INŻYNIERIA MATERIAŁOWA PDF

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Prowadzący: dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk Konsultacje: piątek 11.15-12.00 C06 Konsultacje elektroniczne: [email protected] Wykład 15 godzin semestr I Laboratorium 15 godzin semestr II  Program wykładu Stałe materiałowe. Klasyfikacja materiałó...

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Prowadzący: dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk Konsultacje: piątek 11.15-12.00 C06 Konsultacje elektroniczne: [email protected] Wykład 15 godzin semestr I Laboratorium 15 godzin semestr II  Program wykładu Stałe materiałowe. Klasyfikacja materiałów elektrotechnicznych. Materiały przewodzące. Konduktywność metali. Nadprzewodniki. Materiały półprzewodzące. Warystory i termistory. Materiały elektroizolacyjne. Polaryzacja dielektryka. Przenikalność elektryczna. Straty dielektryczne. Wytrzymałość elektryczna. Trwałość materiałów elektroizolacyjnych. Palność. Klasyfikacja i zastosowania materiałów elektroizolacyjnych. Tworzywa sztuczne. Materiały stosowane na izolacje i powłoki kabli. Materiały magnetyczne. Polaryzacja magnetyczna. Diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki. Stratność ferromagnetyka. Klasyfikacja materiałów magnetycznych i ich zastosowania.  Literatura Podstawowa: 1. Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. WNT Warszawa wyd. III, 1988. 2. Poradnik inżyniera elektryka. WNT Warszawa wyd. I Tom I 1994 3. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2005. Uzupełniająca: 1. Sukiennicki, Zagórski, Fizyka ciała stałego. WNT, 1984. Stałe materiałowe i podział materiałów elektrotechnicznych Stałe materiałowe: konduktywność γ (rezystywność δ=1/γ) przenikalność elektryczna ε przenikalność magnetyczna µ Materiały elektrotechniczne: przewodzące, półprzewodzące, nadprzewodzące elektroizolacyjne magnetyczne materiały przewodzące ρ oC ≤ 10− 4 Ωcm 20 −4 materiały półprzewodzące 10 Ωcm < ρ oC ≤ 108 Ωcm 20 materiały elektroizolacyjne ρ oC ≥ 1012 Ωcm 20 materiały nadprzewodzące ρT ≤TC ≈ 0 Ωcm  Konduktywność – elektronowa teoria przewodnictwa Gęstość prądu przewodzenia k J p = ∑ ni qi vi i =1 ni - koncentracja ładunków swobodnych o wartość qi vi - prędkość unoszenia (uśredniona prędkość ładunku swobodnego) vi = ui E k - liczba rodzajów ładunków ui – ruchliwość ładunku k J p = E ∑ ni qi ui i =1 k γ = ∑ ni qi u i i =1  Konduktywność metali i stopów metal – substancja złożona z jednego pierwiastka będącego oraz różnego rodzaju zanieczyszczeń, wysoka konduktywność i przewodność cieplna stop – substancja o cechach metalicznych złożona z dwóch lub więcej pierwiastków (przypadek szczególny spieki) γ = ne ⋅ qe ⋅ ue http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/2_stany_skupienia/04_01_04.htm  Ziarna i deformacje struktury krystalicznej http://www.im.mif.pg.gda.pl/download/materialy_dydaktyczne/PIM_04_Defekty_struktury.pdf Czynniki wpływające na rezystywność (konduktywność) metali temperatura deformacje struktury krystalicznej zanieczyszczenia ρ = ρi + ρ r ρi - rezystywność idealna ρr - rezystywność resztkowa Temperatura Debey’a – charakterystyczna temperatura każdego metalu powyżej której rezystywność wzrasta praktycznie wprost proporcjonalnie temperatury. dρ =α ⋅ρ dT ρT = ρ oC ⋅ (1 + α ⋅ ∆T ) -30oC ÷ +200oC 20  Podział materiałów przewodzących materiały przewodowe (miedź, aluminium i ich stopy) materiały oporowe (stopy miedzi niklu i żelaza, wolfram, molibden, węgiel, grafit, węglik