại Hiện tượng ăn mòn kim loại: 67 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 67 Chương Vật liệu phi kim loại vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại 68 Tính chất chung vật liệu cách điện 69 Vật liệu cách điện thể khí 75 Vật liệu cách điện thể lỏng 77 Vật liệu cách điện thể rắn 78 Chất dẻo 86 Dầu - Mỡ bôi trơn 88 Chương 8: Vật liệu bán dẫn Khái niệm chung vật liệu bán dẫn 88 Sự dẫn điện vật liệu bán dẫn 88 Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 90 Một số ngun tố có tính chất bán dẫn dùng kỹ thuật 91 Mục tiêu mơn học: * Kiến thức - Trình bày đặc điểm, tính chất, ký hiệu phạm vi ứng dụng loại vật liệu khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, loại dầu bôi trơn, dầu biến số loại vật liệu khác dùng nhà máy Thuỷ điện * Kỹ - Nhận biết loại vật liệu thường dùng Nhà máy Thuỷ điện phạm vi ứng dụng chúng * Năng lực tự chủ trách nhiệm - Cẩn thận, nghiêm túc học tập công việc Nội dung: Chương 1: Những khái niệm kim loại hợp kim Khái niệm kim loại, hợp kim 1.1 Khái niệm - Kim loại vật thể sáng, dẻo rèn được, có tính dẫn nhiệt dẫn điện cao Trong điều kiện thường áp suất khí hầu hết kim loại tồn trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân) - Hợp kim dung dịch rắn nhiều nguyên tố kim loại nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ) Hợp kim màu, hợp kim kim loại khác sắt 1.2 Đặc tính 1.2.2 Đặc tính kim loại Đặc tính kim loại đánh gía tính chất vật lý, hóa học, học 1.2.2 Đặc tính hợp kim Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thơng thường khác với đặc tính kim loại hợp thành, đơi cịn khác hẳn Hợp kim ln cho ta đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành Ví dụ, thép(hợp kim sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành sắt Đặc tính vật lý hợp kim không khác nhiều kim loại hợp kim hố, mật độ, độ kháng cự, tính điện hệ số dẫn nhiệt, đặc tính khí hợp kim lại có khác cách rõ rệt, độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả chống ăn mịn Khơng giống kim loại ngun chất, nhiều hợp kim khơng có điểm nóng chảy định Thay vì, chúng có miền nóng chảy bao gồm trạng thái khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy gọi đường đông đặc hồn thành việc hóa lỏng hồn tồn gọi đường pha lỏng giản đồ trạng thái hợp kim 1.3 Vai trò kim loại, hợp kim sống Trong nhóm vật liệu kể vật liệu kim loại có vai trị định đến phát triển xã hội kỹ thuật Đó vật liệu để chế tạo máy móc cơng trình xây dựng Sự phát triển không ngừng máy động lực, máy công cụ gắn liền với phát triển vật liệu kim loại với tính ngày cao Mỗi người tìm loại vật liệu mới, với tính chất ưu việt lần thúc đẩy suất lao động phát triển mở ngành khoa học như: – Sự xuất công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) giúp cho ngành công nghiệp hàng không tên lửa có bước phát triển nhảy vọt – Hàng loạt vật liệu khác chế tạo ứng dụng rộng rãi ngành khí như: thép khơng rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)… Ngày nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo hợp kim có tính ngày ưu việt tính số tính chất vật lý hóa học đặc biệt Những thành cơng nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng vai trị quan trọng phát triển giới Cấu tạo kim loại, hợp kim: 2.1 Kim loại: 2.1.1 Cấu tạo nguyên tử Các kim loại có tính chất khác tổ chức bên chúng khác - Vật chất nguyên tử tạo thành, nguyên tử hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo khác Hạt nhân bao gồm Proton nơtron Hình 1-1: Sơ đồ phân bố điện tử quỹ đạo Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc lớn theo quỹ đạo hình elíp Quỹ đạo ngồi có ảnh hưởng nhiều đến tính chất chất (hình 1-1) Đối với kim loại quỹ đạo thường có đến điện tử, điện tử dễ bật khỏi quỹ đạo nguyên tử trở thành ion dương chỗ khác chủ yếu Kim loại vật liệu phi kim loại - Như Vậy: Kim loại có cấu tạo ion dương, có điện tử tự chạy xung quanh hạt nhân điện tử dễ bật khỏi quỹ đạo Các điện tử tự nguyên nhân tạo tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tính dẻo dai kim loại 