close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3035 ispulovm. a. seythaiova a. k. ospanovaj. d materialovedenie v priborostroenii

код для вставкиСкачать
681
М34
К ' ГВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ПАВЛОДАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С. ТОРАИГЫРОГО
«Г 1
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Павлодар
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Факультет физики, математики и информационных
технологий
Кафедра физики и приборостроения
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В
ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Павлодар
Кереку
2014
УДК 681.2:62^.221075.8)
БВК 30.3я73
М34
V ,
^
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
факультета физики, математики и информационных технологий
Павлодарского государственного университета
им. С. Торайгы рова
Рецензенты:
М. Ш. Алинова - доктор педагогических наук, профессор
11авлодарского государственного педагогического института;
Т. С. Мах метав - кандидат физика-математических наук, доцент
Евразийского инновационного университета;
М. К. Жукенов - кандидат физика-математических наук
Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова.
Составители: М. А. Испулов, А. К. Сейтхаиова, Ж. Д. Оспанова
М34 Материаловедение в приборостроении : учебное пособие / сост. :
I I. А. Испулов, А. К. Сейтханова, Ж. Д. Оспанова. —Павлодар :
Кереку, 2014. - 92 с.
г
*
1
В учебном пособии приводятся задания для подготовки к
лекциям, практическим занятиям и рекомендации по их выполнению
по дисциплине "Материаловедение в приборостроение” для студентов
специальности 5В071600 «Приборостроение», приведены основные
формулы и примеры решения задач по темам и вопросы для
самостоятельной работы студента.
Введение
Повышение параметров и качества продукции электронной и
радиотехнической промышленности невозможно без применения
высококачественных исходных материалов. Электротехника и
особенно электроника и микроэлектроника предъявляют наиболее
высокие требования к используемым материалам. Для правильного
выбора материала, способов и методов его обработки необходимо
знать строение материала, физическую природу его свойств, а также
влияние на эти свойства различных внешних воздействий и условий
эксплуатации.
Материалы, применяемые при производстве изделий электронной
техники, делятся по свойствам и назначению ка следующие основные
группы проводниковые (низкоомные - для проводников, высоком ные - для резисторов), полупроводниковые (для создания диодов,
транзисторов, выпрямителей и т.п.), диэлектрические (используются в
качестве изоляторов* а также для изготовления конденсаторов,
пьезоэлектрических преобразователей, резисторов и т.п.), магнитные
<применяются в качестве магнитопроводов, трансформаторов,
дросселей, магнитных головок и носителей записи, ЗУ в
вычислительных машинах). Качество материалов и изделий из них
необходима контролировать. Причем контроль осуществляется на
всех этапах изготовления изделия, так как только при этих условиях
можно обеспечить высокий процент выхода качественных изделий и
надежность их в работе.
Материаловедение междисциплинарный раздел науки,
изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в
жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К
изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные,
термические, химические, магнитные, оптические свойства этих
веществ. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности,
особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо
детально знать характеристику, свойства и строение материалов.
Решить эти задачи и призвана наука —материаловедение.
Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию
принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако
и классические отрасли гакже широко используют знания,
полученные учёными -материаловедами для нововведений, устранения
проблем,
расширения
ассортимента
продукции,
повышения
безопасности
и
понижения
стоимости
производства.
Эти
нововведения были сделаны для процессов литья> проката стали,
3
сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига,
д у т ь я стекла и др. Методы, используемые материаловедением,
металлографический анализ, электронная микроскопия, сканирующая
рентгеноструктурный анализ, механические
свойства, калориметрия, ядерный магнитиыи резонанс, широгр&ож
термография.
|
Темы которые будут рассматриваться з данном учебном пособие:
Тема I. Конструкционные материалы — физическая основа
построения электротехнических, электронных деталей, плат,
соединений и корпусов измерительных приборов и систем.
Естественные и искусственные материалы. Задачи придания новых
свойств материалам в зависимости от функционального назначения.
Классификация
конструкционных
материалов.
Механические
С войства конструкционных материалов - прочность, пластичность,
твердость. Пружинные стали.
Тема 2. Классификация материалов по электрическим и
магнитным свойствам. Энергетические диаграммы проводниковых,
полу проводниковых и диэлектрических материалов.
Тема 3. Проводниковые материалы. Классификация, основные
параметры
проводников,
Криопроводники,
сверхпроводники.
Материалы с высокой проводимостью. Сплавы меди и алюминия.
Тема 4. Полупроводниковые материалы. Классификация
полупроводников. Основные эффекты в полупроводниках Простые
полупроводники.
Тема 5. Диэлектрики. Классификация диэлектриков. Основные
свойства.
Классификация
газообразных,
жидких,
твердых
диэлектриков.
Компоненты
воздушной
атмосферы.
элегаз,
перфторировавные углеводороды.
Тема 6, Магнитные материалы. Параметры магнитных
материалов. Магнитомягкие материалы. Железо, стали, пермаллои,
альсиферы, магнитомягкие ферриты. Магнитотвердые материалы.
Тема 7. Композиционные материалы на неметаллической основе.
Карбоволокниты. Карбоволоккиты с углеродной матрицей.
Тема 8. Композиционные материалы на металлической основе.
Физико-механические свойства композиционных материалов с
металлической матрицей.
Задачами дисциплины «Материаловедение в приборостроении»
являются знакомство с их классификацией в зависимости от процесса
протекания тока в материалах, с зависимостью их параметров от
внешних воздействий и условий окружающей среды, с технологией
получения и обработки конструкционных материалов.
V
1 Конструкционные материалы
При выборе материала для той или иной детали или конструкции
учитывают экономическую целесообразность его применения
(соответствие цены и качества), сохранение конструкционных
критериев (требуемые долговечность, прочность, надежность) и
возможность переработки в изделие (технологические критерии —
обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость и т.п.). С учетом
данных критериев выбирают материал той или иной природы.
Материалы делятся на металлические, неметаллические и
композиционные.
Металлические материалы. К ним относятся все металлы и их
сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся
друг от друга по свойствам:
1) черные металлы. Это железо и сплавы на его основе - стали и
чугуны;
2) цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы,
такие как медь, алюминий, титан, никель и др.;
3) благородные металлы. К ним относятся золото, серебро,
платина;
4) редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.
Неметаллические материалы. Среди них также можно выделить
несколько групп:
1) пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных
соединений - полимеров, как правило, с наполнителями;
2) керамические материалы (керамика). Основой этих мате­
риалов являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов,
боридов, нитридов и оксидов. Например: Т\С, 5еС, Сг7СЗ, СгВ, №ЗВ,
Т1В2, ВЫ, Т1Ы, А1203, 5Ю2, 2Ю2 и др.; 3. Металлокерам ические
материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является
керамика, в которую добавляется некоторое количество металла,
являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как
пластичность и вязкость; 4. Стекло. Оно представляет собой систему,
состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида
кремния 5Ю2; 5. Резина. Это материалы на основе каучука —
углеродноводородного полимера с добавлением серы и других
элементов; 6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных
растений.
Композиционные
материалы.
Они
представляют собой
композиции, полученные искусственным путем из двух и более
разнородных материалов, сильно отличающихся друг от друга по
5
свойствам. В результате композиция существенно отличается по
свойствам от составляющих компонентов, т.е. получаемый материал
имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов
могут входить как металлические, так и неметаллические
составляющие.
Удельная доля применения в технике этих материалов различна.
Мировой объем производства в год основных материалов следующий.
сталь - 700 млн. т., конструкционного чугуна - 46 млн. т.,
пластических масс - 100 млн. т., конструкционных стекла и керами­
к и -1 8 0 млн. т., алюминий - 12 млн. т., медь - 7 млн. т., никель 0,5
млн т (данные 1998 г.). Как видно, наиболее широко применяются
металлические материалы. Например, в машиностроении их доля
достигает 95%. Однако наибольшие темпы роста производства у
композиционных материалов.
Механические свойства определяют способность металлов
сопротивляться воздействию внешних сил. Они зависят от
химического
состава
металлов,
их
структуры,
способа
технологической обработки и других факторов. Зная механические
свойства, можно судить о поведении металла при обработке и в
процессе работы конкретных механизмов. По характеру действия на
металл различают три вида нагрузок: статические - действующие
постоянно
или
медленно
возрастающие:
динамические
действующие мгновенно, принимающие характер удара: циклические
или знакопеременные, изменяющиеся или по величине, или по
направлению, или одновременно и по величине, и по направлению.
К основным механическим свойствам металлов относят
прочность, твердость, упругость, пластичность, ударную вязкость.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению или
появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.
Большое значение имеет удельная прочность, ее находят отношением
предела прочности к плотности металла. Для стали прочность выше,
чем для алюминия, а удельная прочность ниже. Твердость — это
способность металла сопротивляться поверхностной деформации под
действием более твердого тела. Упругость - способность металла
возвращаться к первоначальной форме после прекращения действия
сил.
Пластичность - свойство металла изменять свои размеры и
форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Ударная
вязкость - способность металла сопротивляться разрушению под
действием динамической нагрузки. Кроме указанных механических
свойств можно назвать усталость (выносливость), ползучесть и др.
6
2 Классификация материалов по электрическим и магнитным
свойствам
Согласно данной теории, в изолированном атоме энергия электронов
может меняться лишь скачками, характеризуясь набором дискретных
состояний (уровней).
Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном,
невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут
находиться после внешних электрических воздействий (возбужденный
атом). Изолированными атомами можно считать различные вещества в
газоооразном состоянии, когда атомы расположены относительно друг
друга на больших расстояниях.
Стремясь прийти к устойчивому состоянию, возбужденный атом
излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни,
при которых энергия атома минимальна. Ори переходе газообразного
вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки
твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни
(как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько
смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким
образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в
твердом теле образуется целая полоса - юна энергетическихуровней.
Зоны энергетических уровней или, так называемые, разрешенные
зоны могут перекрываться между собой, как это наблюдается в металлах.
В диэлектриках и полупроводниках разрешенные зоны разделены
запрещенными интервалами энергий (запрещенными зонами).
Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах
энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично
заполненными и свободными. Причем, в соответствии с принципом Паули,
на одном энергетическом уровне могут находиться не более двух
электронов. Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют
валентной. Она соответствует энергетическим уровням валентных
электронов в изолированном атоме. Ближайшую к ней свободную,
незаполненную электронами зону называют зоной проводимости. Ширина
разрешенных энергетических зон определяется природой атомов,
образующих твердое тело. Количество же уровней в зоне равно числу
атомов, составляющих твердое тело, следовательно, зависит от размеров
тела.
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и
проводников различны.
Для диэлектриков и полупроводников характерно наличие
запрещенной зоны, вследствие чего перевод электронов из валентной зоны
7
в зону проводимое™ возможен лишь за счет внешних воздействий. Если
ширина запрещенной зоны невелика, то для перехода электронов в зону
проводимости требуется сравнительно небольшое внешнее воздействие,
например, за счет усиления теплового движения атомов при повышенных
температурах. Такой материал относится к полупроводникам. Средняя
кинетическая энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической
решетке приблизительно равна (3/2) кТ. При комнатной температуре это
приблизительно 0,04 эВ, т.е. существенно ниже ширины запрещенной
зоны. Однако тепловая энергия неравномерно распределяется между
атомами и взаимодействующими с ними электронами, поэтому всегда
имеется какое-то количество электронов, чья энергия значительно
превышает среднее значение. Такие высокоэнергегичные электроны могут
перейти в зону проводимости.
ос
зз
и
о.
и
X
о
а) диэлектрик, б) полупроводник, в) проводник; 1 - заполненная валентная
зона; 2 - запрещенная зона; 3 - зона свободных энергетических уровней
(зона проводимости)
Рисунок 1 .1 - Энергетические диаграммы материалов
При более широкой запрещенной зоне теплового возбуждения уже
недостаточно для перевода валентных электронов в зону проводимости.
Для проводников валентная зона вплотную прилегает к зоне
проводимости. Ввиду этого в объеме металла образуется так называемый
электронный газ, наличие которого обусловлено переходом от каждого
атома металла в свободное состояние одного-двух электронов. Поэтому, в
металлах наблюдается высокая концентрация свободных электронов, что
объясняет их высокую проводимость.
Электроны, находящиеся в зоне проводимости, нельзя считать
абсолютно свободными, так как они взаимодействуют с полем
кристаллической решетки. Для того чтобы движение электрона в этих
8
условиях можно было математически описывать, как движение абсолютно
свободного, необходимо заменить в соответствующих вычислениях его
реальную массу то на эффективную массу т .
Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная
зона больше 3 эВ, так что электронной электропроводности в обычных
случаях не наблюдается.
Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной
(меньше 3 эВ), которая может быть преодолена за счет внешних
энергетических воздействий.
Проводники —это материалы, у которых заполненная электронами
зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или
даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны,
т.е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни
свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к
проводнику электрического поля.
По значению удельного сопротивления при комнатной температуре
классификация материалов следующая:
1) проводники р < ЮГ5Омм;
2) полупроводники 10‘5 < р < 108Ом м;
3) диэлектрики р > 108Омм.
Разделение твердых тел на полупроводники и диэлектрики носит
условный характер. При низких температурах различие между ними
исчезает, так как число свободных электронов в зоне проводимости
убывает до нуля при приближении температуры к абсолютному нулю. При
высоких температурах, наоборот, количество электронов в зоне
проводимости полупроводника может достигать высоких значений, и
следовательно, стирается грань между полупроводниковым и
проводниковым материалом.
Электрические свойства определяются условиями взаимодействия
атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома.
Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита
обладает большой проводимостью.
Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на
электрические свойства твердых тел.
9
3 Проводниковые материалы
Проводниками называют вещества, основным электрическим
свойством которых является высокая электропроводность, т.е. способность
хорошо проводить электрическии ток.
В качестве проводников электрического тока могут использоваться
твердые и жидкие вещества, а при некоторых условиях и газы. Но
наибольшее применение получили твердые проводниковые материалы,
подразделяющиеся на две группы: металлы высокой проводимости,
сплавы высокого сопротивления.
Первая группа используется для изготовления проводов, жил,
кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, вторая
группа - для изготовления резисторов, нитей ламп накаливания, спиралей
нагревательных приборов, термопар и т.п.
3.1 Природа электропроводности металлов
Параметром, определяющим способность материала проводить
электрический ток под действием приложенного напряжения, является
удельная электрическая проводимость. Проводимость металлов и сплавов
значительно превосходит проводимость диэлектриков и полупроводников,
что наглядно иллюстрируется с помощью энергетических диаграмм
зонной теории твердых тел. Для проводников валентная зона вплотную
прилегает к зоне проводимости. Ввиду этого в объеме металла образуется
так называемый электронный газ, наличие которого обусловлено
переходом от каждого атома металла в свободное состояние одного-двух
электронов. Поэтому, в металлах и сплавах наблюдается высокая
концентрация свободных электронов, что объясняет их высокую
проводимость.
Механизм прохождения тока в проводниках обусловлен дрейфом
свободных электронов под действием электрического поля. Причем, если
тепловая скорость движения электронов составляет сотни километров в
секунду, то дрейфовая скорость в электрическом поле - несколько
миллиметров в секунду. Таким образом, пргдхтда электропроводности в
металлах движение свободных электронов под действием
электрического поля.
К важнейшим электрическим свойствам проводников относятся:
удельная электрическая проводимость Г или обратная ей величина удельное сопротивление р ( у = 1I р ) \
-температурный коэффициент удельного сопротивления ТК р или
а . Температурный коэффициент удельного сопротивления в узком
интервале температур определяется выражением
10
<
* р
9
1 Др
р АТ
--- ----------------- ----
практике вначале оценивают
Далее рассчитывается
где 5 - площадь сечения проводника;
/ - длина проводника.
При 5 - 1 м и / - 1м получаем р = К, т.е. удельное сопротивление
равно полному сопротивлению образца в форме куба с ребром 1 м.
Квантовая статистика электронов в металле базируется на принципе
Паули, согласно которому на каждом энергетическом уровне могут
находиться не более двух электронов или в одном состоянии не более
одного электрона. Вероятность заполнения уровней электронами (один
уровень соответствует двум состояниям) определяется функцией Ферми
/г(Е) = ---------
1
ГЕ-Е,
1 + ехр
г
кТ
где Е - энергия уровня, вероятность заполнения
определяется;
Ер - энергия уровня Ферми;
к - постоянная Больцмана;
Г - температура в Кельвинах.
которого
Уровень Ферми в металлах - это максимальная энергия, которую
может иметь электрон при температуре абсолютного нуля.
Уровень Ферми связан с концентрацией электронов п в металле
следующим соотношением
8л- 2т
п=
3 Ч А2 у
где т* - эффективная масса электрона;
11
3 /2
3 /2
А- постоянная Планка.
Согласно квантовой теории, величина дописывается выражением
егп
у = ± ? -Х
7 тУг
или
( 8яЛ*,Э егп2П Г= \ — \ —Г~Л
V3 )
Л
где е - заряд электрона,
УР — тепловая скорость электронов, обладающих энергией,
близкой к энергии Ферми ;
____
Я - длина свободного пробега электрона (расстояние, которое
проходит электрон от одного столкновения до другого).
