Министерство образованияРоссийской Федерации
Институт дистанционногообразования
ГОУ ВПО « Тюменскийгосударственный университет »
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: «Материаловедение»
Тема: « I. Цветные металлы:классификация, области применения.
II. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитныематериалы»
Разработал студент Петренко Н.В.
Нижневартовск 2010
План курсовой работы
Введение
1. Цветныеметаллы: классификация, области применения
1.1 Классификацияцветных металлов
1.2 Особенностиприменения и обработки
1.3 Алюминийи алюминиевые сплавы
2. Металлическиепроводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы
2.1 Классификацияэлектротехнических материалов
2.2 Проводниковыематериалы
2.3 Полупроводниковыематериалы
2.4 Магнитныематериалы
Введение
В данномкурсовом проекте будет освещен материал по темам «Цветные металлы:классификация, области применения» и «Металлические проводниковые иполупроводниковые материалы, магнитные материалы», вторую из них совместил из трех тем, чтобыпоказать основу по роду моей профессии, т.к. занят в энергетической области.
1. Цветныеметаллы: классификация, области применения
1.1 Классификацияцветных металловЦветныеметаллы
Все применяемые в технике металлы и сплавы делятся на чёрныеи цветные.
К чёрным металлам относят железо и его сплавы (сталь, чугун,ферросплавы). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветныхметаллов.
Наибольшее распространение в технике получили чёрные металлы.На их долю приходится свыше 90% производимой металлопродукции. Это обусловленобольшими запасами железных руд в земной коре, сравнительно простой технологиейвыплавки чугунов и сталей, их высокой конструктивной прочностью (прежде всегосталей) и относительно небольшой стоимостью.
Цветные металлы применяются в технике реже, чем чёрные. Этообъясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре,сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветныеметаллы дороже чёрных, и, когда это возможно, их заменяют чёрными металлами,пластмассами и другими более дешёвыми материалами. Однако цветные металлы имеютсвойства, которые делают их применение в технике незаменимым. Например, медь иалюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и используются дляизготовления проводников электрического тока в электротехнике, в различныхтеплообменниках, радиаторах, холодильниках. Сплавы магния, алюминия и титанаблагодаря малой плотности, высокой удельной прочности широко применяются всамолётостроении, космической технике и т.д.
Из цветных металлов и сплавов наибольшее распространениеполучили сплавы алюминия и меди. Из года в год возрастает интерес к титану иего сплавам, которые широко применяются в авиа- и ракетостроении, в химическойпромышленности, цветной металлургии и т.д.
Цветные металлы условно подразделяются на:
· легкие(литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью(до 5000 кг/м3);
· легкоплавкие(ртуть, цезий, галлий, рубидий, олово, свинец, цинк и др.), имеющие низкуютемпературу плавления;
· тугоплавкие(вольфрам, тантал, молибден, ниобий и др.), температура плавления которых болеевысокая, чем железа (1539 °С);
· благородные(золото, серебро, металлы платиновой группы), обладающие высокой коррозионнойстойкостью;
· урановые- актиниды, используемые в атомной технике;
· редкоземельные(РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и лантаниды), применяемые в качестве присадок ксплавам других элементов;
· щелочные(натрий, калий, литий и др.), не находящие применения в свободном состоянии (заисключением особых случаев, например в качестве теплоносителей в ядерныхреакторах).Таблица 1. Плотность металлов и сплавов
Плотность металлов (при 20°C): />
т/м3 Алюминий 2.6889 Вольфрам 19.35 Графит 1.9 — 2.3 Железо 7.874 Золото 19.32 Калий 0.862 Кальций 1.55 Кобальт 8.90 Литий 0.534 Магний 1.738 Медь 8.96 Натрий 0.971 Никель 8.91 Олово (белое) 7.29 Платина 21.45 Плутоний 19.25 Свинец 11.336 Серебро 10.50 Титан 4.505 Уран 19.04 Хром 7.18 Цезий 1.873 Цирконий 6.45
Плотность сплавов (при 20°C): />
т/м3 Бронза 7.5 — 9.1 Сплав Вуда 9.7 Дюралюминий 2.6 — 2.9 Константан 8.88 Латунь 8.2 — 8.8 Нихром 8.4 Платино-иридиевый 21.62 Сталь 7.7 — 7.9 Сталь нержавеющая (в среднем) 7.9 — 8.2 марки 08×18Н10Т, 10×18Н10Т 7,9 марки 10×17Н13М2Т, 10×17Н13М3Т 8 марки 06ХН28МТ, 06ХН28МДТ 7,95 марки 08×22Н6Т, 12×21Н5Т 7,6 Чугун белый 7.6 — 7.8 Чугун серый 7.0 — 7.2
1.2 Цветные металлы:особенности применения и обработки
На сегодняшний день цветные металлы имеют огромное значениедля производства любого типа техники. Металл является химически простымвеществом, обладающим такими характеристиками, как ковкость, теплопроводность,электропроводность; внешне отличается особым блеском.
