电概导电材料.pptx

电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.1 导电材料概述及分类导电材料概述及分类一、定义一、定义 电阻率在10-710-4m的材料二、种类二、种类 金属，酸、碱、盐的溶液、熔体，石墨，某些有机物(聚乙炔、聚苯胺等)，超导体三、应用三、应用 高电导率用于传输电流（电缆线芯、电机绕组）高电阻率将电能转换成其它能量2024/3/26 周二1电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论典型材料的电导率典型材料的电导率导电类型导电类型材料类型材料类型导电率导电率/-1m-1离子导电离子导电离子晶体离子晶体10-1610-2快离子导体快离子导体10-1103强（液）电解质强（液）电解质10-1103电子导电电子导电金属金属103107半导体半导体10-3104绝缘体绝缘体10-104.1 4.1 导电材料基本性质导电材料基本性质电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 导电材料按导电机理可分为电子导电材料电子导电材料电子导电材料电子导电材料和离子导电材料离子导电材料离子导电材料离子导电材料 两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率导体的电导率导体的电导率导体的电导率101010105 5 5 5 S/m S/m S/m S/m，超导体的电导率为无限大（在，超导体的电导率为无限大（在，超导体的电导率为无限大（在，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为温度小于临界温度时），半导体的电导率为温度小于临界温度时），半导体的电导率为温度小于临界温度时），半导体的电导率为10101010-7-7-7-7101010104 4 4 4 S/m S/m S/m S/m；当材料的电导率小于当材料的电导率小于当材料的电导率小于当材料的电导率小于10101010-7-7-7-7S/mS/mS/mS/m时，就认为该材料基本上不能导时，就认为该材料基本上不能导时，就认为该材料基本上不能导时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。电，而称为绝缘体。电，而称为绝缘体。电，而称为绝缘体。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论导电氟橡胶导电氟橡胶导电氟胶座导电氟胶座导电尼龙导电尼龙导电导电ABS导电胶带导电胶带电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.2.1 4.2.1 导电特性导电特性 金属如何具有导电性？金属中的金属键（金属阳离子和自由电子）金属键的键能低，原子核对电子束缚小 电场作用下自由电子的定向迁移，并由于电 子碰撞晶格而发热 温度升高，电子热运动加剧，难以定向，电阻率升高 温度降低？2024/3/26 周二6经典经典电子理电子理论论电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 电子在金属内的运动用波动力学解释 电子沿金属的晶格传播，晶格骨架是障碍 电子波传递能量，晶格振动使金属发热 温度升高：晶格振动加剧，破坏晶格的规整性电子 波的传播阻碍加大，电阻率升高，合金电阻率高 温度降低：晶格振动减弱，对电子波的阻碍减小 T0时，出现超导现象 T=0时，合金和有缺陷的金属仍有电阻2024/3/26 周二7量子力学量子力学观点观点电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素温度 其中，0，受t0影响合金元素 溶质原子，溶剂原子，导致晶格畸变，引起电子散射，电阻率增加2024/3/26 周二8电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论导体电阻率公式导体电阻率公式 电阻率公式可写为：i取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，i越大，一般与温度无关；T取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论102024/3/26 周二 杂质引起电子散射 冷变形弹性变形，塑性变形 热处理退火，减少晶格缺陷 表面状态污染、氧化、水分、腐蚀等4.2.2 4.2.2 导热性导热性 金属中有原子传热、电子也参与热量传递，所以一般导电率高的金属导热率也高。影响金属导电性的因素，都对导热性有影响。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论接触电位差和热电势接触电位差和热电势产生原因产生原因：不同金属的自由电子浓度不同，接触时电子向低浓度区扩散，则因得到和失去电子而形成电位差。0.1几伏，因所处的温度而不同。2024/3/26 周二11电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论热电势热电势5.5.抗拉强度和伸长率抗拉强度和伸长率 退火抗拉强度低，伸长率高 未退火抗拉强度高，伸长率低2024/3/26 周二12电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3 4.3 常用的导电材料常用的导电材料4.3.1 铜及铜合金1.铜的优点 导电性好：AgCuAuAlMg 导热性好：AuAgCu 化学稳定性高，抗腐蚀：潮湿的空气中其表面可生成 Cu2(OH)2CO3，耐海水腐蚀2024/3/26 周二13电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论142024/3/26 周二 无磁性，反磁物质：电磁屏蔽 机械性能较好：纯铜抗拉强度是245315 MPa 塑性好：延展性好，易加工，易焊接 来源可靠，冶炼技术发达：天然单质铜、铜矿石（黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石）电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论2.2.