Giáo trình Vật liệu cơ điện

này người ta chế tạo ra vật liệu 
chịu được hồ quang điện, đúc ép định hình bằng khuôn tạo ra các chi tiết cách điện cần 
thiết cho các thiết bị điện. 
 + Mica tổng hợp: thủy tinh mica là một trong số các điện môi có chất lượng cao. 
Nó chịu được nhiệt độ cao, có độ bền cơ lớn, nhất là độ bền uốn, va đập, chịu được 
phóng điện hồ quang, có tg nhỏ, có thể gia công bằng cơ khí được. Tuy nhiên quá 
trình công nghệ sản xuất ra mica thủy tinh tốn nhiều công, đòi hỏi phải có lò điện có 
công suất lớn, máy ép thủy lực và khuôn ép bằng thép không rỉ. Thủy tinh mica có các 
đặc tính: 
 - Khối lượng riêng: 2,6  3,0G/cm3; 
 - nhiệt độ làm việc cho phép (300  350)0C; 
 2
 - giới hạn bền kéo kéo= (300  700) kG/cm ; 
 2
 - nén= (1000  4000) kG/cm ; 
 2
 - uốn= (700  1400) kG/cm ; 
 - ứng suất dai va đập (2  5) kG.cm/cm2, 
 - = (8  9).10-6 1/độ; 
 12 14
 - y = (10  10 ) .cm; 
 10 12
 - s = (10  10 ) .cm; 
 -  = (6  8,5); 
 85 
 - tg = (0,003  0,01) ở tần số 1MHz. 
 - Độ bền cách điện (10  20) kV/mm. 
 Mica thủy tinh chịu được ẩm, nhưng kém bền đối với tác dụng của các axít 
clohyđríc, nitơríc cũng như đối với chất kiềm. Khi thủy tinh mica bị rổ có khả năng 
hút ẩm làm cho phẩm chất cách điện bị giảm đi. 
 6. Chất dẻo: 
 6.1. Khái niệm chung về chất dẻo: 
 Chất dẻo là loại vật liệu được dùng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong đời sống. 
Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép từ bên ngoài sẽ nhận được hình 
dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật điện 
người ta thường dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện cũng như dùng làm các kết 
cấu thuần túy. 
 6.2. Một số chất dẻo: 
 a. Hêtinắc: được sản xuất ra bằng cách ép nóng giấy đã được tẩm nhựa bakêlít. 
Hêtinắc có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3. Độ bền điện cao khoảng 
(2025)kV/mm,  = 56 Hêtinắc được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị và dụng 
cụ điện cao áp và hạ áp. Ngoài ra, Hêtinắc cũng được sử dụng trong kỹ thuật thông tin. 
 b. Téctôlít: được sản xuất ra bằng cách ép nóng vải đã được tẩm nhựa bakêlít, nó 
cũng tương tự Hêtinắc nhưng có giới hạn bền kéo doc và ứng suất dai va đập theo 
chiều thẳng góc với lớp cách điện không cao hơn Hêtinắc nhưng độ bền nhiệt cao hơn. 
 Trong những năm gần đây người ta đã chế tạo được nhiều loại chất dẻo nhiều lớp có 
đặc tính cách điện, độ bền cơ và độ chịu nhiệt cao. Chất kết dính dùng trong các chất 
dẻo ấy là nhựa polieste, êpoxi, nhựa poliimít, nhựa silíc hữu cơ và các loại nhựa khác. 
Thành phần tạo thành là tổ hợp cách điện compozit có đặc tính cách điện và độ bền cơ 
rất cao, chịu được ẩm, ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện cao áp. Những đặc tính 
của Hêtinắc, Téctôlít, Téctôlít thủy tinh được cho trong bảng sau: (Bảng 2.6) 
 Bảng 2.6: Đặc tính của Hêtinắc, Téctôlít, Téctôlít thủy tinh 
 Các đặc tính Hêtinắc Téctôlít Téctôlít 
 A B B - 
 86 
 Giới hạn bền kéo theo chiều 
 800 1000 650 900 
dọc, kG/cm2, không nhỏ hơn. 