Цветные металлы — техническое название всех металлови их сплавов (кроме железа и его сплавов, называемых чернымиметаллами). Термин в русском языке соответствует терминув европейских языках.
Цветные металлы весьма востребованы в нашей стране,их производство широко распространено во всех регионах.
Цветная металлургия — отрасль металлургии, котораявключает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветныхметаллов и их сплавов. Различают металлургию легких металлови металлургию тяжелых металлов.
Применение цветных металлов
В современной технике объем применения цветных металлови сплавов на их основе непрерывно растет. В связис бурным развитием авиастроения, ракетной и атомной техники,химической промышленности в качестве конструкционных материаловв настоящее время стали применять такие металлы (и сплавына их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и дажениобий, гафний и др.
Области применения отдельных цветных металлов и сплавовна их основе весьма разнообразны.
Медь и ее сплавы широко используютв химическом машиностроении, для изготовления трубопроводов самогоразличного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике, вэлектроэнергетике и т. п.
Алюминий и его сплавы применяют дляизготовления различных емкостей в химической и пищевой промышленности.Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов,в строительстве и электроэнергетике. В связис их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокойкоррозионной стойкостью в некоторых агрессивных средах и высокимимеханическими свойствами при низких температурах.
Особенности цветных металлов
Некоторые металлы (медь, магний, алюминий) обладаютсравнительно высокими теплопроводностью и удельной теплоемкостью, чтоспособствует быстрому охлаждению места сварки, требует применения более мощныхисточников теплоты при сварке, а в ряде случаев предварительного подогревадетали.
Для некоторых металлов (медь, алюминий, магний)и их сплавов наблюдается довольно резкое снижение механическихсвойств при нагреве, в результате чего в этом интервале температурметалл легко разрушается от ударов, либо сварочная ванна дажепроваливается под действием собственного веса (алюминий, бронза).
Все цветные сплавы при нагреве в значительно большихобъемах, чем черные металлы, растворяют газы окружающей атмосферыи химически взаимодействуют со всеми газами, кроме инертных. Особенноактивные в этом смысле более тугоплавкие и химически более активныеметаллы: титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. Эту группу металлов частовыделяют в группу тугоплавких, химически активных металлов.
Особенности обработки цветных металлов.
Цветные металлы прочны и долговечны, способны переноситьвысокие температуры. Недостаток только один — способность корродироватьи разрушаться под воздействием кислорода .
Одним из самых эффективных методов защиты цветногометалла от атмосферной коррозии считается нанесение защитных лакокрасочныхматериалов. Существуют три группы средств для защиты металлическихповерхностей: грунтовки, краски и универсальные препараты «трив одном». Грунтовка — незаменимое средство борьбы с атмосфернымокислением, одно- или двухслойное грунтование производится перед окрашиванием,помимо защитных свойств сообщая финишному покрытию лучшую адгезиюк основанию. При выборе состава важно знать, что для разных металловиспользуются разные грунтовки
Для алюминиевых оснований используют специальные грунтовкина цинковой основе либо уретановые краски. Медь, латунь и бронзуобычно не красят — эти металлы поставляются на рынокс заводской обработкой, защищающей поверхность и подчеркивающейее красоту. Если же целостность такого «фирменного» покрытиясо временем нарушается, его лучше полностью удалить с помощьюрастворителя, после чего основание следует отполировать и покрытьэпоксидным или полиуретановым лаком.
Основные цветные металлы:
Алюминий
Алюминий — это цветной металл, который обладает высокойэлектропроводностью, хорошей пластичностью, но имеет низкие механические свойства.Различают алюминий первичный и вторичный.
Медь
Медь — это металл, который является наиболее распространеннымсреди цветных, обладающим высокой пластичностью, электропроводностьюи теплопроводностью. Медь хорошо сплавляется со многими металлами, образуясплавы, которые широко используются в машиностроении.
Цинк
Цинк — это цветной металл, который при обыкновеннойтемпературе хрупок, но при нагреве до 100-150 градусов хорошокуется и прокатывается. Цинк устойчив против коррозии, однако разрушаетсяпод действием кислот и щелочей. Температура плавления — 419 градусов.
