Bài giảng vật liệu điện

Mẫu vật liệu cách điện để trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ nhất định của môi trường xung quanh sau 1 thời gian dài không hạn định sẽ đạt đến 1 trạng thái cân bằng độ ẩm nào đó.. Việc tẩ

Chương 1 VẬT LIỆU CƠ KHÍ

1.1 Khái niệm về kim loại

Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền vững cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng

Tính chất cơ bản của kim loại:

- Tính dẻo: là khả năng thay đổi được hình dáng mà không bị phá hủy dưới tác dụng của ngoại lực Khi tác động một lực đủ lớn lên miếng kim loại nó

bị biến dạng Sự biến dạng này là do các cation trong kim loại trượt lên nhau nhưng không rời nhau vì giữa chúng có lực liên kết tĩnh điện giữa các electron

tự do và các cation trong mạng kim loại

- Tính dẫn điện: là khả năng dẫn điện của kim loại Khi nhiệt độ kim loại càng cao thì tính dẫn điện càng kém Những kim loại khác nhau thì tính dẫn điện cũng khác nhau chủ yếu là do mật độ các electron tự do của chúng không giống nhau

- Tính dẫn nhiệt: là khả năng truyền nhiệt của kim loại khi đốt nóng và khi làm nguội

- Có ánh kim: Hầu hết kim loại đều có ánh kim, sở dĩ kim loại có ánh kim

là vì trong kim loại có các electron tự do đã phản xạ tốt những tia sáng có bước sóng mà mắt ta có thể nhìn thấy

1.2 Khái niệm về hợp kim

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết (luyện kim bột) của hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để tạo ra một vật liệu mới có các tính chất của kim loại

Ví dụ: thép, gang là hợp kim của sắt, cacbon và một số nguyên tố khác; đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm

Tính chất của hợp kim: hợp kim cũng có các tính chất cơ bản như kim loại đó là tính dẻo, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

1.3 Kim loại đen và hợp kim đen

1.3.1 Sắt

a Đặc điểm, tính chất

- Khối lượng riêng:  = 7,86 g/cm3

- Sắt được tìm thấy trong thiên nhiên ở dạng quặng từ (Fe3O4, FeO,

Fe2O3), limônít (2Fe2O3.H2O), xiđêrít (FeCO3), pirít (FeS2)

- Sắt rất khó tồn tại ở dạng nguyên chất Sắt hóa học tinh khiết (99,7 -:- 99,9%) sẽ thu được thông qua phương pháp hóa học hoặc thông qua điện phân

và thực tế không được sử dụng trong kỹ thuật

- Sắt nguyên chất là kim loại có màu trắng bạc, nó là một kim loại dẻo nhưng độ bền không cao

- Nặng, khó dát mỏng, khó gia công, khó biến dạng hơn so với đồng và nhôm

- Điện trở suất của sắt tăng theo hàm lượng tạp chất có trong sắt như: Si,

P, Al, Ni, As, C

b Công dụng

- Dùng làm dây dẫn điện và thanh góp với dòng điện một chiều

- Làm dây tóc trong các bóng đèn hay sử dụng làm điện trở

- Sắt tinh khiết được sử dụng để chế tạo các điện cực Anod ở các chỉnh lưu với bể thủy ngân

- Sắt còn được sử dụng làm các chi tiết động trong chân không được điều khiển bằng từ tính

- Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ dòn cao, khả năng chịu kéo kém

- Có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng cao nên dễ đúc

- Dễ cắt gọt, độ cứng thấp, phôi dễ gãy vụn, không rèn được

- Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit tồn tại như những

lỗ hổng có sẵn trong gang làm tăng khả năng chống mài mòn và khử cộng

hưởng

b Công dụng

Nhờ có tính đúc tốt, dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản và rẻ hơn thép nên các loại gang Graphit dùng rất nhiều trong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít va đập như bệ máy, vỏ máy

c Các loại gang

 Gang trắng

- Thành phần C từ 3,5-:-4,3%, Mn (0,5-:-0,8%), Si (0,5-:-3%), P 0,4%), S (0,12-:-0,2%); trên mặt gãy của gang có màu sáng trắng

(0,15-: Tồn tại ở dạng Fe3C, gang rất cứng và dòn nên không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao

- Độ dẻo, độ bền thấp song khả năng chịu mài mòn tốt

- Phương pháp chế tạo đơn giản, giá thành rẻ

- Công dụng: sử dụng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt, làm việc trong môi trường chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu Ngoài ra còn dùng để sản xuất thép, một phần dùng để ủ thành gang dẻo

 Gang xám

- Thành phần C từ 2,8-:-3,2%; trên mặt gãy của gang có màu xám

- Độ bền, độ cứng thấp hơn gang trắng rất nhiều

- Khả năng chịu nén gần bằng thép

- Không chịu biến dạng và va đập, phôi dễ gãy vụn

- Có khả năng khử cộng hưởng, tự bôi trơn tốt, hệ số ma sát nhỏ

- Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có kích thước lơn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập như: thân máy, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải nhỏ

 Gang biến tính

- Thực chất là gang xám có tấm Graphit thu nhỏ nhờ có thêm chất biến tính vào thành phần của gang trước khi kết tinh

- Có độ bền cao hơn gang xám

- Dùng để chế tạo các chi tiết quan trọng như: mâm cặp bánh tiện, băng trượt của máy

 Gang dẻo

- Thành phần C từ 2,2-:-2,8%, Mn (<1%), Si (0,8-:-1,4%), P (≤0,2%), S (≤0,1%)

- Do graphit tập trung đều, gọn hơn nên có độ dẻo cao và độ bền hon gang xám

- Dùng để chế tạo các chi tiết máy có hình dạng phức tạp, thành mỏng, chịu va đập

 Gang cầu

- Thành phần C từ 3,2-:-3,6%, Mn (0,5-:-1%), Si (2-:-3%), P (≤0,15%), S (≤0,35%)

- Có độ dẻo dai, cấu trúc bền chặt

- Vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép

- Dùng để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như: trục cán, thân tua-bin hơi, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác

- Độ bền, độ dẻo, độ đàn hồi, khả năng chịu va đập tốt hơn gang

- Tính biến dạng tốt, dể gia công, cắt gọt

- Dễ hóa bền bằng nhiệt luyện

- Dễ hàn nhưng khó đúc hơn gang

b Thép cacbon

 Thép cacbon kết cấu chất lượng thường (thép xây dựng)

 Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt (thép kết cấu)

- Thành phần C từ 0,8-:-0,85% Ngoài ra còn một lượng tạp chất nhỏ như:

- Công dụng: dùng để chế tạo các chi tiết máy làm việc với tải trọng thấp

và trung bình, yêu cầu độ chính xác không cao

Theo tiêu chuẩn Việt Nam: CDx với x chỉ %C tính theo phần vạn Chữ

A ở cuối chỉ thép có chất lượng tốt Ví dụ: thép CD80 có C = 0,8%

Công dụng: dùng để chế tạo dụng cụ cắt với tốc độ cắt thấp và trung bình như: giũa, ta rô, bàn ren, đục nguội Ngoài ra còn làm dụng cụ đo kiểm yêu cầu độ chính xác không cao

1.3.4 Thép hợp kim

a Khái niệm

- Thép hợp kim là loại thép ngoài Fe, C và các tạp chất, người ta còn đưa vào các nguyên tố đặc biệt với hàm lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức cấu trúc và tính chất của thép

- Các nguyên tố hợp kim thường dùng là: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti

b Tính chất

- Có độ bền cao hơn hẳn thép cacbon

- Khả năng chịu nhiệt hơn 200oC

- ít bị hoen gỉ và ăn mòn trong không khí, trong các môi trường axit, bazơ, muối Đặc biệt có tính chất từ tính, dãn nở nhiệt, điện trở cao

c Phân loại, công dụng

- Thép hợp kim kết cấu: C = 0,1-:- 0,65% Ngoài ra còn có Cr, Ni, Mn, Si với hàm lượng <5% Được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng trung bình và cao như trục truyền, bánh răng

- Thép hợp kim dụng cụ: C = 0,8-:-1,4% Ngoài ra còn có các nguyên tố hợp kim khác như Cr, Ni, Mn, Si, V, Ti Được dùng làm dụng cụ cắt với tốc độ cắt thấp như: đục nguội, giũa, mũi khoan, khoét hay dùng làm khuôn dập nóng, dập nguội

- Ngoài ra còn có các loại thép có công dụng riêng như thép lò xo, thép ổ lăn, thép không gỉ

1.4 Kim loại màu và hợp kim màu

1.4.1 Đồng và hợp kim đồng

a Đồng

- Khối lượng riêng:  = 8,9 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: t0 = 10830C

- Có độ dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao Điện trở suất nhỏ (chỉ có bạc có điện trở suất nhỏ hơn đồng 1 ít)

- Độ bền cơ tương đối cao, độ dẻo cao, có tính chống ăn mòn của khí quyển tốt (chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao)

- Dễ gia công: Có thể cán thành tấm, thanh, kéo thành sợi nhỏ Khả năng hàn gắn dễ dàng

