Электротехнические материалы в самолётостроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по дисциплине

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

На тему: Электротехнические материалы в самолётостроении

Содержание

Введение

1. Проводниковые электроматериалы

1.1 Электрическая проводимость металлов

1.2 Металлы и сплавы с высокой электрической проводимостью

1.3Сплавы с высоким электросопротивлением

2 Полупроводниковые электроматериалы

2.1 Классификация полупроводниковых материалов

3. Диэлектрические материалы

3.1.Изоляционные материалы

Заключение

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Электротехническими материалами (рис. 1) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике c учетом этих свойств.

Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупностью.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике с учетом их магнитных свойств. По поведению в электрическом поле материалы подpазделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапaзон их применения.

Рис.1 Классификация материалов электронной техники

Проводниковыми называют материалы, oсновным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропpоводность по сравненению c дpугими электротехническими материалами. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является очень сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, a также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т.п.)

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее y него выражены замедлeнные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

B различных случаях применения диэлектриков - одногo из наиболеее обширных классов электротехнических материалов довольно четко определились потpебности в использовании пассивных или активных свойств этих материалов, На основе пассивных свойств диэлектрические материалы применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.e. c их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли,). B этих случаях величина диэлектрической проницаемости материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в сxемы паразитных емкостей. B случае же использования материала в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров при прочих равных условиях желательно иметь большую величину диэлектрической проницаемости материала..

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, мaтериалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

B зависимости от условий эксплуатации к матeриалам, используемым в электронной аппаратуре, предъявляются очень жесткие и разносторонние требования. Изоляционные материалы должны, например, иметь низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность; магнитные сердечники должны обладать большой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением. Материалы по возможности должны быть легкими, механически прочными, не бояться тряски, вибраций и ударных нагрузок c большими ускорениями. Они должны обеспечивать надежную эксплуатацию как при 150-200°С (а иногда и выше), так и при (60=80)°С. Черeдование многократных температурных циклов не должно вызывать их порчи. Материалы, контактирующие c внешней средой, должны позволять использовать аппаратуру в странах c тропическим климатом - при влажности окружающей среды до 98% и температуре до 40°С, не бояться появления плесени, поражения насекомыми и т. д. Материалы, используемые для аппаратуры массового потребления, должны быть дешевыми. Технология изготовления из них изделий должна быть, прoстой, допускающей автоматизацию производства.

1. Проводниковые электроматериалы

Технические проводниковые материалы подразделяются в соответствии со схемой приведенной на рис.4

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, a при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают:

a) материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах, обмоток, трансформаторов, волноводов, анодов мощных генераторных ламп и т. д.;

б) металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют в электронагревательных приборах, лампах накаливания, резисторах (отдельных и в микросхемах), реостатах и т. п.

К жидким проводникам относятся pасплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состоянии обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Электролитам и или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду, называемую плазмой.

Рис.4 Схема классификации проводниковых электроматериалов

1.1 Электрическая проводимость металлов

Удельная проводимость ? характеризует перенос электрических зарядов под действием внешнего электрического поля (величина, обратная удельному электричеcкому сопротивлению р, т.е. 1/? =р); ?(р) - свойство структурно чувствительное.

Вольтамперная характеристика вещества, выражающая зависимость плотности тока J от напряженности поля Е, для различных веществ имеет разный характер. Величина ?=dJ/dE=tg а характеризует наклон кривой [J= f(Е) ]. В общем случае удельная проводимость зависит от напряженности поля. В частном же случае, когда вольтамперная характеристика представляет собой прямую линию, справедлив закон Ома: J=?Е и ? не зависит от Е

Плотность тока J связана с зарядом носителей тока е (электронов в металле), их числом n и напряженностью поля соотношением

J = еµпЕ, (1)

где µ- подвижность электронов, см²/ (В?с), численно равная средней скорости их дрейфа в направлении поля напряженностью Е=1 В/см.

Поэтому

? = епµ. (2)

При наличии в материале носителей разного рода (электронов и дырок) удельная проводимость равна

?=??_i=?en_i ?_i, (3)

е -заряд электрона;

n_i - концентрация носителей;

µ_i- подвижность носителей.

Подвижность электронов равна

?==? (4)

где m* -эффективная масса носителя;

l - длина свободного пробега, т. e. отрезок пути между двумя соударениями, на котором носитель заряда движется ускоренно;

V - скорость движения носителя;

? - время свободного пробега.

Из выражения (4) следует:

?=en= (5)

Длина свободного пробега электрона невелика, обычно 10^-6<l< 10^-5 см. Это обусловлено нарушениями периодического потенциала поля ионного остова кристалла, вызванного динамическими и статическими несовершенствами (дeфектами кристаллического строения).

Длина электронной волны

?=h/mu (6)

в металлах - величина того же порядка, что и межатомные расстояния. Поэтому наиболее сильным является рассеяние электронов в металлах на дефектах, соизмеримых c атомными размерами (точечных).

Особенность металлов состоит в том, что носителями заряда в них являются практически только электроны, причем число электронов, участвующих в электрической проводимости, y разных металлов практически одинаково и может быть принято равным 10²²-10²³ см^-3.

Для металлов характерны: a) прямолинейная вольтамперная характеристика; б) отрицательный температурный коэффициент удельной проводимости (d?/dT<0); в) снижение удельной проводимости при введении примесей и структурных дефектов.