При одинаковых температурах величины п и V? для различных
металлов практически неизменны. Поэтому у
и р в основном
определяются длиной свободного пробега Я.
Электроны в металле переносят не только ток, но и тепло. Благодаря
высокой
концентрации
свободных
электронов,
электронная
теплопроводность преобладает над другими механизмами переноса тепла
Отношение удельной теплопроводности Яу- к удельной проводимости
металла у при данной температуре есть величина постоянная
г
1п = 2,45 •1<Г8В2К 2
где
- число Лоренца (константа).
Отсюда следует, что хорошие проводники электрического тока
являются и хорошими проводниками тепла
32 Электрические свойства металлов с примесями и сплавов
Квантовомеханическая теория показывает, что в идеальном кристалле
волна должна распространяться без затухания и, с учетом волновой
природы электрона, удельное сопротивление такого кристалла будет равно
нулю. Реальные металлы не являются идеальными кристаллами из-за
примесей, дефектов и тепловых колебаний ионов. Поэтому удельное
12
сопротивление металла можно представить в виде суммы (правило
Маттис^на)
Р^Ртп.+Рщш. + Р мф или р = р „ ы + р хя
где Ртепо Рпршо Роеф“ удельные сопротивления, обусловленные
рассеянием электронов на тепловых колебаниях, примесях и дефектах;
Рост - не зависящее от температуры слагаемое или остаточное
сопротивление.
Сплавом называется механическая или химическая смесь не менее
двух металлов. В сплавах, состоящих из двух или нескольких металлов,
кристаллическая решетка имеет неправильную форму из-за внедрения
ионов одного металла в кристаллическую решетку другого, вследствие
этого ржт для сплавов больше, что приводит к увеличению их удельного
сопротивления по сравнению с чистыми металлами.
Для многих двухкомпонентных сплавов зависимость ржтот состава
описывается выражением
Р ост “* ^ А* В " ^ Д0
* В)
где С - константа, зависящая от природы сплава;
ха>хв —атомные доли компонентов в сплаве; Лд+ хв = 1.
Таким образом, остаточное сопротивление достигает своего
максимального значения при равном содержании каждого компонента
(рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 Зависимость удельного сопротивления и
температурного коэффициента удельного сопротивления сплава от состава
13
В случае очень низкой концентрации одного из компонентов,
остаточное сопротивление линейно зависит от концентрации примесных
атомов
Р ост
~
СХ в
Увеличение температуры не приводит к росту концентрации
электронов п, но увеличивает амплитуды колебаний закрепленных ионов.
По этой причине увеличивается вероятность столкновения электронов с
ионами, т.е. снижается длина свободного пробега и возрастает удельное
сопротивление.
Для большинства чистых металлов (исключая ферромагнетики) в
диапазоне температур от комнатной до температуры плавления
справедлива линейная зависимость удельного сопротивления от
температуры
Р т еп , ~ В
Т
Степень изменения р при увеличении температуры характеризуется
температурным коэффициентом удельного сопротивления (Хр (ТК/>). Так
как с ростом температуры наблюдается рост удельного сопротивления
металлов и сплавов, величина <Хр больше нуля, причем для металлов она
выше, чем для сплавов. Более того, для сплавов величина (Хр может
приобретать небольшое отрицательное значение (т.е. с ростом
температуры снижается р). Это объясняется тем, что в некоторых сплавах
при повышении температуры возможно возрастание концентрации
электронов. Поскольку у - п %Л , то сплав, у которого уменьшение длины
свободного пробега при рассеянии электронов с ростом температуры
компенсируется возрастанием их концентрации, будет иметь нулевой ТКр.
При контакте двух различных металлов (сплавов) между свободными
концами возникает контактная разность потенциалов. Эго обусловливается
тем, что концентрации свободных электронов у разных металлов и сплавов
неодинаковы. Определенную роль имеют также разные значения работы
выхода электронов из металлов, т.е. энергии, которую необходимо
передать электрону для его выхода из металла.
Из-за направленной диффузии электронов один из проводников
заряжается положительно, другой отрицательно. Величина контактной
разности потенциалов Цк между свободными концами металлов 1 и 2
равна
4
п - еЧ\-е<Й1
е
и
к
------------------------------
где е - заряд электрона;
е(Й! »е(р1 -работы выхода элекфона из 1-ого и 2-ого металлов.
Если замкнуты между собой обе пары концов различных металлов, то
при одинаковой температуре сумма разностей потенциалов в замкнутой
цепи равна нулю. Если же температура замкнутых концов неодинакова, в
цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), под действием
которой в паре возникает направленный дрейф электронов. При
включении в цепь милливольтметра последний покажет разность
потенциалов Цт
'ф*
Чт= « т(Т2 - Т х),
где ат-относительная термо-ЭДС.
Таким образом, величина термо-ЭДС является функцией разности
температур концов так называемой термопары (рисунок 3.2), что позволяет
использовать такое устройство для измерения температур. Контакт между
металлами обеспечивается их спайкой или сваркой.
1
Т,
1 —первый материал; 2 —второй материал
Рисунок 3.2 - Схема устройства термопары
3*3 Сопротивление проводников на высоких частотах
На высоких частотах электрический ток
неравномерно
распределяется по сечению проводника: на поверхности плотность тока
максимальна. Это явление называется поверхностным эффектом и
объясняется действием магнитного поля протекающего по проводнику
тока (рисунок 3.3).
15
Л
б)
2
С)
а) сечение проводника при постоянном токе - плотность тока
одинакова по всему сечению; б) сечение проводника в электрическом
поле высокой частоты (заштрихована область протекания тока); с)
зависимость плотности тока от расстояния до поверхности
Рисунок 33 —Поверхностный эффект в проводниках:
Плотность тока у убывает с глубиной г по следующему закону
Л г ) = у о ехр ( - г / д )
где]о - плотность тока на поверхности;
Л - глубина проникновения поля в проводник.
Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором
плотность тока уменьшается в е раз по отношению к значению на
поверхности. Величина А вычисляется по формуле
г д е /- частота приложенного напряжения;
Ро —магнитная постоянная;
// —магнитная проницаемость проводника;
у - удельная проводимость.
При высоких частотах плотность тока в проводнике, за исключением
тонкого поверхностного слоя, практически равна нулю и в расчетах можно
принять, что ток протекает в слое толщиной Л с плотностью/&
Следовательно, эквивалентная площадь сечения проводника при
протекании высокочастотного тока равна произведению периметра
сечения проводника на толщину слоя Д или для провода круглого сечения
16
5., =
л
О
А
где О-диаметр провода.
В радиотехнике для плоских проводников используют специальную
характеристику - сопротивление квадрата поверхности, которое
определяется из выражения /?5 = р / А .
Сопротивление квадрата поверхности, как следует из приведенного
выражения, не зависит от размеров квадрата. Размерность поверхностного
сопротивления выражается в Омах.
Поскольку центральная часть сечения проводника почти не
используется, активное сопротивление провода при прохождении по нему
переменного тока больше, чем его активное сопротивление при
постоянном токе.
ЗА Примеры решения задач
Пример 1
Известно,
что
алюминии
кристаллизуется
в
решетке
гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм. Вычислить
концентрацию свободных электронов, полагая, что на каждый атом
кристаллической решетки приходится три электрона.
Решение
В решетке гранецентрированного куба на одну элементарную ячейку
приходится четыре атома. Поэтому число атомов в единице объема
* =
а3
(0,4041 •10-9)
= 6,06 -1028м'3.
Отсюда концентрация электронов:
г*
л = ЗЛ^ = 18,18 10м м"3.
Пример 2
Вычислить длину свободного пробега электронов в меди при Т = 300
если ее удельное сопротивление при этой температуре равно 0,017 мкОм/м
Решение
Согласи»
квантовой теории, удельная проводимость
металлов у связайа * е>8Дййндй свободного пробега электронов Л
атындагы
ПМУ-д
1
н
и
соотношение]
академик С.Бейсемб?' II
атындагы гыльш
Г7
К1ТАП ХАН Аг ;
-
*
|
8л-VПе2п2п л
1
Я, а по определению р = —.
у=
А
у
3/
Концентрация свободных элеюронов в меди равна концентрации
атомов
А
где Л- плотность меди;
NА- число Авогадро;
А - атомная масса
3 V3 А
Следовательно Л = \ —
- ■■■ =3,89- КГ8 м.
8/гу е2п ^ р
ПримерЗ
Определить, во сколько раз изменится удельная теплопроводность
меди при изменении температуры от 20 до 200 °С.
Решение
Согласно закону Видемана-Франца
= ЦГ
—
У
где у - удельная проводимость;
Ь0- число Лоренца.
= В Л = 1 ^..а р^Т^
Отсюда следует, что
А
п
Р
А
Т
2
= | 1 2
га э^-д ог3 К-1
р
для меди).
Пример 4
Удельное сопротивление меди, содержащей 03 атомных процента
олова при температуре 300 К, составляет 0,0258 мкОм • м. Определить
отношение р удельных сопротивлений меди при температурах 300 и 4 2 К.
18
Решение
Согласно правилу Маттисена
Р = Рт+Рост
где р Т— сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на
тепловых колебаниях решетки;
Рост
остаточное сопротивление, связанное с рассеянием
электронов на неоднородностях структуры.
Доя чистой меди р = р Т. При Т=300 К, р т = 0,0168 мкОм м (см.
Приложение). Вблизи температуры абсолютного нуля полное сопротивление
реального металлического проводника равно остаточному сопротивлению.
Отсюда следует, что
р —Рш —Р*оо — Р уоо _
0,0258
—2 87
Р ал Рост Рш -Рт 0,0258-0,0168~ ’
Пример 5
Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампочки при 20 °С
равно 35 Ом. Определить температуру нити лампочки, если известно, что при
включении в сеть напряжением 220 В в установившемся режиме по нити
проходит ток 0,6 А. Температурный коэффициент удельного сопротивления
вольфрама при 20 °С равен 510Г3К"1.
Решение
С учетом линейной зависимости сопротивления металлического
проводника от температуры имеем
К, = /?, [1+а к{Т2 - Т,)]
где /?р /?2 — сопротивления при комнатной температуре 7] и при
температуре Т2 соответственно.
Для вольфрама можно считать, что
лампочки в рабочем режиме
~ ос^. Сопротивление нити
я, = — = — =366, Ом.
/
0,6
19
Тогда
АТ = Т2 -Г ,
(Л2 - /?,) 366,7 - 35
-----~ = - .- - .з =1895К
к ха н
35*5*10
Окончательно имеем т2= 1895+293 =2188 К.
Пояснение: В общем видеяг, Фа , т.к. / и 5 также зависят от Г.
Пример 6
Вычислить, во сколько раз сопротивление Д_медного провода круглого
сечения диаметром й = 1 мм на частоте / = 10 МГц больше сопротивления
этого провода постоянному электрическому току.
Решение
Глубина проникновения электромагнитного поля в проводник
где р - удельное сопротивление проводника;
—магнитная постоянная;
Ц - относительная магнитная проницаемость материала
Поскольку медь диамагнитна, ц = 1. Тогда для меди на частоте 10 МГц
А
.
0,017 - 10 е
___ ___ _
' 3,14-107-12,56 10"7 ~ 1
ю, А « <1, т.е. сильно выраженный поверхностный эффект, а в
этом случае коэффициент увеличения сопротивления провода круглого
обратно пропорционален отношению площадей, по которым
протекает
К.
4да/Д
4Д
20
-5
4-2,07 10
Пример 7
Определить сопротивление шайбового высокочастотного резистора,
изготовленного из пленки углерода с удельным поверхностным
сопротивлением р$=300 Ом (рисунок 3.4). Размеры резистивного элемента:
г, = 3 мм, г, =7 мм.
3
1
керамическим диск с отверстием; 2 — контактные площадки
-резистивная пленка.
Рисунок 3.4
Решение
Ток через такой резистор проходит радиально по резистивной пленке.
Выделим в пределах резистивного элемента узкий кольцеобразный участок
шириной их, имеющий координату * , отсчитываемую от центра.
Сопротивление этого участка
_ рЛх
х 2тск5
где 8 - толщина пленки;
Р
„
“у —Р$ “ сопротивление квадрата резистивной пленки
Сопротивление резистивного элемента, расположенного с одной
стороны диэлектрического диска с отверстием (шайбы)
к, -
р 5 '-^ х _ р
г2
300
7 йп_
— ]—
1п— = ——— 1п- = 400м.
2л-г, х 1л г. 2-3,14 3
Резистор содержит два таких элемента, включенных параллельно, т.е
сопротивление резистора Я = К /2 = 20 Ом.
21
4 Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые материалы, обширный класс материалов,
проявляющих полупроводниковые свойства. В него входят сотни
самых разнообразных веществ - как элементов, так и химических
соединений. По мнению основоположника полупроводникового
материаловедения акад. А. Ф. Иоффе, «полупроводники - это почти
весь окружающий нас неорганический мир». Несмотря на
существенные различия в строении и химическом составе, материалы
этого класса роднит одно качество - способность сильно изменять
свои электрические свойства под влиянием небольших внешних
энергетических
воздействий.
Полупроводниковые
свойства
проявляют не только неорганические вещества, существует обширный
класс органических полупроводников.
По химическому составу полупроводниковые материалы
разделяют на простые элементарные полупроводники и сложные
полупроводники полупроводниковые соединения. Широкое
применение в полупроводниковой промышленности находят не
только
монокристалл ические,
но
и
поликристаллические
полупроводники,
а
также
аморфные
и
стеклообразные
полупроводники.
Простыми полупроводниковыми материалами являются 12
химических элементов, находящихся в средней части Периодической
системы Д. И. Менделеева. Наиболее широкое применение среди этой
группы имеют кремний, германий и селен (см. элементарные
полупроводниковые материалы).
Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических
соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа
элементов.
Известные в 1940-х гг. полупроводники германий и кремний
имели тетраэдрическую структуру, в которой на каждый атом
приходится 4 химические связи. Предположение о том, что
объединение одного атома с четырьмя другими (алмазоподобная
структура), благоприятствует возникновению полупроводниковых
свойств,
подтвердилось.
Представление
о
«средней
четырехвалентности»
и
«алмазоподобных»
полупроводниках
оказалось плодотворным для поиска новых полупроводниковых
материалов. Многие из алмазоподобных полупроводников образуют
твердые растворы, которые также являются полупроводниками,
например Се - 51, СаА$ - СаР и др.
22
К алмазоподобным полупроводникам принадлежит большинство
важнейших неорганических кристаллических материалов. Бинарные и
тройные соединения, у которых на один атом приходится четыре
электрона, также обладают полупроводниковыми свойствами. К ним
относятся бинарные соединения, образованные атомами из групп
периодической системы элементов, равноотстоящих от центральной
Л Л Д* И‘ Менделеева’ названные соединениями типа
А В , А В , А В . Из многочисленных групп тройных соединений
полупроводниковые свойства обнаружены у группы А"В|УСУ2
(2п5пР2, С<ЮеА82 и т.п.), также подчиняющейся правилу «четыре
электрона на один атом»: (2+4+5*2)/4=4.
Химические
соединения
получили
название
сложных
полупроводников. Они обозначаются прописными индексами
латинского алфавита с верхними и нижними индексами. Верхние
индексы применяют для обозначения римскими цифрами номеров
групп периодической системы элементов, а нижние - для обозначения
арабскими цифрами стехиометрических коэффициентов (числа
атомов в соединении). Бинарные соединения называют обычно по
наименованию того элемента (компонента соединения), у которого
металлические свойства выражены слабее (например, соединение
индия с фосфором 1пР называют фосфидом индия, цинка с серой 2п5 сульфидом цинка и т.д.)
В качестве примеров таких соединений можно привести 1п5Ь
В12Те3, 2 п81Аз2, СиА182, СиСегРз.
Во многих случаях полупроводниковыми свойствами обладают
не только простые и сложные полупроводники, но и твердые растворы
замещения, образующиеся между ними. Их выражают формулами, в
которых нижними индексами х, у и др. обозначают атомную долю
элемента в твердом растворе. Например, твердый раствор между
кремнием и германием в общем виде выражают формулой З^Ое,.*, а
между фосфидом индия и арсенидом галлия 1п,Оа,.хА5уР,.у. В твердых
растворах путем изменения состава можно плавно и в достаточно
широких
пределах
управлять
важнейшими
свойствами
полупроводников, в частности, шириной запрещенной зоны и
подвижностью носителей заряда.
Полупроводниковые материалы характеризуются следующими
основными
электрофизическими
параметрами:
удельным
сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны,
концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной
массой и временем жизни. Ряд характеристик полупроводниковых
материалов, например, ширина запрещенной зоны и эффективная
23
масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации
химических примесей и степени совершенства кристаллической
решетки.
