常用电工材料

    

    观察与思考

    工程技术领域中，材料占有重要的地位。各种技术都要通过一定的设备来实现，设备则需用具体的材料制作。新型材料的出现现常能带来技术上的重大进展。例如硅钢片（图1－3－1）的出现使旋转电机和变压器的效率大大提高，容量也更大，从而促进了电能的远距离输送和广泛应用；高矫顽力、高剩磁的钕铁硼（图1－3－2）等材料的出现，满足了永磁同步电动机对强磁体的需要，使这类电机在驱动微电机中占有重要地位。1986年以来，高临界温度超导材料所实现的突破，展现了低耗（或无损耗）输电和电能的工业规模储存的前景（图1－3－3）。

    

1－3－1　硅钢片

图1－3－2　钕铁硼永磁材料

    

图1－3－3　深水声纳

    常用电工材料分为导电材料、导磁材料和绝缘材料。

    一、常用导电材料

    普通导电材料是指专门用于传导电流的、具有高电导率的材料。

    在电工领域，导电材料通常指电阻率为（1．5～10）×10－8Ω·m的金属。其主要功能是传输电能和电信号。此外，广泛用于电磁屏蔽、制造电极、电热材料、仪器外壳等（当有电磁屏蔽和安全接地要求时）。

    导电材料大部分是金属，但不是所有金属都可以作为导电材料。电工领域使用的导电材料应具有高电导率，良好的机械性能、加工性能，耐大气腐蚀，化学稳定性高，容易加工和焊接，同时还应该具有资源丰富，价格便宜等特点。因此，铜和铝是目前最常用的导电材料。

    1．常见的导电材料及应用

    （1）铜（Cu）

    属贵金属，用途很广，工业用量也很大，但蕴藏较少，是最重要的导电金属。铜的电阻很小，并且有很高的可锻性和延展性，以及良好的耐蚀性。用作导电材料的铜是纯铜（又称紫铜），其含铜量是99．90%～99．95%。

    铜分硬铜和软铜两种。硬铜机械强度较高，常用于电车触滑线、架空电力线路用的裸铜线、配电装置用的母线和电机整流子片等。软铜的机械强度比硬铜低，常用作电线、电缆的线芯（图1－3－4）。

    （2）铝（Al）

    导电率仅次于银、铜与金，居第四位。由于铝的储藏量较为丰富，价格便宜，质量轻，故应用极为广泛。例如可作为电场与电磁波的屏蔽材料，广泛应用在电子电器产品的外壳。此外铝的导热性好，亦广泛应用在散热器（图1－3－6）与热交换器上。

    铝也分硬铝和软铝，用作导电材料的铝是杂质含量不大与的电解铝，纯度很高，具有较高的延展性和耐蚀性，常用作电缆的铝芯（图1－3－5）、电线和母线；也可用作电缆包皮，以代替铅包皮。

    

图1－3－4　铜芯电缆

图1－3－5　高压铝芯电缆

    

图1－3－6　铝散热器

    （3）金（Pt）

    导电率仅次于银与铜，高居第三位。能抗强酸强碱与化学药品腐蚀。延展性非常好，可拉成金线，或展成金箔。经常作为电路接点，或是集成电路中的接线，以确保电路的可靠度。此外也常用做表面镀金膜。

    （4）银（Ag）

    具有最高导电率。利用电解法可制造高纯度银，易于加工，耐蚀性与抗氧化性佳。由于价格昂贵，仅用在特殊用途，例如仪表的电刷（图1－3－7），电容器的电极，小型整流片等。

    （5）铂（Au）

    又称白金，导电率在纯金属中，排名中等，延展性好，耐蚀与抗氧化性皆。其熔点高达1765℃，故可做高温环境中的电路接点。例如电子点火系统。

    （6）纯铁（Fe）

    将电解的纯铁在次真空熔炼，可应用于磁心材料，如变压器、马达、继电器、发电机、电子仪表的铁心（图1－3－9）。

    （7）钢

    在金属当中，价格便宜，产量也比较大，并且有很高的机械强度。但是钢的导电性能不如铜和铝。它的主要缺点是电阻大，在潮湿和热的作用下极易氧化而生锈。钢常用作输送小功率架空电力线路的导线，接地装置中的接地线以及制作钢芯铝线等。

    （8）高电阻合金

    如镍铬、铬镍铁、锰铜、康铜也属于导电材料，可用作加热元件，将电能转化为热能，或用于制造电阻器。

    （9）石墨

    是一种特殊的导体，虽然电导率低，但由于它的化学惰性和高熔点，以及它的制品具有低的摩擦系数、一定的机械强度，被广泛地用作电刷、电极等（图1－3－8）。

    