铜的性质和影响因素铜的性质和影响因素 电阻率：0.017241 mm2/m 密度：8.9 g/cm3 电导率的相对值电导率的相对值：IEC规定在20度时比重为8.89，长1米，截面积为1mm2，电阻为0.017241（1/58 S），电阻温度系数为0.00393的退火软铜，电导率为100%IACS。电线电缆的导体选用铜含量高于99.90%的纯铜，国际上广泛采用电导率为102%IACS的无氧铜。2024/3/26 周二15电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论162024/3/26 周二 杂质对铜的影响 电导率：P、As、Al、Fe等 机械性能：能溶解于铜，提高强度Ag、Cd、Zn、Ni 不溶解于铜，使铜变脆Bi、Pb、O 退火 一般在400400以上以上，与铜的成分有关（58020）。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论有助于设计导体的主要物理性能如下表所示有助于设计导体的主要物理性能如下表所示 物理性能铜密度8,9电阻率（mWcm）1,7241导电率（%IACS）100电阻温度系数（K-1）0,0039导热系数（W/m.K）400线性膨胀系数（K-1）17x10-6拉应力（退火）（MPa）220/290拉应力（硬）（MPa）350/450弹性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）110电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论3.3.铜合金铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。银铜合金有良好的导电性、流动性和浸润性、较好的机械性能、耐磨性和抗熔焊性 镉铜合金1%的镉，冷拉后具有较高的抗拉 强度，制造大跨度架空导线、高强度绝缘导线、滑接导线 锌铜合金黄铜，提高强度 稀土铜合金加入钇，使晶粒细化、改善工艺 性能，提高导电性和机械强度，可与银铜合金媲美2024/3/26 周二18电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.4.铜和铜合金的应用铜和铜合金的应用 电力输送电力输送 电线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器中传导电流。与铝相比，具有导电性和尺寸上的优点。2024/3/26 周二19电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论202024/3/26 周二 电机制造电机制造 广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需要大长度的中空导线。电机内部的能量消耗，主要来源于绕组的电阻损耗；因此，增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论212024/3/26 周二 通讯电缆 把电能转化为光能，以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着人们对通讯的依赖越来越大，对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。住宅电气线路 电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 电真空器件电真空器件 高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。印刷电路印刷电路以铜箔为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上，用照相的办法把电路布线图印制在铜版上，通过浸蚀把多余的部分去掉留下相互连接的电路。然后，把分立元件的接头或其它部分的终端焊接在电路上。2024/3/26 周二22电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论232024/3/26 周二 集成电路集成电路微电子技术的核心是集成电路。以半导体晶体材料为基片（芯片），将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上。用铜的新型微芯片，可以获得30%的效能增益，电路的线尺寸可以减小到0.12微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。半导体集成电路的发展，为铜的应用开拓了新领域。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3.2 4.3.2 铝和铝合金铝和铝合金 地壳中含量最丰富的金属元素（8.15%）,价格便宜。用途：纯铝大量用于电缆架空输电线用钢芯铝绞线、母线、铝护套、电容器中的铝箔电极等特点：电导率高，0.029 mm2/m，比重小，重量轻：2.7 g/cm3 导电能力约为铜的2/3，密度为铜的1/3，等质量和等长度的铝线 和铜线相比，铝的导电能力约为铜的二倍，且价低。耐热性好 耐腐蚀性好，Al2O3膜保护 抗拉强度低，7095MPa 不易焊接2024/3/26 周二24电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论对于设计导体有用的物理性能如下表所示对于设计导体有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能铝铝 密度密度2,7 电阻率电阻率(mmcm)2,826 导电率导电率(%IACS)61 电阻温度系数电阻温度系数(K-1)0,004 导热系数导热系数(W/m.K)220 线性膨胀系数线性膨胀系数(K-1)23x10-6 拉应力（退火）拉应力（退火）(MPa)60/80 拉应力（硬）拉应力（硬）(MPa)150/200 弹性模量弹性模量(MPa)66000 硬度（退火）硬度（退火）20 硬度（硬）硬度（硬）40电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 铝合金 铝镁合金：（中强度）主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。