›
›

Giáo trình Vật liệu điện - Lưu Hồng Quân

pdf 56 trang ngocly 130
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu điện - Lưu Hồng Quân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_vat_lieu_dien_luu_hong_quan.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu điện - Lưu Hồng Quân

  1. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän BAØI 1 TOÅNG QUAN VEÀ VAÄT LIEÄU ÑIEÄN I. Moät soá khaùi nieäm vaø ñònh nghóa veà vaät lieäu kó thuaät ñieän 1. Nguyeân lieäu Nguyeân lieäu laø nhöõng saûn phaåm ñöôïc laáy töø noâng nghieäp hoaëc töø coâng nghieäp khai thaùc töø trong thieân nhieân maø chöa qua cheá bieán 2. Vaät lieäu Vaät lieäu laø nguyeân lieäu ñaõ qua cheá bieán nguyeân lieäu ñeå trôû thaønh vaät tö cho töøng ngaønh ñöôïc cheá bieán thaønh phaåm Ví duï: ˆ Loõi theùp maùy bieán aùp. ˆ Daây daãn ñieän. ˆ Gaïch ñaù 3. Nhieân lieäu Nhieân lieäu laø vaät lieäu ñöôïc loïc töø nguyeân lieäu daàu moû. 4. Vaät lieäu kó thuaät ñieän Vaät lieäu kó thuaät ñieän hay coøn goïi ñôn giaûn laø vaät lieäu ñieän: ñöôïc duøng ñeå cheá taïo vaø söûa chöõa thieát bò ñieän töø nhöõng saûn phaåm ñaõ qua cheá bieán töø nguyeân lieäu. Ví duï: ˆ Laù theùp kó thuaät ñieän. ˆ Daây quaán ñoäng cô. ˆ Giaáy caùch ñieän Trong ngaønh ñieän ngöôøi ta söû duïng nhieàu loaïi vaät lieäu ñieän nhö: vaät lieäu daãn ñieän, vaät lieäu baùn daãn, vaät lieäu caùch ñieän, vaät lieäu daãn töø Moãi loaïi vaät lieäu coù tính chaát vaø ñaëc tính khaùc nhau cuõng nhö coù caùc yeáu toá aûnh höôûng khaùc nhau neân ñöôïc öùng duïng trong nhöõng tröôøng hôïp khaùc nhau trong ngaønh ñieän. II. Caáu taïo cuûa vaät lieäu Ñeå thaáy ñöôïc baûn chaát daãn ñieän vaø caùch ñieän cuûa vaät lieäu, chuùng ta caàn coù khaùi nieäm veà caáu taïo vaät lieäu cuõng nhö söï hình thaønh caùc phaàn töû mang ñieän trong vaät lieäu. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 1
  2. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän 1. Caáu taïo nguyeân töû Moïi vaät lieäu (vaät chaát) ñöôïc caáu taïo töø nguyeân töû vaø phaân töû. Nguyeân töû laø phaàn töû cô baûn cuûa vaät chaát. Theo moâ hình nguyeân töû cuûa Bor, nguyeân töû ñöôïc caáu taïo bôûi haït nhaân mang ñieän tích aâm chuyeån ñoäng xung quanh haït nhaân theo quyû ñaïo nhaát ñònh. Haït nhaân nguyeân töû ñöôïc taïo neân töø caùc haït proâton vaø nôtron: nôtron laø caùc haït khoâng mang ñieän tích, coøn proâton coù ñieän tích döông vôùi soá löôïng baèng Z.q. Z: soá löôïng ñieän töû cuûa nguyeân töû ñoàng thôøi cuõng laø soá thöù töï cuûa nguyeân toá nguyeân töû ñoù trong baûng tuaàn hoaøn cuûa Menñeâleâeùp. -19 q: ñieän tích cuûa ñieän töû e (qe=1,601.10 culoâng) Proâton (p) coù khoái löôïng baèng 1,67.10-27kg Electron (e) coù khoái löôïng baèng 9,1.10-31kg ÔÛ traïng thaùi bình thöôøng nguyeân töû ñöôïc trung hoaø veà ñieän, töùc laø trong nguyeân töû coù toång caùc ñieän tích döông cuûa haït nhaân baèng toång caùc ñieän tích aâm cuûa caùc ñieän töû. Neáu vì moät lyù do naøo ñoù nguyeân töû maát ñi moät hay nhieàu ñieän töû thì seõ trôû thaønh ñieän tích döông, ta thöôøng goïi laø ioân döông. Ngöôïc laïi neáu nguyeân töû trung hoaø nhaän theâm ñieän töû thì trôû thaønh ioân aâm. Ta xeùt naêng löôïng cuûa ñieän tích cuûa nguyeân töû Hydroâ coù 1 proâton vaø 1 ñieän tích. Khi ñieän töû chuyeån ñoäng treân quyû ñaïo troøn baùn kính r xung quanh haït nhaân thì ñieän töû seõ chòu löïc huùt cuûa haït nhaân f1 vaø ñöôïc xaùc ñònh bôûi coâng thöùc sau: Löïc huùt f1 seõ taïo löïc ly taâm cuûa chuyeån ñoäng f2 m: khoái löôïng cuûa ñieän töû v: laø toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa ñieän töû Ta coù f1 = f2 Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 2
  3. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Trong quaù trình chuyeån ñoäng ñieän töû coù moät ñoäng naêng: vaø moät theá naêng: Neân naêng löôïng cuûa ñieän töû seõ baèng: W= T + U Naêng löôïng toái thieåu cung caáp cho ñieän töû ñeå ñieän töû taùch ra khoûi nguyeân töû trôû thaønh ñieän töû töï do ngöôøi ta goïi laø naêng löôïng ioân hoaù (Wi). Khi bò ioân hoaù (bò maát ñieän töû), nguyeân töû trôû thaønh ioân döông. Quaù trình bieán nguyeân töû trung hoaø thaønh ioân döông vaø ñieän töû töï do goïi laø quaù trình ioân hoaù. Trong moät nguyeân töû, naêng löôïng ioân hoaù cuûa caùc lôùp ñieän töû khaùc nhau cuõng khaùc nhau, caùc ñieän töû hoaù trò ngoaøi cuøng coù möùc naêng löôïng ioân hoaù thaáp nhaát vì chuùng caùch xa haït nhaân. Khi ñieän töû nhaän ñöôïc naêng löôïng nhoû hôn naêng löôïng ioân hoaù chuùng seõ bò kích thích vaø coù theå di chuyeån töø möùc naêng löôïng naøy sang möùc naêng löôïng khaùc, song chuùng luoân coù xu theá trôû veà vò trí cuûa traïng thaùi ban ñaàu. Phaàn naêng löôïng cung caáp ñeå kích thích nguyeân töû seõ ñöôïc traû laïi döôùi daïng naêng löôïng quang naêng. Trong thöïc teá, naêng löôïng ioân hoaù vaø naêng löôïng kích thích nguyeân töû coù theå nhaän ñöôïc töø nhieàu nguoàn naêng löôïng khaùc nhau nhö nhieät naêng, quang naêng, ñieän naêng 2. Caáu taïo phaân töû Phaân töû ñöôïc caáu taïo neân töø nhöõng nguyeân töû thoâng qua caùc lieân keát phaân töû. Trong vaät chaát toàn taïi boán loaïi lieân keát: ˆ Lieân keát ñoàng hoaù trò Lieân keát ñoàng hoaù trò laø lieân keát ñöôïc ñaëc tröng bôûi söï duøng chung nhöõng ñieän töû cuûa caùc nguyeân toá trong phaân töû. Khi ñoù maät ñoä ñaùm maây ñieän töû giöõa caùc haït nhaân trôû thaønh baõo hoaø, lieân keát phaân töû beàn vöõng. Ví duï: trong phaân töû clo (Cl2) goàm 2 nguyeân töû clo, moãi nguyeân töû coù 17 ñieän töû, trong ñoù 7 ñieän töû hoaù trò ôû lôùp ngoaøi cuøng. Hai nguyeân töû naøy lieân keát beàn vöõng vôùi nhau baèng caùch söû duïng chung 2 ñieän töû, lôùp voû ngoaøi cuøng cuûa moãi nguyeân töû ñöôïc boå sung theâm moät ñieän töû cuûa nguyeân töû kia. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 3
  4. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Ngoaøi ra cuõng tuøy thuoäc vaøo caáu truùc ñoái xöùng hay khoâng ñoái xöùng maø phaân töû lieân keát ñoàng hoaù trò coù theå trung tính hay cöïc tính (löôõng cöïc). ƒ Phaân töû coù troïng taâm cuûa caùc ñieän tích döông vaø aâm truøng nhau laø phaân töû trung tính. ƒ Phaân töû coù troïng taâm cuûa caùc ñieän tích döông vaø aâm khoâng truøng nhau (coù 1 khoaûng caùch) goïi laø phaân töû cöïc tính hay löôõng cöïc. ˆ Lieân keát ion Lieân keát ion ñöôïc xaùc laäp bôûi löïc huùt giöõa caùc ion döông vaø caùc ion aâm trong phaân töû. Lieân keát ion laø lieân keát khaù beàn vöõng . Do vaäy, vaät raén coù caáu taïo ion ñaëc tröng bôûi ñoä beàn cô hoïc vaø nhieät ñoä noùng chaûy cao. Ví duï nhö tinh theå ion laø caùc muoái halogen cuûa kim loaïi kieàm. Khaû naêng taïo neân moät chaát hoaëc moät hôïp chaát maïng khoâng gian naøo ñoù phuï thuoäc chuû yeáu vaøo kích thöôùc nguyeân töû vaø hình daùng lôùp ñieän töû hoaù trò ngoaøi cuøng. ˆ Lieân keát kim loaïi Daïng lieân keát naøy taïo neân caùc tinh theå vaät raén. Kim loaïi ñöôïc xem nhö laø moät heä thoáng caáu taïo töø caùc ioân döông naèm trong moâi tröôøng caùc ñieän töû töï do. Löïc huùt giöõa caùc ioân döông vaø caùc ñieän töû taïo neân tính nguyeân khoái kim loaïi. Chính vì vaäy lieân keát kim loaïi laø lieân keát beàn vöõng, kim loaïi coù ñoä beàn vöõng cô hoïc vaø nhieät ñoä noùng chaûy cao. Löïc huùt giöõa caùc ion döông vaø caùc ñieän töû ñaõ taïo neân tính nguyeân khoái cuûa kim loaïi. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 4
  5. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Söï toàn taïi caùc ñieän töû töï do laøm cho kim loaïi coù tính aùnh kim vaø tính daãn ñieän, daãn nhieät cao. Tính deûo cuûa kim loaïi ñöôïc giaûi thích bôûi söï dòch chuyeån vaø tröôït treân nhau giöõa caùc lôùp ion, cho neân kim loaïi deã caùn, keùo thaønh lôùp moûng. ˆ Lieân keát Vandec - Vanx Lieân keát naøy laø daïng lieân keát yeáu, caáu truùc maïng tinh theå phaân töû khoâng vöõng chaéc. Do vaäy, nhöõng lieân keát Vandec–Vanx coù nhieät ñoä noùng chaûy vaø ñoä beàn cô thaáp nhö parafin. III. Phaân loaïi vaät lieäu ñieän 1. Phaân loaïi theo khaû naêng daãn ñieän ƒ Vaät lieäu caùch ñieän (ñieän moâi) Laø chaát coù vuøng caám lôùn ñeán möùc ôû ñieàu kieän bình thöôøng söï daãn ñieän baèng ñieän töû khoâng xaûy ra. Caùc ñieän töû hoaù trò tuy ñöôïc cung caáp theâm naêng löôïng cuûa chuyeån ñoäng nhieät vaãn khoâng theå di chuyeån tôùi vuøng töï do ñeå tham gia doøng ñieän daãn. Chieàu roäng cuûa vuøng caám ñieän moâi naèm trong khoaûng töø 1,5 ñeán vaøi ñieän töû voân (eV). Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 5
  6. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ƒ Vaät lieäu baùn daãn Laø chaát coù vuøng caám heïp hôn so vôùi ñieän moâi, vuøng naøy coù theå thay ñoåi nhôø taùc ñoäng beân ngoaøi. Chieàu roäng vuøng caám beù UW= 0,2 – 1,5eV Do ñoù ôû nhieät ñoä bình thöôøng moät soá ñieän töû hoaù trò ôû trong vuøng ñaày ñöôïc tieáp söùc chuyeån ñoäng nhieät coù theå di chuyeån tôùi vuøng töï do ñeå tham gia doøng ñieän daãn ƒ Vaät lieäu daãn ñieän (vaät daãn) Laø chaát coù vuøng töï do naèm saùt vôùi vuøng ñaày thaäm chí coù theå naèm choàng leân vuøng ñaày (UW< 0,2eV). Vaät daãn ñieän coù soá löôïng ñieän töû töï do raát lôùn ôû nhieät ñoä bình thöôøng caùc ñieän töû hoaù trò trong vuøng ñaày coù theå chuyeån sang vuøng töï do raát deã daøng, döôùi taùc duïng cuûa löïc ñieän tröôøng caùc ñieän töû naøy tham gia vaøo doøng ñieän daãn. Chính vì vaäy vaät daãn coù tính daãn ñieän toát. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 6
  7. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän 2. Phaân loaïi theo töø tính Coù 3 loaïi nhö sau: ˆ Nghòch töø: laø nhöõng chaát coù ñoä töï thaåm μ 1 vaø phuï thuoäc vaøo cöôøng ñoä töø tröôøng beân ngoaøi. Loaïi naøy goàm coù: saét, niken, coban, vaø caùc hôïp kim cuûa chuùng, hôïp kim crom vaø mangan, pherit coù caùc thaønh phaàn khaùc nhau. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 7
  8. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän BAØI 2 VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN I. Khaùi nieäm chung Vaät lieäu daãn ñieän laø vaät chaát maø ôû traïng thaùi bình thöôøng noù coù theå chuyeån taûi ñieän naêng tôùi caùc thieát bò ñieän vaø khi ñaët noù trong töø tröôøng hoaëc kích thích bôûi naêng löôïng töø beân ngoaøi noù seõ taïo ra moät doøng ñieän. Vaät lieäu daãn ñieän coù theå laø nhöõng vaät raén, loûng vaø trong nhöõng ñieàu kieän nhaát ñònh coù theå laø chaát khí. Vaät lieäu daãn ñieän ôû theå raén laø caùc kim loaïi vaø caùc hôïp kim. Giaûi thích hieän töôïng daãn ñieän baèng thuyeát ñieän töû Theo thuyeát ñieän töû vaät theå caáu taïo bôûi caùc nguyeân töû trong nguyeân töû coù caùc haït nhaân ôû giöõa trong nhaân coù 2 haït: proton (+, p) vaø nôtron (0, n). Ngoaøi haït nhaân coù caùc ñieän töû töï do mang ñieän tích aâm electron (- , e). Soá löôïng nhieàu hay ít tuøy thuoäc vaøo nguyeân töû, electron luoân quay haït nhaân theo quyû ñaïo elíp. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 8
  9. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ÔÛ traïng thaùi bình thöôøng trung hoaø veà ñieän thì p vaø e baèng nhau, khi bò kích thích bôûi naêng löôïng ngoaøi thì soá ñieän töû e moät phía rôøi boû nguyeân töû cuûa mình ñeán nhaäp vaøo nguyeân töû khaùc ôû phía khaùc. Nguyeân töû maát e thì coù tính döông lôùn hôn tính aâm neân trôû thaønh nguyeân töû tính ñieän döông vaø taïo ra mieàn döông. Coøn nguyeân töû ñöôïc e thì tính aâm lôùn hôn tính döông neân trôû thaønh mieàn aâm. Vaäy neáu vaät chaát ñaët döôùi söï taùc duïng cuûa moät naêng löôïng beân ngoaøi seõ taïo ra 2 mieàn ion aâm vaø döông, ñoù laø hieäu ñieän theá cuûa nguoàn ñieän. Neáu vaät chaát ñaët trong 1 ñieän tröôøng vaø ñöôïc noái baèng moät daây daãn thì caùc e seõ tôùi taáp ñaåy veà moät phía neân vaät daãn ñieän. Tuy nhieân coù moät soá vaät chaát ôû ñieàu kieän bình thöôøng coù raát ít ñieän töû e, hôn nöõa e thöôøng gaén boù chaët cheõ vaøo nhaèm raát khoù rôøi sang nguyeân töû khaùc, neân noù daãn ñieän coù ñieàu kieän. II. Phaân loaïi vaät lieäu daãn ñieän ˆ Loaïi 1: vaät lieäu daãn ñieän ôû theå raén, chuû yeáu laø caùc kim loaïi (Cu, Al, Zn ) vaø hôïp kim (hôïp kim ñoàng, hôïp kim nhoâm ) tröø thuyû ngaân ôû theå loûng. ˆ Loaïi 2: vaät lieäu daãn ñieän ôû theå loûng, chuû yeáu laø caùc chaát ñieän phaân, nhö caùc dung dòch xít, dung dòch kieàm, dung dòch muoái ˆ Loaïi 3: vaät lieäu daãn ñieän ôû theå khí, töùc laø caùc khí ôû ñieän tröôøng lôùn taïo neân ion hoaù, nhö chaát khí trong boùng ñeøn ñieän huyønh quang, haøn ñieän III. Caùc thoâng soá cuûa vaät daãn ñieän vaø caùc ñaëc ñieåm chung 1. Caùc thoâng soá kyõ thuaät cuûa vaät lieäu daãn ñieän ™ Ñieän trôû suaát: laø ñieän trôû daây daãn coù chieàu daøi 1m (hay 1km ), tieát dieän 1mm2 ôû nhieät ñoä 200C. Thoâng thöôøng khi tính thoâng soá kyõ thuaät cuûa vaät lieäu ngöôøi ta thöôøng laáy nhieät ñoä chuaån ôû 200C vì ôû nhieät ñoä naøy vaät chaát ít bò bieán ñoåi nhaát. 2 2 Ví duï: pAg = 0,016 Ωmm /m =16Ωmm /km 2 2 pCu = 0,018 Ωmm /m =18Ωmm /km 2 2 pAu = 0,022 Ωmm /m =22Ωmm /km 2 2 pAl = 0,026 Ωmm /m =26Ωmm /km Töùc 1 m (hay 1 km), coù tieát dieän laø 1mm2 thì Al coù ñieän trôû laø 0,026Ω ™ Ñieän daãn suaát: laø nghòch ñaûo cuûa ñieän trôû suaát noùi leân khaû naêng daãn ñieän cuûa moät ñôn vò daây daãn. ™ Ñieän trôû cuûa daây daãn: thöôøng ñöôïc tính trong 2 tröôøng hôïp ƒ Tröôøng hôïp daây daãn chöa coù doøng ñieän ñi qua thì ñieän trôû naøy goïi laø ñieän trôû trong daây daãn vaø ñöôïc tính theo coâng thöùc nhö sau: Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 9
