化学材料和电气工程之间的关系

化学材料和电气工程之间的关系

在电气工程学科中，由于任何电力的传播都离不开物质，因此材料的导电性成为了众人最为关注的领域之一。材料化学因其具有强大的新物质生成能力也得到了电气工程专业的重视。

在众多材料之中，导电性能极差的称为绝缘体，单位电阻一般大于10k欧，其中包括空气、SF6等作为电介质；导电性能良好的称为导体，单位电阻一般小于10欧，其中包括各种合金和超导体；介乎之间的称为半导体，一般用作特殊的电气功能，如二极管等。

一．绝缘体材料（电介质）

电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。电介质可以用来保持电气绝缘、冷却电能放热、灭高压电弧、固定和支撑电力设备。在电介质中，由于正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。

绝缘材料的类型按其形态可以分为三类： 1）气体介质：如空气、氮、SF6 等。 2）液体介质：如变压器油

3）固体介质：如云母、橡胶、塑料、陶瓷、纤维等。

气体电介质在电气工程的绝缘装置中使用得最多，因为其具有质量较轻，方便运输的特点，特别是在偏远山区。而SF6气体便是其中最为重要的一个

SF6气体是一种无色、无味、无毒和不可燃且透明的气体，在通常情况下有液化的可能性。其化学特性十分明显，常温下是一种惰性气体，一般不会与其它材料发生反应。SF6气体绝缘性能佳，在均匀电场下，其绝缘性是空气的3倍，在4个大气压下，其绝缘性相当变压器油。

其绝缘性强的很大一部分原因在于SF6气体是电负性气体，其F原子具有很强的吸附自由电子的能力，可以大量吸附弧隙中的自由电子，生成负离子。负离子的运动比自由电子慢得多，很容易和正离子复合成中性的分子和原子，大大加快了电流过零时的弧隙介质强度的恢复。

此外，纯净的SF6气体一般公认是无毒的，但SF6在生产过程中会有少量伴随的生成物，其中S2F10是公认的剧毒气体，但经过净化处理可以完全将它

除净。问题严重的是，高压电弧作用下SF6的分解物如SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。这些分解物都是由于SF6的化学分解导致，所以研究SF6的化学分解成为了电气工程高电压绝缘的重要任务。

当前SF6气体主要用于电力工业中。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧；SF6断路器及GIS、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。

二.半导体材料

反映半导体内在基本性质的是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。

半导体材料的几个应用

1.压敏电阻——这是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流以保护敏感器件。英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。现在大量使用的\氧化锌\（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素锌（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。 压敏电阻可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害，还可以用来测量压力的大小。因此是电气工程学科中非常重要的一个部分。

2. 光敏电阻——光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。光敏电阻一般用于光的测量、光的控制和光电转换。

三．导体材料（超导体）

毫无疑问，超导体是电气工程专业最诱人的发现，无论是发电、输电还是储能，超导体都能大大的减少能量的损耗。比如：超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机提升发电效率，更可以用来建造超导输电线路，为长距离输电和军工电力产品作保证。

回顾超导体的发展历史，我们发现材料化学发挥了它无可替代的重要性。1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，水银的电阻完全消失，将这种现象称为超导电性，这也是超导概念的首次出现。1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K（﹣150.15℃）。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。2009年10月10日，美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到254K，距离冰点仅19℃！

总而言之，电气工程专业和材料化学从来就没有不相关过，其他科学又未尝如此！科学研究原本便是对整个世界的从不同角度的解析，只要各个科学研究越发深入，就不得不避免进入其他学科的领域。对此，我们不能抵触，而应该尽量提升自己全面的科学知识，这样才能做到更好！

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