- Dùng để sản xuất dây điện, tiếp điểm, bộ tản nhiệt…

+ Mn: làm tăng cơ tính và tăng khả năng chống ăn mòn

+ Thiếc: làm tăng sức bền cơ và tạo sự vững bền đối với sự ăn mòn nhất

- Là hợp kim của đồng với 1 lượng nhỏ thiếc, Si, P, Mg, Cr

- Có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết; dễ đúc, dễ gia công cắt gọt, chịu nhiệt tốt, hệ số ma sát nhỏ

- Công dụng: được dùng làm ổ trượt, vòng cổ góp, lò xo dẫn điện trong các cơ cấu đo lường, đúc các chi tiết chịu mài mòn

1.4.2 Nhôm và hợp kim nhôm

a Nhôm

- Khối lượng riêng:  = 2,7 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: t0 = 6600C

- Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng Hệ số nhiệt độ giãn

nở dài của nhôm lớn hơn đồng Nhưng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng như các đặc tính điện

- Giá thành thấp, dễ dát mỏng, dễ gia công, dễ biến dạng khi va chạm

- So với đồng thì điện trở dây nhôm lớn hơn, khó hàn và dễ bị ăn mòn hơn

- Công dụng: làm dây dẫn điện, làm các chi tiết máy, khí cụ điện, tụ điện, một số cơ cấu đo như mặt thang đo của các đồng hồ đo lường

b Hợp kim nhôm

 Hợp kim nhôm biến dạng

- Có thể phân biệt thành loại có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và loại

không hoá bền bằng nhiệt luyện

- Hợp kim nhôm biến dạng không thể hoá bền bằng nhiệt luyện như hợp kim nhôm và Mn, hay hợp kim nhôm và Mg

- Hợp kim nhôm biến dạng có thể hoá bền bằng nhiệt luyện, thành phần gồm Al - Cu - Mg (Cu ≤ 4%, Mg = 1%) Ngoài ra còn có một lượng nhỏ Mn, Si,

Fe Hợp kim nhôm biến dạng dược sử dụng trong công nghiệp chế tạo máy bay

Ví dụ: sắt thép để lâu ngày không bảo quản tốt sẽ bị gỉ

- Phần lớn các kim loại và hợp kim khi ta dùng nhiệt lượng để tách chúng khỏi quặng, chúng ở trạng thái kém ổn định về năng lượng và như vậy luôn có

xu hướng chuyển sang trạng thái bị oxy hóa

1.5.2 Phân loại

Theo cơ chế ăn mòn ta có:

- Ăn mòn hóa học

- Ăn mòn điện hóa

- Fretting (ăn mòn - mài mòn): ăn mòn xảy ra đồng thời với sự ăn mòn cơ học giữa hai bề mặt dưới tác dụng của tải trọng trong môi trường ăn mòn Ví dụ: trục và ổ trục

Ngoài ra theo đặc tính nơi xảy ra ăn mòn, người ta còn phân ra: ăn mòn điểm, ăn mòn cấu trúc, ăn mòn chọn lọc

b Đặc điểm

- Không phát sinh dòng điện

- Nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhanh

- Xảy ra với những thiết bị tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao

+ Giàu hyđrô: hyđrô có sẵn trong thép hoặc khuếch tán từ môi trường ngoài vào, tụ tập ở một số nơi như các chỗ khuyết tật tạo ra áp suất lớn vượt quá giới hạn bền hoặc làm giảm lực liên kết giữa các hạt dẫn đến bị phá hủy

- Ăn mòn vanadi: khi đốt dầu, dầu ma zút có chứa vanadi tạo ra V2O5 làm giảm nhiệt độ tan của các ôxit nên làm tăng tốc độ ăn mòn của sắt, thép

1.5.4 Ăn mòn điện hóa

a Khái niệm

Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại do kim loại tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất điện ly tạo nên dòng điện

b Đặc điểm

- Là một quá trình ôxy hóa khử xảy ra trên bề mặt điện cực, ở cực âm xảy

ra quá trình ôxy hóa kim loại, ở cực dương xảy ra quá trình khử các ion H+

- Là dạng ăn mòn phổ biến và nghiêm trọng nhất, thường xảy ra đối với

vỏ tàu biển, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại tiếp xúc với không khí ẩm

c Các dạng ăn mòn điện hóa

 Ăn mòn trong khí quyển

Khí quyển có chứa hơi nước và một số tác nhân gây ăn mòn: SO2, Cl, một

số khí khác đọng trên bề mặt kim loại gây ra ăn mòn Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn là độ ẩm của khí quyển, nhiệt độ của bề mặt kim loại, lượng tạp chất trong không khí

Trong trường hợp nhiệt độ và độ ẩm đủ cho quá trình ăn mòn nhưng

lượng SO2, NaCl nhỏ thì tốc độ ăn mòn không đáng kể Trong vùng khí quyển công nghiệp, tốc độ ăn mòn thường cao gấp 4 lần so với vùng khí quyển sạch,

đó là do sự có mặt của SO2 do đốt dầu, than, khí gas

 Ăn mòn trong môi trường nước

Ôxy xâm nhập từ khí quyển vào tạo ra các vùng có nồng độ ôxy lớn

(catôt), vùng giữa có nồng độ ôxy thấp hơn (anôt) và bị ăn mòn

 Ăn mòn điểm

Ăn mòn xảy ra ở vị trí từng điểm Dạng ăn mòn này thường xảy ra đối với các vật liệu sử dụng trong trạng thái thụ động, một số chất có thể phá hủy tính thụ động của kim loại như Cl Ăn mòn điểm thường tồn tại ở thép không gỉ và nhôm ở môi trường có chứa Cl

Ngoài ra còn một số loại ăn mòn khác như ăn mòn cấu trúc, fretting

1.5.5 Bảo vệ chống ăn mòn

a Nguyên lý chung

Dựa vào những hiểu biết cơ bản về cơ chế và tác động quá trình ăn mòn

để chống ăn mòn hoặc ít nhất là làm chậm quá trình ăn mòn Nhìn chung bảo vệ chống ăn mòn có thể được chia thành các phương pháp sau:

- Lựa chọn vật liệu kết cấu thích hợp hoặc điều chỉnh thành phần của chúng sao cho thỏa mãn các điều kiện đã cho

- Sửa thiết kế các chi tiết sao cho tốc độ ăn mòn giảm xuống mức có thể chấp nhận được

- Trong một số trường hợp có thể sử dụng phương pháp điện hóa

- Lựa chọn lớp bảo vệ có đủ độ dày và có khả năng bảo vệ đảm bảo cho tuổi thọ của thiết bị

b Dùng vật liệu phủ bề mặt

Dùng lớp phủ để cách ly bề mặt kim loại với môi trường ăn mòn Lớp ngăn cách thường dùng vật liệu bền trong môi trường ăn mòn Có thể phủ kín bề mặt như phủ một lớp không thấm nước: lớp phủ kim loại, thủy tinh, tráng men, chất dẻo hoặc phủ lớp ít lỗ hở, tiêu biểu là sơn

 Phương pháp phủ kim loại

Là phương pháp phủ một lớp kim loại không bị ăn mòn hoặc ít bị ăn mòn lên bề mặt các chi tiết cần được bảo vệ

- Phương pháp nóng chảy: nung nóng chảy kim loại (thường là thiếc, chì, hoặc kẽm) rồi nhúng chi tiết vào dung dịch nóng chảy đó để tạo lớp bảo vệ

- Phương pháp mạ: chi tiết được treo vào cực catôt (cực âm) còn cực anôt

là một tấm kim loại dùng để phủ; tất cả được nhúng trong dịch dịch mạ điện

- Phun một lớp kim loại bảo vệ: phun đắp lên chi tiết một lớp kim loại nóng chảy bằng cách lắp dây kim loại bảo vệ vào một súng phun Dây kim loại được đốt nóng bằng khí nóng hoặc bằng điện, dưới tác dụng của nhiệt các hạt kim loại nóng chảy sẽ phun vào bề mặt chi tiết bằng luồng không khí nén có áp suất cao và bám vào bề mặt chi tiết

- Cán dính một lớp kim loại bảo vệ: thường dùng cho tấm kim loại bằng cách cán dính trên bề mặt tấm cần bảo vệ một lớp kim loại bảo vệ mỏng như: chì, nhôm, niken

 Phủ một lớp vật liệu phi kim loại

- Sơn: là phương pháp công nghệ bảo vệ kim loại được sử dụng rộng rãi nhất Ngoài mục đích bảo vệ kim loại còn có tác dụng trang trí làm đẹp cho sản phẩm

- Êmay: Nhúng chi tiết vào dung dịch êmay nóng chảy ở nhiệt độ

1200-:-13000C rồi làm nguội Về tính chất hóa học và lý học có thể coi êmay như dạng Silicat không hòa tan (thủy tinh) Êmay có khả năng chịu ăn mòn cao trong môi trường ăn mòn như nước, muối, axit

- Bôi dầu mỡ: chủ yếu là cho các dụng cụ, vật liệu, thiết bị xếp trong kho lâu ngày

- Phủ chất dẻo: thường dùng cao su, êbônit phủ lên bề mặt kim loại của các chi tiết trong ngành hóa học để bảo vệ các mặt trong thùng chứa khí, vận chuyển axit

 Phương pháp dùng lớp phủ bằng bê tông

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi cho các công trình biển như giàn khoan, đường ống