  10. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Ví duï: 1km daây ñoàng, tieát dieän 20mm2 coù ñieän trôû laø: R = 0,018.1000/20 = 18.1/20=0,9Ω ƒ Tröôøng hôïp khi daây daãn coù doøng ñieän chaïy qua, khi ñoù ta tính ñieän trôû baèng ñònh luaät ohm Ñieän daãn laø nghòch ñaûo cuûa ñieän trôû noùi leân khaû naêng daãn ñieän cuûa vaät lieäu, ñöôïc kí hieäu laø G hay Y 2. Ñaëc ñieåm chung ƒ ÔÛ nhieät ñoä 00K (hay -2730C) ñieän trôû cuûa kim loaïi giaûm ñoät ngoät theå hieän hieän töôïng sieâu daãn, noù coù ñieän trôû gaàn baèng khoâng. ƒ Ñieän trôû cuûa kim loaïi vaø hôïp kim taêng theo nhieät ñoä. Tuy nhieân coù 1 soá dung dòch ñieän phaân vaø caùc bon seõ giaûm theo nhieät ñoä. ƒ Khi nung noùng hoaëc noùng chaûy ñieän trôû cuûa kim loaïi taêng leân nhieàu, tuy nhieân moät soá kim loaïi coù ñieän trôû khoâng taêng nhö: gali, caùc bon, angtigon ƒ Khi keo, neùn, taùc duïng cuûa aùnh saùng hay aûnh höôûng cuûa töø tröôøng thì ñieän trôû suaát cuûa cuûa vaät lieäu daãn ñieän cuõng bò thay ñoåi. ƒ Khi tieáp xuùc hai kim loaïi khaùc nhau thì giöõa chuùng sinh ra moät hieäu ñieän theá, ñaây chính laø hieän töôïng aên moøn ñieän hoaù ôû ñieåm noái. Ngöôøi ta öùng duïng noù phaùt ra nguoàn ñieän khi nung noùng nôi tieáp giaùp, nhöng thöôøng trong moät maïch ñieän khoâng ñöôïc noái giöõa 2 kim loaïi khaùc nhau, hieän töôïng naøy goïi laø hieän töôïng ngaãu nhieät. IV. Moät soá tính chaát kim loai vaø hôïp kim Ñeå cheá taïo ra thieát bò ñieän ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc kim loaïi vaø hôïp kim. Coù theå chia kim loaïi vaø hôïp kim ra goàm hai loaïi: loaïi ñen (goàm caùc kim loaïi nhö gang, theùp, saét ) vaø loaïi maøu (goàm vaøng, baïc, ñoàng, nhoâm ). Nhöng trong thöïc teá hôïp kim cuûa kim loaïi vaãn ñöôïc söû duïng nhieàu hôn kim loaïi nguyeân chaát, bôûi vì: ƒ ÔÛ nhieät ñoä cao thì ñoä daãn ñieän, ñoä beàn vaø ñoä cöùng ñeàu giaûm. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 10
  11. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ƒ Ñoä giaûn nôû nhieät ñoä cuûa lim loaïi lôùn neân khoâng theå duøng cho thieát bò coù nguyeân toá chính xaùc. ƒ Tính coâng ngheä keùm: khoù keùo, khoù gia coâng. Ví duï: trong thöïc teá ngöôøi ta duøng Fe keát hôïp vôùi C vaø moät soá nguyeân toá khaùc ñeå taïo thaønh gang (cöùng, chòu maøi moøn cao ) hay theùp (cöùng, chòu uoán neùn ). Moät soá tính chaát chung cuûa kim loaïi vaø hôïp kim 1. Tính chaát lí hoïc ƒ Daãn ñieän toát, theo thöù töï: baïc, ñoàng, vaøng, nhoâm ƒ Daãn nhieät toát, theo thöù töï: baïc, ñoàng, vaøng, nhoâm ƒ Giaûn nôû do nhieät toát: noùng nôû, laïnh co ƒ Coù maøu saùng: vaøng (maøu vaøng), baïc (maøu baïc), nhoâm (maøu traéng), thieát (maøu traéng baïc) ƒ Khoù bò aên moøn bôûi khoâng khí, nöôùc ôû nhieät ñoä bình thöôøng. ƒ Coù ñoä saùng toát. ƒ Deã gia coâng. ƒ Coù tyû khoái vaø nhieät ñoä noùng chaûy cuõng nhö ñieän trôû suaát khaùc nhau cuûa moãi kim loaïi. ƒ Tính nhieãm töø toát: coù khaû naêng nhieãm töø khi ñaët vaøo trong töø tröôøng nhöng chæ coù Fe, hôïp kim cuûa Fe, coban vaø niken. 2. Tính chaát cô hoïc Deûo, deã daùt moûng, deã keùo sôïi, gia coâng deã daøng 3. Tính coâng ngheä Deã caét, goït, ñuùc, reøn nhieät luyeän ñeå taêng cöôøng tính chaát cuûa chuùng. 4. Tính chaát hoaù hoïc ƒ Taùc duïng vôùi oxy taïo thaønh oxít kim loaïi (taïo lôùp oxít ñeå baûo veä cho kim loaïi beân trong. ƒ Taùc duïng vôùi axít. ƒ Taùc duïng vôùi muoái. V. Moät soá kim loaïi vaø hôïp kim thoâng duïng 1. Ñoàng (Cu) Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 11
  12. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ) Ñoàng coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pCu = 0,018 Ωmm /m =18Ωmm /km (nhöng lôùn hôn baïc). ƒ Hoaù trò: 2 ƒ Khoái löôïng rieâng: 8,98 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 10840C ƒ Nhieät ñoä soâi: 25620C ƒ Nheï, deã daùt moûng, deã gia coâng, deã bieán daïng khi va chaïm. ƒ Haøn gaén deã daøng. ƒ Tieáp xuùc moâi tröôøng khí taïo neân lôùp oxit ñoàng boïc beân ngoaøi ñeå baûo veä. ƒ Tan trong dung dòch kieàm, bò ñieän hoaù trong khoâng khí aåm ) ÖÙng duïng: ¾ Ñoàng tinh khieát: coù maøu ñoû nhaït, saùng daãn ñieän vaø nhieät toát, deã gia coâng keùo sôïi neân ñöôïc söû duïng laøm daây daãn ñieän. ¾ Ñoàng thanh: laø ñoàng tinh khieát keát hôïp vôùi 1 löôïng nhoû thieát, keõm, silic, phoátpho, beri, croâm, magieâ, cañmi Ñoàng thanh coù ñieän trôû suaát lôùn hôn ñoàng tinh khieát choáng aên moøn toát, ñaøn hoài toát, chòu beàn nhieät, chòu beàn löïc Neân chuû yeáu söû duïng laøm coå goùp ñieän, choåi than, loø xo daãn ñieän trong caùc cô caáu ño löôøng ¾ Ñoàng thau: laø ñoàng tinh khieát keát hôïp vôùi 1 soá chaát nhö treân nhöng vôùi soá löôïng ít hôn (chuû yeáu laø keõm ít hôn). Ñoàng thau beàn, dai, cöùng Neân thöôøng duøng laøm moät soá chi tieát daãn ñieän nhö: ñuoâi ñeøn, caàu chì, ñai oác, caùc thanh caùi daãn ñieän Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 12
  13. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän 2. Nhoâm (Al) ) Sau ñoàng, nhoâm laø vaät lieäu quan troïng thöù hai ñöôïc söû duïng trong kyõ thuaät ñieän, nhoâm coù ñieän daãn suaát cao (sau ñoàng vaø baïc). Nhoâm coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pAl = 0,026 Ωmm /m =26Ωmm /km. ƒ Hoaù trò: 3 ƒ Khoái löôïng rieâng: 2,79 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 6600C ƒ Nhieät ñoä soâi: 25190C ƒ Maøu traéng. ƒ Nheï, deã daùt moûng, deã gia coâng, deã bieán daïng khi va chaïm. ƒ Tieáp xuùc moâi tröôøng khí taïo neân lôùp oxit ñoàng boïc beân ngoaøi ñeå baûo veä. ƒ Tan trong dung dòch kieàm (khoâng tan trong nöôùc), bò ñieän hoaù trong khoâng khí aåm coù khí caùcbonít, amoniac ) ÖÙng duïng: ¾ Laøm daây daãn ñieän, ñeå taêng ñoä cöùng vaø chaéc ngöôøi ta duøng hôïp kim nhoâm, hay ngöôøi ta duøng daây nhoâm boïc theùp ¾ Laøm caùc chi tieát maùy, khí cuï ñieän, thanh ngaén maïch (roâto loàng soùc), tuï ñieän, ñaàu moái noái (deã noái, toaû nhieät toát). ¾ Laøm hôïp kim ñuy–ra: nheï, cöùng ¾ Moät soá cô caáu ño do nheï: maët thang ño cuûa caùc ñoàng hoà ño löôøng. ) So saùnh vôùi ñoàng: Nhöôïc ñieåm: ¾ Khoù haøn hôn. ¾ Cuøng moät ñoä daøi, cuøng moät tieát dieän thì ñieän trôû cuûa nhoâm gaáp 1,63 laàn so vôùi ñoàng. ¾ Khi nhoâm ñoàng tieáp xuùc nhau, neáu bò aåm seõ taïo thaønh pin cuïc boä coù trò soá suaát ñieän ñoäng khaù cao, doøng ñieän ñi töø daây nhoâm sang daây ñoàng phaù huyû moái tieáp xuùc raát nhanh. Öu ñieåm: ¾ Giaù thaønh thaáp. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 13
  14. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ¾ Troïng löôïng nheï neân thöôøng duøng ñeå cheá taïo daây daãn trong truyeàn taûi treân khoâng ñeå giaûm ñöôïc hieän töôïng phoùng vaàng quang vì coù ñöôøng kính daây lôùn (daây nhoâm boïc theùp). 3. Saét (Fe) ) Saét coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát: pFe = 0,13 Ωmm /m =130Ωmm /km. ƒ Hoaù trò: 2, 3 ƒ Khoái löôïng rieâng: 7,86 g/cm3 ƒ Naëngï, khoù daùt moûng, khoù gia coâng, khoù bieán daïng hôn so vôùi ñoàng vaø nhoâm. ƒ Tieáp xuùc moâi tröôøng khí taïo neân lôùp oxit saét boïc beân ngoaøi deã taïo thaønh gæ. ƒ Theùp (saét coâng nghieäp) laø kim loaïi reû tieàn vaø deã kieám, noù coù ñoä beà cô cao, do ñoù noù cuõng ñöôïc chuù yù laøm vaät daãn. Nhöng chuùng coù ñieän trôû suaát töông ñoái lôùn hôn raát nhieàu so vôùi ñoàng hoaëc nhoâm, coøn saét coù laãn taïp chaát thì ñieän trôû suaát lôùn hôn so vôùi saét tinh khieát. ƒ Doøng ñieän xoay chieàu trong theùp seõ gaây ra hieäu öùng beà maët ñaùng keå, vì vaäy ñieän trôû daây theùp ñoái vôùi doøng xoay chieàu cao hôn ñieän trôû cuûa noù ñoái vôùi doøng moät chieàu. Ngoaøi ra doøng ñieän xoay chieàu trong theùp coøn gaây ra toån thaát töø treå. ) ÖÙng duïng: ¾ Cheá taïo gang: laø hôïp kim cuûa saét (saét, caùc bon, si líc, man gan, phoát pho, löu huyønh ). Trong ñoù caùc bon töø 2 ñeán 6%. Gang coù ñoä cöùng cao, gioøn, naëng hôn saét Thöôøng duøng ñeå choáng aên moøn, laøm voû, thaân ñoäng cô ¾ Cheá taïo theùp: coù thaønh phaàn gioáng gang nhöng tyû leä caùc bon thaáp hôn. Theùp coù ñoä ñaøn hoài cao, beàn dai Thöôøng duøng laøm loø xo, truïc maùy, coät ñieän, noài hôi, keát hôïp vôùi daây ñoàng hay daây nhoâm trong daãn ñieän (nhaèm taêng ñoä beàn cô) – hôïp kim. ¾ Cheá taïo hôïp kim theùp choáng gæ. ¾ Laøm theùp kyõ thuaät ñieä: laøm maïch töø trong maùy bieán aùp ¾ Laøm thanh daãn: ñöôøng ray taøu ñieän, ñöôøng saét chaïy ñieän, taøu ñieän ngaàm 4. Vonfram (W) ) Vonfram coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 14
  15. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pW = 0,053 Ωmm /m =53Ωmm /km. ƒ Hoaù trò: 2, 3, 4, 5, 6 ƒ Khoái löôïng rieâng: 4,5 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 34220C ƒ Nhieät ñoä soâi: 55550C ƒ Laø kim loaïi cöùng, raát naëng. ƒ Maøu xaùm. ƒ ÔÛ 7000C bò oxi hoaù taïo thaønh lôùp oxít traéng. ) ÖÙng duïng: duøng cheá taïo daây toùc boùng ñeøn, daây ñieän trôû, tieáp ñieåm vì: ¾ Chòu ñöôïc nhieät ñoä cao. ¾ OÅn ñònh luùc laøm vieäc. ¾ Ñoä maøi moøn cô nhoû do vaät lieäu coù ñoä cöùng cao. ¾ Coù khaû naêng choáng laïi taùc duïng cuûa hoà quang, khoâng laøm dính caùc tieáp ñieåm do khoù noùng chaûy. ¾ Ñoä aên moøn beà maët nhoû ) Coù moät soá nhöôïc ñieåm: ¾ ÔÛ ñieàu kieän khí quyeån taïo thaønh maøng oxít. ¾ Caàn coù aùp löïc tieáp xuùc lôùn ñeå coù ñieän trôû tieáp xuùc nhoû. 5. Vaøng (Au) ) Vaøng coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pAu = 0,022 Ωmm /m =22Ωmm /km ƒ Hoaù trò: 1 ƒ Khoái löôïng rieâng: 19,31 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 10640C ƒ Nhieät ñoä soâi: 28560C ƒ Laø kim loaïi coù ñoä deûo cao. ƒ Maøu vaøng saùng choùi. ƒ Khoâng bieán chaát khi tieáp xuùc vôùi khoâng khí. ƒ Deã gia coâng, deã daùt moûng. ƒ Ít maøi moøn. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 15
  16. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ) ÖÙng duïng ¾ Vaøng ñöôïc duøng laøm caùc tieáp ñieåm quan troïng. ¾ Laøm caùc tieáp ñieåm choáng aên moøn. ¾ Laøm ñieän cöïc cuûa teá baøo quang ñieän. ¾ Vaøng laø vaät lieäu quyù hieám vaø ñaéc tieàn neân trong kyõ thuaät ñieän duøng khi raát caàn thieát. 6. Baïc (Ag) ) Baïc coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pAu = 0,016 Ωmm /m =16Ωmm /km ƒ Hoaù trò:1 ƒ Khoái löôïng rieâng: 10,5 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 9610C ƒ Nhieät ñoä soâi: 21620C ƒ Maøu tro traéng vaø hôi xaùm. ƒ Khoâng bò oxi hoaù ôû ñieàu kieän bình thöôøng. ƒ Ít bò maøi moøn. ƒ Daãn ñieän vaø nhieät toát. ƒ Ñoä beàn hoaù hoïc thaáp hôn 1 soá kim loaïi khaùc. ) ÖÙng duïng ¾ Laøm tieáp ñieåm quan troïng caàn coù doøng ñieän nhoû. ¾ Laøm baûn cöïc trong tuï goám, tuï mica 7. Keõm (Zn) ) Keõm coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pAu = 0,088 Ωmm /m =88Ωmm /km ƒ Hoaù trò: 2 ƒ Khoái löôïng rieâng: 7,14 g/cm3 ƒ Maøu tro xaùm hôi traéng. ƒ Taùc duïng vôùi khoâng khí taïo thaønh oxít keõm, töï baûo veä khoâng cho aên moøn beân trong. ƒ Deã gia coâng, deã daùt moûng. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 16
  17. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ƒ Khaû naêng daãn ñieän nhieät sau baïc, ñoàng vaøng, nhoâm. ) ÖÙng duïng ¾ Duøng lôùp maï baûo veä. ¾ Laøm ñieän cöïc cuûa teá baøo quang ñieän. ¾ Giaáy kim loaïi trong caùc tuï ñieän. ¾ Laøm caàu chì trong caùc maùy coâng nghieäp. ¾ Coù theå cheá taïo daây daãn thay daây ñoàng, nhoâm khi coù ñoàng nhoâm trong hôïp kim cuûa keõm. 8. Chì (Pb) ) Chì coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pAu = 0,205 Ωmm /m =205Ωmm /km ƒ Hoaù trò: 2, 4. ƒ Khoái löôïng rieâng: 11,34 g/cm3 ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 3270C ƒ Nhieät ñoä soâi: 17490C ƒ Maøu tro xaùm, ngaõ xanh da trôøi. ƒ Meàm, deã uoán. ƒ Bay hôi ñoäc. ƒ Daãn ñieän toát. ) ÖÙng duïng ¾ Duøng laøm caàu chì baûo veä. ¾ Duøng laøm phieán chì trong aùc quy. ¾ Duøng baûo veä caùp ngaàm. ¾ Laøm khuoân ñuùc. ¾ Laøm maøn baûo veä. ¾ Ñeå haøn. ) Hieän nay ngöôøi ta thay theá voû chì cuûa caùc saûn phaåm caùp baèng chaát deûo polyvinilclorua. 9. Thieát (Sn) ) Thieát coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 17