Однако,
большинство
параметров
структурно
чувствительны, и в полупроводниковых материалах наблюдается
резкая зависимость свойств, прежде всего электрофизических, не
только от содержания посторонних примесей, но и от степени
совершенства кристаллического строения. Точечные дефекты, как
собственные, так и легирующие примеси, определяют концентрацию,
тип проводимости, величину удельного сопротивления. Легирование
полупроводниковых материалов осуществляется с целью получения
кристаллов с необходимыми свойствами. Задаваемые свойства
варьируются в очень широких пределах и при этом, как правило,
необходимо выращивать кристаллы с определенным сочетанием
различных свойств (например, оптических и электрофизических), с
учетом высокой однородности распределения последних в объеме.
Характер распределения дислокаций
и их
плотность
лимитируются в связи с негативным влиянием дислокаций на многие
характеристики полупроводниковых приборов. Точечные дефекты,
дислокации, дефекты упаковки и другие нарушения структуры
управляют процессами диффузии в материале. Дефекты структуры
оказывают существенное влияние на характеристики, а также
эксплуатационную надежность полупроводниковых приборов. В связи
с этим к совершенству структуры полупроводников предъявляются
исключительно высокие требования. В большинстве случаев
при выращивании кристаллов ставится задача получения кристаллов с
высокой степенью структурного совершенства.
Требования,
предъявляемые
к
конкретному
материалу,
определяются его приборным применением. Для создания
сверхбольших интегральных схем необходимы кристаллы большого
диаметра. Качество создаваемых микроэлектронных устройств в
значительной степени зависит от совершенства исходных
монокристаллов - кремния, арсенида галлия, фосфида индия. Помимо
необходимых
электрофизических
параметров
(концентрация
носителей заряда, тип проводимости, удельное сопротивление),
монокристаллы должны иметь низкую плотность дислокаций (в
случае кремния — бездислокационные), и быть однородными по
составу.
Полупроводниковые материалы больших диаметров выращивают
из расплавов (см. Методы выращивания кристаллов). Основных
методом их получения является метод Чохральского. В технологии
кремния также используется метод бестигельной зонной плавки, а в
24
технологии полупроводниковых соединений - метод направленной
кристаллизации.
Основными
структурными
дефектами
в
монокристаллах полупроводников являются дислокации, примесные
неоднородности, микродефекты, собственные точечные дефекты
структуры и их скопления.
Развитие полупроводниковой опто- и микроэлектроники привело
к широкому использованию полупроводниковых соединений.
Взаимодействие различных соединений друг с другом приводит к
образованию твердых растворов, что дает возможность путем
изменения состава раствора получать материалы с заранее заданными
свойствами. Основным методом получения таких структур является
эпитаксия. Различные методы эпитаксии позволяют получать тонкие и
сверхтонкие однослойные и многослойные полупроводниковые
структуры разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и
электрофизических
свойств
по
толщине
и
поверхности
наращиваемого
слоя.
Применение
в
микроэлектронике
и
оптоэлектронных устройствах
гетероэпитаксиальных структур
позволяет создавать сложнейшие многослойные эпитаксиальные
композиции с заданными параметрами.
Создание приборов на основе поликристаллических и аморфных
материалов было обусловлено необходимостью снижения стоимости
полупроводниковых преобразователей солнечной энергии (солнечных
батарей) наземного применения. Однако исследования электронных
процессов на границах отдельных кристаллитов и возможностей
активного управления ими показали возможности применения таких
материалов (см. Поликристаллические полупроводники, аморфные и
стеклообразные полупроводники).
Материалы проявляют полупроводниковые свойства не только в
твердом состоянии. Вещества, обладающие в жидком состоянии
свойствами полупроводников, были открыты А. Ф. Иоффе и
А. Р. Регелем. В отличие рт электролитов жидкие полупроводники
имеют электронный тип проводимости и как и жидкие металлы
являются электронными расплавами. Жидкие полупроводники
являются неупорядоченными системами, в них отсутствует дальний
порядок. Жидкие полупроводники образуются при плавлении
кристаллических ковалентных полупроводников, если сохраняются
ковалентные межатомные связи (5е, А В ).
4.1 Примеры решения задач
Пример 1
Найти положение уровня Ферми в собственном германии при
300 К, если известно, что ширина запрещенной зоны ДЕ = 0,665 эВ, а
эффективные массы плотности состояний для дырок валентной зоны и
для электронов зоны проводимости соответственно равны
щ, =0388/710,
тс = 0,55*^,
где
- масса свободного электрона.
Решение
Положение уровня Ферми
определяется выражением:
в собственном
полупроводнике
я ^ н
к
я
р
я
к
а
2
2
N.
2
N
где Е, - уровень, соответствующий середине запрещенной зоны;
эффективная плотность состояний дл
валентной зоны и для электронов зоны проводимости соответственно.
_ 2(2тпук ф
л3
’
ХТ _ 2(2лтск Т ^
I
Подставляя значения физических констант к,к,тп, а также
температуру, получим:
образом
- 6,04 •1024м_3, Ыс §1,02■ 10й м |. Таким
|
_ 1,38 КГ23 -300, 6,04 10м
Ег - 1 1 ---------| -------- !н— ■- = -1,08 -10
Дж=-6,78-10' эВ.
Из-за малых значений энергия в физике полупроводников, как
правило, вычисляется в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ = 1,6 ! О*19Дж.
26
Таким образом, уровень Ферми в собственном германии при
комнатной температуре расположен на 6,78 мэВ ниже середины
запрещенной зоны.
Пример 2
Вычислить собственную концентрацию носителей заряда в
кремнии при Г - 300 К, если ширина запрещенной зоны АЕ =1,12 эВ,
а эффективные массы плотности состояний тс = 1,05т0,
= 0,56га,».
Решение
Собственная концентрация носителей заряда
I
)
Эффективная плотность состояний для электронов в зоне
проводимости и для дырок в валентной зоне
„ _ 2 [2 я т ,к Т ^
Н3
2(2ш скТ}^
'
к3
Отсюда следует, что собственная концентрация: п, =7-1(/5м~3.
Пример 3
Вычислить положение уровня Ферми при Т = 300 К в германии,
содержащем 2-1021 м”3 атомов мышьяка и 10 м“ атомов галлия.
Эффективная масса плотности состояний а зоне проводимости шс =
0,55 Шд.
Решение
Галлий (элемент 3 группы) является донором для германия, а
мышьяк (5 группа) - акцептором. Так как Nи > ЫА, то такой частично
компенсированный полупроводник обладает электропроводностью птипа. При этом избыточная концентрация доноров N'^ = N Л - N А.
При комнатной температуре все примеси ионизированы, поэтому
концентрация электронов п в зоне проводимости приблизительно
равна избыточной концентрации доноров: п « Н'я . Из выражения.
связывающего концентрацию электронов в зоне проводимости с
положением уровня Ферми относительно дна зоны проводимости,
найдем искомое положение уровня Ферми относительно дна зоны
проводимости
Е - Е \
л = Л1 ехр| - —г— Ч
' Ч
кТ
А.
2(2атЛт№
гдее N. - —----- 2 —
к
■
_____ „ з
1,02-Ю25 м
■
Г
( й '- Е '
1п« = 1пЛ'е - I
К
Д7
кТ
Я
*
* гуу ' 1 / у 5
Ес ~ Е г = к Т \п -± =1,38 •1(Г23 •3001п----- --— Щ2,86 1СГ20 Дж=0.179
п
10“
эВ.
Из-за малых значений энергия в физике полупроводников, как
правило, вычисляется в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ = 1,6- 1(Г19Дж
Пример 4
Рассчитать концентрацию электронов и дырок в германии р -типа
с удельным сопротивлением 0,05 Ом-м при температуре 300 К.
Ссос легшая концентрация носителей заряда при комнатной
температуре п{ = 2, М О 19 м“\ подвижность электронов д , - 0,39
м /(В'С), подвижность дырок
= 0,19 м2/(В*с).
Решение
Удельное сопротивление связано с концентрацией электронов и
дырок уравнением
Для концентрации дырок получаем квадратное уравнение
г
Рп
Р о ---- : 0
€мРр
28
п 2и
и
Подставляя исходные данные, имеем
Щ - 6,58 • Ю20р0 + 9,03 • Ш38 * 0 ,
откуда р = 6,56*1020м . Второе решение квадратного уравнения
отбрасываем, так как оно соответствует полупроводнику п -типа.
2
Ло= — = 6,72-10'7м'3.
Ро
Пример 5
В идеально скомпенсированном полупроводнике концентрация
электронов равна концентрации дырок. Можно ли считать, что при
всех температурах удельное сопротивление такого полупроводника
равно собственному удельному сопротивлению?
Решение
В скомпенсированном полупроводнике больше, чем в
собственном нарушений периодического потенциала кристаллической
решетки, вызывающих рассеяние носителей заряда. Такими
нарушениями являются ионизированные доноры и акцепторы.
Различия в подвижности носителей заряда, а значит, и в удельном
сопротивлении собственного и скомпенсированного полупроводников
сильнее проявляются в области более низких температур.
Пример 6
Определить скорость оптической генерации неравновесных
носителей заряда в пластине кремния на глубине 100 мкм от
освещаемой поверхности при фотовозбуждении монохроматическим
излучением интенсивностью Ю20 м”2*с”2, если показатель поглощения
материала 5*104 м_|, а коэффициент отражения излучения от
поверхности равен 0,3.
Решение
Скорость оптической генерации, т.е. число носителей заряда,
возбуждаемых светом в единицу времени в единице объема
полупроводника, зависит от показателя поглощения и интенсивности
излучения на заданной глубине х. Изменение интенсивности
излучения подчиняется закону Бугера-Ламберта
29
/ (л:) = / 0(1 - /?)ехр(- ах) ,
где /0- интенсивность на глубине х\
я - коэффициент отражения излучения;
а - показатель поглощения материала.
Число квантов, поглощаемых в слое единичной площади
толщиной <Ьг, определяется выражением М = Кх)а±х. Скорость
оптической генерации
# 0 0 = — = о /0(1-/?)ехр(-бкг)=2,36 1022 м 3*с 1
йх
X I
Пример 7
Определить время, в течение которого электрон пройдет
расстояние 1 км по медному проводу, если удельное сопротивление
меди 0,017 мкОм м, а разность потенциалов на концах проводника =
220 В.
Решение
Ома
электронов
п = й ^ = 8,45 • 1028м ъ
А
где с! = 8920 кг/м3- плотность меди;
А = 63,54 -10"3кг/моль;
УУ0 - число Авогадро.
Тогда
средняя
скорость
= Е / (реп)= Ц/(реп1)= 9,6 • 10"4м/с.
30
дрейфа
электронов
5 Диэлектрики. Поляризация диэлектриков
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом,
возникающим при воздействии на него электрического напряжения,
является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов
или ориентация дипольных молекул.
Под влиянием электрического поля связанные электрические
заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них
сил и тем больше, чем выше напряженность поля. Количественной
характеристикой поляризации является поляризованность Р.
Поляризованностью называют векторную величину, равную сумме
электрических моментов в диэлектрике, деленную на объем этого
диэлектрика. При снятии электрического поля заряды возвращаются в
прежнее состояние.
Таким образом, в электрическом поле с напряженностью Е в
диэлектрике возникает поляризованность Р, т.е. появляется
электрический момент, вызванный разделением положительных и
отрицательных зарядов:
Р = е 0 (е - 1)Е = е 0х Е
где Со- электрическая постоянная;
Е - диэлектрическая проницаемость;
X - диэлектрическая восприимчивость.
Электрическая индукция (электрическое смещение) О внутри
диэлектрика равна
О = е0Е + Р = е0еЕ
Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, вклю­
ченный в электрическую цепь, может рассматриваться как конден­
сатор определенной емкости
и
где С - емкость конденсатора;
(? - заряд конденсатора;
II - приложенное напряжение.
31
Заряд 0 при заданном значении приложенного напряжения сла­
гается из заряда (?о, который присутствовал бы на электродах, если бы
их разделял вакуум, и заряда (?д , который обусловлен поляризацией
диэлектрика, фактически разделяющего электроды.
Обозначим величину заряда на пластинах конденсатора с
диэлектриком (?пл. Тогда
01ЙГ = 0 ) + ^д
Поляризация приводит к появлению на поверхности диэлектрика
связанных зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри
диэлектрика. Поверхностная плотность связанных зарядов стд равна
поляризованности, а поверхностная плотность зарядов на пластинах
конденсатора, внутри которого находится диэлектрик, равна
электрическому смещению
°Д ~ Р *
=®
Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его
относительная диэлектрическая проницаемость * е. Эта величина
показывает, во сколько раз увеличивается по сравнению с вакуумом
значение емкости конденсатора и заряда на его пластинах при
внесении диэлектрика в пространство между обкладками. А также во
сколько раз уменьшается напряженность электрического поля внутри
диэлектрика
по
сравнению
с
вакуумом.
Диэлектрическая
проницаемость материала тем выше, чем сильнее он поляризуется в
электрическом поле.
Механизмы поляризации диэлектриков делятся на два основных
вида:
1) мгновенная, т.е. происходящая за очень короткое время, без
выделения теплоты (электронная, ионная);
2) замедленная или релаксационная - длительная по времени и
сопровождающаяся
нагреванием
диэлектрика
(дипольная,
миграционная, электронно-релаксационная, ионно-релаксационная).
Электронная поляризация - это упругое смещение и
деформация электронных оболочек атомов и ионов. Время
установления такой поляризации около 10'15 с. Смещение и
деформация электронных орбит не зависит от температуры, однако
электронная поляризация уменьшается с повышением температуры в
связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа
32
частиц в единице объема. Электронная поляризация наблюдается во
всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии.
Ионная поляризация наблюдается в телах с ионным строением и
обусловлена смещением ионов на расстояния, много меньшие
расстояния между узлами кристаллической решетки. Время
установления ионной поляризации около 1 0 13 с. С повышением
температуры она усиливается из-за ослабления связи между ионами,
находящимися в узлах кристаллической решетки.
Диполъно-релаксационная или просто дипольная поляризация
вызвана
частичной
ориентацией
диполей
под
действием
электрического поля. С увеличением температуры дипольная
поляризация сначала возрастает, затем снижается.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует
преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поля­
ризация связана с потерями энергии. В вязких жидкостях
сопротивление поворотам молекул настолько велико, что в
быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в
направлении поля, и дипольная поляризация при повышенных
частотах приложенного напряжения может полностью исчезать.
Промежуток времени, в течение которого упорядоченность
ориентированных полем диполей после его снятия уменьшится
вследствие теплового движения в 2,7 раза по сравнению с
первоначальным значением, называют временем релаксации т0.
Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жид­
костям. Этот вид поляризации может наблюдаться также и в твердых
полярных органических веществах, но в этом случае поляризация
обычно обусловлена уже не поворотом самой молекулы, а поворотом
имеющихся в ней радикалов по отношению к молекуле. Примером
вещества с этим видом поляризации является целлюлоза, полярность
которой объясняется наличием гидроксильной группы ОН.
Ионно-релаксационная
поляризация
наблюдается
в
неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических
неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом
случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего
электрического поля смещаются в направлении поля.
Электронно-релаксационная поляризация возникает вследствие
33
возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов.
Электронно-релаксационная поляризация характерна для ди­
электриков с высоким показателем преломления, большим внутрен­
ним полем и электронной электропроводностью, например диоксид
титана, загрязненный примесями. Следует отметить высокое значение
диэлектрической проницаемости, которое может бьггь при
электронно-релаксационной поляризации, а также наличие максимума
в температурной зависимости.
Миграционная поляризация проявляется в твердых телах
неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и
наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах
и связана со значительным рассеянием электрической энергии.
Причинами
такой
поляризации
являются
проводящие
и
полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие
слоев с различной проводимостью и т.д. При внесении неоднородных
материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы
проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах
каждого включения, образуя большие поляризованные области. В
слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных
слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов.
а)
б)
в)
'Ц
а - последовательное соединение; б - параллельное соединение;
в - хаотическое распределение компонент
Рисунок 5.1 - Двухкомпонентный диэлектрик
Если диэлектрик состоит из двух различных компонентов или их
смеси, то его е рассчитывается по формулам, при последовательном
включении
1 = 3 .3
е е, ег
34
в
при параллельном включении
е = в 1е 1+ в 2е 2
при хаотическом распределении компонент
1п^ = 0,1п^, -4"О2 1пе2,
<хе =01<хе1+ в 2а е2
где е х, е 2 - диэлектрические проницаемости первого и второго
материала;
дх, 02 - их объемные доли;
а е2 — температурные коэффициенты диэлектрической
проницаемости:
а
е
Ае 1
АТ е
=
------------------
Для двухкомпонентного диэлектрика в { + в 2 = 1.
5.1 Электропроводность
Все диэлектрические материалы при приложении постоянного
напряжения пропускают некоторый, обычно весьма незначительный,
ток проводимости, обусловленный направленным перемещением
свободных носителей электрического заряда. В зависимости от типа
носителей зарядов в диэлектриках может наблюдаться электронная
или ионная
электропроводность. В твердых диэлектриках
проводимость в основном ионная.
Плотность тока проводимости равна:
7
= епУ
где п —концентрация свободных носителей заряда;
V
- средняя дрейфовая скорость движения заряженных частиц
в направлении поля.
