Роль отечественных ученых в становлении науки о материале и материаловедении.

ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА «МАТЕРИАЛЫ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

В связи с развитием технического прогресса создаются электронные средства, предназначенные для работы в различных условиях: глубокого вакуума, жестких агрессивных сред, при повышенном давлении, повышенной влажности и т.д.

Успешная работа электронных средств в этих условиях прежде всего зависит от правильности выбора материала, от качественного технологического процесса обработки материала. Часто на практике выбор научно не обоснованных материалов приводит к отказу работы электронных средств, быстрому их износу.

Поэтому цель курса в том, чтобы познакомить будущих инженеров с основными материалами, используемых при изготовлении электронных средств, и таким образом подготовить базу для последующих курсов, т.к. без знания материала невозможно освоить последующие курсы.

Основные задачи: изучить материалы и технологические процессы их обработки.

В данном курсе на 1 этапе мы познакомимся с основными теоретическими положениями, связанными с изучением материалов, обеспечения их качества. На 2 этапе рассмотрим конкретные материалы. На 3 этапе рассмотрим основные теоретические положения технических процессов обработки материалов.

 

РОЛЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В СТАНОВЛЕНИИ НАУКИ О МАТЕРИАЛЕ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ.

В становлении и развитии науки о материале и материаловедении, прежде всего сыграли важную роль наши ученые:

Аносов(1799-1851) впервые установил взаимосвязь структурного строения материалов с их свойствами.

Д. К. Чернов (1839-1921) впервые открыл и изучил фазовое превращение материалов (превращение из одного состояния в другое).

Н. С. Курнаков впервые разработал методы физико-химического анализа материалов.

Сейчас вопросу создания новых материалов уделяется большое внимание. В области материалов работают: академик Н.А. Бруевич, Н.А. Бракачев, А.Н. Гаврилов, Н.В. Ушакова, Корсаков и т.д.

 

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ.

1. Классификация материалов.

2. Качество материалов электронных средств:

a. химическая чистота материалов;

b. атомно-молекулярное строение материалов.

 

1. Классификация материалов.

В настоящее время для изготовления электронных средств используются самые разнообразные материалы. Из этих материалов изготавливаются корпуса, платы, интегральные схемы и т.д.

Условно все эти материалы можно классифицировать на группы:

1. Конструкционные материалы. Основное требование – обеспечение прочности конструкции, характеристик пластичности, твердости. Это стали и чугуны.

2. Инструментальные стали и сплавы. Основное требование – наряду с прочностью требуется износостойкость и температура-стойкость. Из них изготавливаются технологические оснастки, режущие инструменты.

3. Материалы с заданными физико-механическими свойствами (радиоматериалы). Требования: обеспечение различных физических свойств (электропроводности, магнитных свойств). Из этих материалов изготавливаются катушки индуктивности, элементы электрических схем, изделия оптоволоконной техники.

4. Неметаллические материалы (пластмассы, бумага, слюда).

Выбор материала определяется функциональным назначением электронных средств, которые проектируются. Но все многообразие свойств материалов определяется химическим составом материала, чистотой химического состава и атомно - молекулярным строением.

2. Качество материалов электронных средств:

а. химическая чистота материалов;

В значительной степени качество материалов зависит от его химического состава и чистоты: чем химически чище материал, тем более качественное изделие.

Все изделия состоят из основного материала и примесных элементов. Предъявляются очень жесткие требования к чистоте материала. Поэтому на предприятии после поставки материала вводится входной контроль его качества.

Под чистотой материала понимается такое состояние материала, когда его свойства группа свойств определяются основным элементом материала, а роль и количество примесных элементов незначительна.