  18. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän -6 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pSn = 21,5.10 Ωmm /m. ƒ Hoaù trò: 2, 4. ƒ Khoái löôïng rieâng: 7,28 g/cm3. ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: 2310C ƒ Nhieät ñoä soâi: 28020C ƒ Maøu traéng baïc. ƒ Deã daùt moûng, deã uoán neùn. ƒ Oxi hoaù chaäm, khoâng bò taùc duïng bôûi axít vaø kieàm. ) ÖÙng duïng: ¾ Duøng laøm lôùp baûo veä boïc kim loaïi (traùng thieát). ¾ Caàu chì thieát. ¾ Laøm ñoàng thanh. ¾ Laøm hôïp kim ñeå haøn. ¾ Duøng laøm baûn cöïc trong tuï ñieän. ¾ Giaáy chì choáng aåm 10. Thuyû ngaân (Hg) ) Thuyû ngaân laø kim loaïi duy nhaát ôû traïng thaùi loûng ôû ñieàu kieän bình thöôøng, thuyû ngaân coù moät soá ñaëc ñieåm nhö sau: 2 ƒ Ñieän trôû suaát nhoû: pHg = 0,952 Ωmm /m. ƒ Khoái löôïng rieâng: 13,5 g/cm3. ƒ Nhieät ñoä noùng chaûy: -380C ƒ Nhieät ñoä soâi: 3560C. ƒ Daïng loûng. ƒ Maøu traéng. ƒ Khoâng taùc duïng vôùi khoâng khí ôû ñieàu kieän bình thöôøng. ƒ Hôi vaø hôïp chaát cuûa thuyû ngaân raát ñoäc. ƒ Thuyû ngaân hoaø tan ñöôïc trong nhieàu kim loaïi, nhöng khoâng hôïp kim ñöôïc vôùi saét. ƒ Hoaø tan ñöôïc trong axít HNO3, H2SO4 ) ÖÙng duïng Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 18
  19. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ¾ Duøng laøm nhieät keá. ¾ Duøng laøm ñeøn thuyû ngaân cao aùp, thaáp aùp. ¾ Duøng laøm trong y hoïc, phaùt tia cöïc tím. ¾ Duøng trong ñeøn maùy phoâ-toâ-coùp-pi. ¾ Duøng laøm caùc ñieän cöïc trong chaát loûng. 11. Niken (Ni) ) Niken laø kim loaïi aùnh baïc traéng coù khoái löôïng rieâng nhö ñoàng, ñöôïc söû duïng nhieàu trong kyõ thuaät ñieän chaân khoâng vì noù deã ñieàu cheá tinh khieát (99,99% Ni), hoaëc ñöa vaøo caùc hôïp kim ñaëc bieät vôùi caùc thaønh phaàn phuï silic, mangan ) Niken khoâng nhöõng ñöôïc duøng trong kyõ thuaät ñieän chaân khoâng, maø coøn ñöôïc duøng laøm moät thaønh phaàn trong haøng loaït caùc hôïp kim daãn ñieän vaø daãn töø, cuõng nhö caùc lôùp boïc baûo veä vaø trang trí caùc saûn phaåm baèng saét. Ñoâi khi niken coøn duøng ñeå saûn xuaát caùc chi tieát söôûi noùng. 12. Baïch kim (Platin) ) Baïch kim laø kim loaïi khoâng keát hôïp vôùi oxi vaø raát beàn vöõng vôùi thuoác thöû hoaù hoïc. Baïch kim raát deã gia coâng cô khí, keùo thaønh sôïi maûnh vaø taám moûng. ) Baïch kim duøng ñeå saûn xuaát caëp nhieät ôû nhieät ñoä laøm vieäc ñeán 16000C (trong caëp coù hôïp kim platinoroñi). ) Baïch kim coù sôïi ñaëc bieät maûnh, ñöôøng kính 0,001 mm, duøng ñeå treo heä thoáng ñoäng trong caùc ñoàng hoà ñieän vaø caùc duïng cuï ño coù ñoä nhaïy cao. ) Baïch kim coù ñoä cöùng thaáp, neân baïch kim tinh khieát ít khi duøng laøm tieáp ñieåm, nhöng hôïp kim cuûa noù thì duøng laøm tieáp ñieåm. Phoå bieán nhaát laø platin – inñi, noù khoâng bò oâxi hoaù, coù ñoä cöùng cao, ít bò aên moøn cô hoïc, cho pheùp ñoùng caét vôùi taàn soá lôùn. Nhöng nhöôïc ñieåm cuûa noù laø ñaéc tieàn, neân chæ söû duïng trong tröôøng hôïp quan troïng. 13. Moâlípñen ) Moâlípñen laø kim loaïi, nhìn beà ngoaøi cuõng gaàn gioáng nhö voânfram, nhöng ñöôïc duøng trong chaân khoâng ôû nhieät ñoä thaáp hôn voânfram. Caùc chi tieát nung baèng moâlípñen phaûi laøm vieäc trong chaân khoâng hay trong moâi tröôøng khöû. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 19
  20. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ) Ñeå phaân bieät vôùi voânfram thì döïa vaøo khoái löôïng rieâng: moâlípñen coù khoái löôïng rieâng nhoû hôn voânfram, ngoaøi ra cuõng coù theå ñoát thöû daây caàn thöû trong ngoïn löûa ñeøn coàn neáu coù khoùi traéng boác leân thì ñoù laø moâlípñen. 14. Cañmi ) Cañmi laø kim loaïi maøu traéng baïc, noù coù trong quaëng keõm vaø ñöôïc ñieàu cheá nhö moät saûn phaåm phuï keõm, sau ñoù ñöôïc tinh cheá baèng ñieän phaân. ) Cañmi ñöôïc duøng trong kyõ thuaät ñieän chaân khoâng ñeå saûn xuaát teá baøo quang ñieän. Noù coù thaønh phaàn cuûa nhieàu loaïi thuoác haøn, ñoàng thanh duøng trong saûn xuaát pin vaø duøng trong laøm chaäm loø phaûn öùng haït nhaân. VI. Thuoác haøn vaø chaát laøm chaûy 1. Chaát haøn ) Chaát haøn laø hôïp kim ñaëc bieät duøng khi haøn. Haøn nhaèm muïc ñích taïo choã noái coù ñoä beàn cô hay ñeå coù ñoä kín, hoaëc ñeå coù tieáp xuùc ñieän vôùi ñieän trôû nhoû. ) Chaát haøn chia thaønh hai nhoùm chính: meàm vaø cöùng. Chaát haøn meàm coù nhieät ñoä noùng chaûy ñeán 4000C, coøn chaát haøn cöùng coù nhieät ñoä noùng chaûy treân 5000C. ) Chaát haøn meàm laø hôïp kim chì – thieát coù töø 18% ñeán 90% thieác, ñieän daãn suaát caùc chaát haøn coù trò soá töø 9 ñeán 13% ñieän daãn suaát cuûa ñoàng tinh khieát. Chaát haøn meàm coù chaát phuï laø nhoâm, baïc. Ñeå chaát haøn deã noùng chaûy hôn trong thaønh phaàn coù theâm bismut vaø cañmi, duøng ñeå haøn ôû nhieät ñoä thaáp nhöng coù ñoä beàn cô yeáu. ) Chaát haøn cöùng phoå bieán nhaát laø ñoàng – keõm vaø baïc. 2. Chaát laøm chaûy Chaát laøm chaûy laø vaät lieäu phuï ñeå moái haøn ñöôïc ñaûm baûo, chuùng phaûi: ) Hoaø tan, khöû oxít vaø chaát baån ôû beà maët kim loaïi ñöôïc haøn. ) Baûo veä beà maët kim loaïi trong quaù trình haøn, cuõng nhö chaát haøn noùng chaûy khoûi bò oxi hoaù. ) Giaûm löïc caêng maët ngoaøi chaát haøn noùng chaûy. a. Chaát giuùp chaûy hoaït tính hay chaát giuùp chaûy axít Thaønh phaàn chính laø chaát coù hoaït tính, ñoù laø axit clohyñrit, caùc hôïp chaát florua vaø clorua cuûa caùc kim loaïi Caùc chaát chaûy naøy laøm tan maïnh lôùp maøng oxít treân beà maët kim loaïi, vì vaäy ñaûm baûo dính toát, do ñoù moái haøn coù Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 20
  21. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ñoä beàn cô cao. Nhöng nhöôïc ñieåm cuûa chaát laøm chaûy coøn laïi laø laøm aên moøn kim loaïi vaø chaát haøn. Vì vaäy noù chæ söû duïng trong tröôøng hôïp coù khaû naêng röûa thaät saïch vaø loaïi boû hoaøn toaøn phaàn coøn soùt laïi cuûa chaát giuùp chaûy naøy. b. Chaát giuùp chaûy khoâng coù axít Loaïi naøy coù nhöïa thoâng vaø nhöõng chaát giuùp chaûy goác nhöïa thoâng cuøng vôùi nhöõng chaát phuï khoâng hoaït tính nhö coàn, glyxeârin. c. Chaát giuùp chaûy hoaït hoaù Loaïi naøy goàm coù caùc chaát giuùp chaûy maø thaønh phaàn chuû yeáu laø nhöïa thoâng vaø caùc chaát hoaït hoaù nhö moät löôïng nhoû axít nitôríc nhôø hoaït tính cao, chaát giuùp chaûy hoaït hoaù cho pheùp haøn sau khi khöû heát daàu môõ maø khoâng caàn khöû oxi. d. Chaát giuùp choáng gæ Loaïi naøy thaønh phaàn chuû yeáu laø axít phoátphoric, vôùi caùc hôïp chaát höõu cô vaø dung moâi phuï khaùc nhau, cuõng nhö caùc chaát choáng gæ thaønh phaàn chuû yeáu laø caùc axit höõu cô. Phaàn soùt laïi cuûa caùc chaát giuùp chaûy naøy khoâng gaây aên moøn. VII. Löôõng kim loaïi 1. Khaùi nieäm Vaät lieäu ñöôïc cheá taïo baèng hai kim loaïi gheùp chaët cheõ vôùi nhau goïi laø vaät lieäu löôõng kim loaïi ta thöôøng goïi taét laø löôõng kim. Vì löôõng kim coù nhöõng tính naêng thöïc teá neân ñöôïc cheá taïo trong caùc öùng duïng. 2. Moät soá löôõng kim loaïi vaø öùng duïng cuûa noù ˆ Daây daãn löôõng kim ñoàng – theùp: ngöôøi ta thöïc hieän laøm daây daãn baèng vaät lieäu löôõng kim ñoàng–theùp. Ñoái vôùi ñöôøng daây thoâng tin lieân laïc coù ñöôøng kính 4 cm loaïi daây naøy coù theùp troøn ôû giöõa vaø ñoàng boïc xung quanh, nhö vaäy seõ ñaûm baûo veà söùc beàn. Ngoaøi ra löôõng kim coøn laøm thanh goùp trong caùc thieát bò ñeå noái. ˆ Daây daãn löôõng kim ñoàng–nhoâm: duøng trong caùc caáu truùc loø söôûi ñieän vaø caùc chi tieát ñeå noái vì loaïi naøy raát deã haøn. Vaät lieäu löôõng kim naøy coøn cheá taïo trong caùc trang thieát bò nhö cuoän daây ang-ten, boä caûm bieán ˆ Thanh löôõng kim nhieät: khi nung noùng hai taám kim loaïi trong löôõng kim nhieät do chuùng daõn nôû khoâng ñeàu nhau vaø chuùng taïo ra theá cong neân chuùng taùc ñoäng leân caùc chi tieát (nhö ñeå môû rô le nhieät, caùc tieáp ñieåm CB ). Loaïi naøy thöôøng ñöôïc öùng duïng nhieàu trong caùc khí cuï ñieän: CB, coâng taéc tô, rô le nhieät Hôïp kim cheá taïo löôõng kim nhieàu nhaát hieän nay laø hôïp kim Invar. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 21
  22. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän VIII. Vaät lieäu laøm ñieän trôû 1. Khaùi nieäm Vaät lieäu laøm ñieän trôû coù ñieän trôû suaát lôùn, heä soá bieán ñoåi ñieän trôû nhoû. Ñeå ñaûm baûo söï oån ñònh ñieän trôû vì muïc ñích cuûa ñieän trôû laø caûn trôû doøng ñieän. 2. Phaân loaïi ˆ Vaät lieäu duøng laøm ñieän trôû chính xaùc: loaïi naøy ñöôïc söû duïng ôû duïng cuï ño löôøng vaø ñieän trôû chuaån ít thay ñoåi. Khi bò taùc ñoäng cuûa nhieät ñoä ñeå aûnh höôûng ñeán soá löôïng khi ño nhöõng loaïi naøy goàm coù: + Hôïp kim cuûa mangan: 86% Cu +2% Ni +12% Mn, duøng ñeå cheá taïo ñieän trôû chính xaùc. + Hôïp kim constant:60% Cu + 40% Ni, loaïi naøy deã haøn, dính chaët duøng ñeå cheá taïo caùc ngaãu nhieät ñieän. + Hôïp kim niken: 25-35% + 3% Mn + 67% Cu, duøng laøm bieán trôû khôûi ñoäng. + Hôïp kim vaøng – croâm, baïc – mangan: laø nhöõng hôïp kim quyù duøng laøm ñieän trôû chính xaùc. ˆ Vaät lieäu laøm caëp nhieät ñieän + Copen (56%Cu vaø 44%Ni) + Alumen (95%Ni coøn laïi laø Al, Si, Mg) + Croâmen (90%Ni vaø 10%Cr) + Platinoroñi (90%Pt vaø 10%Rh) IX. Vaät lieäu laøm tieáp ñieåm 1. Khaùi nieäm Vaät lieäu laøm tieáp ñieåm caàn coù nhöõng yeâu caàu sau: ƒ Beàn veà cô khí. ƒ Daãn ñieän toát. ƒ Daãn nhieät toát. ƒ Choáng laïi söï aên moøn toát töø beân ngoaøi. ƒ Chòu ñöôïc nhieät ñoä noùng chaûy vaø hoaù hôi cao. ƒ OÂxít cuûa noù cuõng daãn ñieän vaø daãn nhieät. ƒ Gia coâng deã. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 22
  23. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ƒ Giaù thaønh haï. 2. Caùc loaïi tieáp ñieåm ƒ Tieáp ñieåm coá ñònh: phaûi coù söùc beàn ñeå chòu ñöïng neùn, eùp, ñieän trôû oån ñònh. Vaät lieäu thöôøng duøng: Cu, Al, theùp, Zn ƒ Tieáp ñieåm di ñoäng: coù söùc beàn ñoái vôùi ñoä aên moøn vaø choáng laïi hoà quang ñieän. Vaät lieäu thöôøng duøng: platin, podi, vaøng, baïc ƒ Tieáp ñieåm tröôït: thöôøng duøng ôû coå goùp ñieän phaûi coù söùc beàn ñoái vôùi söï maøi moøn cô khí khi ma saùt.Vaät lieäu thöôøng duøng: ñoàng thau, ñoàng thanh X. Than kyõ thuaät ñieän Choåi queùt cuûa maùy ñieän, caùc ñieän cöïc cuûa ñeøn chieáu, ñieän cöïc caùc loø xo ñieän vaø caùc beå ñieän phaân, cöïc döông cuûa pin ñöôïc saûn xuaát töø than. Boät than coøn duøng trong oáng noùi ñeå taïo ñieän trôû bieán ñoåi theo aùp löïc cuûa aâm thanh. Töø than coù theå laøm caùc ñieän trôû coù trò soá cao, caàu phoùng ñieän cho maïng thoâng tin, trong kyõ thuaät ñieän chaân khoâng Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 23
  24. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän BAØI 3 VAÄT LIEÄU CAÙCH ÑIEÄN I. Khaùi nieäm chung veà vaät lieäu caùch ñieän Vaät lieäu caùch ñieän coù yù nghóa cöïc kyø quan troïng ñoái vôùi kyõ thuaät ñieän. Chuùng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo ra caùch ñieän bao quanh nhöõng boä phaän daãn ñieän trong caùc thieát bò ñieän vaø ñeå taùch rôøi caùc boä phaän coù ñieän theá khaùc nhau. Nhieäm vuï cuûa caùch ñieän laø chæ cho doøng ñieän ñi theo nhöõng con ñöôøng trong maïch ñieän ñaõ ñöôïc sô ñoà quy ñònh. Roõ raøng laø neáu thieáu caùch ñieän seõ khoâng theå cheá taïo ñöôïc baát kyø moät thieát bò ñieän naøo keå caû loaïi ñôn giaûn nhaát. Vaät lieäu caùch ñieän duøng ñeå ñieän moâi ñeå taïo thaønh ñieän dung trong caùc tuï ñieän. Ngoaøi ra coøn coù caùc ñieän moâi hoaït tính coù tính chaát ñieän ñieàu chænh ñöôïc ( chaát aùp ñieän, ñieän chaâm ) Vaät lieäu caùch ñieän goàm nhieàu chuûng loaïi khaùc nhau nhö: vaät lieäu caùch ñieän theå khí, theå loûng, theå raén Ngay trong moãi loaïi, do ñaëc tính kyõ thuaät vaø coâng ngheä cheá taïo cuõng coù nhieàu vaät lieäu caùch ñieän khaùc nhau. Vì vaäy, ôû ñaây chæ tìm hieåu nhöõng vaät lieäu thöôøng gaëp, tính chaát cô baûn, phaïm vi öùng duïng cuõng nhö nhöõng noäi dung caàn quan taâm ñeå keùo daøi tuoåi thoï vaø naâng cao khaû naêng caùch ñieän cuûa chuùng. II. Tính trò soá ñieän aùp an toaøn cho vaät lieäu caùch ñieän trong ñieàu kieän nhieät ñoä bình thöôøng ƒ Vôùi moïi vaät lieäu caùch ñieän chæ coù theå caùch ñieän trong khoaûng nhieät ñoä, ñoä daøy vaø ñieän aùp cho pheùp. ƒ Khi ôû nhieät ñoä 00C thì vaät daãn thöôøng trôû thaønh sieâu daãn. ƒ Tuøy thuoäc vaøo caáp ñieän aùp maø vaät lieäu ñoù coù caùch ñieän hay laø khoâng. ƒ Trò soá ñieän aùp an toaøn ñöôïc tính theo coâng thöùc: Uat: ñieän aùp an toaøn cho pheùp (kV); Uct: ñieän aùp choïc thuûng (kV/cm); Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 24