krzemu) materiały stykowe (metale szlachetne, stopy i spieki srebra, wolfram) materiały na zastosowania specjalne, luty (cynowo-ołowiowe, miedziane, srebrne), termobimetale (stopy żelaza z niklem), termoogniwa (czyste metale i stopy metali, np. żelazo, konstantan)  Materiały przewodowe Materiały przewodowe są to miedź aluminium metale i stopy, z których wytwarzane są przewody i masa właściwa 8,89 2,7 kable elektroenergetyczne. [g/cm3] Należą do nich przede konduktywność 58 36,6 wszystkim: miedź, aluminium [MS/m] oraz ich stopy. rezystywność 1,724.10-6 2,78.10-6 [Ωcm] temperaturowy 3,98.10-3 4,1.10-3 współczynnik rezystywności [1/K] temperatura 1083 658,7 topnienia [oC] Temperatura 344,8 426 https://elmonthurt.pl/kable-i-przewody/310/ Debey’a [K]  Materiały oporowe stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obciążeniowe itp.; stopy oporowe rezystory pomiarowe; metale, stopy oporowe i materiały oporowe niemetalowe stosowane na elementy grzejne; metale na oporowe czujniki termometryczne stopy oporowe z przewagą miedzi, przykładowo: manganin, izabelin, konstantan stopy oporowe z przewagą niklu, przykładowo: chromonikielina stopy oporowe z przewagą żelaza, przykładowo kanthal  Materiały stykowe Kryteria doboru: - duża gęstość (twardość materiału); - duża temperatura topnienia; - odporność na erozję elektryczną; - odporność na korozję środowiskową; - łatwość lutowania; - niska cena.  Materiały stykowe – wybrane przykłady Srebro - łatwe do obróbki, duża konduktywność i przewodność cieplna, łatwe do spawania, ale nieodporne na wpływy środowiska (zwłaszcza na działanie siarki i siarczków), miękkie (podatne na wędrówkę materiału), niska temperatura topnienia. Stosowane na styki nie biorące udziału w przerywaniu prądu elektrycznego np. na styki główne w wyłącznikach. Złoto - odporne chemicznie, mała i stabilna rezystancja przejścia, dobra konduktywność i przewodność cieplna, ale drogie, miękkie, nieodporne na ścieranie, skłonne do upalania, zespawania styków. Stosowane przy niewielkich prądach, przy wymaganej znacznej niezawodności styku. Platyna - odporna na korozję elektryczną i środowiskową, odporna mechanicznie, ale droga, mała konduktywność i przewodność cieplna. Stosowana na styki o dużej niezawodności. Pallad - twardy i odporny na upalanie, tańszy niż platyna, ale o jeszcze mniejszej konduktywności. Stosowany np. na styki o dużej liczbie łączeń. Wolfram - bardzo wysoka temperatura topnienia, dużą twardość, największą odporność na upalanie i zespawanie styków, ale łatwo się utlenia, zwłaszcza w wyższych temperaturach. Styki wymagają dużej siły docisku. Stosowany na styki opalne w wyłącznikach.  Materiały stykowe – wybrane przykłady Stopy srebra z miedzią, ewentualnie z niklem lub palladem - są twardsze niż srebro, mniej skłonne do upalania i zespawania, ale o większej rezystancji przejścia. Stosowane na przeciętny zakres prądowy i napięciowy. Spieki srebra z wolframem - odporne na działanie łuku elektrycznego, odporne na sczepianie, ale niestabilna rezystancja przejścia na skutek powstawania tlenków wolframu. Stosuje się do nich dodatki tworzące z wolframem związki międzymetaliczne, obniżające jego podatność na utlenianie. Stosowane na styki łączników niskiego napięcia i na styki opalne. http://www.gospodarkamorska.pl/ogloszenia/Czesci-elektryczne-styczniki-SLA-cewki-styki-styczniki-Id-przekazniki-adv12100.html  Materiały stykowe – zestyki ślizgowe http://www.milexele.com/index.php?main_page=index& - metalowe