1.3 Алюминийи алюминиевые сплавыПроизводство алюминия и его свойства
Алюминий— это легкий и пластичный белый металл, матово-серебристый благодаря тонкойоксидной пленке, которая сразу же покрывает его на воздухе. Он относится к IIIгруппе периодической системы, обозначается символом Al, имеет атомный номер 13и атомную массу 26,98154.
Алюминийобладает замечательными свойствами, которые объясняют широкий спектр егоприменения. По объемам использования в самых разных отраслях промышленности онуступает только железу. Ковкий и пластичный, алюминий легко принимает любыеформы. Оксидная пленка делает его устойчивым к коррозии, а значит, срок службыизделий из алюминия может быть очень долгим. Кроме того, к списку достоинствнеобходимо добавить высокую электропроводимость, нетоксичность и легкость впереработке.
Всемэтим объясняется огромное значение алюминия в мировой экономике. Алюминийнеобходим для производства автомобилей, вагонов скоростных поездов, морскихсудов. Без него аэрокосмическая индустрия никогда не получила бы развития.Самые разные виды продуктов из алюминия используются в современномстроительстве. Алюминий практически вытеснил медь в качестве материала длявысоковольтных линий электропередачи. Примерно половина посуды дляприготовления пищи, продаваемой каждый год во всем мире, сделана именно изэтого металла.
Как получают алюминий?
Алюминийчрезвычайно распространен в природе: по этому параметру он занимает четвертоеместо среди всех элементов и первое — среди металлов (8,8% от массы земнойкоры), но не встречается в чистом виде.
Чащевсего алюминий производят из бокситов. Более 90% мировых запасов этого минераласосредоточено в странах тропического и субтропического пояса: Австралии,Гвинее, Ямайке, Суринаме, Бразилии, Индии.
Внашей стране также используются нефелиновые руды, месторождения которыхрасположены на Кольском полуострове и в Кемеровской области. При переработкенефелинов получают значительные объемы попутной продукции — кальцинированнуюсоду, поташ, удобрения и цемент.
Сначалаиз добытой и обогащенной руды извлекают так называемый глинозем — оксидалюминия (Al2O3). Несмотря на название, по виду он не имеет ничего общего сглиной или черноземом — скорее, он похож на муку или очень белый песок. Затемглинозем методом электролиза превращают в алюминий. Из двух тонн глиноземавыходит одна тонна алюминия.
Производствоалюминия является исключительно энергоемким. Поэтому алюминиевые заводынаиболее выгодно строить в регионах, где есть свободной доступ к источникамэлектроэнергии.Алюминий и алюминиевые сплавы. Обработкаалюминия
Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:
· Деформируемые алюминиевые сплавы — предназначены дляполучения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труби т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путемпрокатки, прессования, ковки и штамповки.
а)Упрочняемые термической обработкой:
o Дуралюмины,«дюраль»(Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) —удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренномсостояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошосвариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлениемвследствие склонности к образованию трещин. Из сплаваД16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов,силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.
o Сплававиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалкии старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой.Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили,трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренныенагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей,рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодноми горячем состоянии.
o Высокопрочныйсплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатываетсярезанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяетсяв самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры,шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительныхсооружениях.
o Сплавыдля ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этоготипа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейнымисвойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этойгруппы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваютсяконтактной и аргонодуговой сваркой.
б)Не упрочняемые термической обработкой:
o Сплавыалюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3,АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошосвариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резаниемзатруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечныеметчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.
· Литейные алюминиевые сплавы — предназначенные дляфасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).
o Сплавыалюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокимилитейными свойствами, а отливки — большой плотностью. Силуминысравнительно легко обрабатываются резанием.
o Сплавыалюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеютвысокие механические свойства при нормальной и повышенных температурахи хорошо обрабатываются резанием.
o Сплавыалюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость,повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавыприменяют в судостроении и авиации.
o Жаропрочныеалюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.
С точкизрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки,алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимостиот состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могутотноситься к разным группам по легкости обработки:
· Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы приобработке резанием:
а)Отожженные: Д16, АВ.
б)Не упрочняемые термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.
· Сравнительно твердыеи прочные алюминиевые сплавы, которые достаточнопросто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуетсяповышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартныминструментом общего применения, но если требуется повысить скоростьи качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент):
а) Закаленныеи искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ.
б) Ковочные:АК6, АК8, АК4-1.
в) Литейные:АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.
История алюминия
Первоеупоминание о металле, который по описанию был похож на алюминий, встречается вI веке н. э. у Плиния Старшего. Согласно изложенной им легенде, некий мастерпреподнес императору Тиберию необычайно легкий и красивый кубок из серебристогометалла. Даритель сообщил, что получил новый металл из обычной глины. Очевидно,он ожидал благодарности и покровительства, но вместо этого лишился жизни.Недальновидный правитель приказал обезглавить мастера и разрушить егомастерскую, чтобы предотвратить обесценивание золота и серебра.
