第九章汽车电工材料

第九章汽车电工材料汽车电器元件是千万个汽车零件的一部分，在制造过程中也使用了金属材料和非金属材料，这些材料在电器零件中的主要作用是导电、导磁或绝缘。因此，在汽车电气工程中，将这些起导电、导磁或绝缘等作用的材料称为汽车电工材料。汽车电工材料可分为绝缘材料\导电材料、半导体材料和磁性材料。§9一1绝缘材料汽车电气设备中的电器元件采用了大量的绝缘材料，如分电器中的分电器盖、分火头、触点臂与支撑轴之间的塑料胶套；点火线圈中的一二次绕组；高压导线的外皮等。绝缘材料的作用就是隔离不同电位的导体，使电流的流动符合电路设计要求。此外，在某些场合还具有装配支撑（铅蓄电池壳体)、灭弧（电容器绝缘薄膜)、防潮、防霉、防护'(蓄电池极板上的防护板）等作用。绝缘材料的稳定性和可靠性是电气设备正常工作的基础，电气设备的功能和±作极限在很大程度上取决于绝缘材料的品种和质量。熟悉材料的主要性能、掌握正确的使用维护方法，是合理、科学地选择和使用绝緣材料的依据。在汽车的使用过程中，经常有汽车电气绝缘层损坏导致汽车发生自燃的情况，如图9一1一1所不就是因导线绝缘失效引起汽车自燃的案例。一、绝缘材料的分类1.按材料的物理状态分(1)气体绝缘材料：空气、氮气、二氧化碳和六氟化硫等。(2)液体绝缘材料：变压器油、断路器油、电容器油、电缆油等。第九章汽车电工材料|169(3)固体绝缘材料：绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、绝缘浸渍纤维制品、云母制品、电工塑料、陶瓷、橡胶等。2.按材料的化学成分分(1)常用有机绝缘材料：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等，大多用以制造绝缘漆、绕组导线的被覆绝缘物等。(2)常用无机绝缘材料：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃等。主要用做电动机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等。(3)混合绝缘材料：混合绝缘材料为由以上两种材料经过加工制成的各种成形绝缘材料，用做电器的底座、外壳等。3.按材料的用途分按材料的用途可分为高压工程材料和低压工程材料。4.按材料来源分按材料来源可分为天然绝缘材料和人工合成绝缘材料。5.按应用及工艺特征分(1)漆、树脂和胶类：浸渍漆、覆盖漆、胶黏漆、树脂、硅钢片漆、磁漆、漆包线漆等。(2)浸溃纤维制品类：漆布、漆管、漆绸、绑扎带等。(3)层压制品类：层压板、层压管、层压棒等。(4)塑料类：木粉填料、有机填料、石棉填料、玻璃纤维填料、云母填料、矿物填料、无填料类等。(5)云母制品类：云母带、云母板、云母管、云母箱等。(6)薄膜、黏带和复合制品类：薄膜、薄膜黏带、橡胶及织物黏带、薄膜玻璃漆布复合箔、合成纤维纸复合箔、多材质复合箔。二、绝缘材料的基本性能1.绝缘材料的绝缘电阻和电阻率绝缘材料并不是绝对不导电的材料，当向绝缘材料施以一定的直流电压后，绝缘材料会流过极其微弱的电流。绝缘材料的绝缘电阻是指绝缘材料在直流电压作用下，加压较长时间，待线路上的充电电流和吸收电流消失，只有漏电电流通过时的电阻值。在电场强度不太高时，漏电电流与直流电场强度的比值即为绝缘材料的电导率。电导率的倒数即为绝缘材料的电阻率。影响绝缘电阻的因素有温度、湿度、杂质、电场强度等。汽车材料（第三版)2.绝缘强度与电击穿当施加于绝缘材料上的电场强度高于临界值时，通过绝缘材料的电流剧增，使绝缘材料的分子发生破裂式分解，从而完全失去绝缘性能，这种现象称绝缘材料的击穿。绝缘材料被外部施加的电压击穿时的电压值即为绝缘强度。它表征绝缘材料在外加电压达到某一极限值时，保持绝缘性能的能力。不同的绝缘材料，发生电击穿的机理和影响因素各不相同。图9一1一2所示为火花塞电击穿点火的情景。ifm9-1-2火花塞电击穿点火3.绝缘材料的老化绝缘材料在运行过程中由于各种因素的作用而发生一系列不可逆的化学、物理变化，从而导致了材料电气性能与力学性能的劣化，这种不可逆的变化通称为老化。