Установочные мате риалы на 4

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Забайкальский государственный университет»
(ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)
ХИМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
(4 з.е./ 144 часа)
по направлению подготовки (специальности) 140400.62
“Электроэнергетика и электротехника”
Составлена в соответствии с ФГОС ВПО утвержденным приказом Министерства
образования и науки Российской Федерации от 18. 12. 2009 №710
Профиль (специализация) 140211.62 «Электроснабжение»
Форма обучения:
заочная
(зачет, контрольная работа)
Краткое содержание курса
1. Введение. Водород как сырье и материал. Диэлектрическая проницаемость газов;
2. Щелочные металлы и их соединения в технике, технологии и в современных
материалах;
3. Бор, алюминий, галлий, индий, таллий и их соединения в современной технике и
технологиях;
4. Материалы на основе 3d и 4d элементов. Сплавы, припои, материалы высокой
проводимости;
5. Материалы на основе 5d и 4f элементов. Полупроводниковые химические
соединения, их электропроводность;
6. Материалы на основе углерода и кремния. Керамика, стекло, асбест и слюда – как
диэлектрические материалы;
7. Высокомолекулярные соединения (ВМС) как материалы;
8. Волокнистые материалы, пластмассы, слоистые пластики и др. соединения,
применяемые в изоляции;
9. Благородные газы в химии, физике и технологии. Материалы специального
назначения.
Вопросы для подготовки к зачету:
1.
2.
3.
4.
5.
Вещество, фаза, материал. Нелинейность отклика и свойств фаз в создании
"умных" материалов. Структурная иерархия материалов;
Строение, классификация и свойства кристаллов поликристаллы - микроструктура,
кристаллическая структура, домены, текстура,, применение кристаллических
веществ в энергетике;
Классификация дефектов, структура дефектов, точечные дефекты, протяженные
дефекты, границы раздела, поры, структуры кристаллографического сдвига,
дефекты упаковки, взаимодействие дефектов;
Типы (функциональных) материалов (по составу, структуре, свойствам и областям
применения, многофункциональные материалы);
Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы в энергетике;
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Традиционнные и современные технологии получения ультрадисперсных
материалов (методы химической гомогенизации, неравновесные методы, методы,
основанные на синергетике химического и физического воздействия, механические
и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.);
Аморфное состояние и различные определения стекла. Термодинамика процесса
стеклования;
Механизмы стеклообразования и расстекловывания, стеклокерамика в
энергетической отрасли;
Структура силикатных и боратных стекол. Аморфные металлы и металлические
стекла. Стеклоуглерод. Фотохромные стекла;
Особые свойства веществ в виде тонких пленок, пленка как композит. Методы
получения пленочных материалов;
Механизмы осаждения и роста. Эпитаксия. PVD, CVD, MOCVD, RABiTS,
жидкофазная эпитаксия, золь-гель, spin-coating, самособирающиеся слои,
графоэпитаксия;
Гетероструктуры с участием пьезоэлектриков, сверхпроводящих купратов и
манганитов с гиганским магнитным сопротивлением. Методы получения толстых
пленок и покрытий;
Основные характеристики кристаллического вещества: однородность, анизотропия,
способность самоограняться, симметрия. Связь процессов кристаллизации с
фазовыми диаграммами;
Основные методы выращивания кристаллов - спонтанная кристаллизация,
Бриджмена - Стокбаргера, Киррополуса, Чохральского, Вернейля, Степанова и пр.,
массовая кристаллизация, рост из газовой фазы и расплава;
Структура керамики. Описание, энергетические вклады поверхности и объема.
Классификация керамических материалов. Керамические материалы с
диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными
функциями;
Стадии получения керамики. , первичная кристаллизация, собирательная
рекристаллизация, аномальный рост зерен). Методы спекания. Шликерное литье.