(700-:-c Chống ăn mòn bằng bảo vệ Catôt

Một trong những phương pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn hữu hiệu nhất là bảo vệ catôt, nó có thể được sử dụng cho mọi dạng ăn mòn

Bảo vệ catôt đơn giản là từ các nguồn ngoài cấp các điện tử cho kim loại cần bảo vệ, biến nó thành catôt

Một trong những kỹ thuật bảo vệ catôt là áp dụng cặp Galvanic: kim loại cần bảo vệ được nối điện với một kim loại khác hoạt động mạnh hơn trong môi trường đó Kim loại sau khi bị ôxy hóa, nhường điện tử và bảo vệ kim loại đầu khỏi bị ăn mòn Kim loại bị ôxy hóa thường được gọi là anôt nhường điện tử và thông thường người ta thường sử dụng Zn và Mg Nguyên lý bảo vệ này áp dụng với những vật chôn trong đất ẩm

Một trong những phương pháp bảo vệ catôt khác là dùng nguồn cấp điện

tử, là dòng điện áp từ nguồn 1 chiều ngoài Cực âm của nguồn được nối với kết cấu càn bảo vệ, cực còn lại được nối với anôt trơ và được chôn trong đất Bảo vệ catôt rất hiệu nghiệm đối với các bể chôn ngầm, đường ống và các công trình biển

Chương 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

2.1 Tính chất cơ bản của vật liệu cách điện

2.1.1 Tính hút ẩm

Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều hút ẩm, tức là có khả năng hút vào trong nó hơi ẩm từ môi trường xung quanh và thấm ẩm, tức là có khả năng cho hơi nước xuyên qua

Mẫu vật liệu cách điện để trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ nhất định của môi trường xung quanh sau 1 thời gian dài không hạn định sẽ đạt đến 1 trạng thái cân bằng độ ẩm nào đó Hình vẽ biểu diễn sự biến đổi độ ẩm của mẫu vật liệu  khi hút ẩm và khi sấy khô

Nếu mẫu vật liệu tương đối khô thì nó sẽ hút ẩm của môi trường và độ ẩm tăng dần cho đến khi cân bằng độ ẩm của môi trường Nếu mẫu vật liệu có độ

ẩm lớn hơn độ ẩm cb thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị cb

Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện rất quan trọng vì với các vật liệu hút ẩm mạnh, nó cho phép tính chính xác khối lượng của vật liệu Nó cho phép lựa chọn những điều kiện thử nghiệm các tính chất điện của mẫu vật liệu

Cấu tạo và bản chất hoá học có ảnh hưởng quyết định đến tính hút ẩm của vật liệu: Các vật liệu xốp nhiều, đặc biệt là các vật liệu sợi, hút ẩm mạnh hơn vật liệu cấu tạo đặc

Độ hút ẩm của vật liệu cũng không phản ánh hoàn toàn mức độ biến đổi tính chất điện của vật liệu cách điện khi bị ẩm

Nếu hơi ẩm hút vào có khả năng tạo nên sợi và màng ẩm liên tục nối liền giữa các điện cực thì chỉ cẩn 1 lượng hơi ẩm rất nhỏ hút vào cũng làm cho tính chất điện xấu đi rất nhiều Nếu hơi ẩm phân bố theo thể tích vật liệu dưới dạng

tạp chất nhỏ riêng biệt không nối với nhau thì ảnh hưởng của hơi ẩm đến tính chất điện của vật liệu ít hơn

Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp người ta dùng biện pháp tẩm Việc tẩm chỉ làm sự hút ẩm của vật liệu cách điện chậm lại bởi các phân tử của chất tẩm có kích thước rất lớn so với kích thước phân tử nước nên không có khả năng bịt kín các lỗ xốp được, còn với các lỗ nhỏ nhất của vật liệu thì các phân tử chất tẩm lại không chui vào được.để khắc phục vấn

đề này người ta dùng phương pháp tẩm sấy chân không

Ở các điện môi hữu cơ thường có nấm mốc phát triển và huỷ hoại Nấm mốc làm xấu điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó Để chống nấm mốc người ta thêm vào thành phần của các vật liệu cách điện hữu cơ chất

Fungixit hoặc phủ lên chấtcách điện lớp sơn chứa Fungixit

2.1.2 Tính cơ học

Các chi tiết bằng vật liệu cách điện luôn luôn chịu tác động của phụ tải cơ học nên độ bền cơ của vật liệu và khả năng không bị biến dạng bởi các lực cơ học có ý nghĩa thực tế lớn

- Độ bền kéo, nén, uốn: trong các điện môi thì các tham số này khác nhau rất nhiều Độ bền phụ thuộc rất nhiều vào tiết diện của mẫu vật liệu Ví dụ: đối với sợi thủy tinh khi đường kính giảm thì độ bền cơ học tăng Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thường giảm khi nhiệt độ tăng Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm

- Tính giòn: biểu thị khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các tải cơ học động Nhiều vật liệu giòn tức là trong khi có độ bền tương đối cao đối với phụ tải tĩnh thì lại bị phá huỷ bởi các lực động (bất ngờ đặt vào)

- Độ cứng: Là khả năng lớp bề mặt vật liệu chống lại biến dạng do lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ hơn

- Độ nhớt: Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng như: dầu, sơn, hỗn hợp các chất tráng, tẩm

2.1.3 Tính chịu nhiệt

Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu đựng không bị hư hại trong 1 thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

Đối với điện môi vô cơ: Độ bền chịu nóng được xác định tại thời điểm điện môi bắt đầu có sự thay đổi tính chất điện Nó được đánh giá bằng trị số nhiệt độ (0

C) tại thời điểm xuất hiện sự biến đổi này

Đối với điện môi hữu cơ: Độ bền chịu nóng xác định tại thời điểm điện môi bắt đầu có sự biến đổi về mặt cơ học khi nung nóng điện môi

Khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng trong thực tế Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt độ cho phép nhận được công suất cao hơn khi kích thước không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của thiết bị

Phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng đối với máy điện, máy biến áp và thiết bị (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép)

Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã được ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit ) Loại này thường dùng cho máy điện

Cấp E: là giấy, vải có tẩm nhựa (phenolficmandehit), còn gọi là sơn cách điện có thêm nhựa hoá học Loại này dùng dùng cho các máy điện nhỏ đến trung bình

Cấp B: là những vật liệu có gốc là vô cơ như: mi ca, vải, thuỷ tinh… Loại này dùng cho các máy điện trung bình

Cấp F: gồm các vật liệu như cấp B, nhưng sơn cách điện có pha thêm silicat Thường dùng ở những máy điện có yêu cầu cao

Cấp H: gồm sợi thuỷ tinh luca, among… được tẩm sơn có chất kết dính Loại này thường dung trong những điều kiện khắc nghiệt

Cấp C: gồm những vật liệu như thuỷ tinh, thạch anh, gốm sứ… Loại này

sử dụng trong những điều kiện đặc biệt và nhiệt độ cao

2.1.4 Độ bền điện

Đặc trưng bằng giá trị điện áp lớn nhất đặt vào bề mặt của vật liệu mà vật liệu vẫn đảm bảo được tính cách điện

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện chủ yếu là nhiệt và điện Ngoài ra còn phụ thuộc vào khoảng cách và áp suất Nếu áp suất giảm thì độ bền điện lớn

Tuy nhiên, đối với cách điện của máy điện, cáp điện, máy biến áp, tụ điện… nếu quá trình tẩm không cẩn thận thì sẽ có bọt khí bên trong Những bọt khí này sẽ làm giảm chất lượng cách điện vì khi cách điện làm việc dưới điện áp cao hay điện trường lớn thì các bọt khí sẽ thành những ổ phát sinh vầng quang, phát sinh ra nhiệt

2.2.2 Nitơ

Có đặc tính điện gần giống không khí, hơn nữa lại không chứa ôxy là chất

có thể gây ôxy hóa kim loại tiếp xúc nên đôi khi được dùng thay cho không khí

để lấp đầy tụ điện khí hay các thiết bị khác

2.2.3 Êlêga (SF6)

Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần Nó không độc, chịu được tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC Đặc biệt ở áp suất cao êlêga có những ưu điểm rất lớn Chỉ 1 lượng nhỏ êlêga lẫn vào không khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó được ứng dụng vào 1 số thiết bị điện cao áp

2.2.4 Hyđrô

Hyđrô (H2) là 1 chất khí nhẹ có độ bền điện kém hơn không khí khoảng 0,6 lần Người ta dùng hyđrô làm mát thay không khí trong các máy điện và thiết bị điện sẽ giảm được tổn hao do ma sát của các bộ phận quay với chất khí

và do quạt gió gây ra

Do không có tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng hyđrô làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện Do vậy dùng hyđrô làm mát cho phép tăng công suất và hiệu suất của máy điện, người ta chế

tạo các máy phát nhiệt điện và máy bù đồng bộ công suất lớn làm mát bằng khí hyđrô

Tuy nhiên hỗn hợp H2 với O2 của không khí theo tỷ lệ nhất định sẽ gây

nổ, vì vậy thiết bị sử dụng hyđrô làm mát phải kín (luôn đảm bảo áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển)