Атомы (ионы) твердых тел (в том числе металлов) совершают непрерывные тепловые колебания в узлах кристаллической решетки. Эти колебания - причина локальных динамических искажений решетки, непрерывно изменяющихся по знаку, величине и направлению. Взаимодействие кoлебаний друг c другом, a также с электронами в значительной степени сказывается на теплопроводности, электрической проводимости, инфракрасном поглощении, электрическом пробое диэлектриков и других свойствах материалов.

Амплитуда тепловых колебаний ионов металлов U увеличивается c ростом температуры U² ~ T (экспериментально величина амплитуд тепловых колебаний оценивается методами рентгеноструктурного анализа). Это создает дополнительную неупорядоченность кристаллической структуры, в результате чего увеличиваются отражение и рассеяние электронов, что приводит к снижению удельной проводимости (увеличeнию удельного электросопротивления). За исключением области очень низких температур, удельное электрическое сопротивление линейно зависит от температуры:

?_Т =?₂₇₃ [1 + ?_р (Т - 273)] (7)

где ?₂₇₃ - удельное электрическое сопротивление при 273 K (0°С);

?_р -температурный коэффициент электросопротивления; для чистых металлов ?_р ?5? Это значит, что при повышении температуры от 0 до 200°С средняя длина свободного пробега электрона уменьшается примерно вдвое. Из формулы (7) можно вывести выражение для ?_Р:

?=() (8)

т. е. ?_р - это относительное изменение удельного электросопротивления при повышении температуры на один градус, .

Температурная зависимость удельного электрического сопротивления чистой мeди и чистого алюминия представлена на рис. 5.

электропроводник металл сплав



Рис.5 Зависимость удельного электросопротивления алюминия и меди ? от температуры

Удельное электрическое сопротивление металлов, содержащих примесные атомы, равно

? = , (9)

где - удельное электросопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями атомов;

-удельное электросопротивление, вызванное рассеянием электронов на примесных атомах и дефектах.

Эта зависимость называется правилом Матиссена.

Построение графика температурной зависимости удельного электрического сопротивления металла показывает; что при температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление падает примерно пропорционально Т⁵ (рис. 6), и экстраполяция его к Т=О дает остаточное сопротивление, соизмеримое со значением ; оно зависит от химических (посторонние атомы) и, физических (вакансии и дислокации) дефектов решетки и повышается с увеличением их концентрации.

При работе с металлами особо высокой чистоты, когда чувствительность химических методов анализа оказывается недостаточной, широко используют оценку чистоты по отношению удельных электросопротивлений, измеренных при комнатной температуре и температуре жидкого гелия: Так как удельное электросопротивление, обусловленное тепловыми колебанияни, практически не зависит от концентрации примесей и дефектов, различие в значениях ? от образца к образцу в этом случае связано с различием в . Электрическая проводимость металлов с кубической решеткой изотропна.

Рис.6 Зависимость относительного удельного электросопротивления вольфрама от температуры:

1) ?/?=3,23?10

2) ?/?=8?10 (металл зонной плавки)

Электросопротивление чистых металлов всегда возрастает при растворении в них других элементов, независимо от природы последних .

Пририрост весьма велик, и nри больших концентрациях растворенного компонента удельное электросопротивление раствора может оказаться в несколько раз большим, чем металла-растворителя. Это вызвано искажениями, которые вносят в решетку растворителя растворенные атомы. Однако температурная зависимость удельного электросопротивления с увеличением легирования твердого раствора снижается(?_? сплава<?_р чистого металла). В случае неограниченной растворимости компонентов в двухкомпонентной системе максимум ?, как правило, расположен при концентрации ~50% (рис.7).

Рис.7 Зависимость удельного электросопротивления для системы Pt-Pd с неограниченной взаимной растворимостью компонентов от концентрации палладия

Рис. 8 Зависимость удельного элктросопротивления ? и сплава Cu-Ni от концентрации никеля.

Этой же концентрации соответствует минимальное значение (рис. 8). Эта закономерность не соблюдается, если в растворении участвуют переходные металлы. Упорядочение твердых растворов сопровождается двумя явлениями, противоположно влияющими на удельную проводимость.

С одной стороны, усиливаются химические связи, уменьшается число электронов проводимости и удельная проводимость падает.

Подтверждением того, что усиление химических связей понижает удельную проводимость, являются данные об электропроводности химических сое динений, которая всегда значительно ниже, чем у компонентов образующих это соединение:

Вещество . . . . . . . . . . . . Fe Al Al Ag Al

Удельная проводимость

??, См/м . . . . . . . . . . 11 35 0,71 68 2,75

Вместе с тем при упорядочении потенциал поля ионного остова решетки становится периодически более правильным и симметричным.

Это увеличивает длину свободного пробега электронов и удельную проводимость.

По-видимому, в химических соединениях всегда превалирует первый фактор, а в упорядоченных растворах - второй.

Поэтому упорядочение, как правило, существенно снижает удельное электросопротивление раствора.

На рис.9 приведена зависимость удельного электросопротивления от состава сплавов системы Си-Аи, для которой впервые обнаружено влияние упорядочения на электросопротивление.

В этих сплавах после упорядочения ? уменьшается в 2-3 раза.



Рис. 9 Зависимость удельного электросопротивления в системе Cu-Au от концентрации золота при образовании упорядоченных твердых растворов:

1-закалка; 2-медленное охлаждение в области температур упорядочения

Удельная проводимость гетерофазных сплавов в первом приближении равна сумме ? фаз, входящих в этот сплав, однако возможны отклонения от аддитивности при высокой дисперсности частиц вторичных фаз.