Ноэто всего лишь легенда. А достоверные факты говорят о том, что первый шаг кполучению алюминия был сделан в XVI веке, когда была выделена «квасцоваяземля», содержавшая окись неведомого тогда металла. А в середине XVIII векаэксперимент успешно повторил немецкий химик Андреас Маргграф, который и назвалокись алюминия словом «alumina» (от латинского «alumen» — вяжущий). С этогомомента о существовании алюминия стало известно науке, однако, не будучинайденным в чистом виде, металл поначалу не получил настоящего признания.
Итолько в 1855 г. на Всемирной выставке в Париже «серебро из глины» произвелонастоящий фурор. Император Наполеон III, за столом которого особо почетнымгостям подавали приборы из алюминия, загорелся мечтой снабдить свою армиюкирасами из легкого металла. В скором времени было построено несколькоалюминиевых заводов. Но произведенный там алюминий по-прежнему оставалсядорогим. Из него делали лишь ювелирные украшения и предметы роскоши.
Болеедешевый способ производства алюминия появился лишь к концу XIX века. Егоодновременно и независимо друг от друга разработали американский студент ЧарльзХолл и французский инженер Поль Эру. Предложенный ими электролиз расплавленнойв криолите окиси алюминия давал прекрасные результаты, но требовал большогоколичества электроэнергии. Процессы Байера и Холла-Эру до сих пор применяютсяна современных алюминиевых заводах.
Новыйпромышленный материал был хорош всем, за исключением одного: для некоторых сферприменения чистый алюминий был недостаточно прочен. Эту проблему решил немецкийхимик Альфред Вильм, сплавлявший его с незначительными количествами меди,магния и марганца. Он открыл, что сплав в течение нескольких дней после закалкистановится все прочнее и прочнее. В 1911 г. в немецком городе Дюрен былавыпущена партия дюралюминия, а в 1919 г. из него был сделан первый самолет.
Такначалось распространение алюминия по миру. Если в 1900 г. в год получали около8 тысяч тонн легкого металла, то через сто лет объем его производства достиг 24миллионов тонн.
2. Металлическиепроводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы
2.1Классификация электротехнических материалов
Электротехническиематериалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных,магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы вэлектрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основныеэлектротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторыеполупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современнойэлектротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежностьработы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основномзависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехническихматериалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, чтобольшинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции,состоящей из электроизоляционных материалов.
Неменее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потериэнергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяютсясвойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают вэлектротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результатеразработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новыеприборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.
Прирациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можносоздать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе.Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех группэлектротехнических материалов.
Все тела, в зависимости от их электрическихсвойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, проводников илиполупроводников. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектрикаминаиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зоннойтеории твердых тел [3].
Энергетические уровни.
Схема расположения.
/>
Рис. 1.1 —нормальный энергетический уровень атома; 2— заполненная электронами зона; 3—уровни возбужденного состояния атома; 4— свободная зона; 5 — запрещенная зона.
Исследованиеспектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомыотстоят друг от друга на больших расстояниях, показывает, что для атомовкаждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорито наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянииатома, на других электроны могут находиться только тогда, когда атомподвергнется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбужден.Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в моментперехода электронов с возбужденных уровней на уровни, при которых его энергияминимальна. Сказанное можно характеризовать энергетической диаграммой атома,приведенной на рис. 1.
При конденсации газообразного вещества вжидкость, а затем образовании кристаллической решетки твердого тела всеимеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненныеэлектронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действиясоседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетическихуровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса — зонаэнергетических уровней.
Рис. 2. показывает различие в энергетическихдиаграммах (при температуре 0° К) металлических проводников, полупроводников идиэлектриков. Диэлектриком будет такое тело, у которого запрещенная зонанастолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях ненаблюдается. Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, котораяможет быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий. Уметаллических проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает кзонесвободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этогоэлектроны в металле свободны, так как они могут переходить с уровнейзаполненной зоны на не занятые уровни свободной зоны под влиянием слабыхнапряженностей приложенного к проводнику электрического поля.
При отсутствии в полупроводнике свободныхэлектронов (Т = 0° К) приложенная к нему разность электрическихпотенциалов не вызовет тока. Если извне будет подведена энергия, достаточнаядля переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободными, электронысмогут перемещаться и под действием электрического поля, создавая электроннуюэлектропроводность полупроводника.
