导电与绝缘材料范文

导电与绝缘材料范文导电与绝缘材料范文 第四章導電與絕緣材 4 1導電材 的分 4 2導線與電纜材 4 3導電材 的其它應用4 4電阻材 的特性與分 4 5電阻材 特殊應用4 6絕緣材 的特性與分 本章將 P2 2電子材 4 1導電材 可分為純 屬與合 Alloy 大 純 屬的導電 高 但機械強 與抗蝕性較差 合 包含 種以上 屬成份 雖然 低導電性 但可大幅提升材 的機械 性質 或提昇耐蝕性 因此 材 各有 弊 在選用材 時 就要特別注意使用需求 以下我們介紹幾種常用 且具代表性的純 屬材 如銅 銀 鋁 鉑 合 材 部份介紹銅合 鋁合 以及鋼鐵材 一般常用的純 屬材 包括銅 Cu 銀 Al 鋁 Al Pt 鉑 Au 純鐵 Fe 等 其特性與用途分述如下 Cu 導電 僅次於銀 由於 價格較銀 宜 加工容 因此成為最常用的導電材 純銅依其加工程 與熱處 的 同 可分為標準軟銅為長1m截面1mm2的 圓銅線 20 C的電阻值為1 58 電阻係 1 72 cm 是將軟銅抽製成 同粗細的銅線 抽 過程相當是施以 加工處 可 增加材 強 同時也提高 電阻值 可做外配線 則是在400 600 C的 中施以退火處 可達最佳導電 機械強 較差 多用於室內配線 與 國際 Al 具有最高導電 室溫下的電阻係 為1 62 cm 用電解法可製造高純 銀 於加工 耐蝕性與抗氧化性佳 但由於價格昂貴 故僅用在特殊途 如儀表的電刷 電容器的電極 小型整 片等 Al 導電 僅次於銀 銅與 居第四位 由於質 輕 價格 宜 故應用極為廣泛 如可作為電場與電磁波的屏蔽材 廣泛應用在電子電器產品的外 殼 此外鋁的導熱性好 亦廣泛應用在散熱器與熱交換器上 Pt 導電 僅次於銀與銅 高居第三位 能抗強酸強鹼與化學藥品腐蝕 延展性非常好 可 成 線 或展成 箔 經常做為電 接點 或是積體電 中的接線 以確保電 的可靠 此外也常用做表面鍍 膜 Au 又稱白 導電 在純 屬中 排名中等 延展性好 耐蝕與抗 氧化性皆 其熔點高達1765 C 故可做高溫環境中的電 接點 如電子點火系統 Fe 將電解的純鐵在次真空熔 可應用在磁心材 如變壓器 馬 達 繼電器 發電機 電子儀表的鐵心 表4 1 出一般常用的導電 屬性質 其中包括電阻係 電阻溫 係 熱 動勢 線膨帳係 比重與熔點等資 表4 1常用 屬性質導電用的合 材 以銅合 的應用最為普遍 材 主要以銅 屬為主 依 同的特性需求 攙入各種 同的 屬成份 如鋅 錫 鋁 錳 等 雖然 低導電 但可大幅提昇材 機械性能 或抗蝕耐磨性 常 的銅合 的特性與用途如下 Cu Zn 即為黃銅 brass 於 削 抗腐蝕性佳 Cu Sn 又稱青銅 bronze 分別添加磷與矽 又可分為磷青銅與矽青銅 磷青銅的耐熱性佳 抗 強 高 可用於長跨架的電 架空線 矽青銅的彈性佳 可用於電表或開關的導電彈簧與軸承 Cu Sn 又稱Corson合 具有高強 且耐蝕性好 大多應用在導電彈簧 通信線與電 架空 饋電線 Cu Cd 具有 好的耐磨性與抗蝕性 且電阻下 多 可用於長距 的送電線 通信線 以及電 的架饋電線 Cu Ag 具優 的抗磨性與耐熱性 可用於熔接電極與真空管之陽極材 Cu Be 又稱鈹青銅 價格昂貴 機械性質 好 耐磨且彈性限 大 常用於開關或軸承的 接觸部位 屬鋁的質 輕 導電 高 缺點是機械強 較差 因此添加其它元素 製成鋁合 以提高抗 強 增加其應用範圍 鋁合 的種 繁多 應用也極為廣泛 目前常用的代號依美國鋁業協會 AA 規定 鍛製品編號有四位 字 鑄造品有三位 字 編號與合 成成份如附表4 2 表4 2鋁合 種 與合 成份鍛製品鑄製品合 系主要成份純鋁合 系主 要成份純鋁1xxx1xx P2 4電子材 2xxx3xxx4xxx5xxx6xxx7xxx CuMn SiMg Mg與Si Zn2xx3xx4xx5xx7xx8xx CuMg與Si SiMg ZnSn其中2xxx 7xxx與8xxx系屬於高強 鋁合 一般應用在航空材 上 電工材 主要以4xxx系的Al Si 5xxx系的Al Mg 與6xxx系的Al Si Mg系的鋁合 為主 如 用鋁合 線材做架空電線 可減輕重 鋼鐵主要是純鐵添加極少 的碳 0 4 1 0 具有極高的機械強 只添加碳 又稱碳鋼 再添加其它 同的元素 可製成種 繁多的鋼鐵製品 如添加5 的矽 Si 可製成電機裝置常用的矽鋼片 添入鎳 鉻 Ni Cr 屬 可製成 銹鋼 添加少 Mn Si Mo V Ti Nb 等 屬元素 可成為高強 鋼 電工材 使用高強 鋼鐵材 的機會較少 電 的鋼軌或長途電話線 需要高強 的場合時 一般在鋼線外層覆 上一層銅 屬 又稱銅包鋼線 鋼鐵的強 提供支撐 銅層可增加其導電性 