Изменение требований к чистоте материала можно определить на примере кремния:

Требования к Si:

 

1950-60-е гг.	1960-70-е гг.	1980-1992
ДЭ	ИС	СБИС
10^-4 10^-5 %	10^-8 10^-9 %	10^-11%

На практике для устройства чистота определяется не в процентах, а количеством девяток, стоящих после запятой:

Si – 10^-4 % или Si → 99,9999

 

	отечественные	зарубежные
элемент	чистота	чистота
Sn	99,9995	99,9999
Pb	99,999	99,9999
Zn	99,997	99,9999
Al	99,999	99,99999
Ar	99,999	99,99999
Cu	99,993	99,99999
Ag	99,99	99,99999
Au	99,99	99,9999

 

По чистоте все материалы электронных средств классифицируются на 3 группы: А (обычная чистота), Б (повышенная чистота), С (ультрачистые вещества):

 

маркировка	состав вещества
группа, подгруппа	цвет этикетки на таре	основной материал, %	примеси, %
А1	коричневый	9,9	0,1
А2	серый	9,99	10^-2
В3	синий	9,999	10^-3
В4	голубой	9,9999	10^-4
В5	темно-зеленый	9,99999	10^-5
В6	светло-зеленый	9,999999	10^-6
С7	красный	9,9999999	10^-7
С8	розовый	9,99999999	10^-8
С9	оранжевый	9,999999999	10^-9
С10	светло-желтый	9,9999999999	10^-10

ВИДЫ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.

В значительной степени качество кристаллических материалов зависит от расположения атомов и молекул в кристалле. Приведенные на рисунке модели являются идеальными.

Точечные дефекты – когда в узлах кристаллической решетки либо отсутствует атом данного вещества, либо атом основного материала замещен атомом примесного материала.

Линейные дефекты – когда деформированы ребра связи между атомами.

Плоскостные дефекты – когда деформирована сама кристаллическая решетка.

 

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Существуют металлы, которые при любой скорости охлаждения не могут образовывать МКС материала (например, Al). Для того, чтобы получить МКС в расплавы вводят искусственные центры кристаллизации. Для Al вводят Si, такие материалы называют модифицированными материалами. Например, силумин(Al=87%, Si=13%). δ_вр=13 кгс/мм², δ=1-3%. Если ввести Na 0.001-0.1%, то δ_вр=17 кгс/мм², δ=3-8%.Для нужд. промышленности необходимо получить монокристалл.

Для изготовления схемных элементов РЭС необходимо получить монокристаллический материал. Он применяется для создания интегральных схем.

В основном монокристаллы Si и Ge получают по методу русского учёного Чохральского. Монокристаллы получают в специальных тиглях (см. рис.7):

1 – тигель (огнеупорный) 2 – расплавленный кремний (Si). При этом берётся кремний необходимой проводимости. 3 – затравка (кристалл либо кремния, либо германия той или иной проводимости)

 

Рис. 7

Затравка опускается в расплавленный кремний и затем очень медленно (1÷2 мм/сутки) начинает подниматься вверх, с очень медленной скоростью идёт охлаждение. Получается кристалл кремния в виде слитка (см. рис.9):

Рис. 8

 

Затем этот слиток нарезается на пластины толщиной около 1 мм. Эти пластины строгируются, т.е. наносятся риски, образующие площадки около .(см. рис.8)

СТАЛИ И СПЛАВЫ.

Основные вопросы:

1. Классификация сталей.
2. Компоненты и фазы в системе железо-углерод (Fe-C).
3. Влияние углерода и примесей на свойства сталей.

 

 

Классификация сталей.

 

В приборостроении РЭС(ЭВС) стали и сплавы находят широкое применение.

Стали имеют следующую классификацию:

1 группа: углеродистые стали;

2 группа: легированные стали (конструкционные стали);

3 группа: инструментальные стали;

4 группа: стали с особыми физико-механическими свойствами.

 

Рассмотрим первую группу – углеродистые стали (УС).

К УС относят стали с содержанием углерода до 0,5÷0,6 %. В некоторых случаях к УС относят стали с процентным содержанием углерода до 0,8÷0,85% (ГОСТ 1050-74).

Сталь – это сплав железа с углеродом. Кроме углерода в стали присутствуют различные примеси (сера, фосфор, азот, кислород и тд.).

 

Удельная плотность Fe:

d = 7,8

Fe можно получить с частотой 99,9999%, но для технического использования применяют железо с частотой 99,8÷99,9%.

Температура плавления железа 1539 .

Железо обладает аллотропичностью:

- получаем кристаллическую решётку типа объемно-центрированный куб;

- кристаллическая решётка типа гранецентрированный куб;

- кристаллическая решётка типа объёмно-центрированный куб.

