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电气材料与电力设备概论 1 电气材料与电力设备概论 第4章 导电材料 2012年9月 电气材料与电力设备概论 4.1 导电材料概述及分类 一、定义 电阻率在10-710-4m的材料 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 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 *2 电气材料与电力设备概论 典型材料的电导率 导电类导电类 型材料类类型导电导电 率/-1m-1 离子导电导电离子晶体10-1610-2 快离子导导体10-1103 强（液）电电解质质10-1103 电电子导电导电金属103107 半导导体10-3104 绝缘绝缘 体10-10 4.1 导电材料基本性质 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和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1010 5 5 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 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1010-7 -710 104 4 S/m S/m ； 当材料的电导率小于当材料的电导率小于1010-7 -7S/m S/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 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 导电氟橡胶 导电氟胶座 导电尼龙 导电ABS 导电胶带 电气材料与电力设备概论 4.2.1 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 ？ *7 经典 电子理 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 *8 量子力学 观点 电气材料与电力设备概论 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 *9 电气材料与电力设备概论 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11* 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 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 接触电位差和热电势 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。 *12 电气材料与电力设备概论 热电势 5. 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 *13 电气材料与电力设备概论 4.3 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 *14 电气材料与电力设备概论15* 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 2. 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：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。 *16 电气材料与电力设备概论17* 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400以上，与铜的成分有关（58020）。 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 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 3. 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 *19 电气材料与电力设备概论 4. 铜和铜合金的应用 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。 *20 电气材料与电力设备概论21* 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22* 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 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。 *23 电气材料与电力设备概论24* 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 4.3.2 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 *25 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 物理性能铝铝 密度2,7 电电阻率 (mcm)2,826 导电导电 率 (%IACS)61 电电阻温度系数 (K-1)0,004 导热导热 系数 (W/m.K)220 线线性膨胀胀系数 (K-1)23x10-6 拉应应力（退火） (MPa)60/80 拉应应力（硬） (MPa)150/200 弹弹性模量(MPa)66000 硬度（退火）20 硬度（硬）40 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 *27 电气材料与电力设备概论 4.3.3. 特殊导电材料 一、触头材料（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。 *28 电气材料与电力设备概论29* 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 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。 *30 电气材料与电力设备概论31* 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 常用触头材料分类表 类别类别材料品种 强电电 用 复合触头头材料银银-氧化镉镉，银银-钨钨，铜铜-钨钨，银银-铁铁， 银银-镍镍，铜铜-石墨，银银-碳化钨钨 真空开关触头头材料铜铋铈铜铋铈 ，铜铋银铜铋银 ，铜铜碲硒，钨钨-铜铜 铋锆铋锆 ，铜铁镍钴铋铜铁镍钴铋 弱电电 用 铂铂族合金铂铱铂铱 ，钯银钯银 ，钯铜钯铜 ，钯铱钯铱 金基合金金镍镍，金银银，金锆锆 银银及其合金银银，银铜银铜 钨钨及其合金钨钨，钨钼钨钼 电气材料与电力设备概论 4.4 超导材料 4.4.1 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。 *33 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Tc7.23K 可以推算出线圈此时的 电阻率Tc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 4.4.5 微观理论BCS理论 巴丁库伯斯里费三人提出：超导体中的电 子总是每两个组成一对的，称为库伯电子对。 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。 *42 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。 *43 电气材料与电力设备概论44* 库柏电子对形成示意图 电气材料与电力设备概论 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 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 氧化物超导体 氧化物超导材料 电气材料与电力设备概论 1986年，Bednorz和Muller发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于 LaBaCu系，进入超导态的开始温度为30K，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 1987年2月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在93K的YBaCu系超导 体，化学计量式为YBa2Cu3O7，即所谓的123材料，通常材料都有氧空位 ，因此写成YBa2Cu3O7-x。 从结构上看，具有以下特征 ： （1）钙钛矿式的层状结构； （2）同时存在Cu2+和Cu3+； （3）存在氧空位。 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 电气