Конструкционные электротехнические материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

Учебное пособие

Конструкционные электротехнические материалы

Под редакцией доктора технических наук, профессора В.П. Горелова

В.П.ГОРЕЛОВ, С.В.ГОРЕЛОВ, В.С.ГОРЕЛОВ, Е.А.ГРИГОРЬЕВ

Новосибирск 2016

УДК 621.315(075)

ББК 621.3

К 65

Горелов, В.П. Конструкционные электротехнические материалы: учеб. пособие / В.П. Горелов, С.В. Горелов, В.С. Горелов, Е.А. Григорьев; под ред. В.П.Горелова. - 4-е изд. перераб. - Новосибирск: Сиб. гос. ун-т водн. трансп., 2016. - 341 с.

ISBN 978-5-8119-0420-4

В книге рассмотрены основы строения и физики явлений, происходящих в металлах, полупроводниках, диэлектриках и магнитных материалах. Приводится классификация их электрофизических, физико-механических, физико-химических параметров.

Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов электротехнических и неэлектротехнических специальностей при изучении курсов "Технология конструкционных материалов", "Техника высоких напряжений", "Перенапряжения и молниезащита", "Электротехника с основами электроники". Издание представляет интерес для преподавателей, слушателей системы повышения квалификации и переподготовки кадров.

Рецензенты:

Завкафедрой «Теоретические основы электротехники» ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор В.Ю.Нейман;

Первый замдиректора Филиала ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» НПСБ, доктор технических наук, профессор А.Г.Овсянников;

Главный сотрудник ЗАО «Институт автоматики энергетических систем», доктор технических наук, профессор Н.Н.Лизалек.

В.П.Горелов, С.В. Горелов,

В.С.Горелов, Е.А.Григорьев, 2016

ФГБОУ ВО «Сибирский

государственный университет

водного транспорта», 2016

электропроводность металл диэлектрик магнитный

Оглавление

Введение

1. Общие свойства технических материалов

1.1 Классификация технических материалов

1.2 Сведения о строении вещества

1.3 Основные понятия зонной теории

2. Проводниковые материалы

2.1 Общие сведения о проводниках

2.2 Основы металлургии

2.2.1 Диаграммы состояния сплавов

2.2.2 Стали и сплавы

2.3 Физическая природа электропроводности проводников

2.4 Сверхпроводящие материалы

2.4.1 Физика низкотемпературной сверхпроводимости

2.4.2 Высокотемпературные сверхпроводящие материалы на основе сложных оксидов

2.4.3 Применение криопроводников

2.5 Свойства благородных металлов

2.6 Цветные металлы и сплавы

2.7 Проводниковые конструкции из биметалла

2.8 Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

2.9 Припои и флюсы

2.10 Неметаллические проводящие материалы

3. Полупроводниковые материалы

3.1 Общие сведения о полупроводниках

3.2 Основы технологии получения электротехнических материалов

3.2.1 Классификация способов очистки электротехнических материалов

3.2.2 Получение чистых полупроводниковых материалов

3.2.3 Выращивание полупроводниковых монокристаллов

3.2.4 Легирование материалов радиационным способом

3.2.5 Основные свойства некоторых элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений

3.3 Применение полупроводниковых материалов

4. Диэлектрические материалы

4.1 Общие сведения о диэлектриках

4.2 Виды поляризации диэлектриков

4.3 Диэлектрическая проницаемость диэлектрика

4.4 Электропроводность диэлектриков

4.5 Виды электрического пробоя диэлектриков

4.6 Механические, тепловые и физико-химические свойства диэлектриков

4.7 Общая характеристика газовой изоляции

4.8 Развитие разряда в однородном поле

4.9 Развитие разряда в неоднородном поле

4.10 Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика

4.11 Коронный разряд на проводах линий электропередачи

4.12 Изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения

4.13 Неорганические и органические диэлектрики

5. Магнитные материалы

5.1 Классификация магнитных материалов

5.1.1 Парамагнетики

5.1.2 Диамагнетики

5.1.3 Ферромагнетики

5.1.4 Антиферромагнетики

5.1.5 Ферримагнетики

5.1.6 Метамагнетики

5.1.7 Деление магнитных материалов на группы

5.2 Основные характеристики магнитных материалов

5.3 Магнитомягкие материалы

5.3.1 Технически чистое железо и электротехнические стали

5.3.2 Сплавы железа с металлами

5.3.3 Ферритовые материалы

5.3.4 Магнитодиэлектрики

5.4 Магнитотвёрдые материалы

5.4.1 Сплавы с различной технологией твердения

5.4.2 Магнитотвёрдые композиты

5.5 Разработки специальных магнитных материалов

5.5.1 Термомагнитные материалы

5.5.2 Магнитострикционные материалы

Список литературы

От авторов

Посвящается 65-летию (1951-2016 г.г.) Сибирского государственного университета водного транспорта.

