包括导电材料、半导体材料、绝缘材料和其他电介质材料、磁性材料。这些材料均具有一定的电学或磁学性能。具体的电工材料一般按用途分类。如铁氧体,用于磁路时是磁性材料;用于电路时属于半导体材料。
工程技术领域中,材料占有重要的地位,各种技术都要通过一定的设备和器件来实现,设备则需用具体的材料制作。没有相应的材料,即使是原理上可行的技术和产品,也都无法实现。新材料的出现常能带来技术上的重大进展。电工领域也是如此。如硅钢片的出现使旋转电机和变压器的效率大大提高,容量也更大,从而促进了电能的远距离输送和广泛应用;高矫顽力、高剩磁的钕铁硼等材料的出现,满足了永磁同步电动机对强磁体的需要,使这类电机在驱动微电机中占有重要地位,并仍在扩大其应用范围;高临界温度超导材料所实现的突破,展现了低耗(或无损耗)输电和电能的工业规模储存的前景,引起世界各国物理界、电工界的注意。研制各种适用电工新材料仍是电工领域的重要任务。
允许电流持续通过的材料,电阻率很低,一般在10-6欧米;除常用的高电导率的铜、铝外,也包括高电阻率的铜合金、镍铬合金以及能导电的石墨等。铜、铝主要用于电线电缆的载流芯,电机、变压器的绕组导线,其他还有在开关设备中供电触头用的银、铜、铝复合材料。高电阻率导电材料主要用于制造各种电阻元件,如调节元件、电位器、传感元件等,要求抗氧化和耐腐蚀性好,温度系数小,机械强度高;还可用于发热元件,并要求材料在高温下有好的抗氧化能力,高强度及高电阻率,温度系数小。有较高电阻率的石墨,熔点高,润滑性好,用于制作电机的电刷、弧光灯的电极等。属于导电材料的还有低温导电材料和超导材料。例如,纯铝在20开尔文(K)下,即液氢温度范围中是最好的低温导电材料;而铍在77K左右,即液氮温度下电阻率也只有常温下的千分之一到万分之一以下。超导材料一般在接近0K的温度下,其电阻率已测不出。20世纪80年代已发现上千种超导材料,其中有元素类,也有化合物。较为实用的是铌三锡、铌三铝等。1986年发现的钡、钇、铜、氧化物陶瓷在液氮温度(77K)即具有超导性,这将对超导电技术的普及,甚至对人类文明产生深远影响。
电导率介于导电材料和绝缘材料之间,约为105~10-7西/米的材料。对于电子(空穴)电导也可按能带理论的禁带宽度来定义,其值约为0.08~3电子伏(也有人认为其上限应为1.5电子伏或2电子伏)。半导体与导体相比,除电导率小外,其电导率随温度升高而增大,而导体的电导率随温度升高而下降。
纯净的半导体材料由于导电性能很差,没有实用价值;通过掺入不同浓度的微量杂质来控制其导电性,使半导体材料能制成各种器件,从而获得广泛应用。例如,硅、锗中掺入磷、砷、锑等元素,可制成电子型(N型)半导体;掺入硼、铝、镓、铟等元素,可制成空穴型(P型)半导体。利用N型和P型的不同组合,可获得整流和放大作用,在电工中可用于控制和调节电源。
半导体的电导率对外界因素极为敏感,在其作用下可观察到一系列物理现象。例如在不同波长的光照下能产生光电效应,这时电子吸收光能,导致自由载流子浓度增大,从而电导率增大,称为光电导性。利用这一性质,可制成光敏元件。此外,还有热电效应、霍尔效应、磁阻效应、压电效应、场效应和隧道效应等都可加以利用。氧化锌电压敏元件在电力系统中用作过电压保护;砷化镓在发展超高速半导体集成电路中起着至关重要的作用。
半导体可以按化学组分分为有机的和无机的两类,主要使用无机半导体。无机半导体可进一步分为元素型和化合物型。后者按组分元素又可分为二元、三元等,发展迅速。半导体也可按其结构形态分为结晶半导体和非晶态半导体。一般多使用前者,但70年代以后大力开发后者。