cPath=99_36 - metalografitowe - grafitowe - elektrografitowe - węglowo-grafitowe - węglowe Szczotki węglowo-grafitowe - proszek grafitowy z niewielką domieszką sadzy i koksu, mieszane z lepikiem, prasowane i wypalane w temperaturze powyżej 1000 oC. O średniej twardości do najczęściej stosowanych typów maszyn. Twarde - do pracy w trudnych warunkach (wstrząsy, zmienne obciążenia, iskrzenie). Szczotki grafitowe - Proszek grafitowy prasowany i wypalany. Rodzaj i zawartość lepiku oraz temperatura wypalania zależą o przeznaczenia. Stosowane w różnych maszynach, podobnie jak węglowo-grafitowe oraz w maszynach o dużych prędkościach obrotowych. Szczotki metalografitowe - najczęściej z zawartością miedzi (czasem srebra). Proszki grafitu i miedzi prasowane i wypalane w temperaturze poniżej 1000 oC. Stosowane w maszynach elektrycznych niskonapięciowych, przy dużych gęstościach prądu.  Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo, zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych (spiek). Temperatura charakterystyczna dla każdego materiału, w której następuje przejście nadprzewodnika ze stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego jest nazywana jego temperaturą krytyczną TC. Materiał, dla którego zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem.  Zarys odkryć w dziedzinie nadprzewodnictwa 1911 - odkrycie przez holenderskiego uczonego Kammerlingh-Onnesa zjawiska nadprzewodnictwa, początkowo w rtęci przy temperaturze 4,2 K, a następnie w innych metalach 1934 - odkrycie zjawiska Meissncra, czyli zjawiska tzw. "wypierania pola magnetycznego„ 1962 – opracowanie przez koncern Westinghouse technologii produkcji kabli nadprzewodzących (Nb-Ti) 1986 - odkrycie przez Bednorza i Mullera ceramicznych wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących 2009 – zakończenie prac konstrukcyjnych silnika okrętowego o mocy 36,5 MW z uzwojeniem nadprzewodzącym (HTS)  Nadprzewodniki najważniejsze definicje Temperatura krytyczna Tc - charakterystyczna temperatura dla każdego materiału nadprzewodzącego, w której następuje przejście nadprzewodnika ze stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego Wzrost temperatury krytycznej nowo odkrywanych nadprzewodników  Nadprzewodniki najważniejsze definicje Krytyczne należenie pola magnetycznego - graniczna wartość pola magnetycznego, powodującego zniszczenie stanu T 2 nadprzewodnictwa w temperaturach niższych H c ( T ) = H c ( 0 ) ⋅ [1 − ( ) ] od temperatury krytycznej. Wartość Tc krytycznego natężenia pola zmienia się wraz z temperaturą, zgodnie z zależnością: Stan normalny H(0) Prąd krytyczny - maksymalna wartość prądu, który może przewodzić nadprzewodnik. Przekroczenie krytycznej H(T) wartości prądu powoduje powrót Stan nadprzewodzący nadprzewodnika do stanu normalnego. Zgodnie z hipotezą Silsbeego prąd krytyczny równy jest prądowi, który wytwarza na powierzchni nadprzewodnika Tc pole równe polu krytycznemu. T  Silniki z uzwojeniami nadprzewodzącymi do napędu głównego statków Zalety: mniejsze rozmiary i masa (ponad 50% i 70% odpowiednio) większa sprawność, zwłaszcza w zakresie małych prędkości statku mniejszy hałas większa niezawodność Wady: konieczność stosowania relatywnie złożonych układów chłodzenia większe nakłady inwestycyjne nowa technologia  Silniki z uzwojeniami nadprzewodzącymi do napędu głównego statków lata siedemdziesiąte XX wieku – pierwsze silniki unipolarne prądu stałego z uzwojeniami nadprzewodzącymi (LTS) 2001 silnik synchroniczny o mocy 0,4 