Ток в диэлектрике со временем приложения постоянного
напряжения постепенно уменьшается. В области 1 полный ток
диэлектрика состоит из двух составляющих: тока абсорбции и
35
сквозного тока (рисунок 5.2). Причиной тока абсорбции (или тока
смещения) являются медленно устанавливающиеся поляризации
(релаксационные, миграционная). Токи смещения упругосвязанных
зарядов при электронной и ионной поляризациях столь
кратко временны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.
Рисунок 5.2 - Изменение тока в диэлектрике после приложения
постоянного напряжения
Наличие в диэлектриках небольшого числа свободных зарядов
приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов. Ток
утечки в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока
абсорбции
1 ут
При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое
направление, протекают только в моменты включения и выключения
напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение
всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Как видно из рисунка, после завершения процессов поляризации
через диэлектрик протекает только сквозной ток.
Токи смещения необходимо принимать во внимание при
измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при неболь­
шой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно
регистрируется не только сквозной шок, но и сопровождающий его
ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное
представление о большой проводимости. Проводимость диэлектрика
при постоянном напряжении определяется по сквозному току,
сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на
электродах. При переменном напряжении активная проводимость
определяется не только сквозным током, но и активными
36
составляющими абсорбционных токов.
При длительной работе под напряжением ток через твердые и
жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или
увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что
электропроводность материала была обусловлена ионами посторон­
них примесей и уменьшалась за счет электрической очистки
образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем
зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и
о протекающем в нем под напряжением необратимом процессе
электрохимического старения, способном постепенно привести к
разрушению
диэлектрика.
Если
электропроводность
чисто
электронная, электрохимическое старение невозможно.
Ток в диэлектрике может протекать по двум параллельным
путям: по объему диэлектрика и по поверхности диэлектрика.
Соответственно различают объемную уу и поверхностную у5
электрические проводимости. В технике чаще используют обратные
величины - удельное объемное
и удельное поверхностное
сопротивление Д :
Р$ — у»
где 5 - площадь поперечного сечения диэлектрика, по которому
протекает ток (обычно равна площади меньшего электрода);
А - толщина диэлектрика (расстояние между электродами);
й - ширина области на поверхности диэлектрика, по которой
протекает ток (равна длине электродов);
/ - расстояние между электродами.
Если поверхностное сопротивление измеряется на образце с
круглым и кольцевым электродами, как показано на рисунке 5.1, в, то
р$рассчитывается по формуле
где О и й - соответственно диаметры внешнего и внутреннего
электродов.
Из формул следует, что удельное объемное сопротивление /х,
равно сопротивлению куба с ребром 1 м и измеряется в Ом м, а
37
удельное поверхностное сопротивление р$ равно сопротивлению
I
плоского участка поверхности в форме квадрата
любого размера и
измеряется в Омах.
Рисунок 5.3 - Измерение объемного (а) и поверхностного (б, в)
сопротивления
Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием
влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода обладает
значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя
влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная
проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя.
Однако поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги
связано с природой материала, на поверхности которого она
находится,
поверхностную
электропроводность
обычно
рассматривают как свойство самого диэлектрика.
Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в
зависимости от относительной влажности окружающей среды.
Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором,
определяющим значение удельной поверхностной проводимости
диэлектрика.
Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше
полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше
она отполирована. Низкие значения удельного поверхностного
сопротивления имеют и объемно-пористые материалы, так как
процесс поглощения влаги толщей материала стимулирует также и
образование поверхностных пленок воды.
Наиболее высокими значениями удельного поверхностного
сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность
которых не смачивается водой.
Для увеличения удельного поверхностного сопротивления
применяют разнообразные приемы очистки поверхности: промывку
(водой, растворителями), прокаливание при температуре 600-700 °С, а
также покрытие изделий кремнийорганическими лаками.
38
Удельная проводимость определяется выражением
У = ЯНтМт
где ц —заряд носителя заряда;
Мг ~ концентрация и подвижность носителей.
Электропроводность
твердых
тел
обусловлена
как
передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных
примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием
свободных электронов.
Подвижность электронов на много порядков больше, чем
подвижность ионов. В диоксиде титана, например, подвижность
электронов составляет примерно 10 м2/(В с), тогда как подвижность
ионов в алюмосиликатной керамике всего лишь 10*|3-10’16 м2/(В с).
Следовательно, в диэлектрике с электронной электропроводностью
концентрации электронов в 10М 01 раз меньше, чем концентрация
носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью, при
одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной
проводимости.
Вид электропроводности определяют экспериментально с учетом
того, что ионная проводимость сопровождается переносом вещества
на электроды. При электронной проводимости этого не наблюдается.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность
главным образом ионна» и число диссоциированных ионов (т.е.
носителей заряда) экспоненциально зависит от температуры.
Подвижность
ионов
также
выражается
экспоненциальной
зависимостью:
в
*г= л Ц - ^ ) .
где N - общее число ионов в 1 м3;
Ед - энергия диссоциации;
^та* ~ предельная подвижность иона;
Ешр - энергия перескока иона из одного положения в другое;
к - постоянная Больцмана;
Т - температура.
39
Следовательно, и рост удельной объемной проводимости диэлектрика
от температуры будет происходить по экспоненциальному закону
К = Л-ехга-----Ч кТ}
где
ЕА = Ед + Етр
Здесь Елэнергия активации проводимости, приблизительно
равная энергии диссоциации, т.к. Ед » Е . Логарифм этого
выражения представляет уравнение прямой линии в координатах 1п
и 1/Т (рисунок 5.3).
Рисунок
5.4
Зависимость
удельной
проводимости
диэлектрика (в логарифмическом масштабе) от 1/Т для различных
энергий активации
Г
у
=
1 „
л
-
■
Угол наклона этой прямой к оси абсцисс определяется значением
энергии активации Ел. Если в электропроводности участвуют два
вида ионов, например примесные и собственные, то температурная
зависимость \пуу от 1/Т будет состоять из двух прямолинейных
участков.
Энергии активации примесной проводимости Епр и собственной
проводимости Е можно определить по наклону этих участков.
Низкая электропроводность диэлектриков приводит к тому, что
на пластинах конденсатора после отключения его от источника
напряжения некоторое время сохраняется заряд, а следовательно, и
«г
40
разность потенциалов. Время зарядки и разрядки конденсаторов
характеризуется величиной ты которая называется постоянной
времени конденсатора.
где Ни - сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора;
С —емкость конденсатора;
р - удельное сопротивление диэлектрика.
5.2 Пробой диэлектриков
Явление образования в диэлектрике проводящего канала под
действием электрического поля называется пробоем. При этом через
диэлектрик течет ток короткого замыкания. Напряжение, при котором
это происходит, называется пробивным напряжением 1/пр, а
соответствующая напряженность электрического поля называется
электрической прочностью
Для эксплуатации приборов и устройств выбирается рабочее
напряжение
которое в 2 - 4 раза ниже пробивного
^ = —
'“в
к
где К - коэффициент запаса.
Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых
диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы, то при
приложении к диэлектрикам переменного напряжения численные
значения пробивного напряжения относятся к действующим.
Различают три основных вида пробоя:
1) Электрический пробой связан с электронными процессами в
диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и
приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плот­
ности электрического тока к моменту пробоя.
2) Тепловой пробой является следствием уменьшения активного
сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом
поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему
41
увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического
разрушения.
3)
Электрохимический пробой. При длительном действии
напряжения пробой может быть вызван электрохимическими
процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием
электрического поля.
Электрический пробой обусловлен туннельным переходом
электронов в зону проводимости из валентной зоны, с примесных
уровней или металлических электродов, а также лавинным
размножением электронов за счет ударной ионизации в сильных
электрических полях. По времени этот пробой самый быстрый и слабо
зависит от температуры.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влия­
ние
электропроводности
и
диэлектрических
потерь,
обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация
газовых включений. Для однородного поля и полной однородности
структуры материала напряженность поля при электрическом пробое
может служить мерой электрической прочности вещества. Такие
условия удается наблюдать для монокристаллов щелочно-галоидных
соединений и некоторых органических полимеров.
Для однородных материалов наблюдается заметная разница
между значениями пробивного напряжения в однородном и неодно­
родном полях.
Тепловой пробой обусловлен экспоненциальным ростом
электропроводности диэлектрика при повышении его температуры. В
небольших полях разогрев вследствие протекания сквозного и
абсорбционного токов компенсируется увеличением теплоотдачи.
При высокой напряженности поля выделяемая мощность превышает
теплоотвод и происходит быстрый рост температуры, приводящий к
разрушению диэлектрика в области протекания тока (плавление и
испарение).
Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество
теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических
потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в
данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а
процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в
электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению
или обугливанию. Электрическая прочность при тепловом пробое
является характеристикой не только материала, но и изделия из него,
тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит
42
характеристикой самого материала. Пробивное напряжение,
обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения,
условиями охлаждения, температурой окружающей среды.
Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с
ростом температуры.
Электрохимический пробой обусловлен такими процессами в
диэлектрике, как электролиз, электромиграция, перенос ионов,
связанный с изменением состава материала и его старением.
Электрохимический пробой имеет существенное значение при
повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид
пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении
низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусло­
вливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции
(электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический
пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых
порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся
тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окси­
дов металлов переменной валентности.
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное
время, поскольку он связан с явлением электропроводности.
Электрохимический пробой во многом зависит от материала
электродов.
Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для од­
ного и того же материала в зависимости от характера электрического
поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или вы­
сокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в частности за­
крытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия
напряжения.
Пробой тонкопленочных конденсаторов имеет ряд отличий от
пробоя массивных образцов. К тонким пленкам относятся слои с
толщиной не выше 10 мкм, нанесенные на полупроводниковую или
диэлектрическую подложку.
В тонкопленочных структурах может наблюдаться эффект
«самозалечивания», когда конденсатор после пробоя сохраняет
работоспособность. Причиной является то, что верхний электрод
43
канал
днэлектрн
НЭ
подложк
НЭ - нижний электрод; ВЭ - верхний электро;
Рисунок 5.5 - Тонкопленочный конденсатор до и после пробоя
разрушается на площади большей, чем канал пробоя и, следовательно,
место пробоя оказывается изолированным от остальной части
конденсатора. Более того, иногда многократные пробои могут
улучшить качество тонкопленочных конденсаторов, поскольку
пробои происходят по наиболее слабым местам в диэлектрике.
Другое отличие от массивных конденсаторов в том, что в
тонкопленочных структурах напряжение пробоя зависит от
полярности подаваемого напряжения, т.к. качество поверхности со
стороны подложки и со стороны верхнего электрода неодинаково.
5 3 Потери в диэлектриках
При воздействии переменного напряжения часть мощности
затрачивается в диэлектрике на поляризацию и на протекание
сквозного тока. При этом диэлектрик нагревается. Мощность,
рассеиваемая в пространство, составляет диэлектрические потери.
Потери энергии в диэлектриках вызваны протеканием в них двух
видов активных токов - сквозного тока (объемного и поверхностного),
а
также
абсорбционного
тока
(вызванного
замедленной
поляризацией). В неполярных диэлектриках потери вызваны только
электропроводностью, а в полярных - электропроводностью и
дипольной поляризацией. Поворот во внешнем электрическом поле
диполей приводит к разогреву диэлектрика за счет трения частиц.
Ток абсорбции протекает только при изменении напряженности
электрического поля. Вследствие инерционности релаксационных
(замедленных) видов поляризации токовое равновесие в диэлектрике
устанавливается не сразу после подачи напряжения, так же как не
сразу падает до нуля после отключения питания.
Отставание поляризованности диэлектрика от изменения
напряженности электрического поля приводит к сдвигу фаз между
током и напряжением в цепи, содержащей конденсатор.
44
и
■>
о,
У
Эквивалентная схема диэлектрика с потерями (а) и векторная
диаграмма токов, протекающих через диэлектрик при переменном
напряжении (б)
Рисунок 5.6 —Эквивалентная схема диэлектрика
Количественной мерой потерь в диэлектрике служит тангенр угла
диэлектрических потерь &
На векторной диаграмме токов, протекающих через конденсатор
с диэлектриком при переменном напряжении, емкостной ток
опережает напряжение по фазе на угол 90° и поэтому не создает
потерь мощности в диэлектрике.
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий
до 90° сдвиг фаз между током и напряжением. Тангенс угла
диэлектрических потерь 8 численно равен отношению активной 1А и
реактивной 1с составляющей тока и используется для расчетов
выделяющейся в диэлектрике мощности РА:
1С
кл
<*сКА
рл = ША =ц 2а с щ8
где Кл, Кс - активное и реактивное сопротивление диэлектрика;
со- угловая частота приложенного напряжения ( со = 2т$ );
V - приложенное напряжение;
С - емкость конденсатора.
Таким образом, в твердых диэлектриках существуют два
основных
вида
потерь:
потери
на
электропроводность
и
релаксационные потери.
45
Если в диэлектрике
наблюдаются в основном потери на
I
электропроводность, то для вычисления (%8 можно использовать
формулу
1е8=
где € и €о — диэлектрическая проницаемость диэлектрика и
относительная диэлектрическая проницаемость;
р - удельное сопротивление;
/ —частота приложенного напряжения.
Температурная
и
частотная
зависимости
потерь
на
электропроводность приведены на рисунке 5.6 Ход зависимостей
очевиден из формулы и из того факта, что сопротивление диэлектрика
экспоненциально спадает с ростом температуры.
Рисунок 5.7 —Частотная и температурная зависимость 1$ 8 при
потерях на электропроводность
й < /:
•I
Т
Рисунок 5.8 - Частотная и температурная зависимость
релаксационных потерях
46
8 при
Релаксационные потери проявляются при достаточно высоких
частотах, когда сказывается отставание поляризации от изменения
поля. При этом зависимость 1$6 от частоты и температуры
немонотонна.
Пусть 3» - время релаксации какого-либо замедленного вида
поляризации, например дипольного, т.е. То - время, необходимое для
ориентации
диполя
под
действием
электрического
поля.
Максимальное значение
будет иметь при условии
г0 = Г/2,
где - Тпериод колебаний внешнего поля.
Время т зависит от температуры образца (уменьшается при
повышении температуры), а Т определяется частотой приложенного
напряжения.
При низких частотах отставания поляризации от изменения поля
практически не существует, значит нет и релаксационных потерь. При
очень высоких частотах, когда т » Т / 2 , диполи не успевают
0
полностью развернуться, и следовательно, 1%8 опять будет мал.
В большинстве диэлектрических материалов, за исключением
неполярных, наблюдаются оба рассмотренных вида потерь. Случай
такой частотная и температурная зависимости
представлен на
рисунке 5.9
т
Рисунок 5.9 - Частотная и температурная зависимость 1&6 в
полярных диэлектриках
Для диэлектриков, применяемых при высоких частотах, значение
должно составлять КГ1- 1 0 '.
47
5.4 Примеры решения задач
Пример 1
Между пластинами плоского конденсатора без воздушных
промежутков зажат лист диэлектрика толщиной к = 1 мм. На
конденсатор подано напряжение
V = 200 В . Определить
поверхностную плотность заряда на пластинах конденсатора <т,и на
диэлектрике <г1 . Диэлектрическая проницаемость равна шести.
Решение
Вследствие поляризации диэлектрика при подключенном
источнике постоянного напряжения на пластинах конденсатора
удерживается дополнительный заряд <7д , так что
0 \—Од 4* <У0
,
где а 0 = е 0Е - поверхностная плотность заряда на пластинах
конденсатора в отсутствие диэлектрика.
Тогда
а , = е 0еЕ = е 0е О /к = 8,85 •10 ~12 •6 -200/10 ' 5 = 10' 5Кл/м2;
<тд = Р = е 0е Е - е 0Е = 8,85 •10' 12 •5 •200/10 ' 3 = 8,85 •10^ Кл/м2.
Пример 2
Композиционный термокомпенсированный (т.е. материал с
температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости
равным нулю) керамический материал изготовлен на основе двух
диэлектриков с диэлектрическими проницаемостями е , = 4 0 ; е г = 80
и а е] = 2-10 -4 К-1; а , 2 = -1,5-1 (Г 3 К-1. Предполагая хаотическое
распределение
компонентов, определить
диэлектрическую проницаемость ее.
состав
керамики
Решение
Используем формулу Лихтенеккера
1п г = @, 1п с, + 0 21п е 2,
где 0 , и 0 , - объемные концентрации компонентов.
48
и
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости
композиционного
диэлектрика
можно
вычислить,
продифференцировав формулу Лихтенеккера
« , - © . * , ! + © 2*,*Так как материал термокомпенсированиый, ягг=О.
Решая систему уравнений
# &га п = °*
0 , + 0 , = 1,
находим 0 . = — — — = 0,882, 0 , =0 , 112.
* п “ <*.у
Из формулы Лихтенеккера, подставляя 0 , и 0 , , получим г =43.4.
Пример 3
Две противоположные грани куба с ребром а = 10 мм из
диэлектрического материала с удельным объемным сопротивлением
Ру - Ю10Ом м и удельным поверхностным сопротивлением р 5 = 10
Ом на квадрат покрыты металлическими электродами. Определить
ток. протекающий через эти грани куба при постоянном напряжении
|| 1 2 кВ.
