Матеріалознавство радіоапаратів

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Одеський  національний політехнічний університет

Кафедра інформаційних технологій проектування в електроніці та телекомунікаціях 
 
 
 

КРМЗ.РК10217.ПЗ 

ВластивостІ МАТЕРІАЛІВ ЕЛЕКТРОННОЇ  ТЕХНІКИ

Курсова робота

з дисципліни „Матеріалознавство радіоапаратів” 
 
 
 
 
 
 

Виконав:

студент гр. РК – 102

Баралевич В.Г. 

Перевірив:

           Шаповалов Г.В. 
 
 
 

2011р. 

ЗМІСТ 

 Вступ ………………………………………………………………….……............3

1.Основні  види електротехнічних паперів  і картонів, галузі застосування…4

2.Діелектрична проникність складних діелектриків ………………….………..10

3.Визначення параметрів конденсатора ……………………………….………..14

4.Дослідження пробою діелектрику …………………………………….………16

5.Визначення параметрів напівпровідників ……………………………….……18

6.Розрахунок плавкого запобіжника ……………………………………….……19

7.Визначення  магнітної проникності деяких магнітних матеріалів…………..20

     Висновок  ……………………………………………………….…………..…..22

     Список  використаної літератури……………………………….………..…....23

Додатки:

   Додаток №1. Графік залежності діелектричної проникності від концентрації компонентів при послідовному з’єднанні………………...…24

   Додаток №2. Графік залежності діелектричної  проникності від концентрації  компонентів при паралельному  з’єднанні……………….....25

   Додаток №3. Графік залежності діелектричної проникності від концентрації компонентів при змішаному з’єднанні………………..…..…26

Додаток №4. Графік основної кривої намагнічування(данні для  задачі)…………………………………………………………………………..…27

Додаток №5. Графіки  залежності статичної магнітної проникності від                                                  напруженості  магнітного поля……………………………………………......28    

Додаток №6. Графіки  залежності динамічної магнітної проникності  від                                                   напруженості  магнітного поля…...............................................................29 

ВСТУП 

      В курсовій роботі с курсу «Матеріалознавство радіоапаратів» мені було запропоновано  вирішити задачі по діелектрикам 2-4 та по напівпровідникам 5-7. В завданні №1 потрібно охарактеризувати особливості та застосування електротехнічних паперів і картонів. Максимально застосувати быльшість законів, що потрібні для розрахунку провідників, напівпровідників, та матеріалів що входять до них. Виходячи с отриманих даних необхідно, дивлячись до завдання задачі, побудумати графік, що буде графічно зоображувати залежність тих чи інших данних. Для розрахунку теплового пробою застосувати теорію Фока, також визначення рівня Фермі, закон Ома у різних його формах. При закінченні розрахунків зробити висновок по виконаній роботі. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Основні  види електротехнічних  паперів і картонів  і

