Технология получения материалов высокой проводимости

Классификация материалов по агрегатному состоянию, по химическому составу и функциональному назначению.

Классификация и основные свойства проводниковых и полупроводниковых материалов.

К полупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делят на 4 группы:

1. материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;

2. материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;

3. материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами;

4. полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

Согласно кристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы: монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.

Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей.

По величине удельного объемного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление под действием света. Общим свойством для полупроводников является то, что они обладают электронной и дырочной проводимостью.

На использовании возможностей р — n -переходов основаны важнейшие применения полупроводников в электротехнике. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов.

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают целым рядом преимуществ; к ним относятся:

1)большой срок службы;

2)малые габариты и вес;

3)простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);

4)полупроводниковые приборы, заменяющие электронные лампы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность и обладают малой инерционностью;

5)при освоении в массовом производстве они экономически целесообразны.

К проводниковой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела (металлы – высоко проводимые и высокого сопротивления), жидкости (расплавленные металлы и различные электролиты), а при соответствующих условиях и газы.

К основным характеристикам проводниковых материалов относятся:

1) удельная проводимость или обратная величина — удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо - э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

8) Магнитные, диэлектрические и синтетические материалы. Общие свойства.

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники. При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

1.1. Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке - отжигу без доступа кислорода.

1. 2 Электроизоляционные материалы

Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др.

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Наибольшее значение в технике имеют классификации по структурным и функциональным признакам материалов.Главным критерием классификации материалов по структурным признакам является агрегатное состояние, в зависимости от которого материалы подразделяются на следующие типы: — твердые материалы;

— жидкости;

— газы

-плазма

На рис. 2 приведена классификация твердых веществ по структурному признаку. Ограниченность этой классификации состоит в том, что технические материалы, как правило, неоднородны по структуре и включают несколько фаз. В зависимости от количества фаз и степени неоднородности структуры материалы подразделяются на:

— простые, состоящие из одного элемента или соединения и имеющие однородную макроструктуру;

— композиционные, состоящие из нескольких фаз и имеющие неоднородную структуру;

— сплавы, материалы с однородной макроструктурой, образовавшиеся в результате затвердения расплава химически разнородных веществ.

По назначению технические материалы делят на следующие группы.

Конструкционные материалы — твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическим нагрузкам. Они должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды. К ним предъявляются технологические требования, определяющие наименьшую трудоемкость изготовления изделий, и экономические, касающиеся стоимости и доступности материала.

Конструкционные материалы подразделяют на типы:

металлы

- силикаты и керамика;

- полимеры;

- резина;

-древесина;

- композиционные материалы.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными параметрами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии.

Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами таких материалов являются:

— смазочные

— смазки в твердой (графит, тальк), жидкой (моторные, трансмиссионные масла), газообразной (воздух, пары и другие газы) фазах;

— антифрикционные — сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы и др.), серый чугун, пластмассы (текстолиты, фторопласты и др.), металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), древесина и древесно-слоистые пластики, резины;

— фрикционные, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление изнашиванию (некоторые виды пластмасс, чугунов и металлокерамики и другие композиционные материалы).

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности. Они предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента (инструментальная сталь и твердые сплавы, ал-маз, некоторые виды керамических материалов, многие композиционные материалы).

Технологические материалы — обширная группа вспомогательных материалов, используемых для обеспечения оптимального протекания технологических процессов переработки основных технологических материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин и механизмов. К ним относятся: клеи и герметики, лакокрасочные материалы; флюсы, припои, сварочные электроды, применяемые при сварке и пайке; смазочно-охлаждающие жидкости; консервационные материалы (смазки, пленки, мастики), обеспечивающие защиту изделий от коррозии; моющие материалы и т. д.В технике сложилась традиция группировать материалы по наиболее важным эксплуатационным параметрам, а именно:

— по электропроводности (проводники, полупроводники и диэлектрики);

— по магнитной восприимчивости (диа-, пара-, фер- ромагнетики);

— по тепловым характеристикам (теплоизоляционные и огнеупорные);

— по стойкости к воздействию рабочей среды (жаростойкие, кислотоупорные, коррозионностойкие и ДР.)

Такая классификация не является строгой, но ее термины и понятия приняты в технике и используются в практике машиностроения.

По химическому составу

Сталь- сплав, основой которого является железо с кислородом (до 2%) и добавление других элементов. Получают главным образом из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Конструкционная сталь-общее название сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов.

По химическому составу различают: стали углеродистые и легированные, по назначению — конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими и химическими свойствами (нержавеющая, жаропрочная, электротехническая и др.).