 Giới hạn bền uốn theo chiều 
thẳng góc với lớp cách điện, 1000 1300 1200 1100 
kG/cm2, không nhỏ hơn. 
 ứng suất dai va đập theo 
chiều thẳng góc với lớp cách 13 20 25 50 
điện, kG/cm2, không dưới. 
 Độ bền nhiệt 0C không thấp 
 150 150 125 185 
hơn 
 Điện trở suất khối V (.cm) 
 1011 1010 109 1010 
không dưới 
 + Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn 
dây, màng và sợi cách điện. 
 + Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách 
điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện. 
 + Polyfocmandêhit: vật liệu rắn, cứng có tính chống mài mòn chống ma sát cao. 
Các chi tiết được chế tạo bằng chất này được thực hiện bằng cách đúc áp lực. 
 7. Dầu - Mỡ bôi trơn: 
 7.1. Công dụng; 
 - Bôi trơn cho các bề mặt ma sát các chi tiết chuyển động. Nhờ có dầu nhờn tạo 
thành lớp đệm giữa các bề mặt của các chi tiết chuyển động tương đối với nhau, vì vậy 
là giảm sự mài mòn, giảm tiêu hao công suất, tăng tuổi thọ cho các chi tiết. 
 - Làm kín: Nhờ có độ nhớt cao dầu nhờn có tác dụng làm kín cho các bộ phận. Ví 
dụ làm kín giữa vòng găng, xi lanh, piston trong buồng cháy động cơ vv. 
 - Làm mát: nhờ có dầu nhờn khi bôi trơn nó nhận nhiệt của các bề mặt ma sát cho 
nên có tác dụng làm mát. 
 - Bảo vệ các bề mặt chi tiết: nhờ lớp dầu nhờn phủ trên bề mặt có tác dụng chống 
ôxi hóa, bảo vệ các bề mặt không bị han gỉ. 
 7.2. Dầu nhờn: 
 a. Thành phần 
 b. Tính chất 
 87 
 - Độ nhớt của dầu: Là khả năng lưu động của dầu được đặc trưng bằng độ nhớt 
động học, nếu dầu có độ nhớt càng cao thì khả năng bôi trơn, làm kín càng tốt, song 
làm tăng sức cản khi lưu động và khó đưa tới những vị trí ở xa bơm dầu hoặc các khe 
hở nhỏ, do vậy sẽ xẩy ra thiếu dầu bôi trơn cục bộ ở một số bộ phận. 
 - Khả năng chịu nhiệt: là khả năng duy trì được độ nhớt khi nhiệt độ của chi tiết 
cần bôi trơn thay đổi, đây là tính chất rất quan trọng vì đa số dầu sẽ giảm độ nhớt khi 
nhiệt độ tăng và ngược lại, vì vậy người ta dùng các phụ gia đặc biệt pha vào dầu. 
 - Ít bị biến đổi về tính chất lý hóa: Đây là tính chất cũng rất quan trọng nhằm đảm 
bảo khả năng bôi trơn của dầu khi quá trình làm việc dầu có thể bị lẫn nước, các tạp 
chất có trong xăng, điêsel, sản phẩm khí cháy..vv. 
 - Khả năng bảo vệ các bề mặt chi tiết: Đó là khả năng hình thành màng dầu ngăn 
cản sự tiếp xúc của ôxi với bề mặt liên kết trong những điều kiện khác nhau (áp suất, 
nhiệt độ). 
 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 7 
 Câu 1: Trình bày khái niệm về vật liệu cách điện? Nêu và phân tích các tính chất 
của vật liệu cách điện? 
 Câu 2: Trình bày chức năng, ưu nhược điểm dầu máy biến áp? 