並附帶防銹功能 4 3電線主要可分 線與絕緣電線 種 線是指導線外部並未覆加任何絕緣材 絕緣電線則是在 線外圍包覆絕緣材 以下分別介紹 種電線的分 與應用 線可就其組成 構造 以及粗細這三方面加以歸 首先就材 組成可分為 由單一 屬製成 如銅線 鋁線 種以上 屬組成的合 材 製成 如銅合 線 鋁合 線 由 種 屬熔覆製成 如銅包鋼線 由 種以上 屬線絞合而成 如鋼心鋁纜ACSR aluminum cablesteel reinforced 如圖4 6所示 依 線的結構加以分 則有單線 同心絞線 複合絞線 集合絞 線 扁平絞線 編織絞線等 如圖4 6所示 由 線的粗細加以分 則必須採用線規有AWG 即美國線規 Americ an WireGauge 附表5 2顯示AWG的銅線線規 線號表示導線的直徑 截面積 與20 C下的電阻值 號 越小 導線愈粗 反之 號 越大 導線愈細 如AWG12號線 直徑為0 205cm 截面積為0 0331cm2 電阻值為每 公尺0 0553 wire gauge 表示 目前常用的圖4 6各種 線的截面構造P2 6電子材 絕緣電線是在 線外覆加一層絕緣材 絕緣材 通常必須具有極大的絕緣電阻 耐油耐酸性 具抗腐蝕性 可撓性大 有時還需一定的機械強 與耐熱性 以下以包覆絕緣材 的種 出常 的絕緣電線 使用一層至三層的棉 線 絲線或玻璃絲線 捲繞於 線的外層做為絕緣材 大多應用在各種電機繞組內 通常會在繞捲完畢後 在塗上絕緣塗 或浸泡在化學藥劑中 以提 高其絕緣性 使用在高溫場合下 卷線材 必須改用無鹼玻璃絲或石棉線 並再 加上耐熱塗 在軟銅線表面塗烤一層油質假漆或PVF polyvinyl formal 做為絕緣材 雖然假漆或PVF的厚 很薄 0 003 0 0035mm 但絕緣性極佳 且對 熱 酸鹼熔劑 油 都有極佳的耐 一般用於電機繞組上 已逐漸取代較佔空間的卷線 繞組 橡膠富彈性 絕緣電阻與絕緣耐 皆大 由於橡膠加入 S 以防止材 化 但 與銅線接觸時 容 產生CuS 導致橡膠 化 因此使用橡膠做為包覆絕緣材 必須先在銅線外鍍上一層錫 常 的橡膠絕緣電線有 600V的棉紗包覆 有時在棉紗與橡膠間再墊一層紙帶 以加強保護作用 這 電線廣泛應用在電工與室內配線場合 鍍錫的銅線上以絕緣橡膠包覆 再以絕緣液浸泡過 材 常用在室內吊燈 檯燈 小型電機器具上 細銅絲鍍鋅 以多條絞合而成 再捲上紙帶後包覆橡膠絕緣 塑膠是 近 應用極為廣泛的高分子聚合物 由於絕緣性好 耐蝕性佳 加工容 價格 宜 故已逐漸取代傳統 的橡膠絕緣電線 目前常用的塑膠電線有 PVC 與聚乙烯 PE 種 分述如下 PVC橡膠相比 對於氧 油 溶劑 潮濕 有較大的抗耐 性 其最大缺點是高溫容 軟化 而低溫容 硬化 故適當的使用溫 範圍只在 10 C 60 C之間 因此一般應用在600V以下 60 C以下的絕緣電線 線外包覆 PVC 塑膠絕緣材 絕緣性好 化 與 PE大 而透水性與吸水性少 因此適合高頻用 電線 海底電纜 達用電纜與x射線電纜使用 電視機的受訊饋電線即為PE線 其軟化溫 為85 C 線外包覆 PE 塑膠絕緣材 電阻 與絕緣破壞強 高溫 使用耐熱耐腐蝕的特弗 TELFON 絕緣材 可耐300 C電纜可分為 如電 公司從發電廠傳送電 到各地區的變電所 在經輸配電到工廠 辦公大 以及住家 電信電纜主要在傳送 位或 比訊號 如電話 有線電視 電腦網 等 由於這 電纜的特性需求 同 因此以下分開做介紹 與 種 電 電纜主要在長程傳送高壓電由於電 電纜做長程電 的傳送 為避 免中途電 的損耗 皆使用高壓電 傳送 因此電 電纜的的特性需求主要在於耐高壓絕緣性 以下介紹的幾種電 電纜 就是以耐高壓的範圍做為區分 外表是使 用 Pb 做為保護外殼 內部使用絕緣油浸泡過的紙包覆導體 並在 空隙中填充黃麻等填充物 由於鉛層內的空隙填入填充物 因此稱為實心電纜 以下介紹其中三種 再以填充物填入空隙 外部以絕緣紙包紮好 浸泡絕緣油 再以鉛層包覆 此 電纜用於10kV以下輸電及引入線 導體為圓形 半圓形或扇形軟銅線 外捲絕緣紙加以絞合 SL直 增加絕緣耐 適合20kV 30kV級的輸電 且 卻效果佳 於各個圓形心線包覆絕緣紙 再覆鉛層 電場方向與絕緣層垂 H重 較SL電纜輕 散熱 好 可用於30kV的輸 電 在絕緣心線上捲以 屬化紙 與填襯物絞成圓形 在包覆鉛層 由於實心電纜的外表的鉛覆層是一非彈性剛體 因此溫 升高時 鉛層膨脹 卻後收縮 完全 容 在絕緣層內產生 空隙 引起局部高壓放電 導致絕緣性的 化 針對此一缺失 可在電纜內充入一大氣壓以上的絕緣油 可有效抑 制空隙的產生 故耐壓性增高 稱為充油電纜 oil filledcable 簡稱OF電纜 可用在66 