图1－3－7　银电刷

    

图1－3－8　石墨电刷

    

图1－3－9　纯铁铁心

    2．特殊导电材料

    （1）电热材料

    用于制造加热设备中的发热元件，可作为电阻接到电路中，把电能转变为热能，使加热设备的温度升高。

    对电热材料的基本要求是电阻系数高，加工性能好，特别是能长期处于高温状态下工作，因此要求电热材料在高温时具有足够的机械强度和良好的抗氧化性能。目前工业上常用的电热材料可分为金属电热材料和非金属电热材料两大类。

    ①电热管（图1－3－10）；②电热带（图1－3－11）。

    

图1－3－10　电热管

    

图1－3－11　电热带

    通过电加热方式实现伴热。一般由导线、电热丝节、绝缘层、防护层、保护层组成。通过专用温控器、电源盒、分线盒、终端链接。

    （2）熔体材料

    熔体材料（保险丝）装在熔断器内，当设备短路、过载，电流超过熔断值时，经过一定时间自动熔断，保护设备。短路电流越大、熔断时间越短。

    

图1－3－12　熔体材料

    常用低熔点材料：银Ag、铅Pb、锡Sn、铋Bi、镉Cd，或其合金。

    （3）电阻合金

    电阻合金是制造电阻元件的主要材料之一，广泛用于电机、电器、仪器及电子等设备中。电阻合金电阻的温度系数低、阻值稳定、抗氧化性好、焊接性能好。按其主要用途可分为调节元件用、电位器用、精密元件用及传感元件用四种。

    3．导线

    若按导电材料制成线材（电线或电缆）和使用特点分，导线又有裸线、绝缘电线、电磁线、通讯电缆线等。

图1－3－13　裸线

图1－3－14　绝缘电线

    

1－3－14（a）　绝缘电线

    

1－3－15　通讯电缆线

    （1）裸线

    裸线的基本特点是只有导线部分，没有绝缘层和保护层（图1－3－13）。

    按其形状和结构裸线可分为单线、绞合线、特殊导线等几种。单线主要作为各种电线电缆的线芯，绞合线主要用于电气设备的连接等。

    （2）绝缘电线

    绝缘电线的基本特点：不仅有导线部分，而且还有绝缘层如图1－3－14、图1－3－14（a）所示。

    分类：按其线芯使用要求分有硬型、软型、特软型和移动型等几种。主要用于各电力电缆、控制信号电缆、电气设备安装连线或照明敷设等。

    （3）电磁线

    电磁线是一种涂有绝缘漆或包缠纤维的导线。主要用于电动机、变压器、电器设备及电工仪表等，作为绕组或线圈。

    （4）通讯电缆线

    通讯电缆线包括电信系统的各种电缆，电话线和广播线（图1－3－15）。

    二、常用磁性材料

    

图1－3－16　磁性材料的应用

    磁性材料，是古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针，如图1－3－16（a）所示。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘，应用于变压器中的铁心材料等，如图1－3－16（b）所示。

    通常认为，磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料按其特性不同，一般分为软磁材料和硬磁材料两大类。

    1．软磁材料

    软磁材料又称导磁材料，功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。主要特点是导磁率高，剩磁弱、矫顽力低。极易磁化也易消磁，磁滞损耗小。软磁材料一般指电工用纯铁，硅钢板等，主要用于变压器、扼流圈、继电器和电动机中作为铁芯导磁体，如图图1－3－17所示。

    

图1－3－17　软磁材料的应用

    （1）电工用纯铁

    电工用纯铁指含碳量在0．04%以下的铁。电工纯铁的电阻率很低，它的纯度愈高，磁性能愈好。

    （2）硅钢片

    硅钢片是在铁中加入0．8%～4．5%的硅形成的铁硅固溶体合金。硅钢片的主要特性是电阻率高，磁导率较高，矫顽力和铁损较小，同时硬度和脆性高，导热系数小。硅钢片适用于各种交变磁场，广泛应用于变压器、交流异步电动机与电器产品中。

    （3）铁镍合金

    铁镍合金又称玻莫合金，是在铁中加入36%～81%的镍而成的高级软磁材料。主要特点是在弱磁场下有很高的磁导率和低的矫顽力，电阻率不高，频率较高时铁损增大。用来制造家用电器中的小电机、小变压器、扼流圈、电器的电磁机构和计算机的记忆元件等。