Внешние воздействия, сопровождающиеся понижением структурного совершенства металлов (пластическая деформация, радиационное облучение), ухудшают подвижность электронов и повышают электросопротивление.

1.2 Металлы и сплавы с высокой электрической проводимостью

Величина удельного электросопротивления чистых металлов находится в пределах 0,016-1,166 мкОм • м. Значение 0,016 мкОм • м соответствует чистому серебру, 1,16 мкОм•м-чистому висмуту.

У сплавов ??2,5 мкОм • м, ?_? различных чистых металлов изменяется в небольших пределах вблизи значения ~5^. 10^-3 К^-1 У сплавов ?_? значительно ниже и может вообще стремиться к нулю. Для промышленных проводящих материалов большое значение имеют механические характеристики- предел прочности при растяжении ?и относительное удлинение при растяжении ?, характеризующее пластичность проводника (в процентах).

Ниже рассмотрены низкоомные проводящие материалы, используемые для передачи электрической энергии, а также контактные материалы. К металлам, применяемым в качестве низкоомных проводников, относятся серебро, медь, алюминий и некоторые сплавы на их основе.

Ниже приведены некоторые свойства серебра, золота, меди и алюминия:

Ag Au Cu Al

Удельное электросопротивление

p, мкОм*м . . . . . . . . . . . . . . .. 0,016 0,024 0,01 0,027

Температурный коэффициент

электросопротивления ?* ,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,6 0,4 4,5 4,3

Температура плавления, ?С . . . . . 960 1063 1084 658

Плотность, кг/ . . . . . . . . . . . . . 10500 19300 8900 2700

Примечание. Все металлы имеют Г.Ц.К. решетку.

Серебро Ag. Вследствие высокого электрохимического потенциала серебро является благородным металломи практически не окисляется на воздухе. Поэтому, несмотря на высокую стоимость, серебро применяют в качестве неокисляющихся проводников, электрических контактов на высоких и ультравысоких частотах, а также в печатных микроэлектронных схемах. В высокочастотной аппаратуре серебро широко используют для покрытия меди или латуни слоем ~5мкм. Покрытие создается гальваническим методом или напылением в вакууме. Поскольку в высокочастотных элементах имеет место оттеснение зарядов в поверхностные слои проводника (поверхностный эффект), серебрение высокочастотных проводников резко снижает электросопротивление.На воздухе серебро темнеет вследствие образования сернистого серебра S. Но электропроводность этого соединения значительно выше, чем окиси или закиси меди, поэтому контакт серебра с атмосферой мало сказывается на его электропроводности. Для защиты серебра от сернистых паров применяют покрытия лаком или тонким слоем палладия. Высокая свето- и теплоотражательная способность позволяет изготавливать из серебра зеркала и теплоотражатели для различных конструкций летательных аппаратов.

Благодаря высокой теплопроводности серебро применяют как датчик для измерения температуры. Специальными методами из серебра изготавливают электроды и токопроводящие покрытия на непроводящих поверхностях: керамике, смоле, стекле, кварце и др. (печатный монтаж, изготовление конденсаторов, пьезокварцевых пластин).

В некоторых случаях серебро заменяют золотом Аu.

Медь Cu. Вторым после серебра металлом с низким удельным сопротивлением является медь. Наиболее пластична бескислородная вакуумная медь с содержанием <0,02% О₂, которую получают индукционной плавкой в вакууме. Вакуумная медь (99,99% Сu) имеет пониженное удельное сопротивление р=0,017 мкОм • м и пониженное содержание летучих примесей - Pb, Bi, Zn.

На воздухе поверхность медного проводника быстро покрывается слоем закиси-окиси меди с высоким удельным электросопротивлением. Высокочастотные медные токоведущие элементы защищают от окисления покрытием из серебра. В настоящее время вьпускают следующие марки чистой меди с содержанием последней,%, не менее: M00 (99,99% Сu); М0 (99,95% Сu); М1 (99,9% Сu); М2 (99,7% Сu); М3 (99,5% Сu); М4 (99,0% Сu).

Техническую медную проволоку выпускают в отожженном виде марок MM (мягкая) и в нагартованном МТ (твердая). Марки мягкой меди М0 и М1 (?=270 МПа; p=0,0175 мкОм•м) применяют для обмоточных проводов, жил кабелей, твердую медь тех же марок (?=390 МПа; p=0,018 мкОм•м) -для контактных проводов и коллекторов. Температура рекристаллизации меди 270° С. Вакуумную бескислородную медь (M00) используют в электровакуумных приборах (аноды мощных ламп), в элементах СВЧ-приборов (волноводы, магнетроны), для изготовления особо, тонкой проволоки и красномедной фольги. Медь марок М2, М3 и М4 применяют для получения медных сплавов -бронз и латуней.

Сплавы на основе меди. Если проводник должен иметь повышенную прочность или стойкость к истиранию, то используют сплавы меди - латунь и бронзу, хотя удельное электросопротивление их выше.

Латунь- это сплавы системы Cu-Zn, содержащие иногда 1-2% Mn или Fe. В марках латуни цифры указывают на процентное содержание меди (например, латунь Л80, Л68). Латуни системы Cu-Zn отличаются хорошими механическими и коррозионными свойствами, поддаются ковке, штамповке, прокатке (листы , лента, полуфабрикаты) в горячем и холодном состоянии. Удельная электрическая проводимость латуни при содержании 30% Zn составляет примерно 40% от проводимости меди. Структура практически применяемых латуней при комнатной температуре представляет собой либо кристаллы ?-раствора цинка в меди, либо смесь кристаллов, где ? - кристаллы фазы, представляющей собой упорядоченный ?-твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи и электронной концентрацией .