Начало XXI в. отмечено резким сокращением выпуска учебников и специальной технической литературы. Поэтому перед авторами была поставлена задача написать книгу, отвечающую программам политехнических вузов, и, одновременно, которая не устарела бы сразу по выходу из печати, т.к. учитывала бы постоянное развитие науки о технических материалах. Этим определены особенности курса для студентов как электротехнических, так и неэлектротехнических специальностей речных, морских, транспортных и других учебных заведений. Учтены изменения в использовании материалов для изготовления судовых, плавучих и береговых сооружений. Приводятся развернутые сведения о конструкционных материалах, применяемых как для изготовления судов, их изоляции и обстройки, так и для проводниковых и электроизоляционных изделий судовых электроэнергетических систем.

В написании учебного пособия принимали участие учёные в области материаловедения и изучения поведения электротехнических конструкций в слабых и сильных электрических полях, одной из главных целей которых являлось информирование о технических материалах читателей, проживающих в регионах Сибири и Дальнего Востока, недостаточно обеспеченных научно-технической литературой. Поэтому информация приведена в объёме, достаточном для понимания сложных вопросов по электротехническим, конструкционным и другим материалам.

Порядок чередования разделов книги старались сохранить согласно перечню тем программы по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Авторы использовали выдержки из материалов, как своих научных трудов, так и печатных работ других авторов. Значительная часть пособия содержит материалы лекций по дисциплинам «Электротехнические материалы», «Техника высоких напряжений» и «Перенапряжения и молниезащита», «Основы электротехники и электроники», читаемых авторами с 1973 г. студентам электротехнических специальностей Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова и ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», а также информацию из книг: «Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова. - 2-е изд. дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005. Кн. 1 - 387 с.; Кн. 2 - 239 с.» [5].

В разделах раскрывается физическая сущность процессов и явлений в материалах при воздействии электромагнитных полей, механических нагрузок и др., изменения характеристик материалов и изделий в процессе эксплуатации, наиболее важные области их применения. Курс является базой для дисциплин конструкторско-технологического профиля и предназначен для формирования у будущих специалистов инженерного подхода к анализу возможностей применения материалов в конкретных электротехнических изделиях. Особое внимание уделено классификации материалов и изделий из них, а также современному состоянию теории и практики гомогенных и гетерогенных систем. Содержание учебного пособия несколько выходит за рамки действующей программы, что позволяет использовать его и при дальнейших изменениях в науке и практике по материалам электротехнического профиля.

В заключении следует отметить особое значение материаловедения при формировании у обучаемых диалектико-материалистического мировоззрения. Особенно явным становится сознание того, что развитие науки и замена привычных понятий невозможны без диалектико-материалистического метода познания для понимания научных факторов. Это помогает выработать правильный взгляд в ещё мало исследованной области знаний.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам: доктору технических наук, профессору Владимиру Юрьевичу Нейману, доктору технических наук, профессору Александру Георгиевичу Овсянникову, доктору технических наук, профессору Николаю Николаевичу Лизалеку.

«Люди, постепенно изучая вещество, им овладевают, точнее и точнее делают в отношении к нему предсказания, оправдываемые действительностью, шире и чаще пользуются им для своих потребностей, и нет повода видеть где-либо грань познанию и обладанию веществом.»

Д.И. Менделеев (ок. 1890 г.)

Введение

Использование одной из главных производительных сил - электрической энергии - находит всё большее применение в промышленности и аграрном секторе хозяйства. Это стало возможным благодаря основополагающим открытиям российских и зарубежных учёных.

Во второй половине ХVIII века академиками Петербургской академии наук М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом был впервые построен прибор для количественной оценки электрического заряда. Разработка новых материалов позволила итальянскому физику А. Вольта в 1800 году создать химический источник тока. Академик Петербургской академии наук В.В. Петров в 1802 г. открыл электрическую дугу и указал возможные области её применения. В1820 г. французский учёный А. Ампер открыл закон взаимодействия проводников, по которым течёт ток, а немецкий физик Т.Н. Зеебек описал явление непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую, т.е. термоэлектричество. Немецкий учёный Г.С. Ом нашёл важное соотношение между силой тока I, падением напряжения U и сопротивлением проводника R. В 1831 г. английским физиком М. Фарадеем был открыт закон об электромагнитной индукции, и академиком Петербургской академии наук Э.Х. Ленцем в 1833 г. установлено правило, по которому определяется направление индукционных токов. В 1838 г. российский физик Б.С. Якоби впервые построил электродвигатель и указал некоторые области его применения. В 1847 г. немецкий физик Г.Р. Кирхгоф сформулировал правила для разветвлённых электрических цепей.