    （4）铁铝合金

    铁中加入6%～15%的铝形成的合金。主要特点是电阻率高、重量轻、硬度高，涡流损耗小。广泛用于微电机、电磁阀、脉冲变压器、继电器、磁放大器、互感器等。

    （5）软磁性铁氧体

    金属氧化物烧结而成的非金属磁性材料。主要特点是电阻率高，在高频磁场作用下涡流损耗小，温度稳定性较差。用于制造高频的电磁元件。

    2．硬磁材料

    硬磁材料又称永磁材料，其主要特点是剩磁强，即在磁场作用下达到磁饱和状态后，即使去掉磁场还能较长时间地保持强而稳定的磁性。我国最早发明的指南器（称为司南）便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。硬磁材料主要用于制造磁电式仪表的磁钢，永磁电动机的磁极铁芯等，如图图1－3－18所示。在电学中硬磁材料的主要作用是产生磁力线，然后让运动的导线切割磁力线，从而产生电流。

    （1）金属永磁材料

    这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素（如镍、钴等）为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴（AlNiCo）系和铁铬钴（μFeCrCo）系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，组织结构稳定，具有优良的磁性能、良好的稳定性和较低的温度系数，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。

    

图1－3－18　硬磁材料

    （2）铁氧体永磁材料

    铁氧体永磁材料以氧化铁为主，不含镍、钴等贵重金属，价格低廉，材料的电阻率高，特别有利于在高频和微波应用，是目前产量最多的一种永磁材料。

    （3）稀土永磁材料

    稀土永磁材料是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料，为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物（又称金属间化合物）。例如稀土钴化物，是磁性最高的硬磁材，剩磁大、矫顽力高、动态特性优良、结构性能稳定，不易受外磁场影响，价格昂贵，不适宜200度以上工作。主要用于制作传感器、精密仪表、拾音器等的永磁体。

    3．其它磁性材料

    除了我们常见的软磁材料和永磁材料以外，还有一些制造、磁性和应用各有特点的永磁材料。它们性能不同、特点各异，在特殊领域发挥着重要作用。这里只介绍几个大家比较熟悉的例子，如图图1－3－19所示。

    

图1－3－19　稀土超磁致伸缩材料

    （1）稀土超磁致伸缩材料

    当外场发生变化时，磁性材料的长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。体积磁致伸缩比线性磁致伸缩要弱得多，一般提到磁致伸缩均指线性磁致伸缩。

    近年来发现某些稀土－铁做成的材料具有极大的磁致伸缩系数，达到1000ppm以上，因此被称为大磁致伸缩材料或超磁致伸缩材料。利用这种大磁致伸缩的特点，可以制造多种能量变换器件，将电磁能量转化为机械能或者相反。例如：

    声纳：一般的声纳发射频率都在2kHz以上，但是低于此频率的低频声纳有其特殊的优越性：频率越低、衰减越小、声波就传得越远，同时频率低受到水下无回声屏蔽的影响就越小。

    电－机换能器：主要用于小型受控动作器件——致动器。包括控制精度达纳米级，以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等。它们用于汽车、飞机、航天器、机器人、精密机床、精密仪器｜仪表、计算机、光通讯、印刷等。

    传感器和电子器件：如袖珍测磁仪、探测位移、力、加速度的传感器以及可调谐的表面声波器件等。后者用于雷达、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。

    （2）磁性塑料

    顾名思义，磁性塑料是带有磁性的塑料制品。

    磁性塑料的主要优点是：密度小、耐冲击强度大，可进行切割、切削、钻孔、焊接、层压和压花纹等加工，使用时不会发生碎裂，可加工成尺寸精度高、薄壁、复杂形状的制品，可成型带嵌件制品，实现电磁设备的小型化、轻量化、精密化和高性能化。

    磁性塑料可以用在许多器件中，如图图1－3－20所示。

    

图1－3－20　磁性塑料

    音像器材：磁带录音机用耦合器、电唱机用旋转变压器、电视接收机及计算机显示器、显像管、色纯会聚调节磁环、磁带录像机旋转磁头用马达及FG传感器、CD和VCD机的驱动马达、开门电机、耳机磁体及扬声器｜蜂鸣器磁体。

    家用电器：电冰箱、冷藏库、消毒柜、浴室等的门封磁条，洗衣机排水阀电机、定时器电机、电饭锅管座，电视机、录像机、电冰箱、洗衣机、吸尘器等电器的零部件。

    计算机及办公：软盘驱动器电机、打字机送纸马达、冷却轴流风机、CRT显示校正装置；静电复印机的显影磁辊、清洗磁辊、传真机中的磁辊、激光打印机磁辊。

    机械：钟表中的步进电机；工件固定永磁体、工业机器人用磁传感器、磁控开关、步进电机。

    汽车工业：汽车无触点分电器磁垫圈、燃料喷射泵用步进电机、防震贴板。

    医疗卫生、文化：磁疗保健品、磁疗床垫、磁疗转子、卫生肥皂盒；磁性绘图板、学生教具、广告、文具、磁性显示黑板；家具中的门扣、各种磁性玩具等。

    （3）磁性液体

    通常我们见到的铁磁性物体都是固体。但是利用人工的方法可以制造出磁性的液体。所谓磁性液体（也叫做磁流体）实际上是把磁性的粉末和某种液体采用特殊方法混合成的。由于它们是铁磁性的，是可以流动的液体，因此具有某些特殊的应用价值。例如，磁流体可以用在运动机械零件的密封、润滑以及阻尼等，利用磁流体发电也是人们研究较多的课题之一。