  25. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän d: beà daøy vaät lieäu caùch ñieän (cm); Kat: heä soá an toaøn coù giaù trò baèng 2 hoaëc 3 ƒ Kat = 2 neáu duøng trong daân duïng. ƒ Kat = 3 neáu duøng trong coâng nghieäp. Baûng thoâng soá ñieän aùp choïc thuûng cuûa moät soá chaát caùch ñieän Chaát ñieän moâi (chaát caùch ñieän) Uct (kV/cm) Giaáy daàu 100 ñeán 250 Khoâng khí 30 ñeán 32 Vaûi ñaõ sôn 100 ñeán 400 Ñaù 30 ñeán 50 Giaáy prafin 200 ñeán 250 Polietilen 500 Cao su 150 ñeán 200 Mi ca 500 ñeán 1000 Cat ton, goã 80 ñeán 120 Nöôùc 30 Ví du 1ï: moät taám polietilen daøy 3 mm duøng trong coâng nghieäp. Haõy xaùc ñònh ñieän aùp an toaøn? Töø coâng thöùc ta coù: Uat=500.0,3/3 = 50 kV Ví duï 2: moät MBA daân duïng coù ñieän aùp 220 V, duøng giaáy prafin. Haõy xaùc ñònh beà daøy cuûa lôùp prafin ñoù ñeå ñaûm baûo an toaøn? Töø coâng thöùc ta coù Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 25
  26. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän d = Uat.Kat/Uat = 220.10-3.2/250 =1,76.10-3 mm III. Phaân loaïi vaät lieäu caùch ñieän 1. Theo tính chaát vaät lí ƒ Vaät lieäu caùch ñieän theå raén. ƒ Vaät lieäu caùch ñieän theå loûng. ƒ Vaät lieäu caùch ñieän theå khí. 2. Phaân loaïi theo thaønh phaàn caáu taïo ƒ Chaát höõu cô: vaûi sôïi, cao su ƒ Chaát voâ cô: goám, öù, thuyû tinh 3. Theo caáp caùch ñieän Theo quy ñònh quoác teá, ngöôøi ta phaân loaïi vaät lieäu caùch ñieän ra laøm 7 caáp theo giôùi haïn nhieät ñoä cho pheùp. ƒ Caáp Y: nhieät ñoä cho pheùp 900C (nhö vaûi luïa, giaáy, catton khoâng taåm caùch ñieän). Loaïi naøy hieän nay ít duøng trong kyõ thuaät ñieän vì tuoåi thaáp. ƒ Caáp A: nhieät ñoä cho pheùp 1050C (goàm caùc vaät lieäu ôû caáp Y nhöng ñöôïc taåm sôn caùch ñieän). Loaïi naøy thöôøng duøng cho maùy ñieän. ƒ Caáp E (caáp AB): nhieät ñoä cho pheùp 1200C, laø giaáy, vaûi coù taåm nhöïa (phenolficmandehit), coøn goïi laø sôn caùch ñieän coù theâm nhöïa hoaù hoïc. Loaïi naøy duøng duøng cho caùc maùy ñieän nhoû ñeán trung bình. ƒ Caáp B: nhieät ñoä cho pheùp laø 1300C, laø nhöõng vaät lieäu coù goác laø voâ cô nhö: mi ca, vaûi, thuyû tinh Loaïi naøy duøng cho caùc maùy ñieän trung bình. ƒ Caáp F: nhieät ñoä cho pheùp laø 1550C, goàm caùc vaâtk lieäu nhö caáp B, nhöng sôn caùch ñieän coù pha theâm silicaùt. Thöôøng duøng ôû nhöõng maùy ñieän coù yeâu caàu cao. ƒ Caáp H: nhieät ñoä cho pheùp 1800C, goàm sôïi thuyû tinh luca, among ñöôïc taåm sôn coù chaát keát dính. Loaïi naøy thöôøng dung trong nhöõng ñieàu kieän khaéc nghieät. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 26
  27. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ƒ Caáp C: nhieät ñoä cho pheùp treân 1800C, goàm nhöõng vaät lieäu nhö thuyû tinh, thaïch anh, goám söù Loaïi naøy söû duïng trong nhöõng ñieàu kieän ñaëc bieät vaø nhieät ñoä cao. IV. Vaät lieäu caùch ñieän theå khí Vaät lieäu caùch ñieän theå khí tröôùc tieân phaûi noùi tôùi khoâng khí. Khoâng khí ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå laøm caùch ñieän chuû yeáu laø caùc ñöôøng daây taûi ñieän treân khoâng, caùch ñieän cuûa caùc thieát bò ñieän laøm vieäc trong khoâng khí, hoaëc phoái hôïp vôùi caùc chaát caùch ñieän raén, loûng khaùc. Ñoái vôùi caùch ñieän cuûa maùy ñieän, caùp ñieän, maùy bieán aùp, tuï ñieän neáu quaù trình taåm khoâng caån thaän thì seõ coù boït khí beân trong. Nhöõng boït khí naøy seõ laøm giaûm chaát löôïng caùch ñieän vì khi caùch ñieän laøm vieäc döôùi ñieän aùp cao hay ñieän tröôøng lôùn thì caùc boït khí seõ phaùt thaønh oå phaùt sinh vaàng quang, phaùt sinh ra nhieät. Cuøng moät ñieàu kieän nhö nhau (aùp suaát, nhieät ñoä, ñoä aåm, daïng cöïc, khoaûng caùch ) caùc chaát khí khaùc nhau seõ coù cöôøng ñoä ñieän tröôøng khaùc nhau. Neáu laáy khoâng khí laøm ñôn vò tính thì ta coù baûng sau: Caùc ñaëc tính Khoâng khí Nitô Caùcbonic Hydro töông ñoái N2 CO2 H2 Tæ troïng 1 0,97 1,52 0,07 Nhieät daãn suaát 1 1,08 0,64 6,69 Tæ nhieät 1 1,05 0,85 14,35 Heä soá toaû nhieät töø 1 1,03 1,13 1,61 vaät raén sang khí Ñoä beàn ñieän 1 1,00 0,9 0,60 Ta thaáy töø baûng soá lieäu caùc chaát khí so vôùi khoâng khí thì cöôøng ñoä caùch ñieän ñeàu keùm hôn. Song ñoâi khi nitô ñöôïc duøng thay cho khoâng khí ñeå laáp ñaày caùc tuï ñieän khí hay caùc thieát bò khaùc, vì noù coù ñaëc tính gaàn gioáng khoâng khí, ñoàng thôøi khoâng chöùa oxi laø chaát coù theå gaây ra oâxi hoaù caùc vaät lieäu khi tieáp xuùc vôùi noù. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 27
  28. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Hieän nay coù moät soá chaát khí chuû yeáu laø caùc hôïp chaát halogen (flo, clo ) coù khoái löôïng phaân töû vaø tæ troïng cao, naêng löôïng ioân hoaù lôùn, coù caùch ñieän lôùn hôn haún so vôùi khoâng khí. Trong kyõ thuaät ñieän thì khí H2 laø khí nheï coù ñaëc tính truyeàn daãn nhieät toát neân ñöôïc laøm maùt cho maùy thay cho khoâng khí trong caùc maùy ñieän coâng suaát lôùn, laøm giaûm toån thaát do ma saùt cuûa roto vôùi caùc chaát khí vaø do quaït gioù gaây ra. Khi duøng H2 seõ laøm chaäm hoaù giaø caùc chaát caùch ñieän höõu cô trong daây quaán vaø loaïi tröø khaû naêng hoaû hoaïn trong tröôøng hôïp ngaén maïch ôû beân trong maùy ñieän vaø caûi thieän ñieàu kieän laøm vieäc cuûa choåi than. Laøm maùt baèng hyñro seõ cho pheùp taêng coâng suaát vaø hieäu suaát laøm vieäc cuûa maùy ñieän, ngöôøi ta cheá taïo caùc maùy phaùt nhieät ñieän vaø caùc maùy buø ñoàng boä coâng suaát lôùn laøm maùt baèng khí hyñro. Nhöng khí hyñro deã keát hôïp vôùi oxy theo tæ leä nhaát ñònh taïo thaønh hôïp chaát deã noå. Do ñoù, ñeå traùnh xa nguy hieåm do khoâng khí loït vaøo caàn phaûi duy trì aùp suaát trong may cao hôn aùp suaát khí quyeån hoaëc khoâng ñeå hyñro tieáp xuùc vôùi khí (khí hyñro laøm vieäc theo chu trình kín). Hieän nay ngöôøi ta coøn duøng caùc khí trô nhö argon, neâon cuõng nhö hôi thuyû ngaân ñeå laøm caùc duïng cuï chaân khoâng vaø boùng ñeøn. Khí trô coù ñoä beàn ñieän thaáp. Heâ li laø chaát khí coù ñoä beàn ñieän thaáp nhaát, noù nhoû hôn 17 laàn ñoà beàn ñieän so vôùi khoâng khí. V. Vaät lieäu caùch ñieän theå loûng 1. Daàu maùy bieán aùp Trong soá caùc vaät lieäu theå loûng thì daàu bieán aùp ñöôïc söû duïng roäng raõi nhaát vaøo trong kyõ thuaät ñieän. Noù coù hai chöùc naêng chính: • Moät laø, daàu laáp ñaày caùc loã xoáp trong vaät lieäu caùch ñieän goác sôïi vaø khoaûng troáng giöõa daây daãn cuûa cuoän daây, giöõa cuoän daây vôùi voû maùy bieán aùp, laøm nhieäm vuï caùch ñieän vaø taêng ñoä beàn caùch ñieän cuûa lôùp caùch ñieän leân raát nhieàu. • Hai laø, daàu coù nhieäm vuï laøm maùt, taêng cöôøng söï thoaùt nhieät do toån hao coâng suaát trong daây quaán vaø loõi theùp maùy bieán aùp sinh ra. Moät lónh vöïc khaùc nöõa cuõng ñöôïc söû duïng daàu maùy bieán aùp laø laøm caùch ñieän vaø daäp taét hoà quang ñieän giöõa caùc ñaàu cöïc trong maùy caét daàu ñieän aùp cao, daàu bieán aùp taïo ñieàu kieän laøm nguoäi doøng hoà quang vaø nhanh choùng daäp doøng hoà quang. Ngöôøi ta duøng daàu maùy bieán aùp laøm caùch ñieän vaø laøm maùt trong moät soá ñieän khaùng, bieán trôû vaø caùc thieát bò khaùc. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 28
  29. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Ñaëc tính quan troïng cuûa daàu maùy bieán aùp laø ñoä beàn ñieän. Chæ caàn 1 löôïng nhoû nöôùc laån vaøo seõ laøm giaûm ñi raát nhieàu. Do ñoù ñeå laøm saïch thì phaûi loïc daàu qua maùy loïc neùn, loïc daàu baèng phöông phaùp ly taâm Toác ñoä hoaù giaø cuûa daàu taêng leân trong tröôøng hôïp sau: • Khi coù khoâng khí loït vaøo, bôûi vì hieän töôïng hoaù giaø daàu gaén lieàn vôùi hieän töôïng oâxi hoaù daàu baèng oâxi cuûa khoâng khí. Ñaëc bieät söï hoaù giaø nhanh khi tieáp xuùc vôùi ozon. • Khi nhieät ñoä laøm vieäc taêng. • Khi coù söï tieáp xuùc giöõa daàu vôùi moät soá kim loaïi (ñoàng, saét, chì ) vaø caùc chaát khaùc laø chaát xuùc taùc cuûa hieän töôïng hoaù giaø. • Khi coù taùc duïng cuûa aùnh saùng. • Khi coù taùc duïng cuûa cöôøng ñoän ñieän tröôøng cao. Neáu khoâng taùch ñöôïc nhöõng phaàn naøy ra thì hieän töôïng hoaù giaø seõ nhanh hôn. Ñeå taùch ngöôøi ta duøng moät soá chaát haáp phuï, caùc chaát naøy khoâng nhöõng huùt nöôùc maø coøn huùt caû nhöõng chaát cöïc tính. Hoaëc laép ñaët boä loïc xiphoâng nhieät, boä loïc laøm vieäc nhôø ñoái löu daàu, nhôø vaäy ta loïc ñöôïc taïp chaát vaø chaát haáp phuï. 2. Daàu tuï ñieän Daàu tuï ñieän duøng ñeå taåm tuï ñieän giaáy nhaát laø tuï ñieän ñoäng löïc duøng ñeå buø coâng suaát cho heä thoáng ñieän. Khi caùch ñieän baèng giaáy cuûa tuï ñieän ñöôïc taåm daàu thì ñieän trôû caùch ñieän cuõng nhö ñoä beàn cuûa noù taêng leân. Do ñoù, laøm giaûm ñöôïc kích thöôùc, troïng löôïng vaø giaù thaønh. Do cuõng ñöôïc ñieàu cheá töø daàu moû neân noù cuõng coù ñaëc tính gioáng nhö daàu maùy bieán aùp. 3. Daàu caùp ñieän Daàu caùp ñieän ñöôïc duøng trong vieäc saûn xuaát caùp ñieän löïc ñeå taåm giaáy caùch ñieän cuûa caùp laøm cho ñoä beàn caùch ñieän cuûa noù taêng leân. Daàu caùch ñieän cuõng ñöôïc duøng trong caùc caùp ñieän aùp cao 110, 220kV. Daàu caùp ñieän coù nhieàu loaïi khaùc nhau. Ñeå taåm caùp ñieän coù chöùa daàu loaïi voû chì hoaëc nhoâm laøm vieäc ôû ñieän aùp raát cao 110kV vaø cao hôn, ngöôøi ta duøng daàu nhôùt ñöôïc taåy saïch vaø nhaát laø giaûi phoùng heát caùc loaïi khí ñaõ hoaø tan vaøo daàu. Nhôø coù thieát bò boå sung ñaëc Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 29
  30. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän bieät neân trong thôøi gian vaän haønh aùp suaát cuûa daàu trong caùp phaûi ñöôïc duy trì ôû möùc ñoä nhaát ñònh (1-3 at), do ñoù loaïi tröø ñöôïc khaû naêng hình thaønh boït khí trong daàu. 4. Ñieän moâi loûng toång hôïp Trong thôøi gian gaàn ñaây ngöôøi ta ñaõ ñieàu cheá ra ñöôïc nhieàu vaät lieäu caùch ñieän loûng toång hôïp coù moät vaøi tính chaát toát hôn daàu moû caùch ñieän. Sau ñay laø moät soá vaät lieäu ñieån hình: a. Hyñro caùc bon hoaù: nhaän ñöôïc töø hydro caùc bon khaùc nhau baèng caùch cho nhöõng nguyeân töû clo thay theá caùc nguyeân töû hyñro trong moät soá phaân töû cuûa chuùng (hoaëc toaøn boä). Saûn phaåm cuûa söï clo hoaù ñöôïc söû duïng roäng raõi nhaát, phaân töû cuûa noù C12H10(H5C6-C6H5) goàm coù 2 goác feânyl. Nhöõng ñifeânyl ñöôïc clo hoaù goàm coù goác chung C12H10-Cln laø nhöõng phaân töû cöïc tính. b. Silíc höõu cô vaø flo höõu cô: ˆ Nhöõng chaát loûng silíc höõu cô coù toån hao ñieän moâi raát nhoû, ñoä huùt aåm thaáp vaø ñoä beàn nhieät cao. Chaát loûng silíc höõu cô duøng ñeå taåm vaø laøm caùch ñieän tuï ñieän cuøng caùc thieát bò khaùc laøm trong khoaûng nhieät ñoä töø aâm 600C 0 ñeán +100 C, ñoù laø hoån hôïp polietilxiloâxan coù caáu truùc maïch thaúng: (C2H5)3- Si-O-((-C2H5)2-Si-O-)n-Si-(C2H5)3 vaø caáu truùc maïch voøng ((C2H5)2-Si-O-)n vôùi trò soá n =7 hoaëc 8. ˆ Chaát loûng flo höõu cô coù nhieàu loaïi duøng trong thöïc teá, chuùng coù toån hao ñieän moâi raát nhoû, ñoä huùt aåm nhoû khoâng ñaùng keå vaø ñoä beàn nhieät cao. Moät soá chaát loûng laøm vieäc ôû nhieät ñoä 2000C vaø cao hôn. Noù coù öu ñieåm laø hoaøn toaøn khoâng chaùy vaø coù ñoä beàn chòu hoà quang cao, nhöng noù raát ñaéc tieàn. VI. Vaät lieäu caùch ñieän theå raén 1. Chaát caùch ñieän höõu cô (ñieän moâi höõu cô cao phaân töû) Trong caùc vaät lieäu caùch ñieän ñöôïc söû duïng trong kyõ thuaät ñieän thì vaät lieäu höõu cô cao phaân töû coù vò trí raát lôùn vaø taàm quan troïng ñaëc bieät. Vaät lieäu höõu cô coù caáu taïo laø caùc chaát cuûa caùc bon (C) vôùi caùc nguyeân töû khaùc. C coù khaû naêng taïo ra moät soá lôùn caùc hôïp chaát hoaù hoïc vôùi nhieàu loaïi caáu truùc khaùc nhau. Trong töï nhieân chuùng ta gaëp moät soá vaät lieäu thuoäc loaïi caùc vaät lieäu cao phaân töû vôùi taàm quan troïng raát lôùn trong kyõ thuaät, ví duï nhö xenluloâza, tô taèm, cao su Döïa theo nguoàn goác ta chia ra laøm 2 loaïi: Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 30