Бронзы-сплавы меди с оловом, кадмием, бериллием, алюминием, кремнием и другими элементами.

Бронзы превосходят медь по механическим свойствам, химической стойкости, стойкости к истиранию, антифрикционным и другим свойствам, но имеют более низкую удельную проводимость. Наилучшими свойствами отличаются бронзы с добавками бериллия и кадмия.

Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, и цифры, указывающие на количeство этих элементов в целых процентах (например, БрОЦ4-3 содержит Sn 3,5-4,0%, Zn 2,7-3,3%, а также сотые и тысячные доли процента Fe, Pb, Sb, А1, Si, Р).

ТАБЛИЦА 1 СПЛАВЫ МЕДИ И ИХ СВОЙСТВА

Наименование сплава	Удельная проводимость ?, %*	Предел прочности ?, МПа	Относительное удлинение ?, %	Примечание
Медь М00 Латунь Л68 Бронза кадмиевая (0,9% Cd) Бронза берилиевая БрБ2	100 40 95 30 (отожженная) 17 (нагартованная)	270 380 260 550 1950	50 65 50 40 7	-- Отожженная Высокая стойкость к истиранию Термообработка (закалка и старение)
* От проводимости чистой меди.

Структура бронз определяется типом диаграммы состояния медь-легирующий элемент и видом термической обработки. Лучшие марки бронз, например бериллиевую (табл. 1), применяют для токоведущих пружин, контактов, различных мембран. Кадмиевую бронзу используют для проводов, коллекторных пластин, скользящих контактов. Бронзы имеют широкое применение в приборостроении. B табл. 1 приведены некоторые марки и свойства меди и медных сплавов.

Алюминий Al занимает третье место среди проводниковых материалов по величине удельного сопротивления, имеет малую плотность (примерно в 3,3 раза меньше, чем у меди),небольшую прочность (?=100 МПа) и хорошую пластичность (?=35%). Он легко окисляется на воздухе, причем на поверхности образуется газонепроницаемая пленка Аl₂O_з толщиной ~0,05 мкм, предохраняющая внутренние слои металла от дальнейшего окисления.

Промышленность выпускает электролитический сверхчистый алюминий А999 (99,999% Аl) и А995 (99,995% Аl), Эти марки алюминия обладают высоком пластичностью и стойкостью против коррозии. Их применяют для анодной фольги электролитических конденсаторов и для защитных кабельных оболочек. Другие маpки этой группы-А99 (99,99% Аl), А95 (99,95% A1).

Алюминий технической чистоты маркируется как А85 (99,85% A1), А7 (99,7% A1) и применяется для кабельных и токопроводящих изделий, фольги, плакировки сплавов. Алюминий марок А0 (99,0% Аl) иАЕ (99,5% Al) используют для получения алюминиевых сплавов, кабелей, токопроводящих изделий, шин, рамок и стрелок электроизмерительных приборов. Проводимость aлюминия сильно падает при наличии таких примесей, как марганец, железо, медь, вследствие увеличeния искажений кристаллической решетки, поэтому проволока из алюминия технической чистоты после отжига при t= (350+20)° C должна иметь гарантиpованную заводом-изготовителем величину удельного электросопротивления; обычно она составляет не более 0,028.10^-6 Ом•м.

Биметаллическая проволока. Проводниковая биметаллическaя проволока состоит из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Ее получают путем их совместной пластической деформации. При определенных условиях биметаллическим проводником может считаться проводник c покрытием, полученным гальваническим осаждением, металлизацией в вакууме и т. д.

Механическая прочность биметалла благодаря стальной сердцевине значительно выше, чем у меди (?=600 МПа). Проводимость биметалла, особенно на повышенных частотах, определяется сечением поверхностной оболочки вследствие явления скин-эффекта. Кроме того, медная и алюминиевая оболочки защищают сталь от коррозии.

Проводниковую биметаллическую сталемедную проволоку выпускают диаметром 1-4 мм, ~50% (по массе) может составлять медь.

1.3 Сплавы с высоким электросопротивлением

Сплавы с высоким электросопротивлением подразделяют на сплавы для резистивных элементов, нагревательных элементов, тензорезисторов и терморезисторов. Для обеспечения высокого электрического сопротивления в малом объеме материала используют сплавы со структурой твердого раствора замещения с высокой концентрацией растворяемых элементов. Этим достигается сильное искажение кристаллической решетки. В неоднородном поле твердого раствора с искаженной кристаллической решеткой длина свободноrо пробега электрона намного меньше, чем в однородном поле чистого металла, что уменьшает электропроводность сплава и увеличивает его удельное электросопротивление. У таких сплавов удельное электросопротивление может быть в десятки раз больше, чем у исходных чистых металлов.

Сплавы с высоким электросопротивлением должны иметь также: а) малый температурный коэффициент электросопротивления ?_Р (это требование не распространяется на сплавы для терморезисторов) ; б) высокую пластичность в холодном состоянии, что позволяет изготовлять проволоку или ленту.

Сплавы для резистивных элементов применяют для изготовления проволочных резисторов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре, реостатов и переменных сопротивлений, образцовых сопротивлений, шунтов и других элементов электрических аппаратов, машин и приборов, которые должны иметь определенное высокое электрическое сопротивление.