Пенокерамика. Перспективные керамические композиты (трансформационное
упрочнение ZrO2, керметы, ВТСП);
Основные свойства диэлектриков. Важнейшие диэлектрические характеристики
материалов. Основные типы диэлектриков. Кристаллические структуры
диэлектриков. Сегнето-, пьезо- и пироэлектрики на основе солей и сложных
оксидов;
Основные типы полупроводниковых материалов. Определения, зонная теория,
собственная и примесная проводимости. Химический состав, аморфные
полупроводники. Кристаллические структуры основных полупроводниковых
материалов. Термоэлектрические явления;
Суперионики. Определения. Классические суперионики (AgJ vs NaCl, глинозем,
голландит). Кристаллохимические критерии возникновения суперионного
состояния твердых тел. Важнейшие типы анионных и катионных проводников на
основе галогенидов, халькогенидов, пниктогенидов и фосфатов;
Дисперсоиды. Электронно-ионные проводники. Катодные и анодные материалы
литиевых батарей (на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития)
Протонные проводники на основе церрата бария. Применение твердых
электролитов (в химических источниках тока, в сенсорных системах и
гальванических цепях, предназначенных для изучения термодинамики
твердофазных реакций.) Мембранные материалы;
Сверхпроводники, строение, свойства, применение в энергетике;
Магнитные металлы и сплавы типа альнико, SmCo5 и Fe-Nd-B. Пути повышения
магнитной энергии сплавов, связанные с применением термической,
термомеханической или радиационной обработки;
23. Материалы с колоссальным магнетосопротивлением (новые магнитоактивные
композиты и материалы для магнитной записи, спинтроника);
24. Основные требования, предъявляемые к гетерогенным катализаторам. Принципы
создания материалов с высокой удельной поверхностью. Нанозернистые и
мезопористые системы как носители вещества-катализатора;
25. Кристаллическая структура ферромагнетиков. Магнитодиэлектрики типа ферритов
со структурой шпинели, граната, магнетоплюмбита.
22.
Контрольное задание по предмету
«ХИМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ»
Варианты контрольных работ выбираются по последней цифре номера зачетной книжки (из
каждой десятки задач берется соответственная задача - всего 10 задач)
1.
Производство водорода. Термохимические циклы. Мембранные технологии
получения сверхчистого водорода. Написать соответствующие урвнения реакций;
2.
Гидриды как аккумуляторы водорода. Водородная энергетика. Принцип строения
топливного элемента. Проблемы получения и хранения жидкого водорода;
3.
Орто- и пара-водород. Особенности конструкционных материалов, используемых в
водородной энергетике. Водородная коррозия.
4.
Вода. Тяжелая и сверхтяжелая вода. Представления об изотопном эффекте,
диаграмма состояния воды;
5.
Горячий" лед. Структура "обычного" льда. Льдоподобная структура воды.
Активное состояние жидких и твердых тел, механоактивация;
6.
Потребление воды в различных производствах. Вода как растворитель
(Гидротермальный синтез, RESS - технология). Основные представления о криохимической
технологии;
7.
Общий обзор свойств щелочных металлов и их соединений. Расплавы щелочных
металлов как теплоносители в ядерной энергетике;
8.
Пероксидные соединения щелочных металлов и их техническое применение.
Электрохимия расплавов;
9.
Электронные свойства щелочных металлов. Фотоэффект. Работа выхода электрона;
10.
Полярон. Электронный газ. Термоэлектрические явления. Фотоника;
11.
Общий обзор свойств щелочноземельных металлов и их соединений. Диэлектрики.
Диэлектрические свойства титанита бария и других соединений со структурой
перовскита;
12.
Сегнетои
пьезоэлектрики.
Пироэлектрический
эффект.
Электреты.
Электрострикционные материалы;
13.
Дефектные
перовскитоподобные
структуры.
Высокотемпературные
сверхпроводники (ВТСП), применение их в энергетике;
14.
Создание «интеллектуальных» материалов с нелинейными свойствами.
Электрореологические жидкости;
15.