2.2.5 Các loại khí khác

Một số các loại khí chủ yếu là các hợp chất halogen (Flo,Clo ) có khối lượng phân tử và tỷ trọng cao, năng lượng ion hóa lớn, độ bền điện cao hơn không khí

Một số khí là các hyđrôcacbon flo hoá (CF4, C2F6- hecxafloetan) hoặc hơi của một số chất lỏng hyđrôcacbon flo hoá (C2F14, C8F16) cũng có độ bền điện cao hơn không khí

Các loại khí trơ như neon, acgon cũng như hơi thuỷ ngân có độ bền điện thấp được dùng để lấp đầy các dụng cụ chứa khí, các bóng đèn

2.3 Hiện tượng phóng điện trong chất khí

2.3.1 Khái niệm về sự đánh thủng điện môi

Hiện tượng điện môi bị mất tính chất cách điện khi điện áp đặt vào vượt quá ngưỡng cho phép gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi hay còn gọi là hiện tượng phá huỷ điện môi

Khi điện môi phóng điện, điện áp giảm đi một ít và tại vị trí điện môi bị chọc thủng ta quan sát thấy tia lửa điện hay hồ quang, có thể gây ra nóng chảy, làm nứt điện môi hay điện cực

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng và trị số tương ứng của cường độ điện trường gọi là cường độ điện trường đánh thủng hoặc cường độ cách điện của điện môi

h

U

E đt  đt

Với: Uđt là điện áp đánh thủng (KV)

Eđt là cường độ điện trường đánh thủng (KV/cm, KV/mm, V/m)

h là chiều dày điện môi (cm, mm)

Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng Thực tế sự đánh thủng chất khí thường xảy ra tức thời Khoảng thời gian chuẩn bị đánh thủng khí khi độ dài khoảng khí bằng 1cm là 10-7

-:-10-8 s

Phóng điện là sự hình thành dòng điện liên tục giữa các điện cực Như vậy môi trường khí trước kia là cách điện bây giờ biến thành dẫn điện (môi trường plasma) Vậy phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plasma

2.3.2 Các dạng phóng điện trong chất khí

- Phóng điện toả sáng: xảy ra ở áp suất thấp, Plasma không thể có điện dẫn lớn vì mật độ phân tử bé Phóng điện toả sáng thường chiếm toàn bộ không gian các điện cực

- Phóng điện tia lửa: xảy ra ở áp suất lớn, plasma không chiếm hết toàn bộ khoảng không gian mà chỉ là một dòng nhỏ nối liền giữa các điện cực Mật độ ion trong Plasma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn

- Phóng điện hồ quang: Tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn lớn và tác dụng trong thời gian dài Dòng điện hồ quang rất lớn đốt nóng dòng plasma làm cho điện dẫn tăng lên và do đó dòng điện hồ quang càng tăng lên Dòng sẽ tăng đến mức ổn định khi có sự cân bằng giữa phát nóng

và toả nhiệt của khe hồ quang

- Phóng điện vầng quang: là một dạng phóng điện đặc biệt chỉ tồn tại trong điện trường không đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện cực Dạng phóng điện này không hoàn toàn vì dòng plasma không nối liền giữa

2 điện cực và do đó không có dòng điện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của khe hở nhưng cũng không nên để gây phóng điện vầng quang vì có nhiều tác hại khác Phóng điện vầng quang cũng có thể quan sát bằng mắt thường và dễ dàng thấy trên đường dây tải điện cao áp khi thời tiết xấu

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trị số điện áp đánh thủng

 Hình dạng điện cực và khoảng cách giữa chúng

Thực tế có thể dùng quy tắc sau: đối với điện áp xoay chiều, tần số 50Hz,

cứ 1cm khoảng cách không khí có thể chịu được 3,2 - 3,5 KV Khoảng cách điện cực a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là: a  U(kV)/3,2

Trong trường có nhiệt độ và áp suất không đổi thì cường độ điện trường đánh thủng chất khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực: ở khoảng cách nhỏ điều kiện dẫn đến sự ion hoá của khí là khó khăn nên Eđt tăng ở

khoảng cách lớn hơn thì khả năng ion hoá do va chạm cũng sẽ lớn lên, dễ gây ion hoá hơn nên Eđt giảm

Khi các điện cực có hình dạng không đối xứng, ví dụ một cực có dạng bản

và cực kia là mũi nhọn thì cực tính của mũi nhọn ảnh hưởng nhiều đến điện áp đánh thủng Với cùng khoảng cách thì điện áp đánh thủng khi mũi nhọn có cực tính dương nhỏ hơn nhiều khi mũi nhọn có cực tính âm

 Mức độ đồng nhất của điện trường

Hiện tượng đánh thủng chất khí phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trường trong đó xảy ra sự đánh thủng

 Nhiệt độ, áp suất của khí

Độ bền điện của chất khí phụ thuộc vào mật độ phân tử của nó tức là phụ thuộc vào áp suất nếu nhiệt độ không đổi Khi áp suất cao khí sẽ có mật độ cao, khoảng cách giữa các phân tử nhỏ, do đó độ dài đoạn đường chuyển động tự do của điện tử giảm xuống, vì vậy muốn xảy ra hiện tượng đánh thủng cường độ điện trường phải lớn hơn Khi áp suất giảm trước hết cường độ cách điện giảm xuống; khi áp suất giảm đến 1 giới hạn nào đó nhỏ hơn áp suất khí quyển cường

độ cách điện lại bắt đầu tăng Sự tăng này được giải thích bởi số phân tử khí trong 1 đơn vị thể tích giảm xuống khi độ loãng cao và khả năng va chạm của điện tử với các phân tử giảm

2.3.4 Biện pháp nâng cao trị số đánh thủng trong trường không đồng nhất

Trong kỹ thuật điện cao áp những thiết bị có cách điện là chất khí không cho phép xảy ra phóng điện chọc thủng hay phóng điện bề mặt Nếu không sẽ phá huỷ thiết bị gây thiệt hại kinh tế và quá trình vận hành hệ thống điện Ở áp

suất khí quyển, điện trường phóng điện trong trường đồng nhất khoảng 30

kV/cm, trường không đồng nhất là 20 kV/cm khi mũi nhọn có cực tính (-) và khoảng 7,5 kV/cm khi mũi nhọn có cực tính (+)

Để nâng cao Uđt trong trường không đồng nhất thực tế là cải thiện sự phân

bố điện trường sao cho nó đồng nhất hơn Dùng màn chắn nhằm ngăn cản sự dịch chuyển của điện tích không gian

- Sử dụng màn chắn:

Màn chắn làm bằng vật liệu cách điện mà độ bền điện của nó không quan trọng lắm, nó đặt trong khoảng giữa mũi nhọn và cực bản Hiệu quả của màn chắn là làm thay đổi sự phân bố của điện tích không gian và của điện trường Vị trí của màn chắn cũng ảnh hưởng nhiều đến trị số của điện áp đánh thủng

Khi mũi nhọn có cực tính dương thì các ion dương di chuyển về phía bản cực bị giữ lại trên màn chắn và phân bố trên màn chắn Phần điện trường giữa màn chắn và cực bản là gần đồng nhất Do đó nếu màn chắn đặt càng gần mũi nhọn thì khoảng không gian này càng lớn và điện áp đánh thủng càng tăng Tuy vậy nếu đặt màn chắn quá gần mũi nhọn làm cho các ion dương phân bố không đều trên màn chắn, độ đồng nhất của phần điện trường màn chắn – cực bản giảm nên điện áp đánh thủng giảm

Khi mũi nhọn có cực tính âm thì tác dụng của màn chắn cũng tương tự như trên Tuy nhiên màn chắn chỉ phát huy tác dụng ở một khoảng cách nào đó

so với mũi nhọn Tại các vị trí gần cực bản, trị số điện áp đánh thủng nhỏ hơn điện áp đánh thủng khi không có màn chắn Điều này là do phía mũi nhọn và cực bản có mật độ điện tích lớn gần như dẫn điện, màn chắn là điện cực âm, giữa màn chắn và cực bản có khoảng cách bé và điện áp đánh thủng sẽ có trị số thấp

- Biện pháp hạn chế phóng điện: nén áp suất cao dùng trong trường không đồng nhất hoặc hút chân không

2.4 Vật liệu cách điện thể lỏng

2.4.1 Dầu biến áp

Được dùng nhiều trong kỹ thuật điện Nó có công dụng chính:

- Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của lớp cách điện lên rất nhiều

- Tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra

Một lĩnh vực khác nữa cũng được sử dụng dầu máy biến áp là làm cách điện và dập tắt hồ quang điện giữa các đầu cực trong máy cắt dầu điện áp cao, dầu biến áp tạo điều kiện làm nguội dòng hồ quang và nhanh chóng dập dòng hồ quang Ngoài ra dầu máy biến áp còn dùng để cách điện và làm mát trong một

số điện kháng, biến trở và các thiết bị khác

Độ bền điện của dầu giảm nhiều nếu có lẫn nước và tạp chất Khi sấy khô đúng mức thì độ bền điện được phục hồi

Trong quá trình làm việc dầu bị hoá già và có màu sẫm hơn, khi đó độ nhớt tăng, đặc tính cơ giảm đi Những sản phẩm của sự già hóa dầu là các axit, các chất nhựa, một phần hòa tan trong dầu, còn lại lắng đọng xuống đáy thùng dầu gây cản trở sự thoát nhiệt trong máy biến áp