/>
Рис. 2. Энергетическое отличие металлическихпроводников от полупроводников и диэлектриков
В заполненной зоне, откуда ушел электрон,образовалась «электронная дырка», а потому в полупроводнике начнется другое«эстафетное» движение электронов, заполняющих образовавшуюся дырку, причем подвоздействием электрического поля дырка будет двигаться в направлении поля какэквивалентный положительный заряд.
Процесс перехода электронов в свободное состояниесопровождается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нормальноесостояние. В результате в веществе наступает равновесие, т. е. количествоэлектронов, переходящих в свободную зону, становится равным количествуэлектронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние.
С повышением температуры число свободныхэлектронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры доабсолютного нуля — убывает вплоть до нуля.
Таким образом, вещество, представляющее собойдиэлектрик при одних температурах, при других, более высоких, может приобрестипроводимость; при этом происходит качественное изменение вещества.
Энергию, необходимую для перевода электрона всвободное состояние или для образования дырки, могут доставить не толькотепловое движение, но и другие источники энергии, например, поглощеннаяматериалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергияэлектрических и магнитных полей, механическая энергия и т. д.
Увеличение числа свободных электронов или дырок ввеществе под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышениюэлектропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил.
Электрические свойства определяются условиямивзаимодействия атомов вещества и не являются непременной особенностью данногоатома. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графитаон обладает большой проводимостью.
Примеси и связанные с ними дефектыкристаллической решетки также играют большую роль в электрических свойствахтвердых тел.
2.2Проводниковые материалы
Кэтой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеютмалое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельноесопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельнымсопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных имонтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лентиспользуются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.
Вподгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорныхпроводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах.Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются вэлектронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельногосопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могутвытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщинойменее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги иустойчивы механически. Характерной особенностью всех металлическихпроводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельноесопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростомтемпературы, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточнуюдеформацию в металле.
Прокаткуили волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковыематериалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлениипроводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернутьдеформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельногосопротивления, их подвергают термической обработке — отжигу без доступакислорода.
В качестве проводников электрического тока могутбыть использованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях игазы.
Твердыми проводниками являются металлы.Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокойпроводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой проводимостьюиспользуются для проводов, кабелей, обмоток трансформаторов, электрическихмашин и т. д. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются вэлектронагревательных приборах, лампах накаливания, реостатах, образцовыхсопротивлениях и т. п.
К жидким проводникам относятся расплавленныеметаллы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металловвысока, за исключением ртути, у которой она составляет около —39° С. Поэтомупри нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника можетбыть использована только ртуть. Другие металлы являются жидкими проводникамипри более высоких температурах (например, при плавке металлов токами высокойчастоты).
Механизм протекания тока по металлам в твердом ижидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего ихназывают проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первогорода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (восновном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводникисвязано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов),вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродахвыделяются продукты электролиза.
Ионные кристаллы в расплавленном состоянии такжеявляются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочныеванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, принизких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако,если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение,обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником сналичием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ приравенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляетсобой особую проводящую среду, носящую название плазмы.
Металлические проводники являются основным типомпроводниковых материалов, применяемых в электротехнике.
Классическая электронная теория металловпредставляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узловкристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ изколлективизированных (свободных) электронов. В коллективизированное состояниеот каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновенияхэлектронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускоренииэлектронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника,вследствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, чтотеплопроводность металлов пропорциональна их электропроводности.
При обмене электронами между нагретыми ихолодными частями металла в отсутствие электрического поля имеет место переходкинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление,называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропроводности итеплопроводности обусловливаются плотностью и движением электронного газа, томатериалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.
Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронномгазе в металлах. К ним относятся следующие:
1. Придлительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из однихметаллических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла вдругой.
2. При нагреве металлов до высоких температур скоростьтеплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые изних могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциальногобарьера.
3. В момент неожиданной остановки быстродвигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерциив направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разностипотенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к нимизмерительный прибор дает отброс по шкале.
4. Исследуя поведение металлических проводников вмагнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов вметаллической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляетсяпоперечная э. д. с. и изменяется электрическое сопротивление проводника.
К основным характеристикам проводниковыхматериалов относятся:
1) удельнаяпроводимость или обратная величина — удельное электрическое сопротивление;
2) температурный коэффициент удельногосопротивления;
3) удельная теплопроводность;
4) контактная разность потенциалов итермоэлектродвижущая сила (термо — э. д. с);
5) предел прочности при растяжении иотносительное удлинение при разрыве.
К наиболее широко распространенным материаламвысокой проводимости следует отнести медь и алюминий.