  31. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ˆ Loaïi 1: laø nhöõng loaïi vaät lieäu nhaân taïo, ñöôïc saûn xuaát cheá bieán hoaù hoaïc nhöõng chaát cao phaân töû coù saún trong thieân nhieân. Ví duï nhö xenluloâza cheá bieán thaønh estexenlulooza. ˆ Loaïi 2: coù taàm quan troïng lôùn hôn trong kyõ thuaät caùch ñieän vaø caùc ngaønh khaùc, ñoù laø vaät lieäu cao phaân töû toång hôïp ñöôïc saûn xuaát ra baèng caùch toång hôïp caùc chaát thaáp phaân töû. Veà maët hoaù hoïc ña soá caùc lieân keát cao phaân töû thuoäc loaïi vaät lieäu truøng hôïp, ñoù laø nhöõng vaät lieäu maø phaân töû cuûa noù taïo thaønh bôûi söï toång hôïp moät löôïng lôùn caùc nhoùm nguyeân töû coù caáu truùc gioáng nhau. Phaûn öùng taïo thaønh polime töø moânoâme ñöôïc goïi laø truøng hôïp (khi ñoù khoái löôïng phaân töû taêng leân, nhieät ñoä noùng chaûy vaø nhieät ñoä soâi taêng leân, cuõng nhö ñoä nhôùt taêng. Coù theå chuyeån töø khí loûng sang traïng thaùi ñaëc vaø sang caû raén laøm ñoä hoaø tan giaûm haún). Coù caùc loaïi vaät lieäu caùch ñieän höõu cô sau: a. Nhöïa caùch ñieän Nhöïa laø teân goïi cuûa moät nhoùm caùc vaät lieäu coù nguoàn goác vaø baûn chaát khaùc nhau nhöng coù moät soá ñaëc ñieåm gioáng nhau veà baûn chaát hoaù hoïc cuõng nhö tính chaát vaät lí. ÔÛ nhieät ñoä thaáp, noù laø nhöõng chaát voâ ñònh hình nhö daïng thuyû tinh vôùi moät ñoä gioøn nhaát ñònh. Khi ôû nhieät ñoä cao nhöïa meàm ra, trôû thaønh deûo vaø sau ñoù hoaù loûng. Nhö vaäy nhieät ñoä noùng chaûy cuûa nhöïa khoâng theå hieän roõ reät. Phaàn lôùn nhöïa khoâng hoaø tan trong nöôùc vaø ít huùt aåm, nhöng chuùng hoaø tan trong dung moâi höõu cô thích hôïp. Thoâng thöôøng nhöïa coù tính keát dính vaø khi chuyeån traïng thaùi töø loûng sang raén nhöïa seõ gaén chaët vaøo vaät raén tieáp xuùc vôùi noù. Theo nguoàn goác thì coù nhieàu loaïi nhöïa: nhöïa thieân nhieân, nhöïa nhaân taïo vaø nhöïa toång hôïp. ˆ Nhöïa toång hôïp Nhöïa nhaân taïo vaø toång hôïp gaàn ñaây trôû neân raát quan troïng ñoái vôùi kyõ thuaät caùch ñieän. Döïa theo baûn chaát hoaù hoïc, nhöïa toång hôïp ñöôïc chia nhoû thaønh nhöïa truøng hôïp vaø nhöïa truøng ngöng. Ña soá caùc loaïi nhöïa laø loaïi nhieät deûo, coøn caùc loaïi nhöïa truøng ngöng (ngöng tuï) coù theå laø loaïi nhieät cöùng (ví duï: nhöïa polimit, nhöïa noâvoâlac ). Veà maët caùch ñieän nhöïa ngöng tuï coù nhöôïc ñieåm laø ki hoaù cöùng seõ sinh ra nöôùc vaø caùc chaát phaân töû thaáp laãn trong nhöïa laøm cho tính chaát caùch ñieän keùm ñi. Goàm coù caùc loaïi nhöïa toång hôïp sau: • Poâlieâtilen (PE). • Poâlivinylclorit (PVC). • Poâliizoâbutilen (gaàn gioáng cao su). • Poâliproâpilen. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 31
  32. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän • Poâlistirol. • Poâliacrilat. • Vaät lieäu nhöïa flo höõu cô. • Poâlitrifrocloeâtilen. • Nhöïa toång hôïp nhieät deûo: nhöïa poâliamit, poâliureâtan • Nhöïa feânol fomanñehyt • Nhöïa Poâlisete. • Nhöïa eâpoxi. • Nhöïa silic höõu cô (silicon). • Ete xenlulo ˆ Nhöïa thieân nhieân Nhöïa thieân nhieân laø nhöõng chaát do noät soá ñoäng vaät (nhö caùnh kieán) hoaëc nhöõng loaïi caây coù nhöïa (nhöïa thoâng tieát ra. • Caùnh kieán: Loaïi nhöïa naøy do moät soá coân truøng tieát ra treân caùc caønh caây ôû caùc söù noùng thuoäc vuøng nhieät ñôùi. Ngöôøi ta thu löôïm caùnh kieán theo kieåu thuû coâng vaø laøm saïch baån vaø naáu chaûy. Ñaây laø nhöõng lôùp daïng vaûy caù moûng vaø gioøn, maøu vaøng nhaït hoaëc maøu naâu. Thaønh phaàn chuû yeáu cuûa caùnh kieán laø nhöõng axít höõu cô phöùc taïp. Caùnh kieán deã hoaø tan trong röôïu, coàn nhöng khoâng hoaø tan trong hydrocacbon. Caùnh kieán coù ñieän daãn suaát töø 1015-1016Ωcm, ñieän aùp ñaùnh thuûng 20-30kV/mm. ÔÛ 50-600C caùnh kieán trôû neân deã uoán vaø ôû nhieät ñoä cao hôn thì trôû neân deûo vaø noùng chaûy ra. Khi ñung noùng keùo daøi thì noù ñöôïc nung keát, ñoàng thôøi troû neân khoâng noùng chaûy vaø khoâng hoaø tan, nhieät ñoä caøng cao thì thôøi gian nung keát caøng giaûm. Trong kyõ thuaät ñieän caùnh kieán ñöôïc söû duïng ôû daïng sôn daùn cheá taïo micanít. Khi khoâng coù caùnh kieán ngöôøi ta thay theá baèng nhöïa gliptan vaø caùc loaïi nhöïa toång hôïp khaùc. • Nhöïa thoâng (colofan): Colofan laø moät loaïi nhöïa gioøn coù maøu vaøng hoaëc naâu ñöôïc saûn xuaát töø nhöïa thoâng baèng caùch chöng caát daàu thoâng. Colofan coù ñieän daãn suaát töø 1014-1015Ωcm, ñieän aùp ñaùnh thuûng 10-15kV/mm. Nhieät ñoä hoaù deûo cuûa caùc loaïi colofan töø 500-700C, colofan oxi hoaù töø töø trong khoâng khí, khi ñoù nhieät ñoä hoaù deûo cuûa noù taêng leân nhöng ñoä hoaø tan giaûm ñi. Colofan hoaø tan trong daàu moû ñöôïc duøng vaøo ngaâm taåm caùp, ngoaøi ra noù cuõng ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát ra rezinat laø chaát laøm khoâ cho sôn daàu. • Nhöïa coâpan: Laø loaïi nhöïa khoù noùng chaûy, coù ñaëc ñieåm laø boùng, raát cöùng vaø töông ñoái khoù hoaø tan. Ngöôøi ta duøng nhöïa coâpan laøm chaát phuï gia cho sôn daàu nhaèm taêng ñoä cöùng maøng sôn. Hoå phaùch thuoäc veà loaïi coâpan Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 32
  33. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän ñöôïc khai thaùc trong thieân nhieân, hoå phaùch duøng ñeå laøm ñaàu vaøo cuûa caùc thieát bò caàn coù ñieän trôû raát cao. b. Daàu thöïc vaät Daàu thöïc vaät raát quan troïng trong kyõ thuaät caùch ñieän, ñoù laø nhöõng chaát loûng nhôùt thu ñöôïc töø haït cuûa caùc loaøi thöïc vaät khaùc nhau. Trong ñoù coù moät soá daàu khoâ, vì döôùi taùc duïng cuûa nhieät ñoä, aùnh saùng vaø oxi noù chuyeån sang traïng thaùi raén. • Daàu gai: laø moät chaát loûng, maøu vaøng thu ñöôïc töø caùc haït gai. • Daàu traåu: ngöôøi ta thu ñöôïc töø caùc haït caây traåu. Daàu traåu khoâng aên ñöôïc (cuõng nhö daàu gai) vaø coøn ñoäc hôn daàu gai. Duøng ñeå cheá taïo sôn caùch ñieän. • Daàu thaàu daàu: ngöôøi ta thu ñöôïc töø caùc haït caây thaàu daàu, duøng ñeå taåm tuï ñieän giaáy. c. Nhöïa ñöôøng: laø hoån hôïp phöùc taïp cuûa caùc hyñrocaùcbon coù chöùa theâm oxi vaø löu huyønh ñoù laø nhöõng chaát khoâng ñònh hình vôùi nhöõng chaát ñaëc tröng phöùc hôïp. Chuùng coù maøu ñen hay maøu saãm. • Nhöïa ñöôøng nhaân taïo (goác daàu moû) laø saûn phaåm naëng khi chöng caát daàu moû. • Nhöïa ñöôøng thieân nhieân (khoaùng saûn) thöôøng goïi laø nhöïa ñöôøng atfan. d. Ñieän moâi saùp Vaät lieäu saùp ñöôïc söû duïng trong kyõ thuaät ñieän laø nhöõng chaát raén, deã noùng chaûy, maøu traéng hay maøu vaøng töôi coù ñoä beàn cô vaø ít huùt aåm. Vaät lieäu saùp duøng vaøo vieäc ngaâm taåm. • Parafin. • Serezin. • Galovac. • Vazelin. • Parafin toång hôïp. e. Sôn vaø caùc hôïp chaát caùch ñieän Trong kyõ thuaät caùch ñieän, sôn vaø caùc hôïp chaát caùch ñieän coù taàm quan troïng raát lôùn, chuùng ôû daïng loûng vaø quaù trình cheá taïo caùch ñieän nhöng sau ñoù ñoâng raén laïi, khi duøng thì ôû traïng thaùi raén. Vì vaäy sôn vaø hôïp chaát caùch ñieän ñöôïc xeáp vaøo loaïi vaät lieäu caùch ñieän raén. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 33
  34. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Caùc loaïi sôn: • Sôn: laø nhöõng dung dòch keo cuûa nhöïa, daàu khoâ vaø caùc chaát töông töï. Caùc chaát naøy ñöôïc goïi laø neàn sôn vaø hoaø tan trong dung dòch dung moâi, deã bay hôi khi saáy khoâ dung moâi bay hôi heát, coøn neàn sôn seõ chuyeån thaønh traïng thaùi raén vaø taïo thaønh maøn sôn. • Sôn taåm: duøng ñeå taåm nhöõng chaát caùch ñieän xoáp vaø ñaëc bieät laø chaát caách ñieän daïng xô (giaáy, bìa, sôïi, vaûi, caùch ñieän cuûa daây quaán maùy ñieän). • Sôn phuû: duøng ñeå taïo ra treân beà maët cuûa vaät lieäu moät lôùp maøn nhaün boùng, chòu aåm vaø coù ñoä beàn cô hoïc. Ngöôøi ta duøng sôn phuû ñeå queùt leân chaát caùch ñieän raén xoáp ñaõ ñöôïc taåm sô boä nhaèm caûi thieän ñaëc tính caùch ñieän (laøm taêng ñieän aùp phoùng ñieän, ñieän trôû beà maët ngoaøi cuõng nhö laøm ñeïp saûn phaåm). Coù moät soá loaïi sôn phuû (emay) khoâng duøng ñeå queùt leân chaát caùch ñieän raén maø ñeå queùt tröïc tieáp leân kim loaïi (caùch ñieän emay, laù toân silíc cuûa maùy ñieän vaø thieát bò ñieän. • Men maøu: cuõng ñöôïc xem nhö sôn phuû, nhöng chuùng coù theâm caùc thaønh phaàn saéc toá. Coù caùc loaïi sôn: sôn bakeâlit, sôn gliptan, sôn silic höõu cô, sôn policlovinyl, sôn polistirol, sôn caùnh kieán, sôn xenlulo, sôn daàu, sôn daàu nhöïa Hôïp chaát caùch ñieän: Coù hai loaïi: duøng ñeå taåm vaø duøng ñeå ngaâm ¾ Hôïp chaát taåm (chaát taåm caùp) duøng ñeå taåm caùch ñieän giaáy caùp ñöôïc cheá taïo töø daàu moû thöôøng cho theâm daàu thoâng hoaëc nhöïa goác toång hôïp vaøo ñeå taêng ñoä nhôùt. ¾ Hôïp chaát roùt (chaát roùt vaøo caùp) duøng ñeå roùt vaøo caùc hoäp noái, caùc hoäp phaân nhaùnh vaø phaàn ñaàu caùp. Nhaèm ñeå traùnh aåm, taêng ñieän aùp ñaùnh thuûng f. Maøng deûo: ñöôïc laøm töø polime höõu cô coù ñoä beàn ñieïn vaø cô hoïc cao, ñöôïc saûn xuaát thaønh töøng cuoän. Maøng deûo duøng ñeå laøm chaát caùch ñieän cho maùy ñieän, daây caùp, daây quaán, laøm ñieän moâi cuûa tuï ñieän vaø nhieàu tröôøng hôïp khaùc. g. Vaät lieäu xô Vaät lieäu xô ñöôïc caáu taïo töø caùc phaân töû nhoû vaø daøi goïi laø xô, noù ñöôïc söû duïng roäng raõi trong kyõ thuaät ñieän: goã giaáy, caùctoâng, vaûi, sôïi Vaät lieäu xô noù coù öu ñieåm laø reû tieàn, ñoä beàn cô cao, ñoä deûo khaù cao, deã saûn xuaát. Song coù nhöôïc ñieåm laø ñoä beàn ñieän vaø ñoä daãn nhieät khoâng cao, ñoä huùt aåm lôùn so vôùi 1 soá vaät lieäu coù cuøng thaønh phaàn hoaù hoïc. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 34
  35. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Goã: goã coù giaù thaønh reû, deã gia coâng ñaây laø vaät lieäu caùch ñieän ñaàu tieân ñöôïc söû duïng trong kyõ thuaät caùch ñieän. Nhöng khoâng söû duïng roäng raõi vì: + Tính huùt aåm cao. + Deã cong vaø veânh. + Khoù xaùc ñònh ñöôïc tieâu chuaån, vì tính chaát phuï thuoäc vaøo nôi troàng. + Ñoä beàn ñieän vaø nhieät keùm (coù theå chaùy ñöôïc). Thöôøng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo: tay caàm caùc boä truyeàn ñoäng trong dao caùch ly vaø maùy caét daàu, caùn caàu dao ñieän, giaù ñôõ, caùc chi tieát cheâm giöõ chaët, cheâm raõnh cuûa maùy ñieän, coät ñieän, saøo caét ñieän Giaáy vaø caùc toâng + Giaáy vaø caùc toâng laø nhöõng vaät lieäu hình taám hoaëc quaán laïi thaønh cuoän coù caáu taïo baèng xô ngaén, thaønh phaàn chuû yeáu laø xenlulo. • Giaáy caùp: ñöôïc duøng laøm caùch ñieän cuûa caùp ñieän löïc. • Giaáy caùp ñieän thoaïi: laø giaáy ñöôïc cheá taïo vôùi beà daøy 0,05mm vaø caùc maøu khaùc nhau duøng ñeå laøm chaát caùch ñieän caùp ñieän thoaïi vaø chaát ñeäm trong vieäc saûn xuaát mica. • Giaáy tuï ñieän: duøng laøm ñieän moâi cho tuï ñieän. • Giaáy baêng mica: duøng laøm saûn xuaát baêng mica caùch ñieän. + Caùc toâng caùch ñieän, coù 2 loaïi: • Loaïi ñeå ngoaøi khoâng khí cöùng vaø ñaøn hoài duøng laøm caùch ñieän trong khoâng khí (maùy ñieän, cuoän daây ) • Loaïi duøng trong daàu coù caáu truùc xoáp vaø meàm hôn, ñöôïc duøng chuû yeáu trong daàu maùy bieán aùp. + Phíp: khi cho giaáy moûng ñi qua dung dòch clorua keõm noùng roài quaán vaøo tang quay baèng theùp ñeå coù beà daøy caàn thieát. Sau ñoù caét giaáy ra khoûi tang quay ñem röûa caån thaän baèng nöôùc vaø eùp thu ñöôïc goïi laø phíp. Vaät lieäu deät Ngöôøi ta söû duïng sôïi teát ñeå laøm caùch ñieän cho daây daãn vad daây caùp meàm baèng phöông phaùp quaán vaø teát. Vaûi coøn duøng vaøo vieäc saûn xuaát vaûi sôn caùch ñieän vaø chaát deûo nhieàu loaïi, oáng loàng caùch ñieän trong maùy bieán aùp cao aùp + Vaûi vaø baêng baèng sôïi boâng. + Luïa tô taèm töï nhieân. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 35
  36. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän + Vaät lieäu xô baèng toång hôïp. Vaûi sôn caùch ñieän h. Chaát deûo j. Chaát ñaøn hoài: cao su thieân nhieân, cao su löu hoaù, cao su toång hôïp 2. Chaát caùch ñieän voâ cô (ñieän moâi voâ cô) a. Thuyû tinh: laø chaát voâ cô khoâng ñònh hình vaø laø heä phöùc taïp cuûa nhieàu loaïi oxít khaùc nhau. Ngoaøi thaønh phaàn chính SiO2, B2O3 coøn coù caùc loaïi oxít khaùc Na2O, K2O, CaO, PbO, ZnO,Al2O3, BaO, thuyû tinh silicaùt coù thaønh phaàn chuû yeáu laø SiO2 • Thuyû tinh tuï ñieän: duøng laøm ñieän moâi cho tuï ñieän. • Thuyû tinh ñònh vò: duøng ñeå cheá taïo caùc chi tieát ñònh vò (thuyû tinh caùch ñieän, ñieän thoaïi ) • Men thuyû tinh: duøng bao phuû caùc duïng cuï hay saûn phaåm. • Thuyû tinh coù chaát ñoän: keát hôïp vôùi mi ca – goïi laø thuyû tinh mi ca. • Xô thuyû tinh: thuyû tinh ñöôïc keùo thaønh sôïi nhoû, daøi meàm duøng ñeå saûn xuaát ra vaät lieäu deät, laøm neàn cho vaät lieäu caùch ñieän. • Thuyû tinh kieàm: khoâng coù oxit naëng cao ñöôïc duøng kính quang hoïc vaø thuyû tinh caùch ñieän. • Thuyû tinh voâ kieàm: chuû yeáu duøng trong kính quang hoïc, vaø caùc muïc ñích khaùc. b. Vaät lieäu goám, söù Goám söù laø vaät lieäu voâ cô, ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát ra caùc saûn phaåm coù hình daùng baát kyø, sau ñoù ñöa vaøo nung ôû nhieät ñoä cao. • Söù caùch ñieän ñöôøng daây. • Söù treo • Söù caùch ñieän duøng trong nhaø maùy ñieän vaø traïm bieán aùp (caùch ñieän ñôû, caùch ñieän xuyeân, caùch ñieän ñôû coù chaân ). c. Mi ca vaø caùc vaät lieäu treân cô sôû cuûa mi ca. Mi ca laø vaät lieäu caùch ñieän voâ cô coù tính naêng ñaëc bieät ñoù laø ñoä beàn ñieän vaø ñoä beàn cô cao, tính chòu nhieät vaø chòu aåm toát, khaù deûo khi coù ñoä daøy moûng neân ñöôïc duøng laøm caùch ñieän ôû vò trí quan troïng. Ví duï nhö caùch ñieän cuûa caùc maùy ñieän cao aùp coâng suaát lôùn (maùy phaùt ñieän tua bin hôi vaø tua bin nöôùc côû lôùn, ñoäng cô ñieän duøng trong taøu ñieän, taøu thuyû ) vaø laøm ñieän moâi trong moät soá tuï ñieän. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 36