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất a) Sơ đồ xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô mạng Kim loại trạng thái rắn có cấu tạo bên theo mạng tinh thể, tức nguyên tử xếp khơng gian theo vị trí hình học định không hỗn độn vật liệu phi kim loại nguyên tử kim loại biểu diễn vòng tròn nhỏ nằm mép hình lập phương ta gọi nút mạng Phần nhỏ đặc trưng cho mạng tinh thể gọi Nếu xếp liên tiếp ô ta mạng tinh thể hình 1-2 2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp Các kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại Mạng tinh thể mang tính đối xứng, đặc điểm quan trọng thể hình dáng bên ngồi, cấu trúc bên tính chất Kim loại Cấu trúc mạng tinh thể thường mang tính chất đa dạng phụ thuộc vào kiểu xếp nguyên tử Sau số kiểu mạng tinh thể thường gặp: c + Lập phương thể tâm Trong ô kiểu mạng (hình 1-3), nguyên tử nằm đỉnh hình b nguyên tử Khoảng cách a lập phương hình lập phương có tâm nguyên tử kề ô mạng tinh thể gọi a thông số mạng, độ lớn đo A0 (đọc ăng-Trôn), đơn vị A0 = 0,00000001cm (1.10-8 cm) Các Hình 1-3 Kiểu lập phương thể tâm kim loại có kiểu mạng sắt, crom, Vanadi… + Lập phương diện tâm Trong ô kiểu mạng này, nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lập phương nằm trung tâm mặt hình lập phương hình - Các kim loại có kiểu mạng là: Sắt, đồng, nhơm, niken… + Lục phương dày đặc Trong ô kiểu mạng này, nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lục lăng, hai nguyên tử nằm trung tâm hai mặt đáy ba nguyên tử nằm trung tâm ba khối lăng trụ tam giác cách hình 1-5 Các kim loại có kiểu mạng gồm kẽm, cơban, magiê… + Ngồi ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta gặp kiểu mạng phương thể tâm hình 1-6 Nó khác mạng lập phương thể tâm chỗ ô có cạnh khơng hai cạnh Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-6: Ơ a) Ơ bản; b) Hình chiếu phương thể tâm 2.2 Hợp kim 2.2.1 Dạng dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo dung dịch đặc nguyên tử nguyên tố có thành phần kích thước gần giống Khi kết tinh hợp kim tạo thành mạng tinh thể có nguyên tử nguyên tố thành phần Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay dung dịch đặc xen kẽ - Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố đẩy nguyên tử nguyên tố thay vào (hình 1-6a) Tức có kiểu mạng số nguyên tử ô sở cấu tử dung mơi Về mặt hình học thấy thay nguyên tử nguyên tử khác nhiều xảy xơ lệch mạng khơng có hai ngun tố có đường kính ngun tử hồn tồn giống Vì thay xảy ngun tố có kích thước ngun tử gần (sai lệch khơng q 15%) Hình 1-6: Các mơ hình cấu trúc dung dịch đặc hợp kim a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mơ hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mơ hình dung dịch đặc tổng hợp - Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử ngun tố hịa tan (ví dụ cácbon, ôxi ) nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ ngun tử hồ tan phải có kích thước bé hẳn để lọt vào lỗ hổng mạng kim loại chủ, tức có kiểu mạng kim loại chủ số nguyên tử ô sở tăng lên 2.2.2 Hợp chất hóa học Hợp kim có cấu tạo hợp chất hóa học nguyên tử nguyên tố khác tác dụng hóa học với theo tỉ lệ xác nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xácđịnh biểu diễn cơng thức hóa học Ví dụ hợp chất hóa học sắt cácbon có cơng thức hóa học Fe3C Đặc điểm chung hợp chất hóa học có độ cứng, độ giịn cao Tính chất chung kim loại hợp kim 3.1 Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là tính chất đặc trưng vẻ sáng mặt ngồi, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện vv 3.1.1 Vẻ sáng mặt Theo vẻ sáng mặt ngồi kim loại người ta chia thành hai nhóm kim loại đen kim loại màu a Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn hợp kim sắt, tức loại gang loại thép b Kim loại màu - Kim loại màu tất hợp kim kim loại lại - Kim loại không suốt, kể kim loại cán, dát mỏng không ánh sáng xuyên qua Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng mặt Mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng theo màu sắc riêng mà ta quen gọi màu kim