Електрорадіотехнічні матеріали.

План:

Провідникові матеріали.

Напівпровідники.

Магнітні матеріали.

 

1. Електрорадіотехнічні матеріали мають особливі властивості по відношенню до електричного струму та магнітного поля і використовуються для виготовлення виробів електротехніки. Електрорадіотехнічні матеріали по їх призначенню поділяють на чотири основні групи:

1) провідникові матеріали;

2) напівпровідникові;

3) електроізоляційні;

4) магнітні.

Провідники, напівпровідники і діелектрики розрізняють: по величині електроопору, по характеру зміни його при нагріванні і по типу провідності.

Провідники мають питомий електроопір 10^-6-10^-3Ом·см, якій при нагріванні збільшується. Використовуються для провідників постійного і змінного струму, як матеріали з малим перехідним електроопором, для елементів опору, нагрівальних елементів, контактів.

Напівпровідники мають питомий електроопір в межах 10^-3-10¹⁰ Ом·см, який при нагріванні зменшується. Їх використовують для випрямлення і посилення електричного струму, а також для перетворення різних видів енергії в електричну.

Діелектрики мають питомий електроопір в межах 10¹⁰-10¹⁸ Ом·см і використовуються як ізолятори.

Провідність твердих тіл у першу чергу визначається електронною будовою атомів. Накладання електричного поля зумовлює рух електронів, які зазнають гальмуючого впливу викривлень кристалічної структури. В ідеальних кристалічних ґратках у вузлах якої при температурах абсолютного нуля, будуть знаходитись нерухомі атоми, електрони, що забезпечують провідність, повинні рухатися безперешкодно. Опір виникає при порушенні регулярного повторення орбіт унаслідок розсіювання електронів. Такі порушення створюють атоми домішок (або легуючі елементи), а також теплові коливання атомів. Таким чином, загальний електроопір металу складається з опорів за рахунок теплового і домішкового розсіювання. Деформації і залишкові напруження, що виникають при технологічній обробці створюють викривлення в кристалічних ґратках (вакансії, дислокації, границі блоків), що також підвищують опір унаслідок додаткового розсіювання. Вплив легуючих елементів у сплавах на провідність різний і визначається природою фаз, що утворюються. При утворенні твердих розчинів електроопір сплавів, відповідно до правила Курнакова збільшується. Сплав здобуває максимальне значення електроопору в більшості випадків при концентрації елементів рівній 50 атомарним відсоткам. Тому, у випадках, коли потрібен матеріал з підвищеним електричним опором, варто використовувати сплави із структурою твердих розчинів. При утворенні механічних сумішей, електроопір сплаву росте за законом додавання електроопорів складових фаз. Подібні сплави дозволяють зберегти високу електропровідність компонентів (чистих металів) при більш низькій температури плавлення сплаву – рідко-текучості (евтектичний склад), більш високій твердості і зносостійкості, якщо один з металів, що сплавляються, мав їх. Така різноманітність впливів легуючих елементів дозволяє одержати матеріали, що задовольняють різні вимоги електротехнічної промисловості. Вплив деформації і залишкових напружень на електропровідність чистих металів невеликий і складає близько 2%. У сплавах наклеп викликає значне зміцнення, дуже сильно знижує електропровідність. З хімічно чистих металів практичне застосування як провідникові матеріали знайшли: Сu, Аl, Fе. Їх характеризує висока електропровідність, достатня міцність, пластичність (r (Ом·мм²/м): Аg = 0,016, Сu = 0,017, Аl = 0,028, Fe = 0,098). Для одержання максимальної електропровідності їх застосовують у відпаленому стані (мінімальність дефектів кристалічної будови). Підвищення міцності мідних провідників досягають нагартовкою. Для виробів від яких потрібна міцність вище 40 кгс/мм², використовуються латуні (Л70) і бронзи (БрБ2 з берилієм (2-2,5% Ве)), які забезпечують більшу міцність і зносостійкість, ніж мідь. Алюміній поступається міді в електропровідності і міцності. Алюміній легують Мg (<1%) і Si (<1%), гартують, піддають волочінню і природному старінню. Такі сплави (АД31, АДЗЗ) після гартування (максимальна пластичність) піддають волочінню і природному старінню (s_в = 35 кгс/мм², d = 6%). А1₂О₃ має високий електроопір. Він є напівпровідник. Fе, як провідниковий матеріал застосовують завдяки великій міцності. Звичайно використовують низько-вуглецеві якісні сталі (08, 10, 15), а також сталі звичайної якості (СтЗ...Ст6). Біметалічний провід (сталевий провід, покритий міддю) використовують при змінному струмі підвищеної частоти для зменшення електричних втрат, зв’язаних з феромагнетизмом Fе, і витрат дефіцитної міді. Сплави, які використовують при пайці металів високої провідності – припої, повинні забезпечувати невеликий перехідний опір. Для цих цілей використовують припої на основі Sn, Рb, Zn, Аg (евтектика + низький електроопір). Для низькотемпературної пайки (Т_пл до 400°С) широко застосовують Sn-Рb, Sn-Zn припої. Найкращим є ПОС90 (90Sn+10Zn). При необхідності використовують сплави Ві+Рb, Sn, Сd, Нd. Як тверді припої (Т_пл> 400°С) застосовують сплави системи Сu+Zn, Сu+Р, а також припої, що містять срібло.