154KV的高壓範圍 由於常用於遠距 電 傳輸 因此在適當距 應設置充油站 以維持電 纜內的油壓 將絕緣心線置於鋼管內 再充入12 14大氣壓的氮氣 氫氣或絕緣 油 可抑制因絕緣體內氣泡或空隙引起的局部放電 造成絕緣材 的 化 其破壞電壓約為普通電纜的 倍 適用於44KV以上的超高電壓地下輸 送電纜 絕緣層採用聚乙烯 最外部則用聚氯乙烯做保護層 又稱EV電纜 交 聚乙烯取代聚乙烯 則稱CV電纜 此 電纜絕緣破壞強 低 適合高電壓的應用 由於質輕 逐漸取代低電壓場合的實心電纜應用 P2 8電子材 圖4 7電 電纜結構 秦圖4 18 電信電纜主要在傳送低電壓 電 的 位或 比訊號 因此主要需求在於避免雜訊干擾 與高頻的訊 號衰減 等需求 如心線之間的靜電容 要小 心線配置要避免回 內的靜電感應 電信電纜依其用途可分為 心線使用絕緣軟銅線 將往返 條心線絞 合 稱為組 心線做正方形絞合 稱為應發生 心線使用的塑膠絕緣 也以顏色做為 別 多對絞線或星形方股分層絞合 形成同心圓 排 外加絕緣紙帶繞 捲 最後再以鉛層保護 這 電纜主要用在市內電話加入線 及電話分局的中繼線 或是 由於往返電 相反 可防止靜電感 使用比市內電纜 粗的銅線當做心 線 以細紙相互纏繞 再以絕緣紙捲成線組 多個線組再以同心圓筒做層 絞合 外加絕緣紙帶繞捲 最後再以鉛層保護 依絞合方式 同 又可分為使用DM方股絞合的與市內星形電纜相同構 造的的等三種 這 電纜主要用在都市之間的電話線 以及長距 的通信線 以及以四根心線以星形方股絞合 將漆包線上捲絲線與著色絞線 形成心線 在將2或3條絞線絞合成單位電纜 心線亦可採乙烯樹脂 外層再覆以乙烯樹脂 稱為PVC局內電纜 製程簡單 且具耐溼性與 燃性 一般用於電信局內 各機器的 線 主要在傳送高頻 訊號 就構造而言 又可區分為下 種 聚乙烯 外層絕緣體為聚氯乙烯 內部為中空圓柱形導體 外部另 內外導體之間的絕緣物為 一對導 體絞線 以發泡聚乙烯絕緣 外部仍與同軸電纜施予相同的的遮避 該電纜阻抗在125 2 5 可使用到6MHz 衰減常 為11 13dB km 一般用於電視信號傳送的視頻電纜 為 避免高頻衰減 將 此 電纜 除具備一般通信電纜特性外 還必須具防水耐壓 水壓 等特性 依其用途又可分為乾鉛紙電纜與無鉛電纜 種 軟銅線作心線 電纜 中央插入鋁箔以供線 的靜電遮避 以防止 話 電纜 端以銅鐵帶捲繞 以遮避電磁場 表面有 層鋁覆層 以嚴密防水 最外面的鉛覆層再以橡膠包覆 此 電纜 適用深海 但可容納線 較多 使用軟銅線或絞線作心線 使用GP膠 gutta percha 當絕緣材 使用高導磁合 裁成帶 捲繞在導體上 可維持傳送能 可容納電 雖P2 10電子材 然較少 但適合於深海 以光傳遞訊號 優點特多 是目前已逐漸取代傳統的電信電纜 我們將在光電材 一章中 再做詳細的介紹 圖4 8電信電纜結構 4 3所謂的電極材 一般是指與介電或絕緣 材 相 接的導電材 通常也是電荷聚集準備放射的地方 以下針對 同的應用作 明電容器的結構是 個 屬電極之間填入介電 材 依介電材 的 同 又可區分為下 幾種電容器 使用純 99 92 以上的 鋅 Zn 在真空中蒸鍍於長紙條上 在將紙條捲成圓筒 接上電極 引線 即為電容器 以雲母為介質 以氧化銀與還原劑抹在雲母片上 烘乾後形成銀膜 電極 主要以氧化鈦 TiO2 或鈦酸鋇 BaTi O3 陶質圓板為介質 以真空蒸鍍一層銀 Ag 作為電極 可得一體積小 電容大 損失少的電容器 將高純 鋁板電解 做為陽極 其表面生成的薄層氧化鋁可做為介電材 陰極的鋁純 要求較低 因為陽極上的雜質如鐵或矽 會影響電容器 壽命 電解電容器電容 大 可耐高壓 因此廣泛應用於於電機電子裝置 電子發射原 包括熱電子 光電子 二次電子與場效應 造成電子有 足夠能 脫 材 表面 此一原 廣泛應用在陰極射線 真空管 光電管 電視顯示器 x射 線管 電子顯微鏡 等儀器上 發射電子的電極材 通常需具備高熔點 散熱 導電與導熱性皆 好 加工 氣體吸附性小 等特性 常用的材 包括鎳 Ni 鉬 Mo 鉭 Ta 鎢 W 銅 Cu 與石墨等 鎳 Ni 加工容 且氣體吸附小 大多用在小型真空管 鉬 Mo 多半用於中型的真空管 鉭 Ta 應用在超短波真空管 鎢的熔點高 加工 僅使用在x射線管上 銅 Cu 的熔點低 加工性與導熱性都 錯 故多用在需要 卻設備的 發射電極材 上 如 千瓦大型水 式電子管或磁控電子管 x射線管等 石墨除加工性較差外 但其它特性皆 錯 故多用在水銀整 器與超 短波管 P2 12電子材 電池所用的電極材 必須能與電池的電解液發生化學反 應 且陰陽 極使用的材 也必須考慮相對的化學電位高低 而 者之間 有所 同 以下依 primary cell 與 