В зависимости от температуры получаем различную растворимость углерода в железе, а следовательно получаем и различные свойства.

Температура является точкой Кюри, т.е. до этой температуры железо ферромагнитно, а выше этой температуры железо становится парамагнитным.

Фазы – это сплавы, состояния стали.

а) Жидкое состояние (расплав);

б) Сплавы типа твёрдые растворы (замещения, внедрения). Эти сплавы носят названия Аустенит и Феррит.

Феррит – это твёрдый раствор углерода в железе.

- низкотемпературный феррит;

- высокотемпературный феррит.

Аустенит – это твёрдый раствор углерода в Feγ, при этом содержание углерода в железе . Аустенит – это очень устойчивая фаза и распадается на цементит и кореллит.

в) Сплавы типа химическое соединение.

Кроме этих состояний существует механическая смесь феррита и цементита – перлит.

.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали не обладают достаточно хорошими физико-механическими свойствами. С целью увеличения прочности, пластичности эрозионной стойкости, износостойкости в процессе выплавки в них вводятся другие элементы: хром, никель, кремний, марганец. Кроме этих элементов и вместе с ними вводят вольфрам, молибден, титан, бор и др.

Эти вводимые элементы называются легирующими, а сами стали – легированными.

Для маркировки легированных сталей вводятся специальные обозначения легирующих элементов:

Сr – X Si – C V – Ф B – P

Ni – H Ti – T Co – K Cu – D

Mn – Г W – B P – П Al – Ю

Пример: 12ХН3А – 0,12% содержания углерода, легирован однопроцентным хромом (Х), содержит 3% никеля (Н3), сталь улучшенная (А).

Некоторые легированные стали имеют оригинальную маркировку: ШХ15, сталь Е320. Р18, Р9 – инструментальные стали, предназначены для изготовления сверл, резцов, металлорежущих инструментов. Р18 – жаростойкая сталь.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Из них изготавливаются металлорежущие инструменты, рабочие части штампов, рабочие части пресс-форм, рабочие части измерительных приборов.

Требования к инструментальным сталям для металлорежущих инструментов:

1. обеспечение высокой износостойкости;

2. жаростойкость;

3. высокая прочность.

Для изготовления металлорежущих инструментов используются:

1. У8 (У8А) – С = 0,8%; У10 (10А), ЛЭ = 3-4%; У11 (У11А), С = 1,1%;

2. полутеплостойкие – 11Х, 13Х, 9ХС, ХВСГ, С = 0,6-0,7%, Сr = 4 – 68%, HRC < 66 – 65, V = 5 м/мин.;

3. теплостойкие: Р18, P9, t^o = 600^o-620^o, v=30-40 м/мин.

 

марка	химический состав
С, %	W, %	Cr, %	V, %
Р18	0.7-0.8	17-19	4-6	1-1.4
Р9	0.8-0.9	8-10	4-6	2-2.26

Требования при изготовлении измерительного инструмента:

Износостойкость: ХВГ, 18ХА, 15Х, 36Н.

Технологическая оснастка: У11, У12, 11УФ, ХВСГ, Х12Ф1 (не обладает теплостойкостью).

Для увеличения производительности механической обработки, увеличения теплостойкости, прочности, износостойкости для изготовления металлорежущих инструментов, штампов применяются твердые сплавы и материалы. Они получены на основе металлических порошков W, Ti, Co методом порошковой металлургии.

Их подразделяют на 2 группы: ВК и ТК.

марка	W, %	Co, %	Ti, %
ВК2
ВК6
ВК15
Т5К10
Т15К6
Т60К5

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

 

К цветным металлам относят: алюминий (Al), титан (Ti), медь (Cu), магний (Mg) и их сплавы.

 

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

 

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в решётке типа гранецентрированный куб (ГЦК) с периодом а=4,041 .

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

;

;

.

Постоянные примеси алюминия: Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса:

1. Особой чистоты А999 (≤ 0,001 % примесей);

2. Высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005 – 0,05 % примесей);

3. Технической чистоты А85, А8 и др. (0,15 – 1 % примесей).

Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АД0, АД1.

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация прочность и твёрдость алюминия.

