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电气材料基础课程总结

时间：2022-09-30 17:00:00 hf105f大功率继电器永磁铁氧体绝缘电阻圆柱式电力电容器系列ev100继电器材料tc薄膜电容

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电气材料基础

绪论

电气材料结构与性能

电介质材料

  • 电介质分类及各类的基本特征

    • 按照分子中正负电荷的分布情况可以分为：非极性电介质、极性电介质、离子型电介质。
    1. 非极性电介质：无外电场作用时，分子的正负电荷中心重合，因此分子的电偶极矩等于零，电气性能稳定。分子结构对称，呈各向同性。
    2. 极性电介质：无外电场作用时，正负电荷中心不重合，有偶极矩，分子化学结构不对称。
    3. 离子型电介质：基本单元为离子，介电常数大，变化范围也很大，有较高的机械强度。

  • 电介质的极化及其分类、机理

    • 极化就是在外电场的作用下，电介质内部产生电偶极矩，表面出现束缚电荷的现象。
    1. 电子位移极化：电子云和原子核在外电场作用下发生迁移，而当外电场关闭，原子会回复原来的情况。
    2. 离子位移极化：正负离子在外电场作用下发生迁移的现象。
    3. 取向极化：只出现于极性分子，由固与电偶极子的取向改变产生。

  • 弹性模量

    • 定义：应力/应变
    • 宏观角度：衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度
      微观角度：原子、离子和分子之间键合强度的反应

  • 电介质的击穿

    • 电导率随着电场强度的提高到一个临界值时而迅速增加，伏安特性趋于无穷大时击穿，此时的临界电场强度称为电介质击穿强度或电气强度。

  • 热导率

    • 当温度垂直梯度为1摄氏度/米时，单位时间内单位水平截面积所传递的热量。热导率是物质导热能力强弱的量度。

  • 绝缘材料的耐热等级（温度系数）

    • 电介质的最高允许工作温度是指在此温度下介质的电学力学化学等性能能保证长期正常运行，而当超过这一温度，电介质的性能将显著下降。
    • 国际上根据绝缘材料的耐热程度，即最高允许温度，划分了绝缘材料的耐热等级。
      • 把绝缘材料划分成不同的耐热等级，是为了便于在运行电机电器等电力设备设计、制造和维修是能够合理选用材料。

  • 绝缘材料老化

    • 电介质的老化是指绝缘材料在储存、使用过程中，受热、电、光、氧、潮气等因素长时间作用，其性能发生不可逆劣化的现象。老化着重于长时间和不可逆。
    • 有交联或者降解反应：交联反应使分子量增大，并逐渐形成网状结构；降解反应使聚合度下降，甚至产生低分子挥发物
    • 老化有：电老化、热老化、疲劳、光老化或光氧化老化、化学老化、生物老化和高能辐射老化
    • 老化的内在原因在于绝缘材料的分子结构具有弱点、材料中的杂质、以及绝缘体系中不同材料之间兼容较差
    • 提高耐久性 首先要消除结构上的弱点和杂质
      • 提高原材料纯度，例如干燥处理
      • 改进聚合方法，降低聚合反应温度
      • 改进加工工艺
      • 添加不同的防老剂，比如抗氧剂、热稳定剂等等

  • 工程上对气体电介质的要求

    • 工作场强和电离起始场强高
    • 对人体无害 不污染环境
    • 化学稳定性好、惰性大、不腐蚀结构材料
    • 不燃不爆不老化不因放电而分解
    • 热稳定性、导热性好、热容量大
    • 沸点低、流动性好，不因环境温度下降而液化
    • 制备方便、来源广、成本低

  • 电负性气体

    • 具有优良的绝缘性能和灭弧能力
    • 六氟化硫：无色无嗅无毒不燃、化学性能稳定。灭弧性能好：
      • 导热性能优异，使得电弧的弧心直径小，电压梯度低
      • 有很强的电负性，容易吸附自由电子形成活性较小的负离子，易与正离子复合
      • 在电弧作用下分解会吸收大量的热量

  • 液体电解质的理化性质

    • 外观：颜色、透明度等
    • 粘度
    • 凝固点
    • 酸值：油中有机酸的含量，是衡量老化的重要指标（被氧化了容易生成酸）
    • 闪点：标准状态下加热，放出的蒸发气体遇火焰瞬间闪火的最低温度