Общая характеристика элементов, IIIA подгруппы. Бор. Структура В12.
Использование бора в ядерной энергетике;
16.
Фториды бора. В4С -конкурент технического алмаза. Нитрид бора и его
полиморфные модификации. Бороводороды. Боразол;
17.
Алюминий. Алюминиевые сплавы, спеченный алюминиевый порошок -САП.
Оксидные соединения алюминия: - и -Al2O3 как основа создания каталитически
активных систем. Полиалюминат натрия -Аl2О3 -суперионный проводник. Оптически
прозрачный поликристаллический -Ai2O3 - «Кадор»;
18.
Высокотемпературная керамика. Комплексные соединения алюминия и их роль в
стереоспецифических реакциях (катализаторы Циглера-Натта);
19.
Использование соединений Ga, In и Tl. в современных материалах;
20.
Магнитные материалы. Диа-, пара- и ферромагнетики. Ферри- и
антиферримагнетики. Металлические и неметаллические магнитные материалы.
Аморфные сплавы;
21.
Ферриты со структурой шпинели. Нормальная и обращенная шпинели.
Магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Магнитные жидкости и магнитоактивные
композиты.
22.
Конструкционные металлические материалы. Стали. Коррозия и борьба с ней.
23.
Сплавы, обладающие эффектом памяти формы. Представление о природе эффекта
топохимической памяти. Роль эффектов памяти в неорганическом материаловедении;
24.
Общие закономерности изменения свойств в периодах. Внутренняя периодичность.
Соединения Курнакова. Фазы Лавеса. Фазы внедрения. Интерметаллиды. Диаграммы
состояния металлических систем;
25.
Металлы в гетерогенном катализе. Материалы на основе платиновых, элементов.
Ультрадисперсное состояние вещества. Наноматериалы.
26.
Общая характеристика 5d элементов. Тугоплавкость. Лантанидное сжатии. Лантан
и его соединения;
27.
. Соединения гафния, тантала и их применение (легирующие добавки, покрытия,
теплообменники, медицина);
28.
Вольфрам: его свойства и применение (твердые сплавы, лампы накаливания,
нагреватели и термопары) Вольфрамовые бронзы. Компактный вольфрам. Проблема
спекания. Температура Таммана. Эффект Ацтке-Вацека;
29.
Амальгамы - сплавы или интерметаллиды. Применение амальгам в технике и в
энергетике;
30.
Распространенность лантанидов и актинидов. Проблема выделения элементов из
различных типов сырья: -интенсификация процессов выделения за счет экстракции и
ионного обмена;
31.
Применение 4f элементов: люминофоры, лазеры (активные добавки),
стекловарение, легирующие добавки. Рост монокристаллов из растворов и расплавов;
32.
Азот. Проблема связанного азота. Синтез аммиака. Перспективы использования
высоких давлений в химии;
33.
Проблемы конструкционных материалов, используемых при высоких давлениях;
Нитриды. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (CВC — процессы);
Кислые фосфатные соли — протонные суперионные проводники. Фосфатные стекла.
Гидроксоаппатиты как основа биокерамики;
Диаграмма состояния GaAs, легированного кремнием.
34.
Использование Sb и Bi в современном материаловедении. Легкоплавкие сплавы.
Антифрикционные сплавы;
35.
Ионная проводимость в твердом теле. Униполярная и биполярная проводимость;
36.
Твердые электролиты. Понятие о квазижидкой подрешетке в твердом теле.
Квазихимический подход к описанию поведения твердых электролитов;
37.
Использование галогенидов в качестве твердых электролитов и элементов
сенсорных систем. Дисперсоиды;
38.
Основы электрохимической термодинамики твердофазных реакций.
39.
Соединения переменного состава (CПC). Закономерности возникновения фаз
переменного состава на основе 3-d и 4-f элементов;
40.
Уравнение электронейтральности, расчет состава СПС, квазихимические реакции.
41.
Зависимость свойств оксидных и сульфидных СПС от не стехиометрии.
