Giáo trình Vật liệu điện - điện tử - Trường CĐ Giao thông Vận tải TP.HCM

• Tác giả: ThS. Phạm Hữu Tấn
• Trường học: Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện Tử
• Đề tài: Giáo trình Vật liệu điện-điện tử
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình vật liệu điện điện tử

Giáo trình vật liệu điện điện tử là tài liệu học tập cốt lõi trong đào tạo kỹ thuật điện và điện tử. Nội dung bao gồm năm chương chính, trình bày từ tổng quan đến chi tiết từng loại vật liệu. Chương 1 giới thiệu khái niệm về vật liệu học, cấu tạo và phân loại cơ bản. Chương 2 tập trung vào vật liệu dẫn điện như đồng, nhôm và hợp kim. Chương 3 trình bày vật liệu bán dẫn gồm silic và gecmani. Chương 4 đề cập vật liệu cách điện ở thể rắn, lỏng và khí. Chương 5 giới thiệu vật liệu từ cứng và từ mềm. Giáo trình được xây dựng theo khung chương trình của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Mỗi phần lý thuyết đi kèm bài tập thực hành giúp sinh viên nắm vững kiến thức. Tài liệu này phục vụ cho hệ cao đẳng chuyên ngành điện và các ngành liên quan.

1.1. Khái niệm về vật liệu học và nguyên liệu

Vật liệu học là ngành khoa học nghiên cứu cấu trúc, tính chất và ứng dụng của vật liệu. Nguyên liệu là sản phẩm từ thiên nhiên chưa qua chế biến. Vật liệu là nguyên liệu đã được xử lý để sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Vật liệu điện điện tử bao gồm các chất hoặc hợp chất dùng để chế tạo thiết bị điện và điện tử. Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất quyết định ứng dụng của vật liệu. Ngành vật liệu học liên quan đến vật lý, hóa học và kỹ thuật chế tạo.

1.2. Cấu trúc năm chương của giáo trình

Giáo trình gồm năm chương theo loại vật liệu chính. Chương 1 tổng quan về vật liệu điện và khái niệm nền tảng. Chương 2 trình bày vật liệu dẫn điện với thời lượng 15 tiết. Chương 3 giới thiệu vật liệu bán dẫn trong 9 tiết. Chương 4 đề cập vật liệu cách điện chiếm 24 tiết. Chương 5 trình bày vật liệu từ với 9 tiết. Mỗi chương bao gồm phần lý thuyết, ví dụ minh họa và bài tập thực hành.

II. Phân loại vật liệu điện điện tử và tính chất đặc trưng

Vật liệu điện điện tử được phân loại thành bốn nhóm chính dựa trên tính dẫn điện và từ tính. Nhóm vật liệu dẫn điện có điện trở suất thấp, cho phép dòng điện đi qua dễ dàng. Đồng và nhôm là hai kim loại dẫn điện phổ biến nhất trong kỹ thuật điện. Nhóm vật liệu bán dẫn có tính dẫn điện trung gian, thay đổi theo điều kiện nhiệt độ và tạp chất. Silic và gecmani là nền tảng cho ngành công nghiệp bán dẫn. Nhóm vật liệu cách điện có điện trở suất rất cao, ngăn chặn dòng điện hiệu quả. Sứ, nhựa và dầu cách điện được sử dụng rộng rãi. Nhóm vật liệu từ bao gồm từ cứng và từ mềm. Từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cửu. Từ mềm dùng làm lõi máy biến áp và động cơ. Mỗi loại vật liệu có tính chất đặc trưng riêng phù hợp với ứng dụng cụ thể.

2.1. Vật liệu dẫn điện và hợp kim dẫn điện

Vật liệu dẫn điện có điện trở suất thấp nhất trong các loại vật liệu điện. Đồng có độ dẫn điện cao, dễ gia công thành dây dẫn. Nhôm nhẹ hơn và rẻ hơn đồng, được dùng làm dây tải điện trên không. Hợp kim tăng độ cứng và bền cơ học. Điện trở của hợp kim gồm điện trở do tán xạ nhiệt và điện trở do tạp chất. Hợp kim hai thành phần có điện trở tăng theo hàm lượng nguyên tử.