质坚量轻、散热性较好、抗压性较强，其硬度是传统塑料的数倍，但重量仅为后者的三分之一。铝镁硅合金：（高强度）用作架空线。氧化铝 化学性质稳定，绝缘性能优良 机械强度高，耐高温2024/3/26 周二26电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.3.3.4.3.3.特殊导电材料特殊导电材料一、一、触头材料触头材料（接触材料）（接触材料）电接触材料是电流传输与转换过程中重要材料之一。电力、电器设备中通、断控制及负载电流电器（如开关、继电器、起动器及仪器仪表等）的关键材料。2024/3/26 周二27电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论282024/3/26 周二 在开关电器中，电接触材料性能决定了开断能力和接触可靠性。接触电阻相互接触的导体接触面电阻远高于其它部位电阻。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论集中电阻集中电阻 电流通过实际接触面时，由于电流线收缩（或称集中）显示出来的电阻。将其称为集中电阻或收缩电阻。A、B，导体电阻；n，接触点数；f，临界弹性值；F，接触力。2024/3/26 周二29电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论302024/3/26 周二界面电阻界面电阻 由于接触表面膜层及其他污染物所构成的电阻。从接触表面状态分析，表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。接点材料：要求接触电阻小，耐高温，W和W合金 滑动触头材料：硬度大，摩擦系数小，碳系材 料（Cu、Ag、Zn、Sn、Pb与 石墨粘合成型）电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论常用触头材料分类表常用触头材料分类表类别类别材料品种材料品种强电用强电用 复合触头材料复合触头材料银银-氧化镉，银氧化镉，银-钨，铜钨，铜-钨，银钨，银-铁，铁，银银-镍，铜镍，铜-石墨，银石墨，银-碳化钨碳化钨真空开关触头材料真空开关触头材料铜铋铈，铜铋银，铜碲硒，钨铜铋铈，铜铋银，铜碲硒，钨-铜铋铜铋锆，铜铁镍钴铋锆，铜铁镍钴铋弱电用弱电用 铂族合金铂族合金铂铱，钯银，钯铜，钯铱铂铱，钯银，钯铜，钯铱金基合金金基合金金镍，金银，金锆金镍，金银，金锆银及其合金银及其合金银，银铜银，银铜钨及其合金钨及其合金钨，钨钼钨，钨钼电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.4 超导材料超导材料4.4.1 4.4.1 超导现象超导现象 1911年，荷兰Leiden大学H.K.Onnes首先在实验室发现汞（Hg）在温度降到4.2K（液氦温度）时，电阻率很快降到零。2024/3/26 周二32电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 1957年美国MIT，Collins等曾用下述实验测定超导体在超导态下的电阻值试验温度T Tc c7.23K7.23K可以推算出线圈此时的电阻率1010-21-21mm与铜的电阻率10-7m相比，超导态下的电阻率实际上等于零。2024/3/26 周二33电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.4.2.4.4.2.超导的概念与定义超导的概念与定义2024/3/26 周二34 某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体超导体。从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温超导临界温度度T Tc c。超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率1010-26-26cmcm，可以认为电阻为零。，可以认为电阻为零。特性一特性一：完全导电性，超导体进入超导态时，其电阻率实际上：完全导电性，超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的流将永不衰减。即超导体的“持久电流持久电流”。特性二特性二：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只有：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只有T TTcTc，超，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论特性三特性三：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，而成为普通的常导状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临而成为普通的常导状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临界电流界电流Ic和临界磁场和临界磁场Hc临界。临界。临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论小结：小结：小结：小结：超导（电）体具有三个与其超导性能有关的基本参数：临界温度临界温度TTc c 临界磁场临界磁场HHc c 临界电流临界电流IIc c2024/3/26 周二36电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论374.4.3 4.4.3 超导体的电磁性质超导体的电磁性质反磁性反磁性迈斯纳（W.Meissner）效应 1933年进行的一项著名实验 不论超导体在进入超导态前内部是否有磁场，一旦进入超导态后，即使有外磁场，超导态内部都不存在磁场，即磁感应强度2024/3/26 周二电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论2024/3/26 周二38超导体的电流分布超导体的电流分布 集肤性集肤性 不加外磁场时，流过超导扁带内的电流密度Js符合公式：电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.4.4 4.4.4 超导机理超导机理 唯象模型唯象模型二流体模型二流体模型1）超导态时，自由电子分为：超导电子超导电子和常导电常导电子子。