Решение
Электрический ток протекает как через объем куба, так и по
поверхности четырех боковых граней. Поэтому сопротивление между
электродами определяется параллельным соединением объемного
сопротивления и поверхностных сопротивлений четырех граней. Так
как объемное сопротивление вычисляется по формуле /?„ = р у —. а
поверхностное сопротивление определяется как
где 1,(1,5 - длина, ширина и площадь поперечного сечения
образца.
49
В нашем случае
О _ ГУ® __ Ру Ш
, Л|2/ч
К - — т~= — = —------ г = Ю Ом,
а2
а
10-10
К 51 = ^ 5 2 = Л 53 = Л 5 4 =
Полное
поверхностное
= А
а
=
сопротивление
Ю " 0 М
/?с =
л
,
а
полное
4
сопротивление между электродами
+Л 5
- 2,44 - 10,° 0 м
Ток между электродами / = — = 8,2 •10 "8А.
Киз
Пример 4
В дисковом керамическом конденсаторе емкостью 100 пФ,
включенном на переменное напряжение 100 В частотой 1МГц,
рассеивается мощность Рд = 1 0 ' 3Вт. Определить удельные потери в
диэлектрике, если его диэлектрическая проницаемость равна 150,
электрическая прочность Епр = 10 МВ/м и запас по электрической
прочности К = 10.
Решение
Удельные
потери
рассчитываются
диэлектрика конденсатора
на
объем
рабочего
Р
р =—
5Л
где 5 , Л
соответственно.
Толщину
ооеспечения
площадь
оокладки
диэлектрической
электрической
и
пленки
прочности:
Е к
толщина
находим
п
из
р и
К = —— = --пр
V
V
постоянного напряжения или К ——-у=- для переменного.
50
диэлектрика
условия
для
,
(/л/2К
100Л -10
Н= ----------= ----------- — = 1 ,4 2 1 0
Е пр
10-10
м
Площадь обкладок может быть определена из выражения для
емкости плоского конденсатора:
^
е 0е
^ 0 0 10-'2 М 2 Ш ^ = 1 0 7 . 10_5м2
8,85 •10-12 150
Отсюда р = 6,58 •105Вт/м3.
Пример 5
На пластину пьезоэлектрического кварца толщиной
х
вдоль оси
действует механическое напряжение
Л = 1мм
< т ,= 10^Н/м.
Определить разность потенциалов между противоположными
плоскостями пластины, если в направлении оси X пьезомодуль
продольного
пьезоэффекта
</„ = 2,3 1 0 ', 2Кл/Н.
Диэлектрическая
проницаемость кварца равна 4,6.
Решение
В соответствии с уравнением прямого пьезоэффекта Рх~(1иО\.
Для
плоского
однородного
диэлектрика
при
равномерной
механической нагрузке заряд на поверхности равен (7 = Р5 . Разность
потенциалов между плоскими гранями определим, воспользовавшись
зависимостью между величиной емкости конденсатора, площадью его
О
г
обкладок и разностью потенциалов на них: С =— , а также с — ^ ,
-
..
0 _
С
_ 2,3 10
т
10
10
_ ^ц ц
8,85-10 "'2 -4,5
Пример 6
Конденсатор емкостью 200 пФ, изготовленный из пленки
полистирола, заряжен до напряжения 100 В , а затем отключен от
источника напряжения. Измерения, проведенные через 5 суток,
показали, что на выводах конденсатора сохранилось напряжение 10 В.
Пренебрегая поверхностной утечкой, определить сопротивление
51
объемное сопротивление
пилмсивраи. Дигмкжтрмческая проницаемость полистирол* рим а 2,5*
имш цмй
коииенсагора
и
удельное
Решение
1ж
И ш енсние нанряженм* ма выводах конденсатора в процессе
^ м о р ^ зр ш ош ксуааггс! выражением
;0>- напряжение, до которого был заряжен конденсатор
тостоянная времени конденсатора
Прологарифмировав выражение, получим
1п4/с ( 0 ■ 1п(/с ( 0 ) - —
I
Огеюда Кш <•----- г _ ...
~
.
5 2 4 -3 6 0 0
п -------- ---------- 7_ _ ^ ш9(4 ю Р 4Ом.
л
Ш И Т*
Т«* как /гмС
Л с
М
52
= 8 .4 Ю15Ом м
, 4
л
6 Магнитные материалы
Магнитные свойства материалов характеризуются петлей
гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью,
потерями энергии при перемагничивании.
Электротехнические материалы, применяемые в технике с учетом
их
магнитных
свойств,
разделяют
на
магнитомягкие
и
магнитотвердые.
Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к
механическим свойствам материала. Некоторые механически твердые
материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие
материалы могут относиться к магнитотвердым. Основанием для де­
ления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые
являются следующие особенности. Процессы намагничивания мате­
риалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происхо­
дит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных
моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на тре­
тьем - парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение гра­
ниц доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы
вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких
материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения
границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются
преимущественно за счет поворота самих доменов.
а. б - магнитомягких материалов (округлая петля), в - магнитомягких
материалов (прямоугольная петля); магнитотвердых материалов
Рисунок 6.1 - Петли гистерезиса
Форма петли гистерезиса обеих групп материалов (рисунок 6.1),
индукция насыщения Вх и остаточная индукция Вс примерно
одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Нс достигает очень
большого значения. Так, для магнитотвердых материалов наибольшая
коэрцитивная сила Нс = 800 кАУм, а для магнитомягких материалов
наименьшая коэрцитивная сила Нс = 0,4 А/м, т.е. различие составляет
2-106 раз.
53
Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято раз­
деление на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной
силы # с, поэтому способны намагничиваться до насыщения даже в
слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:
- узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких
значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс < 4
кА/м (см. рисунок 6.1, а, б, в);
- однородность структуры;
- минимальные механические напряжения;
- минимальное количество примесей и включений;
- незначительная кристаллографическая анизотропия.
Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса при­
меняют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитные
материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для
изготовления устройств магнитной памяти.
Магнитотвердые материалы имеют большие значения ко­
эрцитивной силы # с, трудно намагничиваются, но способны дли­
тельное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой
петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Нс > 4 кА/м
(рисунок 6. 1, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в
небольших объемах магнитного вещества.
Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоян­
ных магнитов. Особую группу составляют материалы особого
назначения, которые имеют сравнительно узкую область применения.
К магнитотвердым материалам относится магнитные материалы с
широкой гистерезисной петлей и большой коэрцитивной силой Нс
(рисунок 6. 1, г).
Основными характеристиками магнитотвердых материалов яв­
ляются коэрцитивная сила # с, остаточная индукция Д., максимальная
удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство
^тах- Магнитная проницаемость /л магнитотвердых материалов зна­
чительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный
материал, т. е. чем выше его коэрцитивная сила Нс, тем меньше его
магнитная проницаемость.
Влияние температуры на величину остаточной магнитной
индукции Вп которая соответствует максимальному значению
магнитной индукДии для данного материала В ,^ оценивается
температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции (К '1)
54
где (вг), и (Вг)2 - значения остаточной Индукции материала при
температурах Т| и Тг соответственно.
Максимальная
удельная
магнитная
энергия
Птм
является
важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых
материалов. Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м
П т п= (В Н ) ты12
Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически
не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все
магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и маг­
нитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования маг­
нитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе
создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации,
магнитное поле в котором используют для технических целей.
Магнитный поток постоянного магнита с течением времени
уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение
может быть обратимым и необратимым.
В случае обратимого старения при воздействии на постоянный
магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних
постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной
индукции Вг на 1...3%; при повторном намагничивании свойства таких
магнитов восстанавливаются.
Если со временем в постоянном магните произошли структурные
изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого
старения.По назначению магнйтотвердые материалы подразделяют на
материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хра­
нения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).
По составу и способу получения магнитотвердые материалы
подразделяют на налитые, порошковые и прочие.
Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют ос­
новой сплавы железо-никель-алюминий (Ре-№-А1) и железо-никелькобальт (Ре-№-Со) и являются основными материалами для
изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к преци­
зионным, так как их качество в решающей степени определяется
строгим соблюдением технологических факторов.
Магнитотвердые литые материалы получают в результате дис­
персионного твердения сплава при его охлаждении с определенной
скоростью от температуры плавления до температуры начала распада.
В процессе твердения происходит высокотемпературный распад
твердого раствора на /?-фазу и /?2-фазу. /?-фаза близка по составу к
чистому железу, которое обладает сильно выраженными магнитными
свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной
толщины. /?2-фаза близка по составу к интерметаллическому
соединению никель-алюминий ЫьА 1, обладающему низкими маг­
нитными свойствами.
В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы
/52 с однодоменными сильномагнитными включениями фазы $ ,
которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не
применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наиболее
распространенными являются сплавы железо-никель-алюминий,
легированные медью Си и кобальтом Со.
Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на
наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих
металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы,
которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы
железо-никель-алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.
Бескобальтовые сплавы
обладают относительно низкими
магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.
Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий,
которые требуют материалов с относительно высокими магнитными
свойствами и магнитной изотропностью.
Высоко кобальтовые сплавы представляют собой сплавы с
магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, со­
держащие кобальта более 15 %.
Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлажде­
ния сплава в магнитном поле с напряженностью 160...280 кАУм от
высоких температур 1250... 1300 °С до температуры приблизительно
500 °С. Полученный сплав приобретает улучшенные магнитные
характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал
становится магнитоанизотропным.
Для сплавов, содержащих 12 % кобальта, термомагнитная обра­
ботка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20 %, а для
сплавов, содержащих 20...25 % кобальта, - на 80 % и более.
Термомагнитная обработка повышает температуру начала дис­
персного распада с 950 °С в сплаве без кобальта до 800 °С в сплаве,
содержащем 24 % кобальта.
56
В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых
сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 °С до
850 °С.
Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий
охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой
макроструктурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в
направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные
свойства сплавов. Магнитная энергия повышается на 60...70 %.
Увеличиваются коэрцитивная сила Нс, остаточная магнитная
индукция Вг и коэффициент выпуклости кривой размагничивания
материала:
ВН е
Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для
изготовления малогабаритных магнитных изделий, требующих
высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.
Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая
твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую
обработку.
Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты).
Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготов­
ления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их
подразделяют
на
металлокерамические,
металлопластические,
оксидные и микропорошковые.
Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь
немного уступают литым магнитам, но дороже их.
Получают металлокерамические магниты в результате прессо­
вания металлических порошков без связующего материала и спекания
их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы
ЮНДК (сплав системы Ре-М -А!, легированный кобальтом); на основе
платины (Р 1-Со, РЧ-Ре); на основе редкоземельных металлов.
Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обла­
дают магнитными свойствами по параметрам Вг и П„ах на 10...20 %
ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спе­
ченного порошкового материала до 5 %; по механической прочности в
3...6 раз превосходят литые.
Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими
значениями коэрцитивной силы, которые в 1,5...2 раза выше Нс
57
бариевых магнитов; высокой стабильностью
максимальной удельной магнитной энергии
параметров;
сравнимы
по
со
сплавом ЮНДК24.
Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные
свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают
большим
электрическим сопротивлением, малой
плотностью,
меньшей стоимостью.
Получают
металлопластичные
магниты,
как
и
металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют
вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур,
необходимых для полимеризации связующего вещества.
Оксидными магнитами являются магниты на основе ферритов
бария ВОбРегОз и кобальта СоОРегОз
Бариевые магниты обладают следующими свойствами:
- значения остаточной магнитной индукции в 2...4 раза
меньше, чем у литых магнитов;
- большая коэрцитивная сила, что придает им повышенную
стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и
толчков;
- плотность примерно в 1,5 раз меньше плотности сплавов типа
ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;
- удельное электрическое сопротивление в миллионы раз выше,
чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария
используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных
полей;
- не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по
стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из
сплавов ЮНДК.
К недостаткам бариевых магнитов относят:
- плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);
- оольшую зависимость магнитных свойств от температуры
(температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВГ в
10 раз больше, чем ТКВГлитых магнитов);
- эффект необратимой потери магнитных свойств после
охлаждения магнита до температуры - 60 °С и ниже (после
охлаждения и последующего нагревания до первоначальной
температуры магнитные свойства не восстанавливаются).
В отличие от технологии изготовления магнитомягких ферритов
после второго сухого помола для лучшего измельчения частиц
исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу
отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном
58
поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке
воды. После прессования изделие размагничивают, для чего
включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с
намагничивающим током направление.
Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют
также сухое прессование.Промышленность выпускает бариевые
изотропные БИ и бариевые анизотропные Б А магниты.
Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:
- более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;
температурный гистерезис, т. е. зависимость магнитных свойств от
температуры, который проявляется не в области отрицательных
температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до темпе­
ратуры выше 80 °С;
- из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их
часто крепят с помощью клея; высокая стоимость.
Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от
технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной
обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до
температуры 300 °С ...350 °С в течение 1,5 ч и охлаждении в
магнитном поле в течение 2 ч.
Магниты из микропорошков Мп-В 1 получают прессованием
специально
подготовленного
микропорошка.
Для
этого
марганцевовисмутовый сплав (23 % Мп; 77 % ВО подвергают механи­
ческому дроблению до получения частиц однодоменных размеров
(5...8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют
ферромагнитную фазу М п-В 1 от немагнитных частиц марганца и
висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной
фазы при температуре примерно 300 °С в магнитном поле получают
магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой
ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные
свойства только до температуры не ниже 20 °С (при понижении
температуры свойства быстро ухудшаются и для их восстановления
необходимо
повторное
намагничивание),
что
существенно
ограничивает их применение. Железные и железокобальтовые
магниты из микропорошков Ре и Ре-Со изготавливают с применением
химических способов получения частиц нужного размера (0 ,01 ...0, 1).
Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают
раствором смол. Пропитка повышает коррозионную стойкость
железосодержащих магнитов.
Прочие магнитотвердые материалы. К этой группе относятся
материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пласти­
59
чески деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для
магнитных носителей информации, жидкие магниты. Пластически
деформируемые
сплавы
обладают
хорошими
пластическими
свойствами; хорошо поддаются всем видам механической обработки
(хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на всех
металлорежущих станках); имеют высокую стоимость.
Кунифе - медь-никель-железо (Си-М -Ре) обладают анизот­
ропностью (намагничиваются в направлении прокатки).
Применяются в виде проволоки с малым диаметром и
штамповок.
Викаллой - кобальт-ванадий (Со-У) получают в виде высоко­
прочной магнитной ленты и проволоки. Из него изготавливают также
очень мелкие магниты сложной конфигурации.
Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой
основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого
материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего
используют феррит бария. Они позволяют получать изделия любой
формы, которую допускает технология изготовления деталей из ре­
зины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами,
штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.
«Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной
памяти для ЭВМ , для отклоняющих систем в телевидении, коррек­
тирующих
систем.
Магнитные
носители
информации
при
перемещении создают в устройстве считывания информации
переменное магнитное поле, которое изменяется во времени так же,
как записываемый сигнал.
Магнитные материалы для носителей информации должны от­
вечать следующим требованиям:
высокая остаточная магнитная индукция Вг для повышения
уровня считываемого сигнала;
1
для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к
потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Нс
должно быть как можно более высоким;
для оолегчемия процесса стирания записи желательна малая
величина коэрцитивной силы Н С9 что противоречит предыдущему
требованию;
большие
аып
значения
/В гЩр9 что
коэффициента
удовлетворяет
сочетанию
выпуклости
требований
высокой остаточной магнитной индукции Вг и минимальной
чувствительности к саморазмагничиванию;
высокая температурная и временная стабильность магнитных
60
свойств.
Материалы для магнитных носителей информации представляют
собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых
материалов,
сплошные
металлические,
биметаллические
или
пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносятся на
ленты, металлические диски и барабаны, магнитную резину и др.
Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием магнитными
порошками зависят:
- от свойств исходных материалов (остаточная намагниченность
порошка должна быть возможно более высокой);
- степени измельчения частиц (размеры частиц колеблются от
долей микрометра до единиц микрометров);
- объемной плотности магнитного материала в рабочем слое;
ориентации частиц с анизотропией формы; толщины рабочего слоя
порошка (он должен быть максимально тонким);
- свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гиб­
кой для обеспечения максимального магнитного контакта между
ш
магнитными материалами ленты и устройствами считывания).
Несмотря на то, что ленты на пластмассовой основе обеспечи­
вают меньший сигнал по сравнению с лентами на металлической
основе, они находят наиболее широкое распространение. В качестве
основы для таких лент используют ацетил целлюлозную или
лавсановую ленту толщиной 20...50 мкм, которую изготавливают
гибкой и гладкой, так как шероховатость может быть причиной
шумов при записи и воспроизведении сигнала. В качестве магнитных
порошков используют оксиды железа Ре20 3 и Ре3О ь магнитотвердые
ферриты, железоникельалюминиевые сплавы, которые являются
доступными и дешевыми материалами.
