Ювелирное обозрение

ПЛАН-КОНСПЕКТ (ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИИ)

проведения занятия по дисциплине «Химия радиоматериалов»

Проводниковые материалы. Классификация

и основные свойства

(полное название темы в соответствии с тематическим планом)

ТЕМЫ БЛОКА

Вступительная часть ……………………………… 1. Электротехнические материалы 2. Классификация проводников. Основные свойства 3.Типовые материалы, применяемые в качестве проводников.……………………………..

Тема №1

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехничес­кие материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления дета­лей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересую­щей нас области техники должны обладать вполне опреде­ленным набором свойств, благодаря которым они нахо­дят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических ма­териалов является набор их свойств по отношению к элек­тромагнитному полю. При взаимодействии с электромаг­нитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «элект­ротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) назы­ваются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ—элек­тропроводности— электротехнические материалы делят­ся на три группы: проводники, полупроводники и диэлект­рики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделя­ется на подгруппы по количественным параметрам, ха­рактеризующим их основные свойства. Это позволяет пред­ставить классификацию радиоматериалов в виде обобщен­ной схемы (рис. 1.1).

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, тех­нологические и другие характеристики отвечали опреде­ленным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МАТЕРИАЛОВ

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элемен­тов. Любое вещество (материал) состоит из огромного ко­личества электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер химических элементов, которые и опреде­ляют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств ма­териалов, позволяющие использовать часть макроскопи­ческих характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, об­разующих вещество, учитываются интегрально или авто­матически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере рас­пределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопос­тавляя между собой расположение атомов в структуре ве­щества, электронную конфигурацию этих атомов, тип хи­мической связи между ними, можно ответить на ряд важ­ных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничи­ванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются сила­ми электростатического взаимодействия между электро­нами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхожде­ния весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между ато­мами вещества предполагает, что полная энергия Е V _п час­тиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е_к и потенциальной U_n Е V _п = N (Е V _k+ U V _n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в сво­бодном состоянии Е с _п= N (Е с _к + U c _n). Разность этих энергий Е с _п – Е V _п = Е_св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала опреде­ляются характером связи и количественным значением энергии связи Е_св.

По характеру взаимодействия между частицами, состав­ляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

• ковалентная полярная, или гомеополярная;

• ионная, или гетерополярная;

Ковалентная неполярная связьвозникает при объеди­нении одноименных атомов в молекулы, например Н₂, О₂, Cl₂, N₂, алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обоб­ществление валентных электронов, что приводит к допол­нению внешней электронной оболочки до устойчивого со­стояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительно­го и отрицательного зарядов совпадают. В результате элек­трический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула — неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отлич­ный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по вели­чине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлек­триков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связьвозникает при объединении разноимен­ных атомов, например Н₂О, СН₄, СН₃С1, СС1₄ и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчиво­го состояния. Однако каждая связь имеет дипольный мо­мент. Тем не менее молекула в целом может быть нейт­ральной или полярной (рис. 1.2).

Соединения с гомеополярной связью могут быть ди­электриками (полимерные органические материалы) и по­лупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связьвозникает при образо­вании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, на­пример NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраи­вая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов), В результате образуются два иона, между которыми действу­ют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэто­му вещества с ионной связью имеют сравнительно высо­кие механическую прочность, температуру плавления и ис­парения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связьпо сути своей является раз­новидностью ионной связи и возникает при образовании ма­териала элементами различных групп таблицы Д.И. Мен­делеева, например соединения A III B V — GaAs и т.д.; соеди­нения A III B V – ZnS, CdTe и т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являю­щаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связьвозникает между атомами в ме­таллах и является следствием обобществления всех ва­лентных электронов, образующих электронный газ и ком­пенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Бла­годаря взаимодействию электронного газа и ионов возни­кает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связьхарактер­на для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низ­кие температуру плавления и механические характерис­тики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов свя­зи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергети­ческий спектр электронов атомов, составляющих вещество.

ЛЕКЦИЯ 10

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Электротехническими материалами (например, контактными материалами) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электрическим и магнитным полям и применяемые в технике с учетом и благодаря этим свойствам. В настоящее время число наименований электротехнических материалов, применяемых в радио-, микро-, и наноэлектронике составляет несколько тысяч. Причем все более актуальным является задача создания новых материалов с заданными свойствами (оптическими, полупроводниковыми, эмиссионными и т. д.)

Основными областями использования электротехнических материалов является электроэнергетика, электротехника, радиоэлектроника.

Электроэнергетика – это производство энергии и ее поставка потребителю. Это линии электропередач, трансформаторные станции, энергетическое хозяйство.

Электротехника – это все, что связано с превращением электрической энергии в другие виды энергии с одновременно осуществлением технологических процессов:

электротермических, – электросварочных,- электрофизических,- электрохимических и др.

Радиотехника – это системы управления энергетическими и электро-техническими объектами, передача информации, ее обработка, хранение и т. д.

Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному воздействию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность.

Классификация электротехнических материалов

Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

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

Проводниковыеназывают материалы, основным электрическим свойствам которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удель­ной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлект­рическими материалами и отличи­тельным свойством которых яв­ляется сильная зависимость удель­ной проводимости от концентрации и вида примесей или различных де­фектов, а 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 у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определи­лась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами являются диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с 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). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материалы используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наимень­ших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

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

Условно к проводникам относят материалы с удельным электри­ческим сопротивлением ρ -5 Ом*м, а к диэлектрикам материа­лы, у которых ρ > 10 8 Ом*м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 -8 Ом м, а лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом-м. Удельное сопротив­ление полупроводников в зависимости от строения и состава материа­лов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах
10 -5 —10 8 Ом м. Хорошими проводниками электрического тока яв­ляются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ сущест­вуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полу­проводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектри­кам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут прояв­лять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в кото­рых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходи­мыми физико-механическими параметрами. Такие материалы назы­вают высокочастотными.

Магнитные материалы

Дата добавления: 2017-03-12 ; просмотров: 3337 | Нарушение авторских прав

Материал – это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное.

Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Материаловедение – наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение – это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

Материалы играют определяющую роль в энергетике. Например, изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом – появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения – это изоляторы из кремнийорганической резины.

Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.

Таким образом, электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов – это проводниковые материалы, магнитные материалы и диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС.

Электропроводность характеризует способность вещества проводить электрический ток (смотрите – Электропроводность веществ). Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля.

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

К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом•см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).

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 у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

Поляризацией диэлектрика называют возникновение в нем при внесении во внешнее электрическое поле макроскопического собственного электрического поля, обусловленного смещением заряженных частиц, входящих в состав молекул диэлектрика. Диэлектрик, в котором возникло такое поле, называется поляризованным .

Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.