绝缘老化分为热老化、环境老化和电老化。造成老化的因素有热、电、光照、氧化、机械作用、辖射线及微生物等。绝缘材料的老化区别于电击穿，考'化现象一旦发生，绝缘性能不可恢复。/liA使用时间较长的高压导线会产生裂纹、漏电现象。因此，车辆每行驶规定里程后，要更换高压导线，这是为什么呢？s三、气体和液体绝缘材料1.气体绝缘材料通常情况下，常温常压下的干燥气体均具有良好的绝缘性能。作为绝缘材料用的气体往往还要兼有散热、灭弧和保护等作用。因此，它必须尽可能地满足以下要求：具有极高的游离场强和击穿场强，并且击穿后绝缘性能能迅速、自动地恢复；化学性质稳定、惰性大、无腐蚀性、无毒性；不燃、不爆，不易为放电作用所分解；热稳定性高、热容量大、导热性和流动性好；容易制取，成本较低。(1)空气第九章汽车电工材料|171空气是一种由78.09%的氮气、20.95%的氧气、0.93%的稀有气体、0.03%的二氧化碳等气体与少量尘埃、水蒸气的混合物，是一种天然易得的，最普通、最常见的气体绝缘材料。空气具有良好的绝缘性能，且击穿后绝缘性能可瞬时自动恢复，电气物理性能稳定，来源极其丰富。它除了天然存在于电气设备周围起着绝缘作用外，还可以压缩状态用于开关和电容器等。但空气中含有氧，在电弧作用下会生成某些氧化物，加快机械材料的老化。因此，其使用受到限制。空气的击穿电压相对来说较低，尤其是在不均匀电场中更是如此。另外，电极尖锐、距离近、电压变换频率高、温度高、湿度大等因素均可降低气体的击穿电压。增加气体压力，可以提高空气的击穿电压，如有些高压开关就采用压缩空气作为绝缘介质。降低气体压力，使真空度降至1.32X10-2Pa时，其击穿电压也可大大提高，且被击穿后绝缘性能恢复很快。⑵氮气氮气是一种极稳定的气体。电工用氮气的纯度应在99.5%以上。氮气的沸点为-195°C,可在较低的温度和较高的压力下使用，但击穿电压比空气低。氮气主要用做标准电容器的绝缘，工作压力一般为1.3〜1.5MPa,最高击穿电场强度为10〜14MV/m。氮气还可用做大型变压器的保护气体，以防止绝缘油氧化和进入潮~lo2.液体绝缘材料绝缘油作为一种重要的液体绝缘材料，在变压器、断路器、电流和电压互感器、套管等油浸绝缘高电压设备中，通过浸渍和填充消除了设备内绝缘层的气隙，从而提高了绝缘强度，并改善了设备的散热性能。同时，绝缘油还有较强的灭弧作用。图9—1一3所示为油浸式点火线圈。绝缘油的主要性能指标有：击穿电压、水分含量、图9一1一3'油浸式点火线圈酸值、闪点、运动黏度及倾点、氧化安定性等。击穿电压直接反映油质的绝缘能力，可以用来计算电气设备内部的最小间隙。潮湿的空气、高热产生的水蒸气、运行中油与氧的作用，都会产生溶解水；当油品与细微的雾化水滴混合后，还会形成乳化水。水分含量过高会大大降低绝缘强度，使绝缘性能减弱。酸值过高表明油品已经严重老化变质。液体绝缘油主要有矿物油、合成油、天然植物油等种类，其中矿物油使用较为广泛。四、绝缘漆绝缘漆是以高分子聚合物为基础，在一定条件下固化成绝缘硬膜或绝缘整体的绝缘汽车材料（第三版)材料。•绝缘漆主要由漆基（合成树脂或天然树脂)、溶剂、稀释剂、填料等组成。绝缘漆按用途可分为浸渍漆、漆包线漆、丝包线漆、覆盖漆、硅钢片漆和防电晕漆。1.浸渍漆浸溃漆主要用于浸渍电器线圈，填充线圈中的空隙和槽端部空隙，使线圈导线之间、导线与其他绝缘物之间黏结成为整体，提高电器线圈的绝缘强度、力学性能、导热性能和防护性能。2.漆包线漆和丝包线漆漆包线漆和丝包线漆主要用于电磁线绝缘。电磁线在绕制线圈、嵌线等过程中，受到热、化学和多种机械力的作用，图9—1—4所示为电机转子中的漆包线具体应用。因此，要求漆包线漆电气性能好，耐热、耐溶剂性能好，且具有一定的弹性和耐磨性，漆膜附着力强，表面光滑柔软有韧性。3.覆盖漆覆盖漆用于涂覆浸溃过的电气线圈、绝缘件和金属结构件的表面，形成厚度均匀的绝缘保护层，达到隔绝空气，防止氧化老化，.提高耐腐蚀性、耐潮性和耐化学性，改善热导率的目的。