电概导电材料.pptx
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1、电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.1 导电材料概述及分类导电材料概述及分类一、定义一、定义 电阻率在10-710-4m的材料二、种类二、种类 金属,酸、碱、盐的溶液、熔体,石墨,某些有机物(聚乙炔、聚苯胺等),超导体三、应用三、应用 高电导率用于传输电流(电缆线芯、电机绕组)高电阻率将电能转换成其它能量2024/3/26 周二1电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论典型材料的电导率典型材料的电导率导电类型导电类型材料类型材料类型导电率导电率/-1m-1离子导电离子导电离子晶体离子晶体10-1610-2快离子导体快离子导体10-1103强(液)电解质强(液)电解质10-110
2、3电子导电电子导电金属金属103107半导体半导体10-3104绝缘体绝缘体10-104.1 4.1 导电材料基本性质导电材料基本性质电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 导电材料按导电机理可分为电子导电材料电子导电材料电子导电材料电子导电材料和离子导电材料离子导电材料离子导电材料离子导电材料 两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率导体的电导率导体的电导率导体的电导率101010105 5 5 5 S/m S/m S/m S/m,超导体的电导率为无限大(在,超导体的电导率为无限大(在,超导体的电导率为无限大(在,超导体的电导率为无限大(在温度小于临界温度时),半导体
3、的电导率为温度小于临界温度时),半导体的电导率为温度小于临界温度时),半导体的电导率为温度小于临界温度时),半导体的电导率为10101010-7-7-7-7101010104 4 4 4 S/m S/m S/m S/m;当材料的电导率小于当材料的电导率小于当材料的电导率小于当材料的电导率小于10101010-7-7-7-7S/mS/mS/mS/m时,就认为该材料基本上不能导时,就认为该材料基本上不能导时,就认为该材料基本上不能导时,就认为该材料基本上不能导电,而称为绝缘体。电,而称为绝缘体。电,而称为绝缘体。电,而称为绝缘体。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论电
4、气材料与电力设备概论导电氟橡胶导电氟橡胶导电氟胶座导电氟胶座导电尼龙导电尼龙导电导电ABS导电胶带导电胶带电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.2.1 4.2.1 导电特性导电特性 金属如何具有导电性?金属中的金属键(金属阳离子和自由电子)金属键的键能低,原子核对电子束缚小 电场作用下自由电子的定向迁移,并由于电 子碰撞晶格而发热 温度升高,电子热运动加剧,难以定向,电阻率升高 温度降低?2024/3/26 周二6经典经典电子理电子理论论电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 电子在金属内的运动用波动力学解释 电子沿金属的晶格传播,晶格骨架是障碍 电子波传递能量,晶格振动使金属
5、发热 温度升高:晶格振动加剧,破坏晶格的规整性电子 波的传播阻碍加大,电阻率升高,合金电阻率高 温度降低:晶格振动减弱,对电子波的阻碍减小 T0时,出现超导现象 T=0时,合金和有缺陷的金属仍有电阻2024/3/26 周二7量子力学量子力学观点观点电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素温度 其中,0,受t0影响合金元素 溶质原子,溶剂原子,导致晶格畸变,引起电子散射,电阻率增加2024/3/26 周二8电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论导体电阻率公式导体电阻率公式 电阻率公式可写为:i取决于晶格缺陷的多少,缺陷越多,i越大,一般与温度无
6、关;T取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高,这是导体的一个特征。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论102024/3/26 周二 杂质引起电子散射 冷变形弹性变形,塑性变形 热处理退火,减少晶格缺陷 表面状态污染、氧化、水分、腐蚀等4.2.2 4.2.2 导热性导热性 金属中有原子传热、电子也参与热量传递,所以一般导电率高的金属导热率也高。影响金属导电性的因素,都对导热性有影响。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论接触电位差和热电势接触电位差和热电势产生原因产生原因:不同金属的自由电子浓度不同,接触时电子向低浓度区扩散,则因得到和失去电子而形成电位差。0.1几伏,因所处
7、的温度而不同。2024/3/26 周二11电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论热电势热电势5.5.抗拉强度和伸长率抗拉强度和伸长率 退火抗拉强度低,伸长率高 未退火抗拉强度高,伸长率低2024/3/26 周二12电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3 4.3 常用的导电材料常用的导电材料4.3.1 铜及铜合金1.铜的优点 导电性好:AgCuAuAlMg 导热性好:AuAgCu 化学稳定性高,抗腐蚀:潮湿的空气中其表面可生成 Cu2(OH)2CO3,耐海水腐蚀2024/3/26 周二13电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论142024/3/26 周二 无磁性,反磁物质
8、:电磁屏蔽 机械性能较好:纯铜抗拉强度是245315 MPa 塑性好:延展性好,易加工,易焊接 来源可靠,冶炼技术发达:天然单质铜、铜矿石(黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石)电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论2.2.铜的性质和影响因素铜的性质和影响因素 电阻率:0.017241 mm2/m 密度:8.9 g/cm3 电导率的相对值电导率的相对值:IEC规定在20度时比重为8.89,长1米,截面积为1mm2,电阻为0.017241(1/58 S),电阻温度系数为0.00393的退火软铜,电导率为100%IACS。电线电缆的导体选用铜含量高于99.90%的纯铜,国际上广泛采用电导率