loại Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc… 3.1.2 Tính nóng chảy Kim loại có tính chảy lỏng đốt nóng đơng đặc làm nguội Nhiệt độ ứng với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi điểm nóng chảy (và ngược lại) Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng cơng nghệ đúc, đúc ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khn Điểm nóng chảy hợp kim lại khác với điểm nóng chảy kim loại tạo nên hợp kim Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta tạo hợp kim có điểm nóng chảy thấp nhiều so với điểm nóng chảy kim loại riêng rẽ Trong thực tế người ta pha chế hợp kim có điểm nóng chảy thấp (khoảng 60-700C), điểm nóng chảy kim loại thành phần lớn 2000 C Ngược lại pha chế hợp kim có điểm nóng chảy cao điểm nóng chảy kim loại thành phần 3.1.3 Tính dẫn nhiệt Là tính truyền nhiệt kim loại đốt nóng làm lạnh - Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt dễ nóng chảy nhanh đơng đặc nhanh - Kim loại có tính dẫn nhiệt muốn nung nóng hồn tồn phải cần nhiều thời gian, làm nguội nhanh dễ gây nứt vỡ 10 silicagen-caolanh 4.2 Dầu tụ điện; 4.3 Dầu cáp điện; 4.4.Điện môi tổng hợp Vật liệu cách điện thể rắn: 5.1 Điện môi hữu cao phân tử: 5.1.1 Nhựa tổng hợp Nhựa nhân tạo sản phẩm trùng hợp, chúng hỗn hợp hữu phức tạp dạng cao phân tử Sau giới thiệu số loại nhựa nhân tạo hay dùng kỹ thuật điện * Nhựa phenol-focmandehyt (bakelit): sản phẩm ngưng tụ phenol (C6H5OH) focmandehyt (H2CO) với chất xúc tác thường amoniac Nhựa bakelit sử dụng rộng rãi vào loại quan trọng kỹ thuật điện từ chế tạo (1907) Bột bakelit ép thành cuộn dây, hộp, vỏ cách điện Những ống cách điện có hình dạng, kích thước khác ép từ giấy bakellit có cơng dụng đa dạng Nhựa bakelit dùng để tinh chế chất dẻo, vải tẩm nhựa, giấy tẩm nhựa, sơn, keo Đặc biệt chịu tác dụng hồ quang điện nên hay dùng thiết bị đóng cắt điện, thiết bị chống sét, * Nhựa polyeste: loại nhựa chế tạo từ trùng hợp, ngưng tụ loại rượu, cồn nhiều hóa trị (Etylenglycol, glyxerin, ) axit hữu khác (hoặc anhydric chúng) Trong số có nhựa gliptan nhựa lapxan hay dùng kỹ thuật điện: - Nhựa Gliptan chế tạo từ ptalicenhyđrit (C8H4O3) glyxerin (C3H8O3) Nhựa có độ bám tốt, chịu ẩm, dầu chịu tác dụng hồ quang điện Người ta dùng nhựa gliptan để chế tạo sơn, keo để dán micanit, để tẩm cách điện động thiết bị điện khác - Nhựa Lapxan (polyetylenterafatalat): có công thức (-CH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-) chế tạo từ glucol [CH2(OH)-CH2(OH)] axit terafatalat (COOH-C6H4COOH) Loại nhựa dùng để làm cách điện lớp dây cuộn dây máy biến áp, cuộn cảm kháng điện, để chế tạo tụ điện có nhiệt độ làm việc cao (đến 1500C) * Nhựa epoxy: loại nhựa đặc trưng nhóm epoxy thành phần nó: 79 O H2 C CH Ưu điểm loại nhựa có độ dính cao sau đơng lại có đặc tính cao, tính chống ẩm tốt Để nhựa epoxy tăng độ bền giới thường cho thêm vào chất độn mica, thạch anh, bioxyt-tian, Nhựa epoxy dùng nhiều để chế tạo hỗn hợp cách điện để tẩm ngâm phận thiết bị điện tử vô tuyến điện, để chế tạo loại sơn bảo vệ, keo có độ dính cao, chất dẻo cách điện Đặc biệt năm gần đây, người ta chế tạo epoxy dùng thay loại sứ đứng (sứ đặt), sứ xuyên tường, sứ cách điện đỡ Sử dụng cho phép giải đơn giản vấn đề hình dáng, cấu trúc độ bền cách điện Ở Mỹ, người ta dùng hàng loạt vật liệu cách điện nhựa epoxy đường dây tải điện đến 110 kV Trong tương lai, vật liệu cách điện dùng để treo đỡ đường dây, dẫn cấp điện áp cao Một nhược điểm lớn epoxy độc hại thể người, cần có biện pháp đề phịng tiếp xúc với * Nhựa xilicon: có lịch sử chế tạo năm 1944, coi nhựa dùng kỹ thuật điện Nó có tính chống nước, chịu nhiệt cao (đến 1800C), có độ bám tốt, đàn hồi Nhựa dùng để bọc cách điện dây dẫn, dùng để tẩm cuộn dây máy điện Ngồi nhựa xilicon cịn có dầu xilicon * Nhựa Polyetylen (PE) có cơng thức cấu tạo (-CH2- CH2-)n vật liệu cách điện dẻo, nóng chảy nhiệt độ thấp (1100C), hệ số dãn nở nhiệt cao, đặc tính điện tốt, chịu ẩm, chịu tác dụng axít bazơ, dễ chế tạo, giá thành hạ Nhiệt độ làm việc đến 750C, thường dùng sử