галузі  застосування 

1.2 Общие сведения 

Електротехнічні матеріали являють собою сукупність провідникових, електроізоляційних, магнітних  і напівпровідникових матеріалів, призначених  для роботи в електричних і магнітних полях. Сюди ж можна віднести основні електротехнічні вироби: ізолятори, конденсатори, дроти і деякі напівпровідникові елементи. Електротехнічні матеріали в сучасній електротехніці займають одне з головних місць. Всім відомо, що надійність роботи електричних машин, апаратів і електричних установок в основному залежить від якості і правильного вибору відповідних електротехнічних матеріалів. Аналіз аварій електричних машин та апаратів показує, що більшість з них відбувається внаслідок виходу з ладу електроізоляції, що складається з електроізоляційних матеріалів. Електроізоляційні лаки і емалі Лаки - це розчини плівкоутворюючих речовин: смол, бітумів, олій, що висихають, ефірів целюлози або композицій цих матеріалів в органічних розчинниках. У процесі сушіння лаку з нього випаровуються розчинники, а в лакової основі відбуваються фізико-хімічні процеси, що призводять до утворення лакової плівки. За своїм призначенням електроізоляційні лаки ділять на просочувальні, покривні і склеювальні. Просочувальні лаки застосовуються для просочення обмоток електричних машин і апаратів з метою закріплення їх витків, збільшення коефіцієнта теплопровідності обмоток і підвищення їх вологостійкості. Покривні лаки дозволяють створити захисні вологостійкі, маслостойкие та інші покриття на поверхні обмоток або пластмасових і інших ізоляційних деталей (лак КО-916 или лак КО-921). Склеювальні лаки призначаються для склеювання листочків слюди один з одним або з папером і тканинами з метою отримання слюдяних електроізоляційних матеріалів (міканіти, мікалента та ін.) Емалі представляють собою лаки з введеними в них пігментами - неорганічними наповнювачами (окисел цинку, двоокис титану, залізний сурик і ін.) Пігменти вводяться з метою підвищення твердості, механічної міцності, вологостійкості, дутостойкості та інших властивостей емалевих плівок. Емалі відносяться до покривним матеріалами. За способом сушіння розрізняють лаки і емалі гарячої (пічний) і холодної (повітряної) сушіння. Перші вимагають для свого затвердіння високої температури - від 80 до 200 ° С, а другі висихають при кімнатній температурі. Лаки і емалі гарячої сушки, як правило, володіють вищими діелектричними, механічними та іншими властивостями. З метою поліпшення характеристик лаків і емалей повітряної сушки, а також для прискорення затвердіння їх сушку іноді проводять при підвищених температурах - від 40 до 80 ° С. Основні групи лаків мають такі особливості. Масляні лаки утворюють після висихання гнучкі еластичні плівки жовтого кольору, стійкі до вологи і до нагрітого мінерального масла. За нагрівостійкості плівки цих лаків відносяться до класу А.

У масляних лаках  використовують дефіцитні льняне і  тунговое масла, тому вони замінюються  лаками на синтетичних смолах, стійкішими до теплового старіння. Олійно-бітумні лаки утворюють гнучкі плівки чорного кольору, стійкі до вологи, але легко розчиняються в мінеральних маслах (трансформаторне та мастильне). За нагрівостійкості ці лаки відносяться до класу А (105 ° С). Гліфтальовиє та олійно-гліфтальовиє лаки лак ГФ-95 і емалі відрізняються хорошою здатністю, що клеїть по відношенню до слюді, паперам, тканин і пластмас. Плівки цих лаків володіють підвищеною нагревостойкость (клас В). Вони стійкі до нагрітого мінерального масла, але вимагають гарячої сушки при температурах 120-130 ° С. Чисто гліфтальовиє лаки на основі немодифікованих гліфталевих смол утворюють тверді негнучкі плівки, вживані у виробництві твердої слюдяної ізоляції (тверді міканіти). Олійно-гліфтальовиє лаки після висихання дають гнучкі еластичні плівки жовтого кольору. Кремнійорганічні лаки і емалі відрізняються високою нагревостойкость і можуть довго працювати у 180-200 ° С, тому вони застосовуються в поєднанні зі скловолокнистої і слюдяної ізоляцією. Крім цього, плівки мають високу вологостійкість і стійкістю до електричних іскрам. Лаки і емалі на основі поліхлорвінілових і перхлорвінілових смол відрізняються стійкістю до води, нагрітим олив, кислим і лужним хімічних реагентів, тому вони застосовуються в якості покривних лаків і емалей для захисту обмоток, а також металевих деталей від корозії. Слід звернути увагу на слабке прилипання поліхлорвінілових і перхлорвінілових лаків і емалей до металів. Останні спочатку покривають шаром грунту, а потім лаком або емаллю на основі поліхлорвінілових смол. Сушіння цих лаків і емалей проводиться за 20, а також при 50-60 ° С. До недоліків такого роду покриттів належить їх невисока робоча температура, складова 60-70 ° С. Лаки і емалі на основі епоксидних смол відрізняються високою здатністю, що клеїть і дещо підвищеної нагревостойкость (до 130 ° С). Лаки на основі алкідних і фенольних смол (фенолоалкідние лаки) мають хорошу висихаемость в товстих шарах і утворюють еластичні плівки, що можуть довго працювати при температурах 120-130 ° С. Плівки цих лаків володіють волого-і маслостойкостью. Водно-емульсійні лаки - це стійкі емульсії лакових основ у водопровідній воді. Лакові основи виробляють із синтетичних смол, а також з висихаючих масел і їх сумішей. Водно-емульсійні лаки пожежо-і вибухобезпечні, тому що в їх складі немає легкозаймистих органічних розчинників. Через малу в'язкості такі лаки мають добре просочують здатність. Їх застосовують для просочення нерухомих і рухомих обмоток електричних машин та апаратів, які тривалий час працюють при температурах до 105 ° С. Електроізоляційні компаунди Компаунди представляють собою ізоляційні склади, які в момент використання бувають рідкими, а потім тверднуть. Компаунди не мають у своєму складі розчинників. За своїм призначенням дані склади діляться на просочувальні і заливальні. Перші з них застосовують для просочення обмоток електричних машин та апаратів, другі - для заливки порожнин в кабельних муфтах, а також у електромашин і приладах з метою герметизації. Компаунди бувають термореактивними (не размягчающийся після затвердіння) і термопластичними (що розм'якшуються при подальших нагревах).  
 