  • 液体电介质的介电性能

    • 相对电容率和体积电阻率：前者是极化造成的；后者就是电阻率
    • 介质损耗因数（介质损耗角）
    • 电气强度（击穿场强）

  • 矿物绝缘油主要是由烷烃、环烷烃芳香烃组成；

    植物绝缘油主要是由油酸、亚油酸、芥酸棕榈酸等不饱和脂肪酸组成

  • 聚乙烯交联之后结构从链状变成网状

    抗拉性能增强，耐环境应力开裂能力强，抗蠕变，工作温度升高、耐树枝化放电性能提高

  • 纳米材料及其特殊效应

    • 纳米材料是组成相或者晶粒结构的尺寸控制在100nm以下的具有特殊功能的材料
      纳米材料的特殊效应
      1. 表面效应
      2. 纳米微粒电子能级的不连续性
      3. 量子尺寸效应
      4. 小尺寸效应
      5. 量子隧道效应
      6. 库仑堵塞效应
      7. 介电限域效应

  • 环境友好材料

    • 环境友好材料是指材料在整个寿命周期内，具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能够改善环境的材料。

导电材料

磁性材料

  • 磁性材料的导磁能力
    • 用磁化率和导磁率表征
    • 磁化强度（M）是单位体积磁体内具有的磁矩矢量和；磁极化强度（J）是单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶矩矢量和
    • 磁化率是描述物质磁化性质的物理量。磁化强度M/磁场H称为磁化率，表示单位磁场强度在磁体中感生的磁场强度，是表示磁体磁化难易程度的一个参量。
    • 磁导率是描述物质磁性的物理量。将B/H定义为绝对磁导率，将B/miuH称为相对磁导率，是表征磁体的导磁大小以及磁化难易程度的一个磁学物理量。
  • 磁性材料的分类
    • 根据磁化率的大小和种类可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性和变磁性六个种类。
      • 抗磁性是在外加磁场的情况下，物质获得一个对抗外加磁场的磁矩的现象(M与H方向相反，磁化率为负)
      • 顺磁性是物质在外磁场下呈现与外磁场方向相同的磁场的性质
      • 铁磁性是以铁为代表的元素在外磁场的作用下表现的一种磁性，其特点有：
        1. 磁化率很大且随外磁场强度的变化而变化
        2. 有一个特征转变温度Tc，称为居里温度。在该温度以上，材料的铁磁性转变为顺磁性
        3. 在磁化和去磁化过程中，磁化强度不仅依赖于外磁场强度，而且依赖于它所经历的磁状态的历史，即呈现磁滞现象
        4. 画磁滞曲线的时候矫顽力HC，最大磁化强度Bm，剩余磁化强度Br，最大磁场强度Hm得标在图上
      • 反铁磁性是指在无外加磁场作用的情况下，邻近完全相同的原子或离子的磁矩，由于相互作用而处于相互抵消的状态，致使合成磁矩为零的现象。
      • 亚铁磁性宏观磁性与铁磁性相同，但是磁化率要比铁磁性略低；内部磁结构与反铁磁性的相同，且相反排列的磁矩不等量
      • 变磁性在低磁场下没有或者很少自发磁化，但是当外磁场增加到一定程度之后，磁体的自发磁化强度发生突变
    • 根据其组成可以分为铁磁性材料和铁氧体两类，前者为金属，后者为氧化铁和其他金属氧化物组成。
  • 软磁材料的特点
    • 软磁材料是指具有高磁导率和低矫顽力的材料，容易磁化也容易退磁，在交变磁场下磁滞回线面积小且磁损耗低
    • 良好的软磁性能要求材料有尽可能低的磁各向异性和磁致伸缩，低的内应力，高的电阻率（电阻大可以减少涡流损耗，功率小）
  • 软磁材料
    • 晶态软磁材料：纯铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金
    • 非晶态软磁合金（无结晶固体的长程有序）：铁基合金、钴基合金、镍铁基合金
    • 纳米晶软磁
    • 软磁铁氧体
  • 硬磁（永磁）材料的优点
    • 永磁材料又称为硬磁材料，是一类经过外加强磁场磁化再去掉外磁场后能长期保持其较高剩余磁性，并能经受不太强的外加磁场和其他环境因素干扰的强磁材料。因为能够长期保留其剩磁，因此称为永磁材料；同时因为它有好的矫顽力，能够经受不太强的外加磁场的干扰，因此称为硬磁材料。
    • 硬磁材料的基本特点
      • 高的最大磁能积（BH）max
      • 高的矫顽力BHc和高的内禀矫顽力iHc（矫顽力是B=0的时候H的值，内禀矫顽力是M=0时H的值）
      • 高的剩余磁通密度Br和高的剩余磁化强度Mr
      • 高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等非磁性环境因素变化的稳定性
  • 硬磁材料
    • 根据永磁材料的成分和磁性等特点，可分为金属永磁材料、铁氧体（铁的氧化物）永磁材料和稀土永磁材料