Необходимо подчеркнуть, что значительный прогресс науки и техники происходит благодаря развитию электроники - науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов. До открытия электронов атом считали основой структуры материального мира. Электрический ток рассматривали как “жидкую субстанцию, текущую по проводам”. Так, американский учёный Б. Франклин к 1853 г. разработал общую “унитарную теорию электрических явлений”, происходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обуславливает знак заряда тела. Он же предложил эффективный метод защиты от грозового разряда - молниеотвод. О дискретном строении электричества впервые в 1856 г. немецкий физик В.А. Вебер указывал, что “с каждым весовым атомом связан электрический атом”. Позднее в 1891 г. Г. Стоней предложил называть атом электричества с элементарным зарядом 1,6•10^-19Кл. - электроном. Только к 1897 г. английский физик Д.Д. Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе (9,106•10^-28г.) и пришёл к выводу о существовании частиц гораздо меньших, чем атомы. Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимости атома и привело к развитию науки - электроники.

Особенно важным событием явилось открытие российским учёным Д.И. Менделеевым в 1871 г. Периодической системы элементов - П.с.э., важной вехой на пути развития которой явилась предложенная английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. планетарная модель атома. В основе теории П.с.э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоёв, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста их атомного веса. Это представление было развито датским физиком Н.Х. Бором в 1923 г. С учётом характера изменения свойств химических элементов П.с.э. явилась фундаментом, в первую очередь, неорганической химии. Она помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами. Это способствовало разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специальных катализаторов для различных химических процессов.

В конце XIX и начале ХХ века большой вклад в развитие электротехники внесли американский учёный Т.А.Эдисон и югославский физик и электротехник Н.Тесла.

Изобретение в 1895 г. российским физиком и электротехником А.С. Поповым радио открыло новую эру в развитии науки и техники. Хорошо понимая потребность военного флота в средствах беспроводной сигнализации его прибор в реальных корабельных условиях к 1901 г. получил дальность связи 150 км. Итальянский радиотехник и предприниматель Г. Маркони, используя большие материальные возможности, получил в 1897 г. английский патент на принцип действия и конструкцию приборов, по способу действия и схеме радиоприёмника тождественных приборам Н.Тесла и А.С. Попова. В дальнейшем к концу 1901 г. на усовершенствованных приборах Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Разработка электронных приборов началась с изобретением в 1904 г. Д. Флемингом двухэлектродной лампы с накалённым катодом-диода. Под руководством Н.А. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича до 1935 г. был создан целый ряд многосеточных электронных ламп. Дальнейший прогресс связан с работами американских учёных Д. Бардина, У. Браттайна и У. Шокли, приведшими к изобретению германиевого точечного транзистора. В 60-х годах XX века были созданы интегральные системы (ИС), в которых элементы получают в нераздельном технологическом процессе. В течение следующего десятилетия перешли к производству больших интегральных микросхем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих до 10⁶ элементов размером до 3 мкм на полупроводниковом кристалле.

В настоящее время и в перспективе отмечается бурное развитие функциональной электроники, которая основывается на физических явлениях в твёрдом теле без применения базовых элементов (резисторов, транзисторов и т.п.).

При этом используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие акустических волн в твёрдом теле с потоком электронов (акустоэлектроника) и др. Дальнейшее бурное развитие получает новое направление - наноэлектроника, позволяющая управлять атомами, размещая их в точно определённом месте атомной структуры различных материалов.

Особо отмечают в XX веке развитие квантовой электроники, занимающейся исследованием устройств, действие которой основано на вынужденом излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Ещё в 1900 г. немецкий физик М.Л. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами, которые впоследствии получили название фотонов. В 1964 г. советские учёные Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и американский физик Ч.Х. Таунс получили Нобелевскую премию за разработку мазеров, позволяющих усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона вынужденного (когерентного) излучения. В 1960 г. американский физик Т.Г. Мейман создал лазер, который являлся источником электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Употребляется также термин “оптический квантовый генератор” - ОКГ. В качестве активной среды ОКГ применяют твёрдые, жидкие и газообразные вещества с внешним воздействием (накачкой) от непрерывного или импульсного источника. Одним из перспективных направлений явилась разработка полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой (ДГС-лазеров) советским физиком Ж.И. Алфёровым, удостоенным Нобелевской премии в 2001 г. Их отличительными особенностями являются высокий КПД, удобство возбуждения и малые габариты.

С каждым годом открываются новые области применения различных типов лазеров в военной технике, на флоте, в связи, в медицине и в быту.

