Электромеханические свойства меди и алюминия.

Медь и алюминий являются традиционными проводниковыми материалами. Алюминий дешевле меди, поэтому, несмотря на то, что его проводимость составляет 65% проводимости меди, он широко применяется в качестве проводникового материала. Недостатками алюминия являются сравнительно низкая механическая прочность, малый предел ползучести. Отожженный алюминий в среднем в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому для линий электропередач его применяют в упрочненном состоянии. Но и этой повышенной прочности недостаточно для нагрузки, которую испытывают провода линий электропередач от ветра, гололеда, непрерывного раскачивания. Для таких линий применяют сталеалюминевые провода (или биметаллическую конструкцию, или стальную проволоку со скрученными вокруг нее алюминиевыми проводниками).

Низкий предел ползучести приводит к ослаблению крепления проводника в разъемах, что вызывает потерю электрического контакта. Одним из путей увеличения механической прочности и повышения предела ползучести алюминиевых проводниковых материалов является применение сплавов, обладающих большой механической прочностью при достаточно высокой электрической проводимости. Положительный эффект дает добавка в алюминий магния и кремния. Один из наиболее широко используемых в электротехнике сплавов — алдрей, где содержание кремния и магния должно соответствовать формуле соединения Mg₂Si. Такое соединение, образующееся в сплаве, является упрочнителем, сообщающим сплаву высокие механические свойства. Упрочняющее действие основано на том, что растворимость соединения Mg₂Si в алюминии при понижении температуры уменьшается, и соединение магния с кремнием выпадает в виде второй фазы. Алюминий и его сплавы устойчивы в тех средах, которые не разрушают его защитную окисную пленку, что позволяет изготовлять из алюминия защитные оболочки для силовых кабелей и кабелей связи взамен свинцовых оболочек.

Медьимеет широкое применение в практике благодаря высокой проводимости, хорошим механическим характеристикам, более низкой по сравнению с серебром стоимостью. Наибольшей электропроводностью и пластичностью обладает бескислородная медь, которую получают индукционной плавкой в вакууме. Для защиты меди от окисления высокочастотные токоведущие элементы серебрят. В отожженном виде медь (марки ММ) имеет более высокую проводимость. Мягкую медь (МО, Ml) применяют для изготовления жил кабелей, обмоточных проводов. Твердую медь используют для подвесных токонесущих и контактных проводов. Бескислородную медь марки МОО (не более 0,02% кислорода) применяют в электровакуумных приборах, СВЧ - приборах, для изготовления фольги. Медь марок М2, МЗ, М4 используют преимущественно для получения сплавов.

В изделиях с повышенными механическими характеристиками используют латуни, кадмиевые и бериллиевые бронзы. Кадмиевую бронзу используют для изготовления троллей, скользящих контактов, мембран. Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.

Алюминийхарактеризуется достаточно высокой электропроводностью в сочетании с пластичностью и малой плотностью. Он более распространен в природе, чем медь, более стоек к коррозии. Промышленностью выпускаются сверхчистый алюминий марок А999 и А995, алюминий высокой чистоты марок А99, А95. Их используют для изготовления электролитических конденсаторов, защитных кабельных оболочек. Из алюминия технических марок (А85, А7) изготавливают кабели, токопроводящие шины. Для токонесущих проводов линий электропередач используют алюминиевые сплавы (Al—Mg—Si), имеющие большую по сравнению с чистым алюминием прочность. Для соединения алюминиевых проводников применяют специальные припои и устройства, разрушающие в месте контакта пленку с высоким сопротивлением,

Перспективы развития проводниковых материалов.

Одной из проблем проводникового материаловедения является замена дефицитных и дорогостоящих материалов на недефицитные. Была предпринята попытка изготовления обмоточных проводов и кабелей из цинка в Германии еще во время первой мировой войны. Многочисленные аварии, происходившие вследствие низкого сопротивления изделий к длительным статическим нагрузкам, склонности к грубой кристаллизации и связанной с ней хрупкости при незначительных нагревах, а также в результате склонности к интеркристаллической коррозии заставили отказаться от использования цинка для изготовления проводов. Однако легирование цинка алюминием снимает указанные недостатки. Так как электросопротивление его сплавов с алюминием примерно в три раза больше электросопротивления алюминия, эти сплавы применяются только как материал для электрических шин.