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкоеприменение в качестве проводникового материала, следующие:
1) малое удельное сопротивление (из всех металловтолько серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
2) достаточно высокая механическая прочность;
3) удовлетворительная в большинстве случаевприменения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе, дажев условиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо);интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;
4) хорошая обрабатываемость — медь прокатываетсяв листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведенадо тысячных долей миллиметра;
5) относительная легкость пайки и сварки.
Вторым по значению, после меди, проводниковымматериалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейшийпредставитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельнаятеплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.
Вследствие высоких значений удельной теплоемкостии теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода врасплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавлениятакого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает по сравнению с медьюпониженными свойствами — как механическими, так и электрическими. Приодинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого проводабольше, чем медного, в 0,028: 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобыполучить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как имедный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода.Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.
Отсюда вытекает простое экономическое правило:для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е.при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях передаваемойэлектрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминиядороже тонны меди не более, чем в два раза.
В настоящее время в нашей стране, исходя изэкономических соображений, алюминий не только, как правило, заменил медь длявоздушных линий передач, но начинает внедряться и в производство изолированныхкабельных изделий.
2.3Полупроводниковые материалы
Кполупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг отдруга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами.Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делятна 4 группы:
1.материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен,фосфор, бор, индий, галлий и др.;
2.материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окиськадмия, двуокись титана и пр.;
3.материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементовМенделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этойгруппе относятся соединения сурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомоввторой и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;
4.полупроводниковые материалы органического происхождения, напримерполициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.
Согласнокристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы:монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группеотносятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов(монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезаютпластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.
Втораягруппа материалов — это полупроводники, состоящие из множества небольшихкристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводникамиявляются: селен, карбид кремния и пр.
Повеличине удельного объемного сопротивления полупроводники занимаютпромежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Некоторые из нихрезко уменьшают электрическое сопротивление при воздействии на них высокогонапряжения. Это явление нашло применение в вентильных разрядниках для защитылиний электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивлениепод действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общимсвойством для полупроводников является то, что они обладают электронной идырочной проводимостью.
Большая группа веществ с электроннойэлектропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температурележит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков может бытьотнесена к полупроводникам.
Электропроводность полупроводников в сильнойстепени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различныхпримесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственногополупроводника. Управляемость электропроводностью полупроводников температурой,светом, электрическим полем, механическими усилиями положена соответственно воснову принципа действия терморезисторов (термисторов), фоторезисторов,нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т.д.
Наличие у полупроводников двух типовэлектропроводности — «электронной» (n) * и «электронно-дырочной» (р)позволяет получить полупроводниковые изделия с р—n-переходом.
При существовании в полупроводнике р—n-перехода возникаетзапирающий слой, которым обусловливается выпрямительный эффект для переменноготока. Наличие двух и более взаимно связанных переходов позволяет получатьуправляемые системы — транзисторы.
На использовании возможностей р — n-переходов основаны важнейшиеприменения полупроводников в электротехнике. Сюда относятся различные типы какмощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов.Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразованияразличных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениямикоэффициента преобразования, которые делают их сравнимыми с существующимипреобразователями других типов, а иногда и превосходящими их. Примерамиполупроводниковых преобразователей могут быть «солнечные батареи» с к. п. д.порядка 11% и термоэлектрические генераторы.
При помощи полупроводников можно получить иохлаждение на несколько десятков градусов. В последние годы особое значениеприобрело рекомбинационное свечение при низком напряжении постоянного токаэлектронно-дырочных переходов для создания сигнальных источников света. Кромевышеуказанных основных применений полупроводников они могут служитьнагревательными элементами (силитовые стержни), с их помощью можно возбуждатькатодное пятно в игнитронных выпрямителях (игнитронные поджигатели), измерятьнапряженность магнитного поля (датчики Холла), они могут быть индикаторамирадиоактивных излучений и т. д. Использующиеся в практике полупроводниковыематериалы могут быть подразделены на простые полупроводники (элементы),полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы(например, керамические полупроводники). В настоящее время изучаются такжестеклообразные и жидкие полупроводники.
Простых полупроводников существует около десяти.Для современной техники особое значение получили германий, кремний и селен.
Полупроводниковыми химическими соединениямиявляются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева.
К многофазным полупроводниковым материалам можноотнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния,графита и т. п., сцепленных керамической или другой связкой. Наиболеераспространенными из них являются тирит, силит и др.