Припої ПСр25 і ПСр70 (Аg - 25 70%) мають робочу Т=720 760°С, s_в =28 35 кг/мм². Їх застосовують для пайки міді і її сплавів, срібла, платини, вольфраму, сталі.

3і зниженням Т°С електроопір всіх металів монотонно падає. Однак, є метали (25 елементів) і сплави (більше 1000 сплавів), у яких електроопір при визначеній Т°С, яку називають критичною, різко падає до нуля і при більш низькій температурі - вони стають надпровідниками. З всіх елементів Nb має найвищу критичну Т°С переходу 9,17 К. Практичне використання знайшли надпровідникові сплави на основі Nb.

Мал. 35

Промисловий сплав 65БТ ( 25%Ті, 65%Nb, 10%Zn) має Т_кр=9,7 К і застосовується в соленоїдах, кабелях і магнітах великої потужності. Сплави з підвищеним електроопором поділяють на дві групи: реостатні (Т_роб до 500°С) і для нагрівальних елементів (Т_роб до 1100°С). Підвищений опір забезпечує застосування сплавів із структурою твердих розчинів. Реостатні сплави одержують на Сu основі, у якій розчинені Nі і Мn, це:

манганін - МН Мц-3-12-0,3; =0,43 Ом мм /м

костантан - МН Мц-40-15; =0,48 Ом мм /м

копель - МН Мц-43-0,5. =0,50 Ом мм /м

Сплави для нагрівальних елементів включають сплави на залізній і нікелевій основах (0X23Ю5 - хромаль), (Х20Н80 - ніхром).

При Т°С вище 1200°С використовують сплави на основі W, Мо, Та і силіт (SіС). Основна вимога для контактів - малий перехідний опір. Слабо-навантажені розривні контакти виготовляють із благородних металів: Аu, Аg, Ptі їх сплавів (низький перехідний електроопір і підвищена стійкість проти окислювання). Основний - Аg.

Високо-навантажені розривні контакти виготовляють з W, Мо, їх сплавів і металокерамічних композицій. Нерухомі контакти виготовляють з міді, латуні, цинку.

 

2. До напівпровідникових матеріалів відносяться матеріали з питомим електроопором від 10^-3-10¹⁰ Ом·см. Це 12 елементів (В, Sі, Gе, Sn, Р, Аs, Sb, S, Se, I, С (алмаз), телур), а також багато хімічних з’єднань елементів різних груп таблиці Менделєєва. Найбільш поширені Gе і Sі, які мають кристалічні ґратки алмаза з ковалентним типом міжатомних зв’язків. Провідність обумовлена порушенням ковалентних зв’язків у хімічно чистому напівпровіднику (під впливом тепла, світла, сильного електричного поля, електромагнітного випромінювання) називається власною провідністю. Однак, напівпровідники завжди містять домішки, що змінюють характер і величину провідності.