2.2. Vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện

Vật liệu bán dẫn có tính dẫn điện thay đổi theo nhiệt độ và tạp chất pha trộn. Silic là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất hiện nay. Vật liệu cách điện ngăn chặn dòng điện và bảo vệ thiết bị. Cách điện thể rắn gồm sứ, nhựa và giấy tẩm dầu. Cách điện thể lỏng gồm dầu biến áp và dầu tụ điện. Cách điện thể khí gồm không khí và khí SF6.

III. Phương pháp nghiên cứu và thử nghiệm vật liệu điện

Nghiên cứu vật liệu điện điện tử đòi hỏi nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau. Phương pháp Brinell xác định độ cứng kim loại bằng cách ấn viên bi thép lên bề mặt. Công thức tính độ cứng HB bằng lực đặt chia cho diện tích vết lõm. Thử nghiệm điện trở suất đánh giá tính dẫn điện của vật liệu. Điện trở của hợp kim bao gồm thành phần do tán xạ nhiệt và thành phần do tạp chất. Phương pháp phân tích hóa học xác định độ tinh khiết của kim loại. Nhôm kỹ thuật có độ tinh khiết từ 98% đến 99,5%. Các tạp chất như sắt, silic và đồng ảnh hưởng khác nhau đến tính dẫn điện. Silic và sắt làm giảm điện dẫn từ 2-3% khi hàm lượng dưới 0,5%. Titan và mangan có tác động mạnh nhất. Công nghệ gia công như cán, kéo và ủ cũng ảnh hưởng đến tính chất vật liệu. Kiểm soát tạp chất và quy trình gia công đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp Brinell thử độ cứng kim loại

Phương pháp Brinell sử dụng viên bi thép đã tôi cứng với đường kính 2,5; 5 hoặc 10 mm. Viên bi được ấn lên bề mặt kim loại với lực đặt xác định trước. Độ cứng Brinell HB được tính bằng lực P chia cho diện tích vết lõm F. Kết quả cho biết khả năng chống lún của bề mặt vật liệu. Phương pháp này áp dụng cho kim loại có độ cứng trung bình. Đây là phương pháp phổ biến trong kiểm tra chất lượng vật liệu điện.

3.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính dẫn điện

Tạp chất trong kim loại làm giảm tính dẫn điện ở mức độ khác nhau. Silic, sắt và kẽm làm giảm điện dẫn 2-3% khi hàm lượng dưới 0,5%. Đồng, bạc và magiê ảnh hưởng mạnh hơn, giảm điện dẫn 5-10%. Titan và mangan có tác động lớn nhất đến tính dẫn điện. Kiểm soát tạp chất là yếu tố quan trọng trong sản xuất vật liệu điện. Vật liệu tinh khiết hơn có hiệu suất dẫn điện tốt hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu điện điện tử

Vật liệu điện điện tử có ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp. Dây dẫn điện sử dụng đồng hoặc nhôm tùy theo yêu cầu kỹ thuật. Tụ điện sử dụng bản cực nhôm mỏng và giấy cách điện. Máy biến áp sử dụng lõi thép từ mềm và dây quấn đồng. Trong công nghiệp điện tử, silic là vật liệu quan trọng nhất. Transistor, diode và mạch tích hợp đều sử dụng bán dẫn silic. Nhôm được ứng dụng làm dây dẫn, chi tiết máy và bản cực tụ điện. Hợp kim nhôm có độ cứng cao và trọng lượng nhẹ. Vật liệu từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cửu trong động cơ và loa. Vật liệu từ mềm dùng làm lõi máy biến áp và máy phát điện. Công nghệ nano mở ra khả năng tạo vật liệu mới với tính chất vượt trội. Nghiên cứu vật liệu điện điện tử là lĩnh vực then chốt cho sự phát triển công nghệ tương lai.