Изготовленные из полупроводниковых материаловприборы обладают целым рядом преимуществ; к ним относятся:
1)большой срок службы;
2)малые габариты и вес;
3)простота и надежность конструкции, большаямеханическая прочность (не боятся тряски и ударов);
4)полупроводниковые приборы, заменяющиеэлектронные лампы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность иобладают малой инерционностью;
5)при освоении в массовом производстве ониэкономически целесообразны.
Отечественная наука и техника полупроводниковразвивалась собственным путем, обогащая мировую науку своими достижениями иуспехами и в то же время, используя все прогрессивное, что давала зарубежнаянаука и техника, путем творческого освоения практических результатовиностранных работ.
2.4 Магнитные материалы
Магнетизм — это особое проявление движенияэлектрических зарядов внутри атомов и молекул, которое проявляется в том, чтонекоторые тела способны притягивать к себе и удерживать частицы железа, никеляи других металлов. Эти тела называются магнитными.
Вокруг всякого намагниченного тела возникаетмагнитное поле, являющееся материальной средой, в которой обнаруживаетсядействие магнитных сил.
При внесении в магнитное поле какого-либо телаоно пронизывается магнитными линиями, которые определенным образом воздействуютна поле. При этом различные материалы по-разному воздействуют на магнитноеполе. В намагниченных телах магнитное поле создается при движении электронов,вращающихся вокруг ядра атома и вокруг собственной оси. Орбиты и оси вращенияэлектронов в атомах могут находиться в различных положениях один относительнодругого, так что в различных положениях находятся магнитные поля, возбуждаемыедвижущимися электронами. В зависимости от взаимного расположения магнитныхполей они могут складываться или вычитаться. В первом случае атом будетобладать магнитным полем или магнитным моментом, а во втором — не будет.Материалы, атомы которых не имеют магнитного момента и намагнитить которыеневозможно, называются диамагнитными. К ним относятся абсолютное большинствовеществ, встречающихся в природе, и некоторые металлы (медь, свинец, цинк,серебро и другие). Материалы, атомы которых обладают некоторым магнитныммоментом и могут намагничиваться, называются парамагнитными. К ним относятсяалюминий, олово, марганец и др. Исключение составляют ферромагнитные материалы,атомы которых обладают большим магнитным моментом и которые легко поддаютсянамагничиванию. К таким материалам относятся железо, сталь, чугун, никель,кобальт, гадолиний и их сплавы.
Свойство электрического тока создавать магнитноеполе широко используется на практике.
Железный или стальной стержень, помещенный внутрьсоленоида, при пропускании тока по соленоиду приобретает магнитные свойства. Стерженьмагнитотвердой стали вследствие большой величины коэрцитивной силы,свойственной этому материалу, в значительной мере сохраняет магнитные свойстваи после исчезновения тока.
В устройствах электроники и связи часто применяютполяризованные электромагниты, у которых либо сердечник, либо якорь, либо обавместе представляют собой магниты.
Неполяризованный электромагнит притягивает свойякорь независимо от направления посылаемого в его обмотку тока. Работа жеполяризованного электромагнита зависит от направления тока в его обмотке. Так,например, в прямом поляризованном электромагните ток одного направленияусиливает магнитное поле его сердечника, а другого — ослабляет.
Электромагниты нашли широкое применение вподъемных и тормозных устройствах, для закрепления в станках стальныхобрабатываемых деталей, в электроавтоматах, реле и других устройствах.
Величины,с помощью которых оцениваются магнитные свойства материалов, называютсямагнитными характеристиками. К ним относятся: абсолютная магнитнаяпроницаемость, относительная магнитная проницаемость, температурный коэффициентмагнитной проницаемости, максимальная энергия магнитного поля и пр. Всемагнитные материалы делятся на две основные группы: магнитно-мягкие имагнитно-твердые.
Магнитно-мягкиематериалы отличаются малыми потерями на гистерезис (магнитный гистерезис — отставание намагниченности тела от внешнего намагничивающего поля). Они имеютотносительно большие значения магнитной проницаемости, малую коэрцитивную силуи относительно большую индукцию насыщения. Данные материалы применяются дляизготовления магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппаратов,магнитных экранов и прочих устройств, где требуется намагничивание с малымипотерями энергии.
Магнитно-твердыематериалы отличаются большими потерями на гистерезис, т. е. обладают большойкоэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Эти материалы, будучинамагниченными, могут длительное время сохранять полученную магнитную энергию,т. е. становятся источниками постоянного магнитного поля. Магнитно-твердыематериалы применяются для изготовления постоянных магнитов.
