Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз. По мере исследования полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел качественный скачок после открытия интегральных схем, когда несколько транзисторов соединили в одном элементе. В дальнейшем и этот элемент постоянно уменьшался и в нем соединяли все большее количество транзисторов. В настоящее время элементарный транзистор имеет размер примерно 0.5 мкм, в больших интегральных схемах соединяются тысячи элементов. Предполагается, что в ближайшем будущем будет постепенно осуществляться переход на масштаб 0,2 мкм и 0,18 мкм. Имеются идеи о создании элементов размером в молекулу!

Следующим примером может служить изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кг, у нас - 80 кг, а в Китае -150 кг.

Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70 % стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Сейчас в Новосибирске действуют, по крайней мере, три фирмы, разработавшие конструкции быстромонтируемых опор. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать, сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками. Рассмотрим, например стеклопластик. Он состоит из волокон стекловолокна, пропитанных полимером, обычно эпоксидным полимером. Основное достоинство этого материала - высокая механическая прочность. Прочность эпоксидного компаунда недостаточно велика, этот материал достаточно хрупок. Прочность стеклянного волокна - значительна, но у него хрупкость также значительна. После пропитки волокон и последующей полимеризации прочность стеклопластикового стержни на разрыв не уступает ~ прочности волокон, тогда как хрупкость у стержней в принципе отсутствует.

Основными характеристиками материалов являются электропроводность или обратная величина - сопротивление, плотность, механическая прочность при различных нагрузках, теплоемкость, теплопроводность. Для диэлектрических материалов наиболее важны удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая прочность.

Большинство этих терминов вам неизвестно, в процессе изучения настоящего курса вы с ними подробно познакомитесь.

Материалы, особенно вновь создаваемые, являются одним из главных звеньев в решении многих инженерных задач в производстве электрооборудования, где основная роль принадлежит электротехническим материалам (ЭТМ). Конструкционные же материалы (КМ) используют главным образом для изготовления несущих конструкций и вспомогательных деталей и узлов. Современное электрооборудование представляет собой сложное устройство с большим количеством разнообразных деталей, для изготовления которых требуется широкий ассортимент различных электротехнических и конструкционных материалов с вполне определенными электрическими, механическими и химическими свойствами, которые зависят от их химического состава и строения, а также интенсивности внешне го энергетического воздействия (напряженности и частоты электрического поля, температуры и т.п.). Без знания основных свойств ЭТМ и КМ, без понимания физических процессов, протекающих в ЭТМ при помещении их в электрическое или магнитное поле, без понимания связи этих процессов с химическим составом и строением материала нельзя спроектировать и изготовить электротехническую аппаратуру, невозможно грамотно ее эксплуатировать.

Поэтому главной задачей науки материаловедения является:

 - изучение основных физических процессов, протекающих в материалах при воздействии на них электрического, магнитного или теплового полей и механического напряжения;

  - изучение зависимости электрических, механических и других свойств материалов от их химического состава и строения;

 - описание свойств и знакомство с материалами, наиболее часто применяемыми в производстве электрооборудования.

Наука и промышленность по производству ЭТМ и КМ зародились на стыке физики, химии (и ее промышленности), электро- и радиотехники. С развитием электро- и радиотехнической промышленности постоянно выдвигаются все новые требования к свойствам материалов, что, в свою очередь, определяет направление и стимулирует развитие этой науки и промышленности. История развития науки и производства ЭТМ свидетельствует о том, что создание многих электро- и радиотехнических устройств стало возможным в результате не только разработки новых схем, но и в значительной мере благодаря созданию и применению новых материалов. В ряде же случаев производство современных электроустановок на базе использования только «старых» радиоэлементов, изготовленных из «старых» материалов, вообще оказалось невозможным (например, создание современной электронной вычислительной техники и развитие микроэлектроники в целом). Появление и развитие микроэлектроники стало возможным благодаря созданию новых радиоэлементов на базе полупроводниковых материалов, активных диэлектриков, ферритов. Использование новых материалов позволило заменить ими целые электронные блоки. Например, пьезоэлектрик, используемый в качестве резонатора, эквивалентен узлу, состоящему из катушки индуктивности, конденсатора, резистора и соединительных проводов. Микроэлектроника позволила также повысить в несколько раз плотность монтажа.

При выборе материалов для электрооборудования принимают во внимание не только их электрофизические характеристики, но и физико-механические, химические (например, механическую прочность, твердость, нагревостойкость, холодостойкость, гигроскопичность и др.). Учитывая то, что электрооборудованию приходится работать под действием механических нагрузок, в различных климатических условиях и в химически агрессивной среде и т. д., в ряде случаев определяющими факторами при выборе материала могут быть не только и не столько его электрические характеристики, сколько механические (если это установочная деталь): гигроскопичность (при работе в условиях повышенной влажности), нагревостойкость (если воздействует высокая температура) и т. д.

Наряду с указанными характеристиками при выборе материала большое значение имеет и экономическая сторона. Недостаточно выбрать высококачественный ЭТМ или КМ, свойства которого удовлетворяют всем эксплуатационно-техническим требованиям. Важно, чтобы это был материал отечественного производства, недорогой, недефицитный и чтобы из него можно было изготавливать детали и узлы с помощью недорогих и несложных технологических процессов.

Материалы, используемые для изготовления любого по назначению и степени сложности электрооборудования, можно разделить на две большие группы: электротехнические и конструкционные.


Электротехнические материалы