dụng làm cách điện cho cáp điện lực hạ áp cao trung áp Ngoài dùng làm điện cho cáp cao tần thiết bị vơ tuyến truyền hình, cáp thơng tin, (kể cáp lòng đất lịng đại dương) * Nhựa Polyvininclo (PVC) có cơng thức cấu tạo (H2C=CH-Cl)n vật liệu cách điện dẻo, đàn hồi , chịu ẩm, kiềm, axit lỗng, dầu, rượu, có đặc tính điện tốt Thường sử dụng cách điện điện áp đến 600V nhiệt độ làm việc cực đại 600 C PVC sử dụng để làm vỏ bảo cáp; cách điện dây điện thoại loại dây dẫn khác; chế tạo sơn, sợi nhân tạo, chất dẻo vật liệu có đặc tính giống cao su * Polyzobutylen: cịn có tên gọi oppanal, loại nhựa nhân tạo có tính cao su, điều chế cách polyme hóa Isobutylen Nó có tính đàn hồi tốt, chịu nhiệt độ 1100C, chịu axit, xút, ẩm, ozon, chịu nước hoàn toàn (khi độn 80 với bồ hóng grafit) tan xăng, dầu Có thể dùng nhựa thay vỏ chì bọc dây cáp 5.1.2 Nhựa thiên nhiên Nhựa thiên nhiên sản phẩm số loài động vật thực vật * Nhựa cánh kiến: loại nhựa loại côn trùng sống vùng nhiệt đới sinh Về hình thức, vảy mỏng dòn màu nâu đỏ Thành phần cánh kiến axit hữu có thành phần hóa học phức tạp Nó dễ bị hịa tan rượu cồn khơng hịa tan cacbua hyđro Nhựa cánh kiến có:  = 10510 6(m)  = 3,5 tg = 0,01 Eđt = 2030 kV/mm Ở nhiệt độ 50  600C dễ uốn, nhiệt độ cao bị mềm chảy, tiếp tục nung nóng đơng lại Nhựa cánh kiến sử dụng kỹ thuật điện để chế tạo sơn dán, vecni đặc biệt để chế tạo micanit * Nhựa thông: loại nhựa có trưng cất dầu thơng, có màu vàng nâu đen Nhựa thơng có:  = 101410 15(m) Eđt = 1015 kV/mm Nhựa thơng bị hịa tan dầu mỏ, đặc biệt nung nóng Vì vậy, kỹ thuật điện dùng để tạo nên dung dịch dùng với dầu mỏ để ngâm, tẩm vật liệu khác 5.2 Điện môi vô cơ: 5.2.1 Thuỷ tinh; Thủy tinh: chất vô không định hình hệ phức tạp nhiều ơxít khác Trong thành phần thủy tinh ngồI ơxít tạo thành thủy tinh (SiO2, B2O3) cịn có ơxít khác như: Na2O, K2O, CaO, BaO, PbO, Al2O3 v.v + Những đặc tính thủy tinh: đặc tính thủy tinh biến đổi phạm vi rộng, chúng phụ thuộc vào thành phần công nghệ chế tạo thủy tinh - Khối lượng thủy tinh biến động khoảng đến 8,1 G/cm - Độ bền nén lớn nhiều so với độ bền kéo: n = 6000  21000 N.kG/cm2, k = 100  300 N.kG/cm 2, điều kiện bình thường thủy tinh giịn, dễ vỡ chịu tải trọng động - Thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy khơng ổn định Nhiệt độ hóa dẻo loại thủy tinh nằm khoảng 400 đến 16000C Điện dẫn bề mặt phụ thuộc bề mặt thủy 81 tinh, tăng lên bề mặt thủy tinh bị nhiểm bẩn độ ẩm môi trường xung quanh tăng lên Tuy nhiên cách điện thủy tinh có nhiều ưu điểm sau: ฀ Tính chịu nhiệt cao Cuộn dây cách điện thủy tinh chịu nhiệt độ 1000C ฀ Khả dẫn nhiệt gấp vải lần ฀ Có khả chịu dầu, axít, xút trừ axít flohydríc, axít photphoríc nóng ฀ Không bị mục, nấm mốc không mọc được, không thấm ẩm, khơng hóa già ฀ Điện trở cách điện lớn vật liệu cách điện sợi Độ bền cách điện cao ฀ Sợi thủy tinh không hút ẩm Cuộn dây có cách điện thủy tinh tiêu hao chất tẩm, thời gian tẩm ngắn Bảng 2.9: Tính thủy tinh Tính Thủy tinh Thủy tinh thạch anh Khối lượng riêng kg/dm3 2,2  2,6 2,21 Độ bền nén kg/cm2 6000  10000 19000 Độ bền kéo kg/cm2 400  800 700 Độ bền uốn kG/cm2 1000  2.500 700 Độ bền va đập kG/cm - - Hệ số đàn hồi kG/cm 600000 720000 Hệ số giản nở 1/0C  9,4.10-6 0,55.10 -6 Hệ số dẫn nhiệt W/cm0C 0,0075  0,012 0,008  0,01 Hằng số điện môi 50Hz,   12 4,9 Hệ số tổn hao 50 Hz 104tg - - Hệ số tổn hao 10 Hz 104tg 50  80 Điện trở cáh điện 20 0C 1011 1017 4.1019 15  45 35  40 Độ bền cách điện 50 Hz kV/mm 5.2.2 Vật liệu cách điện gốm, sứ 82 + Sứ cách điện: Được chế tạo từ đất sét, sau gia cơng định hình nung tráng men, có độ bền cách điện, độ bền nhiệt cao Là vật liệu chủ yếu dùng lưới điện cao thế, trung hạ thế, dùng cách điện máy điện, khí cụ điện Vật liệu cách điện sứ đa dạng: - Sứ đường dây gồm có sứ treo dùng cho điện áp cao 35 kV, sứ đỡ dùng cho điện áp thấp - Sứ trạm điện loại sứ đỡ sứ xuyên - Sứ tham gia vào kết cấu thiết bị máy biến áp, máy cắt dầu, dao cách ly, chống sét van - Sứ định vị gồm có sứ puli, linh kiện đui đèn, cơng tắc, cầu chì, cầu dao