电储能材料

  • 高性能储能器件的开发是电能存储的基础，目前广泛研究的储能器件有：储能电容器、二次电池（可以重复充放电的电池）和电化学电容器

    • 储能电容器是利用电介质在外电场下的极化储存能量的，具有功率密度大（能量密度小）、工作电压高、充放电速度快、效率高等特点
    • 电化学电容器工作原理与传统电容器相同，由于包含了更大的有效比表面积和更薄的电介质，电容量和能量要比常规电容器高10000多倍。
    • 二次电池中，电极材料的类型是影响电池电能储存能力的主要因素

  • 介质的储能密度是指单位体积容纳的电能，主要取决于介电常数和击穿场强。

  • 储能电容器介质材料的分类及特点

    • 根据储能电容器的介质材料分类，有聚合物薄膜、陶瓷材料、聚合物复合薄膜等
      1. 聚合物薄膜（有机电介质）：介质击穿场强较高，然而其介电常数远低于陶瓷材料
        • 聚丙烯薄膜、液体浸渍剂和以聚偏氟乙烯为代表的新型聚合物储能介质
      2. 陶瓷材料（无机电介质）：一般耐高温、耐腐蚀，具有较高的介电常数，击穿场强一般低于有机薄膜介质
        • 铁电体陶瓷和反铁电陶瓷
      3. 聚合物复合有机薄膜：以陶瓷-聚合物复合薄膜为例，是在有机物基体中添加高介陶瓷（或者纳米颗粒填料），从而提升复合体系的介电常数

  • 铁电体材料（无机电介质）

    • 铁电体晶体的晶胞因其自身正负电荷中心不重合而具有极性。极性的晶胞整齐排列，在无外加电场的情况下，自发的产生一个极化强度，称作自发极化。类比铁磁体的磁畴，引入“电畴”的概念来描述铁电体的磁化机理。在铁磁体中，由于偶极子之间的相互作用很强，即使无外电场作用，在一定体积范围内，电偶极子平行排列，这一具有平行偶极矩的单元就成为“电畴”。但是整体还是电中性的，相邻电畴的偶极矩方向相差 9 0 0 90^0 900，或者 18 0 0 180^0 1800，在电场作用下电畴随着外电场发生极化定向。
    • 铁电体是具有强极性的电介质
      • 具有高的介电常数
      • 介电常数与电场强度大小有关（非线性）
      • 极化强度跟电场强度的关系为多值函数且呈回线，称为”电滞回线“的特点

  • 电化学电容器（又称超级电容器）

    • 工作原理与传统电容器相同，由于包含了更大的有效比表面积和更薄的电介质，电容量和能量要比常规电容器高10000多倍。
    • 基于储能模型和构造，可以分为：双层电容器、氧化还原型电化学电容器（也称赝电容器）、以及上面二者的混合体系。
    1. 双层电容器：储能方式与传统电容器大致相同。高能量密度来源于：
      1）更多数量的电荷能够储存于高度拓展的电极表面上；
      2）电极和电解液之间的双电层的厚度较薄。
      双电层电容器的结构与电池类似，两个电极浸入电解液，中间用离子渗透膜隔开防止电接触。充电状态下，电解液中阴阳离子分别移向正极和负极，在电极-电解液界面形成两个双电层，每一个电极-电解液界面代表一个电容器，因此整个组件可以视作两个电容器的串联
    2. 赝电容器的储能原理有不同，它不是通过静电荷的存储，而是利用材料表面快速、可逆的氧化还原反应储存释放电荷。充放电过程中，电极上发生氧化还原反应，电解液中的离子与电极交换电子并形成吸附离子。吸附离子在电极表面发生电吸附或插层反应，而没有发生氧化还原反应（氧化还原反应是在电极上发生，吸附反应无化学键生成），因此赝电容器中氧化还原反应速度远高于电池。