Углеродистая сталь, нелегированная конструкционная или инструментальная сталь, содержащая кислород (0,04-2%) и постоянные примеси (марганец, сера, фосфор). Различают низкоуглеродистую (до 0,25% кислорода), среднеуглеродистую (0,25-0,6% кислорода) и высокоуглеродистую (свыше 0,6% кислорода) сталь.

Легированная сталь, помимо обычных примесей содержит легирующие элементы — (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан), для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств. Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.

Качество стали зависит от содержания в них вредных примесей. Стали классифицируют на группы А, Б, В.

Группа А: Относятся стали обыкновенного качества, они могут иметь повышенное содержание серы (до 0,06%) и фосфора до (0,07%). Механические свойства таких сталей ниже, чем у стали других групп. Основным элементом является углерод. Их выплавляют в кислородных конвертерах и мартеновских печах. Стали обыкновенного качества подразделяют на спокойные (полностью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные) и полуспокойные (занимающее промежуточное положение между спокойными и кипящими).

Группа Б: Относятся качественные стали углеродистые или легированные. В таких сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,035% каждого. Выплавляют их в мартеновских печах.

Группа В: Относятся высококачественные стали, легированные, выплавляемые в электропечах. В таких сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025% каждого.

Особовысококачественные стали выплавляют в электропечах с последующими электрошлаковым переплавом, вакуумнодуговым переплавом. Содержание серы и фосфора до 0,015% каждого.

10) Зависимость технологических и эксплуатационных свойств от химического состава.

Выбор марки материала в процессе проектирования изделий осуществляют на основе рассмотрения комплекса свойств, которые необходимы на этапах изготовления, эксплуатации и восстановления деталей.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициент температурного расширения, электросопротивление и теплопроводность. Химическими свойствами являются способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и ползучесть. Технологическими свойствами металлов и сплавов являются деформируемость, литейные свойства, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.

К эксплуатационным свойствам в зависимости от условий работы изделия относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и др.

Физико-химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства деталей зависят от строения атомов, атомно-кристаллической структуры, химического состава, микро- и макроструктуры.

Известно, что все материалы состоят из атомов, которые, в свою очередь, представляют собой композицию протонов, нейтронов и электронов. Атомы в материалах связаны между собой различными типами связей (ионной, ковалентной, металлической). Наиболее важным типом связи в машиностроительных материалах является металлический, который характерен для чистых металлов и их сплавов.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства как поверхностное натяжение, адсорбционная способность и химическая активность существенно отличаются у различных граней кристаллов.

С повышением температуры или давления параметры решетки могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению свойств. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями.

Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материалов. Дефекты внутреннего строения подразделяют на точечные (вакансии), линейные (дислокации) и плоскостные (скопление дислокаций). Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т.е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов неоднозначно. Если прочностные характеристики бездефектных кристаллов очень высоки, то увеличение дефектов до определенного количества приводит к резкому снижению механических свойств. Дальнейшее увеличение дефектов, например, при введении в расплав компонентов или применении специальных методов искажения кристаллической решетки, повышает реальную прочность металлов.

Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем чистых металлов, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы (однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно). Компоненты в твердом сплаве могут образовывать следующие структуры: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

На свойства сплавов наряду со строением атомов основного компонента, атомно-кристаллического строения и химического состава существенное влияние оказывает микроструктура. Этот фактор показывает влияние размера, формы кристаллитов (зерен), взаимного расположения фаз, их формы и размеров на свойства материалов. Для определения микроструктуры из исследуемого изделия изготавливают микрошлиф, структуру которого наблюдают с помощью оптического или электронного

Макроструктура заготовки является еще одним фактором, активно влияющим на свойства получаемых изделий, которая исследуется на шлифах при увеличении не более чем в 30-40 раз. При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; деформированные кристаллиты в поковках; дефекты, нарушающие сплошность изделий; химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации, и т.д.

Вид макроструктуры зависит от условий изготовления заготовок и деталей машин. Например, для строения слитков и отливок характерно наличие кристаллитов различных размеров и форм, пористости, раковин и т.п. Такую макроструктуру принято называть литой. Обработка давлением слитков при нагреве до высоких температур вызывает деформацию кристаллитов и частичную заварку пор и раковин, а последующая рекристаллизация формирует мелкозернистое строение металла. Таким образом формируется деформированная макроструктура. Заготовки с этим видом макроструктуры, как правило, обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с отливками.

Материалы с аморфной структурой не имеют упорядоченного строения и, в отличие от кристаллических тел являются изотропными. Аморфная структура, также как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Аморфное тело можно представить как жидкость с очень большой вязкостью. Однако, в отличие от жидкости в аморфном веществе частицы практически не обмениваются местами. Типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным.

К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности. Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси. Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр. При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается. Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.

В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы. Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см). Для увеличения прочности, и,.улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.

Дата добавления: 2015-04-23