Сплавы применяют в виде проволоки или ленты. Высокая пластичность материалов позволяет тянуть проволоку до диаметра 0,02 мм, а ленту прокатывать до толщины 0,01 мм.

Кроме указанных выше свойств; сплавы для резистивных элементов должны иметь малую термоэлектродвижущую силу (т. э. д. с.) в паре с медью. Дело в том, что в электрической схеме прибора монтаж резистивных элементов ведут с помощью медных проводов. Т. э. д. с., возникающая в контакте, например, проволочного резистора с медным проводником, может изменить электрические параметры схемы, что нарушит режим работы прибора. Резистивные элементы должны обладать также высокой температурно-временной стабильностью электросопротивления.

Наиболее высокое электросопротивление и минимальная величина температурного коэффициента электросопротивления получаются в сплавах с высокой концентрацией легирующих элементов, когда твердый раствор образуется при приблизительно равном количестве компонентов.

На рис. 10 показана диаграмма состояния системы Ni-Cu и соответствующая диаграмма изменения свойств в зависимости от состава. Как видно из диаграммы состояния, медь и никель образуют непрерывный ряд твердых растворов. Максимум удельного электросопротивления соответствует примерно 50% Ni, а минимум температурного коэффициента электросопротивления - примерно 40% Ni.

Медныe сплавы, основанные на твердых растворах никеля в меди, широко используют для изготовления проволочных или ленточных резисторов. К ним относятся константан и никелин. Константан имеет практически

Рис. 10 Диаграмма состояния Ni-Cu и соответствующая ей диаграмма изменения удельного электросопротивления ? и температурного коэффициента электросопротивления ?нулевой температурный коэффициент электросопротивления

Его сопротивление не изменяется в пределах -60?+?300 С. Однако т. э. д. с. константана в паре с медью высокая. Поэтому константан используют преимущественно для изготовления реостатов или нагревательных элементов, работающих до 500° С, когда т. э. д. с. в паре с медью не имеет существенного значения. Для реостатов пригоден также никелин, свойства котороrо несколько хуже, чем константана, однако он дешевле.

Для прецизионных резисторов применяют медный сплав - манганин. Он имеет структуру твердого раствора марганца и никеля в меди. Обладая несколько более высоким температурным коэффициентом электросопротивления, чем константан, он отличается незначительной т. э. д. с. в паре с медью. Высокая температурно-временная стабильность манганина достигается стабилизирующим отжигом, который снижает внутренние напряжения и искажения кристаллической решетки и приводит сплав в более устойчивое состояние.

Сплавы для нагревательных элементов. Нагревательные элементы необходимы для преобразования электрической энергии в тепловую в небольшом объеме металла. Они служат для создания определенной температуры в оборудовании, приборах, например в электрических печах, электроплитках, электропаяльниках. Наиболее высокая температура требуется в электропечах, где с помощью металлических нагревательных элементов она достигает 1100-1150° С. В связи с этим, помимо высокого электросопротивления, низкого температурного коэффициента электросопротивления, высокой пластичности в холодном состоянии, сплавы для нагревательных элементов должны иметь и высокую жаростойкость, т. е. сопротивление материала окислению при высоких температурах. Материалы, не обладающие жаростойкостью, окисляются при сильном нагреве довольно быстро. При этом чаще всего окалина (окись металла на поверхности изделия) растрескивается и отслаивается от поверхности сплава, что приводит к постепенному разрушению изделия. Для предупреждения взаимодействия металла и кислорода и образования большого количества окалины металлы и сплавы легируют специальными элементами, которые способствуют образованию плотных, газонепроницаемых окислов на поверхности изделия. К таким элементам относятся хром, алюминий и кремний, образующие окислы

, ,

В табл. 3 приведены наиболее распространенные сплавы для нагревательных элементов, их составы и свойства. Нихромы-сплавы никеля и хрома с содержанием примерно до 20% Cr. Выбор никеля в качестве основы нихрома не случаен. По сравнению с железом никель имеет более высокие жаропрочность и жаростойкость. В то же время он очень пластичен. Находящийся в твердом растворе хром увеличивает жаростойкость никеля. Нихромы пластичны и технологичны, а проволока, изготовленная из пластичного сплава, имеет мало дефектов на поверхности и поэтому надежнее в эксплуатации. Нихром Х20Н80 работает до температуры 1100°С Нихром Х15Н60 содержит меньше хрома и поэтому работает только до температуры 1000° С.

Таблица 3 Состав и свойства сплавов для нагревательных элементов

Название сплава	Марка	Состав, %	p*, Ом*м	?px ?	,?С
		Cr	Ni	Al	Fe
Нихром Фехраль	Х20Н80 Х15Н60 Х13Ю4 Х23Ю5 Х27Ю5Т	20-23 15-18 12-15 21,5-24,5 26-28	Ост. 55-61 0,6 0,6 0,6	0,2 0,2 3,5-5,5 4,5-5,5 5,0-5,8	1,5 Ост » » »	1,11 1,11 1,26 1,37 1,42	16,5 16,3 -- 17,4 15,0	1100 1000 1000 1200 1300

Сплавы типа фехраль - Х13Ю4, Х23Ю5 и Х27Ю5Т - созданы на основе железа. Высокое содержание хрома и алюминия придает сплавам жаростойкость, но в то же время увеличивает твердость и хрупкость. Они дешевле нихромов, но менее технологичны.