Жидкие магниты представляют собой жидкость, наполненную
мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие
магниты на кремнийорганической основе не расслаиваются под
действием даже сильных магнитных полей, сохраняют работоспо­
собность в диапазоне температур от - 70 °С до + 150 °С.
Основным видом потерь в магнитомягких материалах являются
потери на вихревые токи, которые для листового образца про­
порциональны квадрату частоты перемагпичивания. Это явление
связано с магнитным поверхностным эффектом, суть которого со­
стоит в следующем. В магнитомягком материале магнитное поле
вытесняется в поверхностные слои листа и магнитная индукция рас­
пределяется в сечении листа так, что центральная часть намагни­
чивается слабее, чем поверхностные слои. При этом магнитная
•/
61
■
- з
-
•
«/
индукция снижается тем больше, чем выше частота перемагничивания.
Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо:
снижать толщину отдельных листов магнитного материала, так
как при уменьшении толщины листа магнитный поверхностный
эффект проявляется слабее;
| применять магнитные материалы с повышенным удельным
электрическим сопротивлением, так как чем оно больше, тем на более
высоких частотах можно использовать материал.
Магнитно — мягкие материалы, обладая высокой магнитной про­
ницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на
гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов,
электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где
необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей
индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах
используют магнитно-мягкие материалы с повышенным удельным
электрическим сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы,
собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.
Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чистое железо
обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы,
марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные
свойства. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому
сопротивлению технически чистое железо используется довольно редко,
в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна
в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание
примесей до 0,08-0,1% . За рубежом такой материал известен под
названием «армко-железо».
Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь —это одна
из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов
толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04 % углерода и не свыше
0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной
проницаемости для различных марок - не менее 3500—4500, коэрцитивная
сила - соответственно не более 100-65 А/м.
Особо чистое железо, содержащее "весьма малое количество
примесей (менее 0,05 %), может быть получено двумя сложными путями,
в результате которых получают :
1)
Электролитическое ж елезо изготовляют электролизом раствора
сернокисло1 о или хлористого железа, причем анодом служит чистое
железо, катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо
(толщина слоя 4^6 мм) после тщательной промывки снимают и
измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего производят
вакуумный отжиг или переплавку в вакууме;
2) Карбонильное ж елезо получают термическим разложением
пентакарбонила железа согласно уравнению Ре(СО )6 = Ре + 5СО.
Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую
воздействием окиси углерода на железо при температуре около 200 °С и
давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого
порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных
высокочастотных магнитных сердечников.
Листовая электротехническая сталь является основным магнитно­
мягким материалом массового потребления. Введением в состав этой
стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что
дает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, присутствие в стали
кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти
полному раскислению стали. Это дает увеличение цн, уменьшение Не и
снижение потерь на гистерезис. Вместе с тем кремний неблагоприятно
влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и
затрудняя прокатку в листы и штамповку. При содержании кремния до 4
% сталь обладает еще достаточно хорошими механическими свойствами,
но при содержании кремния выше 5 % она становится очень хрупкой.
Путем комбинированной горячей и холодной прокатки кремнистой стали
и особой термической обработки можно изготовить текстурованную
сталь крупнокристаллического строения, причем кристаллы оказываются
ориентированными таким образом, что ось их легкого намагничивания
совпадает .с направлением прокатки. Магнитные свойства такой стали в
направлении прокатки значительно выше, чем стали, не подвергавшейся
подобной обработке.
Высоколегированная сталь находит применение главным образом
для сердечников трансформаторов. Применение этой стали в силовых
трансформаторах позволяет уменьшить массу и габаритные размеры
на 20-25 % , а в радио трансформаторах - на 40 %.
К характеристикам электротехнической, стали относятся:
1) магнитная индукция В с числовым индексом, который опре­
деляет соответствующую напряженность магнитного поля (кА/м);
2) суммарные удельные потери мощности в ваттах на килограмм
стали (отдельные листы стали изолированы друг от друга), нахо­
дящейся в переменном магнитном поле, обозначаемые буквой Р с
индексом в виде дроби, числитель которой представляет собой
амплитудное
в теслах, а знаменатель '•г * значение магнитной индукции
ЬщЛшлГ
частоту в герцах.
я *#
Д.
■
............ -
- ■•
63
Пермаллои. Это железоиикелевые сплавы, обладают весьма
оольшои начальной магнитном проницаемостью в ооласти слаоых
полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и
магиитострикции. Различают высоко никелевые и низконикелевые
пермаллои. Высоко никелевые пермаллои содержат 7 2 -8 0 % N1,
низконикелевые 4 0 -5 0 % N 1.
теристики пермаллоев. Изменение основных магнитных
свойств и удельного сопротивления сплавов железо-никель в
зависимости от содержания никеля показано на рис. 9-14. Наиболь­
шим значением максимальной магнитной проницаемости обладает
сплав, содержащий 78,5 % N1. Очень легкую намагничиваемость
пермаллоев в слабых полях объясняют практическим отсутствием у
них
анизотропии.
Магнитные
свойства
пермаллоев
очень
чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от
химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также
очень резко меняются от режимов термообработки материала
(температуры, скорости нагрева и охлаждения, состава окружающей
среды и т. д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев
сложнее, чем низконикелевых. Индукция насыщения высоко
никелевых
пермаллоев
почти
в два
раза
ниже,
чем
у
электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у
низконикелевых пермаллоев. Магнитные проницаемости высоко
никелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых,
и намного превосходят проницаемости электротехнических сталей.
Удельное сопротивление высоко никелевых пермаллоев почти в 3 раза
меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах
предпочтительно использовать низконикелевые пермаллои. Кроме
того, и магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с
увеличением частоты, и тем резче, чем больше ее первоначальное зна­
чение Это объясняется возникновением в материале заметных вихре­
вых токов из-за небольшого удельного сопротивления. Стоимость
пермаллоев определяется содержанием в их составе никеля.
Влияние
легирующих
добавок.
Для
придания
сплавам
необходимых свойств в состав пермаллоев вводится ряд добавок.
Молибден и хром повышают дельное сопротивление и начальную
магнитную
проницаемость
пермаллоев
и
уменьшают
чувствительность к механическим деформациям. К сожалению,
одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь
увеличивает постоянство р, в узких интервалах напряженности
магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное
сопротивление, а также делает
сплавы легко поддающимися
64
механической обработке. Кремний и марганец в основном только
увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.
Альсиферы. Сплавы железа с кремнием и алюминием.
Оптимальный состав альсифсра: 9,5 % 81, 5,6 % А1, остальное Ре. Такой
сплав отличается твёрдостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в
виде фасонных отливок. Основные свойства альсифера: |1н= 35500, цмакс
= 120000, Нс = 1,8 А/м, р = 0,8 мкОм • м, т. е. не уступают свойствам
высоконикелевых пермаллоев. Изделия из альсифера: магнитные
экраны, корпусы приборов и т. д. изготовляются методами литья с
толщиной стенок не менее 2 -3 мм из-за хрупкости сплава. Эта
особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря
хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать
наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных
прессованных сердечников.
Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей
магнитных материалов, предназначенных для использования при
повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим
удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым
тангенсом угла магнитных потерь. Магнитодиэлектрики получают
путём прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей
зёрна друг от друга органической или неорганической связкой. В
качестве основы применяют карбонильное железо, размолотый
альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолоформальдегидные
смолы, полистирол, стекло и т. п. От основы требуется наличие высоких
магнитных свойств, от связки - способность образовывать между
зёрнами сплошную, без разрыва электроизоляционную плёнку. Такая
плёнка должна быть по возможности одинаковой толщины и должна
прочно
связывать
зёрна
между
собой.
Магнитодиэлектрики
характеризуют эффективной магнитной проницаемостью, которая
всегда меньше р. ферромагнетика, составляющего основу данного
магнитодиэлектрика. Это объясняется двумя причинами: наличием
неферромагнитной связки и тем, что магнитную проницаемость
магнитодиэлектриков
часто
приходится
измерять
у
готовых
сердечников, а не у тороидов.
6.1 Примеры решения задач
Пример 1
При насыщении магнитная индукция чистого железа В = 2,2 Тл.
Учитывая, что элементарная ячейка кристаллической решетки железа
представляет собой объемно-центрированный куб с ребром а = 0,286
нм, рассчитать магнитный момент, приходящимся на один атом железа
( б магнетонах Бора).
Решение
Индукция
насыщении
внутри
В = //0(// + ). При магнитном
Н « Щ . Поэтому намагниченность
материала
ферромагнетиков
ж1
*% ^
• С другой стороны, |М = N •Мл| Число атомов железа в
Яр
единице объема
где А. —кратность элементарной ячейки, т.е. число атомов,
приходящихся на одну ячейку.
В случае объемно-центрированного куба К = 2.
Магнитный момент, приходящийся на один атом:
Щ
2 ,2 - (0,2 8 6 - 1 0 ') '
СЩ I В Й =
1,26 - 10* ■2
I
1Ш
10
,
8 1 1 1
т.к. магнетон Бора величина постоянная и равная /лБ = 9 ,2 7 10 -24
Дж- Гл , то величина магнитного момента в магнетонах бора:
20,4 10 '24
М, = - ^ ----------= 2,21
Полученный результат показывает, что в кристаллической
решетке железа число нескомпенсированных спинов в расчете на
один атом меньше, чем в свободном атоме железа, магнитный момент
которого А/л = 4/л-.
'
Пример 2
В сердечнике трансформатора суммарные удельные магнитные
потери на гистерезис и на вихревые токи при частотах 1 и 2 кГц
составляют соответственно 2 и 6 Вт/кг (при неизменной
максимальной индукции В сердечнике). Рассчитать магнитные потери
на вихревые токи в сердечнике на частоте 2 кГц.
66
Решение
Суммарные потери за один цикл перемагничивания линейно
зависят от частоты
р = р г + рт= пв ; / 1 Щ Ш ,
где 77 , п и
коэффициенты, зависящие от свойств материала и
формы сердечника и не зависящие от частоты;
Вт — максимальная магнитная индукция
в сердечнике,
достигаемая при работе трансформатора.
Запишем д л я
двух
частот:
2
1 1 1 1ШШ =6
или
/7Я;-103+<2?;106 = 2
11 ■2•101111 •4•1Г 1 6
По условию задачи необходимо найти РТ2 - < Р ^ /22. Это легко
сделать
из
приведенной
системы
двух
уравнений
с
двумя
неизвестными пВ"
9 т и <ЙЙ.
ш
Пример 3
Найти
индуктивность
соленоида,
имеющего
200
витков,
намотанных на диэлектрическое основание, длиной / = 50 мм. Площадь
поперечного сечения основания я = 50 мм2. Как изменится
индуктивность катушки, если в нее введен цилиндрический ферритовый
сердечник, имеющий магнитную проницаемость
= 400?
Решение
Индуктивность соленоида, длина которого велика по сравнению с
диаметром
Ь0 = //0 —— = 50,2 мкГ н.
При введении магнитного сердечника индуктивность катушки
возрастает в // раз:
67
7 Композиционные материалы на немегаллическон основе
Композиционный материал - неоднородный сплошной материал,
состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно
выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые
механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую
совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение
армирующих
'акже прочностью связи между
зависят
компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить
прочную связь между компонент'ами при сохранении их первоначальных
характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и
матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий
исходные харак"1 еристики его компонентов, но и включающий свойства,
которыми изолированные компоненты не обладают. В частности,
наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей
существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в
отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к
снижению, а, как правило, к повышению характеристак вязкости
разрушения.
- "
Преимущества композиционных материалов:
- высокая удельная прочность;
ГПа)
- высокая износостойкость;
- высокая усталостная прочность;
Из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции,
причём, разные классы композитов могут обладать одним или
несколькими преимуществами.
Наиоолее частые недостатки композиционных материалов:
- высокая стоимость;
- анизотропия свойств;
'
повышенная
наукоёмкость
производства,
необходимость
специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно
развитого промышленного производства и научной базы страны.
Композиты многокомпонентные материалы, состоящие из
полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы
(матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных
кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и
свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения,
ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым
68
сочетанием
эксплуатационных
и
технологических
свойств.
Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные
композиционные материалы) или наполнителей различной природы
(гибридные композиционные материалы) значительно расширяет
возможное ги регулирования свойств композиционных материалов.
Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки
композиционных материалов.
По
структуре
наполнителя
композиционные
материалы
подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными
кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми
наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные
(с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в
ком позиционных материалах обеспечивает монолитность материала,
передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-,
влага-, огне- и хим. стойкость.
о
По природе матричного материала различают полимерны с
металлические, углеродные, керамические и лр. композиты.
Композиционные
материалы
с
металлической
матрицей
представляют собой металлический материал (чаше А1, М §, N1 и их
сплавы), упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые
материалы» или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не
растворяющимися
в основном
металле (дисперсно-упрочненные
материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные
частицы) в единое целое.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли
широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют
полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных
матриц
наибольшее
распространение
получили
эпоксидная.
фенолоформальдегидпая
и
полиамидная.
Угольные
матрицы,
коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических
полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию,
придавая ей форму. Упрочнит елями служат волокна: стеклянные,
углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов
(оксидов, карбидов, бо ридов, нитридов и других), а также металлические
(проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Композиционные
материалы
с
волокнистым
наполнителем
(у прочите лем) по механизму армирующего действия делят на
дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру
относительно невелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна
располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен
■
* I
69
микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем
выше степень упрочнения.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую
структуру, в которой каждый слой армирован большим числом
1шраллельных непрерывных волокон, каждый слои можно армировать
также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая
представляет
собой
исходную
форму,
по
ширине
и длине
соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в
трехмерные структуры.
•••*
Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов солее
высокими
значениями
временного
сопротивления
и
предела
выносливости (на 5 0 - 1 0 % ), модуля упругости, коэффициента жесткости
и пониженной склонностью к трещинообразов&нию. Применение
композиционных материалов повышает жесткость конструкции при
одновременном
снижении
ее
металлоемкости.
Прочность
композиционных (волокнистых; материалов определяется свойствами
волокон; матрица а основном должна перераспределять напряжения
между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль
упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и
модуль
упругости
матрицы.
Жесткие
армирующие
волокна
воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении,
придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Дзя упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные
волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов,
нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль
упругости. Для армирования титана и его сплавов применяют
молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида
титана. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается
армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой.
Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются
высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными
улрочнителями ДЛЯ высокопрочных И БЫСОкомодуДЫ1ЫХ волокнистых
композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида
и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.
Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой
прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны.
Однако волокна ь композиционных материалах уменьшают скорость
распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически
полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной
особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов
являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и
малая чу ветви гель? 1ость, к концентраторам напряжения. Анизотропия
свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при
конструировании легален для оптимизации свойств путем согласования
поля сопротивления с полями напряжения. Необходимо учитывать, что
матрица может передавать напряжения волокнам голь ко в том случае,
когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее
волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами
матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при
содержании ее не менее 1 5 -2 0 %. Матрица и волокно не должны между
собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при
изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению
прочности композиционного материала. Армирование алюминиевых,
магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами
бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно
повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов
является малая скорость разупрочнения во времени с повышением
температуры.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и
двумерным армированием является низкое сопротивление мсжслойиому
сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным
армированием.
В отличие от волокнистых композиционных материалов в
дисперсно-прочненных композиционных материалах матрица является
основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят
движение в ней дислокаций.
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 им при
среднем расстоянии
между
ними
100-500нм
и равномерном
распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости
от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону
аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных
металлов неодинаково, но обычно не превышает 5 -1 0 об. %.
Использование о качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких
соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов
и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле,
позволяет сохранить высокую •прочность материала до 0 ,9 -0 ,9 5 Т№ В
связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть
получены на основе большинства применяемых в технике металлов и
сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия С АП (спеченный алюминиевый порошок).
71
Матрицей в таких КМ служат терморгактивные плаегмасеы эхкжскдные, фенол фоомальдегадные смолы, полиамиды и др. Осношфо
часть КМ на неметаллической осноье составляют волокнистые
материалы. И х название обычно включает хар ак тер а таку наполнителя:
карбоволокниты. боро вол-жшгты, стеклошлокниты , орг аноаолокниты.
КМ на неметаллической основе (полимеры) имеют следукнцде
преимущества по сравнению с металлическими сшивами и КМ на
металлической основе:
- механические свойства - высокая тсдельная
прочность; высокая
Ш
\с гллостная прочности; хорошие антифрикционные и амортизационные
свойства; =
- химические свойства - высокая хн&м чес кая стойкость;
- технаюгические свойства - хорошая обрабатываемость;
- экономические свойства - дешёвые исходные материалы.
Общими недостатками КМ на полимерной основе являются: резкая
иотеря прочности при температурах вьиье 1 0 0 ...2 0 0 °С, горючесть,
отсутствие способности к сварке. Механические свойства волокиитов
указаны в таблице 1. .