两类电子占据同一体积，在空间中互相渗透又彼此独立地运动。2）常导电子常导电子受晶格的散射，且运动杂乱，对熵有贡献。3）超导电子超导电子处于一种凝聚状态，即它们凝聚在某个最低能量状态，其特点是电子不受晶格散射，其熵为零。2024/3/26 周二39电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论402024/3/26 周二（4）超导态是有序化状态，超导电子的凝聚就是这种有序化的表现。T0时，所有自由电子都凝聚在这个态中成为超导电子；0TTc时，全部自由电子从凝聚态中激发出来，成为常导电子，进入无序化的常导态。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论4.4.5 微观理论微观理论BCS理论理论 巴丁巴丁库伯库伯斯里费斯里费三人提出：超导体中的电子总是每两个组成一对的，称为库伯电子对库伯电子对。在BCS状态下，电子的能量比常导状态下的要低。在绝对零度时，每单位体积的能量 W=N(0)2(0)，(0)=2D-1/(N(0)V0)式中，N(0)费米级的状态密度，即单位能量间隔的电子状态数；D描述晶格振动的德拜频率；V0 电子间的引力强度；能隙。2024/3/26 周二41电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 要把一个库伯对拆散成二个常导电子，需从外部加入2的能量。超导态比常导态每个电子能量低。电子能谱中存在的能隙是由于库伯对的吸引力造成的。能隙随着温度的上升而减小，这时一些库伯对拆散成二个常导电子，库伯对的密度也随之下降。当0时，超导态消失而转变为常导态。2024/3/26 周二42电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论432024/3/26 周二库柏电子对形成示意图库柏电子对形成示意图 电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论金属超导体金属超导体 目前发现具有超导电性的金属元素有30种，其中过渡族元素19种，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非过渡族元素有11种如Pb、Sn、Al、Ga等。4.4.5 超导材料的分类超导材料的分类电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 超导金属中，铅（Pb）的临界温度最高，达7.196K，（Rh）的临界温度最低，为0.000325K。超导合金很多，临界温度有所提高，如NbTi二元合金，其临界温度为810K；NbTiZr三元合金，其临界温度为10K。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论氧化物超导体氧化物超导体氧化物超导材料氧化物超导材料电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 19861986年，年，BednorzBednorz和和MullerMuller发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于LaBaCuLaBaCu系，进入超导态的开始温度为系，进入超导态的开始温度为30K30K，因为该项工作而获得了诺贝尔奖。，因为该项工作而获得了诺贝尔奖。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 19871987年年2 2月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在93K93K的的YBaCuYBaCu系超导系超导体，化学计量式为体，化学计量式为YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7，即所谓的，即所谓的123123材料，通常材料都有氧空位，材料，通常材料都有氧空位，因此写成因此写成YBaYBa2 2CuCu3 3O O7-x7-x。从结构上看，具有以下特征：从结构上看，具有以下特征：（1 1）钙钛矿式的层状结构；）钙钛矿式的层状结构；（2 2）同时存在）同时存在CuCu2+2+和和CuCu3+3+；（3 3）存在氧空位。）存在氧空位。电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论 超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。（1）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。主要应用在电力方面如超导电缆，超导磁体如超导磁悬浮列车，巨大环形超导磁体、超导磁分离等。4.4.6 超导材料的应用超导材料的应用电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论超导线材超导线材 复合超导线材2024/3/26 周二50电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论氧化物超导线制造流程氧化物超导线制造流程制制造造工工艺艺 第第一一步步 原原料料混混合合2024/3/26 周二51电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论第第二二步步 灌灌入入银银管管2024/3/26 周二52电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论第三步第三步 压制成带压制成带2024/3/26 周二53电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论第四步第四步2024/3/26 周二54电气材料与电力设备概论电气材料与电力设备概论（2）超导弱电弱磁的应用 基于Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。超导材料的应用超导材料的应用