  • 电化学电容器电极材料分类及特点

    • 双电层电容器电极主要是使用纳米孔的碳材料，因为其来源丰富、低成本、化学惰性、良好的导电性、结构和表面功能多样化的优点。活性炭是双电层电容器中应用最广泛的活性材料，包括活性炭粉末和活性炭纤维。活性炭粉末活化后比表面积大，但是孔径大小分布不理想；活性炭纤维电导率高，活化后比表面积与活性炭粉末相近。
    • 赝电容器的电极材料主要包括导电聚合物、过渡金属氧化物、富含杂原子（O、N）的碳材料以及静电吸附H的纳米多孔碳。
      • 导电聚合物是指能够导电的有机聚合物，能够提高氧化还原状态和聚合物的导电性能
      • 过渡金属氧化物表面经过快速可逆的氧化还原反应，显示出很强的赝电容行为，过渡金属氧化物电极的容量要远远大于双电层电容器中的碳材料。但是，由于电荷储存机制是基于氧化还原反应，也难以避免时间稳定性差和循环寿命短的缺点。

  • 电化学容器和传统电容器的区别（前面已经提过）

    • 工作原理与传统电容器相同，由于包含了更大的有效比表面积和更薄的电介质，电容量和能量要比常规电容器高10000多倍。

  • 锂离子电池的原理

    • 其实原理就跟普通电池一样，只不过是用 L i + Li^+ Li+导电而已。
    • 由正极负极、电解质以及防止短路的薄膜组成，电极上发生氧化还原反应， L i + Li^+ Li+在电解质中导电，外电路由电子导电

  • 锂离子电池电极材料的分类和特点

    • 正极材料
      • 锂过渡金属氧化物，能可逆地嵌入和脱出大量的锂离子，并具有充放电过程中的电势稳定性，轻而致密，具有电化学和热稳定性。
      • 通过混合、表面包覆和形成化合物等方法获得复合材料，可以结合不同的结构的不同性能
    • 负极材料
      • 金属锂：比容量高，但是存在短路等安全问题
      • 石墨碳材料：在石墨中，碳原子沿着六边形平面分层堆积，该各向异性的结构允许锂离子进行嵌入和脱出
      • 无定形碳：由小六边形网络构成，晶粒之间相互交联，并与无定形相共存，表现出无序化结构。根据结构的无序化程度，又可以分为低结晶度碳（软碳）和非结晶碳（硬碳）。软碳材料的充放电曲线不存在平台，即电压波动幅度较大；容量低，但是具有高比表面积和稳定的结构。硬碳电极有非常稳定的寿命特性。
      • 合金：可以进行连续的可逆充放电；金属锂的反应电位相当低，如果电池的电压降低，即使单位质量的容量很高，电池的能量密度也会减小，金属负极在充电过程中与锂形成合金，金属原子之间的填隙位置被填满，造成电极体积膨胀，造成容量损失。

  • 燃料电池

    • 燃料电池是一种存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其基本原理使利用水电解的逆反应提供电力。它不通过燃烧或者热机过程产生电，而是直接将化学能转换成电能，同时产生水和热。

  • 燃料电池材料的分类及特点

    • 以电解质材料进行分类：
      • 碱性燃料电池：能快速启动，但是其主要问题在于电解质对CO2非常敏感，同时电解质具有强碱性，使用寿命短
      • 质子交换膜燃料电池：能快速启动，且质子交换膜为塑料薄膜，固体、没有腐蚀性，能量密度高。但是效率较低，同时电极材料中必须用铂作催化剂，成本昂贵，对工作气氛有严格要求
      • 磷酸盐燃料电池：工作温度高，较高的温度使催化反应加快，因此对燃料气要求不高，也能容忍杂质。但是必须用铂作催化剂，不能作为移动电源，只能作为电站
      • 熔融碳酸盐燃料电池：工作温度为中高范围，工作温度高，效率高，不需要贵金属作为催化剂，可以适用多种燃料气，但是不能作为移动电源
      • 固体氧化物燃料电池：属于中高温燃料电池，可以采用多种燃料，对气体杂质容忍度高，利用燃料效率也高；不需要贵金属作为催化剂；全部组件为固态陶瓷材料，避免了高温环境的腐蚀问题；电解质材料具有良好的氧离子（ O − 2 O^{-2} O−2）传导率
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