;

; НВ=25.

 

Сплавы:

Al-Cu; Al-Si; Al-Mg; Al-Cu-Mg-Si; Al-Mg-Si; Al-Zn-Mg-Cu.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы классифицируются на:

- деформируемые алюминиевые сплавы;

- литейные (литейные формы).

 

I. Деформируемые сплавы обрабатываются методами резки, штамповки, механической обработки.

 

Основные алюминиевые сплавы

Сплавы	Химический состав	Механические свойствав
Осн-ые эл.	Si, %	Др. эл. %
Д1	Cu,Mg,Mn	-
Д16	-	-
АВ	-	0,5÷1,2
В95	-	-
В96	-	-
АК-6	-	0,7÷1,2
АК-8	-	0,6÷1,2
АК4-1	-	0,35	Ti=0.02; Ni=1; Fe=1
Д20	-	-	Ti=0,1; Zn=0,2

Д – дюралюминий (дуралюминий);

АВ – авиаль (Обрабатывается методами пластического деформирования);

В95, В96 – наиболее прочные, лёгкие и нержавеющие сплавы, используются в авиационной промышленности;

АК-6, АК-8 – ковкие алюминиевые сплавы.

За счёт ковки уплотняется структура сплава и приобретаются очень высокие характеристики. (Использовались в элементах памяти ЭВМ – магнитные барабаны.)

АК4-1, Д20 – жаропрочные сплавы. Жаропрочность достигается за счёт добавления титана.

 

II. Алюминиевые литейные сплавы (обрабатываются методами литья).

Марки: АЛ2, АЛ4, АЛ8, АЛ9….АЛ27.

АЛ8: Mg=9,5-11,5 %; Ti≈0.07 %

; .

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов.

МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ

Медь – металл красновато-розового цвета, имеющий кристаллическую ГЦК решётку с периодом а=3,6074 , без полиморфных превращений. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность.

Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы и ленту, из неё получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Примеси кислорода, водорода, свинца и висмута ухудшают свариваемость меди. Применение специальных керамических флюсов улучшает качество сварного шва, приближая его физические и механические свойства к характеристикам основного металла. На рис. показана зависимость удельной электропроводности меди от процентного содержания примесей в ней.

; ; НВ=35.

; ;

; ;

 

Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электрической проводимостью, пластичностью и коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, едких щелочах, органических кислотах и других агрессивных средах. По ГОСТ

859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди:

М00 (99,99 % Cu), М0 (99,7 % Cu), М1 (99,9

% Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu).

Основные примеси: Bi, Sb, As, Sn, Pb, S.

Рис.27

Основные сплавы меди:

1. Латуни;

2. Бронзы.

Латуни

Латуни – это сплавы меди с цинком. Существует два вида латуней:

- деформируемые латуни (обрабатываются методами вытяжки, гибки и тд.);

- литейные латуни (обрабатывают методами литья).

В производстве ЭВС в основном используют деформируемые латуни. Они имеют боле низкую стоимость, чем медь.

В промышленности в основном используют следующие марки латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л63, Л60.

 

Цинк очень сильно влияет на характеристики сплава, поэтому содержание цинка более 40 % не рекомендуется. На рис. 28 показана зависимость механических характеристик латуниевых сплавов от процентного содержания Zn.

 

В промышленности и в быту используют:

Zn =10 % - томпак;

Zn=10 ÷20 % - полутомпак. Рис. 28

Применение:

Широко применяются для изготовления контактов, контактных групп, деталей приборов, держателей и тд.

В отдельных случаях для повышения характеристик латуни легируют такими легирующими элементами, как:

Sn, Pb, Mn, Si, Fe и тд., тогда маркировка выполняется следующим образом:

ЛАЖ 60-1-1 – латунь алюминиевожелезистая (Al-1 %, Fe-1 %, Cu-60 %, Zn остальное);

ЛЖМЦ 59-1-1

 

Литейные латуни маркируются следующим образом:

ЛМЦЖ 52-4-1; ЛКС 80-3-3 – имеют низкую прочность и пластичность.

 

Бронзы

 

Бронзы – это сплавы Cu c Sn, Be, Pb, P, Zn и другими элементами.