 Câu 3: Nêu các vật liệu cách điện thông dụng? Tính chất và công dung của từng loại 
vật liệu đó? 
 Chương 8: Vật liệu bán dẫn 
 1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn 
 Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đặc 
điểm của nó là điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách 
điện. Tuy nhiên không có một danh giới rõ rệt giữa ba loại vật liệu kể trên. 
 2. Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn: 
 2.1. Các bán dẫn thuần 
 Chất bán dẫn là những chất có điện trở suất lớn hơn kim loại nhưng nhỏ hơn của 
điện môi. Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn có tính chất cách điện như điện môi, còn ở 
nhiệt độ cao thì lại dẫn điện tốt. 
 Xét tinh thể bán dẫn điển hình Ge. Ge là nguyên tố có hoá trị 4 nên có 4 e ở lớp 
ngoài cùng liên kết kém với hạt nhân. Khi hợp thành mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Ge 
liên cộng hoá trị với 4 nguyên tử gần nó nhất (hình 1.5) 
 88 
 - Ở nhiệt độ bình thường liên kết trên rất bền vững nên không có hạt mang điện 
tự do nên tinh thể Ge không dẫn điện. 
 - Ở nhiệt độ tương đối cao, các nguyên tử Ge dao động mạnh làm cho Hình 5: 
Cấu trúc mạnh tinh thể Gemani một số liên kết trong mạng bị phá vỡ, do đó một số e 
bị giải phóng trở thành e tự do. Nhiệt độ càng cao thì số liên kết bị phá vỡ càng nhiều 
nên số e tự do càng tăng lên. Khi một e bị giải phóng khỏi liên kết thì trong tinh thể 
xuất hiện chỗ trống thiếu e liên kết nên gọi là lỗ trống. So với liên kết bình thường lỗ 
trống thiếu một điện tích âm nên lỗ trống mang điện tích dương. 
 - Hơn nữa lỗ trống trong mạng tinh thể không phải là cố định vì có thể 1 e từ một 
liên kết nào đó gần đấy di chuyển đến vị trí lỗ trống, lấp đầy lỗ trống đó. Lỗ trống bên 
cạnh lại mất một e nên ở đó lại xuất hiện lỗ trống. Quá trình cứ như thế và kết quả lỗ 
trống trong mạng tinh thể có thể di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác giống như một 
điện tích dương. 
 - Như vậy ở nhiệt độ tương đối cao trong tinh thể xuất hiện đồng thời hai 
 loại hạt mang điện tự do: electron và lỗ trống. 
 - Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán dẫn, e và lỗ trống chuyển 
động nhiệt hỗn loạn, không có chiều ưu tiên, trong bán dẫn không có dòng điện. 
 - Khi có điện trường ngoài, dưới tác dụng của lực điện trường các e dịch chuyển 
về cực dương, lỗ trống dịch chuyển về cực âm của điện trường ngoài. Hay trong chất 
bán dẫn xuất hiện dòng điện. 
 Vậy dòng điện trong chất bán dẫn thuần là dòng chuyển dời có hướng đồng thời 
của e và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài. 
 2.2. Bán dẫn tạp 
 - Chất bán dẫn loại âm (loại N) 
 Pha thêm vào tinh thể Si một lượng rất ít các nguyên tử photpho (P). Nguyên tử P 
có 5 e hoá trị nên nó dùng 4 e vào liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si ở xung 
quanh (hình 1.6). Nguyên tử thứ 5 của P liên kết yếu với trong mạng tinh thể nên dễ 
dàng tách ra khỏi nguyên tử để trở thành e tự do. Như vậy tạp chất thêm vào đã làm 
cho số e tự do trong bán dẫn tăng lên nhiều, làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn 
tạp chất so vời bán dẫn thuần. 
 89 
 Do lượng Photpho thêm vào càng nhiều thì số e tự do càng tăng trong khi số lỗ 
trống không tăng nên trong chất bán dẫn loại N, hạt mang điện chủ yếu là electron, lỗ 
trống là hạt mang điện thiểu số. 