4.1. Ứng dụng trong truyền tải và phân phối điện

Dây dẫn điện trên không sử dụng nhôm hoặc hợp kim nhôm bọc thép. Nhôm bọc thép tăng độ bền cơ học cho đường dây tải điện. Vật liệu cách điện bảo vệ dây dẫn khỏi tác động thời tiết. Máy biến áp sử dụng lõi thép từ mềm giảm tổn thất năng lượng. Dầu cách điện làm mát và cách điện cho máy biến áp công suất lớn.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị điện tử hiện đại

Silic và gecmani là vật liệu bán dẫn nền tảng cho công nghiệp điện tử. Transistor và mạch tích hợp đòi hỏi vật liệu bán dẫn tinh khiết cao. Tụ điện sử dụng bản cực nhôm lá mỏng từ 6-7 micromet. Công nghệ vi mạch yêu cầu vật liệu có độ tinh khiết 99,999%. Vật liệu điện điện tử là nền tảng cho mọi thiết bị điện tử hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

UÛY BAN NHAÂN DAÂN TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG GIAO THOÂNG VAÄN TAÛI KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Biên soạn : ThS. PHẠM HỮU TẤN KS. PHẠM VĂN QUANG TP.HCM, NĂM 2014 LÔØI NOÙI ÑAÀU Nhaèm muïc ñích phuïc vuï cho vieäc giaûng daïy vaø laøm taøi lieäu tham khaûo cho caùc moân chuyeân ngaønh Điện – Điện tử trong Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TP. Cuoán saùch Thöïc taäp maùy ñieän ra ñôøi laøm giaùo trình ñeå giaûng daïy cho hoïc sinh ñang hoïc heä Cao ñaúng chuyeân ngaønh ñieän vaø caùc ngaønh lieân quan. Noäi dung cuoán saùch trình “ Thöïc taäp maùy ñieän” trình baøy chi tieát caùc vaán ñeà döïa theo chöông trình khung cuûa Boä Giáo Dục và Đào Tạo vaø keát hôïp vôùi kieán thöùc nhaèm naâng cao chaát löôïng ñaøo taïo, ñaùp öùng vôùi söï phaùt trieån coâng ngheä hieän ñaïi. Trong quaù trình bieân soaïn, giaùo trình seõ coøn moät soá haïn cheá vaø sai soùt. Mong nhaän ñöôïc söï ñoùng goùp yù kieán ñeå hoaøn thieän hôn. Moïi söï ñoùng goùp xin göûi veà: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử ,Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Taùc giaû MỤC LỤC Trang Chöông 1 : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN (3 TIẾT). Khái niệm về vật liệu học. Cấu tạo vật liệu. Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện. Phân loại vật liệu điện-điện tử . 5 Chöông 2 : VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN (15 TIẾT). Quá trình vật lý của vật liệu dẫn điện. Tính chất chung của vật liệu dẫn điện. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu dẫn điện. Phân loại vật liệu dẫn điện. Kim loại dẫn điện. Hợp kim dẫn điện. Vật liệu có tính dẫn điện cao. Kim loại và hợp kim siêu dẫn. 48 Chöông 3 : VẬT LIỆU BÁN DẪN (9 TIẾT). Quá trình vật lý của chất bán dẫn. Các tính chất của chất bán dẫn. Tính dẫn điện của chất bán dẫn. Phân loại vật liệu bán dẫn. Ứng dụng vật liệu bán dẫn trong ngành điện. Chöông 4 : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN (24 TIẾT). Quá trình vật lý của chất cách điện. Tính chất của chất cách điện. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cách điện. Phân loại vật liệu cách điện 110 4. Vật liệu cách điện ở thể rắn. Vật liệu cách điện ở thể lỏng. Vật liệu cách điện ở thể khí. Ứng dụng cách điện cho đường dây tải điện trên không. 124 Chöông 5 : VẬT LIỆU TỪ (9 TIẾT). Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ. Các tính chất của vật liệu từ. Phân loại vật liệu từ. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của sắt từ 146 5. Vật liệu từ cứng. Vật liệu từ mềm. 149 Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1. Khái niệm về vật liệu học 1. Nguyên liệu Nguyên liệu là những sản phẩm được lấy từ nông nghiệp hoặc từ công nghiệp khai thác từ trong thiên nhiên mà chưa qua chế biến 1. Vật liệu Vật liệu (tiếng Anh: Materials) là chất hoặc hợp chất được được con người dùng để làm ra những sản phẩm khác. Vật liệu là đầu vào trong một quá trình sản xuất hoặc chế tạo. Trong công nghiệp, vật liệu là những sản phẩm chưa hoàn thiện và thường được dùng để làm ra các sản phẩm cao cấp hơn. Hay nói cách khác, vật liệu là nguyên liệu đã qua chế biến để trở thành vật tư cho từng ngành được chế biến thành phẩm Ví dụ: Lõi thép máy biến áp. Dây dẫn điện. Nhiên liệu