42.
Анализ электрических, оптических и магнитных свойств. Люминофоры.
Кластерные материалы. Фазы Шевреля.
43.
Селениды и теллуриды и соединения на их основе, используемые в энергетике;
44.
Углерод. Аллотропные модификации углерода: алмаз, графит, аморфный углерод.
Эксперименты Муассана. Работы Лейпунского;
45.
Синтез искусственных алмазов. Режущие инструменты. Соединения внедрения в
графит (СВГ-фазы);
46.
Карбин. Фуллерены. Новые поколения материалов на основе фуллеренов,
применяемые в энергетике;
47.
Основные представления о композиционных соединениях. Углеродные «усы».
Стеклоуглерод;
48.
Германий и кремний как полупроводники. Проблемы получения высокочистых
веществ и их легирование. Основные
принципы построения диаграмм
дефектообразования на примере кремния;
49.
Химия силикатов. Стекла. Стеклообразование. Оптоволоконные материалы в
энергетике;
50.
Золь-гель технология и CVD процессы. Пути повышения прочностных
характеристик стекол (частичная кристаллизация, химическое легирование и т.д.);
51.
Фотохромные стекла. Ситаллы. Цеолиты — молекулярные сита и катализаторы;
52.
Цементы и бетон, Железобетон. Огнеупоры. Строение и применение данных
композитов в энергетике;
53.
Использование соединений Sn и Pb в современных материалах;
54.
Определение ВМС. Гибкость цепи — фундаментальное свойство ВМС.
Молекулярные механизмы гибкости: конформационная и деформационная;
55.
Свойства полимеров как материалов. Способность к высокоэластичным
деформациям;
56.
Температура стеклования. Кристаллическое состояние ВМС. Температура
кристаллизации. Механические анизотропные свойства ВМС. Способность к
гелеобразованию;
57.
Четыре группы полимерных материалов: объемные, волокна, пленки, покрытия,
применение данных материалов в энергетике;
58.
. "Высокоинтеллектуальные" полимерные материалы: мембраны, сорбенты,
катализаторы, электроактивные материалы;
59.
Соотношение температур текучести, стеклования и кристаллизации зависимость
этих температур от длины полимерной цепи;
60.
Синтез полимерной молекулы. Изо-, синдио- и атактическая цис- и трансконфигурации полимерных молекул. Стереорегулярные полимеры. Укладка полимерных
цепей;
61.
Армированные материалы. Суперинженерные пластики. Создание новых типов
конструкционных и функциональных материалов на основе полимеров;
62.
Общий обзор свойств элементов VIIIa подгруппы. Особенности спектров
благородных газов. Применение благородных газов в светотехнике и в производстве ОСЧ
материалов;
63.
Инертные или благородные газы Открытие Бартлетта. Работы по химической
фиксации ксенона. Химические соединения благородных газов, высокоэффективные
окислители. Фазы внедрения (клатраты);
64.
Устойчивость фаз внедрения (термодинамический анализ). Радиохимия
благородных газов;
65.
Борьба за "абсолютный ноль". Работы Г.К.Оннеса по данному направлению;
66.
Диаграмма состояния гелия. Критическая точка. Гелий I и гелий II, использование
гелия в энергетике;
67.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость. Квантовые эффекты в веществах при
температурах < 4 К.
68.
Квантовые эффекты в химических системах при низких и сверхнизких
температурах: туннельный эффект, низкотемпературный предел скорости химической
реакции;
69.
Коррозия сплавов, соединений с железом. Методы борьбы с коррозией;
70.
Построение диаграмм состояния металлических систем. Исследование изменения
свойств металлов в гетерогенном катализе;
71.
Изучение легирующих добавок, покрытий, теплообменников. Вольфрам: его
свойства и применение (твердые сплавы, лампы накаливания, нагреватели и термопары);
72.
Рост монокристаллов из растворов и расплавов. Исследование проводниковых
свойств кристаллов;
73.