В качестве проводникового материала перспективно использование щелочных и щелочноземельных металлов. В результате малой плотности они обладают наименьшим значением массового элект­рического сопротивления. Однако из-за высокой химической активности использование их в электротехнике требует специальных конструктивных решений. Так, было осуществлено несколько различных конструктивных вариантов использования натрия в стальных или свинцовых трубах. Наиболее удачным оказалось заключение натрия в полиэтиленовую оболочку. Для присоединения к обычному электрооборудованию провод с натриевой жилой должен быть снабжен специальным герметическим наконечником. Попытки использовать натрий и щелочноземельные металлы будут, очевидно, расширяться, так как эти металлы гораздо дешевле меди.

Другим заменителем меди и алюминия, применяющимся в качестве проводникового материала для голых неизолированных проводов, служит малоуглеродистое железо. Удельное электрическое сопротивление технического железа в 7 – 8 раз выше, чем меди, стоимость в среднем в 7 – 8 раз ниже стоимости меди, прочность в 2 – 3 раза выше таковой для меди. Поэтому в неответственных изделиях малоуглеродистое железо вытесняет медь. Например, в качестве воздушных проводов обычно используется телеграфная проволока из низкоуглеродистой стали с удельным электросопротивлением при 20°C около 0,133 Ом • мм²/м.

Железо является коррозионно неустойчивым проводниковым материалом. Во влажном воздухе при обычной температуре оно покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃ • nН₂0). Из-за пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу, поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. Для того чтобы эксплуатация проводников из малоуглеродистой стали была достаточно длительной, используются проволоки крупных сечений или сталь покрывается слоем цинка.

Никель и его сплавы широко используются в качестве проводникового материала в электротехнической и электровакуумной промышленности в изделиях, подвергающихся действию высоких температур.

Благодаря жаростойкости и химической стойкости эти сплавы получили широкое распространение в электротехнике. Особый интерес представляет использование в качестве проводника сплавов на основе никеля и кобальта (Со - 40%, Cr -20%, Мо - 7,0%, Mn - 2,0%, ост, Ni, Si) с повышенными упругими характеристиками. Такие сплавы устойчивы к действию физиологического раствора и могут использоваться в качестве проводников кардиостимуляторов, вживлённых в организм человека.

Перспективным проводниковым материалом является бериллий. Обычно электропроводность этого элемента принимают равной 40% от электропроводности меди. Плотность бериллия составляет 1,82г/см³, температура плавления 1280°С. Эти качества делают проводниковый материал из бериллия особо необходимым в случае снижения веса проводников и повышения их теплостойкости. Однако этот металл хрупок, технология изготовления проводников из него сложна.

В электротехнике предприняты попытки использовать бериллий, охлажденный до температуры ниже 150К, в качестве криопроводника для электромашин. При указанной температуре бериллий имеет преимущества по сравнению с натрием, медью и алюминием, для которых более выгодно охлаждение до гелиевых температур.

В электротехнике широко используются благородные металлы: золото, серебро, палладий, платина. Их высокая стойкость к окислению обеспечивает надежный электрический контакт в местах разрыва электрической цепи – разъемах, контактах.

Перспективность композиционных проводниковых материалов заключается в том, что снижение электропроводности в случае композиционного строения ограничивается уменьшением только на величину, пропорциональную объему упрочняющей фазы. Это в основном меньше тех потерь электропроводности, которые наблюдаются при сплавлении металлов. Такими же преимуществами композиционных материалов обладают поли- и биметаллические проводниковые материалы.

В поли- или биметаллическом проводнике используют два или более разнородных металла или сплава в одной конструкции. Это позволяет сохранять положительные свойства каждого компонента и по возможности исключить отрицательные.

Широко используются биметаллическая сталемедная проволока для наведения линий электропередач, упрочнения жил монтажных проводов и т.п.

Покрытие медной проволоки никелем обеспечивает теплостойкость и коррозионную стойкость проводников. Покрытие медной проволоки оловом сообщает монтажным проводам, токопроводящие жилы которых выполнены из медной проволоки, устойчивую и качественную пайку. Медно-алюминиевая проволока сочетает положительные свойства меди и легкость алюминия. Для радиочастотных кабелей удачно используется медная посеребренная проволока. Интересным направлением развития проводникового материаловедения является разработка проводников из графитизированных волокон.