Сплавы для тензорезисторов. Тензорезисторы- приборы, служащие для измерения деформации и усилий в конструкциях. Их изготовляют из сплавов, у которых под действием растягивающих или сжимающих напряжений сильно изменяется электросопротивление. Сплавы для тензорезисторов должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления, обладать жаростойкостью в рабочем интервале температур, сохранять стабильность свойств во времени. К числу таких сплавов относятся константан и некоторые марки нихромов и фехралей. Константан может работать при температуре от -60 до +300° С. Нихром Х20Н75Ю используют при температуре до 350°С. Хромаль 0Х21Ю9 работает как при повышенных температурах (20-480° С), так и при отрицательных (от +20 до -196° С).

Сплавы для терморезисторов. Терморезисторы изготовляют из сплавов с отчетливо выраженной температурной зависимостью электросопротивления. Их применяют либо в приборах для измерения температуры, либо для элементов радиоэлектронной аппаратуры, которые, реагируя на изменение температуры в аппарате, поддерживают независимость его работы от температуры.

В отличие от рассмотренных выше сплавы для терморезисторов должны обладать высоким температурным коэффициентом электросопротивления. Для более точного измерения температур необходима линейная зависимость электросопротивления от температуры.

Наиболее распространен сплав Н50К10, состоящий из 50-52% Ni, 10-11% Со и железа. Его рекомендуется применять при температуре 20-200^° С. Он имеет темтемпературный коэффициент электросопротивления 4Х10^-3 К^-1 и р=0,25•10⁶ Ом•м. Применяют также некоторые другие сплавы на никелевой или кобальтовой основе. Помимо металлических терморезисторов, широко используют полупроводниковые терморезисторы на основе сложных окислов. Температурная зависимость удельного электросопротивления полупроводников на 1-2 порядка выше, чем металлических. сплавов. С повышением температуры удельное электосопротивление полупроводников понижается примерно по экспоненциальному закону (рис. 11).

Рис. 11 Зависимость удельного электросопротивления ? сплава Н50К10 (1) и полупроводника типа ММТ (2) от температуры

Основные свойства некоторых проводников применяемые в самолётостроении приведены в таблице 4.

Таблица 4 Основные свойства некоторых электропроводников

Материалы	Удельное сопротивление (при t=20 ?С), Ом •мм/м	Температурный Коэффициент сопротивления, I/град.	Удельный вес, г/см	Температура плавления, град
Алюминий Бронза фосфористая Вольфрам Константан Латунь Манганин Медь (электротехническая) Никель Нихром Олово Свинец Серебро Сталь Цинк	0,026 0,115 0,055 0,49 0,07 0,42 0,0175 0,07 1,1 0,11 0,21 0,016 0,1 0,06	0,004 0,004 0,005 0,000004 0,002 0,000008 0,004 0,006 0,00015 0,0044 0,004 0,0036 0,006 0,004	2,7 8,8 19,3 8,9 8,5 8,4 8,9 8,8 8,2 7,3 11,4 10,5 7,8 7,1	660 900 900 1600 900 1200 1080 1450 1400 230 330 960 1520 420

2. Полупроводниковые электроматериалы

Полупроводником называется вещество, которое по удельной электрической проводимости является промежyточным между проводником и диэлектриком и отличается от проводника сильной зависимостью удельной электрической проводимости от температуpы, концентрации примесей и структурных дефектов.

B нaстоящее время известно большое число веществ, которые по своим свойствам относятся к полупроводникам.

Удельная электрическая проводимость большинства полупроводников составляет 10⁴-10^-10 Ом^-1•см и очень сильно зависит от различных внешних воздействий (свет, электрическое и магнитное поле, ионизирующее излучение и др.). Этот фундаментальный факт позволяет управлять концентрацией электронов в зонe проводимости, что и является технической основой применения полупроводников.

B зонной структуре энергетического спектра валентных электронов у полупроводников имеются разрывы(«запрещенные зоны»).

Важная особенность полупроводников, принципиально отличающая их от металлов,- положительный темпеатурный коэффициент электрической проводимости. При абсолютном нуле полупроводник. превращается в изолятор.

Полупроводники бывают в жидком, аморфном (стеклообразном) и кристаллическом состояниях. П этому отнести вещество к классу полупроводников можно только после всестороннего изучения его физико-химических свойств.

Полупроводниковые свойства в первую очередь определяются природой химической связи (ближний порядок) в данном веществе.

Химические связи находят свое выражение в расположении плотности электронов внутри ячейки. Поэтому первичной характеристикой полупроводника можно считать структуру электронного облака в пределах ячейки.

Из характера валентных связей в ячейке вытекают физические и химические свойства полупроводника.

В наиболее важных полупроводниковых материалах преобладает ковалентная связь, которая может осуществляться одной, двумя, тремя и т. д. парами электронов.

Характеристическими параметрами полупроводников обычно считают ширину запрещенной зоны, концентрацию и подвижность носителей заряда и др.

Шириной запрещенной зоны ? в физике твердого тела считают область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле. В полупроводниках обычно рассматривают запрещенную зону, разделяющую валентную зону и зону проводимости. Под шириной запрещенной зоны в этом случае понимают разность энергий между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны (рис. 12).

Рис.12 Схемы энергетических уровней полупроводника с собственной проводимостью (а), легированного элементами донорного (б), и акцепторного (в) типов, иллюстрирующие появление носителей тока в полупроводнике при его нагревании

Ширина запрещенной зоны определяет электрические свойства твердого тела. У полупроводников она составляет несколько электрон-вольт и меньше.