 
 

До термореактивним  можна віднести компаунди на основі епоксидних, поліефірних і деяких інших смол. До термопластичних відносяться компаунди на основі бітумів, воскоподібні діелектриків і термопластичних полімерів (полістирол, поліізобутилен та ін.) Просочувальні і заливальні компаунди на основі бітумів з нагрівостійкості відносяться до класу А (105 ° С), а деякі до класу Y (до 90 ° С). Найбільшою нагревостойкостио володіють компаунди епоксидні і кремнійорганічні. Компаунди МБК виготовляють на основі метакрилових ефірів і застосовують як просочувальні і заливальні. Вони після твердіння при 70-100 ° С (а зі спеціальними отверджувачі при 20 ° С) є термореактивними речовинами, які можуть використовуватися в інтервалі температур від -55 до 105 ° С. непросочені волокнисті електроізоляційні матеріали До цієї групи відносяться листові і рулонні матеріали, складаються з волокон органічного та неорганічного походження. Волокнисті матеріали органічного походження (папір, картон, фібра і тканина) отримують з рослинних волокон деревини, бавовни і натурального шовку. Нормальна вологість електроізоляційних картонів, папери і фібри коливається від 6 до 10%. Волокнисті органічні матеріали на основі синтетичних волокон (капрон) володіють вологістю від 3 до 5%. Така ж приблизно вологість спостерігається у матеріалів, одержуваних на основі неорганічних волокон (азбест, скловолокно). Характерними особливостями неорганічних волокнистих матеріалів є їх негорючість і висока нагревостойкость (клас С). Ці цінні властивості в більшості випадків знижуються при просочення цих матеріалів лаками. Електроізоляційний папір виготовляють зазвичай з деревної целюлози. Найбільшу пористість має мікалентная папір, що застосовується у виробництві слюдяних стрічок. Електрокартон виготовляють з деревної целюлози або з суміші бавовни та волокон деревної (сульфатної) целюлози, взятих у різних співвідношеннях. Збільшення вмісту бавовняних волокон знижує гігроскопічність і усадку картону. Електрокартон, призначений для роботи в повітряному середовищі, має більш щільну структуру в порівнянні з картоном, призначеним для роботи в олії. Картон товщиною 0,1-0,8 мм випускають у рулонах, а картон товщиною від 1 мм і вище - у листах різних розмірів. Фібра представляє собою монолітний матеріал, що отримується в результаті пресування аркушів паперу, попередньо оброблених нагрітим розчином хлористого цинку і відмитих у воді. Фібра піддається всім видам механічної обробки і формуванню після розмочування її заготовок в гарячій воді. Летероід - тонка листова і рулонна фібра, використовувана для виготовлення різного виду електроізоляційних прокладок, шайб і фасонних виробів. Азбестові папери, картони і стрічки виготовляються з волокон хризотилового азбесту, що володіє найбільшою еластичністю і здатністю скручуватися в нитці. Всі азбестові матеріали стійкі до лугів, але легко руйнуються кислотами. Електроізоляційні скляні стрічки і тканини проводять з скляних ниток, що отримуються з бесщелочного або малощелочних стекол. Перевага скляних волокон перед рослинними і азбестовими полягає в їх гладкій поверхні, що знижує поглинання вологи з повітря. Нагревостойкость скляних тканин і стрічок вище азбестових.  
 