9、为102%IACS的无氧铜。2024/3/26 周二15电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论162024/3/26 周二 杂质对铜的影响 电导率:P、As、Al、Fe等 机械性能:能溶解于铜,提高强度Ag、Cd、Zn、Ni 不溶解于铜,使铜变脆Bi、Pb、O 退火 一般在400400以上以上,与铜的成分有关(58020)。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论有助于设计导体的主要物理性能如下表所示有助于设计导体的主要物理性能如下表所示 物理性能铜密度8,9电阻率(mWcm)1,7241导电率(%IACS)100电阻温度系数(K-1)0,0039导热系数(W/m.K)400线性膨胀
10、系数(K-1)17x10-6拉应力(退火)(MPa)220/290拉应力(硬)(MPa)350/450弹性模量(MPa)120000硬度(退火)50硬度(硬)110电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论3.3.铜合金铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。银铜合金有良好的导电性、流动性和浸润性、较好的机械性能、耐磨性和抗熔焊性 镉铜合金1%的镉,冷拉后具有较高的抗拉 强度,制造大跨度架空导线、高强度绝缘导线、滑接导线 锌铜合金黄铜,提高强度 稀土铜合金加入钇,使晶粒细化、改善工艺 性能,提高导电性和机械强度,可与银铜合金媲美2024/3/26 周二18电气材料与电力设备概论
11、电气材料与电力设备概论4.4.铜和铜合金的应用铜和铜合金的应用 电力输送电力输送 电线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器中传导电流。与铝相比,具有导电性和尺寸上的优点。2024/3/26 周二19电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论202024/3/26 周二 电机制造电机制造 广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中,绕组要用水或氢气冷却,称为双水内冷或氢气冷却电机,这就需要大长度的中空导线。电机内部的能量消耗,主要来源于绕组的电阻损耗;因此,增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论2120
12、24/3/26 周二 通讯电缆 把电能转化为光能,以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着人们对通讯的依赖越来越大,对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。住宅电气线路 电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 电真空器件电真空器件 高频和超高频发射管、波导管、磁控管等,需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。印刷电路印刷电路以铜箔为表面,粘贴在作为支撑的塑料板上,用照相的办法把电路布线图印制在铜版上,通过浸蚀把多余的部分去掉留下相互连接的电路。然后,把分立元件的接头或其它部分的终端焊接在电路上。2024/3/26 周二22电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论232024/3/26 周二
13、集成电路集成电路微电子技术的核心是集成电路。以半导体晶体材料为基片(芯片),将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上。用铜的新型微芯片,可以获得30%的效能增益,电路的线尺寸可以减小到0.12微米,可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。半导体集成电路的发展,为铜的应用开拓了新领域。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3.2 4.3.2 铝和铝合金铝和铝合金 地壳中含量最丰富的金属元素(8.15%),价格便宜。用途:纯铝大量用于电缆架空输电线用钢芯铝绞线、母线、铝护套、电容器中的铝箔电极等特点:电导率高,0.029 mm2/m,比重小,重量轻:2.7 g/c
14、m3 导电能力约为铜的2/3,密度为铜的1/3,等质量和等长度的铝线 和铜线相比,铝的导电能力约为铜的二倍,且价低。耐热性好 耐腐蚀性好,Al2O3膜保护 抗拉强度低,7095MPa 不易焊接2024/3/26 周二24电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论对于设计导体有用的物理性能如下表所示对于设计导体有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能铝铝 密度密度2,7 电阻率电阻率(mmcm)2,826 导电率导电率(%IACS)61 电阻温度系数电阻温度系数(K-1)0,004 导热系数导热系数(W/m.K)220 线性膨胀系数线性膨胀系数(K-1)23x10-6 拉应力(退火)拉应力(
15、退火)(MPa)60/80 拉应力(硬)拉应力(硬)(MPa)150/200 弹性模量弹性模量(MPa)66000 硬度(退火)硬度(退火)20 硬度(硬)硬度(硬)40电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 铝合金 铝镁合金:(中强度)主要元素是铝,再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。质坚量轻、散热性较好、抗压性较强,其硬度是传统塑料的数倍,但重量仅为后者的三分之一。铝镁硅合金:(高强度)用作架空线。氧化铝 化学性质稳定,绝缘性能优良 机械强度高,耐高温2024/3/26 周二26电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3.3.4.3.3.特殊导电材料特殊导电材料一、
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