Nhiên liệu là vật liệu được lọc từ nguyên liệu dầu mỏ. Vật liệu kĩ thuật điện Vật liệu kĩ thuật điện hay còn gọi đơn giản là vật liệu điện: được dùng để chế tạo và sửa chữa thiết bị điện từ những sản phẩm đã qua chế biến từ nguyên liệu. Ví dụ: Lá thép kĩ thuật điện. Dây quấn động cơ. Giấy cách điện… Trong ngành điện người ta sử dụng nhiều loại vật liệu điện như: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ… Mỗi loại vật liệu có tính chất và đặc tính khác nhau cũng như có các yếu tố ảnh hưởng khác nhau nên được ứng dụng trong những trường hợp khác nhau trong ngành điện. Cấu tạo vật liệu Để thấy được bản chất dẫn điện và cách điện của vật liệu, chúng ta cần có khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 1 Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử 1. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỷ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron: nơtron là các hạt không mang điện tích, còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Z. Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn của Menđêlêép. q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.10-19 culông) Prôton (p) có khối lượng bằng 1,67.10-27kg Electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31kg Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì một lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường gọi là iôn dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành iôn âm. Ta xét năng lượng của điện tích của nguyên tử Hydrô có 1 prôton và 1 điện tích. Khi điện tử chuyển động trên quỷ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau: (1.1) Lực hút f1 sẽ tạo lực ly tâm của chuyển động f2 (1.2) m: khối lượng của điện tử v: là tốc độ chuyển động của điện tử Ta có f1 = f2 (1.3) Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng: (1.4) Khoa KT Điện- Điện tử Trang 2 Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử và một thế năng: (1.5) Nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: W= T + U (1.6) Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng iôn hoá (Wi). Khi bị iôn hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành iôn dương. Quá trình biến nguyên tử trung hoà thành iôn dương và điện tử tự do gọi là quá trình iôn hoá. Trong một nguyên tử, năng lượng iôn hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng iôn hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng iôn hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang năng. Trong thực tế, năng lượng iôn hoá và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng… 1. Cấu tạo phân tử Phân tử được cấu tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết: Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị là liên kết được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tố trong phân tử. Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững. Ví dụ: trong phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia.1: Ngoài ra cũng tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể trung tính hay cực tính (lưỡng cực). Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính. Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau (có 1 khoảng cách) gọi là phân tử cực tính hay lưỡng cực. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 3 Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững . Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ như tinh thể ion là các muối halogen của kim loại kiềm.2: Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng. Liên kết kim loại Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các iôn dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các iôn dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền vững cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.3: Liên kết kim loại Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 4 Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Liên kết Vandec - Vanx Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do vậy, những liên kết Vandec–Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin. Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện 1.