Метали, їхня структура і властивості

Традиційні методи отримання металів у тій або іншій мірі пов'язані зі спонтанною кристалізацією, коли зародки кристалічної фази утворюються самодовільно. Це означає, що одержуваний злиток металу має полікристалічну будову. Необхідно відразу ж відзначити, що метал як полікристал- має свої специфічні властивості. По-перше, необхідно відзначити

ізотропію властивостей металів. Дійсно, через те, що полікристал являє собою сукупність розорієнтованих мікроскопічних кристалітів-зернин, то, незважаючи на анізотропію параметрів кожного монокристалічного зерна, інтегральні характеристики зразка є ізотропними. Зерниста структура металів виявляється в наступних властивостях. Ріст зерна відбувається на конкуруючій основі стосовно своїх сусідів. Скрутність умов росту відбивається в наявності механічних напруг у структурі й утворенні різноманітних дефектів. Особливі властивості полікристалу визначає міжзернова межа і пори. Ця локальна область за своїми параметрами принципово відрізняється від властивостей об'ємного кристалу. Відзначимо, що через малий об'єм і велику їх кількість вони мають велику вільну поверхню, і отже, мають велику питому вільну поверхневу енергію. Тому саме зерниста структура відповідальна за аномально Швидку дифузію домішок, підвищену швидкість міжзернинної корозії, гетеру вання домішок у міжзерновому просторі і т.д.

Зерниста структура металів являє собою істотно термодинамічний нерівноважний стан і, у принципі, розмірами зернин можна керувати, змінюючи час і температуру випалу. Проте, як правило, навіть випали не перетворюють полікристалічну структуру в монокристалічний стан, хоча властивості матеріалу наближаються до властивостей свого монокристалічного аналогу. Очевидно, для металів випал саме з такою метою недоцільний. Дійсно, для рішення задачі таким засобом необхідні значні часи або температури, близькі до точки плавлення, що стає нереальним і економічно невиправданим. До того ж, експерименти показують, що поліпшення електрофізичних параметрів після випалу звичайно не перевищує 10 %. До того ж, після тривалих випалів починають виявлятися нові, не завжди корисні властивості металів. Тому полікристалічна структура цілком задовольняє розроблювачів електронної техніки.

Зерниста структура металів і поверхневі явища дають істотний внесок у фізичні властивості металевих плівок. Дійсно, коли товщина металевої плівки стає сумірною з геометричними розмірами зернин, починають виявлятися різноманітного роду квантово-розмірні ефекти, позначається дефектна структура матеріалу. Наприклад, спостерігається чітка залежність питомого електричного опору і температурного коефіцієнту опору-від товщини металевого шару.

Матеріали з металевими властивостями мають свою детальну і досить об'ємну класифікацію. У підтвердження сказаному можна відзначити кількість марок конструкційних сталей і сплавів, не говорячи вже про сплави кольорових металів або керамічних провідних композиціях і т.д. У даному курсі акцент у вивченні провідників доцільно змістити в область аналізу їх електрофізичних властивостей і скористатися класифікацією металів за їх функціональними можливостями. Тоді провідникові матеріали чітко можна розділити на такі групи: електротехнічні, конструкційні метали і метали зі спеціальними властивостями.

Конструкційні матеріали докладно вивчаються в спеціальних курсах, по ним є велика кількість літератури. Тому ці матеріали і їх властивості в даному посібнику не розглядаються, хоча їх роль у медичній техніці важко переоцінити. Те ж саме в деякій мірі стосується і металів із спеціальними властивостями, такими, як захисні, адгезіонні, припойні і т.д.

Зупинимося докладніше на електрофізичних параметрах, найширше використовуваних на практиці, провідників. Основною вимогою до провідників є їх висока електропровідність. Проте варто пам'ятати, що провідникові властивості матеріалів знаходяться в сильній залежності від умов їх отримання і режимів їх експлуатації. Так питомий електричний опір найширше використовуваних провідників міді і золота зростає на 10 - ЗО % у плівковому виконанні в порівнянні з об'ємним. Цей чинник не можна не враховувати при оцінках працездатності матеріалу як провідника.

Найбільш високими провідниковими властивостями володіють мідь і золото. Відразу ж необхідно відзначити, що благородні матеріали досить широко застосовуються в електронній і біомедичній техніці. Це обумовлено їх високими електричними і технологічними характеристиками, та й через малу кількість їх застосування в конкретному виробі такий підхід виявляється цілком виправданим в економічному відношенні.

Золото - метал із низьким питомим опором, має абсолютну хімічну стійкість навіть при підвищених температурах, високопластичний, технологічний, добре паяється, вариться будь-якими засобами. До недоліків варто віднести низьку абразивостійкість, схильність до взаємодифузії з іншими матеріалами навіть при низьких температурах. Відзначені недоліки частково усуваються введенням у золото модифікуючих домішок, таких як Со, N1, А§ і т.д. Золото широко застосовується для створення контактів і монтажі кристалів мікросхем.

Мідь має високу електропровідність і не так інтенсивно взаємодіє з іншими компонентами електронної техніки. У той же час мідь швидко окислюється і потребує захисту від впливу навколишнього'середовища. Мідь широко використовується як доріжковий провідник печатних плат електронної техніки. У якості контактів до напівпровідників мідь не застосовується через надзвичайно високу швидкість її дифузії і, як слідство, практично втратою керування технологічним процесом легування.

Алюміній, на відміну від відзначених матеріалів, надзвичайно хімічно активний елемент. Проте ця його властивість пасивується утворенням на поверхні щільної оксидної плівки. Завдяки цим властивостям, а також дешевизні і низькою питомою вагою, алюміній широко використовують у виробництві електронних приладів. У інтегральних схемах алюміній застосовується в якості омічних контактів і для утворення бар'єрів Шоткі.

Особливе застосування в електронній техніці знаходить тантал. Цей метал має надзвичайну властивість. У чистому стані він має металеву провідність і високу електропровідність. При нітруванні тантала утворюється плівка з досить високими резистивними властивостями. При цьому, змінюючи концентрацію азоту в плівці, можна керувати електропровідністю матеріалу в досить широких межах. Тантал взаємодіє з киснем з утворенням п'ятиокису танталу - матеріалу з типовими діелектричними властивостями. Таке сполучення властивостей дозволяє створювати електронні прилади по єдиній танталовій технології, де використовуються його властивості як провідника, діелектрика і резистивного матеріалу.

Конкретну інформацію з електрофізичних і конструкційних властивостей металів, сплавів і інших провідникових матеріалів можна знайти в довідковій літературі і відповідних Держстандартах.

Дата добавления: 2014-01-04