phích cắm, sứ thơng tin.vv… Đặc tính quan trọng sứ cách điện điện áp cao là: trị số điện áp phóng điện hai điện cực Do sứ cách điện có chiều dày lớn cường độ cách điện cao, nên khó xẩy phóng điện chọc thủng sứ mà diễn phóng điện bề mặt sứ Cần phân biệt hai loại điện áp phóng điện bề mặt sứ : điện áp phóng điện khơ điện áp phóng điện ướt thử nghiệm sứ (hình 2.1) Hình 2.1: Đường phóng điện thử nghiệm phóng điện b Khi ướt a Khi khơ Điện áp phóng điện khơ trị số điện áp phóng điện thu thử nghiệm sứ điều kiện bình thường (Hình 2.1.a) Điện áp phóng điện ướt trị số điện áp phóng điện thu thử nghiệm sứ mưa nhân tạo với cường độ 4,5 5,5 mm/phút, mưa rơi theo góc 45 so với mặt phẳng ngang sứ Điện áp phóng điện khơ lớn điện áp phóng điện ướt nhỏ điện áp đánh thủng Người ta xác định điện áp đánh thủng nhúng sứ thử nghiệm vào dầu cách 83 điện Khi thử nghiệm sứ treo, cần xác định điện áp đánh thủng cho bát sứ một, điện áp phóng điện khơ xác định cho tồn chuỗi sứ Nhược điểm sứ: độ bền va đập không cao, góc tổn hao diện mơi lớn, tổn hao điện môi lại tăng nhanh nhiệt độ cao, gây trở ngại cho việc dùng sứ làm chất cách điện tần số cao nhiệt độ cao 5.2.3 Mica vật liệu dựa sở mica Mica vật liệu cách điện vơ có tính đặc biệt độ bền điện độ bền cao, tính chịu nhiệt chịu ẩm tốt, dẻo có độ dày mỏng nên dùng làm vật liệu cách điện vị trí quan trọng như: cách điện máy điện cao áp công suất lớn dùng làm điện môi số loại tụ điện Mica tự nhiên có dạng tinh thể, đặc điểm đặc trưng tách mỏng cách dễ dàng theo chiều song song bề mặt thớ Mica muscơvít thường khơng màu có màu đỏ nhạt, xanh nhạt, màu sắc khác; flogopít thường có màu sẫm giống màu hổ phách, màu vàng ánh, màu nâu, màu đen tuyền, nhiên có gặp loại flogopít có màu sáng Đặc tính cách điện mica muscơvít tốt cao so với flogopít, ngồi có độ bền cao hơn, rắn hơn, dễ uốn co dãn flogopít Các trị số loại mica cho bảng sau: (bảng 2.10) Bảng 2.10: Đặc tính mica Loại mica Khôi lượng riêng, tg.104 tần số ,.cm G/cm3 Muscơvít 2,80 50Hz 1kHz 1MHz  10141015 150 25  10131014 500 150 15 2,90 flogopít 2,65 2,80 Muscơvít chịu mài mịn tốt flogopít Điều có giá trị quan trọng micanít dùng cho vành góp, loại micanít chế tạo Muscơvít bị chổi than máy điện làm mòn chất đồng dùng làm vành góp Cịn loại micanít làm flogopít dùng cho vành góp bị mài mịn đồng dùng khơng địi hỏi phải đánh nhẵn vành góp Phần lớn loại mica dùng kỹ 84 thuật điện giữ đặc tính cách điện đặc tính tốt đốt nóng lên vài trăm độ, mica xếp vào cách điện cấp C cấp chịu nóng cao Khi nhiệt độ cao thì mica khơng cịn suốt nữa, chiều dày tăng lên, đặc tính điện giảm Mica bị nấu chảy nhiệt độ (1250  2300)0C + Micanít: loại vật liệu sản xuất thành từng cuộn cánh mica dán lại với sơn dán nhựa khô, đơi cịn dùng thêm lớp xơ giấy xơ để dán cánh mica lên mặt hai mặt Nền xơ tăng độ bền kéo đứt vật liệu giữ cho cánh mica khó bị tách vật liệu bị uốn Micanít sử dụng làm cách điện cho vành góp, dùng để lót đệm, để tạo hình, băng mica cách điện cho thiết bị điện cáp điện + Mica hạt vụn: Mica vụn rửa sạch, nghiền thành vảy nhỏ lợi dụng khả dính liền lại với tinh thể mica vừa tách để biến thành phôi ta thu Việc sử dụng chất kết dính tăng độ bền độ bền điện mica làm hạt vụn Để sản xuất loại mica ta sử dụng chất thải mica muscơvít flogopít để làm chất cách điện mà phương pháp khác không sử dụng Bằng phương pháp người ta chế tạo vật liệu chịu hồ quang điện, đúc ép định hình khn tạo chi tiết cách điện cần thiết cho thiết bị điện + Mica tổng hợp: thủy tinh mica số điện mơi có chất lượng cao Nó chịu nhiệt độ cao, có độ bền lớn, độ bền uốn, va đập, chịu phóng điện hồ quang, có tg nhỏ, gia cơng khí Tuy nhiên q trình cơng nghệ sản xuất mica thủy tinh tốn nhiều cơng, địi hỏi phải có lị điện có cơng suất lớn, máy ép thủy lực khuôn ép thép không rỉ Thủy tinh mica có đặc tính: - Khối lượng riêng: 2,6  3,0G/cm3; - nhiệt độ làm việc cho phép (300  350)0C; - giới hạn bền kéo kéo= (300  700) kG/cm2; - nén= (1000  4000) kG/cm2; - uốn= (700  1400) kG/cm 2; - ứng suất dai va đập (2  5) kG.cm/cm2, -  = (8  9).10-6 1/độ; - y = (10 12  1014) .cm; - s = (1010  1012) .cm; -  = (6  8,5); 85 - tg = (0,003  0,01) tần số 1MHz - Độ bền cách điện (10  20) kV/mm Mica thủy tinh chịu ẩm, bền tác dụng axít clohyđríc, nitơríc chất kiềm Khi thủy tinh mica bị rổ có khả hút ẩm làm cho phẩm chất cách điện bị giảm Chất dẻo: 6.1 Khái niệm chung chất dẻo: Chất dẻo loại vật liệu dùng rộng rãi kỹ thuật đời sống Đặc điểm chất dẻo tác dụng sức ép từ bên nhận hình dáng định trước khn ép để chế tạo sản phẩm Trong kỹ thuật điện người ta thường dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện dùng làm kết cấu túy 6.2 Một số chất dẻo: a Hêtinắc: sản xuất cách ép nóng giấy tẩm nhựa bakêlít Hêtinắc có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm Độ bền điện cao khoảng (2025)kV/mm,  = 56 Hêtinắc sử dụng việc chế tạo thiết bị dụng cụ điện cao áp hạ áp Ngoài ra, Hêtinắc sử dụng kỹ thuật thơng tin b Téctơlít: sản xuất cách ép nóng vải tẩm nhựa bakêlít, tương tự Hêtinắc có giới hạn bền kéo doc ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện khơng cao Hêtinắc độ bền nhiệt cao Trong năm gần người ta chế tạo nhiều loại chất dẻo nhiều lớp có đặc tính cách điện, độ bền độ chịu nhiệt cao Chất kết dính dùng chất dẻo nhựa polieste, êpoxi, nhựa poliimít, nhựa silíc hữu loại nhựa khác Thành phần tạo thành tổ hợp cách điện compozit có đặc tính cách điện độ bền cao, chịu ẩm, ứng dụng nhiều thiết bị điện cao áp Những đặc tính Hêtinắc, Téctơlít, Téctơlít thủy tinh cho bảng sau: (Bảng 2.6) Bảng 2.6: Đặc tính Hêtinắc, Téctơlít, Téctơlít thủy tinh Các đặc tính Hêtinắc A B 86 Téctơlít Téctơlít B - Giới hạn bền kéo theo chiều dọc, kG/cm2, không nhỏ 800 1000 650 900 Giới hạn bền uốn theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không nhỏ 1000 1300 1200 1100 ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không 13 20 25 50 Độ bền nhiệt 0C không thấp 150 150 125 185 1011 1010 109 1010 Điện trở suất khối V (.cm) không + Cáp rơn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng sợi cách điện + Cáp san: vật liệu suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp tụ điện + Polyfocmandêhit: vật liệu rắn, cứng có tính chống mài mòn chống ma sát cao Các chi tiết chế tạo chất thực cách đúc áp lực Dầu - Mỡ bôi trơn: 7.1 Công dụng; - Bôi trơn cho bề mặt ma sát chi tiết chuyển động Nhờ có dầu nhờn tạo thành lớp đệm bề mặt chi tiết chuyển động tương nhau, giảm mài mịn, giảm tiêu hao cơng suất, tăng tuổi thọ cho chi tiết - Làm kín: Nhờ có độ nhớt cao dầu nhờn có tác dụng làm kín cho phận Ví dụ làm kín vòng găng, xi lanh, piston buồng cháy động …vv - Làm mát: nhờ có dầu nhờn bơi trơn nhận nhiệt bề mặt ma sát có tác dụng làm mát - Bảo vệ bề mặt chi tiết: nhờ lớp dầu nhờn phủ bề mặt có tác dụng chống ơxi hóa, bảo vệ bề mặt không bị han gỉ 7.2 Dầu nhờn: a Thành phần b Tính chất 87 - Độ nhớt dầu: Là khả lưu động dầu đặc trưng độ nhớt động học, dầu có độ nhớt cao khả bơi trơn, làm kín tốt, song làm tăng sức cản lưu động khó đưa tới vị trí xa bơm dầu khe hở nhỏ, xẩy thiếu dầu bôi trơn cục số phận - Khả chịu nhiệt: khả trì độ nhớt nhiệt độ chi tiết cần bôi trơn thay đổi, tính chất quan trọng đa số dầu giảm độ nhớt nhiệt độ tăng ngược lại, người ta dùng phụ gia đặc biệt pha vào dầu - Ít bị biến đổi tính chất lý hóa: Đây tính chất quan trọng nhằm đảm bảo khả bôi trơn dầu q trình làm việc dầu bị lẫn nước, tạp chất có xăng, điêsel, sản phẩm khí cháy vv - Khả bảo vệ bề mặt chi tiết: Đó khả hình thành màng dầu ngăn cản tiếp xúc ôxi với bề mặt liên kết điều kiện khác (áp suất, nhiệt độ) CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày khái niệm vật liệu cách điện? Nêu phân tích tính chất vật liệu cách điện? Câu 2: Trình bày chức năng, ưu nhược điểm dầu máy biến áp? Câu 3: Nêu vật liệu cách điện thơng dụng? Tính chất cơng dung loại vật liệu đó? Chương 8: Vật liệu bán dẫn Khái niệm chung vật liệu bán dẫn Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian chất dẫn điện chất cách điện, đặc điểm điện trở suất lớn vật liệu dẫn điện nhỏ vật liệu cách điện Tuy nhiên khơng có danh giới rõ rệt ba loại vật liệu kể Sự dẫn điện vật liệu bán dẫn: 2.1 Các bán dẫn Chất bán dẫn chất có điện trở suất lớn kim loại nhỏ điện môi Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn có tính chất cách điện điện mơi, cịn nhiệt độ cao lại dẫn điện tốt Xét tinh thể bán dẫn điển hình Ge Ge ngun tố có hố trị nên có e lớp ngồi liên kết với hạt nhân Khi hợp thành mạng tinh thể, nguyên tử Ge liên cộng hoá trị với ngun tử gần (hình 1.5) 88 - Ở nhiệt độ bình thường liên kết bền vững nên khơng có hạt mang điện tự nên tinh thể Ge không dẫn điện - Ở nhiệt độ tương đối cao, nguyên tử Ge dao động mạnh làm cho Hình 5: Cấu trúc mạnh tinh thể Gemani số liên kết mạng bị phá vỡ, số e bị giải phóng trở thành e tự Nhiệt độ cao số liên kết bị phá vỡ nhiều nên số e tự tăng lên Khi e bị giải phóng khỏi liên kết tinh thể xuất chỗ trống thiếu e liên kết nên gọi lỗ trống So với liên kết bình thường lỗ trống thiếu điện tích âm nên lỗ trống mang điện tích dương - Hơn lỗ trống mạng tinh thể cố định e từ liên kết gần di chuyển đến vị trí lỗ trống, lấp đầy lỗ trống Lỗ trống bên cạnh lại e nên lại xuất lỗ trống Quá trình kết lỗ trống mạng tinh thể di chuyển từ chỗ đến chỗ khác giống điện tích dương - Như nhiệt độ tương đối cao tinh thể xuất đồng thời hai loại hạt mang điện tự do: electron lỗ trống - Khi khơng có điện trường ngồi đặt vào tinh thể bán dẫn, e lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn, khơng có chiều ưu tiên, bán dẫn khơng có dịng điện - Khi có điện trường ngồi, tác dụng lực điện trường e dịch chuyển cực dương, lỗ trống dịch chuyển cực âm điện trường Hay chất bán dẫn xuất dòng điện Vậy dòng điện chất bán dẫn dịng chuyển dời có hướng đồng thời e lỗ trống tác dụng điện trường 2.2 Bán dẫn tạp - Chất bán dẫn loại âm (loại N) Pha thêm vào tinh thể Si lượng nguyên tử photpho (P) Nguyên tử P có e hố trị nên dùng e vào liên kết cộng hoá trị với nguyên tử Si xung quanh (hình 1.6) Nguyên tử thứ P liên kết yếu với mạng tinh thể nên dễ dàng tách khỏi nguyên tử để trở thành e tự Như tạp chất thêm vào làm cho số e tự bán dẫn tăng lên nhiều, làm tăng khả dẫn điện bán dẫn tạp chất so vời bán dẫn 89 Do lượng Photpho thêm vào nhiều số e tự tăng số lỗ trống không tăng nên chất bán dẫn loại N, hạt mang điện chủ yếu electron, lỗ trống hạt mang điện thiểu số - Chất bán dẫn loại dương (loại P) Nếu pha thêm vào chất bán dẫn Si lượng nguyên tử Bo (B) Indi (In) Do B In có e hố trị nên tinh thể Si thiếu e để tạo thành mối liên kết cộng hoá trị với nguyên tử Si gần (hình 1.7) Mối liên kết thiếu dễ dàng nhận e liên kết đầy đủ gần tạo nên lỗ trống Như tạp chất B In làm cho lượng lỗ trống tăng lên nhiều lượng e không tăng Mặt khác lỗ trống mang điện tích dương nên gọi chất bán dẫn có pha tạp chất chất bán dẫn loại dương Như chất bán dẫn loại dương hạt mang điện đa số lỗ trống, electron hạt mang điện thiểu số Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 3.1 Tiếp giáp P-N chưa có điện trường Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại N loại P tiếp xúc công nghệ với nhau, vùng tiếp xúc xảy tượng vật lý đặc biệt, có chênh lệch nồng độ phần tử dẫn điện vùng tiếp xúc, mật độ điện tử tự chất bán dẫn N lớn chất bán dẫn P mật độ lỗ trống chất bán dẫn P lớn chất bán dẫn N, nhờ có khuếch tán nhiệt điện tử đa số nên lỗ trống ( ion dương ) bên bán dẫn P qua tiếp giáp sang bán dẫn N điện tử bên bán dẫn N qua tiếp giáp sang bán dẫn P, tạo thành dòng khuếch tán từ chất bán dẫn P sang bán dẫn N Như xẩy tượng khuếch tán vùng tiếp xúc hay chất bán dẫn P N xuất điện tích trái dấu, bên chất bán dẫn P xuất điện tích âm, bên chất bán dẫn N xuất điện tích dương, có số lượng nhau, hình thành trường khuếch tán hay gọi trường tiếp xúc Etx có chiều từ N tới P, với điều kiện tiêu chuẩn nhiệt độ phòng Etx = 03V(Ge) = 0,6V (Si), có tác dụng ngăn cản di chuyển tiếp tục điện tích, nghĩa hình thành lớp chắn gọi tiếp giáp P-N 90 Do tác động điện trường tiếp xúc, điện tử thiểu số hai chất bán dẫn chuyển động qua