 

Применение:

Из различного вида бронз изготавливают чувствительные элементы, пружины, мембраны, также изготавливают подшипники качения и вообще имеют более широкое применение в промышленности, чем латуни.

 

Маркировка:

Бр ОЦС 6-3-2 – бронза олово-цинково-свинцовистая.

 

Бр – бронза;

ОЦС – легирующие элементы (Sn-6 %, Zn-3%, Pb-2 %, Cu- всё остальное)

 

Классификация:

Классификация по первому легирующему элементу.

 

1. Оловянистые бронзы

Бр ОЦ 10-6 ; - литейная бронза;

Бр ОФ 6-015 ; - деформируемые бронзы.

 

2. Алюминиевые бронзы

Бр АЖ 9-4 – литейная бронза;

Бр АЖН 10-4-4 ;и НВ=200-240

 

3. Кремнистые бронзы

Бр КЦ 4-3

 

4. Маргонцевистая бронза

Бр Mn 5

 

5. Бериливые бронзы

Бр Б-2 ; ; НВ=300-350

 

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Mg имеет кристаллическую решётку типа гранецентрированная призма с периодом а=3,2 и с = 5,2002 .

; ;

; .

;

В настоящее время промышленностью выпускаются следующие марки магния:

МГ 90 (99,9 % Mg), МГ 95 (99,95 % Mg), МГ 96 (99,99 % Mg).

 

Основными примесями являются: Fe, Si, Ni, Na, Al, Mn, Cu.

 

В чистом виде магний не применяется, так как у него низкая температура самовозгорания. При добавки Ni резко снижается температура его самовозгорания, при чём содержание никеля должно быть менее 0,005 %.

 

Сплавы магния:

Al=10 %; Zn=2 %; Mn=0.1÷0.5 %; Be=0.03÷%.

Бывают деформируемые и литейные сплавы магния.

 

Применение:

Из-за низкой плотности магний применяют для изготовления корпусов оптических приборов – это литейный, а деформируемые сплавы магния применяют для изготовления деталей различных радиоэлектронных приборов.

Марки:

Тип сплава	Марка	Механические свойства	Применение
		НВ
Литейные	МЛ 2				Детали простой формы
МЛ 3
МЛ 4				Детали сложной формы (оптические приборы)
МЛ 5
МЛ 6
Деф-ые	МА 1	19-22	5-10		Детали большой нагруженности (панели приборов, высоконагруженные детали)
МА 2	27-33	8-20
МА 14	32-34	6-14

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Ti имеет кристаллическую решётку типа гексагональная призма.

а=2,95 ; с = 4,083 .

Титан обладает аллотропией:

До имеем α-титан с кристаллической решёткой типа гексагональная призма. Выше титан имеет кристаллическую решётку типа гранецентрированный куб с периодом а=3,306 .

±5 %; ;

; .

 

Маркировка (технический титан):

ВТ 1-00 (99,53 % Ti); ВТ 1-0 (99,48 % Ti).

 

Основные примеси: Ni, C, O.

 

Технологические свойства:

Ti на своей поверхности имеет плёнку окислов толщиной S=20÷50 , которая предотвращает его от коррозии. Титан обрабатывается всеми типами обработок.

 

Сплавы титана:

(гораздо прочнее, чем чистый титан)

 

Марка	Химический состав	Механические свойства
V, %	Al, %	Cr, %			Свойства
ВТ 3	-	5,0-5,2	2-3			Жаропрочные детали
ВТ 5	-	4-5,5				Детали общего назначения
ВТ 6	3,5-4,5	5-5,6				Детали общего назначения

 

РАДИОМАТЕРИАЛЫ

Диэлектрические материалы

Диэлектрик – это материал, основным свойством которого является поляризоваться в электрическом поле.

Важнейшей характеристикой диэлектриков является их высокое удельное электрическое сопротивление колеблющееся в пределах .

 

Диэлектрики

Пассивные Активные

 

Пассивные диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Их назначение в этом случае – препятствовать прохождению электрического тока путями не желательными для работы данного оборудования.

Активные диэлектрики принимают активное участие в работе электрической схемы и применяются для генерации, модуляции, усиления, т.е. для преобразования электрического сигнала.