    三、常用绝缘材料

    在电工技术上，电阻率为109～1022Ω·cm的物质所构成的材料称为绝缘材料，又称电介质。简单地说就是能够阻止电流通过，使带电体与其他部分隔离的材料。绝缘材料对直流电流有非常大的阻力，在直流电压作用下，几乎是不导电的，而对于交流电流则有电容电流通过，但也认为是不导电的。绝缘材料的电阻率越大，绝缘性能越好。

    绝缘材料是决定电机、电器技术经济指标的关键因素之一。不同的电工产品中，根据需要，绝缘材料往往还起着储能、散热、冷却、灭弧、防潮、防霉、防腐蚀、防辐照、机械支承和固定、保护导体等作用。常用绝缘材料如下图图1－3－21所示。

    

图1－3－21　绝缘材料

    绝缘材料种类很多，可分气体、液体、固体三大类。

    1．气体绝缘材料

    气体绝缘材料能使有电位差的电极间保持绝缘，常用的有空气、氮气、六氟化硫等。作为气体绝缘材料应具有高的电离场强和介电强度，有良好的化学稳定性，不燃，不爆，无腐蚀性，不易被放电所分解，比热容大，导热性、流动性好，并容易制取和成本低廉为宜。

    常态下的空气其来源丰富，性能稳定，击穿后能自行恢复，广泛用作架空导线间、架空导线对地间和低压电器的绝缘。作为高压装置的内绝缘材料，以六氟化硫用得最普遍。六氟化硫化学稳定性好，离解温度在1000K以上，介电强度高，其灭弧能力约为空气100倍，兼有绝缘和灭弧双重性能，在压缩断路器中应用日广，已逐步取代少油断路器和压缩空气断路器。六氟化硫绝缘变压器具有防火防爆优点，适用于高层建筑。

    2．液体绝缘材料

    液体绝缘材料又称绝缘油，具有优良的电气、物理和化学性能。如汽化温度高，闪点高，尽量难燃或不燃；凝固点低，合适的粘度和粘度－温度特性；热导率大，比热容大；热稳定性好，耐氧化；在电场作用下吸气性小；它和与之接触的固体材料之间的相容性要好；毒性低、易生物降解。还要求来源广、价格低。开关油还要求在电弧作用下生成的碳粒少、易分散、沉淀快。超高压变压器油则要求油的流动产生的静电荷少。

    液体绝缘材料主要有矿物绝缘油、合成绝缘油（硅油、十二烷基苯、聚异丁烯、异丙基联苯、二芳基乙烷等）两类，用以隔绝不同电位导电体的液体。它主要取代气体，填充固体材料内部或极间的空隙，以提高其介电性能，并改进设备的散热能力。例如，在油浸纸绝缘电力电缆中，它不仅显著地提高了绝缘性能，还增强散热作用；在电容器中提高其介电性能，增大每单位体积的储能量；在开关中除绝缘作用外，更主要起灭弧作用。

    3．固体绝缘材料

    固体绝缘材料按其化学性质不同可分有机、无机和混合绝缘材料。有机固体绝缘材料包括绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、绝缘纤维制品、塑料、橡胶、漆布、漆管及绝缘浸渍纤维制品、电工用薄膜、复合制品和粘带、电工用层压制品等。

    （1）绝缘漆

    有浸渍漆、漆包线漆、覆盖漆、硅钢片漆、防电晕漆等。

    （2）绝缘胶

    与无溶胶相似，用于浇注电缆接头，套管，20kV以下电流互感器，10kV以下电压互感器。

    （3）绝缘油

    分为矿物油和合成油，主要用与电力变压器，高压电缆，油浸纸电容器中，以提高这些设备的绝缘能力。

    （4）绝缘制品

    有绝缘纤维制品，浸渍纤维制品，电工层压制品，绝缘薄膜及其制品等。

    【思考与练习】

    1．绝缘材料种类很多，可分－、－和－三大类。

    2．目前最常用的导电材料主要为－和－。

    无机固体绝缘材料有云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫黄等，主要用作电机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等。混合绝缘材料为由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料，用作电器的底座、外壳等。