  37. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Mi ca ñöôïc xeáp vaøo chaát caùch ñieän caáp C – caáp chòu noùng cao. Khi ñaït tôùi nhieät ñoä khaù cao naøo ñoù thì nöôùc trong thaønh phaàn caáu taïo trong mi ca baét ñaàu thoaùt ra, luùc naøy mi ca khoâng coøn trong suoát nöõa, chieàu daøy cuûa noù taêng leân, ñaëc tính cô vaø ñieän giaûm xuoáng. Mi ca bò naáu chaûy ôû 1250-13000C. Loaïi mi ca ñöôïc söû duïng roäng raõi laøm chaát caùch ñieän trong maùy ñieän, trong coâng nghieäp ñieän vaø coâng nghieäp radio laø mi ca ôû daïng laù, ñöôïc daäp khuoân theo hình chöõ nhaät trong caùc tuï ñieän, caùc chi tieát ñònh hình daäp theo khuoân duøng cho ñeøn ñieän töû vaø ñeøn thaép saùng, caùc voøng ñeäm daäp baèng mi ca trong caùc loaïi khí cuï khaùc nhau. Micamit: laø loaïi vaät lieäu ñöôïc saûn xuaát thaønh töøng taám hoaëc töøng cuoän do nhöõng caùnh mi ca daùn laïi vôùi nhau baèng sôn daùn hoaëc baèng nhöïa khoâ, ñoâi khi coøn duøng theâm lôùp neàn baèng xô giaáy hoaëc xô boâng ñeâ daùn nhöõng caùnh mi ca leân moät maët hay caû hai maët cuûa noù. Mi ca mít coù moät löôïng lôùn laø mi ca, mi ca mít ñöôïc söû duïng: • Mi ca duøng cho vaønh goùp. • Mi ca duøng ñeå loùt. • Mi ca duøng ñeå taïo hình. • Micanit meàm, coù theå uoán ñöôïc ôû nhieät ñoä thöôøng. Sludinit: coù ñaëc tính gioáng mica nhöng öu vieäc hôn laø toaøn boä beà maët laù vaät lieäu choã naøo cuõng coù nhöõng tính chaát gioáng nhau, beà daøy ñoàng ñeàu. Nhöng chòu aåm, ñoä daõn nhoû hôn mi ca mit. Mi ca baèng caùc haït vuïn: ñöôïc cheá taïo töø nhöõng haït vuïn nhôø tính chaát keát dính. Mi ca toång hôïp: thuyû tinh mi ca Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 37
  38. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän BAØI 4 VAÄT LIEÄU TÖØ I. Khaùi nieäm chung veà tính chaát cuûa vaät lieäu töø tính Vaät lieäu töø tính nhö caùc chaát saét töø vaø hôïp chaát hoaù hoïc ferít laø loaïi coù giaù trò lôùn trong kyõ thuaät ñieän. Nguyeân nhaân gaây neân töø tính cuûa vaät lieäu laø caùc ñieän tích luoân luoân chuyeån ñoäng ngaàm theo caùc quyû ñaïo kín taïo neân nhöõng doøng ñieän voøng. Cuï theå hôn laø söï quay cuûa caùc ñieän töû xung quanh truïc cuûa chuùng–spin ñieän töû vaø quay theo quyõ ñaïo cuûa caùc ñieän töû trong nguyeân töû. Hieän töôïng saét töø laø do moät soá vaät lieäu ôû nhieät ñoä thaáp hôn nhieät ñoä Quyri (nhieät ñoä ñaït tôùi moät möùc ngöôõng, neáu nhieät ñoä vöôït qua möùc naøy thì caùc vaät lieäu seõ maát tính töø tính) ñaõ phaân saün thaønh nhöõng vuøng vó moâ maø trong töøng vuøng aáy caùc spin ñieän töû ñeàu ñònh höôùng song song vôùi nhau (phaân cöïc töï nhieân). Caùc vuøng aáy goïi laø ñoâmen töø. Tính chaát ñaëc tröng cho traïng thaùi saét töø cuûa caùc chaát coù ñoä nhieãm töø töï phaùt ngay khi khoâng coù töø tröôøng ngoaøi. Maëc duø trong chaát saét töø coù nhöõng vuøng töø hoaù töï phaùt, nhöng ñomen töø cuûa caùc ñomen laïi coù höôùng raát khaùc nhau, ñieàu ñoù ruùt ra ñònh luaät toái thieåu naêng löôïng töï do. Töø thoâng ôû khoâng gian beân ngoaøi vaät lieäu baèng khoâng. Kích thöôùc ñoâmen cuûa moät soá vaät lieäu côõ 10-2-10-6cm3, vôùi beà daøy lôùp giôùi haïn giöõa chuùng baèng khoaûng vaøi chuïc ñeán vaøi traêm laàn khoaûng caùch cuûa caùc nguyeân töû. Coøn caùc vaät lieäu tinh khieát coù ñoâmen lôùn hôn. Quaù trình töø hoaù vaät lieäu saét töø döôùi aûnh höôûng cuûa töø tröôøng beân ngoaøi goàm caùc hieän töôïng sau: • Taêng theå tích cuûa caùc ñomen coù moâmen töø taïo vôùi höôùng töø tröôøng goùc nhoû nhaát vaø giaûm kích thöôùc cuûa caùc ñomen khaùc (quaù trình chuyeån dòch maët phaân caùch cuûa caùc ñomen). • Quay caùc veùctô moâmen töø hoaù theo höôùng töø tröôøng ngoaøi (quaù trình ñònh höôùng). Ñoä töø thaåm laø tæ soá cuûa ñaïi löôïng caûm öùng töø B vaø cöôøng ñoä töø tröôøng H ôû ñieåm xaùc ñònh treân ñöôøng cong töø hoaù cô baûn trong heä SI haèng soá μ0 = 4п.10-7H/m. Treân hình a truïc doïc beân traùi ñaët giaù trò caûm öùng töø tính theo Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 38
  39. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän gaus, beân phaûi tính theo heä SI–Tesla (T); 1 gaus =10-4T. Treân truïc ngang laø cöôøng ñoä töø tröôøng H ñôn vò ôcsteùt, theo heä SI laø A/m; 1ôcsteùt = 79,6A/m. Vieäc tính ñoåi caùc trò soá cuûa caûm öùng töø hoaëc cöôøng ñoä töø tröôøng töø thöù nguyeân cuûa moät heä ñôn vò naøy sang ñôn vò khaùc raát ñôn giaûn neân ta coù theå daãn caùc ñaëc tính cuûa caùc vaät lieäu töø trong moät heä thoáng ñôn vò. ñöôøng cong töø hoaù a, vaø ñoä töø thaåm b, 1: saét ñaëc bieät tinh khieát; 2: saét tinh khieát (99,98%Fe); 3: saét kyõ thuaät tinh khieát (99,92%Fe); 4: Peùcmaloâi (78%Ni); 5: Niken; 6: hôïp kim saét-niken (26%Ni) Ñoä töï thaåm cuûa vaät lieäu saét töø phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, trò soá lôùn nhaát ñaït ñöôïc öùng vôùi nhieät ñoä ñieåm Quyri. Ñoái vôùi saét tinh khieát ñieåm Quyri khoaûng 7690C, niken -3580C, coâban 11310C. Khi nhieät ñoä vöôït quaù ñieåm Quyri caùc vuøng töø hoaù töï phaùt bò phaù huyû do chuyeån ñoäng nhieät, vì vaäy vaät lieäu seõ maát töø tính. Sau ñaây giôùi thieäu moät soá vaät lieäu daãn töø: • Vaät lieäu daãn töø meàm. • Vaät lieäu daãn töø cöùng. • Moät soá vaät lieäu coù coâng duïng ñaëc bieät. II. Vaät lieäu töø meàm Vaät lieäu töø meàm laø vaäy lieäu coù ñoä töï thaåm cao, löïc khaùng töø vaø toån hao töø treå nhoû, ñöôïc duøng laøm loõi maùy bieán aùp, nam chaâm ñieän, trong caùc duïng Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 39
  40. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän cuï ño ñieän vaø trong caùc tröôøng hôïp caàn coù caûm öùng töø lôùn nhaát vôùi löôïng tieâu phí naêng löôïng nhoû. Ñeå giaûm toån hao doøng ñieän xoaùy, trong caùc maùy bieán aùp duøng vaät lieäu saét töø meàm coù ñieän trôû lôùn, thöôøng laø duøng goâng töø baèng caùch gheùp nhöõng taám toân silic caùch ñieän vôùi nhau. 1. Saét Trong saét kyõ thuaät tinh khieát thöôøng coù moät aûnh höôûng nhoû cuûa caùc bon, löu huyønh, mangan, silic vaø caùc nguyeân toá laøm aûnh höôûng tính chaát cuûa saét. Vì ñieän trôû töông ñoái thaáp neân saét tinh khieát kyõ thuaät ñöôïc söû duïng töông ñoái ít, chuû yeáu duøng laøm maïch töø thoâng khoâng ñoåi. Theùp laù kyõ thuaät ñieän caùc bon thaáp, ñoù laø moät trong nhieàu daïng cuûa saét kyõ thuaät tinh khieát ñöôïc saûn xuaát thaønh taám moûng töø 0,2 ñeán 0,4mm. Trong thaønh phaàn khoâng coù quaù 0,04% caùc bon vaø khoâng quaù 0,6% taïp chaát khaùc. 2.Theùp Theùp laù kyõ thuaät ñieän laø vaät lieäu töø meàm ñöôïc duøng roäng raõi nhaát. Vieäc ñöa silic vaøo thaønh phaàn cuûa theùp naøy laøm taêng ñieän trôû suaát, do ñoù toån hao do doøng ñieän xoaùy giaûm xuoáng. Theùp vôùi haøm löôïng silic cao chuû yeáu duøng ñeå laøm loõi maùy bieán aùp maø ta thöôøng söû duïng goïi laø toân silic. Theùp coù thôù dò höôùng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo loõi theùp cuûa maùy bieán aùp. Söû duïng caùc theùp naøy laøm maùy bieán aùp ñieän löïc giaûm ñöôïc troïng löôïng vaø kích thöôùc. Maùy bieán aùp seõ giaûm ñi 20-25% vaø maùy bieán aùp trong voâ tuyeán ñieän giaûm ñi 40%. Kích thöôùc Ñôn vò ño Trò soá thöôøng duøng nhaát Daøy mm 0,1; 0,2; 0,35; 0,5; 1 Roäng m 0,24; 0,6; 0,7; 0,75; 0,86; 1 Daøi m 0,72; 1,2; 1,34; 1,5; 1,72; 2 3. Peùcmaloâi 3. Peùcmaloâi laø hôïp kim saét vôùi niken coù trò soá ñoä töï thaåm ban ñaàu raát lôùn trong vuøng töø tröôøng yeáu, bôûi vì chuùng khoâng coù hieän töôïng dò höôùng vaø töø Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 40
  41. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän giaûo (khi töø hoaù chaát saét töø ñôn tinh theå thì kích thöôùc cuûa chuùng coù thay ñoåi, goïi laø hieän töôïng töø giaûo). Peùcmaloâi coù nhieàu niken (ñoä töø thaåm cao vaø ñieän trôû suaát cao) duøng laøm loõi cuoän caûm coù kích thöôùc nhoû, maùy bieán aùp aâm taàn nhoû, caùc bieán aùp xung vaø trong caùc khueách ñaïi töø. Peùcmaloâi ít niken (ñoä töø thaåm ñöôïc naâng cao, töø caûm baûo hoaø, ñieän trôû suaát ñöôïc naâng cao) duøng laøm loõi theùp maùy bieán aùp ñieän löïc, cuoän caûm vaø caùc duïng cuï ño caàn coù maät ñoä töø thoâng cao. Caùc peùcmaloâi vôùi voøng töø treã hình chöõ nhaät coù theå duøng laøm loõi khueách ñaïi töø, cô caáu chuyeån maïch, thieát bò chænh löu vaø caùc phaàn töû cuûa maùy tính. Peùcmaloâi raát nhaïy caûm vôùi taùc duïng cô hoïc. 4. Alusife Alusife laø hôïp kim cuûa saét vôùi silic vaø nhoâm. Thaønh phaàn toát nhaát laø Alusife: 9,5%Si; 5,6%Al; coøn laïi laø Fe. Hôïp kim naøy coù ñaëc tính cöùng vaø gioøn vaø coù ñoä töï thaåm cao, ñieän trôû suaát cao nhöng cuõng coù theå cheá taïo ôû daïng ñuùc ñònh hình. ÖÙng duïng: maøn töø, thaân caùc duïng cuï ñöôïc cheá taïo baèng phöông phaùp ñuùc vôùi thaønh cuûa chi tieát khoâng moûng hôn 2 –3 mm vì hôïp kim naøy gioøn. Do ñoù maø ngöôøi ta ít söû duïng Alusife. Do coù tính gioøn neân ngöôøi ta cuõng coù theå nghieàn nhoû Alusife thaønh boät nhö caùcbonyl saét ñeå saûn xuaát loõi theùp cao taàn. III. Vaät lieäu töø cöùng Theo thaønh phaàn, traïng thaùi vaø phöông phaùp cheá taïo vaät lieäu töø cöùng ñöôïc chia laøm caùc loaïi sau: 1. Theùp hôïp kim hoaù ñöôïc toâi ñeán traïng thaùi mantenxít (theùp mantenxít) Loaïi theùp naøy laø vaät lieäu ñôn giaûn vaø deã kieám nhaát ñeå laøm nam chaâm vónh cöûu. Chuùng ñöôïc hôïp kim hoùa vôùi caùc chaát phuï nhö vonfram, croâm, moâlipñen, coâban. 2. Hôïp kim töø ñuùc cöùng Hôïp kim töø ñuùc cöùng laø hôïp kim cuûa ba nguyeân toá Al–Ni–Fe, thöôøng ñöôïc goïi laø Aluni coù naêng löôïng töø lôùn. Khi cho theâm coâban hay silíc thì tính Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 41
  42. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän chaát töø cuûa hôïp kim taêng leân. Hôïp kim Aluni coù chaát phuï silic goïi laø alunisi, hôïp kim aluni coù coban goïi laø alunico. Hôïp kim alunico coù haøm löôïng coban lôùn nhaát goïi laø macnico. Tính chaát cuûa caùc vaät lieäu töø cöùng phuï thuoäc caáu taïo tinh theå vaø caáu truùc töø. Taát caû caùc vaät lieäu töø cöùng ñaït ñöôïc tính chaát töø toát khi coù söï bieán daïng maïng tinh theå lôùn. Caùc tính chaát töø cuûa hôïp kim manico ñöôïc taêng cöôøng khoâng chæ do thaønh phaàn cuûa noù, maø coøn nhôø gia coâng ñaëc bieät laøm nguoäi nam chaâm sau khi roùt ra trong töø tröôøng maïnh. Khoâng ñaúng höôùng laø moät ñaëc tính maïnh cuûa hôïp kim macnico, tính chaát töø toát nhaát theo höôùng khi laøm nguoäi coù töø tröôøng taùc ñoäng. Nam chaâm hôïp kim macnico nheï hôn nam chaâm aluni cuøng naêng löôïng 4 laàn vaø nheï hôn nam chaâm theùp croâm thoâng thöôøng 22 laàn. Nhöôïc ñieåm cuûa caùc hôïp kim aluni, alnico vaø macnico laø khoù cheá taïo caùc chi tieát coù kích thöôùc chính xaùc do hôïp kim cöùng vaø gioøn, chæ coù theå gia coâng baèng phöông phaùp maøi. 3. Caùc nam chaâm boät Cheá taïo nam chaâm vónh cöûu baèng phöông phaùp luyeän kim boät ñöôïc ñeà ra vì hôïp kim ñuùc saét–niken–nhoâm khoâng theå cheá taïo saûn phaåm nhoû vaø kích thöôùc chính xaùc ñöôïc. Coù 2 loaïi nam chaâm boät: • Loaïi nam chaâm boät kim loaïi goám: ñöôïc cheá taïo baèng caùch eùp boät nghieàn töø caùc hôïp kim töø cuùng, sau ñoù thieâu keát ôû nhieät ñoä cao töông töï quaù trình nung goám. Caùc chi tieát nhoû cheá taïo baèng coâng ngheä naøy coù kích thöôùc töông ñoái chính xaùc, khoâng caàn gia coâng theâm. • Loaïi nam chaâm kim loaïi deûo: laø loaïi nam chaâm boät coù caùc haït gaén baèng chaát keát dính, töùc eùp laïi coù söï hoå trôï cuûa chaát deûo, nhöng chaát ñoän ñöôïc nghieàn töø hôïp kim cöùng. 4. Ferít töø cöùng Trong soá caùc ferít töø cöùng ñöôïc bieát nhieàu nhaát laø ferít bari BaO6Fe2O3. Noù ñöôïc saûn xuaát ôû daïng ñóa moûng, chuùng coù tính oån ñònh cao ñoái vôùi taùc duïng cuûa töø tröôøng ngoaøi, chòu ñöôïc laéc vaø va ñaäp. Nhöng nhöôïc ñieåm laø ñoä beàn cô thaáp, ñoä gioøn lôùn, tính chaát töø phuï thuoäc nhieàu vaøo nhieät ñoä, nghóa laø lôùn hôn nam chaâm ñuùc. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 42