 

 

К этим диэлектрикам предъявляются следующие требования:

- обеспечение высокой теплостойкости;

- стойкости к термоударам;

- холодостойкость;

- химическая стойкость;

- радиационная стойкость;

- стойкость к естественному старению;

- стойкость к насекомым и т.д.

 

Основной характеристикой пассивных диэлектриков является значение величины напряжения пробоя . При этом под напряжением пробоя понимается явление образования в диэлектрике проводящего канала под воздействием тока.

ВАХ диэлектрика см. рис. 29

 

 

Рис. 29

Газовые диэлектнрики

Из всех видов газовых диэлектриков наибольшее применение в промышленности получил воздух (используется в радиотехнике – электронно-лучевые трубки, лампы и т.д.).

Состав воздуха:

N – 78,03 %;

O – 20,93 %;

СO2 - 0,03 %;

Нейтральные газы – 1,01 %.

 

Основные свойства воздуха:

d – 1,293 ;

ε – 1,000576 (диэлектрическая проницаемость);

(удельное сопротивление);

Епр = 21 .

 

Нейтральные газы:

Ar, H, Ne, He – характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами. В основном используются в криогенной технике для сжижения газов. Так же применяются для создания сверхпроводимости в металлах. ().

Жидкие диэлектрики

а) Трансформаторные масла;

б) Конденсаторные масла;

в) Кабельное масло.

Рассмотрим трансформаторное масло:

Его заливают в трансформаторы, пропитывают конденсаторную бумагу, заливают в ядерные реакторы, смазывают контакты для искрагашения.

 

Свойства:

;

Твосп-я=135 ; ε = 2,2; ρ = ; .

Трансформаторное масло может окисляться, поэтому в него добавляют ингибиторы (100 г на 1 тонну масла).

Синтетические жидкости

(Савол и савтол)

 

Применяются для заливки конденсаторов, кабелей и т.д.

 

Характеристика	Марка масла
ГС -77	С - 75	С - 43
	1,84	1,81	1,94
ε	1,88	1,88	1,9
Епр,			22,4

 

Для высококачественных конденсаторов в отдельных случаях используют растительные масла: касторовое, подсолнечное, льняное.

ТВЁРДЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К твёрдым диэлектрикам относят:

- пластмассы;

- каучуки и резины;

- эластомеры.

 

Пластмассы

Пластмассы в настоящее время находят самое широкое применение как в вычислительной технике, так и в производстве РЭС. Пластмассы используются для изготовления корпусов, держателей.

Пластмассы – это материалы преимущественно искусственного происхождения, изготовленные на основе высокомолекулярных органических смол.

Пластмассы обладают рядом достоинств: имеют низкую себестоимость, имеют хорошие изоляционные свойства (это хороший диэлектрический материал), имеют достаточную прочность (некоторые виды пластмасс не уступают по прочности стальным конструкциям), имеют низкую плотность, обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичны в обработке, имеют эстетический вид.

Пластмассы обладают также рядом недостатков: низкая рабочая температура (до 300^о), это источник загрязнения окружающей среды (пластмассы не поддаются коррозии).

Классификация пластмасс:

1. термореактивные пластмассы;

2. термопластичные массы.

Термореактивные пластмассы. В их состав входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители, связывающие вещества.

Наполнители предназначены для придания пластмассам необходимых физико-механических свойств. Для этого используются волокнистые материалы, слоистые материалы, порошкообразные наполнители.

Порошкообразные материалы: тальк, кварцевый песок, асбестовая крошка, но в основном используются мука хвойных пород деревьев. Маркировка: К18-2,К15-2.

В качестве волокнистых наполнителей используются стекловолокна, асбестовые волокна (тогда эти пластмассы называются асбоволокнит, стекловолокнит).

В основном для изготовления изделий из пластмассы используют волокнистые наполнители: бумага (гетинакс, применяется для изготовления оснований печатных плат для неответственных узлов), хлопчатобумажная ткань, шелковые ткани (текстолит – конструкционный материал), стеклоткань (стеклотекстолит – основной материал для изготовления печатных плат).

