- •Ю. А. Манаков материаловедение
- •Методические указания по выполнению семестрового задания
- •Теоретические материалы
- •Тема 1. Основные понятия
- •Теоретический материал
- •1.1. Общие понятия и определения
- •1.2. Классификация материалов
- •1.3. Требования к материалам при их выборе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 2. Строение металлов
- •Теоретический материал
- •2.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2.2. Строение чистых металлов
- •2.3. Кристаллографические направления и индексы
- •Анизотропия
- •2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
- •2.5. Дефекты кристаллического строения
- •2.6. Дислокационный механизм пластической деформации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния
- •Теоретический материал
- •3.1. Строение сплавов
- •3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 4. Строение неметаллических материалов
- •Теоретические материалы
- •4.1. Строение полимеров
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.2. Строение стекол
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.3. Строение керамики
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.4. Композиционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 5. Свойства материалов и их определение
- •Теоретические материалы
- •5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика
- •5.2. Механические (прочностные) свойства материалов
- •5.3. Твердость материала
- •5.4. Теплофизические свойства
- •5.5. Изменение свойств материалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
- •Теоретические материалы
- •6.1. Диффузия
- •6.2. Термическая обработка
- •Виды и операции то
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 7. Металлические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
- •Классификация сталей
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Стали и сплавы с особыми свойствами
- •Сортамент сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы
- •Проволока дкрнм-0,6-кт-л80ам гост 1066-80 –
- •Алюминий и его сплавы
- •Сплавы магния
- •Сплав мл5 гост2856-79. Титан и его сплавы
- •Бериллий и сплавы на его основе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы
- •8.2. Керамика, стекло, ситаллы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Темы 9,10,11. Электротехнические материалы
- •Теоретические материалы
- •9.1. Энергетические зоны твердого тела
- •9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности
- •Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
- •Классификация и характеристика проводниковых материалов
- •9.3. Полупроводниковые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 10. Диэлектрические материалы
- •Теоретические материалы
- •10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков
- •10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды
- •.Влияние температуры и частоты на поляризацию
- •10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
- •10.4. Диэлектрические потери
- •10.5. Электрическая прочность диэлектриков
- •10.6. Нагревостойкость диэлектриков
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 11. Магнитные материалы
- •Теоретические материалы
- •11.1. Общие положения
- •11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика
- •Магнитомягкие материалы
- •Магнитотвердые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности
- •Теоретические материалы
- •12.1. Точность размеров
- •12.2. Шероховатость поверхности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Содержание
10.5. Электрическая прочность диэлектриков
Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквозной ток через диэлектрик резко возрастет, а сопротивление диэлектрика уменьшится настолько, что произойдет короткое замыкание электродов, и образуется сквозной канал проводимости. Это явление называется пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя Uпр называется пробивным напряжением. Способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях высокой напряженности называют электрической прочностью, обозначают Епр и оценивают как Епр = Uпр/h, где h – толщина диэлектрика. Измеряют Епр в вольтах на метр, на практике принято оценивать электрическую прочность в кВ/м, причем1МВ/м=1кВ/мм. Если произошел пробой диэлектрика, то при повторной подаче напряжения повторный пробой произойдет при горазда меньшем напряжении Uпр – при первом пробое диэлектрик потерял свои изоляционные свойства.
Электрическая прочность зависит от природы материала толщины диэлектрика, условий теплоотвода, влажности, температуры и другие. факторов. Работоспособность материала диэлектрика определяют различные виды (механизмы) пробоя.
Электрический пробой. Под действием сильного электрического поля в диэлектрике электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и происходит лавинообразный процесс ударной ионизации частиц диэлектрика с образованием большого количества носителей заряда, большого тока, и как следствие этого –разрушение диэлектрика. Электрический пробой протекает практически мгновенно, в течение 10-8…10-5с. При нем электрическая прочность имеет большее значение, чем при других видах пробоя, и не зависит от толщины. У твердых диэлектриков при нормальных условиях Епр ~ 1000 МВ/м. Для сравнения: для воздуха Епр ~ 3 МВ/м; для масел – Епр ~ 10 МВ/м; для воды ~0,1МВ/м.
Тепловой (электротепловой) пробой. Обусловлен экспоненциальным ростом электронной проводимости диэлектрика при возрастании температуры и нарастающим выделением теплоты под действием диэлектрических потерь и потерь от токов сквозной проводимости. Он возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, отводимой в окружающую среду. Если выделяется теплоты больше, чем отводится, то диэлектрик нагревается, и температура может достичь значения, при которой происходит пробой диэлектрика. При тепловом пробое электрическая прочность Епр тем ниже, чем толще диэлектрик, так как при этом ухудшаются условия отвода теплоты. Тепловой пробой развивается в течение времени t ~ 10-3…102 с, горазда медленнее электрического, Епр ~ 0,1…1МВ/м.
Поверхностный пробой (перекрытие). Возникает из-за больших поверхностных токов диэлектрика, и переходит в дуговой разряд по среде, окружающей диэлектрик, чаще всего в воздухе. Сильно зависит от влажности, загрязнений поверхности, трещин, шероховатости поверхности. Поэтому электрическая прочность при этом виде пробоя мала, Епр ~ 0,1 МВ/м.
Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен этот вид пробоя медленным изменением химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля и частичных разрядов в диэлектрике или окружающей среде. Изменения в диэлектрике связаны с процессами электролиза, электрической миграции, переноса ионов, что приводит к изменению состава и старению диэлектрика. Электрхимический пробой по этой причине возникает после длительной эксплуатации диэлектрика, находящего в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Время развития электрохимического пробоя (его называют еще временем жизни τж диэлектрика) может достигать ~ 103…108с.
Существует и другие виды пробоя: ионизационный, электромеханический, электротермомеханический [5].