Tốc độ hoá già dầu tăng lên trong các trường hợp sau:

- Khi có ôxy lọt vào Đặc biệt nó tiến triển mạnh khi tiếp xúc với ôzon

- Khi nhiệt độ tăng

- Khi có sự tiếp xúc của dầu với 1 số kim loại (đồng, sắt, chì ) và các chất khác là xúc tác của hiện tượng hoá già

- Khi có tác dụng của ánh sáng

- Khi có tác dụng của điện trường cường độ cao

Dầu bị già hóa có thể được khôi phục lại các đặc tính của nó bằng các phương pháp tái sinh dầu: sấy khô, lọc sạch bằng phương pháp hóa học Để hạn chế tốc độ già hóa dầu, ta có thể áp dụng các biện pháp: sử dụng bộ lọc không khí, bộ lọc xiphong nhiệt hoặc sử dụng các chất cản hóa cho vào trong dầu

Người ta cho thêm chất cản hoá (chất chống ôxy hoá thường dùng là Amidopyrin - 0,3 kg cho 1 lít dầu) để chống sự hoá già dầu Sử dụng đúng chất cản hoá cho phép tăng thời gian vận hành của dầu lên vài lần Tuy nhiên độ bền điện của dầu đã vận hành thấp hơn ở dầu mới

Những lưu ý khi sử dụng:

- Nước, sợi ẩm có ảnh hưởng lớn đến độ bền điện của dầu, dưới tác dụng của điện trường, các sợi ẩm bị hút vào nơi có điện trường mạnh và nằm dọc theo các đường sức gây ra sự đánh thủng dầu

- Tránh không cho không khí lọt vào

- Hạn chế tiếp xúc trực tiếp với các kim loại

- Trong thực tế có thể dùng các biện pháp để hạn chế sự già hóa, đồng thời phải tách các sản phẩm già hóa ra khỏi dầu, dầu luôn phải được sấy khô, lọc sạch

2.4.2 Dầu tụ điện

Để tẩm các tụ điện giấy, đặc biệt là các tụ động lực dùng để bù trong các thiết bị điện Khi được tẩm dầu điện trở cách điện cũng như độ bền điện tăng lên, làm giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của tụ điện

Các đặc tính của dầu tụ điện giống dầu biến áp Đặc biệt dầu tụ điện được làm sạch cẩn thận bằng chất hấp phụ

Dầu có độ nhớt cao để tẩm cáp chứa dầu có áp suất cao (khoảng 15 at) trong ống thép

Loại dầu mỏ nhớt hơn (dầu Braistôc) dùng cho cáp điện lực có chất tẩm quánh làm việc ở điện áp < 35 KV Có thể tăng độ nhớt bằng cách cho thêm dầu Colofan

Xôvôn và xôvtôn không dùng được trong các máy cắt chứa chất lỏng vì khi dập hồ quang thì trong xôvôn có bồ hóng thoát ra cùng với hơi có tính độc

và tính ăn mòn Khi làm việc cần chú ý không để dính vào da và đảm bảo thông gió tốt

Nếu thay dầu mỏ bằng Xôvôn trong việc sản xuất tụ điện giấy động lực sẽ làm giảm khối lượng của tụ 2 lần Khi làm việc trong điện trường mạnh xôvôn

ổn định hơn dầu mỏ nhưng nhược điểm của tụ tẩm xôvôn là điện dung giảm nhiều khi nhiệt độ < 00

C

b Chất lỏng Silic hữu cơ

Có độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao, hằng số điện môi lớn Có thể dùng tẩm tụ điện nhưng đắt tiền và độ bền cơ thấp

c Chất lỏng Flo hữu cơ

- Có tổn hao điện môi rất nhỏ, độ hút ẩm nhỏ không đáng kể và độ bền nhiệt cao

- Độ nhớt thấp nên rất dễ tẩm cho vật liệu xốp

- Có độ nở nhiệt cao, dễ bay hơi nên thiết bị chứa chất lỏng Flo hữu cơ phải rất kín

- Tản nhiệt cao hơn dầu biến áp và chất lỏng silic hữu cơ

- Không cháy được, có độ bền chịu hồ quang cao nhưng đắt tiền

2.5 Vật liệu nhựa và sáp

2.5.1 Nhựa

Nhựa là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất khác nhau nhưng có 1 số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng như 1 số tính chất vật lý chung Đó là hỗn hợp của các chất hữu cơ, chủ yếu là những chất cao phân tử với mức độ trùng hợp khác nhau

Ở nhiệt độ khá thấp nó là những chất vô định hình có dạng như thuỷ tinh khá giòn Khi đốt nóng thì nhựa mềm ra, thành dẻo và hoá lỏng Phần lớn các loại nhựa dùng trong kỹ thuật cách điện không tan trong nước và ít hút ẩm

nhưng lại tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp

Thông thường nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó Nhựa là thành phần quan trọng của nhiều loại sơn, chất dẻo, xơ tổng hợp Theo nguồn gốc nhựa có thể phân thành 3 loại: Nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo, nhựa tổng hợp

a Nhựa tự nhiên

Nhựa thiên nhiên là những chất do nột số động vật (như cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra

- Cánh kiến: Người ta thu lượm cánh kiến theo kiểu thủ công và làm sạch bẩn và nấu chảy Khi đun nóng kéo dài thì nó được nung kết, đồng thời trở nên không nóng chảy và không hoà tan, nhiệt độ càng cao thì thời gian nung kết càng giảm Trong kỹ thuật điện cánh kiến được sử dụng ởdạng sơn dán chế tạo micanít Khi không có cánh kiến người ta thay thế bằng nhựa gliptan và các loại nhựa tổng hợp khác

- Nhựa thông (colofan): là một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ nhựa thông bằng cách chưng cất dầu thông Colofan hoà tan trong dầu mỏ được dùng vào ngâm tẩm cáp, ngoài ra nó cũng được dùng để sản xuất

ra rezinat là chất làm khô cho sơn dầu

- Nhựa côpan: Là loại nhựa khó nóng chảy, có đặc điểm là bóng, rất cứng

và tương đối khó hoà tan Nhựa này 1 phần khai thác trong khoáng sản do các loại cây có nhựa đã sinh trưởng trước đây tách ra, 1 phần thu được từ nhựa của các loại cây đang mọc hiện nay Người ta dùng nhựa côpan làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng màng sơn Hổ phách thuộc về loại côpan được khai thác trong thiên nhiên, hổ phách dùng để làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở rất cao

b Nhựa nhân tạo

Gồm ete xenlulo và este xenlulo Chúng được tạo ra từ việc xử lý hoá học các xenlulo tự nhiên Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng, được dùng chế tạo vật liệu dệt, màng mỏng, sơn, chất dẻo

đốt nóng thì độ bền cơ giảm Để nâng cao độ bền nhiệt, người ta cho nó chịu bức xạ ion hoá khi đó nó sẽ có thêm tính đàn hồi nóng

- Polypropylen (PP): Là 1 chất nhiệt dẻo có nhiều triển vọng Rất dẻo, tính cách điện ngang polyêtylen nhưng độ bền nhiệt cao hơn (nhiệt độ hoá dẻo của nó: 165 -:- 1700

C)

- Polyizobutylen: là chất trùng hợp của butylen, Nó giống cao su, rất dính

và có khuynh hướng chảy nguội ngay cả khi phụ tải cơ rất nhỏ Nó có tính chịu lạnh tốt (giữ được độ dẻo ở - 800C), có độ bền hoá học và độ hút ẩm nhỏ, độ thấm hút ẩm hết sức nhỏ Dùng chế tạo vỏ cáp, điện môi cao tần

- Polystyrol (PS): Thu được bằng cách trùng hợp styrol (là sản phẩm phụ khi chưng khô than đá) Tuỳ theo cách trùng hợp mà thu được polystyrol dạng khối hoặc dạng nhũ tương (hạt nhỏ) Dạng nhũ tương có tính cách điện và chịu nhiệt thấp hơn dạng khối Nhược điểm: Giòn ở nhiệt độ thấp, kém chịu nóng Polystyrol nhũ tương được dùng để sản xuất bột ép, sơn

- Têtrafloêtylen: Có độ bền nhiệt rất cao, bền về hoá học 1 cách đặc biệt hơn cả vàng và bạch kim Không cháy, không hút ẩm, không dính nước và các chất lỏng khác Chỉ có thể làm dính nó khi xử lý mặt ngoài bằng dung dịch Natri kim loại trong Amôniac (dung dịch này rất nguy hiểm về mặt cháy, nổ, độc và khó phân huỷ dung dịch thừa không dùng đến) Nó là vật liệu hữu cơ duy nhất được xếp loại cách điện cấp C, dùng sản xuất màng dẻo, cách điện cao tần

- Polyvinyl: Là chất trùng hợp của rượu vinyl, nó được dùng làm sản phẩm xuất phát để tổng hợp nhựa Polyvinylaxêtat dùng để sản xuất sơn Emay Cách điện của dây emay bằng loại sơn ấy có độ bền cơ cao có thể đem sử dụng trực tiếp làm dây quấn cho máy điệnvà dụng cụ điện rất có lợi về kích thước, trọng lượng và giá thành sản phẩm