Гетинакс: d = 1.3 – 1.45 г/см³, рабочая температура Т_раб = 150^оС, σ = 8 – 10 кгс/мм², E_пр = 11 – 20 кВ/мм. Это материал является одним из лучших диэлектриков.

Стеклотекстолит: σ = 1,6 – 1,9 г/см², Т_раб = 200 – 300^оС, Е_пр = 11 – 20 кВ/мм, прочность: 25-60 кгс/мм². Этот материал хорошо работает на сверх высоких частотах.

При формировании детали из термореактивных пластмасс, пластмассы не обладают свойством обратимости, т.е. их нельзя повторно перерабатывать.

В состав пластмасс входят пластификаторы и отвердители. Это технические добавки. Пластификаторы добавляются в рабочие полости пресс-форм для лучшей растекаемости. Отвердители добавляются с целью увеличения скорости полимеризации, т.е. скорости отвердевания детали. Красители добавляются для придания хорошего внешнего вида. В качестве связующих веществ используются фенол-формальдегидные смолы.

Термопластичные массы по своему составу аналогичны термореактивным пластмассам, но в них нет наполнителей.

Термопласты:

Органическое стекло – прозрачный материал.

Винипласт – чисто конструкционный материал, обладает высокой коррозионной стойкостью, широко используется в химической промышленности для изготовления резервуаров.

Полиамиды – капрон и нейлон, применяется для изоляции, Е_пр = 22-25 кВ/мм, Т_раб = -20 – 100^оС.

Полиэтилен – Е_пр = 45 – 60 кВ/мм, у него самое высокое напряжение пробоя, поэтому он используется как изоляционный материал.

Полистирол – это конструкционный материал, применяется для изготовления корпусов РЭС, имеет достаточную прочность.

Фторопласт-4 (тефлон) – имеет очень низкий коэффициент трения, Т_раб = -260 – 250^оС.

Полиуретан – используется как изоляционный материал, обладает высокой износостойкостью.

Термопласты обладают свойством обратимости, все эти пластмассы можно повторно перерабатывать. К ним относят каучуки и резины. Применяются для проводов и кабелей. Для этих целей используются натуральные и синтетические каучуки: НК, СКБ, СКС.

ε = 2,5, ρ = 10^{14 – 15} Ом∙см, Е_пр = 20 – 45 кВ/мм, НС = +55^о, МС = -45 – 75^о.

Для изоляции кабелей используются кремние-органические эластомеры, которые отличаются лучшей морозостойкостью, нагревостойкостью. Они обладают лучшими диэлектрическими свойствами и эластичностью. Такие эластомеры находят широкое применение для заливки различных электрических блоков.

АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

 

Керамика.

В основном для изготовления современных электрических устройств используется керамика.

Ее применение в промышленности объясняется рядом свойств:

1) широкое распространение в природе;

2) большой диапазон физических и механических свойств;

3) простота изготовления изделий из керамики.

 

Достоинства керамики:

1) Керамика имеет высокую нагревостойкость и неизменность свойств при изменении температуры, влажности, давления.

2) Керамика не имеет свойства старения и остаточного напряжения после изготовления.

3) Имеет малый коэффициент линейного расширения.

4) Обладает низкими динамическими потерями, особенно на высоких частотах.

5) Большая стабильность к излучению высоких электроэнергий.

6) Керамика не поддаётся плесени и насекомым.

7) Керамика позволяет вжигать в себя контакты или иные детали для получения схемных элементов.

Недостатки:

1) Высокая хрупкость.

2) Высокая удельная плотность ().

 

По своей структуре керамика состоит из двух фаз:

а) Кристаллическая структура;

б) Аморфная структура.

В качестве кристаллов используются: кремний, тальк, мрамор, окислы циркония, бария.

В качестве аморфной структуры используются глинозёмы.

 

Керамика классифицируется на:

- конденсаторную (изготовление конденсаторов);

- установочную (изготовление различных корпусов реостатов, регуляторов напряжения и т.д.).

- пористую (является температуростойкой и применяется для изготовления мощных генераторных ламп).

 

Конденсаторная керамика.

Основной её характеристикой является диэлектрическая проницаемость , чем она больше, тем больше ёмкость конденса