 
 
 

Електроізоляційні лаковані тканини (лакоткани) Лаковані тканини представляють собою гнучкі матеріали, що складаються з тканини, просоченої лаком або яких-небудь електроізоляційним складом. Просочувальний лак або склад після твердіння утворює гнучку плівку, яка забезпечує добрі електроізоляційні властивості лакоткани. У залежності від тканинної основи лакоткани діляться на бавовняні, шовкові, капронові і скляні (склотканини). Як просочувальних складів для Лакотканини застосовують масляні, масляно-бітумні, ескапоновие і кремнійорганічні лаки, а також кремнійорганічні емалі, розчини кремнійорганічних каучуків та ін Найбільшою растяжимостью і гнучкістю мають шовкові і капронові лакоткани. Вони можуть працювати при нагріванні не вище 105 ° С (клас А). До цього ж класу нагрівостійкості відносяться всі бавовняні лакоткани. Основними областями застосування Лакотканини є: електричні машини, апарати та прилади низької напруги. Лакотканини використовують для гнучкої виткової та пазової ізоляції, а також в якості різних електроізоляційних прокладок. Пластичні маси пластичних мас (пластмасами) називаються тверді матеріали, які на певній стадії виготовлення набувають пластичні властивості і в цьому стані з них можуть бути отримані вироби заданої форми. Дані матеріали являють собою композиційні речовини, що складаються з речовини, що пов'язує, наповнювачів, барвників, пластифікуючих та інших компонентів. Вихідними матеріалами для отримання пластмасових виробів є пресувальні порошки та пресувальні матеріали. За нагрівостійкості пластмаси бувають термореактивні і термопластичні. Шаруваті електроізоляційні пластмаси Шаруваті пластмаси - матеріали, що складаються з шарів, що чергуються листового наповнювача (папір або тканину) і пов'язує. Найважливішими з шаруватих електроізоляційних пластмас є гетинакс, текстоліт і склотекстоліт. Вони складаються з листових наповнювачів, що розташовуються шарами, а в якості сполучного речовини використані бакелітові, епоксидні, кремнійорганічні смоли та їх композиції. В якості наповнювачів застосовують спеціальні сорти просочувальної папери (у гетинаксе), бавовняні тканини (в текстоліті) і бесщелочного скляні тканини (у стеклотекстолите). Перераховані наповнювачі спочатку просочують бакелітовими або кремнійорганічними лаками, сушать і ріжуть на листи певного розміру. Підготовлені листові наповнювачі збирають у пакети заданої товщини і піддають гарячому пресуванню, в процесі якого окремі аркуші за допомогою смол міцно з'єднуються один з одним. Гетинакс і текстоліт стійкі до мінеральних масел, тому широко використовуються в маслонаповнених електроапаратів і трансформаторах. Найбільш дешевим шаруватим матеріалом є деревно-шарувата пластмаса (дельта-деревина). Вона виходить гарячим пресуванням тонких листів березового шпону, попередньо просочених бакелітовими смолами. Дельта-деревина застосовується для виготовлення силових конструкційних і електроізоляційних деталей, що працюють в маслі. Для роботи на відкритому повітрі цей матеріал потребує ретельної захисту від вологи. Асбестотекстоліт являє собою шарувату електроізоляційну пластмасу, отримувану гарячим пресуванням листів азбестової тканини, попередньо просочених бакелітовій смолою.  
 
