[科普中国]-电工材料

电工领域应用的各类材料的统称。包括导电材料、半导体材料、绝缘材料和其他电介质材料、磁性材料。

简介电工领域应用的各类材料的统称。包括导电材料、半导体材料、绝缘材料和其他电介质材料、磁性材料。这些材料均具有一定的电学或磁学性能。具体的电工材料一般按用途分类。例如铁氧体，若按磁导率分，用于磁路时是磁性材料；但按电阻率分，用于电路时属于半导体 材料。

用途工程技术领域中，材料占有重要的地位。各种技术都要通过一定的设备来实现，设备则需用具体的材料制作。没有相应的材料，即使是原理上可行的技术和产品，也都无法实现。新材料的出现常能带来技术上的重大进展。电工领域的情况也是如此。例如硅钢片的出现使旋转电机和变压器的效率大大提高，容量也更大，从而促进了电能的远距离输送和广泛应用；高矫顽力、高剩磁的钕铁硼等材料的出现，满足了永磁同步电动机对强磁体的需要,使这类电机在驱动微电机中占有重要地位,并仍在扩大其应用范围。1986年以来，高临界温度超导材料所实现的突破，展现了低耗(或无损耗)输电和电能的工业规模储存的前景，引起世界各国物理界、电工界的注意。研制各种适用电工新材料仍是电工领域的重要任务。

分类导电材料具有高电导率的材料，在电工设备中用作导体，如铜、铝等，其典型制品是电线、电缆的导电线心。属于导电材料的还有用于制造电触头、温差电偶、熔丝等的材料。这些材料除电导率高外，还有一些另外的特殊性能，例如制造熔丝的材料需要具有相对低的熔点；触头材料需要高的耐电弧性能等。

高电阻合金如镍铬、铬镍铁、锰铜、康铜也属于导电材料，可用作加热元件，将电能转化为热能，或用于制造电阻器。

石墨是一种特殊的导体，虽然电导率低，但由于它的化学惰性和高熔点，以及它的制品具有低的摩擦系数、一定的机械强度，被广泛地用作电刷、电极等。

属于导电材料的还有低温导电材料和超导材料。例如，纯铝在20K下,即液氢温度范围中是最好的低温导电材料；而铍在77K左右,即液氮温度下电阻率也只有常温下的千分之一到万分之一以下。超导材料一般在接近0K的温度下工作，其电阻率已测不出。80年代已发现上千种超导材料，其中有元素类，也有化合物。较为实用的是Nb3Sn、Nb3Al 等。 1986年发现的钡、钇、铜、氧化物陶瓷在液氮温度(77K)即具有超导性， 这将对超导电技术的普及，甚至对人类文明产生深远影响。

电线电缆是指用以传输电能、电信息和实现电、磁转换的线材产品，按照性能、结构、制造工艺及使用特点的不同.可分为以下五类:(1)裸导线相裸锌体制品；(2)电磁线；(3)电气装倚朋电线电缆；(4)通信电线电缆1。

半导体材料电导率介于导电材料和绝缘材料之间，约为105～10-7西/米的材料。对于电子（空穴）电导也可按能带理论的禁带宽度来定义,其值约为0.08～3电子伏（也有人认为其上限应为1.5或2电子伏）。半导体与导体相比，除电导率小外，其电导率随温度升高而增大，而导体的电导率随温度升高而下降。

半导体的性质随缺陷和杂质含量而显著变化，所以可利用掺杂来控制其性能。例如硅、锗中掺入磷、砷、锑等元素可制成电子型(N型)半导体， 掺入硼、铝、镓、铟等元素可制成空穴型（P型）半导体。利用 N型和P型的不同组合，可获得整流和放大作用，在电工中作为电源和控制、调节之用。

半导体的电导率对外界因素极为敏感，在其作用下可观察到一系列物理现象。例如在不同波长的光照下能产生光电效应，这时电子吸收光能，导致自由载流子浓度增大，从而电导率增大，称为光电导性。利用这一性质，可制成光敏元件。此外，还有热电效应、霍耳效应、磁阻效应、压电效应、场效应和隧道效应等都可加以利用。