secondary 種分別作 明 依電解液的 同 又可分為乾電 池與濕電池 陰極採用化學電位較低的鋅 Zn 亦有一些原電池採用鉛 Pb 或鎂 Mg 陽極材 採用除去活性物質的導電材 如鐵 Fe 鎳 Ni 鉛 Pb 銀 Ag 銅 Cu 等 又稱蓄電池 鉛蓄電池的陰陽 極分別為鉛與氧化鉛Pb PbO2 鹼蓄電池則為鐵與氧化鎳Fe Ni2O3 鎳鎘蓄電池的陰極使用鎘 Cd 或鎘與鐵的混合物 陰極使用氫氧化 鎳Ni OH O2 接地用電極主要考慮材 的安定性與耐腐蝕性 一般採用碳棒 銅 或低化學電位的鋅板 碳接地棒是將石墨加入黏著劑 做成棒 以燒結製成 使用時 一端接上導線 週圍填充碳粉與土壤密接 其最大的優點是化性安定 腐蝕 電刷是各種交直 發電機 電動機與旋轉變 機的重要 件 一般考慮材應具 好整 性 接觸電阻小 強韌耐磨損的機械性 導 熱性大等特性 電刷主要分為與 大 依其特性與應用 又可細分為 等三種碳質電刷 以及 種石墨電刷 電機電器上的旋轉開關 環 調諧器的 極 動接觸 通常需採 用接觸電阻小 摩擦 小 耐磨性佳的材 由於電 的 動接觸點 能像一般機械元件的接點 使用潤 油以減 少磨擦 常 的 動接觸材 包括黃銅 磷青銅與德銀這一 接觸電阻小 用 在音 控制 選擇開關與 動接觸片 再表面鍍銀 可用在精密級開關 目前電子電 大多製成印刷電 板 電子電 元件的 接與配線 全部 置於絕緣基板上 以取代傳統導線 接 但可避免焊接大堆導線的麻煩 亦可節 空間 此外 現今的配合電腦輔助設計與佈線 可自動將電 精確轉移到印 刷電 版上 大幅提昇印刷電 板的必要性 傳統配線使用導電顏 如銅 Cu 與銀 Ag 微 子一起和顏 混合於溶 劑內 透過配線圖將導電顏 繪製在絕緣基板上 目前印刷電 的配線方式大多採用 Etched wireprocess 此法是將 屬箔 銅箔 黏貼在絕緣板上 然後再將 需要的部份以腐 蝕方式去除 下配線所需的 屬箔 P2 14電子材 4 4電阻材 的電阻 介於導體與半導體之間 用適當大小的電阻值 可用以調整電子電 中的電 電壓 電阻透過 焦耳效應產生的光與熱 可提供照明 加熱 一般用途的電阻材 應具備的條件有 適當大小且穩定的電阻值 電阻溫 係 小且成線性關係 耐熱耐蝕 且高溫 氧化 適當的機械強 加工性佳 以及價格低 屬電阻材 主要包括銅合 鎳合 鐵系合 與純 屬 由於純 屬主要應用在高溫發熱材 待下一節介紹 其餘三種分述 如下 常 的有 與 分述如下 合做電阻絲 此 材 以熱電偶 但 適合做標準電阻 當鎳含 在40 50 時 電阻 最大 電阻溫 係 小 適最具代表性 此外 其熱電勢高 可用做 常溫的電阻溫 係 低 適合製成標準電 阻 此 材 以最具代表性 彈性 且 生銹 故除用於電阻線外 亦可作彈簧材 此 合 以為代表 由於加工容 強 硬 大 富 包括 與鎳鉻合 是常 的電熱線材 鎳鉻鐵合 接著性 好 用於封入引線材 鎳錳合 用於熱電偶財 含碳 在1 6 6 7 之間 電阻 高答90 100 cm 由於價 耐熱 故多用於調整控制大電 的柵形電阻 grid resistor 由於 養化 常需鍍鋅防蝕 非 屬電阻材 主要以碳電阻為主 碳通常以種 型存在自然界 一種是非晶體結構 如木碳 焦碳與油煙 另一 是晶體結構 如第一章介紹的鑽石結構 或石墨 非晶體電阻值約在105 cm 石墨約在500 cm左右 皆比一般 屬為高 其應用相當廣泛 如電子電 上調整電 的電阻器 大都為碳電阻 碳電阻材 依其製程方式與結構的 同 又可分為 與等四 分述 如下 依製程方式的 同 又可分為與 或玻璃管表面 加熱烘烤形成薄膜 端接上 屬接頭 外層覆以電木絕緣 即為合成型碳質薄膜電阻 此 電阻的最大缺點是電阻值 穩定 電阻溫 係 太大 應用在通信 系統 容 產生雜訊 將碳粉與有機結合劑混合 形成墨水 溶液 將它塗抹在瓷器 1200 C加熱分解出碳皮膜 析出在瓷質管 棒 表面 端接上 屬接頭 在碳皮膜上 割出 線 溝紋 以增加電 通 減少 通 截面 可藉此調整電阻值大小 外層在塗上絕緣保護層 即為熱分解型碳質薄膜電阻 將瓷質管 棒 置於真空 中 通入苯或甲烷蒸氣 在1000 C 碳粉與 有機或無機結合劑混合 在 屬模具內加熱加壓形 端接上 屬接頭 外層覆上樹脂絕緣 由於體積小 製造方 可大 生產 價格 宜 已廣泛應用在電子電 的小型電阻器上 碳粉的接觸電阻會隨外加壓 改變 因此可 用此性質製成變阻器 如將精製的無煙碳粉置於電話機的送話器或擴音器 聲波振動產生 的時變壓 使碳粉微 間接觸電阻產生變化 引起電 變化 將聲音 轉為電 訊號 將碳粉加熱壓成圓片 可製成碳片 將 十張碳片重疊可形成碳片堆電阻器 在碳片堆上端施以 同壓 可使碳板間接觸電阻改變 可做成變阻 