Классификация материалов, используемых в электро- и радиотехнике

Материалы, используемые для изготовления любого по назначению и степени сложности электрооборудования, можно разделить на две большие группы: электротехнические и конструкционные.

Электротехнические материалы (ЭТМ) применяют для производства элементов (деталей), используемых для сборки электронных схем и обеспечивающих прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, модуляцию. Элементами, выполняющими эти операции, являются: провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, катушки индуктивности, магниты, трансформаторы, генераторы, диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы, электронные лампы, электромеханические преобразователи, вариконды, лазеры, запоминающие устройства. Данные элементы могут быть изготовлены только из ЭТМ определенного класса, имеющего вполне определенные физико-химические свойства – электрофизические, механические, химические. От присущих данному материалу свойств будут зависеть качество, надежность и безопасность работы данной детали и, следовательно, электроустановки в целом.

Конструкционные материалы (КМ) используют для изготовления несущих конструкций и вспомогательных деталей и узлов, например, стальных рельсов, опор, консолей контактной сети электрифицированных железных дорог, которые несут не только механические нагрузки, но и электрические; корпусов для электрооборудования, предохраняющих от механических нагрузок; шасси, на которых монтируется электросхема; шкал, органов управления.

При рассмотрении электрических схем можно увидеть, что они состоят из элементов, изготовленных из четырех основных классов электротехнических материалов: диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10^–8–10^–5, 10^–6–10⁸, 10⁷ 10¹⁷ Ом·м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0–0,05; 0,05–3 и более 3 эВ. В магнитном же поле матераиалы разделяют на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся ферро-и ферримагнетики, а ко вторым – диа-, пара- и антиферромагнетики.

Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют:

– для создания электрической изоляции токопроводящих частей – они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными;

– в электрических конденсаторах – служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы.

Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого сопротивления, контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Сu, Al, Fe, Ag, Аu, Pt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической (Т_кр) сопротивление электрическому току становится равным нулю.

Криопроводники – это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота – минус 195,6°С).

Проводниковыми материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы.

Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Сu, Ag, Аu, Pt) и сплавы на их основе, с другой – тугоплавкие металлы (W, Та, Мо) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов.

К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения (до 1,5·10⁶) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Fe, Co, Ni и их сплавы.

Конструкционные материалы – одна из самых многочисленных групп. В нее входят материалы металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, которые, в свою очередь, содержат десятки (и даже сотни) различных по составу, свойствам и назначению КМ. Наиболее широко используемыми в технике КМ являются такие металлические сплавы, как углеродистые стали, легированные стали и чугуны.

Строение материалов

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Особым видом существования вещества является плазменное состояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000°С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатомные (Не, Ne, Ar, Кr, Хе, Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (N₂, О₂, Н₂, СО₂, Н₂О, СН₄, С₂Н₆). Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. Под действием внешних энергетических воздействий очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярны, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок – некоторая закономерность в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости.

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, в беспорядке, образуя аморфное тело.

В аморфных телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность физических свойств. Строение твердых тел, находящихся в аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость.

В кристаллическом теле наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения частиц, т.е. частицы размещаются в пространстве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристалл. В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повторяющимся элементом решетки является элементарная (кристаллографическая) ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояние между двумя соседними узлами – периодом или постоянной решетки (рис. 1.1, а).

Каждое вещество имеет кристаллы определенной формы, которая отражает их внутреннее строение. Форма кристаллов определяется величиной периодов а, b, с и осевых углов α, β, γ (см. рис. 1.1, а). Геометрически возможны лишь четырнадцать различных пространственных решеток, образующих семь кристаллографических систем (сингоний), приведенных на рис. 1.1, б и в табл. 1.1.

Рис. 1.1. Схематическое строение кристаллической решетки (а), семи кристаллографических систем, соответствующих табл. 1.1(б), поликристаллического тела (в)

В зависимости от того, какие частицы (атомы, ионы или молекулы) находятся в узлах решетки, различают следующие основные типы кристаллических структур: атомные, металлические, ионные и молекулярные. Характерная особенность кристаллических тел – анизотропия их свойств, которая значительно проявляется у монокристаллов и слабо – у текстурированных материалов.

Таблица 1.1

Кристаллографические системы и пространственные решетки

Кристаллографическая система	Пространственная решетка (см. рис. 1.1, б)	Соотношения между периодами и осевыми углами решетки
Триклинная	I – простая	a ≠ b ≠ c;α≠β≠γ≠90°
Моноклинная	II – простая III – азоцентрированная	a ≠ b ≠ c;α=γ≠90˚;β≠90°
Ромбическая	IV – простая V –базоцентрированная VI –объемноцентрированная VII – гранецентрированная	a ≠ b ≠ c;α=β=γ=90°
Гексагональная	VIII – простая	a = b ≠ c;α= β=90°;γ=120°
Ромбоэдрическая (или тригональная)	IX - ромбоэдрическая	a = b = c;α=β=γ≠90°
Тетрагональная	X - простая XI - объемноцентрированная	a = b ≠ c;α=β=γ=90°
Кубическая	XII – простая XIII – объемноцентрированная XIV – гранецентрированная	a = b = c;α=β=γ=90˚

Монокристалл – это огромное число одинаково ориентированных элементарных ячеек, т.е. это большой одиночный кристалл. В природе некоторые минералы встречаются в виде монокристаллов. Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации (рис. 1.1, в), и поэтому проявляют изотропность физических свойств. При кристаллизации кристаллы сталкиваются друг с другом и теряют правильную геометрическую форму. Такие кристаллы называют кристаллическими зернами, просто зернами или кристаллитами. Они малы и в обычных металлах, их можно увидеть только в микроскоп.

Текстурирование – это некоторая упорядоченность в ориентации кристаллических зерен, достигаемая специальной обработкой (например, прокаткой) поликристаллических материалов.

Некоторые вещества находятся в аморфно-кристаллическом состоянии, т.е. в них сосуществуют две фазы: аморфная и кристаллическая. Такое строение имеют многие полимеры и ситаллы (стекла специального состава).