Необходимо отметить большой прогресс в теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников в сильных магнитных полях (1957 - 1970 г.), а также в физике сверхпроводников, начиная с 1977 г. За основополагающий вклад в теорию сверхпроводимости российские физики А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург в 2003 г. были удостоены Нобелевской премии.

При проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования судового и другого назначения требуется комплекс знаний в области конструкционных и электротехнических материалов. Это связано с особыми условиями эксплуатации судового электрооборудования с высокой степенью влажности, широким диапазоном изменения температуры, давления, вибрации. Предъявляются жёсткие требования в отношении надёжности действия, пожарной безопасности, к снижению стоимости. Выбор электротехнических материалов для электрооборудования и приборов возможен только после глубокого анализа основных требований к материалам в реальных эксплуатационных условиях в строгом соответствии с Речным Регистром, который является органом, осуществляющим технический надзор за всеми морскими и речными судами независимо от их ведомственной принадлежности [9]. Он издаёт Правила, касающиеся постройки и оборудования судов, использования материалов в судостроении.

Развитие морского и речного флота связано с комплексной автоматизацией электрифицированных судов. Для этого применяют новые электротехнические материалы, в основном из органических полимеров, монокристаллов различных веществ.

В последние годы открыты новые виды магнитных, диэлектрических, проводниковых и полупроводниковых материалов, обладающих малоизученными свойствами. На основе этих материалов могут быть изготовлены: принципиально новые электротехнические устройства; многочисленные полупроводниковые приборы; разнообразные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические устройства; выпрямители, усилители, стабилизаторы напряжения, преобразователи энергии, запоминающие ячейки; электретные и фотоэлектретные устройства; жидкие кристаллы; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.

Для изготовления электротехнических материалов используются разнообразные приёмы химического синтеза, различные виды обработки, включая искусственное выращивание монокристаллов, нанесение тонких плёнок на различные подложки, а также ионно-плазменная обработка, воздействие на материалы электромагнитного поля и ионизирующих излучений.

Всё вышеуказанное подчёркивает важность повышения надёжности электрооборудования электроэнергетических систем мобильных и стационарных объектов на основе новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

1. Общие свойства технических материалов

1.1 Классификация технических материалов

Материалы, используемые в электроэнергетических системах судовых и береговых сооружений, подразделяются на конструкционные, электротехнические и специального назначения.

Практически все материалы в той или иной мере подвергаются воздействиям электрических и магнитных полей, или их совокупности, и могут быть отнесены к электротехническим. По реакции на воздействие электрического поля материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические [1-2]. По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики), слабомагнитные и делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (рисунок 1.1)

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено, в основном, этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами, отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов.

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Классификация технических материалов

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением с < 10^-5 Ом·м, а к диэлектрикам - материалы, у которых с > 10⁸ Ом •м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10^-8 Ом •м, а у лучших диэлектриков - превосходить 10¹⁶ Ом •м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах от 10^-5 до 10⁸ Ом •м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы.

Из 118 химических элементов лишь 25 являются неметаллами, причём 12 элементов могут проявлять полупроводниковые свойства [1,5]. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин строения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

При правильном выборе материала необходимо знать требования, предъявляемые к материалам условиями эксплуатации, например судов, способами их обработки при постройке и проведении ремонтных работ, условиями производства самих материалов, безопасной работы с ними, условиями хранения. Необходимо также учитывать возможность изменения требований к материалам со временем.

Совершенствование качества материалов и их применение происходит в следующих направлениях:

усложнение требований к характеристикам материалов;

специализация свойств и связанное с нею увеличение номенклатуры материалов;

расширение областей применения синтетических материалов и композиций на их основе;

увеличение количества промышленно используемых материалов на основе алюминия Al, титана Ti, молибдена Mo и других металлов, а также стекло- и углепластиков.

Вышеуказанное можно отразить на рисунках 1.2 и 1.3 по классификации применяемых материалов для корпусных конструкций и обстройки судовых помещений [1].

Выбор и применение материалов для корпуса судна, устройств и сооружений, обеспечивающих его эксплуатацию, должны учитывать требования Правил Речного Регистра, организационные и технические. Любое использование уже существующего или вновь созданного материала постоянно контролируется Речным Регистром [1, 5, 9].

Технические требования Правил Речного Регистра изложены в главах, посвященных сталям, сплавам и неметаллическим материалам, т.е. там, где непосредственно рассмотрены их конкретные свойства и количественные характеристики.

Технический надзор включает рассмотрение и одобрение технической документации на материалы, контроль за изготовлением материалов, оценку их состояния, освидетельствование, испытания (надзор ведётся и за проведением испытаний). Материалы, изготовленные под надзором Речного Регистра, оформляют документами, а в необходимых случаях клеймят и маркируют. Форму и содержание документов, клейм, марок также устанавливает Речной Регистр.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Классификация основных материалов корпусных конструкций



Рисунок 1.3 - Классификация материалов для обстройки судовых помещений

Для обеспечения надзора и освидетельствования материалов в ходе постройки и эксплуатации судна Речному Регистру (ещё до начала постройки) должны быть представлены и согласованы с ним перечень материалов с указанием их технических данных; наименование предприятия-изготовителя; одобрение Речного Регистра на применение материалов; указание о категориях материалов, предназначенных для изготовления всех корпусных конструкций (категории подбираются по таблицам гл. XIII Правил Речного Регистра); марки и категории основного металла корпуса; марки и категории сварочных материалов; подробное описание технологического процесса изготовления корпуса, содержащее сведения о материалах; схемы или описание расположения и материалов изоляции, зашивки, отделки, покрытий палуб с указанием степени горючести материалов, а также расчёт количества горючих материалов на 1 м² пола типовых помещений; сведения о степени горючести и пожарной опасности впервые применённых материалов со ссылками на методики и результаты проведения соответствующих испытаний.

Все замены материалов, ранее одобренных Речным Регистром, должны быть официально оформлены до их реализации. Проектная организация и предприятие - строитель судна или изготовитель материала - должны получить разрешение Речноого Регистра на замену одного материала другим, не предусмотренным Правилами, при условии равной эффективности обоих материалов. Если новый материал недостаточно практически проверен, то Речной Регистр может назначить его дополнительные испытания во время постройки судна и сократить сроки между освидетельствованиями судна во время эксплуатации или увеличить объём освидетельствований. Дополнительные испытания могут быть также установлены при обнаружении дефекта апробированного материала. По результатам таких испытаний материал допускается к применению или его категория и характеристики аннулируются. Речной Регистр разрешает устранение обнаруженных дефектов сваркой, термической и механической обработкой. Порядок устранения дефектов оговаривается для конкретных материалов и заготовок в зависимости от их назначения. В любом случае после подобной операции проводятся контрольные испытания, и вся процедура надзора за материалом выполняется заново.

Новые или впервые предъявляемые Речному Регистру материалы подлежат надзору, одобрению Речного Регистра, и их применение должно быть оформлено документом «Допуск на материал». Одобрению Речного Регистра подлежит сначала техническая документация на изготовление и применение материала. После одобрения документации образцы материала испытывают в объёме, необходимом для получения допуска, и согласованном с Речным Регистром.

Для получения допуска подают заявку в Речной Регистр, в которой указывают назначение материала, метод его изготовления, техническую документацию на изготовление. Вместе с заявкой представляются результаты испытаний химического состава, механических, технологических и других свойств материала, а также данные о результатах практического применения, если они имеются, подтверждающие возможность использования материала по назначению. При положительных результатах рассмотрения представленной заявки и сопроводительных документов Речной Регистр устанавливает перечень испытаний, которые должны быть проведены под его надзором, после чего допуск оформляется только для организации или предприятия-заявителя без права передачи другим предприятиям полученных полномочий. Если область применения материала расширяется, то заявителями должны стать несколько организаций или руководящая отраслевая организация.

Таким образом, весь процесс создания нового материала, его серийного производства для судостроения, переработки в изделие корпуса судна или судового устройства находится под постоянным и жёстким наблюдением Речного Регистра. Цель наблюдения и контроля - сохранить качество материала (конструкционную прочность, надёжность, долговечность) на требуемом уровне с учётом способов технологического воздействия на него и условий его эксплуатации.

Всё вышеуказанное контролируется Правилами Морского Регистра, применительно к судостроению и эксплуатации морских кораблей и гражданских судов.

1.2 Сведения о строении вещества

Упрощая физику явлений, будем считать, что основными элементарными частицами, из которых построены атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Все вещества состоят из атомов. Из атомов состоят молекулы. Из молекул состоит вещество. Вещество может находиться в газообразном, жидком или твёрдом состоянии. Для того чтобы разобраться в том, как устроены и работают современные приборы, необходимо систематизировать некоторые основные положения физики, начиная со структуры атомов и молекул [1-3,5].

Физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из положительно заряженных ядер, окружённых электронными оболочками. Электроны относятся к категории микрочастиц, которым присущ принцип дуализма, то есть они обладают как свойствами частицы, так и свойствами волны. Ни видеть, ни осязать электроны нельзя. Поэтому, изучая их, приходится пользоваться моделями и абстракциями. Простейшей, наиболее наглядной моделью, является модель Н. Бора, в которой электроны уподобляются шарикам, вращающимся вокруг ядра по определённым орбитам. С точки зрения квантовой физики такое представление ошибочно, так как микрочастица не может одновременно обладать определёнными значениями координаты и импульса. Поэтому применительно к микрочастице понятие траектории теряет смысл. Квантовая механика в состоянии предсказать лишь вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Эта вероятность представляет собой «усреднённую» картину поведения электрона, что позволяет представить электрон в виде облака, которое называют орбиталью.

Если в атоме водорода, удаляясь от ядра, проследить вероятность нахождения электрона, то окажется, что у самого ядра она равна нулю, потом возрастает, достигая максимального значения на расстоянии 0,53•10^-8 см от ядра, а затем постепенно убывает. Расстояние r = 0,53•10^-8 см условно принимают за радиус орбиты в атоме водорода, а сам электрон рассматривают в виде шарика массой m = 9,1•10^-31 кг и зарядом q = 1,6•10^-19 Кл. Количество вращающихся вокруг ядра электронов определяется порядковым номером химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева: в атоме водорода - один электрон, в атоме гелия - два и т. д.

Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определённым орбитам так, что на длине орбиты укладывается целое число длин волн, называемых волнами Де Бройля. При этом условии на длине орбиты образуется стоячая волна и не происходит излучения электромагнитной энергии. В противном случае электрон будет терять свою энергию, радиус орбиты станет уменьшаться и в результате электрон окажется притянутым к ядру.

Длину волны можно определить, приравняв выражения для импульсов (количества движения) электрона, исходя из его волновой и корпускулярной природы

,

где h - постоянная Планка (h = 6,62•10^-34 эВ•с); - частота электромагнитных колебаний; - скорость движения электрона по орбите.

Учитывая, что = , получаем формулу для длины волны

.(1.1)

Для получения стоячей волны должно выполняться условие

= = ,(1.2)

где r - радиус орбиты; n = 1,2,3,...

Возможные радиусы круговых орбит электрона в атоме водорода можно определить, исходя из того, что центробежная сила уравновешивается силой кулоновского притяжения электрона к ядру

,

где = 8,85•10^-12 Ф/м. Откуда получаем

.(1.3)

Значение найдём из выражения (1.2), подставим его в уравнение (1.3), из которого получим уравнение для возможных радиусов круговых орбит в атоме водорода

.(1.4)

При п = 1 получаем r = 0,53•10^-8 см.

Находясь на какой-либо орбите, электрон обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии движения электрона по орбите E_k и потенциальной энергии притяжения электрона к ядру E_п.

Для атома водорода

E_k = ,(1.5)

E_п = .(1.6)

Подставляя в (1.5) уравнение (1.3), получаем

E_k = .(1.7)

Полная энергия электрона

E = E_k +E_п = ? .(1.8)

Подставляя (1.4) в (1.8), получаем

E = . (1.9)

Подставив значения и , получим

E = эВ.

В начальном (невозбуждённом) состоянии электрон в атоме водорода находится на наиболее близкой к ядру орбите и обладает энергией Е = -13,6 эВ. Путём внешнего энергетического воздействия он может быть переведён на более удалённую орбиту. Такое состояние атома называется возбуждённым, оно является неустойчивым. В любом атоме электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, поэтому спустя некоторое время электрон вернётся на первоначальную орбиту, выделив при этом квант энергии, равный разности соответствующих энергетических уровней.

В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от его расстояния до ядра, но и от расстояний до каждого из остальных электронов, вследствие чего численные значения радиусов орбит и, соответственно, величины энергии не совпадают с численными значениями радиусов и энергии для атома водорода. Вращение электронов в этих атомах может происходить как по круговым, так и по эллиптическим орбитам. Движение электрона по круговой орбите соответствует сферическому электронному облаку, а движение по эллиптической орбите - облаку в форме гантели. При этом электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, но при условии, что на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов (принцип Паули). Чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические уровни они занимают. Возможные энергетические состояния электронов характеризуют четырьмя квантовыми числами.

Главное квантовое число п определяет радиус круговой орбиты или большую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать значение п = 1,2,3 и т. д. Чем больше п, тем больше радиус орбиты и энергия электрона. Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями.

Орбитальное квантовое число l определяет малую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать значения l = 0,1,2,..., (n-1). Значение l = 0 соответствует круговой орбите. Энергетические состояния, характеризующиеся различными значениями l, называют подуровнями. Значению l = 0 соответствует s-подуровень, значению l = 1 - р-подуровень, значению l = 2 - d-подуровень, значению l = 3 - f-подуровень.

Магнитное квантовое число т определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно может принимать значения т = 0, ±1, ±2, ..., ±1. Каждому квантовому числу l соответствует (2 l + 1) по-разному ориентированных орбит. При l = 1 возможны три взаимно перпендикулярных р-орбиты; орбитальному квантовому числу l = 2 соответствует пять возможных пространственных ориентаций орбит, называемых d-орбитами; квантовому числу l = 3 соответствует семь f-орбит.

Спиновое квантовое число s определяет момент количества движения электрона вокруг собственной оси. Вектор момента количества движения может быть параллелен или антипараллелен вектору орбитального момента. Спин электрона равен половине постоянной Планка, поэтому он равен +0,5 или -0,5.

Под химической связью понимают взаимодействие между атомами, в результате которого образуются молекулы и твердые тела. Химическая связь осуществляется посредствам электронов, находящихся на внешних, не полностью занятых электронных оболочках. Эти электроны называют валентными. Независимо от природы сил, возникающих при сближении частиц, характер взаимодействия между атомами остаётся одинаковым (рисунок 1.4): на относительно больших расстояниях появляются силы притяжения F_np, быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния x между частицами (кривая 1); на небольших расстояниях возникают силы отталкивания F_от, которые с уменьшением расстояния увеличиваются гораздо быстрее, чем F_пр (кривая 2). На расстоянии x = r₀ силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия F обращается в нуль (кривая 3). Состояние частиц, сближённых на расстояние r₀, является состоянием равновесия. Существует несколько видов химических связей.

Ковалентная связь возникает в результате перекрытия электронных облаков отдельных атомов при их сближении, вследствие чего возрастает плотность отрицательного заряда в межъядерном пространстве, что приводит к появлению сил притяжения, уравновешивающих силы взаимного отталкивания между ядрами. Перекрытие электронных оболочек сближающихся атомов приводит к обобществлению электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности электрона одному из атомов: электроны принадлежат одновременно нескольким атомам, образующим молекулу или твёрдое тело. Подобным образом создаётся молекула водорода: в разъединённых атомах водорода s-орбиты имеют сферическую симметрию с антипараллельной ориентацией спинов. При объединении атомов в молекулу образуется структура, показанная на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Виды химических связей

Рисунок 1.5 - Структура молекулы водорода

В зависимости от того, симметричную или асимметричную структуру имеют молекулы, они могут быть неполярными и полярными. В неполярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (рисунок 1.6, а), в полярных они находятся на некотором расстоянии друг от друга (рисунок 1.6, б), в результате чего образуется диполь, характеризующийся дипольным моментом т = ql (q - заряд электрона).

Ковалентная связь типична для органических молекул. Вместе с тем, она может иметь место и в твердых веществах. Примером могут служить атомы алмаза, кремния и германия, которые входят в четвертую группу периодической системы элементов. Они имеют валентность, равную четырем, и в твердом теле образуют структуру, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими своими соседями (рисунок 1.6, в). В такой структуре происходит обобществление валентных электронов, при котором каждый атом оказывается окруженным восемью обобществленными электронами. Такая связь характеризуется очень высокой прочностью.

Рисунок 1.6 - Неполярные и полярные молекулы

Металлическая связь возникает между атомами с небольшим числом валентных электронов, что характерно для металлов. При сближении таких атомов, как и при ковалентной связи, происходит перекрывание электронных оболочек и обобществление валентных электронов с той лишь разницей, что обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются между атомами, образуя «электронный газ». При этом атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы, силы отталкивания между которыми уравновешиваются силами притяжения между ионами и электронами. В результате такой связи образуется кристаллическая структура, в которой атомы металла находятся на строго определённом расстоянии друг от друга в среде коллективизированных электронов (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Кристаллическая структура металла

Ионная связь возникает между атомами металлов, имеющими на внешней орбите один электрон, и атомами металлоидов, имеющими на внешней орбите семь электронов. В этом случае при сближении атомов происходит переход валентных электронов от металлического атома к металлоидному, в результате чего образуются разноименные ионы, между которыми возникает электростатическое притяжение.

Так происходит, например, образование кристаллов хлористого натрия (NaCl). В таких кристаллах каждый ион связан с шестью ионами противоположного знака, в результате чего образуется структура, показанная на рисунке 1.8.



Рисунок 1.8 - Структура кристалла хлористого натрия

Молекулярная связь возникает между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия.

Межмолекулярное притяжение возникает при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах, то есть таком движении, когда в любой момент времени электроны соседних молекул максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам ядер соседних молекул (рисунок 1.9). Тогда силы притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек этих молекул. За счет молекулярных связей образуется твердое состояние инертных газов, водорода, кислорода, азота. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением.

Существуют две разновидности твёрдых тел: аморфные и кристаллические. Аморфные тела характеризуются случайным (хаотическим) расположением частиц (атомов, ионов или молекул). В кристаллических телах частицы расположены строго упорядоченно, на определённом расстоянии друг от друга, образуя пространственную кристаллическую решетку. Частицы, расположенные в узлах решётки, не могут покидать состояние равновесия, так как при удалении от этих положений появляются силы, стремящиеся вернуть их обратно. Единственной формой движения этих частиц являются беспорядочные колебания около положения равновесия. Энергия каждого такого колебания квантована. Порцию энергии тепловых колебаний называют фононом.

Рисунок 1.9 - Молекулярная связь между соседними молекулами

Кристаллические тела могут существовать в виде отдельных крупных кристаллов (монокристаллы) или же состоять из отдельных зёрен (поликристаллы).

В поликристаллах в пределах каждого зерна частицы расположены периодически, но при переходе от одного зерна к другому на границах раздела эта периодичность нарушается. Монокристаллы обладают анизотропией, то есть их механические, физические, тепловые и другие свойства различны в разных направлениях. Поликристаллы изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях.

Кристаллические тела состоят из большого числа одинаковых многогранников. Каждый такой многогранник называется элементарной ячейкой кристалла. Элементарные ячейки характеризуются длиной ребер a, b, c, называемых постоянными решетки, и углами между ребрами (рисунок 1.10). Оси x, y, z, совпадающие с ребрами a, b, c, называются кристаллографическими осями. За начало координат этих осей выбирают один из узлов решетки.

Рисунок 1.10 - Элементарная ячейка кристалла

Большинство материалов в твёрдом состоянии имеют только один определённый тип кристаллической решётки. Однако некоторые из веществ могут существовать в виде двух или нескольких кристаллических структур, это явление называется полиморфизмом. Примером может служить углерод, который существует либо в виде графита, либо в виде алмаза.

Твёрдые тела, имеющие кристаллическую структуру, обладают неоднородностью своих свойств в различных направлениях. При определении свойств кристаллов принято указывать расположение кристаллографических плоскостей и направлений, перпендикулярных этим плоскостям. Для этого используют индексы Миллера.

1.3 Основные понятия зонной теории

В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В твёрдом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия - это силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов увеличивается, других - уменьшается. В результате вместо дискретных уровней изолированного атома образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных энергетических уровней, плотность которых возрастает по мере удаления от краёв зоны по параболическому закону, достигая максимума в середине зоны [1-2].

Механизм образования энергетических зон схематически показан на рисунке 1.11. По мере сближения атомов (уменьшения расстояний) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем по мере сближения атомов - более низкие.



Рисунок 1.11 - Механизм образования энергетических зон

При сближении атомов на расстояние а₀ образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. Разрешённые зоны отделены друг от друга запрещёнными зонами, в которых отсутствуют разрешённые уровни. Ширина разрешённых зон по мере перемещения вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещённых зон соответственно уменьшается. Во многих случаях может иметь место перекрытие разрешённых энергетических зон. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными электронами, частично заполненными и свободными. Всё зависит от структуры электронных оболочек изолированных атомов и межатомных расстояний в кристалле. Внутренние оболочки изолированных атомов полностью заполнены электронами, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную электронами - зоной проводимости. Взаимное положение этих зон зависит от структуры оболочек изолированных атомов и определяет большинство процессов в твёрдом теле.

Из всего вышеизложенного следует, что с точки зрения зонной теории все твёрдые тела можно подразделить на две основные группы: материалы, у которых валентная зона перекрывается зоной проводимости, и материалы, у которых валентная зона и зона проводимости разделены запрещённой зоной. В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более высокие энергетические уровни, что обусловливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышающего ширину запрещённой зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещённая зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещённой зоной (менее 3 эВ) - к категории полупроводников и материалы с широкой запрещённой зоной (более 3 эВ) - к категории диэлектриков.

Характер энергетического спектра у металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен [1]. B металлических проводниках валентная зона заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещённой зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещённая зона меньше 3 эВ. Вещества с более широкой запрещённой зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещённой зоны может достигать 10 эВ. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических проводников показано на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Энергетические зоны электротехнических материалов: 1 - заполненная электронами зона; 2 - зона свободных энергетических уровней; 3 - запрещённая зона шириной Э

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твёрдых телах, независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путём туннельного перехода электронов от атома к атому. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов необходимо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния. Очевидно, такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни. В типичных случаях добавочная энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега под действием электрического поля, составляет (10^-8 - 10^-4) эВ, т. е. намного превосходит расстояние между подуровнями в зоне.

...