器使用 可用於小型電動機的轉速調整 或小型發電機的自動電壓調整 將電阻製成薄膜 減少電 通道截面積 依據R l tw 薄膜電阻厚 t愈薄 電阻越大 此外 高頻訊號在 屬電阻體中傳送 由於集膚效應 Skin effect 與電感值皆大 因此採用薄膜電阻可確保一穩定電阻值 薄膜電阻材 可分 屬薄膜電阻與氧化物薄膜電阻 種 分述如下 使 用的材 包括 鉑 錳 鉭 鎳鉻合 與 鉑合 等 P2 16電子材 其中以鎳鉻合 較多 薄膜電阻值由 到 M 等 其穩定性 耐熱性 電阻溫 係 等特性 皆比碳質薄膜電阻為佳 常用在高功 低頻的精密電阻上 製程的方式有真空蒸鍍 陰極濺射法 電子束蒸鍍法 等 一般 屬氧化物為絕緣體 但氧化亞銅與氧化錫 氧化鉛 氧化鎳 等則具導電性 可製成薄膜電阻 製程方式是將絕緣基板 如玻璃 雲母或瓷質 加熱 再浸入 屬氧化 物溶液中 或直接將 屬氧化物噴射到基板上 形成薄膜 4 5電 過電阻器 依焦耳定 可知它能產生一定功 的熱能 用電阻產生的熱能 應用的範圍很廣 從小型的家庭電器 如拷箱 吹風機 電熱器 到大型的工業用電 如熱處 燒結 以 及半導體製程中的熱氧化和擴散用 等 常用的合 發熱材 有鎳鉻線 鐵鎳與鐵鉻 其特性與應用分述如下 鎳鉻 Ni Cr 合 電阻 大 高溫 氧化 耐熱耐蝕 是常 的電熱線材 一般可用在普通電熱器 或1100 C以下的工業用電 鐵鎳 屬可以任意比 形成固溶體 當鎳含 在20 30 電阻值最大 可用在600 C以下的加熱線 此外俗稱鐵鉻的Fe Cr Al合 耐熱性佳 價格 宜 可用在1200 C以下的電熱線 非 屬電阻發熱材 以碳化矽 SiC 最具代表性 它是由碳與矽粉末混合 製成棒 然後以高溫燒結而成 其電阻高且耐熱性佳 可應用在1400 C的高溫電 與電烤箱上 碳化矽電熱材 主要的缺點是質脆 加工 而且在受熱時 容 在 端與 屬銜接處 因接觸 造成高接觸電阻 因此一般會將碳化矽電熱棒 端的截面積做大點 以減少端扭造成的 高電阻發熱現象 由於純 屬的熔點比合 高 因此可作為高溫發熱材 如鐵 Fe 鎳 Ni 鉬 Mo 鎢 W 鉑 Pt 銥 Ir 等 以下介紹幾種常 的應用 因此必須在真空或惰性氣體環境中使用 具有高熔點 可加熱到3000 C左右 但純 屬必須避免高溫氧化 到1600 C 的抗氧化性較佳 製成 屬線 鉑線 使用在特殊小型鉑電 可用 在氧化鎂或氧化矽耐火材 上 置於氫氣中使用 可加熱至1650 C蒸 氣壓大 高溫容 蒸發 因此無法置於真空環境 一般將鉬線纏繞P2 18電子材 一般電阻材 的應用 我們都希望電阻值受溫 影響越小越 好 以期獲得一穩定的電阻值 然而有些材 的電阻值會隨溫 升 做極大幅 的變化 我們亦可 用此特性 製成具有溫控效果的熱敏阻器 Thermistor 或 恆溫加熱器 依據電阻與溫 變化的關係 又可區分為具負溫電阻係 NTC 與正溫 電阻係 PTC 的溫控電阻材 分述如下 負溫電阻係 NTC 此 的電 阻值隨溫 上升而下 其電阻溫 係 為負值 即 0 PTC即為Positive TemperatureCoefficient簡稱 如BaTiO3中添加微 的La Sr Y C等氧化物 在100 C左右有一極 大的正溫電阻變化 用此一特性除可做電子電 的溫 補償外 還可以製作成恒溫加熱器 如低溫電阻小 電 大 持續加熱 當溫 升高的某一範圍 電阻值 變大 電 減小 停止加熱 材 PTC變化溫 範圍很窄時 就可視為一恆溫加熱器 屬導體材 的 端會因溫 同 產生一電位差 這個電位差我們稱為 熱電勢 用 種 同熱電勢的材 端相接 形成迴 可用 測溫 我們稱為 Thermal Couple 具以較高熱電勢的 屬電阻材 是熱電偶主要的材 如銅或鐵做組合 可 測250 C 900 C範圍的溫 銅 鎳4 6絕緣材 涵蓋的範圍相當的廣泛 分 方式也有 同 如有些是依耐熱程 分 有些則一材 型態或特性作分 在本章接下 幾節內 我們先依材 型態區分為固體 氣體 液體三 大 作介紹 細部再將固體分為有機天然 有機人造 無機天然 無機人造等四 大 作介紹 有關絕緣材 的成份與分 如表6 1所示 表5 1 絕緣材 的成份與分 一般對絕緣材 的特性要求有電性 機械 性質 熱性質 化學性 吸濕性等五種 詳述如下絕緣材 最重要的 特性需求即是 必須具備高的 又稱為絕緣破壞強 即未造成絕緣 破壞之前 可忍受的最大電場強 除此之外 絕緣體本身的電能損失要小 交 電壓場合下 介電損失小 由其是高頻電壓下 是 能忽 此一 重要因素 介電損失 dielectric loss 又稱正 損失 損失的功 p與tan 成正比 寫成 tan0rmVCp 表面 電 小 能夠耐電弧產生的瞬時高溫 以避免造成材 熔解 蒸 發 