Получение и изучение свойств кислых фосфатных солей, как протонных
суперионных проводников. Фосфатные стекла. Гидроксоаппатиты как основа
биокерамики. Построение диаграммы состояния GaAs, легированного кремнием;
74.
Использование галогенидов в качестве твердых электролитов и элементов
сенсорных систем;
75.
Анализ электрических, оптических и магнитных свойств селенидов и теллуридов;
76.
Получение и исследование свойств композиционных соединений на основе
углерода, применение данных композитов в энергетике;
77.
Постановка синтеза диэлектрических материалов на основе органических
полимеров;
78.
Работа со спектрами благородных газов. Применение благородных газов в
электротехнике и в производстве ОСЧ материалов;
79.
Получение водорода, водородная коррозия. Представления об изотопном эффекте,
диаграмма состояния воды;
80.
Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков;
электропроводность диэлектриков; диэлектрические потери;
81.
Химические свойства диэлектриков и воздействия на них излучений высокой
энергии;
82.
Пробой диэлектриков; неорганические диэлектрические пленки; материалы
высокой проводимости;
83.
Кластерные материалы, их свойства и применение в энергетике;
84.
Фуллерены, новые поколения материалов на основе фуллеренов;
85.
Суперинженерные пластики, создание новых типов конструкционных и
функциональных материалов на основе полимеров;
86.
Сплавы, обладающие эффектом памяти формы, представление о природе эффекта
топохимической памяти;
87.
"Высокоинтеллектуальные" полимерные материалы: мембраны, сорбенты,
катализаторы, электроактивные материалы;
88.
Материалы на основе платиновых, элементов, ультрадисперсное состояние
вещества. Наноматериалы;
89.
Какой тип проводимости (n или p) будет наблюдаться в кристалле PbTe,
содержащем некоторый избыток Pb? Te?
90.
В каких простых оксидных материалах существует проявление ферромагнитных
свойств? Ответ обоснуйте. Какие ферромагнитные материалы применяются в энергетике?
91.
Что такое керамические материалы? Что такое композитные материалы, какие
материалы применяются в энергетике?
92.
Чем различаются биоактивные, биосовместимые и биорезорбируемые материалы?
93.
В каких простых веществах вы можете ожидать проявления ферромагнитных
свойств? Ответ обоснуйте;
94.
Какой тип проводимости (n или p) будет наблюдаться в кристалле Si, легированном
Sb? Al? P? In?
95.
Принцип работы топливного элемента, основы водородной энергетики;
96.
Химический состав изоляционных материалов, особенности получения;
97.
Реакции полимеризации, поликонденсации и сополимеризации, механизмы
протекания. Написать уравнения соответствующих реакций;
98.
Полимерные изоляторы, достоинства и недостатки;
99.
Строение фарфоровых изоляторов, достоинства и недостатки;
100. Строение стеклянных изоляторов, достоинства и недостатки.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Третьяков Ю.Д, Путляев В.И. Введение в химию твердофазных материалов. - М.
Издательство МГУ. Издательство Наука, 2006. – 342 с.
2. Аркелян В.Г. Физическая химия электротехнических аппаратов: В 2 т. Т.1.
Физическая химия элегазового электротехнического оборудования. - М.:
Издательство МЭИ, 2001. - 300 с.
3. Агеева Н. Д., Винаковская Н.Г., Лифанов В. Н. Электротехническое материаловедение: Учеб.
пособие.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006 – 364 с.
Дополнительная литература
1.
Артеменко, Александр Иванович. Справочное руководство по химии : справ. пособие
/ Артеменко Александр Иванович, Малеванный Вячеслав Анатольевич, Тикунова Инга
Вильямовна. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2003. - 367с
2. .Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных
оксидов. - М. ИКЦ «Академкнига». 2006. – 236с.
3. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктури
наноматериалов. - М. Издательство «КомКнига». 2005. – 175 с.
Программу разработал
Тютрина С.В.