 - Chất bán dẫn loại dương (loại P) 
 Nếu pha thêm vào chất bán dẫn thuần Si một lượng nguyên tử Bo (B) hoặc Indi 
(In). Do B hoặc In có 3 e hoá trị nên trong tinh thể Si nó thiếu 1 e để tạo thành 4 mối 
liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si gần nhất (hình 1.7). Mối liên kết còn thiếu này 
dễ dàng nhận 1 e ở một liên kết đầy đủ gần đó và như vậy tạo nên một lỗ trống. 
 Như vậy tạp chất B hoặc In làm cho lượng lỗ trống tăng lên nhiều trong khi lượng e 
không tăng. Mặt khác lỗ trống mang điện tích dương nên gọi chất bán dẫn có pha tạp 
chất này là chất bán dẫn loại dương. 
 Như vậy trong chất bán dẫn loại dương hạt mang điện đa số là lỗ trống, 
 electron là hạt mang điện thiểu số. 
 3. Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 
 3.1 Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài 
 Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại N và loại P tiếp xúc công nghệ với 
nhau, tại vùng tiếp xúc xảy ra hiện tượng vật lý đặc biệt, do có sự chênh lệch về nồng 
độ phần tử dẫn điện tại vùng tiếp xúc, mật độ điện tử tự do ở chất bán dẫn N lớn hơn ở 
chất bán dẫn P và mật độ lỗ trống ở chất bán dẫn P lớn hơn ở chất bán dẫn N, nhờ có 
sự khuếch tán nhiệt của các điện tử đa số nên các lỗ trống ( ion dương ) ở bên bán dẫn 
P qua tiếp giáp sang bán dẫn N và các điện tử ở bên bán dẫn N qua tiếp giáp sang bán 
dẫn P, tạo thành dòng khuếch tán từ chất bán dẫn P sang bán dẫn N. Như vậy xẩy ra 
hiện tượng khuếch tán tại vùng tiếp xúc giữa hay chất bán dẫn P và N xuất hiện điện 
tích trái dấu, bên chất bán dẫn P xuất hiện điện tích âm, bên chất bán dẫn N xuất hiện 
điện tích dương, và có số lượng bằng nhau, hình thành một trường khuếch tán hay còn 
gọi là trường tiếp xúc Etx có chiều từ N tới P, với điều kiện tiêu chuẩn ở nhiệt độ trong 
phòng Etx = 03V(Ge) và = 0,6V (Si), có tác dụng ngăn cản sự di chuyển tiếp tục của 
các điện tích, nghĩa là hình thành một lớp chắn và được gọi là tiếp giáp P-N. 
 90 
 Do tác động của điện trường tiếp xúc, các điện tử thiểu số của hai chất bán dẫn 
chuyển động qua tiếp giáp, điện tử ở chất bán dẫn P chuyển động qua tiếp giáp sang 
chất bán dẫn N và lỗ trống ở chất bán dẫn N chuyển qua lớp tiếp giáp sang chất dẫn P, 
hình thành dòng điện dò có chiều N-P. Trường tiếp xúc hình thành cản trở dòng 
khuếch tán, khi dòng điện Ikt và dòng điện dò cân bằng thì dòng qua miền tiếp giáp 
bằng không và bề dày của lớp chắn PN vào khoảng 10-5cm. 