MW z uzwojeniem nadprzewodzącym, skonstruowany przez konsorcjum firm Siemens AG i European Advanced Superconductors GmbH&KG 2003 silnik synchroniczny o mocy 5 MW i prędkości obrotowej 230 rpm, zastosowany materiał nadprzewodzący Bi-Sr-Ca-Cu-O - American Superconductor Corp. 2003 silnik unipolarny o mocy 3,7 MW, zastosowany materiał nadprzewodzący Nb-Ti – General Atomics 2009 silnik synchroniczny o mocy 36,5 MW - American Superconductor Corp. AMSC 36.5 MW, 120 rpm ship propulsion motor http://www.amsc.com/solutions-products/hts_wire.html  Porównanie unipolarnych silników prądu stałego i silników synchronicznych Silnik unipolarny prądu stałego: prosta konstrukcja silnika, brak wirującego uzwojenia nadprzewodzącego mniejszy hałas prosta konstrukcja przekształtników energoelektronicznych (prostowniki sterowane) duże wartości prądów i związany z tym problem niezawodności oraz zużycia szczotek (jednym z proponowanych rozwiązań jest zastosowanie szczotek z płynnego metalu NaK) AMSC GA HTS LTS Silnik synchroniczny: moc [MW] 3,7 3,7 rozwiązanie sprawdzone w napędach okrętowych rpm 1800 1800 większe rozmiary i hałas Długość 1,59 1,36 problem chłodzenia wirującego [m] uzwojenia nadprzewodzącego szerokość [m] 1,12 1 W silniku unipolarnym o mocy 3,7 MW zainstalowano Waga [tony] 6,81 4,40 1,600 szczotek o wymiarach ok.. 60x125mm.  Prądnice okrętowe z uzwojeniami nadprzewodzącymi Najważniejszymi zaletami prądnic okrętowych z uzwojeniami nadprzewodzącymi są mniejsze, nawet o 50% rozmiary i mniejsza masa oraz większa sprawność. 2005 – zakończenie prac konstrukcyjnych prądnicy o mocy 4 MVA (Siemens AG)  Ograniczniki prądów zwarciowych Zastosowanie ograniczników prądów zwarciowych w systemach okrętowych z jednej strony zmniejsza koszty inwestycyjne, zaś z drugiej strony zwiększa niezawodność pracy całego systemu. Przewidywane zastosowanie ograniczników prądów zwarciowych to statki z elektrycznym napędem głównym. Ogranicznik prądów zwarciowych firmy Siemens AG materiał nadprzewodzący YBCO (HTS)  Urządzenia demagnetyzacyjne Najważniejsze zalety: 20% wagi odpowiedniej instalacji wykonanej z miedzi - (4 kg/m) mniejsze wymiary o 40% mniejsze koszty montażu mała moc instalacji Urządzenie demagnetyzacyjne firmy American Superconductor Ltd. wykonane z nadprzewodników wysokotemperaturowych - 2009  pędnik gondolowy z silnikiem o uzwojeniach nadprzewodzących (HTS) i mocy 12,5 kW (długość 2m, średnica 0,8m (japońskie konsorcjum z udziałem Sumitomo Electric Industries Ltd.) technologie wykorzystujące materiały nadprzewodzące okrętownictwie są ciągle nowe i niesprawdzone, jednak wydaje się przesądzone, iż będą w przyszłości powszechnie stosowane, początkowo w zastosowaniach militarnych, a później także cywilnych w przyszłości przewidywane jest wykorzystanie w zastosowaniach okrętowych silników i prądnic z monolitycznymi nadprzewodnikami i zamrożonym strumieniem rozważane jest wykorzystanie na statkach z elektrycznym napędem głównym zasobników energii, wykorzystujących materiały nadprzewodzące, np. kinetycznych zasobników energii z łożyskami nadprzewodnikowymi  Materiały półprzewodzące Półprzewodnik - ciało stałe o budowie krystalicznej, którego szerokość pasma wzbronionego, w modelu pasmowym wynosi ok. 0,5-3 eV. Elektronowolt – eV, jest to energia, którą uzyskuje elektron (o ładunku elektrycznym równym ładunkowi elementarnemu – 1.6021917. 10-19 A.s) po przebyciu różnicy potencjałów 1 V. Wg – wartość energii dostarczanej z zewnątrz niezbędnej do przejścia Wg