Ширина запрещенной зоны непосредственно зависит от прочности химических связей. для создания электронов проводимости необходим разрыв некоторых валентных связей. Это может произойти при повышении температуры или под действием ионизирующих излучений.

При разрыве каждой связи возникает один электрон проводимости и одно вакантное квантовое состояние электрона в валентной зоне (дырка проводимости, рис.12,а)

Желательно чтобы для полупроводниковых диодов ?>0,7эВ. Если ? слишком мало, то концентрация термически ионизированных собственных электронов и дырок будет значительной при комнатной температуре. Отрицательное последствие этого - возникновение в p-n - переходах токов утечки, величина которых, резко возрастает при повышении температуры. Подвижностью носителей заряда ? называется средняя скорость перемещения всей массы носителей заряда в поле напряженностью 1 В/см. Подвижность тесно связана с коэффициентом диффузии носителей заряда D универсальным соотношением Эйнштейна:

D= ? (10)

где k-постоянная Больцмана;

T-абсолютная температура, К.

Высокая подвижность носителей заряда необходима для нормальной работы приборов на высоких частотах.

Важно отметить, что под влиянием различных внешних воздействий (температура, освещение, электрическое и магнитное поля и др.) электропроводность полупроводников может изменяться в 10⁶-10⁷ раз. Металлы и электролиты не обладают подобной чувствительностью к внешним воздействиям. Причина указанного различия заключается в том, что при комнатной температуре металлы имеют концентрацию электронов проводимости, равную 5•10²¹-5•10²² см^-3, а полупроводники 5•10¹³-5•10¹⁴ см^-3.

Отсюда видно, что в металле число электронов проводимости близко к числу атомов в 1 см³ кристалла, т.е. практически каждый атом в кристаллической решетке металла “отщепил” по электрону в зону проводимости. В отличие от этого в решетке полупроводника далеко не каждый атом отдал электрон в зону проводимости. Последнее обстоятельство позволяет увеличить электропроводность полупроводника благодаря ионизации дополнительного количества атомов в кристаллической решетке. Относительно небольшая концентрация электронов проводимости приводит к тому, что ее изменение существенно отражается на свойствах полупроводников.

2.1 Классификация полупроводниковых материалов

Рис.13 Классификация полупроводниковых электроматериалов

Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Однако существует также много других веществ с полупроводниковыми свойствами.

Все полупроводниковые вещества можно разделить на два класса: простые и сложные полупроводники.

Простыми называются полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента. Простыми полупроводниками являются следующие элементы:

бор, углерод, кремний, германий, олово, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и иод.

Сложными называются полупроводники, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.

Сложными полупроводниками являются химические соединения и полупроводниковые сплавы.

Среди сложных полупроводников прежде всего различают двойные полупроводниковые сплавы и соединения типа

, , , , , и т. д

В этих формулах А и В-символы элементов, римские цифры указывают номер группы периодической системы, а арабские цифры - число атомов. Так, например, к соединениям типа относятся антимонид индия InSb, арсенид индия InAs, антимонид алюминия AlSb, арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP.

В группу соединений типа , , входят:

1) полупроводниковые окислы (соединения металлов с кислородом):

CuO, ZnO, TiО₂, CaO, NiO, FеO, Fe₂O₃ Аl₂О₃, In₂O₃, SnO₂ др.;

2) халькогениды (соединения металлов с серой, селеном и теллуром): Ag₂Se, PbSe, PbS, PbTe, Bi₂S_3, Bi₂Te₃, ZnS, ZnSe, CdS,CdSe и др.;

3) соединения редкоземельных элементов: La₂Se_3, GdSe и др.

К двойным полупроводниковым сплавам относятся сплавы Ge-Si, Se-Те и др.

Следующей группой сложных полупроводниковых веществ являются тройные и более сложные, т. е. состоящие из трех и большего числа компонентов полупроводниковые соединения сплавы. Следует отметить, что четырехкомпонентные и более сложные полупроводниковые системы почти не изучены. Поэтому ограничимся рассмотрением в основном только тройных полупроводниковых соединений и сплавов. Среди них различают следующие разновидности:

1) соединения (халькопирит, т. е. серный колчедан CuFeS₂, AgFeTe₂ и др.);

2) соединения (AgInS₂, CuInS₂ и др.);

3) соединения A^I (AgAsSe₂, CuSbSe₂ и др.);

4) соединения (MgGeP₂, ZnSiP₂, CdSnAs₂ и др.);

5) соединения (ZnIn₂Se₄, CdIn₂Te₄ и др.);

6) соединения (сегнетоэлектрики типа титаната бария BaTiО₃ и др.);

7) ферриты, химическая формула которых может быть представлена в общем виде как

где Me-одновалентный, двухвалентный или трехвалентный металл (Li, Сu, Zn, Mg, Mn, Со, Ni и др.);

8) стеклообразные полупроводники: а) оксидные полупроводниковые стекла - тройные системы на основе Р₂ O₅+ V₂O₅ и окислов металлов I, II, V и друrих групп периодической системы (например, Ag₂О, Li₂O, ВаО, As₂О₃, Sb₂Оз, WO₃ Fe₂О₃ и др.); в этих стеклах пятиокись фосфора является стеклообразователем, пятиокись ванадия обеспечивает полупроводниковые свойства, а перечисленные окислы металлов стабилизируют стеклообразное состояние;

6) халькогенидные полупроводниковые стекла 4As₂Se₃ As₂Te₃, As₂Se₃•3As₂Te и др.;

9) органические полупроводники - антрацен, нафталин, пентацен, тетрацен, фталоцианин и др.;

10) сплавы систем InAs-CdSnAs₂, InSb-AgInTe₂ и др.;

11) жидкие полупроводники - растворы натрия и калия в аммиаке, сульфид таллия и др.;

Самый факт существования жидких и стеклообразных полупроводников свидетельствует о том, что полупроводниковые свойства присущи не только кристаллическому, но и аморфному состоянию.