Родоначальниками
КМ
на
полимерной
основе
лаш отоа
стглоюякниты. По удельной прочности они превосходят легированные
стали, сплавы алюминия, магния, титана. В ДВС на раде зарубежных
автомобильных фирм из стеклоаолокни гов изготавливают разнообразные
детали: детали гошшпно-подшещей системы (фирма 2еш)* крыльчатки
вентиляторов систем охлаждения, расширитель? 1 ые бачки радиаторов
(Роа1). головки цидиндроа, бензиновые баки (В М У , Он Р о т ),
Таблица 1 - Свойства однонаправленных КМ на неметаллической основе
л »
—
-т щ яш ш ш ш -т ю ш т ш т ’
I
! Марка ;
!
Состав
IСаросеоло«шит
гк м
Р
мь
КМО
КМС
к ,
и лог* |Модуль
г
_
.
г
| УПрЧ ГОСТ»
ИоСТЬ
1 _
} ^
I Р*
гп
«
м
я
т
V- я » - * »
«ча р в»и
( Предел
I Г
;
1 проч*
I НОСТМ
-о*я*и|^
1«
Пледей
I1 ВЫНО-
1 ■
^
(
шр,
^ $4 ' ’
Е, ГПа
|
- 1ГТ
сливости
п 1
I ев. МПа I . . 1П
9 I----------- ---------------------- - 1 о-|,МПа
1И,;у {
трастаженис)
|
| 1-40 Г|
20
| 650-
I
I1 Ьороюлокнлт
г „ п .- - ,,.и .,- г
1
2.1 ! 2 10-260
! *
|
I
1 Органовс пюкнкг { 1,25 Г
35
|Сте&доаояожнит | 2Д
Г
70
{
■■
■■ ■
; Э&О-КШ
ШШШ
т
й— I
т I
КООО
900- 1300-500 1 >
1300 ! ,
.
} 650-700 1
100 Ж}
)00
~
*Т 6
~!
I
8
•
В кардо'еоп.окн?■т ах (р * 1,4. Л 1,55 т/м^) ло ти мерная матрица
армирована углеродными волокнами, в бороволокнитах - бором. Эти
два типа КМ отличаются высоким модулем упругости, высокой
прочностью и выносливостью.
Бороволокниты отличаются высокой усталостной прочностью,
специфическими
химическими
свойствами:
стойкостью
к
проникновению воды, органических растворителей, радиации, горюче
смазочных материалов. Бороволокниты применяют в авиационной и
космической
технике
для
изготовления
роторов,
лопаток
компрессоров, лопастей винтов, трансмиссионных валов вертолётов.
Карбоволокниты
отличаются
высокой
стойкостью
к
динамическим нагрузкам. Их применяют для тепловой защиты дисков
авиационных тормозов, а также как химически стойкий материал для
химической аппаратуры.
Применение в органоволокнитах в качестве наполнителя
синтетических волокон (капрон, лавсан, винол, полиамид) имеет
преимущество для снижения плотности КМ (до 1,15... 1,5 т/м^); при
этом также существенно снижают предел выносливости и модуль
упругости (вдвое ниже, чем у чистого алюминия). Однако эти КМ
отличаются стабильностью механических свойств при резком
перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок;
высокой химической стойкостью и диэлектрическими свойствами. Их
применяют в качестве изоляционного и конструктивного материалов в
электрорадиопромышленности, авиа- и автостроении (трубы, ёмкости
для агрессивных сред, покрытия корпусов).
Композиционными называют сложные материалы, в состав
которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые
или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в
материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам
(КМ) можно также дать следующее определение: это материалы,
представляющие собой твёрдое вещество, состоящее из матриц и
различных наполнителей, частицы которых особым образом
расположенные внутри матрицы, армируют её. Композиционный
материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать
ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом
условии есть смысл их применения.
Все КМ можно разделить на два вида: естественные и
искусственные. Примером естественных КМ могут служить стволы и
стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным
лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити
фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также
эвтектические сплавы.
73
Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ
на металлической основе), а также полимеры, углеродные и
керамические материалы (КМ на неметаллической основе).
Роль матрицы в КМ состоит в придании формы и создании
монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий
наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности
композита. Она передаёт напряжения на волокна и позволяет
воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие,
изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических
повреждений
и окисления.
Выбором
матрицы
определяется
температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей
из КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к
м е 1аллической, а далее —к углеродной и керамической.
КМ
с
комбинированными
матрицами
называют
пшашатричными. Для полиматричных материалов характерен более
обширный перечень полезных свойств. Например, использование в
качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность
КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон.
В соответствии с геометрией армирующих частиц различают
порошковые (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые КМ.
Порошковые композиты представляют собой смесь порошков
металлов и неметаллических соединений, которые образуют
дисперсно-упрочнённый сплав. Они отличаются изотропностью
свойств. В волокнистых композитах матрицу упрочняют непрерывно
и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые
композиты так же, как и металлические сплавы, имеют анизотропию
механических свойств.
В матрице равномерно распределены остальные компоненты
(наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют
наполнители, их часто называют упрочнигелями.
Основная функция наполнителя - обеспечить прочность и
жесткость КМ. Частицы наполнителя должны иметь высокую
прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть
нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими
веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно I карбид
кремния 5.С ), нитрид кремния (313 Ы4 ), стеклянные или углеродные
нити, волокна
проволока.
бора
(оороволокна),
стальная
или
вольфрамовая
По форме наполнители разделяют на гри основные группы
(рисунок 7.1.а): нульмерные, одномерные, двумерные.
74
Нульмерными
называют наполнители, имеющие в трёх
измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы).
Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух
направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем
измерении (волокна).
У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером
КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).
По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсноупрочнённые, слоистые и волокнистые.
Дисперсно-упрочнёнными
называют
КМ,
упрочнённые
нульмерными наполнителями; волокнистыми - КМ, упрочнённые
одномерными или двумерными наполнителями; слоистыми - КМ,
упрочнённые двумерными наполнителями.
По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с
одноосным, двуосным и трёхосным армированием (рисунок 7.1, б-г).
Для одноосного (линейного) армирования используют нуль­
мерные и одномерные наполнители (рисунок 7.1, в). Нульмерные
располагаются так, что расстояние между ними по одной оси
значительно меньше, чем по другим. В этом случае содержание
наполнителя
составляет
1—5
%.
Одномерные
наполнители
располагаются параллельно один другому.
При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль -,
одно - и двумерные наполнители (рисунок 7.1, в). Нульмерные и
одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях.
При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно
меньше, чем между плоскостями. При таком расположении
нульмерного наполнителя его содержание доходит до 15-16 %.
Одномерные наполнители находятся также в
параллельных
плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены
параллельно, а по отношению к другим плоскостям - под разными
углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.
При трёхосном (объёмном) (рисунок 7.1, г) армировании нет
преимущественного направления в распределении наполнителя.
Расстояние между нульмерными наполнителями одного порядка. В
этом случае их содержание может превышать 15—16 %. Одномерные
наполнители располагаются в трёх и более пересекающихся
плоскостях.
75
*
I
• л .ч .в;
г)
Рисунок 7.1
76
8 Композиционные материалы на металлической основе
Преимущества КМ на металлической основе по сравнению с
другими основами состоят в следующем:
- механические свойства - высокие значения характеристик,
зависящих от свойств матрицы (предела прочности и модуля упругости
в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон); высокая
пластичность,
вязкость
разрушения;
сохранение
прочностных
характеристик до температур плавления основного металла;
- физические свойства - высокая тепло- и электропроводность;
- химические свойства - негорючесть (по сравнению с КМ на
полимерной основе);
- технологические свойства высокая деформируемость,
обрабатываемость.
Наиболее перспективными материалами для матриц металлических
КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (А1, М§,
Л ), и сплавы на их основе, а также никель - широко применяемый в
настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных
сплавов.
В
порошковых
(дисперсно-упрочнённых)
КМ
на
металлической основе наполнителями служат дисперсные частицы
тугоплавких фаз — оксидов А12О 3 , 8 Ю2 и карбидов. Отличительная
особенность порошковых КМ, как было указано, состоит в изотропности
механических и физических свойств.
Примером порошкового КМ на металлической основе является
материал САП (спечённая алюминиевая пудра), состоящий из смеси
порошков алюминия и оксида алюминия (6 -2 2 %). В настоящее время в
двигателестроении из САГ1 изготавливают многие ответственные
детали: поршни, шатуны, тарелки клапанных пружин. САП имеет
высокую технологичность при деформации, сварке, резании; отличается
высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. В отличие от
жаропрочных алюминиевых сплавов они работают при температурах до
500 °С, а не до 300 °С.
Для изготовления деталей ГТД — дисков, лопаток, роторов применяют порошковые сплавы типа ВДУ (высокотемпературные
дисперсно-упрочнённые), представляющие собой смесь порошков
никель-хромового сплава и оксидов гафния (НГСЪ) или тория (ТЬ02)Сплавы ВДУ
получают методом механического легирования.
Жаропрочность и жаростойкость таких КМ выше, чем никелевых
сложнолегированных сплавов, получаемых как по традиционной
технологии,
гак
и
при
направленной
кристаллизации
поли кристаллических и монокристаллических сплавов.
77
В волокнистых КМ упрочпителями служат волокна и нитевидные
кристаллы чистых элементов или тугоплавких соединений (В, С, А Ь О з,
ЫС), проволоки. Волокна могут быть непрерывными или дискретными.
Объёмная доля колеблется от нескольких единиц до 80.. .90 %. Свойства
волокнистых КМ зависят от схемы армирования. Механическим
свойствам волокнистых КМ присуща анизотропия, поэтому при
изготовлении из них деталей волокна ориентируют так, чтобы с
максимальной выгодой использовать свойства композита с учётом
действующих нагрузок.
Сходе I во
первичной
структуры
чугуна
с
волокнистыми
композитами, основанное на морфологическом подобии дендритов
дискретным упрочняющим волокнам, замечено давно. Однако анализ
соответствия фактической структуры чугуна основным требованиям КМ
показал, что они либо выполняются не в полной мере, либо вовсе не
выполняются, не позволяя реализовать полномасштабное композитное
упрочнение. Так условие ов волок » о в мэтр, может частично
выполняться при сорбитной структуре первичных дендритных
кристаллов, но утрачивает смысл при выделении в дендритах феррита.
Другой принцип КМ, ограничивающий морфологию волокон по
длине и толщине соотношением 1/й> 100, в чугунах выполняется не в
полной мере, поскольку дендриты едва достигают нижних границ
указанного соотношения, и технических решений по увеличению их
длины пока нет. Важнейший принцип КМ, требующий прочной, но не
диффузной связи волокон с упрочняемой матрицей, в чугунах
практически не реализуется, и дендриты очень ограниченно участвуют в
работе разрушения чугуна, отслаиваясь без разрушения от малопрочной
матрицы.
Тем не менее, литейная технология позволяет хорош о освоенными
методами усилить сцепление дендритов с матрицей, например, за счёт
измельчения
эвтектических
ячеек,
снижения
разветвлённое™
графитовых
включений,
повышенного
содержания
фосфора,
формирующего монолитную кайму фосфидов вокруг эвтектических
ячеек и др. Эти частные решения, по отдельности и для других целей,
опробованные
литейщиками
с
положительными
результатами,
целесообразно использовать в комплексе по новому назначению для
усиления композитного упрочнения серого чугуна.
Принципиальное значение для конструктивной прочности чугунов
имеет необходимость
предотвращать
образование
феррита
дендритных ветвях, предупреждая катастрофическое разупрочнение
литых деталей.
78
В
чугунах
существуют
объективные
термодинамические
ограничения на использование упрочняющего легирования. При прочих
равных условиях менее легированный чугун с меньшим содержанием Щ
Мп, Сг будут иметь более однородную перлитную структуру, в том
числе и в дендритных ветвях, и, как следствие, лучшие прочностные
свойства. В таблице 2 приведены свойства некоторых волокнистых КМ
с металлической матрицей. Для примера даны свойства чистого
алюминия (нагартованный лист) и самого прочного легированного
сплава В95. Этот сплав упрочняется при старении и имеет предел
прочности 600 МПа, и предел выносливости - 155 МПа (сопротивление
циклическим нагрузкам). Создание КМ - введение в алюминий волокон
бора (КМБ) - повышает предел прочности почти на порядок по
сравнению с алюминием и вдвое по сравнению со сплавом В 9 5 ; при
этом втрое возрастает модуль упругости и вчетверо - предел
выносливости.
Таблица 2 основе
Марка
Свойства однонаправленных КМ на металлическом
________ _ _
Состав
Р
....................................—
А1
В95
ВКА
ВКУ
КАС
Предел
прочности
ов, МПа
Модуль
упругости
Е, ГПа
Плот­
ность
’
Предел
выносли­
вости о-1
МПа
(растяжение)
т/м3
Холодно- 1 2.70
катанный
Сплав А1, 1 2,72
150
71
в/р,
км
1
600
55
1200
950
1600
600
200
350
1
Шш 2п
А1-В
А1-С
А1стальная
прово­
лока
]
2,65
2,25
4,80
.
240
270
120
ммж —
—
———
—
—
——
— —
22
4
Г
1
■
5
44
33
1
1
I
1
Если же в качестве наполнителя используют стальную проволоку,
диаметр которой больше, чем.диаметр волокон бора или углерода, то
снижается модуль упругости, однако этот материал (КАС) имеет самый
высокий предел прочности и отличается значительно более высокой
удельной прочностью благодаря малой плотности. Для всех КМ характерен
высокий предел выносливости, свидетельствующий об их противостоянии
циклическим нагрузкам.. Прочность КМ в большой степени зависит от
прочности сцепления волокон с матрицей. Между матрицей и
наполнителем в КМ возможны различные типы связи*.
79
1) Механическая • связь, возникающая благодаря зацеплению
неровностей поверхностей матрицы и наполнителя, а также действию
трения между ними. КМ с механическим типом связи (например, Си Ш) имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном
сжатии;
_) Связь, ооесиечиваемая силами поверхностного натяжения при
пропитке волокон жидкой матрицей вследствие смачивания и
небольшого растворения компонентов (например, М&-В до 400 °С);
3) Реакционная связь, ооусловленная химическим взаимодействием
компонентов ( 1 1 и В ) на границе раздела, в результате чего образуются
новые химические соединения (ТШ 2);
4) Ооменно-ракционная связь, возникающая при протекании двух и
более стадийных химических реакций. Например, алюминий из
твёрдого раствора матрицы титанового сплава образует с борным
волокном А 1В 2, который затем вступает в реакцию с титаном, образуя
Т 1В 2 и твёрдый раствор алюминия;
5) Оксидная связь, возникающая на границе раздела металлической
матрицы и оксидного наполнителя (ЬН-АЬОз), благодаря образованию
сложных оксидов типа шпинели и др;
6) Смешанная связь, реализуемая при разрушении оксидных плёнок
и возникновении химического
компонентов (А1-В, А1-сталь).
и диффузионного
взаимодействий
Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей
осуществляется блаюдаря их взаимодействию и образованию очень
тонкого слоя (1 -2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами
и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные
покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом
фазы должны быть очень тонкими.Связь между компонентами и КМ на
неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой
адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные,
керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением,
поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией.
Вискеризация - это выращивание монокристаллов карбида кремния на
поверхности углеродных, борных и других перпендикулярно их длине.
Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют
«борсик».
Вискеризация
способствует
повышению
сдвиговых
характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения
свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объёмного содержания
нитевидных кристаллов до 4 -8 % повышает сдвиговую прочность в
1.5-2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 4 0 -5 0 %.
80
Контрольные вопросы
1. Какую структуру имеют металлы в твердом состоянии?
Приведите наиболее характерные признаки металлов.
2. Дайге определение прочности материала. Чем обусловлена
прочность материала?
3. Дайте определение таким теплофизическим свойствам как
теплопроводность и теплоемкость. Приведите размерность. Приведите
примеры
материалов,
обладающих
низкой
и
высокой
теплопроводностью.
4. Дайте определение деформации твердого тела. Чем отличается
упругая деформация от пластической?
5. Поясните природу электропроводности твердых тел. Какой
характеристикой оценивают электрическое сопротивление материалов?
Размерность.
6. Как и при каких условиях у некоторых материалов (веществ)
появляется
сверхпроводимость?
Приведите
примеры
веществ,
обладающих свойством сверхпроводимости.
7. Опишите процесс электрохимической коррозии металлов. Какой
из металлов будет разрушаться быстрее при контакте деталей из Ре и А1
в условиях повышенной влажности, и почему?
8. Испытаниям на растяжение подвергаются два одинаковых
образца из одного и того же материала, отличающихся состоянием
поверхности: у одного гладкая, у другого - шероховатая. Какай из них
прочнее?
9. Можно ли изготовить постоянные магниты из диэлектриков?
Полупроводников? Проводников?
10.
Какие
из
триботехнических
материалов
являются
конструкционными, какие нет?
11. В чем причина высоких тепло - и электропроводности
металлов?