 
 

Його випускають у вигляді фасонних виробів, а  також у вигляді листів і плит товщиною від 6 до 60 мм. Асбогетінакс - шарувата пластмаса, одержувана гарячим пресуванням листів азбестового паперу, що містить 20% сульфатної целюлози або азбестового паперу без целюлози, просочених епоксидно-фенолоформальдегідних сполучною. З розглянутих шаруватих електроізоляційних матеріалів найбільшою нагревостойкость, кращими електричними і механічними характеристиками, підвищеною вологостійкістю і стійкістю до грибкової цвілі володіють склотекстоліти на кремнійорганічних та епоксидних зв'язуючих. Намотані електроізоляційні вироби намотані електроізоляційні вироби являють собою тверді трубки і циліндри, виготовлені методом намотування на металеві круглі стрижні будь-яких волокнистих матеріалів, попередньо просочених зв'язуючою речовиною. В якості волокнистих матеріалів застосовують спеціальні сорти намотувальних або просочувальних паперів, а також бавовняні тканини і склотканини. Єднальними речовинами є бакелітові, епоксидні, кремнійорганічні та інші смоли. Намотані електроізоляційні вироби разом з металевими стрижнями, на які вони намотані, сушать при високій температурі. З метою гігроскопічності намотаних виробів їх лакують. Кожен шар лаку сушать в печі. До намотаним виробам можна віднести і суцільні текстолітові стрижні, тому що їх теж отримують шляхом намотування заготовок з текстильного наповнювача, просоченого бакелітовим лаком. Після цього заготовки піддають гарячому пресуванню в сталевих прес-формах. Намотані електроізоляційні вироби застосовують в трансформаторах з повітряною і масляною ізоляцією, в повітряних і масляних вимикачах, різних електроапаратів і вузлах електроустаткування. Мінеральні електроізоляційні матеріали До мінеральних електроізоляційних матеріалів відносяться гірські породи: слюда, мармур, шифер, талькохлоріт і базальт. Також до цієї групи належать матеріали, що отримуються з портландцемента і азбесту (азбестоцемент і асбопласт). Вся ця група неорганічних діелектриків відрізняється високою стійкістю до електричної дуги і володіє достатньо високими механічними характеристиками. Мінеральні діелектрики (крім слюди і базальту) піддаються механічній обробці, за винятком нарізування різьби. Електроізоляційні вироби з мармуру, шиферу та талькохлоріта отримують у вигляді дощок для панелей та електроізоляційних підстав для рубильників і перемикачів низької напруги. Точно такі ж вироби з плавленого базальту можна отримати тільки методом лиття у форми. Щоб базальтові вироби володіли необхідними механічними і електричними характеристиками, їх піддають термічній обробці з метою утворення в матеріалі кристалічної фази. Електроізоляційні вироби з азбестоцементу та асбопласта представляють собою дошки, підстави, перегородки і дугогасильні камери. Для виготовлення такого роду виробів використовують суміш, що складається з портландцементу і азбестового волокна. Вироби з асбопласта отримують холодним пресуванням з маси, в яку додано 15% пластичного речовини (каоліну або формувальної глини). Цим досягається велика текучість початкової пресувальної маси, що дозволяє отримувати з асбопласта електроізоляційні вироби складного профілю.  
 
 
 
 
 

Основним недоліком  багатьох мінеральних діелектриків (за винятком слюди) є невисокий рівень їх електричних характеристик, викликаний великою кількістю пор і наявністю оксидів заліза.