Таким образом, химическая классификация полупроводниковых материалов убедительно свидетельствует о том, что, хотя число элементарных полупроводников и невелико, однако число полупроводниковых соединений и сплавов практически неограниченно. Все это открывает действительно неисчерпаемые возможности для поиска новых полупроводниковых материалов с нужными свойствами.

3. Диэлектрические материалы

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики), как показано на рис. 14.

Рис.14 Классификация диэлектриков

Под электроизоляционным материалом понимают диэлектрик, применяемый в технике с целью создания условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, т. е. недопускающий утечки тока.

В этом случае его роль чисто пассивная. Хотя один и тот же материал можно употреблять и для электрической изоляции, и как диэлектрик в электрическом конденсаторе (например, слюда, керамика, стекла, полистирольные и другие пленки), однако в принципе его использования и предъявляемых к нему требованиях имеются существенные различия. Так, в диэлектрике конденсатора может запасаться, а потом отдаваться в цепь электрическая энергия, иногда конденсатор используется для разделения цепей постоянного и переменного тока, для изменения сдвига фазы и т.д. Если для электроизоляционного материала желательно возможно меньшая величина относительной диэлектрической проницаемости материала, то для диэлектрика конденсатора желательно возможно большее значение в. Роль диэлектрика и в данном случае нельзя считать активной, но конконденсатор уже является функциональным элементом в электрической схеме.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 14 управляемые диэлектрики в свою очередь подразделены по принципу управления. Особое место занимают электреты - вещества с большой и длительно сохраняющейся остаточной поляризацией. К диэлектрикам, управляемым светом и излучающим материалам относятся вещества, обладающие фотоэффектом, люминофоры и активные элементы лазеров.

В дальнейшем деление всех материалов осуществлено на основе особенностей строения их в тех состояниях, в которых их применяют на практике, а следовательно, и особенностей их свойств. К таким особенностям относятся: инертная высокополимерная структура пластичных в технологии материалов - пластмасс, высоколастичное состояние других полимерных материалов - эластомеров (каучуков), волокнистое строение, монокристалличность, поликристалличность, стеклообразное состояние или многофазность. Из-за большого разнообразия применяемых на практике электриков, различия их свойств и некоторых исторически сложившихся традиций подразделения материалов такую классификацию не всегда удается строго выдерживать.

Еще совсем недавно диэлектрики делили на органические и неорганические (минеральные). Однако теперь широко распространены кремнийорганические материалы самого различного строения (жидкости, пластмассы, эластомеры), появились элементоорганические соединения, многие пластмассы с органической связкой держат кварцевые и другие минеральные наполнители, слюдяные материалы склеиваются органическими лаками, в производстве употребляют волокнистые материалы, сделанные из органических, стеклянных и асбестовых волокон, пропитанные кремний-органическими смолами.

Поэтому деление технических электроизоляционных материалов с каждым годом становится все более затруднительным.

Раньше с представлением об органическом и минеральном диэлектриках связывалась низкая и соответственно высокая нагревостойкость. Сейчас в массовом производстве применяют фтор-кремнийорганические полимеры с нагревостойкостью порядка 300°С, известны элементоорганические соединения с нагревостойкостью 600°С и более, мрамор же начинает терять кристаллизационую воду и разрушаться при температуре 120°С, а асбест-около 350°С. Гибкость и эластичность также не всегда являются суверенными признаками органики, противопоставляемыми хрупкости неорганических материалов. Из стеклянных волокон, например, изготовляют гибкие ткани такими же способами, как и в обычном Текстильном производстве.

Деление материалов в каждой из групп схемы рис. 14 проводится в соответствующих параграфах. Так как количество управляемых материалов, используемых на практике, пока еще не очень велико, они рассмотрены в тех же параграфах, что и аналогичные по строению пассивные диэлектрики, т. е. сегнето- и пьезокерамика вошла в общий параграф о керамике; пьезокварц и рубин - в параграф, где описываются пассивные монокристаллические диэлекрики; лазерные стекла - в параграф о стекле и т. п.

3.1 Изоляционные материалы

В производстве радиоаппаратуры широкое применение получили изоляционные материалы (диэлектрики), которые мoгут быть твердыми, жидкими и газообразными. Качество диэлектриков определяется следующими характеристиками.

Диэлектрическая проницаемость E -величина, показывающая, во сколько раз увеличится емкость воздушного конденсатора, eсли пространство между его обкладками заполнить вместо воздуха данным диэлектриком.

Диэлектрические потери - потери энергии, происходящие в диэлектрике, который помещен в переменное электрическое пoле. Теряемая энергия расходуется на нагревание диэлектрика. C увеличением частоты потери энергии увеличиваются. Количественно диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла потерь tg?. Чем меньше t?, тем лучше диэлектрик.

Диэлектрическая прочность характеризует способность диэлектрика выдерживать без пробоя высокое элeктрическое напряжение. Кроме перечисленных характеристик диэлeктрик характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКЕ, электропроводностью, гигроскопичностью механическими свойствами. Рассмотрим диэлектрики наиболее широко применяющиеся в радиотехнических устройствах.