Перспективны также металлокерамические и гранульные сплавы, в которых упрочняющим элементом являются мелкие керамические зерна или окисные пленки, включенные в основную матрицу. Они легко могут быть дополнительно легированы порошками тугоплавких соединений, так как исключают технологическую операцию плавления. К указанным материалам относятся сплавы типа САП (спекаемого алюминиевого порошка). Недостатком такого рода сплавов является малая технологичность из-за трудности деформирования и сложность получения проволоки. Проводники из этих сплавов применяются в том случае, когда они должны в процессе эксплуатации длительно сохранять высокотемпературную твердость.

Полупроводниковые материалы.

Практически в каждом электронном устройстве, используемом человеком, имеется полупроводниковый материал.

Полупроводникаминазывают класс материалов с электронной проводимостью, характеризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Важнейшей особенностью полупроводников в отличие от металлов является положительный температурный коэффициент электрической проводимости (т.е. повышение электропроводности с повышением температуры). При нулевой абсолютной температуре полупроводник становится изолятором.

Физические свойства полупроводников (теплопроводность, фотопроводность, ширина запрещенной зоны, подвижность носителей и др.) определяются химическими связями ячейки твердого тела. В большинстве полупроводников преобладают ковалентные связи. Появление электрического тока связано с переходом носителей зарядов в зону проводимости.

В полупроводниковых элементах с ковалентной связью прохождение электрического тока осуществляется за счет движения электронов (n-проводимость) и дырок (p-проводимость). Проводимость химически чистого полупроводника, обусловленная разрушением ковалентных связей, называется собственной.

По степени очистки полупроводниковые материалы относятся к классу C - веществам ультравысокой чистоты с содержанием примесей 10^-10 – 10^-7 %. Получение ультрачистых веществ - сложный и трудоемкий процесс, включающий комплекс физико-химических методов очистки веществ, обеспечение мер защиты продукта от случайных загрязнений на всех этапах его получения и переработки, специальные методы сборки полупроводниковых приборов.

Наиболее распространенными методами получения полупроводниковых материалов являются зонная плавка, вытягивание монокристалла по Чохральскому, бестигельная зонная очистка, поверхностное легирование и др.

Полупроводниковые материалы могут быть классифицированы по нескольким основным признакам, которые отражены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация полупроводниковых материалов. Буквы с римскими цифрами обозначают химические элементы соответствующих групп периодической системы. Например, A^IV = Si, Ge, Sn.

 

Согласно химической классификации полупроводниковых материалов их разделяют на несколько классов:

1. простые полупроводники, имеющие в своем составе один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Те, I);

2. бинарные полупроводники, содержащие в своём составе два элемента (Сu₂Se, ZnO, Ag₂Se, PbS и другие);

3. алмазоподобные полупроводники, образованные двумя элементами равноудалёнными от 4 группы периодической системы (GaAs, GaP, InSb, InP, ZnS, CdSe и другие);

4. сложные полупроводники, являющиеся химическими соединениями, содержавшими в своём составе три и более элемента периодической системы (CuFeS₂, AgFeTe₂, CuLnS₂, CaСr₂Se₄, ZnSiAs₂, CuAlS₂, CuGe₂P₃ ферриты, оксидные полупроводниковые вещества, халькогенидные полупроводниковые вещества, органические полупроводники).

Основных полупроводниковых материалов три: кремний, германий, арсенид галлия. Основные требования к полупроводниковым материалам — высокая химическая чистота и максимально возможное совершенство кристаллической решетки. Только при соблюдении данных требований обеспечивается необходимая воспроизводимость электрофизических свойств материалов в различных партиях продуктов. Технология получения полупроводниковых материалов включает два важнейших этапа: очистку полупроводников от примесей и выращивание легированных бездефектных монокристаллов.

Химические элементы четвёртой группы периодической системы кремний и германий применяют в легированном и нелегированном состояниях. Легирование производят для получения полупроводников с заданным удельным электросопротивлением и типом проводимости.

Электропроводность полупроводника, обусловленная введением строго определенного количества примесных легирующих атомов, называется примесной проводимостью. В зависимости от характера проводимости легированного полупроводника различают донорные и акцепторные примеси.

Примеси (легирующие элементы), которые отдают электроны в зону проводимости, называют донорными, а полупроводники электронными или n-типа. Такими свойствами по отношению к германию и кремнию обладают элементы V группы периодической системы: As, Sb, P.

Элементы III группы образуют в кристалле незаполненные электронные вакансии, что приводит к появлению в валентной зоне дырок. Такие примеси, способные принимать электроны из валентной зоны, называют акцепторными, а полупроводники, их содержащие, дырочными.