tiếp giáp, điện tử chất bán dẫn P chuyển động qua tiếp giáp sang chất bán dẫn N lỗ trống chất bán dẫn N chuyển qua lớp tiếp giáp sang chất dẫn P, hình thành dịng điện dị có chiều N-P Trường tiếp xúc hình thành cản trở dịng khuếch tán, dòng điện Ikt dòng điện dò cân dịng qua miền tiếp giáp khơng bề dày lớp chắn PN vào khoảng 10-5cm 3.2 Tiếp giáp P- N có điện trường ngồi a Tiếp giáp P-N phân cực ngược Đặt vào tiếp giáp P-N điện áp chiều có cực âm nối vào chất bán dẫn P, cực dương nối vào chất bán dẫn N Như điện trường ngồi ( Eng) có chiều chiều với Etx Dưới tác dụng điện trường điện tử đa số đẩy xa miền tiếp giáp, điện tử thiểu số tăng cường cho miền tiếp giáp, miền tiếp giáp mở rộng Khi phân cực ngược dòng qua tiếp giáp dịng ngược có giá trị nhỏ b Tiếp giáp P-N phân cực thuận Đặt vào tiếp giáp P-N điện áp chiều, cực âm nối vào chất bán dẫn N, cực dương nối với chất bán dẫn P Như điện trường bên Eng có chiều ngược chiều với Etx, làm cho điện trường tổng hợp lớp chắn giảm đi, chuyển động khuếch tán hạt đa số tăng lên, dòng Ikt tăng bề rộng lớp chắn giảm Hiện tượng gọi phân cực thuận cho PN Như phân cực thuận dòng qua tiếp giáp tăng dòng khuếch tán tăng Như tiếp giáp P-N đặt điện trường ngồi có tính chất dẫn điện không đối xứng, phân cực thuận dòng qua P-N lớn, phân cực ngược dòng qua P-N nhỏ bỏ qua Do lớp bán dẫn dẫn điện theo chiều từ P sang N phân cực thuận Một số ngun tố có tính chất bán dẫn dùng kỹ thuật : 4.1 Giécmani Ge tự nhiên, Ge dùng để chế tạo chất bán dẫn máy tách sóng, chỉnh lưu phẳng, transisto khuyếch đại 4.2 Silic Si nguyên tố có nhiều thiên nhiên dạng SiO2 mỏ khác dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% lớp vỏ trái đất) Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết phức tạp nên dụng cụ sử dụng bán dẫn Si đắt so với dụng cụ bán dẫn sử chất khác chất thiên nhiên nhiều so với Si 91 Điện dẫn suất Si biến đổi phạm vi rộng Silic nguyên chất chế tạo làm điện trở phi tuyến mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện máy tách sóng, khuyếch đại, Silic sử dụng chất khử oxy luyện kim Silic hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) chế tao dạng tấm, dùng để làm lõi thép dẫn từ máy biến áp Ngồi sử dụng để chế tạo hợp kim khác sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, sử dụng rộng rãi công nghiệp 4.3 Selen CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày khái niệm vật liệu bán dẫn? ứng dụng vật liệu bán dẫn? Câu 2: Trình bày dẫn điện bán dẫn bán dẫn tạp? Câu 3: Trình bày tiếp giáp P-N chưa có điện trường ngồi có điện trường ngồi? Nguồn tài liệu tham khảo - Giáo trình vật liệu khí (Dùng cho trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp đào tạo) –Nhà XB Lao động – xã hội -2006; - Giáo trình vật liệu điện (Dùng cho trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp cao đẳng kỹ thuật) : TS Nguyễn Đình Thắng – Nhà xuất giáo dục - 2007; - Vật liệu kỹ thuật điện: Nguyễn Xuân Phú - Hồ Xuân Thanh -NXB Khoa học kỹ thuật -1998; - Vật liệu khí: Nguyễn Hồnh Sơn -NXB giáo dục -2000 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “……” bám sát nội dung chương trình mơn học, mô đun Đáp ứng đầy đủ nội dung kiến thức, kỹ năng, lực tự chủ chương trình mơn học, mơ đun Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun thay cho giáo trình Người biên soạn Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) Trần Thị Hồng Nhung 92 93 ... Chương Vật liệu phi kim loại vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại 68 Tính chất chung vật liệu cách điện 69 Vật liệu cách điện thể khí 75 Vật liệu cách điện thể lỏng 77 Vật liệu cách điện thể... sắt - Vật liệu dẫn điện vật chất mà trạng thái bình thường có điện tích tự Nếu đặt vật liệu vào trường điện, điện tích chuyển động theo hướng định trường tạo thành dòng điện Người ta gọi vật liệu. .. - Trình bày đặc điểm, tính chất, ký hiệu phạm vi ứng dụng loại vật liệu khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, loại dầu bôi trơn, dầu biến số loại vật liệu khác dùng nhà máy Thuỷ điện