因此，要求覆盖漆具有干燥快、附着力强、漆膜坚硬、机械强度高、耐潮、耐油、耐腐蚀等特性。4.硅钢片漆硅钢片漆用于涂覆硅钢片，作为铁心叠片间绝缘，以降低铁心的涡流损耗，增强防锈和i耐腐蚀能力。其特点是涂层薄、附着力强、坚硬、光滑、厚度均匀、耐油、耐潮、电气性能好等。硅钢片漆按漆基分为有机型、半无机型和无机型；按溶剂分为有溶剂型和水溶剂型。常用硅钢片漆种类有油性硅钢片漆、酚醛硅钢片漆、醇酸硅钢片漆、有机硅漆、聚酰胺酰亚胺漆等。分别用于电动机等电器中硅钢片间绝缘。图9—1一4电机转子中的漆包线第九章汽车电工材料|173五、绝缘纤维制品、浸渍纤维制品1.绝缘纤维制品绝缘纤维制品是指绝缘纸、纸板、纸管和各种纤维织物等绝缘材料，常用植物纤维、无碱玻璃纤维和合成纤维制成。2.浸渍纤维制品浸溃纤维制品由绝缘纤维材料为底材，浸以绝缘漆制成。因绝缘漆填充了纤维制品的毛孔和空隙，在制品表面形成一层光滑的漆膜，从而使制品具有一定的机械强度、电气性能、耐潮性能、不同的耐热等级和较好的柔软性以及防霉、防电、防辐射等特殊性能。常用的浸溃纤维制品有漆布、漆管和绑扎带等。3.电工层压制品电工层压制品是以有机纤维、无机纤维作为底材，浸（或涂）以不同的胶黏剂，经热压(或卷制）而制成的层状结构的绝缘材料。常用的层压制品有层压板、层压木、层压管、层压棒、层压电容套管芯等。六、电工用绝缘薄膜、复合材料及黏带1.绝缘薄膜绝缘薄膜由若干种高分子材料聚合而成，其特点是厚度薄、柔软、耐潮、电气性能和力学性能好、化学稳定性高。主要用做电动机、电器线圈和电线电缆绕包绝缘或电容器介质。2.复合材料复合材料是在薄膜的一面或两面黏合纤维材料而制成的一类绝缘材料。纤维材料的主要作用是加强薄膜的力学性能，并保持良好的柔软性，提高耐热性。适用于中小型电机的槽绝缘及电机、电器线圈的端部绝缘和相间绝缘。复合层的材质不同，其性能也不同。3.黏带黏带是在一定的温度和压力下能自黏成形的带状材料，如图9一1一5所示。具有绝缘性能好，使用方便等特点，主要用于电动机、电器线圈的绝缘，电气设备导线的包扎固定、绝缘等。电工用黏带分为薄膜黏带、织物黏带和无底材黏带三类。七、云母制品云母是性能优良的绝缘材料之一，具有良好的电气性能和力学性能，耐热性好、化学稳汽车材料（第三版)图9—1一5黏带定性和耐电弧性好，适用于发电机、电动机、电热设备和防火电缆等电器元件的绝缘。云母制品是以云母、胶黏剂及补强材料为基料，经过加工制成的绝缘品，图9—1一6所示为云母电容器。八、绝缘材料的选用电气绝缘是一切电气设备的重要组成部分。实践证明，绝缘介质在电气设备或线路中往往是薄弱环节。因此，绝缘材料的正确选用不仅会影响到电气设备的容量和体积，而且还直接关系到电气线路运行的质量和使用寿命。具体选用步骤为：1.拟定出材料可能遭受的各种环境条件，包括温度、湿度、化学作用、电弧、冲击、,负荷和福射等。2.考虑设备或部件的使用和制造工艺，以保证能满足电气成品的电气性能、力学性能、耐热等级和工艺性能等方面的要求。3.通过材料的相溶性，试验筛选材料。4.综合考虑制造成本和材料成本后，确定出候选材料。5.进行试验，必要时修改设计并重新试验。汽车上哪些线路最易短路起火？哪些电气线路不能用水冲洗？9—2导电材料与半导体材料学习目标1.了解导电材料与半导体材料的分类、性能与用途。2.熟悉导电材料与半导体材料在汽车中的应用。导电材料是主要的电工材料之一，可分为普通导电材料、特殊导电材料、半导体导电材料、超导体材料和导电高分子材料。图9一1一6云母电容器第九章汽车电工材料I(1)普通导电材料：专用于传导电流的金属材料。主要类型有导电纯金属、导电金属合金和复合导电金属等几类。(2)特殊导电材料：既有传导电流的作用，又具有其他特殊功能（熔断、加热等）的导电材料。如溶体材料、电阻合金、电热合金、电触点材料、双金属片材料、热电偶材料、弹性合金等。(3)半导体导电材料：导电能力介于导体与绝缘体之间的导电材料，其电阻率为IX1(T2〜lOfl.m,如硅、锗、砷化镓等。(4)超导体材料：金属导体的电阻随温度的降低而减少，当温度降低到一定程度时，会出现电阻突