變形與 依使用需求 選擇適當機械強 硬 與耐磨性絕緣的絕緣材 一般機械強 依受 的型式又可細分抗 強 抗壓強 抗撓曲強 抗剪 強 彈性限 等 此外 材 的加工性也應納入機械性質的考 如 選擇一強 較高 硬 較大的材 機械製造的困難 與加工成本 必然相對提高 因此必須在機械性與加工性之間做適當的取捨 絕緣材 的熱性質需求包括耐熱性佳 熔點與軟化點高 導熱 好 熱膨脹係 小 比熱大 目前許多微小精密的電子元件 對溫 的敏感 相當高 因此外在絕 緣材 的散熱性通常是重要的考 因素 如果是液體絕緣材 則需具有高沸點 與低凝固點 以確保有較大 的使用溫 範圍 化學特性的要求包括化性安定 產生熱分解 容 氧化 溶於酸 鹼 水或油中 碳化溫 高 與 屬接觸時 造成 屬腐蝕 絕緣材 的濕氣特性需求包括具有高吸濕 吸濕容 小 與吸濕擴散 速 大 1 與 2 3 4 5 m就是吸濕 M與材 的乾燥重 W0的比P2 20電子材 000WMm 其中W為吸濕 態的重 絕緣材 的絕緣電阻 介電係 正 損失等電性 都與吸濕 有密 關 係 所謂的蒸氣壓變化 P的比MC 通常吸濕容 會隨溫 昇高而 低 濕氣擴散是因水蒸氣壓 均勻分佈所引起 濕氣是由高壓向低壓方向擴散 直到水蒸氣壓均勻一致為止 C是吸濕變化 M與水P 天然無機固體材 主要以雲母 石棉 天然 礦石為主 以下分別做介紹 雲母 Mica 雲母是極佳的耐熱絕緣材 天然雲母有白雲母 muscovite 與 雲母 phlogopite 種 白雲母又稱為硬雲母 其化學式為KAl2 AlSi3O10 OH 2其優 的絕 緣耐 是所有物質中最高 雲母又稱軟雲母 其化學式為KMg3 AlSi3O10 OH 2 雲母的結構 似石墨 是二 空間的網 結構 因此容 沿平面方向劈 開 呈薄片 熱膨脹係 小 因此能承受劇 的溫 起伏變化 缺點是含結晶水 溫 升高會失去結晶水 成份含鹼 溫 上升會 低 表面電阻 由於大塊天然雲母價格昂貴 因此常將小片雲母與接著劑混合 加 工成型 可作電熨斗與整 子片的絕緣材 此外 使用雲母粉加上硼酸鉛玻璃粉約2 1比 混合 置於700 的 屬模內加熱加壓成形 即為性均佳 可製成水銀整 器的電極 真空管基座 電動機電刷的支撐物 及高 頻通信絕緣體 機械強 與絕緣表5 2雲母的種 與特性 缺 Asbestos 石棉是具有纖 維的天然礦石 分子構造為 SiO3 2 的鏈 二重組合 並含結晶水 用其纖維性 很容 製成各種 型材 如石棉紙 石棉板 石棉管 等短纖維製品 或是布繩長纖維成品 絕緣性好 耐火耐熱性佳 加工容 價格低 因此在早期應用相當 廣泛 如耐熱電線的絕緣材 電纜保護層 開關內殼及發電機的圈 捲帶 耐熱性配電盤材 空氣斷 器的消弧材 但其吸濕性會嚴重破壞材 絕緣性 且有礙身體健康 因此近 已大 減少使用 取於代之的是下一節中會介紹的玻璃纖維 石棉的種 很多 主要的有蛇紋石的溫石棉 也有屬於角閃石的青石 棉與陽起石 溫石棉纖維較長 可製成布或紙 絕緣性佳 是主要的石棉絕緣材 青石棉少光澤 纖維亦稍硬 耐熱性較差 只能耐200 因絕緣性差 所以絕緣材 並 採用 陽起石結晶水較少 可耐800 以下高溫 常用的天然石材有玄武岩 石盤石 大 石 黃等 玄武岩可用在高頻絕緣材 大 石與石盤石可用於配電盤 電阻器 盤與開關盤 黃可用於小型絕緣器的 屬壓入材 及開關端子埋入材 天然石材的 源受到限制 近 合成陶瓷材 價美物 取得容 已 逐漸取代天然礦石 人造無機材 主要以硬 高 化性安定 耐高溫 但缺點是缺乏彈性與可塑性 碎等 以下我們討 陶瓷與玻璃這 種最常用的人造無機材 與 種為主 它們的共同特點是 絕緣性好 古 傳統陶瓷器是指 用黏土或 似 黏土的材 主要成份大多為 屬氧化物 在可塑性 態下成形 如粉 加壓 或黏糊 印模成形 在高溫下燒結製成產品 燒結溫 大多在1 000 以上 主要用於建築裝飾 如磚瓦 耐火材 廚具餐具 衛生設備 此外 其高絕緣性 以及介電性與在電工材 的應用以絕緣體為主 即為莫 石 mullite 成份為3Al2O3 2SiO2 又稱普通陶瓷 一般餐具用瓷器即屬此 此一陶瓷器 絕緣性 好 價格低 除高溫高頻場合之外 幾乎皆 可應用 以3MgO 4SiO2 H2O粉末為原 加入PbO與BaO等燒結而成 高頻的正 損失小 宜做高頻絕緣材 其它用途有真空管座 電極隔 板 電容器座 同軸電纜絕緣材 等 即為氧化鋁 Al2O3 具有 好的絕緣性與耐熱性 熔點高達2050 製程方式是使用微細粉末加壓成形後 高溫燒結而成 由於機械強 大 化性安定 可做引擎點火栓 熱電偶保護管 此外又因高頻特性 好 應用在陶磁真空管與積體電 基板上 組成為TiO2 介電係 高達114 高頻的正 損失小 宜做高頻電容器 的介質 