半导体可以按化学组分分为有机的和无机的两类，主要使用无机半导体。无机半导体可进一步分为元素型和化合物型。后者按组分元素又可分为二元、三元等发展迅速。半导体也可按其结构形态分为结晶半导体和非晶态半导体。一般多使用前者，但70年代以来正在大力开发后者。

电绝缘或电介质材料电阻率约为 1010欧米以上的材料。实用中优良绝缘材料的电阻率在室温下都大于1012欧米。通常所用的绝缘材料都含有杂质，在工作温度下的电阻或电导属离子型。对于电导属电子型的绝缘材料，一般认为禁带宽度在2～3电子伏以上。

电介质材料的特点是其在电场中能发生极化。由于电介质多数是优良的绝缘材料，两者经常作为同义词使用。

绝缘材料常按其聚集状态而分为固态、液态和气态。绝缘材料多数属于固体。液态和气态绝缘材料一般不能起力学上的支撑作用，所以较少单独使用。

气体绝缘材料的特点是电导率、介电常数和介质损耗均低，击穿强度一般比液体和固体绝缘材料也低得多，但击穿后能自行恢复绝缘状态，具有自愈性。六氟化硫气体(SF6)具有较高的击穿强度,广泛用作封闭式电器的绝缘。

液体绝缘材料一般用来替代空气，填充电气设备中的空间，或浸渍设备绝缘结构中的孔隙。除了绝缘作用，它还可以起散热或灭弧作用。在选择液体绝缘材料时应考虑它在电场作用下的稳定性、热稳定性、粘度、闪点、酸值、碱值、杂质含量、水含量、热膨胀系数以及与其他绝缘和结构材料的相容性等。应用最多的液体绝缘材料是矿物绝缘油。为了保证液体材料成分的纯净，发展多种合成绝缘油，如高温下使用的硅油以及十二烷基苯等。

固体绝缘材料可以分成天然的和合成的。天然的有棉纱、丝绸、纸、虫胶、沥青、矿物油、橡胶、石棉、云母等,在19世纪已开始用于电工设备。合成材料,特别是高分子材料，在20世纪得到迅速发展。原因在于高分子材料的绝大多数具有高电阻率，并且高分子材料（包括塑料、合成橡胶和合成纤维等许多品种）能满足多种使用场合的要求。高分子材料与相应的天然材料相比有着更为优异的介电性能、力学性能和耐高温性能，在绝缘材料中占有重要地位。重要的高分子材料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚酯和不饱和聚酯、环氧树脂、有机硅树脂，以及聚酰亚胺为代表的芳杂环高分子材料等。

在无机绝缘材料方面，也有重大的进展。例如，制成了粉云母纸，解决了云母资源的不足；玻璃纤维布的出现，使纤维的耐热等级大大提高；陶瓷品种的发展满足了高机械强度、高温度和高介电常数的要求。由于超导技术的迅速发展，低温电工材料也相应取得重大进展。低温电绝缘漆胶和粘合剂，电工薄膜和层压制品以及低温无机绝缘材料，如玻璃、石英、陶瓷等，都有很大发展。

磁性材料电工中应用的磁性材料主要有铁磁性材料和铁氧体。按其矫顽力可分为软磁材料和永磁材料两大类。软磁材料用于交变磁场，而永磁材料用于静态磁场。按材料组成可分成金属和非金属两种。前者有Fe、Co、Ni、Gd及其合金，也可包括稀土类元素,如RCO5,其中 R为稀土元素Sm、Ce和Pr。非铁磁元素的合金也可以成为铁磁材料，例如Mn、Cu和Al等。非金属型材料有铁氧体，它具有磁畴结构，能自发磁化而具有铁磁性。铁磁性材料具有磁滞回线，在交变磁场中造成损耗，必须设法降低。交流磁场作用下引起的涡电流，也会造成损耗。两种损耗统称铁耗，都造成设备发热，这在高频率下特别突出。铁氧体的铁耗在高频下特别小，成为适用于高频的磁性材料。

磁性材料的某些特殊性能还可用于特殊场合。例如具有直角磁滞回线的材料可以用作磁记忆材料。某些磁性材料在磁场强度变化时其几何尺寸发生变化，称为磁致伸缩材料，可用于超声发生器和接收器及机电换能器中，用以测量海洋深度、探测材料的缺陷等。

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院