  43. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän IV. Caùc vaät lieäu töø coù coâng duïng ñaëc bieät 1. Caùc chaát saét töø meàm ñaëc bieät Caùc vaät lieäu töø meàm coù theå chia ra caùc phaân nhoùm döïa vaøo caùc tính chaát töø ñaëc bieät naøo ñoù cuûa chuùng. • Caùc hôïp kim coù ñaëc tính ñoä töø thaåm thay ñoåi raát ít khi cöôøng ñoä töø tröôøng thay ñoåi: coù teân goïi laø pecminva, laø hôïp kim coù thaønh phaàn laø 25% Fe, 45% Ni vaø 30%Ni. Hôïp kim uû ôû nhieät ñoä 10000C, sau ñoù giöõ nhieät ñoä 400-5000C roài laøm nguoäi chaäm. Pecminva coù löïc khaùng nhoû, oån ñònh töø keùm, nhaïy caûm vôùi nhieät ñoä. Hôïp kim coù ñoä töø thaåm oån ñònh hôn (ít bieán ñoåi trong töø tröôøng) goïi laø izoâpeùcmô, trong thaønh phaàn cuûa noù coù saét, niken vaø nhoâm hay ñoàng. • Caùc hôïp kim coù ñoä töø thaåm phuï thuoäc nhieàu vaøo nhieät ñoä: ñay laø hôïp kim nhieät goàm Ni – Cu, Fe – Ni – Cr. Caùc hôïp kim naøy duøng ñeå buø sai soá nhieät ñoä trong caùc thieát bò, sai soá naøy gaây neân bôûi söï bieán ñoåi töø caûm cuûa nam chaâm vónh cöûu hay ñieän trôû cuûa daây daãntrong caùc duïng cuï ñieän khi nhieät ñoä moâi tröôøng khaùc vôùi nhieät ñoä luùc khaéc ñoä (nhieät ñoä chuaån cuûa thieát bò). • Caùc hôïp kim coù ñoä töø giaûo cao: goàm hôïp kim Fe – Cr, Fe – Co vaø Fe – Al. Caùc hôïp kim naøy duøng ñeå laøm maùy phaùt dao ñoäng aâm ôû taàn soá aâm thanh vaø sieâu aâm. • Caùc hôïp kim coù ñoä töø giaûo baûo hoaø raát cao: goàm coù hôïp kim saét – coban coù töø caûm baûo hoaø raát cao, ñeán 24000gaus. Ñieän trôû cuûa hôïp kim naøy khoâng lôùn, hôïp kim naøy coù teân goïi laø pecmenduyra vôùi haøm löôïng Co töø 50% ñeán 70%. Pecmenduyra coù giaù thaønh cao neân chæ duøng ôû caùc thieát bò ñaëc bieät, trong caùc boä phaän cuûa loa ñieän ñoäng, maøng oáng ñieän thoaïi, dao ñoäng kyù 2. Ferít Ferít laø goám töø coù ñieän daãn ñieän töû khoâng ñaùng keå, do ñoù noù coù theå xeáp vaøo loaïi baùn daãn ñieän töû. Trò soá ñieän trôû suaát lôùn hôn saét 106-1011 laàn, do ñoù naêng löôïng toån hao ôû vuøng taàn soá taêng cao vaø cao töông ñoái nhoû cuøng vôùi tính chaát töø töông ñoái toát laøm cho ferít ñöôïc duøng raát roäng raõi ôû taàn soá cao. Ngöôøi ta chia ferít thaønh 3 loaïi: • Ferít töø meàm. • Ferít cao taàn. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 43
  44. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän • Ferít coù voøng treå hình chöõ nhaät. 3. Gang vaø theùp keát caáu Caùc vaät lieäu naøy ñöôïc duøng ñeå cheá taïo maùy ñieän, thieát bò ñieän gia duïng vaø caùc duïng cuï caàn coù ñaëc tính cô toát vaø khaû naêng aùp duïng roäng raõi caùc phöông phaùp coâng ngheä gia coâng. Veà tính chaát coù theå chia laøm thaønh 2 loaïi laø vaät lieäu töø tính (gang xaùm, theùp caùc bon vaø theùp hôïp kim) vaø vaät lieäu khoâng töø tính (theùp khoâng töø tính vaø gang khoâng töø tính). • Gang xaùm: coù 3,2 – 3,5% caùc bon, silic, mangan, phoâtpho, löu huyønh. Gang xaùm duøng ñeå ñuùc voû maùy ñieän, caùc chi tieát gheùp chaët caùc taám Gang ñuùc caùc chi tieát coù kích thöôùc ñaëc bieät lôùn khoâng caàn nhieät luyeän sau khi ñuùc, nhöng trong moät soá tröôøng hôïp neáu uû ñöôïc thì toát hôn. Caùc truïc, caùc chi tieát quay nhanh cuûa caùc maùy ñieän, beä maùy chòu rung vaø va ñaäp khoâng theå cheá taïo baèng gang. Caùc chi tieát naøy caàn duøng theùp môùi ñaùp öùng töông ñoái ñaày ñuû caùc yeâu caàu cao veà maët ñoä beàn cô. • Theùp caùc bon: ñeå ñuùc caùc saûn phaåm vaø ñöôïc uû chaäm ôû 850 – 9000C vôùi haøm löôïng caùc bon töø 0,08 ñeán 0,2%. Caùc maùy ñieän chuyeân duøng vaø ñaëc bieät quan troïng cuõng nhö caùc maùy ñieän caàn caáu truùc giaûm nheï duøng theùp coù ñoä beàn cô taêng cöôøng, ñoù laø theùp ñöôïc hôïp kim hoaù vôùi niken, vavañi, croâm, moâlipñen. Saûn phaåm cheá taïo baèng theùp hôïp kim hoaù sau khi toâi ñeå khöû öùng suaát caàn uû ôû 650 – 7000C. • Gang khoâng töø tính: vaät lieäu naøy ñöôïc duøng trong caùc tröôøng hôïp keát caáu khoâng ñöôïc coù töø tính, neáu coù töø tính seõ laøm aûnh höôûng ñeán caùc duïng cuï hay thieát bò. Vaät lieäu khoâng töø tính duøng nhieàu laø gang coù pha theâm chaát niken vaø mangan (2,6-3,0%C; 2,5%Si; 5,6%Mn; 9-12% Ni); coøn laïi laø saét. Gang khoâng töø tính deã gia coâng caét. Khi ñoát noùng ñeán 4000C noù vaãn giöõ tính thuaän töø. Ñieän trôû gang khoâng töø tính lôùn neân öu vieät hôn hôïp kim maøu veà maët giaûm toån hao doøng ñieän xoaùy. Gang khoâng töø tính thöôøng ñeå cheá taïo naép, voû, caùc oáng cuûa maùy caét daàu, voøng caùch cuûa maùy bieán aùp ñieän löïc, thaân maùy bieán aùp haøn • Theùp khoâng töø tính: ñöôïc cheá taïo baèng caùch ñöa niken vaø mangan vaøo theùp ñeå taïo ñieàu kieän giaûm nhieät ñoä quaù ñoä cuûa saét. Theùp khoâng töø tính coù tính chaát cô cao, coù theå duøng cheá taïo nhieàu chi tieát maø tröôùc ñaây duøng hôïp kim ñoàng, nhoâm khoâng ñuû ñoä beàn cô. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 44
  45. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän BAØI 5 VAÄT LIEÄU BAÙN DAÃN I. Khaùi nieäm veà vaät lieäu baùn daãn Baùn daãn laø nhoùm caùc loaïi vaät chaát coù ñieän daãn ñieän töû maø trò soá ñieän trôû suaát cuùa chuùng ôû nhieät ñoä bình thöôøng naèm trong khoaûng giöõa ñieän trôû suaát cuûa vaät daãn vaø ñieän moâi. Loaïi vaät lieäu P (Ω.cm) Loaïi ñieän daãn Daãn ñieän 10-6 – 10-3 Ñieän töû Baùn daãn 10-4 – 10+10 Ñieän töû Ñieän moâi 10-9 – 10+18 Ñieän töû vaø ioân Ñieän daãn cuûa vaät lieäu baùn daãn phuï thuoäc nhieàu vaøo naêng löôïng taùc ñoäng beân ngoaøi, cuõng nhö caùc taïp chaát khaùc nhau. Vôùi moät löôïng taïp chaát cöïc nhoû trong chaát baùn daãn cuõng ñaõ laøm thay ñoåi ñieän daãn cuûa chaát naøy. Maëc khaùc ñieän daãn cuûa caùc chaát baùn daãn coù theå thaùy ñoåi baèng söï taùc ñoäng cuûa nhieät ñoä, ñoä chieáu saùng, ñieän tröôøng, löïc cô hoïc Vì vaäy tính chaát ñieàu khieån ñöôïc ñieän daãn laø cô sôû cuûa nguyeân lyù laøm vieäc caùc nhieät ñieän trôû (tecmisto), quang ñieän trôû, ñieän trôû phi tuyeán (varisto), ñieän trôû caûm bieán Chaát baùn daãn coù hai loaïi ñieän daãn laø ñieän daãn “ñieän töû” (n) vaø ñieän daãn “ñieän töû –loã” (p) neân coù theå cheá taïo ra caùc saûn phaåm baùn daãn vôùi tieáp giaùp p –n. Khi coù tieáp giaùp p –n, trong baùn daãn seõ xuaát hieän lôùp chaén gaây ra hieäu öùng naén ñieän ñoái vôùi doøng ñieän xoay chieàu. Neáu coù hai lôùp tieáp giaùp gheùp vôùi nhau seõ taïo ra heä thoáng ñieàu khieån ñoù laø tranzito. Khaû naêng söû duïng maët tieáp giaùp p –n laø cô sôû ñeå aùp duïng chaát baùn daãn trong kyõ thuaät ñieän. Noù ñöôïc duøng laøm chænh löu coâng suaát lôùn cuõng nhö coâng suaát nhoû, khueách ñaïi vaø phaùt soùng. Caùc heä thoáng baùn daãn coù theå duøng ñeå bieán ñoåi caùc daïng naêng löôïng khaùc thaønh naêng löôïng ñieän vôùi hieäu suaát töông ñöông, ñoâi khi cao hôn caùc Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 45
  46. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän loaïi bieán ñoåi khaùc. ‘Pin maët trôøi” vôùi hieäu suaát khoaûng 11% vaø kieåu maùy phaùt nhieät ñieän laø nhöõng ví duï veà bieán ñoåi baùn daãn. Vaät lieäu baùn daãn söû duïng trong thöïc teá coù theå chia baùn daãn ñôn giaûn, baùn daãn hôïp chaát hoaù hoïc vaø baùn daãn phöùc taïp (baùn daãn goám). Hieän taïi ñaõ nghieân cöùu ra baùn daãn thuyû tinh vaø baùn daãn loûng. Caùc vaät lieäu cheá taïo baèng chaát baùn daãn coù caùc öu ñieåm sau: • Thôøi gian laøm vieäc laâu daøi. • Kích thöôùc vaø troïng löôïng nhoû. • Caáu truùc ñôn giaûn vaø chaéc chaén, ñoä beàn cô toát (chòu ñöôïc chaán ñoäng rung vaø va ñaäp). • Chænh löu baèng baùn daãn thay theá ñeøn ñieän töû, khoâng caàn maùy bieán aùp ñoát, coâng suaát tieâu thuï vaø quaùn tính nhoû. • Coù theå saûn xuaát haøng loaït theo daây chuyeàn töï ñoäng hoaù, hieäu quaû kinh teá cao. II. Ñieän daãn cuûa baùn daãn 1. Caùc baùn daãn thuaàn Theo lí thuyeát phaân vuøng naêng löôïng cuûa vaät chaát, beà roäng vuøng caám cuûa caùc chaát baùn daãn coù trò soá khoaûng 1 ñeán 3 eV. Nguyeân toá Thuoäc nhoùm (baûng tuaàn hoaøn Beà roäng vuøng caám hoaù hoïc cuûa Memñeâleâeùp) Bo III 1,1 Silic IV 1,12 Gieùcmani IV 0,72 Phoátpho V 1,5 Asen V 1,2 Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 46
  47. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Löu huyønh VI 2,5 Seâlen VI 1,7 Telua VI 0,36 Ioát VII 1,25 Theo sô ñoà naêng löôïng cuûa baùn daãn, töông öùng vôùi nhieät ñoä T naøo ñoù ôû vuøng baùn daãn ñaõ coù moät vaøi ñieän töû chuyeån qua vaø taïo neân vuøng hoaù trò moät soá loã troáng. Vì vôùi moãi moät söï chuyeån dôøi ñieän töû trong baùn daãn ñoàng thôøi taïo ra hai haït mang ñieän traùi daáu, neân toång soá caùc haït mang ñieän seõ baèng hai laàn soá ñieän daãn ôû vuøng ñieän töû. Noi = Poi; noi + Poi =2noi Chæ soá i ôû noàng ñoä ñieän töû vaø loã troáng –kí hieäu caùc haït mang ñieän cuûa baùn daãn thuaàn. Trong tröôøng hôïp naøy, ñieän daãn suaát baèng: γ = enoiun + ePoiup Do coù caû quaù trình kích thích vaø keát hôïp, ôû moät nhieät ñoä xaùc ñònh noàng ñoä caùc haït mang ñieän seõ ñöôïc caân baèng. Noàng ñoä ñieän töû seõ laø: -Uw/2KT Noi = 2Ntde Vaø noàng ñoä seõ baèng: -Uw/2KT Poi = 2Nhte ÔÛ ñaây UW laø beà roäng vuøng caám cuûa baùn daãn; Ntd, Nht: soá möùc trong ñôn vò theå tích cuûa baùn daãn trong vuøng töïu do (vuøng daãn) vaø vuøng hoaù trò. Heä soá 2 chæ khaû naêng moãi möùc coù theå coù hai ñieän töû. Ñoä linh hoaït cuûa caùc ñieän töû vaø loã troáng trong bieåu thöùc treân (γ = enoiun + ePoiup) khoâng baèng nhau. Khi chuyeån ñoäng trong tröôøng cuûa maïng tinh theå thì ñieän töû vaø loã troáng coù quaùn tính khaùc nhau nghóa laø chuùng coù khoái löôïng hieäu duïng mn vaø mp khaùc nhau. Thoâng thöôøng mn<mp. Töø ñoù ta thaáy raèng ñieän daãn thuaàn cuûa baùn daãn coù ñaëc tính ñieän töû troäi hôn moät chuùt. 2. Baùn daãn taïp Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 47
  48. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Ña soá caùc duïng cuï baùn daãn söû duïng trong kyõ thuaät laø baùn daãn taïp chaát. Vì vaäy trong thöïc teá chaát baùn daãn maø noàng ñoä caùc haït mang ñieän chæ coù giaù trò ñuû lôùn ôû nhieät ñoä caøng lôùn caøng toát, nghóa laø baùn daãn coù vuøng caám ñuû lôùn laø loaïi coù yù nghóa quan troïng. Trong khoaûng nhieät ñoä laøm vieäc, nguoàn cung caáp haït daãn ñieän töï do laø taïp chaát. Neáu caùc taïp chaát trong chaát baùn daãn thuaàn laø caùc nguyeân töû kim loaïi, thì caùc taïp chaát trong baùn daãn hôïp chaát hoaù hoïc khoâng phaûi chæ laø nguyeân töû khaùc loaïi maø coøn laø nguyeân töû thöøa cuûa chính nguyeân toá coù trong thaønh phaàn hoaù hoïc. Ngoaøi ra taát caû caùc khuyeát taät trong maïng tinh theå: nuùt khuyeát, nguyeân töû hay ioân naèm giöõa caùc nuùt, bieán vò hay leäch phaùt sinh khi bieán daïng deûo tinh theå, khe nöùt vi moâ cuõng ñöôïc coi nhö taïp chaát. Neáu caùc tinh theå naèm ôû nuùt cuûa maïng tinh theå noù ñöôïc goïi laø taïp chaát theá, neáu naèm ôû giöõa goïi laø taïp chaát xen keõ. Nhöõng taïp chaát coù theå ñöa ñieän töû vaøo daûi daãn hoaëc laáy ñieän töû töø vuøng hoaù trò cuûa chaát baùn daãn – ñaây laø taïp chaát cho vaø nhaän. Haït mang ñieän coù noàng ñoä lôùn hôn tronh chaát baùn daãn goïi laø haït mang ñieän cô baûn, haït coù noàng ñoä nhoû hôn laø khoâng cô baûn. Nhö vaäy, trong baùn daãn loaïi n, ñieän töû laø haït mang ñieän cô baûn, loã mang ñieän khoâng cô baûn. Trong baùn daãn loaïi p thì haït daãn ñieän cô baûn laø loã, haït khoâng cô baûn laø ñieän töû. Ñieän daãn baùn daãn taïp ñoøi hoûi naêng löôïng taùc ñoäng nhoû hôn baùn daãn thuaàn (0,01 ñeán 0,10 eV), vì theá coù theå taïo ra noù ôû nhieät ñoä thaáp hôn so vôùi baùn daãn thuaàn. 3. Taïp chaát theá Gieùcmani vaø silic laø caùc nguyeân toá thuoäc nhoùm IV trong baûng tuaàn hoaøn Menñeâleâeùp coù caáu truùc kim cöông, moãi nguyeân töûñöôïc bao quanh bôûi boán nguyeân töû laân caän; caáu truùc coù lieân keát coäng hoaù trò. Caùc nguyeân toá ôû nhoùm III trong baûng tuaàn hoaøn thuoäc taïp chaát nhaän. Moái töông quan veà kích thöôùc cuûa caùc nguyeân töû ñoùng vai troø quan troïng trong keát quaû thay theá. Ví duï: neáu nguyeân töû taïp chaát Pb vôùi kích thöôùc lôùn hôn nguyeân töû In maø noù thay theá trong maïng InSb, thì Pb laø taïp chaát cho, nhöng thay theá cho nguyeân töû Sb trong maïng AlSb, noù goïi laø taïp chaát nhaän. Söï thay theá naøy khoâng gaây söï bieán ñoåi roõ reät veà ñieän daãn cuûa caùc baùn daãn naøy. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 48
  49. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän 4. Taïp chaát xen keõ Loaïi ñieän daãn cuûa baùn daãn phuï thuoäc vaøo kích thöôùc vaø tính ñieän aâm cuûa nguyeân töû taïp chaát ñöôïc ñöa vaøo khoaûng giöõa caùc nuùt maïng baùn daãn thuoäc nhoùm IV. Vieäc ñöa nguyeân töû Li coù kích thöôùc lôùn vaøo giöõa caùc nuùt saùt nhaucuûa maïng Ge chæ coù theå thöïc hieän sau khi ioân hoaù noù do söï lieân keát yeáu ñieän töû hoaù trò. Ñieän töû naøy deã böùc khoûi nguyeân töû trong moâi tröôøng coù haèng soá ñieän moâi lôùn. Söï taïo thaønh caùc ioân li ti kích thöôùc nhoû hôn coù theå ñöa vaøo giöõa caùc nuùt caùc nguyeân töû oxi coù kích thöôùc töông ñoái nhoû vaø tính ñieän aâm lôùn thì chuùng chieám ñieän töû cuûa caùc nguyeân töû baùn daãn, do ñoù taïo thaønh ñieän daãn loaïi p. Neáu döôùi aûnh höôûng cuûa taùc duïng naêng löôïng, nguyeân töû Si hay Ge bò di chuyeån vaøo khoaûng caùch giöõa caùc nuùt thì chuùng taïo thaønh hai möùc taïp chaát: möùc cho cuûa nguyeân töû ngoaøi nuùt vaø möùc nhaän cuûa nuùt roãng. III. Tieáp giaùp ñieän töû – loã troáng Khi doøng ñieän chaïy qua hai vuøng tieáp xuùc cuûa caùc chaát baùn daãn coù daãn loã vaø ñieän daãn ñieän töû seõ coù hieäu öùng ñieän daãn moät chieàu. Nguyeân lyù ñieän daãn moät chieàu coù theå giaûi thích nhö hình veõ, minh hoaï phieán baùn daãn coù moät nöûa laø baùn daãn loaïi p, nöûa coøn laïi laø loaïi n. Töøng nöûa moät hoaøn toaøn trung hoaø vì coù söï caân baèng veà ñieän tích di ñoäng vaø ñöùng yeân. Ñeå ñôn giaûn, treân hình khoâng veõ caùc ñieän tích ñöùng yeân. Giôùi hanj giöõa caùc vuøng p vaø n goïi laø tieáp giaùp p – n. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 49