12. Каков механизм разрушения металлов под действием внешней
нагрузки?
13. Как зависит размер зерна от скорости охлаждения расплава
металла?
14. Какие современные методы защиты металлов от коррозии вы
знаете?
15.
Почему
наибольшее
распространение
в
качестве
конструкционных материалов получили сплавы?
16. Полностью ли термин “сплав” отражает строение и технологию
получения
многокомпонентного
конструкционного
материала?
ш
81
17. Какова необходимость построения диаграмм состояния
сплавов? Каков принцип их посфоения?
18. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которого
практически не растворимы в твердом состоянии. Пример сплава с
подобным типом диафаммы.
19. Диафамма состояния сплавов с полной растворимостью
компонентов в твердом состоянии. Примеры сплавов.
20. Какой вид деформации необратим - упругая или пластическая?
21.
Диаграмма
состояния
системы
железо
углерод.
Характеристика фаз в системе железо - углерод.
22. Виды термической обработки стали. Какая закалочная среда |
види или масло - ооеспечнвает оолее высокую скорость охлаждения
изделия?
23.
Для
каких
видов
стальных
изделий
более
важна
прокаливаемость - для деталей шарикоподшипника или для стального
крепежа?
24. Почему в сталях содержится не более 2 % углерода?
25. Каковы методологические принципы маркировки сталей?
26. Как влияет технология получения изделий из пермаллоев на их
магнитные характеристики?
27. Какой тип магнитных материалов используют для изготовления
постоянных магнитов?
28. Какой тип магнитных материалов применяют для изготовления
носителей записи информации | лент, дисков?
29. В чем сущность эффекта механической памяти материалов?
30. В чем причина высокой коррозийной стойкости алюминия?
31. Почему силумины отличаются высокими литейными
качествами?
32. Назовите наиболее распространенные марки латуней.
33. Какие марки бронз вы знаете?
34. Каков принцип маркировки медных сплавов?
35. Классификация и структура полимеров.
36. В чем причина высокой гибкости полимерных молекул?
37. В чем различие понятий “термостойкость” и “теплостойкость”?
38. Какой основной процесс протекает при вулканизации каучука в
его молекулярной структуре? С
превратить каучук в эбонит?
помощью какой приме-си можно
39. Значительна ли роль герметиков в космической технике и
почему?
40. Какие основные требования предъявляются к клеям?
41. Какой керамический материал более прочный - мелко - или
крупнозернистый?
42. Что общего между алмазом и графитом?
43. Основные определения и классификация композиционных
материалов.
44. Назовите наиболее эффективные области применения
материалов в современном приборостроении.
45. Предложите безотходную технологию изготовления какогонибудь изделия.
46. Лакокрасочные покрытия. Состав. Свойства и область
применения.
47. Ситаллы. Структура. Технология получения ситаллов. Область
применения.
48. Неорганическое стекло. Структура. Технология получения.
49. Техническое стекло и его применение в микроэлектронике.
49. Дайте классификацию электротехнических материалов по
электрическим и магнитным свойствам.
51.
Классификация
и
основные
характеристики
полупроводниковых материалов.
52.
Охарактеризуйте
проводниковые
материалы
высокого
сопротивления.
53.
Охарактеризуйте
проводниковые
материалы
высокой
проводимости.
54. Дайте общие сведения и классификацию полупроводниковых
материалов.
55. Что такое “доноры” и “акцепторы” в полупроводниках.
56.
Охарактеризуйте
влияние
внешних
факторов
на
электропроводность
проводников.
Перечислите
и
кратко
охарактеризуйте газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.
57. Электрические свойства диэлектриков. Классификация и
основные характеристики магнитных материалов.
58. Что такое “поляризация" диэлектриков? Что такое “пробой"
диэлектрика?
, .
59. Объемная и поверхностная электропроводность диэлектрика.
60. Чем определяются диэлектрические потери в диэлектрике?
83
Контрольное задание
Контрольное задание содержит три вопроса. Студент должен
выполнить тот вариант задания, который совпадает с последней
цифрой (двумя последними цифрами) его зачетной книжки.
№
варианта
Номера контрольных вопросов
0
1
11
21
31
41
51
1
2
12
22
32
42
52
13
23
33
43
53
14
24
34
44
54
2
3
О
4
________
1
4
5
15
25
35
45
55
5
6
16
26
36
46
56
6
7
17
27
37
47
57
7
8
18
28
38
48
58
8
9
19
29
39
49
59
9
10
20
30
40
50
60
84
Л итература
1 Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М.
Электротехнические материалы : учебник для вузов. - 7-е изд., перераб.
и доп. - Л .: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.
2 Богородицкий Н. П. и др. Элктротехничские материалы. - М. :
Энергоатомиздат, 1985. - 124 с.
3 Дальский Л. М., Гаврилюк В. С., Бухаркин Л. Н. Механическая
обработка материалов : учебник для вузов. - М .: Машиностроение, 1981.
Й 263 с.
4 Журавлева Л. В. Электроматериаловедение : учеб. /
Л. В. Журавлева. - М. : ПрофОбрИздат, 2 0 0 1 .-3 1 1 с.
5 Козлов Ю. С. Материаловедение : учебное пособие /Ю. С. Козлов.
- М .: Агар, 2000. - 181 с.
1
6 Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Матсриалловедсние. - М. :
Машиностр., 1980. - 159 с
7 Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материалловедение. - М. :
Машиностр., 1990. —203 с.
8 Материалы в приборостроении и автоматике : Справочник / под
ред. Ю. М. Пятина. - М .: Машиностр., 1982. - 187 с.
9 Материаловедение : Технология конструкционных материалов /
А. В. Шишкин [и др.]. —Новосибирск : Изд-во, ИГТУ, 2004. - Т.1. - 504 с.
10 Материаловедение : Технология конструкционных материалов /
А. В. Шишкии[и др.]. - Новосибирск : Изд-во, ИРГУ, 2004. - Т. 2. - 506 с.
11 Материаловедение. Технология конструкционных материалов,
учеб. издание / под ред. Чередниченко В. С. - Новосибирск : Изд-во,
НГТУ, 2004. - Т.2. - 508 с.
12 Электротехнические и конструкционные материалы : учебное
пособие / под ред. В. А. Филикова. - М. : Мастерство : Высшая школа,
2000. - 280 с.
85
Приложение А
(справочное)
1а блица А. 1 —Физические постоянные
Физическая постоянная
Обозначения
Числовое значение
У ииверс. газовая постоянная
Я
8,31 Дж-моль !*К“
Гравитационная постоянная
Число Авогадро
С
1*
Постоянная Больцман; I
6,67-10'“ Н-м2-кг
6.02-10 23 моль 1
к
1.38-10
|
Постоянная Планка
Магнитная постоянная
В
Со
Электрическая постоянная
Постоянная Фарадея
Постоянная
Больцмана
6,63-10 ' 34 Д ж с
1,26-10
-12
8,85-10
Фм
-1
96484,56 Кл-моль
с т
5,67-10 ' 8 В т м ^ К-1
а.е.м.
Масса электрона
-27
1,66-10
л
КГ
9,1-10 "3> КГ
Заряд электрона
1 ,6 1 0
Магнетон Бора
Мб
П1
Масса протона
%-
-г' "
1 ^ (ангстрем) = Ю", 0 м
1 атм = 1,01-10 5 Па
1 эВ = 1,6-10~|у Дж
1 мм рт.ст. = 133 Па
86
-19
9,27-1 В
Кл
-I
Дж-Тл
1,67-10 ' 27 кг
Таблица А.2 —Соотношения физических величин
О
-I
Гн-м
Р
Стефана-
Атомная единица массы
Дж-К- 1
Таблица А.З - Десятичные приставки к названиям единиц
Обозна­
чение
Прис­
тавка
Р>’сс.
Обозначение
Мно­
житель
русс.
тера
Т
Т
гига
Г
С
10’
мега
м
м
10'
к
к
ЗК
кило
Ь
гекто
дека
да
Приставка
межа.
1
2
10
Ля
в р
Гу
Ш
Е б
■
Нл
© 0
I1
Кк
а
1
Мц
межд.
(I
-I
10
дени
санти
10
милли
-3
10
м икро
10
нано
пико
10
т
альфа
NV
бета
гамма
дельта
эпсилон
Оо
Пя
Рр
дзета
эта
тэта
1а
йота
каппа
ламбда
мю
Фф
Тт
У\>
XX
в
О со
87
-ь
10
мк
и
п
Таблица Л.4 - Греческий алфавит
Аа
Мно­
житель
ню
кси
омикрон
пи
ро
сигма
тау
ипсилон
фи
хи
пси
омега
п
Р
-О
10
10
12
1аблица А .5 - Физические свойства чистых металлов
ме I алл
Г'П
о А
и
о
X
Н гг.
О о
« —
С
X
хо
са
еС?
сСви
а>
с
2
Н
&
со
2о
о
е?
с
1с 1ъ
ах I
Р &
§
х
*а
§а>
1
с*
у
I5
о
си
Я*
н
о
о.
с
0
и
и
сIз
а>
■
1 ?
2 2
X
а
и
и
сз
5
о
н
>% 2
о
Н
2
алюминии
2,7
660
923
218
21,0
0,0265
4,1
вольфрам
Тслз
3400
142
167
4,4
0,055
5,0
п
п
железо
7,87
1540
453
73,3
10,7
0,097
6,25
ф
ЗОЛОIо
19,30
1063
134
312
14,0
0,0225
3,95
д
кооалы
1 ,8 5 ’
1500
445
69,5
13,5
0,064
6,0
ф
медь
8,92
1083
386
406
16,6
0,0168
4.33
д
молиоден
10,2
2620
272
150
Э,3
0,05
4,33
п
никель
8,96
1453
440
75,5
13,2
0,068
6,7
ф
ниооии
8,85
2500
268
50
7,2
0,15
3,9
олово
7,29
232
226
63,1
23,0
0,113
4,5
платина
21,45
1770
134
71Л
9^5
0,098
3^9
рении
21,02
180
Г38
52
6Л
0,214
3,2
свинец
11,34
327
130
35
28,3
0,190
4,2
сереоро
10,49
961
235
453
18,6
0,0150
4,1
д
тантал
16,6
3000
150
50
6,6
0,124
3^
тиган
4,52
1670
550
И
оЖ
5,5
п
п
хром
7,19
1900
462
88,6
6,2
0,13
2,4
А
ЦИНК
7,14
419
336
113
30,0
0.0592
4,1
п
п
п
п
11римечания
1 1КЛР —температурный коэффициент линейного расширения.
2 ТК/? —температурный коэффициент удельного сопротивления.
3 ГКр, X10'" К означает, что величину, указанную в таблице
С}1едует умножить на 1 (Г3 к -1.
4 А
ан гиферромагнетик, Д — диамагнетик, П — парамагнетик,т
Ф - ферромагнетик.
5 Удельное сопротивление приведено для Т = 300 К.
88
Таблица А.6 - Параметры диэлектрических материалов
полиэтилен
полистирол
2 .5 -2 .6 I -4 1 5 0 -2 0 0 )
В Щ - 10"
фторопласт-4
1,9-2.2 I н (150-300)
(2-3)-10
лавсан
3 ,1 -3 .2
I + (4 0 0 -6 0 0 ) I
(3—1 0 )1 0
полиимид
поли вин илхлори
1 0 -1 0
гетинакс
сте клоте кстол ит
слюда
4 0 -4 0 0
кварцевое стекло
+ (3 0 -5 0 0 )
щелочные стекла
4 0 -4 0 0
ситаплы
изоляторн.
фарфор
алиминоксид
3 0 -4 5
поликор
рутиловая
керамика
-< 80-2200)
4 0 -3 0 0
с е п !етокерам и ка
Примечания
1ТКе
температурный
коэффициент
диэлектрической
проницаемости.
2Т К е, хЮ"6 КГ1 означает, что приведенное в таблице значение
надо умножить на 10"6 К~ .
3 Для некоторых диэлектриков значения свойств лежат в
довольно широком диапазоне. В особенности для керамик и слоистых
материалов (слюда, текстолит, гетинакс). Это объясняется различием
как химического состава, так и с груктуры материалов.
89
с;
|
5
С
""*""*
•
Е
ш
1“**'
2
ри
&
— X
диэл. прониц
р,
Г"
О
•
я
с.
н
С
5
«>
м2/Вс
г* ^
Б
= *
о о
с; —
г X
подвижность
дырок.
Ъ*
м2/Вс
о
о
с,
подвижность
электронов.
с.
>»
г
ширина запр.
зоны эВ
I аблица А .7 —Физические параметры полупроводников
Се
алмаз
5.43
937
5.8
0,66
0,39
0,19
16,0
81
алмаз
2,33
1415
2,3
1,12
0,14
0,08
12,5
а-81С
гексаг.
3,22
2205
—
3,02
0,033
0,06
10,0
ОаИ
вюрцит
6,11
1700
5,7
3,40
0,03
—
12,2
СаР
сфалерит
4.07
1467
4,7
2,26
0,019
0,012
11,1
1пР
сфалерит
4.78
1070
4,6
1,35
0,46
0,015
12,4
С а Аз
сфалерит
5.32
1238
5,4
1,3
0,95
0,045
13,1
1пА$
сфалерит
5.67
942
4,7
0,36
аЩ
0,046
14,6
Оа8Ь
-——
1п8Ь
■ ■■
§§§
сфалерит
■— ■■■■■■,
сфалерит
■■■11,1|—
———
сфалерит
5,65
710
6.1
0,72
0,4
0,14
15,7
5.78
525
4,9
0,18
0,075
17,7
4,09
1020
—
—
3,67
!|
—
2п8
вюрцит
4.10
1780
6,2
3,74
0,014
0,0005
5,2
Сс13
вюрцит
4,82
1750
5,7
2,53
0,034
0,011
5,4
Сс18е
вюрцит
5.81
1264
—
1,85
0,072
0,0075
10,0
Н§Те
сфалерит
8,09
670
4,8
0,08
2,5
0,02
7,61
1114
—
0,39
0,06
0,07
17,0
—
0,27
0,12
0,10
—
1
РЬ8
РЬ8е
1
,
.................
типа
Ыа€1
типа
ШИ
5,2
дв
~
-
8,15
1076
Примечания
1 ГКЛР - температурный коэффициент линейного расширения.
2 ГКЛР, х Ю 6 К ” 1 означает, что нриведснное в таблице значение
надо умножить на КГ6 К -1,
90
Содержание
Введение
1 Конструкционные материалы
2 Классификация материалов по электрическим и
магнитным свойствам
3 Проводниковые материалы
3.1 Природа электропроводности металлов
3.2 Электрические свойства металлов
с примесями и сплавов
3.3 Сопротивление проводников на высоких частотах
3.4 Примеры решения задач
4 Полупроводниковые материалы
4.1 Примеры решения задач
5 Диэлектрики. Поляризация диэлектриков
5.1 Электропроводность
5.2 Пробой диэлектриков
5.3 Потери в диэлектриках
5.4 Примеры решения задач
6 Магнитные материалы
6.1 Примеры решения задач
7 Композиционные материалы
на неметаллической основе
8 Композиционные материалы на металлической основе
Контрольные вопросы
Контрольные задание
Литература
Приложение А
3
5
7
10
10
12
15
17
22
26
31
35
41
44
48
53
65
68
77
81
84
85
86
Н. А. Испулов, А. К. Сейтханова, Ж. Д. Оспанова
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Технический редактор Б. В. Нургожина
Ответственный секретарь А. К. Темиргалинова
Подписано в печать 23.05.2014 г.
Гарнитура Т м е з.
Формат 29,7 х 42 %. Бумага офсетная.
Уел. печ. л. 3,59 Тираж 500 экз.
Заказ № 2282
Издательство «КЕРЕКУ»
Павлодарского государственного университета
им. С. Торайгырова
140008, г. Павлодар, ул. Ломова, 64
Утверждаю
Прожектор по УР
Ш У и м . С>То^айгырооа
Ц Жшфейфер
ш _#г
1
/г
/л '/
Щ
Й
\ • 7;^
>
.
%
У
/
I
•>* тШт.
*
1 ©
^ ; - ’ .Г Ч *
“ У
Л '
Составители: Н. А. Испулов, А. К. Сейтханова, /К. Д. Оспаиова
Кафедра фкзивдз и приборостроения
Материаловедение в приборостроении
Учебное пособие
Утверждено па заседании кафедры 4±_
Протокол № Л0
03
20
44
г.
М. К. Жукелов
Заведующий кафедрой
факультета ФМиИТ
Одобрено учебно-методическим советом фан
03 20 /У г. Протокол Ш &
Председатель УМС
СОГЛАСОВАНО
Декан ФФМиИТ
Н ормоконтролёр
ОМК
и
■
(
Ш
А. Б. Искакопа
И. Л. Испулов СЧ
03
Г. С. Балхкетова
04
Ш
г.
ШЩ
ОДОБГЕНО
Начальник УМО
/!>%1
/
Е. Н. Жу май кулона /±_
г
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
4 424 Кб
Теги
materialovedeniyu, priborostroenii, 3035, seythaiova, ispulovm, ospanovaj
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа