電工材料

工程技術(shù)領(lǐng)域中，材料占有重要的地位。各種技術(shù)都要通過一定的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，設(shè)備則需用具體的材料制作。沒有相應(yīng)的材料，即使是原理上可行的技術(shù)和產(chǎn)品，也都無法實(shí)現(xiàn)。新材料的出現(xiàn)常能帶來技術(shù)上的重大進(jìn)展。電工領(lǐng)域的情況也是如此。例如硅鋼片的出現(xiàn)使旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的效率大大提高，容量也更大，從而促進(jìn)了電能的遠(yuǎn)距離輸送和廣泛應(yīng)用;高矯頑力、高剩磁的釹鐵硼等材料的出現(xiàn)，滿足了永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)強(qiáng)磁體的需要,使這類電機(jī)在驅(qū)動(dòng)微電機(jī)中占有重要地位,并仍在擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。1986年以來，高臨界溫度超導(dǎo)材料所實(shí)現(xiàn)的突破，展現(xiàn)了低耗(或無損耗)輸電和電能的工業(yè)規(guī)模儲(chǔ)存的前景，引起世界各國物理界、電工界的注意。研制各種適用電工新材料仍是電工領(lǐng)域的重要任務(wù)。

electrical engineering material

電工領(lǐng)域應(yīng)用的各類材料的統(tǒng)稱。包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料和其他電介質(zhì)材料、磁性材料。這些材料均具有一定的電學(xué)或磁學(xué)性能。具體的電工材料一般按用途分類。例如鐵氧體，若按磁導(dǎo)率分，用于磁路時(shí)是磁性材料;但按電阻率分，用于電路時(shí)屬于半導(dǎo)體材料。

具有高電導(dǎo)率的材料，在電工設(shè)備中用作導(dǎo)體，如銅、鋁等，其典型制品是電線、電纜的導(dǎo)電線心。屬于導(dǎo)電材料的還有用于制造電觸頭、溫差電偶、熔絲等的材料。這些材料除電導(dǎo)率高外，還有一些另外的特殊性能，例如制造熔絲的材料需要具有相對(duì)低的熔點(diǎn);觸頭材料需要高的耐電弧性能等。

高電阻合金如鎳鉻、鉻鎳鐵、錳銅、康銅也屬于導(dǎo)電材料，可用作加熱元件，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，或用于制造電阻器。

石墨是一種特殊的導(dǎo)體，雖然電導(dǎo)率低，但由于它的化學(xué)惰性和高熔點(diǎn)，以及它的制品具有低的摩擦系數(shù)、一定的機(jī)械強(qiáng)度，被廣泛地用作電刷、電極等。

屬于導(dǎo)電材料的還有低溫導(dǎo)電材料和超導(dǎo)材料。例如，純鋁在20K下,即液氫溫度范圍中是最好的低溫導(dǎo)電材料;而鈹在77K左右,即液氮溫度下電阻率也只有常溫下的千分之一到萬分之一以下。超導(dǎo)材料一般在接近0K的溫度下工作，其電阻率已測(cè)不出。80年代已發(fā)現(xiàn)上千種超導(dǎo)材料，其中有元素類，也有化合物。較為實(shí)用的是Nb3Sn、Nb3Al 等。 1986年發(fā)現(xiàn)的鋇、釔、銅、氧化物陶瓷在液氮溫度(77K)即具有超導(dǎo)性， 這將對(duì)超導(dǎo)電技術(shù)的普及，甚至對(duì)人類文明產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

電導(dǎo)率介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間，約為105~10-7西/米的材料。對(duì)于電子(空穴)電導(dǎo)也可按能帶理論的禁帶寬度來定義,其值約為0.08~3電子伏(也有人認(rèn)為其上限應(yīng)為1.5或2電子伏)。半導(dǎo)體與導(dǎo)體相比，除電導(dǎo)率小外，其電導(dǎo)率隨溫度升高而增大，而導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而下降。

半導(dǎo)體的性質(zhì)隨缺陷和雜質(zhì)含量而顯著變化，所以可利用摻雜來控制其性能。例如硅、鍺中摻入磷、砷、銻等元素可制成電子型(N型)半導(dǎo)體， 摻入硼、鋁、鎵、銦等元素可制成空穴型(P型)半導(dǎo)體。利用 N型和P型的不同組合，可獲得整流和放大作用，在電工中作為電源和控制、調(diào)節(jié)之用。

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對(duì)外界因素極為敏感，在其作用下可觀察到一系列物理現(xiàn)象。例如在不同波長的光照下能產(chǎn)生光電效應(yīng)，這時(shí)電子吸收光能，導(dǎo)致自由載流子濃度增大，從而電導(dǎo)率增大，稱為光電導(dǎo)性。利用這一性質(zhì)，可制成光敏元件。此外，還有熱電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)和隧道效應(yīng)等都可加以利用。

半導(dǎo)體可以按化學(xué)組分分為有機(jī)的和無機(jī)的兩類，主要使用無機(jī)半導(dǎo)體。無機(jī)半導(dǎo)體可進(jìn)一步分為元素型和化合物型。后者按組分元素又可分為二元、三元等發(fā)展迅速。半導(dǎo)體也可按其結(jié)構(gòu)形態(tài)分為結(jié)晶半導(dǎo)體和非晶態(tài)半導(dǎo)體。一般多使用前者，但70年代以來正在大力開發(fā)后者。

電阻率約為 1010歐米以上的材料。實(shí)用中優(yōu)良絕緣材料的電阻率在室溫下都大于1012歐米。通常所用的絕緣材料都含有雜質(zhì)，在工作溫度下的電阻或電導(dǎo)屬離子型。對(duì)于電導(dǎo)屬電子型的絕緣材料，一般認(rèn)為禁帶寬度在2~3電子伏以上。

電介質(zhì)材料的特點(diǎn)是其在電場(chǎng)中能發(fā)生極化。由于電介質(zhì)多數(shù)是優(yōu)良的絕緣材料，兩者經(jīng)常作為同義詞使用。

絕緣材料常按其聚集狀態(tài)而分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。絕緣材料多數(shù)屬于固體。液態(tài)和氣態(tài)絕緣材料一般不能起力學(xué)上的支撐作用，所以較少單獨(dú)使用。

氣體絕緣材料的特點(diǎn)是電導(dǎo)率、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均低，擊穿強(qiáng)度一般比液體和固體絕緣材料也低得多，但擊穿后能自行恢復(fù)絕緣狀態(tài)，具有自愈性。六氟化硫氣體(SF6)具有較高的擊穿強(qiáng)度,廣泛用作封閉式電器的絕緣。

液體絕緣材料一般用來替代空氣，填充電氣設(shè)備中的空間，或浸漬設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)中的孔隙。除了絕緣作用，它還可以起散熱或滅弧作用。在選擇液體絕緣材料時(shí)應(yīng)考慮它在電場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、粘度、閃點(diǎn)、酸值、堿值、雜質(zhì)含量、水含量、熱膨脹系數(shù)以及與其他絕緣和結(jié)構(gòu)材料的相容性等。應(yīng)用最多的液體絕緣材料是礦物絕緣油。為了保證液體材料成分的純凈，發(fā)展多種合成絕緣油，如高溫下使用的硅油以及十二烷基苯等。

固體絕緣材料可以分成天然的和合成的。天然的有棉紗、絲綢、紙、蟲膠、瀝青、礦物油、橡膠、石棉、云母等,在19世紀(jì)已開始用于電工設(shè)備。合成材料,特別是高分子材料，在20世紀(jì)得到迅速發(fā)展。原因在于高分子材料的絕大多數(shù)具有高電阻率，并且高分子材料(包括塑料、合成橡膠和合成纖維等許多品種)能滿足多種使用場(chǎng)合的要求。高分子材料與相應(yīng)的天然材料相比有著更為優(yōu)異的介電性能、力學(xué)性能和耐高溫性能，在絕緣材料中占有重要地位。重要的高分子材料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚酯和不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂，以及聚酰亞胺為代表的芳雜環(huán)高分子材料等。

在無機(jī)絕緣材料方面，也有重大的進(jìn)展。例如，制成了粉云母紙，解決了云母資源的不足;玻璃纖維布的出現(xiàn)，使纖維的耐熱等級(jí)大大提高;陶瓷品種的發(fā)展?jié)M足了高機(jī)械強(qiáng)度、高溫度和高介電常數(shù)的要求。由于超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，低溫電工材料也相應(yīng)取得重大進(jìn)展。低溫電絕緣漆膠和粘合劑，電工薄膜和層壓制品以及低溫?zé)o機(jī)絕緣材料，如玻璃、石英、陶瓷等，都有很大發(fā)展。

電工中應(yīng)用的磁性材料主要有鐵磁性材料和鐵氧體。按其矯頑力可分為軟磁材料和永磁材料兩大類。軟磁材料用于交變磁場(chǎng)，而永磁材料用于靜態(tài)磁場(chǎng)。按材料組成可分成金屬和非金屬兩種。前者有Fe、Co、Ni、Gd及其合金，也可包括稀土類元素,如RCO5,其中 R為稀土元素Sm、Ce和Pr。非鐵磁元素的合金也可以成為鐵磁材料，例如Mn、Cu和Al等。非金屬型材料有鐵氧體，它具有磁疇結(jié)構(gòu)，能自發(fā)磁化而具有鐵磁性。鐵磁性材料具有磁滯回線，在交變磁場(chǎng)中造成損耗，必須設(shè)法降低。交流磁場(chǎng)作用下引起的渦電流，也會(huì)造成損耗。兩種損耗統(tǒng)稱鐵耗，都造成設(shè)備發(fā)熱，這在高頻率下特別突出。鐵氧體的鐵耗在高頻下特別小，成為適用于高頻的磁性材料。

磁性材料的某些特殊性能還可用于特殊場(chǎng)合。例如具有直角磁滯回線的材料可以用作磁記憶材料。某些磁性材料在磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)其幾何尺寸發(fā)生變化，稱為磁致伸縮材料，可用于超聲發(fā)生器和接收器及機(jī)電換能器中，用以測(cè)量海洋深度、探測(cè)材料的缺陷等。

電工材料產(chǎn)品的快速發(fā)展和提高，使電工材料的選擇和應(yīng)用成為一個(gè)

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