  50. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Hình a, b, c, d Vì noàng ñoä ñieän töû töï do trong vuøng n lôùn hôn vuøng p vaø noàng ñoä loã thì ngöôïc laïi, döôùi taùc duïng nhieät moät soá ñieän töû khueách taùn sang vuøng p, moät soá loã sang vuøng n. Luùc naøy trong vuøng p ôû gaàn tieáp giaùp tích ñieän aâm, coøn vuøng n ôû gaàn tieáp giaùp tích ñieän döông vaø taïo neân tröôøng khueách taùn (hình a), chieàu cuûa noù xaùc ñònh bôûi daáu cuûa caùc ñieän tích coá ñònh. Ñieän tröôøng laøm ngöøng söï chuyeån dòch tieáp theo cuûa caùc ñieän tích di ñoäng, nghóa laø khi khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi noù seõ taïo neân lôùp chaén daøy côõ 10-5cm. Neáu ñaët ñieän aùp beân ngoaøi taïo neân ñieän tröôøng truøng vôùi tröôøng khueách taùn, thì seõ “khoaù” vaø doøng ñieän seõ khoâng chaïy qua ñöôïc (hình b). Khi thay ñoåi cöïc tính ñieän aùp ngoaøi, tröôøng ngoaøi coù chieàu ngöôïc laïi vôùi chieàu khueách taùn, tieáp giaùp baûo hoaø ñieän tích, ñieän trôû cuûa noù giaûm ñoät ngoät, nghóa laø seõ coù doøng ñieän moät chieàu trò soá lôùn chaïy qua noù (hình c). Quaù trình treân xaûy ra vôùi caùc chænh löu lí töôûng. Trong chænh löu thöïc teá taïi vuøng p luoân coù moät löôïng nhoû caùc haït daãn ñieän khoâng cô baûn laø caùc ñieän töû töï do, coøn laïi vuøng n cuõng coù moät vaøi loã troáng laø nhöõng haït daãn ñieän khoâng cô baûn nhö hình c ñaõ veõ tröôøng hôïp khi tieáp giaùp khoaù maø vaãn coù doøng ñieän nhoû chaïy qua do chuyeån ñoäng cuûa caùc haït daãn ñieän khoâng cô baûn. Tính chaát cuûa tieáp giaùp p–n coù theå söû duïng ñeå cheá taïo caùc chænh löu baùn daãn ñieän löïc, ñeøn 2 cöïc (ñioát), teá baøo quang ñieän, tranzito vaø caùc duïng cuï khaùc. IV. Moät soá nguyeân toá coù tính chaát baùn daãn duøng trong kyõ thuaät 1. Gieùcmani Keát quaû ñieàu cheá hoaù hoïc nguyeân lieäu ban ñaàu cho ta tetraclorua gieùcmani, tieáp tuïc ñieàu cheá thaønh ñioâxyt gieùcmani (GeO2) döôùi daïng boät traéng. Ñioâxyt gieùcmani ñöôïc khöû trong loø hydro ôû nhieät ñoä 650 ñeán 7000C thaønh gieùcmani ôû daïng boät xaùm. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 50
  51. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Trong nhieàu tröôøng hôïp gieùcmani ñöôch ñieàu cheá tröïc tieáp töø GeCl4 baèng caùch phaân tích hôïp chaát naøy ôû nhieät ñoä cao hôn keõm. Boät gieùcmani ñöôïc röûa trong dung dòch axit vaø ñuùc thaønh thoûi. Gieùcmani thoûi duøng laøm nguyeân lieäu ñeå ñieàu cheá gieùcmani ñaëc bieät tinh khieát baèng phöông phaùp keùo noùng chaûy. Ñeå saûn xuaát duïng cuï baùn daãn, gieùcmani ñöôïc caét thaønh mieáng moûng, beà maët cuûa caùc phieán ñöôïc taåy röûa ñeå loaïi tröø caùc khuyeát taät luùc gia coâng. Coù caùc tính chaát nhö baûng: Thoâng soá Ñôn vò ño Gieùcmani Silic Troïng löôïng nguyeân töû – 72,6 28,08 Theå tích nguyeân töû – 13,5 11,7 Thoâng soá maïng A0 5,66 5,42 Khoái löôïng nguyeân töû ôû 200C g/cm3 5,3 2,3 Heä soá nhieät ñoä daõn nôû daøi (0–1000C) 1/ñoä 6.10-6 4,2.10-6 Nhieät daãn rieâng W/cm.ñoä 0,55 0,8 Nhieät dung rieâng (0 – 1000C) J/kg.ñoä 333 710 Nhieät ñoä noùng chaûy 0C 936 1414 Nhieät löôïng noùng chaûy J/mol 3,04.103 46,3.103 Heä soá söùc caêng beà maët (ôû nhieät ñoä Din/cm 600 720 noùng chaûy) Ñieän trôû suaát rieâng ôû 200C Ωcm 68 200000 Noàng ñoä rieâng caùc haït daãn cô baûn cm-3 2,5.1013 1010 Beà roäng vuøng caám eV 0,72 1,12 Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 51
  52. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Ñoä linh ñoäng cuûa ñieän töû Cm2/V.s 3960 1400 Ñoä linh ñoäng cuûa loã troáng // 1900 500 Coâng thoaùt ñieän töû eV 4,8 4,3 Theá ioân hoaù sô caáp V 8,1 8,14 Haèng soá ñieän moâi - 16 12,5 Söùc nhieät ñoäng ñoái vôùi phieán ôû 1000C mV 33,9 41,6 Ñieän daãn suaát cuûa gieùcmani phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä öùng vôùi caùc loaïi taïp chaát asen khaùc nhau. Ngoaøi ra khi noàng ñoä taïp chaát lôùn thì seõ coù baùn thoaùi hoaù. Söï phuï thuoäc cuûa quang ñieän daãn vaøo böôùc soùng cuûa Ge, quang ñieän daãn lôùn nhaát ñaït ñöôïc ôû böôùc soùng 1,3 –1,5 μm trong vuøng tia hoàng ngoaïi, khi böôùc soùng lôùn naêng löôïng löôïng töû khoâng ñuû ñeå kích thích quang ñieän daãn vaø Ge cho daûi soùng ñieän töø naøy ñi qua hoaøn toaøn. Ge ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát chænh löu doøng ñieän xoay chieàu vôùi caùc coâng suaát khaùc nhau, caùc loaïi tranzito maët vaø ñieåm. Ge coøn duøng ñeå cheá ra boä caûm bieán söùc ñieän ñoäng Holl vaø caùc hieäu öùng töø ñieän ñeå ño cöôøng ñoä töø tröôøng, doøng ñieän, coâng suaát, nhaân ñoâi ñaïi löôïng trong caùc duïng cuï tính toaùn kyõ thuaät. Do caùc tính chaát quang cuûa Ge cho pheùp duøng noù laøm tranzito quang, ñieän trôû quang, thaáu kính quang maïnh (ñoái vôùi tia hoàng ngoaïi), caùc boä loïc quang hoïc, ñieàu bieán aùnh saùng vaø soùng voâ tuyeán ngaén Khoaûng nhieät ñoä laøm vieäc cuûa caùc duïng cuï Ge töø –600C ñeán + 700C. Khi nhieät ñoä taêng daàn giôùi haïn treân thì doøng ñieän thuaänchieàu trong ñioát tang leân 2 laàn, doøng ñieän ngöôïc chieàu taêng 3 laàn. Khi laøm laïnh ñeán –600C ñöôïc doøng ñieän thuaän chieàu 70 – 75%. Duïng cuï Ge caàn ñöôïc baûo veä choáng aåm cuûa khoâng khí. 2. Silic Silíc thöôøng ñöôïc ñieàu cheá baèng caùch khöû teâtraclorua silic baèng hôi 0 keõm (SiCl4 laø chaát loûng bay hôi maïnh) ôû nhieät ñoä 1000 C trong moâi tröôøng kín. Quaù trình gia coâng tieáp theo silic gioáng nhö Ge, nhöng gaëp nhieàu khoù Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 52
  53. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän khaên hôn vì nhieät ñoä noùng chaûy cuûa Si cao hôn nhieàu Ge gaàn vôùi nhieät ñoä hoaù meàm cuûa thuyû tinh thaïch anh. Ngoaøi ra, Si gaây phaûn öùng vôùi caùc bon. Ñieän daãn cuûa Si cuõng nhö Ge phuï thuoäc raát nhieàu vaøo taïp chaát trong noù. Silic ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát duïng cuï baùn daãn töông töï nhö Ge: ñioát, trioát, teá baøo quang coù lôùp chaén, caûm bieán hieäu öùng Holl giôùi haïn nhieät ñoä laøm vieäc cuûa caùc duïng cuï ño duøng Si laø 120 – 2000C hoaëc cao hôn nhieàu so vôùi Ge. 3. Selen Selen laø nguyeân toá ôû nhoùm VI trong baûng tuaàn hoaøn Menñeâleâeùp ñöôïc ñieàu cheá trong caùc nhaø maùy saûn xuaát axít sunfuric khi laøm saïch ñoàng baèng ñieän phaân. Selen coù caùc daïng khaùc nhau: voâ ñònh, tinh theå, maøu saéc khaùc nhau Selen coù maøu xaùm, caáu taïo tinh theå 6 caïnh, coù tính chaát nhö baûng. Ñieän trôû suaát cuûa selen dao ñoäng trong phaïm vi raát roäng, noù phuï thuoäc vaøo loaïi noàng ñoä taïp chaát, nhieät ñoä vaø ñoä chieáu saùng. Tính chaát Ñôn vò ño Trò soá Ghi chuù Khoái löôïng rieâng g/cm3 4,8 ÔÛ 200C Ñoä cöùng - 2 Theo thang ño khoaùn vaät Nhieät ñoä noùng chaûy 0C 217-220 Heä soá nhieät ñoä daõn nôû daøi 1/ñoä 50.10-6 Trongkhoaûng töø 20 – 1000C Nhieät dung rieâng J/g.ñoä 0,33 Trongkhoaûng töø 15 – 2170C Nhieät daãn rieâng W/cm.ñoä 0,004 Nhieät noùng chaûy J/g 64,2 Nhieät bay hôi // 881 Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 53
  54. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Nhieät ñoä soâi 0C 680-690 Theo caùc soá lieäu nghieân cöùu khaùc nhau Heä soá söùc caêng beà maët Din/cm 105,3 ÔÛ2200C Ñieän trôû suaát Ω.cm 102-1013 Phuï thuoäc vaøo daïng taïp chaát Heä soá nhieät ñieän trôû suaát 1/ñoä -0,003- ÔÛ200C 0,03 Beà roäng vuøng caám eV 1,7-1,9 Ñoä linh hoaït loã troáng Cm2/v.giaây 0,2 Ñoä linh hoaït ñieän töû // 5.10-3 Noàng ñoä loã troáng cm-3 3.1014 Theá ioân hoaù sô caáp V 9,75 Noàng ñoä caùc taïp chaát haloâgen (clo, broâm, ioát) nhoû hoan 5.10-4% tính theo troïng löôïng thì laøm giaûm ñieän trôû suaát cuûa selen, nhöng neáu tieáp tuïc taêng thì ñieän trôû suaát seõ taêng. Caùc taïp chaát telua, thuyû ngaân vaø moät loaït kim loaïi khaùc laøm taêng ñieän trôû selen. Selen ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát chænh löu caùc loaïi vaø teá baøo quang ñieän coù lôùp chaén. V. Caùc hôïp chaát hoaù hoïc baùn daãn vaø caùc vaät lieäu daãn suaát cuøng goác Hôïp chaát baùn daãn coù theå coù caùc tính chaát ñieän, vaät lí raát khaùc nhau vaø trong nhieàu tröôøng hôïp noù coù nhöõng tính chaát hôn haún baùn daãn thuaàn. Sau ñaây moät soá chaát ñöôïc söû duïng nhieàu trong kyõ thuaät ñieän. 1. Caùcbít silic Ñaây laø hôïp chaát silic vaø cacbon, theo coâng thöùc SiCx (x gaàn baèng 1). Caùcbít Silíc coù thaønh phaàn: 70,045%Si vaø 29,955%C. Trong thieân nhieân vaät lieäu naøy raát ít gaëp vaø coù soá löôïng haïn cheá. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 54
  55. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Caùcbít silíc kyõ thuaät ñöôïc saûn xuaát trong caùc loø ñieän khöû ñioâxít silíc (caùt thaïch anh) baèng caùc bon. Maøu saéc cuûa tinh theå phuï thuoäc vaøo nguyeân lieäu ban ñaàu vaø quaù trình coâng ngheä. Maøu vaø ñieän daãn cuûa tinh theå SiC phuï thuoäc vaøo caùc taïp chaát vaø soá löôïng nguyeân töû thöøa Si hay C so vôùi thaønh phaàn hôïp thöùc. Caùcbít silíc duøng ñeå cheá taïo: caùc taám ñieän trôû phi tuyeán cuûa choáng seùt van ñeå baûo veä ñöôøng daây taûi ñieän vaø caùc thieát bò ñieän, saûn xuaát caùc bieán trôû, kyõ thuaät maùy tính, duïng cuï trong xaây döïng ñieän, caùc loø ñieän nhieät ñoä cao, caùc boä phaän trong ñeøn ñoát inhitron 2. Moät soá hôïp chaát baùn daãn khaùc Coù moät soá hôïp chaát coù trieån voïng, bôûi vì noù cho pheùp löïa choïn roäng raõi caùc tham soá cuûa vaät lieäu ban ñaàu (beà roäng vuøng caám, ñoä linh hoaït haït ñieän daãn ) ñeå cheá taïo ra caùc duïng cuï baùn daãn. a. Galiasenua Ñaây laø hôïp chaát coù vuøng caám lôùn hôn Ge vaø Si. Ñoä linh hoaït ñieän töû cao hôn Ge vaø Si, ñoä linh hoaït loã troáng xaáp xæ nhö Si. Galiasenua coù theå duøng ñeå cheá taïo teá baøo quang ñieän coù hieäu suaát khoaûng 7%, lieàu löôïng keá tia rônghen, ñioát ñöôøng haàm, laze baùn daãn. Duïng cuï baùn daãn gali asenua coù khaû naêng laøm vieäc ñeán nhieät ñoä 4500C. b. Antimonua Inñi Ñöôïc thu baèng caùch naáu chaûy theo tæ löôïng inñi vaø antimoan tinh khieát cao. Vaät lieäu thu ñöôïc phaûi laøm saïch theo phöông phaùp phaân vuøng chaûy, ñôn tinh theå thu ñöôïc baèng caùch keùo. Antimonua Inñi duøng ñeå cheá taïo teá baøo quang ñieän coù ñoä nhaïy cao, döïa treân nguyeân taéc söû duïng caùc haït khaùc nhau cuûa hieäu öùng quang, cheá taïo caûm bieán suaát ñieän ñoäng Holl vaø caùc boä loïc quang hoïc. Ngoaøi ra InSb duøng laøm maùy phaùt nhieät ñieän, maùy laøm laïnh. c. Caùc sunfua Chì sunfua (PbS), bismuùt sunfua (Bi2S3) vaø cañmi sunfua (CdS) ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát ñieän trôû quang. Chì sunfua gaëp nhieàu trong thieân nhieân ôû daïng vaät lieäu galenit vaø coù theå ñieàu cheá ñöôïc baèng moät soá phöông phaùp nhaân taïo, PbS thöôøng coù bieán theå voâ ñònh hình vaø tinh theå. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 55
  56. Giaùo trình Vaät lieäu ñieän Caùc ñieän trôû duøng ñeå ñeám saûn phaåm trong caùc daây chuyeàn saûn xuaát, kieåm tra ñoä cao cuûa caùc vaät loûng. Cuõng nhö cheá taïo caùc ñieän trôû quang maéc tröïc tieáp vaøo chieáu saùng doøng ñieän xoay chieàu hay moät chieàu d. Caùc oxít Ñoàng oâxít (Cu2O) coù maøu ñoû thaãm chæ coù theå laø baùn daãn loaïi p, coù hình daïng laäp phöông. Ñieän daãn cuûa ñoàng oâxít phuï thuoäc nhieàu vaøo taïp chaát caùc loaïi, nhieät luyeän vaø nhieät ñoä. Nhöõng duïng cuï baùn daãn ñaàu tieân laø nhöõng chænh löu baùn daãn vaø teá baøo quang ñieän ñöôïc ñieàu cheá töø nhöõng taám ñoàng bò oâxi hoaù vôùi beà maët phuû moät loaùp oâxít ñoàng. Ñeå cheá taïo, laáy mieáng ñoàng baèng ñoàng ñoû ñaëc bieät tinh khieát ñem ñaët vaøo trong loø coù moâi tröôøng oxy hoaù vôùi nhieät ñoä 1020 – 10400C trong khoaûng 5 giôø. Sau ñoù ñöa vaøo loø thöù hai nhieät ñoä 6000C vaø giöõ trong khoaûng 10 giôø. Khi ñöa ra khoûi loø thì laøm nguoäi phieán ñoàng ñoù baèng caùch nhuùng vaøo nöôùc. Sau khi nhieät luyeän taám ñoàng ñöôïc phuû hai lôùp oâxit beân trong maøu ñoû thaãm (Cu2O) vaø beân ngoaøi maøu xaùm toái (CuO) coù ñieän daãn nhoû ñöôïc khöû baèng caùch taåy, coøn maët sau thì maøi cho ñeán ñoàng goác beân trong. Ngoaøi ra coøn coù caùc oxit baùn daãn khaùc nhö: keõm oxit (ZnO), saét oxit (Fe3O4) vaø MgOCr2O3. e. Caùc vaät lieäu coù thaønh phaàn phöùc taïp khaùc Trong kyõ thuaät chuùng ñöôïc cheá taïo caùc phaàn töû nhieät cuûa caùc maùy phaùt nhieät ñieän vaø caùc thieát bò laøm laïnh. Caùc vaät lieäu naøy coù hôïp kim Bi –Sb – Zn duøng laøm nhaùnh heä soá döông cuûa caùc phaàn töû nhieät, dung moâi raén 0,25,PbS.0,5PbSe.0,25Pb.Te; 0,3PbS.0,7PbSe duøng ñeå cheá taïo nhaùnh heä soá aâm cuûa phaàn töû nhieät. Bieân soaïn:LƯU HỒNG QUÂN Trang 56