Для изготовления полупроводниковых приборов используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы представляют собой более простые системы, с более совершенным строением, чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены, физические явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы на основе кремния работоспособны до температур 120 – 150°C, что определяет возможность создания на их основе мощных силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения, транзисторов. Из кремниевых монокристаллических пластинок изготавливаются электронные преобразующие элементы чипов электронных устройств. Из напылённого на подложку кремния изготавливают солнечные батареи земного и космического назначения.

Германий (легированный и нелегированный) используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, фотодиодов, линз для инфракрасных лучей и др.

Арсенид галлия явился первым полупроводником, на котором в 1962г. Был создан инжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излучения с помощью p- n - перехода. На основе арсенида галлия созданы фотодиоды и фотоэлементы, генераторы СВЧ – колебаний, другие электронные приборы.

Прогресс современной техники обусловливает интенсификацию разработки и применения новых материалов с полупроводниковыми свойствами.

Магнитные материалы.

Для практических целей значимы элементы, кристаллы которых имеют постоянный магнитный момент. Такие вещества называются ферромагнетиками. Среди кристаллов чистых элементов имеется только 9 ферромагнетиков Fe (железо), Co (кобальт), Ni (никель), Gd (гадолиний), Tb (тербий), Dy (диспрозий), Er (эрбий), Tm (тулий). Магнитные свойства проявляются у соединений, в состав которых входят элементы – ферромагнетики.

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитно-твердые материалы, являющиеся ферромагнетиками. Стали, предназначенные для изготовления постоянных магнитов, характеризуются значительным содержанием углерода. Стали марок ЕХЗ, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (~1% С) используют в массовом производстве неответственных магнитов (буква E обозначает, что сталь магнитная).

Другой тип деформируемых сплавов – безуглеродные системы Fe-Co-Mo (комол), Cu-Ni-Co (кунико), Fe-V-Со (викаллой). Такие сплавы пластичны и используются для изготовления магнитов сложной формы.

Для изготовления постоянных магнитов в основном применяют литые магнитно-твердые материалы. Наиболее распространены литые сплавы Fe-Ni-Al, легированные кобальтом, медью, титаном и другими элементами. Методом спекания из порошков Fe, Ni, A1 и легирующих компонентов изготовляют малогабаритные магниты с высокой точностью размеров и чистотой поверхности.

К магнитным материалам с высокими значениями характеристик относятся химические соединения редкоземельных элементов с кобальтом SmCo₅, Sm₂(Co,Fe)₁₇. Соединения характеризуются значительно более высокими по сравнению с традиционными материалами значениями магнитного потока, коэрцитивной силы. Изделия из материалов получают методом порошковой металлургии. Это основные магнитные материалы для космических аппаратов.

Развитие электроники, вычислительной техники, радиотехники обусловило необходимость разработки магнитных материалов со специальными магнитными свойствами.

В электронной вычислительной технике и автоматических устройствах широко применяют магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Материалы, проявляющие такие свойства, характеризуются прецизионным составом и технологией получения. Их маркируют буквами ВТ (вычислительная техника) или П (прямоугольная петля гистерезиса). Цифры перед буквами в марке показывают коэрцитивную силу в эрстедах. Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса марок 1,75ВТ, 1,5ВТ, 0,9ВТ, 100П, 10Ш применяют для изготовления элементов памяти вычислительных устройств.

В малогабаритных ЭВМ и оперативных запоминающих устройствах используют тонкие ферромагнитные пленки. Характерная особенность этих материалов состоит в малом времени перемагничивания (от десятых долей до нескольких наносекунд). Тонкие ферромагнитные пленки толщиной 10 - 100нм из сплавов Fe-Ni и Fe-Ni-Co получают испарением их в вакууме на неорганические подложки. В быстродействующих и малогабаритных устройствах СВЧ - диапазона применяют многослойные ферромагнитные пленки. Их получают чередованием магнитных и немагнитных слоев.

В качестве носителей магнитной записи используют диски, ленты, барабаны и т. д. Магнитную запись производят на специальном материале, состоящем из подложки и слоя магнитного вещества на органическом связующем. В качестве подложки используют поливинилхлорид, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамид. Магнитные материалы созданы на основе высокодисперсных оксидов Fe₂O₃, Cr₂O₃, сплавов системы Fe - Co. Слой магнитного материала наносят электролитическим осаждением, распылением в вакууме, разложением карбонилов металлов.

Современные магниты создают на основе сплавов системы Nd – Fe – B методом порошковой металлургии.

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 866; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!