將碳酸鋇與氧化鈦混合 燒結而成BaTiO3 是應用極為廣泛的重要 電工材 之一 介電常 高達2000 可作為小型大電容器介質 1 2 3 4 5 P2 22電子材 6 將氧化鈹 BeO 置於1800 2000 的高溫中燒結而成 具高導熱性與優越的耐熱性 可做高頻電 耐火管 真空絕緣物 及 飛彈或航空器的超高溫處 與火箭噴口等 將MgO Al2O3與SiO2按2 2 5的比 混合燒結形成結晶為 青石的2MgO 3Al2O3 5SiO2 此材 能耐強 熱脈衝 適用於火星 但弧絕緣體與真空管內部絕緣 物 組成為將BN熱壓成形 經燒結而成 正 損失小 常用於高溫耐火材 電子管用絕緣材 7 8 表5 2絕緣陶磁的種 與應用 缺 玻璃是一種非結晶結構的 固體絕緣材 因此沒有明顯的熔點與凝固點 主要的成份為無水矽酸 SiO2 如其純 高時 玻璃熔點極高 加工 因此在加工製造時 會加入鹼 屬 鹼土 屬 或其它 屬氧化物 可 低熔點 減少加工的困難 但加入的 屬鹼 子 有助於電導 因而會 低絕緣電阻 影響玻璃的 絕緣性能 以下介紹幾種常用的玻璃又稱普通玻璃 添加15 的Na2O與5 7 的CaO 稱為鈉玻璃 添加15 的K2O與5 7 的C aO 稱為鈉玻璃 這 種玻璃最大的優點是軟化溫 很低 僅在550 600 左右 故加工 容 價格 宜 但絕緣性較差 因此只能用在一般的絕緣場合 如門窗 玻璃瓶罐 燈泡 尼鰹 C添加20 以上的PbO 以減少鹼性成份 軟化溫 約在400 600 加工容 絕緣性極佳 主要用於燈泡 真空管 由於含PbO 高 介電常 亦高 且介電損失Tan 小 可做電容器的 介質材 此外 鉛玻璃的光折射 大 可用於光學與裝飾用途上 添加10 的B2O3 減少鹼性成份 在 低其絕緣性的情況下 低軟 化溫 500 700 以 其加工性 由於線膨脹係 小 可承受急 急熱場合 化性安定 且高頻特性 好 可做高頻用礙子與支架 大型真空管管球 及鍋 水位計等材 將石英或矽石的粉末加熱至1800 的高溫下熔融 製成高純 的非晶 質材 由於 含鹼性添加物 具有極佳的絕緣性 且介電損失小 適合用於 高頻絕緣材 長纖維的製成方式是 將含鹼低於0 8 的硼矽酸玻璃置於坩鍋內熔 融 坩鍋底部有許多小孔 熔融太玻璃由小孔 出 再以圓形捲筒繞 成纖維 聚集成束可編織成布 帶 物 短纖維可將熔融態玻璃以熱空氣 或在轉盤上以 心 吹散成為纖維 玻璃纖維具 然性 化性安定 以逐漸取代石棉 而被廣泛應用 但加工性仍遜於石棉 1 2 3 4 5 表5 3玻璃的種 與特性 缺 固體有機絕緣材 的特點是強 與耐熱性皆比固體無機絕緣材 要差 但其加工容 因此亦廣泛應用在電工絕緣材 上 其中包括 天然橡膠 等 以下將分別做介紹 1 由棉花取得植物性管 纖維 棉線可單獨捲繞於電線上 或織成細布 粗布 或帆布 加入絕緣 塗 或浸泡在絕緣油 製成油漆布 絕緣包覆 絕緣套管等 取自草本植物莖部纖維 種 包括亞麻 flax 黃麻 大麻 馬尼 麻等 亞麻強韌耐濕 耐磨 可製成麻繩 做絕緣層的捆紮線 黃麻質粗硬 抗張 強 可用在電纜的包覆層絕緣材 大麻可用做包裝材 與電容紙之原 馬尼 麻質地強韌耐水 可用做麻繩與絕緣紙原 採自蠶繭的動物性蛋白值纖維 經抽絲剝繭可製成天然絕緣材 絲主要包括純絲質絹素與外圍膠質的絹脂 由於質地強韌 耐酸 且絕緣性是天然纖維中最為優越者 可織成 絹絲 直接包覆導線 或織成布 在假漆中浸泡 可廣泛的使用 纖維質製品 又可區分為一般紙 紙板與硬化纖維紙 一般紙用於高壓電纜絕緣時 必須浸泡在石 或油中 方可使用 將紙乾燥 與外界空器隔絕 可用作紙質電容器 紙板是將棉或紙漿壓縮而成 是變壓器 可或缺的絕緣材 亦可作線圈間絕緣 硬化纖維紙是將紙漿浸泡在ZnCl2溶液中膠化 多張疊起 加壓加熱 製成 由於質地強韌 加工 耐等 熱 耐摩擦 但吸濕性使得它 適用於高壓絕緣 2 3 4 天然樹脂是由植物分 液體 經乾燥後凝結而成 外觀與色彩種 繁多 經常做為漆 或絕緣混合液體 以下 出幾種常 的天然樹脂 1 將松柏科植物分 物 取出松節油後 遺 下的殘 物 可被酒精 苯等溶劑溶解 做為絕緣塗 或絕緣紙的膠著劑 子植物的樹脂化合物 絕緣電阻高 介電損失小 可用做 測儀器 的絕緣材 一種在印 與錫 的小蟲分 物 經精製可的熱硬化樹脂 因接著 強 可作為膠接劑 如雲母膠接成的雲母片 熱帶植物分 的樹脂 可分生柯巴與化石柯巴 種 生柯巴可作為酒精假漆原 化石柯巴 溶 在300 330 將難溶成份揮發 可作為油性絕緣假漆 的原 2 3 4 P2 24電子材 5 熱帶植物分 的樹脂 容於酒精或苯中 多用做酒精 與假漆原 天然橡膠是取自熱帶橡膠樹的乳液 稱為橡漿 經 同的加工處 可得 以及其橡膠衍生物 