Таке явище  дозволяє використовувати мінеральні діелектрики тільки в пристроях  низької напруги. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ДІЕЛЕКТРИЧНІ ТА  ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІЕЛЕКТРИКІВ У ЗАДАЧАХ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА АПАРАТІВ

2.1. ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ  СКЛАДНИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ

Задача 2. Діелектрик плоского конденсатора являє собою поєднання двох матеріалів: N₁ i N₂. Побудуйте графік залежності діелектричної проникності суміші відносно об’ємного вмісту означених  матеріалів (від 0 до 1), а якщо вони: а) включені послідовно; б) включені паралельно; в) розподілені хаотично.

ε₁=7,0

ε₂=4,2

N₁=0…1

N₂=1…0

ε - ?

            Слюда- мусковіт – це речовина від прозорого до білого, рідше - до жовтого, рожевого, зеленого кольорів. Ії формула KAl2(Si3Al)O10(OH,F)2. Інші назви: біла, калієва слюда.Входить до складу лише кислих порід (гранітоїди та ріоліти).

          Эпоксидные лаки – Це лаки, на основі епоксдиних смол, або їх модифікацій. Епоксидні смоли - олігомерні продукти поліконденсації епіхлоргідрину з багатоатомними фенолами, спиртами, поліамінамі, багатоосновними кислотами 
 
 
 

Розв’язання

а) Послідовне включенння

для вирішення  цієї задачі я використав формулу  Ліхтенегера

-діелектрична проникність;

де ε1 і ε2 –  відносна діелетрична проникність;

N₁ і N₂ – об’ємні концентрації компонентів двох матеріалів;

х – константа  характеризує розподіл компонентів  і що приймає значення від -1 до 1.

При послідовному з’єднанні у нашому випадку х=-1, тому формула Ліхтенегера буде мати вид:

Звідси  -діелектрична проникність буде дорівнювати:

По формулі  розраховуємо значення і заповняєм  таблицю:  

По результатах  будуємо графікрафік залежності діелектричної проникності від  концентрації компонентів(див. додаток 1).

б) Паралельне включення

для паралельного включення х=1, тому формула Ліхтенегера  буде мати вигляд:

    (6)

-діелектрична проникність;

ε1 і ε2 – відносна діелетрична проникність;

N1 і N2 – об’ємні концентрації компонентів двох матеріалів;

    (7-8)

Кінцева формула  для розрахунку буде:

    (9)

Підставивши у  формулу значення отримаємо таблицю  з даними:

По даних таблиці  будуємо графік (див. додаток 2)

При послідовному з’єднанні змінних по об’єму залежність від N приймають слабку нелінійність.

в) Змішане включення 
 
 
 

При змішаному  включенні х=0 тому формула Ліхтенегера  набуде виду:

ε1 і ε2 – відносна діелетрична проникність;

N1 і N2 – об’ємні концентрації компонентів двох матеріалів;

Формула для  розрахунку буде такою:

Отримавши кінцеву  формулу підставивши в нею  значення задачі, отримаємо таблицю  значень:

По даних таблиці  будуємо графік (див. додаток 3)

ВИСНОВОК: В ході рішення  даної задачі було розраховано діелектричну проникність складного діелектрика, який складається з двох матеріалів(N₁, N₂), які включені паралельно, послідовно та хаотично. Залежності діелектричних проникностей від складу конденсатора показані на графіках у додатках 1-3.

3.ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ КОНДЕНСАТОРА 

      На  електроди конденсатора з розмірами  20*40  мм подано напруга 2500 В. Відстань між електродами 4 мм. Визначити ємність, опір ізоляції, струп крізь конденсатор при постійній напрузі, а також величину діелектричних втрат а)при постійній напрузі, б)при змінній напрузі з частотою 50Гц, в)при змінній напрузі з частотою 400Гц.