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电气绝缘材料

作者:易发棋牌最新网站 发布时间:2020-08-03 23:39 点击数:

  电气绝缘材料_研究生入学考试_高等教育_教育专区。电气工程与自动化专业的专业课程

  《电气功能材料学》 课程特点: 化学、材料、物理、电气等多学科交叉 知识点多而散,逻辑性不强 课程要求: 完成一篇大作业 完成实验——《电气绝缘实验》化学部分 参考资料: 书籍:《电气绝缘材料科学与工程》,巫松桢主编 《电工电子功能材料》,一濑升[日]编著 期刊:《绝缘材料》,《电机工程学报》等 2 2012-7-2 ? 1. “材料”的概念 “材料”和“物质”的区别 可用的 材料的概念在不断的发展、完善 电工材料学: 材料科学的 材料学: 一个分枝, 研究物质结 以电力系统和设备中涉及 构、性能和用途 的材料为对象,研究其结 的科学。 构(或成分)-性能-工 艺-应用间的关系。 3 2012-7-2 ? 2. 电工材料对电气工程发展的重要性 a)促进电力设备的革新与发展 绝缘材料:提高耐热等级、提高绝缘性能 导电材料:高稳定性高电导率的导体 开发新材料 b)使电力设备适应更复杂的运行环境 例如:高温、低温、潮湿、辐射、酸、 碱、臭氧、生物霉变等环境,分析各种因素 4 对材料的影响。 2012-7-2 c)保证电力系统安全、稳定、可靠的运行 高压电力设备的事故中,绝缘故障占一半以 上;电压等级每提高一个台阶,绝缘系统就会暴 露出一系列问题;要不断提高运行电压等级,就 要不断发展提高绝缘材料的电气、机械、耐热等 性能。 5 2012-7-2 ?3. 电工材料的分类与发展 绝缘材料 导电材料 半导体材料 磁性材料 电气功能材料: 纳米电介质 功能陶瓷 传感材料 超导材料 …… 电工材料的分类 研究技术: 分子模拟技术,信息技术,生物工程,纳米技术等 材料的发展历程和趋势: 天然材料——物理加工——化学合成——生物法 6 2012-7-2 ? 4. 本课程的内容 研究材料的结构层次,以及不同层次的结构对 材料性能、加工工艺和应用的影响。 物质的结构决定性质 物质结构的多层次性 7 2012-7-2 原子结构(原子核、电 子云) 分子结构(化学键形式) 聚集态结构(结晶、无定形) 显微结构组织 复合结构组织 对材料进行改性和开发新型高性能材 料,就 要找到决定材料特性的关键结构层次。 加工工艺与材料的结构的关系:不同 的加工工艺,得到的材料结构一般不同。 9 2012-7-2 5. 物质的结构 1) 原子结构 10 m质子=m中子=1.67×10-27 kg, m电子=9.1×10-31 kg 电子的运动轨迹 电子云——电子在各区域出现的概率 氢原子H的电子云分布图 11 玻尔半径r0=0.53×10-10m ? 四个量子数: 原子中每个电子的能量不同,能量低的电子离核 近,能量高的离核远;不同轨道对应不同的能级,能 级分布是不连续的——量子化。 主量子数n:表示电子所处的层,离核越远能量越高 角量子数l:同能级中的电子亚层,电子云的形状 磁量子数ml:电子云的不同空间伸展方式,轨道数 自旋量子数ms:同轨道中电子的不同自旋方向,±1/2 12 2012-7-2 电子云轨道(p,d) 苯的电子云形状 13 2012-7-2 ? 多电子原子中的电子排列规则 i)泡利不相容原理 同一个原子里不可能有两个运动状态完全相同 的电子,一个轨道上最多容纳两个自旋方向相反的 电子。 ii)能量最低原理 电子总是先占据能量最低的轨道,依次由低到 高填入各能级。 iii)最多轨道原则 相同能量轨道上,电子排布尽可能分别占据不 同的轨道,并且自旋方向相同。 14 2012-7-2 核外多电子的排布顺序 15 2012-7-2 2) 分子结构 (1)分子的形成 原子间同时存在吸引力和 排斥力,在某一距离下两作 用力互相抵消,形成稳定结 合的分子。 (2)原子间作用力 玻恩斥力:原子间距小于 r0,两原子内层电子产生很强 的斥力,电子轨道重合时, 多余电子被推到更高能级。 16 原子间作用力和势能 (平衡位置的原子距离r0晶 格常数,对应结合能最小) 2012-7-2 (3)化学键 定义: 分子(或晶体)中相邻两个或多个原子(离子) 之间的强烈的相互作用,叫做化学键。 化学键的强度为键能(离解1mol化学所需的能 量,单位为kJ/mol),键能越强,分子越稳定。 ? 键长:成键原子的平均核间距,键长↓键能↑ ? 键角:两个相邻化学键的夹角 ? 键长和键角决定分子的空间构型 17 2012-7-2 a. 离子键(600~1000 kJ/mol) 电子发生转移形成正负离子,正负离子的静电 作用使离子间引力与斥力达到平衡,形成离子键。 特点:无方向性 无饱和性 有极性 离子键型化合物特点:密度大、硬度高、难压 缩、不易挥发、熔点高 18 2012-7-2 b. 共价键(60~750kJ/mol) 电子发生偏移,电子云重合,以共用电子对形成 化学键。 化合价:共用电子对的数目 极性: ? 化学键的极性,由共用电子对是否发生偏移决定 H-F,H-Cl,C=O ? 分子的极性,由分子结构对称性决定 H2,CH4,CO2 HCl,PVC 方向性 饱和性 由共价键可形成原子型物质和分子型物质。 19 2012-7-2 共价键和离子键形成分子的过程 20 2012-7-2 共价键和离子键形成的分子 21 2012-7-2 ? 配位键——共价型离子键 形成配位键的条件: 孤对电子 空轨道 NH 4 ? NH 3 +H + + 孤对电子 空轨道 22 2012-7-2 c. 金属键(100~350kJ/mol) 金属原子的外层价 电子受原子核的束缚作 用小,因而容易丢失形 成自由电子和金属阳离 子。 自由电子与阳离子 之间的相互作用就构成 了金属键。 23 2012-7-2 金属的特点: 导电性—— 自由电子可在外电场作用下 定向运动形成电流。 延展性—— 金属晶体内两层原子间产 生相对滑动,但仍在一定 范围内被自由电子联系在 一起。 (4)分子间作用力 a. 范德华力 比化学键的键能小一~二个数量级 取向力——极性分子之间 诱导力——极性分子与非极性分子之间 色散力——非极性分子之间 25 2012-7-2 b. 氢键(比范德华力大的 多) H原子与非金属性强的原 子(O、S、F等)形成共价 键分子时,共用电子对强烈 偏向O、F,使H+成为几乎裸 露的质子,对另一个分子中 负电荷密度很大的O、S、F 产生明显的吸引力。 H 2 O… … H 2 O 负电荷密 度大 正电荷 密度大 2012-7-2 ? 分子内氢键、分子间氢键 26


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