- Polimetylmetacrilat (thuỷ tinh hữu cơ): không màu, trong suốt Dưới tác dụng hồ quang nó thải ra 1 lượng khí lớn (CO, H2, hơi H2O, CO2) nên có khả năng dập hồ quang Thuỷ tinh hữu cơ dùng làm vật liệu kết cấu, cầu chì cao áp, buồng dập hồ quang

- Polyamit: là loại nhựa tổng hợp nhiệt dẻo, có độ bền cơ và độ dẻo rất cao Chỉ hoà tan trong 1 số điện môi lỏng (phenol nóngchảy) Dùng để chế tạo màng dẻo, chất dẻo và sợi tổng hợp

- Phenolfomandehit: là sản phẩm của sự đa ngưng tụ phenol với

fomandehit Nếu cứ 1 phân tử gam fenol có ít nhất1 phân tử gam formandehit tham gia vào phản ứng tạo thành nhựa (xúc tác kiềm: amôniac) thì ta thu được loại nhiệt cứng gọi là Bakêlit Nó có độ bền cơ học cao, ít co giãn dùng để tẩm

gỗ và các vật liệu khác Có 3 loại bakêlit: loạiA (có nhiệt độ hoá dẻo từ 55 -:-

800C) dễ hoà tan trong rượu và Axêton, đốt nóng sẽ được loại B và đến 110

-:-1400C thì chuyển thành loại C (không nóng chảy, không hoà tan) Nếu khi nấu nhựa có phenol và formandehit mà dùng xúc tác axit (HCl) thì được Novolac là chất nhiệt dẻo được dùng để sản xuất chất dẻo

- Epoxi là chất lỏng nhớt, có thể hoà tan trong axetonvà các dung môi khác Khi cho thêm chất làm rắn vào thì epoxi cứng lại rất nhanh, tạo ra khối cách điện có độ không thấm nước cao, chịu nóng khá tốt và có lực bám dính vào các vật liệu khác rất cao Dùng nhựa epoxi để sản suất keo dán, sơn, hợp chất dùng làm đầy (hộp nối cáp)

d Galovac

Là điện môi tinh thể cực tính, có mầu giữa vàng nhạt và xanh Dùng

Galovac để tẩm cho tụ giấy sẽ tăng điện dung của tụ lên 25 -:- 30% Nó không

bị ôxy hoá khi đốt nóng và không cháy được Nó là chất độc, gây bệnh ngoài da nên ít dùng

Màng bằng chất Stiroplex dùng sản xuất cáp cao tần,còn màng đặc biệt nhất là làm bằng chất Policacbonnat có triển vọng để sản xuất cáp điện lực có điện áp siêu cao (hàng trăm KV)

Màng triaxetat xenlulo dùng làm cáchđiện cho các phần tử dây quấn máy điện và cách điện cho 1 số loại dây để quấn Tuy nhiên nó kém bền với tác dụng của ôzon nên gây khó khăn khi dùng trong máy điện cao áp (nhiệt độ làm việc cho phép khoảng 1200C- cấp E)

b Chất dẻo

Dùng rộng rãi trong kỹ thuật Nó có đặc điểm là dưới tác dụng của sức ép

từ bên ngoài nó sẽ có hình dáng nhất định của khuôn ép

Khi sản xuất hàng loạt sản phẩm thì việc sử dụng chất dẻo đảm bảo năng suất lao động cao và giảm giá thành sản phẩm Nhưng nếu sản xuất 1 số ít sản phẩm thì không hợp lý vì giá thành khuôn ép rất cao

Trong kỹ thuật điện, chất dẻo được dùng làm vật liệu cách điện cũng như làm vật liệu kết cấu Nhiều loại có độ bền cơ cao, đặc tính cách điện tốt và khá nhẹ

Phần nhiều chất dẻo gồm 2 thành phần chính là chất kết dính và chất độn

+ Chất kết dính: thường là hợp chất hữu cơ (thường là cao phân tử) có khả năng biến dạng dẻo dưới tác dụng của áp suất ngoài Đặc biệt còn có một số ít là chất kết dính vô cơ (xi măng trong amiăng)

+ Chất độn: Dính kết chặt chẽ với chất kết dính Nó có thể ở dạng bột, sợi, tấm Nó làm giảm đáng kể giá thành của chất dẻo và làm đặc tính cơ tốt hơn (tăng độ bền, giảm độ giòn) Tuy nhiên nó làm tăng tính hút ẩm, làm tính chất cách điện bị giảm sút

Tuỳ theo chất kết dính mà chia thành chất dẻo ép nóng và ép nguội Đa số chất dẻo có chất kết dính hữu cơ đòi hỏi phải ép nóng, các chất này lại chia thành chất nhiệt cứng và chất nhiệt dẻo

Sau khi ép nóng chất kết dính của chất nhiệt dẻo vẫn có khả năng hoá dẻo trở lại và hoà tan được trong dung môi còn chất nhiệt cứng thì không Đôi khi người ta cho thêm chất tăng dẻo để tăng độ dẻo, giảm độ giòn hoặc thêm bột mầu để tạo mầu

Khi chất độn có dạng tấm, ta có chất dẻo nhiều lớp Chất dẻo nhiều lớp được dùng rộng rãi làm vật liệu kết cấu và vật liệu cách điện Trong đó có dùng

1 loại xơ mỏng nào đó làm chất độn Điển hình là Hêtinắc và Téctolít

- Hêtinăc: được sản xuất bằng cách ép nóng giấy đã tẩm Bakênit Thường chọn loại giấy có tính bền và chịu nhiệt Ứng dụng để chế tạo các thiết bị và dụng cụ điện cao áp và thấp áp cũng như trong kỹ thuật thông tin

- Tectolit: chế tạo tương tự như hêtinắc nhưng bằng vải tẩm Tectolit có ứng suất dai va đập, độ bền mài mòn và sức chịu lực tách cao Vì giá thành cao (đắt hơn hêtinắc 5-6 lần) nên chỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt như đối với sản phẩm chịu tải trọng va đập hoặc bị mài mòn khi làm việc (các chi tiết của cái chuyển mạch) Ngoài ra còn có tectolit thuỷ tinh (sản xuất từ vải thuỷ tinh) nó có độ bền nhiệt, sức chịu ẩm, độ bền cơ học và đặc tính cách điện rất cao

2.6.2 Vật liệu đàn hồi

a Cao su thiên nhiên

Lấy từ nhựa (mủ) của cây cao su Cao su nguyên chất chịu nhiệt kém, hóa dẻo ở nhiệt độ 500C, kém chịu tác dụng của dung môi (xăng, dầu ) nên không dùng trực tiếp làm chất cách điện được Để sử dụng được người ta tiến hành lưu hoá cao su bằng cách nung nóng cao su nguyên chất với lưu huỳnh

Tuỳ thuộc vào lượng lưu huỳnh cho thêm vào mà ta được cao su dẻo 3% S) có khả năng chịu kéo và tính đàn hồi cao Còn cao su rắn (30-:-35% S) hay Êbônit chịu được tải trọng va đập lớn

(1-:-Cao su dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, cáp mềm, găng tay cách điện, ủng cách điện, thảm cách điện

Nhược điểm của cao su lưu hóa là kém chịu dầu (bị phồng lên), kém chịu dung môi; độ bền nhiệt thấp (bị hoá già khi bị nung nóng, trở nên giòn và nứt); kém bền với tác dụng của ánh sáng (tia tử ngoại làm cao su bị hoá già nhanh)

Không cho phép đặt trực tiếp cách điện bằng cao su bình thường lên lõi bằng đồng của các linh kiện cáp (do lượng S còn sót lại trong cao su gây tác hại cho đồng nhất là ở nhiệt độ cao) Thường dùng 1 lần lót bọc sơ qua cho đồng

b Cao su tổng hợp

Được chế tạo từ dầu mỏ, rượu cồn và khí thiên nhiên Gồm các loại:

- Cao su Butađien: Sản xuất cao su dẻo và êbônit Muốn dùng cao su này làm cách điện phải rửa sạch chất xúc tác còn dư lại (Na) vì chất này làm giảm tính cách điện của nó

- Cao su Escapon: Có tính cách điện cao dùng làm dung môi cao tần Khi nung nóng cao su Butađien tới 200 -:- 3000C thì được escapon là 1 chất có đặc tính cơ gần giống êbônit nhưng có độ bền nhiệt cao hơn

- Cao su Cloropren: Dùng làm vỏ cáp, các tấm đệm chịu dầu Loại vật liệu cực tính này có đặc tính cách điện thấp nhưng bền với tác dụng của dầu, xăng và các chất ôxy hoá khác Ít bị hoá già vì nhiệt và ít thấm khí hơn cao su tự nhiên

- Cao su Butyl: chịu nhiệt, chịu tác dụng của ozon và axit cao

- Cao su Butađien – styrol: chịu nhiệt, chịu dầu và xăng cao hơn cao su tự nhiên

- Cao su silic hữu cơ: chịu nhiệt cao đến 3000C, chịu lạnh tốt, chịu axit và nước, có cách điện cao, được dùng làm vỏ bọc dây dẫn, cáp