电绝缘和电介质材料的电阻率约为1010欧米以上。实用中优良绝缘材料的电阻率在室温下都大于1012欧米。通常所用的绝缘材料都含有杂质,在工作温度下的电阻或电导属离子型。对于电导属电子型的绝缘材料,一般认为禁带宽度在2~3电子伏以上。
电介质材料的特点是其在电场中能发生极化。由于电介质多数是优良的绝缘材料,两者经常作为同义词使用。
电绝缘材料常按其聚集状态分为气体绝缘材料、液体绝缘材料和固体绝缘材料。常用的电绝缘材料多数属于固体,液体和气体电绝缘材料一般不能起力学上的支撑作用,所以较少单独使用。
①气体绝缘材料。特点是电导率、介电常数和介质损耗均低,击穿强度一般比液体和固体绝缘材料也低得多,但击穿后能自行恢复绝缘状态,具有自愈性。六氟化硫气体具有较高的击穿强度,广泛用作封闭式电器的绝缘。
②液体绝缘材料。一般用来替代空气,填充电气设备中的空间,或浸渍设备绝缘结构中的孔隙。除了电绝缘作用,它还可以起散热或灭弧作用。在选择液体绝缘材料时应考虑它在电场作用下的稳定性、热稳定性、黏度、闪点、酸值、碱值、杂质含量、水含量、热膨胀系数以及与其他绝缘和结构材料的相容性等。应用最多的液体绝缘材料是矿物绝缘油。为了保证液体材料成分的纯净,发展了多种合成绝缘油,如高温下使用的硅油以及十二烷基苯等。
③固体绝缘材料。可以分成天然的和合成的。天然的有棉纱、丝绸、纸、虫胶、沥青、矿物油、橡胶、石棉、云母等,在19世纪已开始用于电工设备。合成材料,特别是高分子材料,在20世纪得到迅速发展。高分子材料的绝大多数具有高电阻率,并且高分子材料(包括塑料、合成橡胶和合成纤维等许多品种)能满足多种使用场合的要求。高分子材料与相应的天然材料相比有着更为优异的介电性能、力学性能和耐高温性能,在电绝缘材料中占有重要地位,主要有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚酯和不饱和聚酯、环氧树脂、有机硅树脂,以及聚酰亚胺为代表的芳杂环高分子材料等。
此外,在无机绝缘材料方面,也有重大的进展。例如,制成了粉云母纸,解决了云母资源的不足;玻璃纤维布的出现,使纤维的耐热等级大大提高;陶瓷品种的发展满足了高机械强度、高温度和高介电常数的要求。由于超导技术的迅速发展,低温电工材料也相应取得重大进展。低温电绝缘漆胶和黏合剂,电工薄膜和层压制品以及低温无机绝缘材料,如玻璃、石英、陶瓷等,都有很大发展。
具有铁磁性能的材料,称磁性材料。电工中应用的磁性材料按其矫顽力可分为软磁材料和永磁材料两大类。软磁材料用于交变磁场,而永磁材料用于静态磁场。按材料组成可分成金属和非金属两种。前者有铁、钴、镍、钆及其合金,也可包括稀土类元素,如RCO5,其中R为稀土元素钐、铈和镨。非铁磁元素的合金也可以成为铁磁材料,例如锰、铜和铝等。非金属型材料有铁氧体,它具有磁畴结构,能自发磁化而具有铁磁性。铁磁性材料具有磁滞回线,在交变磁场中造成损耗,必须设法降低。交流磁场作用下引起的涡电流,也会造成损耗。两种损耗统称铁耗,都造成设备发热,这在高频率下特别突出。铁氧体的铁耗在高频下特别小,成为适用于高频的磁性材料。
磁性材料的某些特殊性能还可用于特殊场合。例如具有直角磁滞回线的材料可以用作磁记忆材料。某些磁性材料在磁场强度变化时其几何尺寸发生变化,称为磁致伸缩材料,可用于超声发生器和接收器及机电换能器中,用以测量海洋深度、探测材料的缺陷等。