 3.2 Tiếp giáp P- N khi có điện trường ngoài 
 a. Tiếp giáp P-N phân cực ngược 
 Đặt vào tiếp giáp P-N một điện áp một chiều có cực âm nối vào chất bán dẫn P, 
cực dương nối vào chất bán dẫn N. Như vậy điện trường ngoài ( Eng) có chiều cùng 
chiều với Etx. Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tử đa số được đẩy ra xa 
miền tiếp giáp, các điện tử thiểu số được tăng cường cho miền tiếp giáp, như vậy miền 
tiếp giáp được mở rộng. Khi phân cực ngược dòng qua tiếp giáp là dòng ngược có giá 
trị rất nhỏ. 
 b. Tiếp giáp P-N phân cực thuận 
 Đặt vào tiếp giáp P-N một điện áp một chiều, cực âm nối vào chất bán dẫn N, cực 
dương nối với chất bán dẫn P. Như vậy điện trường bên ngoài Eng có chiều ngược 
chiều với Etx, làm cho điện trường tổng hợp tại lớp chắn giảm đi, khi đó chuyển động 
khuếch tán của các hạt đa số được tăng lên, dòng Ikt tăng và bề rộng lớp chắn giảm đi. 
Hiện tượng đó gọi là sự phân cực thuận cho PN. Như vậy khi phân cực thuận dòng qua 
tiếp giáp tăng do dòng khuếch tán tăng. 
 Như vậy tiếp giáp P-N đặt trong điện trường ngoài có tính chất dẫn điện không đối 
xứng, khi phân cực thuận dòng qua P-N lớn, khi phân cực ngược dòng qua P-N rất nhỏ 
có thể bỏ qua. Do đó lớp bán dẫn chỉ dẫn điện theo một chiều từ P sang N khi được 
phân cực thuận. 
 4. Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật : 
 4.1. Giécmani 
 Ge rất hiếm trong tự nhiên, Ge được dùng để chế tạo các chất bán dẫn trong các 
máy tách sóng, các bộ chỉnh lưu phẳng, các transisto và các bộ khuyếch đại.... 
 4.2. Silic 
 Si là một trong những nguyên tố có rất nhiều trong thiên nhiên dưới dạng SiO2 
trong các mỏ khác nhau và dưới dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% trong lớp vỏ trái 
đất). Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết rất phức tạp nên những dụng cụ sử dụng 
bán dẫn Si rất đắt so với các dụng cụ bán dẫn sử các chất khác mặc dù các chất này 
trong thiên nhiên hiếm hơn nhiều so với Si. 
 91 
 Điện dẫn suất của Si biến đổi trong phạm vi rộng. Silic nguyên chất được chế tạo 
làm các điện trở phi tuyến trong mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện 
trong các máy tách sóng, trong các bộ khuyếch đại,...Silic được sử dụng như chất khử 
oxy trong luyện kim. 
 Silic trong hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) được chế tao dưới dạng tấm, lá dùng để 
làm lõi thép dẫn từ của các máy biến áp. Ngoài ra nó còn được sử dụng để chế tạo các 
hợp kim khác của sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, ... được sử dụng rộng rãi 
trong công nghiệp 
 4.3. Selen. 
 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 8 
 Câu 1: Trình bày khái niệm về vật liệu bán dẫn? ứng dụng vật liệu bán dẫn? 
 Câu 2: Trình bày sự dẫn điện trong bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 
 Câu 3: Trình bày tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài và khi có điện trường 
ngoài? 
 Nguồn tài liệu tham khảo 
- Giáo trình vật liệu cơ khí (Dùng cho các trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp 
và đào tạo) –Nhà XB Lao động – xã hội -2006; 
- Giáo trình vật liệu điện (Dùng cho các trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp và 
cao đẳng kỹ thuật) : TS Nguyễn Đình Thắng – Nhà xuất bản giáo dục - 2007; 
- Vật liệu kỹ thuật điện: Nguyễn Xuân Phú - Hồ Xuân Thanh -NXB Khoa học và kỹ 
thuật -1998; 
- Vật liệu cơ khí: Nguyễn Hoành Sơn -NXB giáo dục -2000. 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học/mô đun “” đã bám sát các nội dung trong chương trình 
môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ 
trong chương trình môn học, mô đun. 
 Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun...... thay thế cho giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 Trần Thị Hồng Nhung 
 92 
93