Trong kỹ thuật điện người ta còn sử dụng Pôlyme làm chất dẻo giống cao

su Nó là chất nhiệt dẻo và không lưu hoá được, có thể dùng làm cách điện cáp cao tần

2.7 Sứ cách điện

2.7.1 Thành phần và đặc tính

Sứ cách điện được tạo ra từ một loại đất sét đặc biệt (cao lanh) với các chất phụ gia khác Sau khi được nhào và trộn kỹ với nước để thành một chất dẻo, sau đó định hình thành sản phẩm rồi đem phơi khô tráng men và nung

Trong quá trình nung, men nóng chảy và bao lấy mặt ngoài của sứ tạo thành một lớp sáng bóng như thủy tinh Lớp men không cho hơi ẩm thấm vào các lỗ xốp trong sứ làm giảm sự háo nước của sứ, nhờ thế sứ có thể làm việc được ngoài mưa Việc tráng men còn loại bỏ được các vết nứt nhỏ trên bề mặt

sứ làm tăng độ bền cơ học cho sản phẩm Hơn nữa lớp men còn nhẵn và bóng nên giảm được độ bám bụi bề mặt, nhờ đó làm tăng điện trở và điện áp phóng điện bề mặt Quá trình nung còn làm cho sứ trở nên có độ bền cơ học cao, chịu nước và có đặc tính cách điện tốt

2.7.2 Phân loại, công dụng

Sứ cách điện đường dây gồm: sứ đứng, sứ treo

Sứ dùng trong trạm gồm sứ đỡ và sứ xuyên Sứ đỡ dùng để đỡ thiết bị, thanh cái trong các trạm phân phối điện Sứ xuyên dùng để dẫn dòng điện đi xuyên qua tường hoặc vách ngăn

Sứ dùng cho các thiết bị gồm sứ đầu vào và sứ đầu ra Nó dùng để dẫn dòng điện vào/ra thiết bị giống sứ xuyên

Sơn là dung dịch keo của nhựa, của dầu khô, bitum (các chất ấy gọi là nền sơn) hoà tan trong dung môi hữu cơ dễ bay hơi Khi sơn được sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn thì chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn

Hợp chất cách điện khác với sơn ở chỗ thành phần của nó không có dung môi Nó gồm các loại nhựa, bitum, sáp dầu ở trạng thái đầu nếu nó là chất rắn thì trước lúc đem dùng người ta đun nóng nó lên để thu được 1 chất có độ nhớt khá thấp

Theo công dụng người ta có thể chia sơn cách điện làm 3 nhóm chính: sơn tẩm, sơn phủ, sơn dán

- Sơn tẩm: dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là chất cấch điện dạng xơ (giấy, bìa, sợi, vải, cách điện của dây quấn máy điện) Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện, các khoảng rỗng giữa các vòng dây và các lớp dây quấn Khi khô đi các vật được tẩm có độ bền nhiệt cao hơn, hơn nữa sơn tẩm còn làm hạn chế mức hút ẩm, thấm ẩm, nâng cao độ bền cơ học cho sản phẩm

- Sơn phủ: dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn bóng, chịu ẩm và bền về cơ học Sơn phủ làm nâng cao điện trở bề mặt làm tăng điện áp phóng điện bề mặt cho sản phẩm, bảo vệ chất cách điện chống lại tác dụng của hơi ẩm và các chất có hoạt tính hóa học xâm thực, đồng thời cải thiện vẻ đẹp bề mặt cho sản phẩm

- Sơn dán: dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật liệu cách điện vào kim loại Ngoài các đặc tính cần thiết cho sơn cách điện

nó còn phải có độ bám dính cao

Theo chế độ sấy sơn được chia thành 2 loại:

- Sơn sấy nóng: (dùng dung môi sôi ở nhiệt độ cao) là loại sơn lâu khô ở nhiệt độ thấp, phải sấy khô ở nhiệt độ > 100o

C Sơn đòi hỏi sấy nóng chủ yếu là sơn tẩm

- Sơn sấy nguội: (dùng dung môi dễ bay hơi) khô khá nhanh và tốt trong không khí ở nhiệt độ trong phòng Loại sơn này chủ yếu là sơn phủ và sơn dầu

* Một số loại sơn cách điện quan trọng:

- Sơn nhựa: Là những dung dịch của nhựa tổng hợp, nhựa nhân tạo và nhựa thiên nhiên

+ Sơn Bakêlit: Là dung dịch bakêlit hoà tan trong cồn Được dùng để chế tạo chất cách điện của thiết bị điện cao áp, sản xuất chất dẻo nhiều lớp Là loại sơn tẩm, sơn dán, màng sơn của nó bền về cơ học nhưng kém dẻo và hóa già vì nhiệt 1 cách rõ rệt

+ Sơn Polyclovinyl: Rất bền với tác dụng của xăng dầu và các chất có hoạt tính hoá học Dùng làm sơn phủ để bảo vệ cách điện làm việc trong khí quyển có hơi axit

+ Sơn Polistirol: màng có đặc tính cách điện cao, ít hút ẩm Dùng để sản xuất các thiết bị cao tần

+ Sơn Gliptan: dung dịch nhựa gliptan trong hỗn hợp cồn hoặc hydro cacbon lỏng Dùng kết dính mica, có tính uốn dẻo tốt hơn bakelit nhưng tính chịu ẩm kém hơn

+ Sơn cánh kiến: là dung dịch của cánh kiến hòa tan trong cồn, dùng làm sơn dán trong những việc lắp ráp và sửa chữa khác nhau Muốn có màng sơn chất lượng cao phải đem nung kết

- Sơn xenlulo: Là dung dịch ete xenlulo, màng của nó có tính nhiệt dẻo, phần lớn là sơn sấy nguội Dùng tẩm vỏ bọc dây dẫn bằng sợi bông dùng trên ôtô và máy bay để giữ cho cách điện cao su khỏi bị ảnh hưởng của ôzôn, dầu, xăng

- Sơn dầu: Nền là các loại dầu khô, có pha thêm chất làm khô và dung môi dễ bay hơi Khi hàm lượng chất làm khô cao ta được sơn sấy nguội nhưng màng sơn dễ bị hoá già nhiệt Khi hàm lượng chất làm khô nhỏ thì cần phải sấy nóng

- Sơn dầu nhựa: Là sơn dầu cho thêm nhựa thiên nhiên, nhựa tổng hợp vào Sử dụng rộng rãi trong các trường hợp sau:

+ Tẩm dây quấn MBA dầu nhằm nâng cao tính chịu dầu và tăng độ bền

cơ học

+ Tẩm dây quấn phải chịu tác dụng của hơi axit và clo

+ Tẩm vật cách điện có chứa nhựa Phenolfomandehit nhằm giảm khả năng hình thành vết

* Hợp chất cách điện:

Gồm 2 nhóm chính là: hợp chất tẩm và hợp chất làm đầy

- Hợp chất tẩm dùng để tẩm cách điện giấy cáp được chế tạo từ dầu mỏ thường cho thêm dầu thông hoặc nhựa gốc tổng hợp vào để tăng độ nhớt

- Hợp chất làm đầy dùng để rót vào các hộp nối, các hộp phân nhánh và phần đầu cáp Nhằm để tránh ẩm, tăng điện áp đánh thủng… Hợp chất làm đầy

có thành phần chủ yếu là bitum và dầu thông

2.8.2 Vật liệu xơ

Vật liệu xơ được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện: gỗ, giấy, cáctông, vải, sợi…Vật liệu xơ nó có ưu điểm là rẻ tiền, độ bền cơ cao, độ dẻo khá cao, dễ sản xuất Song có nhược điểm là độ bền điện và độ dẫn nhiệt không cao, độ hút

ẩm lớn so với 1 số vật liệu có cùng thành phần hoá học

a Gỗ:

Là vật liệu sẵn có, dễ gia công nhưng không sử dụng rộng rãi vì tính hút

ẩm cao, dễ cong vênh, nứt, mối mọt, khó xác định được tiêu chuẩn, độ bền điện

và nhiệt kém (có thể cháy được)

Khi dùng gỗ làm cách điện thì phải tẩm cẩn thận Thường được dùng để chế tạo: tay cầm các bộ truyền động trong dao cách ly và máy cắt dầu, cán cầu dao điện, giá đỡ, các chi tiết chêm giữ chặt, chêm rãnh của máy điện, cột điện, sào cắt điện…

b Giấy, các tông

Giấy và các tông là những vật liệu hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn có cấu tạo bằng xơ ngắn, thành phần chủ yếu là xenlulo

- Giấy cáp: được dùng làm cách điện của cáp điện lực

- Giấy cáp điện thoại: là giấy được chế tạo với bề dày 0,05mm và các màu khác nhau dùng để làm chất cách điện cáp điện thoại và chất đệm trong việc sản xuất mica

- Giấy tụ điện: dùng làm điện môi cho tụ điện

- Giấy tẩm: dùng để sản xuất lá Hêtinắc

- Giấy băng mica: dùng làm sản xuất băng mica cách điện

Các tông cách điện, có 2 loại:

- Loại để ngoài không khí: cứng và đàn hồi dùng làm cách điện trong không khí (máy điện, cuộn dây…)

- Loại dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn, được dùng chủ yếu trong máy biến áp dầu

Phíp: khi cho giấy mỏng đi qua dung dịch ZnCl2 nóng rồi quấn vào tang quay bằng thép để có bề dày cần thiết Sau đó cắt giấy ra khỏi tang quay đem rửa cẩn thận bằng nước và ép thu được gọi là phíp Phíp có đặc tính cơ khá tốt nhưng rất háo nước, khi bị thấm ẩm thì độ bền cơ học giảm nhiều Phíp được dùng làm vật liệu kết cấu, buồng dập hồ quang

2.8.3 Mica

Mi ca là vật liệu cách điện vô cơ có tính năng đặc biệt đó là độ bền điện

và độ bền cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, khá dẻo khi có độ dày mỏng nên được dùng làm cách điện ở vị trí quan trọng Ví dụ như cách điện của các máy điện cao áp công suất lớn (máy phát điện tua bin hơi và tua bin nước cỡ lớn, động cơ điện dùng trong tàu điện, tàu thuỷ…) và làm điện môi trong một số

tụ điện

Mi ca được xếp vào chất cách điện cấp C Ở nhiệt độ khá cao thì nước trong thành phần cấu tạo trong mi ca bắt đầu thoát ra, lúc này đặc tính cơ và điện giảm xuống Mi ca bị nấu chảy ở 1250-1300o

C

Loại mi ca được sử dụng rộng rãi làm chất cách điện trong máy điện, trong công nghiệp điện và công nghiệp radio là mica ở dạng lá, được dập khuôn theo hình chữ nhật trong các tụ điện, các chi tiết định hình dập theo khuôn dùng cho đèn điện tử và đèn thắp sáng, các vòng đệm dập bằng mica trong các loại khí cụ khác nhau

* Các loại mica chính:

- Micanit: được tạo ra từ việc dán các cánh mica rời với nhau hoặc dán trên nền vải, giấy, băng với chất kết dính là nhựa hữu cơ chịu nhiệt Có các loại micanit như Micanit dùng cho vành góp, Micanit dùng để lót, Micanit dùng

để tạo hình, Micanit mềm, băng Mica

- Sludinit: được tạo ra từ vụn Mica sau khi được xử lý hóa học để được một chất keo nhờn, sau đó cán thành các tấm mỏng So với micanit thì Sludinit

có bề dày đồng đều hơn, nhưng chịu ẩm kém, độ dãn dài nhỏ hơn

- Mica làm từ các hạt vụn: người ta sử dụng mica hoặc các phế thải của mica sau khi được nghiền mịn cho vào một chất kết dính rồi cán thành tấm

mỏng đem dùng

- Thủy tinh mica: là một chất dẻo trong đó chất độn là mica còn chất kết dính là thủy tinh Nó có độ bền điện và khả năng chịu nhiệt cao, được sử dụng làm cách điện chịu nhiệt như: đế đèn công suất lớn, giá đỡ tụ điện khí, các tấm cách điện

2.8.4 Thủy tinh vô cơ

Là loại vật liệu vô cơ có kết cấu vô định hình và là chất nhiệt điện dẻo Thủy tinh là một hỗn hợp phức tạp của các ôxit như SiO2, B2O3, P2O5, Na2O, CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3 Thành phần chủ yếu trong thủy tinh là SiO2 nên loại thủy tinh này gọi là thủy tinh silicat Trong kỹ thuật điện, thủy tinh được dùng để chế tạo điện môi trong tụ điện, sứ thủy tinh, vỏ bóng đèn, sợi thủy tinh, men thủy tinh

Chương 3 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

3.1 Phân loại và các tính chất cơ bản

3.1.1 Phân loại

Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường nó có thể chuyển tải điện năng tới các thiết bị điện và khi đặt nó trong từ trường hoặc kích thích bởi năng lượng từ bên ngoài nó sẽ tạo ra một dòng điện

Theo hình thức tồn tại gồm:

- Thể rắn: kim loại, hợp kim

- Thể lỏng: kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân

- Thể khí: Tất cả khí và hơi, nếu cường độ điện trường vượt quá trị số tới hạn đủ để ion hoá do va chạm thì có thể trở thành vật dẫn, điển hình là neon

Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại:

- Loại có điện dẫn cao: dùng làm dây dẫn, lõi cáp, dây quấn máy biến áp

- Vật liệu điện trở cao: dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện như biến trở, đèn sợi đốt, điện trở mẫu

Theo dòng điện tích dịch chuyển, có các loại:

- Vật dẫn loại 1: có dòng điện là dòng chuyển dịch của các electron tự do (kim loại)

- Vật dẫn loại 2: có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tích, bao gồm electron và ion (chất lỏng, khí)

Trong đó: : Điện trở suất của vật liệu (.m)

S: Tiết diện dây dẫn (mm2

) l: Chiều dài dây dẫn (m) Điện dẫn: là đại lượng nghịch đảo của điện trở

Điện trở suất của kim loại nóng chảy sẽ tăng lên nếu thể tích của chúng ở trạng thái nóng chảy lớn hơn ở thể rắn và ngược lại Biến dạng dẻo thường làm tăng điện trở suất của kim loại vì nó làm xô lệch mạng tinh thể Biến dạng nén

sẽ làm giảm điện trở suất Với hợp kim: tạp chất và sự phá hoại cấu trúc kim loại đều làm tăng điện trở suất

b Hệ số nhiệt của điện trở suất

Hệ số nhiệt của điện trở suất đặc trưng cho sự thay đổi tương đối của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10

Trong đó: 0: điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu t0

t: điện trở suất ở nhiệt độ t

c Hệ số nhiệt độ giãn nở dài

Trong đó: lt: chiều dài vật dẫn ở nhiệt độ t

Kim loại có l cao thì nhiệt độ nóng chảy thấp và ngược lại

d Sức điện động nhiệt

Khi cho 2 kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau ở một đầu thì có sự

khuếch tán của các điện tử tự do làm xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc một hiệu điện thế tiếp xúc

B

A A

B AB

n

n e

kT U

U = T(T2 – T1)

Với

B

A T

n

n e

K = - 273oC), khi đó chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn

f Tính chất cơ học

Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại Đặc trưng bởi độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm, độ chịu mỏi

3.2 Kim loại và hợp kim có điện trở suất thấp

Vật liệu thuộc nhóm này là vật liệu có điện trở suất ở điều kiện bình

thường không vượt quá 0,1µm Thông dụng nhất trong số này là đồng và

- Dẫn điện dẫn nhiệt tốt

- Độ bền cơ khá cao, tính chống ăn mòn khí quyển tốt, nhiệt độ nóng chảy cao (1083oC)

- Dẻo, dễ gia công (cán mỏng, kéo sợi), dễ hàn nối

Đồng đỏ (đồng nguyên chất) rất dẻo, khi gia công cắt gọt độ dẻo cao của đồng làm khó gẫy phôi Để cải thiện tính gia công cắt gọt người ta sử dụng các nguyên tố hợp kim thích hợp

Độ dẫn điện giảm nhanh khi hàm lượng tạp chất trong đồng tăng VD: 0,5% tạp chất là Zn, Cd, Ag thì điện dẫn suất giảm 5%; nếu tạp chất là Ni, Sn,

Al thì điện dẫn suất giảm 25-40% Có tạp chất làm giảm cơ tính làm xấu khả năng gia công, là nguyên nhân gây vỡ phôi khi cán nóng, nứt giòn khi biến dạng nguội Có tạp chất tương tác với đồng làm thành hợp chất hoá học (Ôxy) làm xấu khả năng gia công biến dạng nguội của đồng và ở nhiệt độ cao sẽ làm đồng trở nên giòn (400oC) Trong các trường hợp có liên quan đến hàn thì không cho phép dùng đồng có lẫn O2

Sự dát mỏng hay sự kéo nguội sẽ làm giảm điện dẫn của đồng Điện dẫn

sẽ giảm đồng thời với sự giảm của đường kính

Sự thay đổi điện dẫn tuỳ theo nhiệt độ nung nóng trở lại (ủ nhiệt): nung giữa 200 – 300oC sẽ có điện dẫn suất nhỏ hơn nhiều so với giữa 400 – 500o

C Tính chất cơ học phụ thuộc vào độ tinh khiết của đồng, phương pháp gia công, xử lý nhiệt, nhiệt độ làm việc

- Đồng cứng (không ủ): có giới hạn bền cao, độ giãn dài nhỏ, có độ cứng

và độ đàn hồi khi uốn Thuờng dùng ở những nơi cần độ bền cơ đặc biệt cao, cứng và chống mài mòn, làm phiến góp máy điện, ở chỗ tiếp xúc làm thanh dẫn thiết bị phân phối

- Đồng mềm (đồng ủ): Nung nóng đến vài trăm độ sau đó làm nguội Đồng mềm tương đối dẻo, độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhưng độ giãn dài rất lớn và điện dẫn suất cao Đồng mềm chủ yếu dùng làm lõi cáp và các cuộn dây

là nơi không cần giới hạn bền kéo lớn

Hợp kim đồng: hợp kim đồng thường gặp là đồng thau và đồng thanh

- Đồng thau: dẻo, có độ giãn dài tương đối cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết Dùng để gia công các chi tiết dẫn điện như: các đầu cực ở các bảng điện phân phối, các nối phân cách, các đầu nối đến hệ thống