分述如下橡漿原 加入亞 酸鈉 蟻 酸與醋酸 凝固後燻乾 即為生橡膠 硬化溫 4 軟化溫 100 溶於各種溶劑 由於機械性質佳 很少直接用於絕緣材 通常用於膠帶與接著劑 將生橡膠加入3 的 S 在130 加熱製成 可做橡膠長靴 手套 橡膠管等用途 其缺點是具可燃性 遇油 溶解 接觸臭氧 等 生橡膠加入大 的 30 70 加熱到140 形成硬質橡膠 質地強韌 加工容 抗藥性大 器 機械的絕緣材 蓄電池外殼 將生橡膠的 戊二烯中 飽和成份與其它物質反應 可得的橡膠衍 生物 可提高耐熱性 耐然性 耐油性與耐藥性等性質 如氯化橡膠是一種 燃 耐酸鹼的塗 環化橡膠具可熱塑性 亦可做塗 氧化橡膠則具絕緣性與耐氧化性 可做電線包覆與絕緣包覆材 出 1 2 3 可耐溫至100 軟化 主要用在個種電 4 可分為動植物性與礦物性 種 雖然 種話學成份迥 但外觀與熱性質卻極為 似 常 的動植物性 包括木 密 卡 巴 等 可用在絕緣用混合物上 主要有石 地 與褐煤 等 石 電氣性質佳 耐濕性強 廣泛應用在防水耐濕材 上 地 熔點較石 高 可做高溫絕緣混合物的配合劑 褐煤 為煤提 出的黑褐色物質 亦用於絕緣混合物 人造有機固體材 可分為 後者則多為彈性材 所謂的可塑性材 在常溫下為硬質材 加熱後呈現可塑性 材 卻後再次加熱 仍然顯現可塑性 稱為熱無法恢 可塑性 稱 為 彈性材 中 合成後需再作熱處 才能顯現彈性 稱為 合成後 經 熱處 即可顯現彈性 稱為 以下就這些材 作介紹 與 種 前者多為可塑性材 再加合成樹脂為高分子聚合物 其基本的組成結構為線性鏈 或 體網 稱為單體 monomer 千個 單體聚合所的的物質 即為聚合物 polymer 種 同聚合物結合 產生新物質 並放出氫 水或氯化氫 稱之為 縮合 condensation 產生的物質稱為縮合體 即俗稱的塑膠 主要產品有聚乙烯 PE塑膠 氯化聚乙烯 PVC塑膠 聚丙烯 聚 苯乙烯 四氯化聚乙烯 等 相當多種 的製品 其絕緣性與機械性 好 介電損失小 可作高頻絕緣材 此外 加 工容 價格低 是目前應用極為廣泛的絕緣材 表5 x顯示一般熱塑性塑膠的物 性質 其中衡 材 的電絕緣強 以介電強 表示 介電強 的定義是千分之一吋長 所能承受的短 電壓 包括環氧樹脂 epoxy 聚脂樹脂 矽樹脂 酚樹脂 苯氨樹脂 三 氯氰氨樹脂 等 種 繁多 好絕緣材 因吸濕性 介電損失大 電氣性質比熱塑性稍差 此外 機械強 高 加工 化性安定 耐熱性較好 1 2 表5 4一般用熱塑性塑膠的物 性質 缺 WFS7 3 表5 5一般 用熱固性塑膠的物 性質 缺 WFS7 10 具彈性 材 性質比一般天然 橡膠優越 一般以熱化性橡膠為主 如丁二烯苯乙烯橡膠 SBR 丁二烯丙烯碃 橡膠 NBR 氯丁二烯橡膠 CR 等 少部份非熱化性橡膠 如丁基橡膠 丁烯橡膠 乙烯 丙烯橡膠等氣體在正常 態 具有極高的絕緣電阻 故是常 的絕緣 材 一般選用氣體絕緣材 考慮的因素有絕緣耐 氣體電 放電初始電場 強 如鹵族元素 氟 氯 溴 較鈍氣 氦 氖 氬 氪 的電 放電初始 電場較大 因此絕緣氣體中常 有鹵化物 而鈍氣 宜作絕緣材 但 可用在霓虹燈放電管上 以下介紹幾種常 的絕緣氣體空氣是最常用的氣體絕緣材 一般空氣可用於標準電容器與通信用空氣電容器 做為絕緣介質 高壓氣體可提高絕緣耐 因此空氣加壓可封裝到電纜 或電 電容 器 電 變壓器等 高速 動空氣 可以用在消弧 避免絕緣破壞 空氣最大的缺點是 開始發生電 放電時 放出的O3 NO NO2等氣 體 會侵蝕週圍的絕緣物或 屬 氣體 Freon 可分為弗 昂12 CF2Cl2 與弗 昂22 CHF2Cl 種 由於化性安定 且弗 昂12的絕緣耐 是空氣的2 5倍 高壓下的絕緣 距 可大為縮小 因此廣泛用於變壓器或靜電發電機等超高壓機械 以發揮其絕緣效 弗 昂正常 態下 常無腐蝕性 且為 燃物 但遇到火花放 1 2 P2 26電子材 電 500 以上的鐵或燃油 會分解放出Cl2或CO氣體 必 須特別注意 弗 昂可用作 凍機的 媒 弗 昂22可用作家用電冰箱與能氣機的 媒 化學式為SF6 是無色 無毒 無臭 且化性安定 具 燃性與消弧 性氣體 沸點為 50 常溫壓縮到50大氣壓亦 液化 600 以下高溫也 會分解 且 會因電 放電過程中被分解 凝點亦 低 凡此種種特性均較弗 昂氣體 適合做絕緣材 此外 在較高的大氣壓下 3 5大氣壓 絕緣耐 比空氣高很多 絕緣耐 較差 約只有空氣的一半 但擴散速 快 故將它封裝在電 機機械內 作為 卻使用 氮氣的絕緣耐 與空氣相似 但化性較為安定 因此常被充入大型電 變壓器中 防止礦物油被空氣氧化 Cl2等有毒且具腐蝕體性 3 4 5 液體絕緣材 包括植物油 礦 物油與合成油三種 植物