Електропровідність, зумовлена присутністю домішок у напівпровіднику, називається домішковою. Домішки, що викликають збільшення в напівпровіднику надлишкових електронів, називаються донорними, а домішки, що викликають перевагу діркової провідності називають акцепторними. Домішки елементів V групи Аs, Sb в Ge і P, Аs в Sі викликають перевагу електронної провідності, тому що віддають у валентну зону кристала напівпровідника 4 електрони, а 5 стає носієм електричного струму. Домішки елементів III групи надають перевагу діркової провідності, тому що віддають у валентну зону кристала напівпровідника лише 3 електрони. В кристалі утворюються незаповнені зв’язки - "дірки", що викликає ряд послідовних переміщень сусідніх електронів. У результаті "дірка" переміщається подібно позитивному заряду в напрямку, протилежному руху електронів.

Для Gе акцепторні домішки гелій і Іn, для кремнію - В і Аl. Наявність різного роду дефектів кристалічної ґратки, домішок і теплових коливань атомів викликає розсіювання носіїв, знижуючи їхню рухливість. Усе це зумовлюють неконтрольовані зміни провідності напівпровідника і може бути частково усунуто застосуванням монокристалів, у яких дефекти кристалічної структури значно зменшені. Крім хімічно чистих елементів у напівпровідниковій техніці знаходять застосування проміжні фази елементів різних груп періодичної таблиці: А^ІVВ^IV, А^ІIIВ^V, А^IIВ^VІ.

Основний представник з’єднань типу А^IVВ^IV - карбід кремнію SіС, провідність в якому створюють точкові дефекти структури, часткова невпорядкованість атомів у кристалічних ґратках чи у домішках.

Із з’єднань типу А^ШВ^V застосовуються з’єднання з Sb (ІnSb) і з Аs (GaАs). Із з’єднань типу А^IIВ^VI застосовують сульфіди й оксиди. Вміст домішок у Sі < 10 ^–13 %.

 

3. Раніше ми розглянули дві групи сплавів, що різко відрізняються формою гістерезисної кривої і значеннями основних магнітних характеристик: магнітотверді і магнітом’які. Особливу групу магнітом’яких сплавів складають сплави з високою початковою магнітною проникністю, які повинні інтенсивно намагнічуватися в слабких магнітних полях. Для одержання великих індукцій у слабких магнітних полях, застосовують сплави системи Fе-Nі (пермалой) і системи Fе-Аl-Si (альсифер). Останні не містять дорогий і дефіцитний Nі, мають високу магнітну проникністю m_н=35000 Гс/е, малу коерцитивну силу, великий електроопір і найбільш низькі втрати на гістерезис. Вони крихкі і тверді, але мають гарні ливарні властивості. В електромашинобудуванні від матеріалу часто потрібно немагнітність (m < 1) і механічна міцність. Замість кольорових металів для цієї мети застосовують більш дешеві парамагнітні аустенітні сталі леговані Мn, Сr, Аl, Ni, які містять близько 0,4% С [(45Г9Н9ХЗ, 45Г17Ю3) (сталь містить 0,5% Nі)]. Сталь повинна мати стійкий аустеніт (М_к нижче 0°С), щоб деформація при кімнатній температурі не зумовлювала утворення мартенситу.

Ферити застосовують для роботи при високих і надвисоких частотах, де використання металевих феромагнетиків неможливе через великі втрати електромагнітної енергії. Ферити отримуються спіканням порошків, що складаються із оксидів заліза і двовалентних металів (ZnO, NіО, МnО й інших). Специфічними властивостями феритів у порівнянні зі звичайними феромагнетиками є високий електроопір 10³ - 10⁷Ом см, (що приводить до малих втрат при високих частотах) і відносно невисока намагніченість насичення»100 20000 Гc. У надвисокочастотній техніці використовують ферити МgO-МnO-Fе₂О₃, що мають дуже високий електричний опір 10⁸-10⁹ Ом см. Недоліками феритів у порівнянні з металевими феромагнетиками є низька температурна стабільність (точка Кюрі нижче 200°С), низька індукція насичення (приблизно 4000 Гс), що затрудняє використання їх для потужних низькочастотних трансформаторів, і висока твердість і крихкість (можливе тільки шліфування).

 

НЕМЕТАЛІЧНІ МАТЕРІАЛИ.

План

Загальні поняття.

Класифікація полімерів.