Согласносвоей основе, магнитные материалы подразделяются на металлические,неметаллические и магнитодиэлектрики. К металлическим магнитно-мягкимматериалам относятся: чистое (электролитическое) железо, листоваяэлектротехническая сталь, железо-армко, пермаллой (железо-никелевые сплавы) идр. К металлическим магнитно-твердым материалам относятся: легированные стали,специальные сплавы на основе железа, алюминия и никеля и легирующих компонентов(кобальт, кремний и пр.). К неметаллическим магнитным материалам относятсяферриты. Это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторыхметаллов и окиси железа. Отпрессованные ферритовые изделия (сердечники, кольцаи др.) подвергают обжигу при температуре 1300-1500° С. Ферриты бываютмагнитно-мягкие и магнитно-твердые.Магнитодиэлектрики- это композиционные материалы, состоящие из 70-80% порошкообразного магнитногоматериала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика. Ферриты имагнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большимизначениями удельного объемного сопротивления, что резко снижает потери навихревые токи.Основные классы магнитных материалов
Все магнитные материалы принято условно разделять на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкими называют материалы легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля. В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление. Исторически первым магнитомягким материалом было малоуглеродистое железо, обладающее низкой механической твердостью. Поэтому такие материалы получили название магнитомягких.
Магнитотвердыми называют материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Их применяют для изготовления постоянных магнитов — источников постоянного магнитного поля. Исторически первыми магнитотвердыми материалами были механически твердые, закаленные углеродистые стали. Поэтому, такие материала получили название магнитотвердых.
Для работы в качестве магнитопроводов в постоянных и низкочастотных полях наиболее подходящими являются железо и его сплавы с кремнием. Поскольку у железа для заполнения 3d орбитали не хватает 4 электронов, атомы железа обладают большим магнитным моментом. В связи с этим, у железа высокая индукция насыщения (2,2 Тл). Следует отметить, что наиболее часто встречающиеся примеси — углерод, кислород, сера и фосфор — плохо растворяются в железе при невысоких температурах и выделяются в виде карбидов, оксидов, сульфидов и фосфидов. Эти включения затрудняют перемещение границ доменов и, тем самым снижают магнитную проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу.
Наиболее дешевым материалом является технически чистое железо с суммарным содержанием примесей до 0,1%. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению (»0,1 мкОм м) технически чистое железо используется в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Существенным недостатком технически чистого железа является его старение, то есть повышение коэрцитивной силы со временем за счет выделения тонко дисперсных частиц карбидов и нитридов. Для уменьшения вредного влияния старения химические соединения выделяют заранее в виде сравнительно крупных частиц. Для этого материал подвергают отжигу при 910 – 950 °С и медленному охлаждению.
Очистка железа от примесей приводит к росту магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы. Эти преимущества особенно ярко проявляются в слабых полях, то есть в полях используемых в радиоэлектронике и измерительных устройствах.
Очистка железа производится электролизом, восстановлением в водороде химически чистых окислов железа и термическим разложением пентакарбонила железа (Fe(CO)
Соответственно различают электролитическое, восстановленное и карбонильное железо. Поскольку очистка существенно увеличивает стоимость материала, его применение крайне ограничено. Наибольшее применение получило карбонильное железо. Это связано с тем, что при разложении пентакарбонила железа получается металлический порошок. Смешав этот порошок с каким-либо лаком можно получить материал, сочетающий высокое удельное электрическое сопротивление с высокой магнитной проницаемостью.
Магнитно-твердые материалы
Магнитно-твердыематериалы обладают большими значениями коэрцитивной силы и большой остаточнойиндукцией, а следовательно, большими значениями магнитной энергии. Кмагнитно-твердым материалам относятся:
· сплавы,закаливаемые на мартенсит (стали, легированные хромом, вольфрамом иликобальтом);
· железо-никель-алюминиевыенековкие сплавы дисперсионного твердения (альни, альнико и др.);
· ковкиесплавы на основе железа, кобальта и ванадия (виккалой) или на основе железа,кобальта, молибдена (комоль);
· сплавыс очень большой коэрцитивной силой на основе благородных металлов (платина — железо; серебро — марганец — алюминий и др.);
· металлокерамическиенековкие материалы, получаемые прессованием порошкообразных компонентов споследующим обжигом отпрессованных изделий (магнитов);
· магнитно-твердыеферриты;
· металлопластическиенековкие материалы, получаемые из прессовочных порошков, состоящих из частицмагнитно-твердого материала и связующего вещества (синтетическая смола);
· магнитоэластическиематериалы (магнитоэласты), состоящие из порошка магнито-твердого материала иэластичного связующего (каучук, резина).
Остаточнаяиндукция у металлопластических и магнитоэластических магнитов на 20-30% меньшепо сравнению с литыми магнитами из тех же магнито-твердых материалов (альни,альнико и др.).
Ферриты
Ферритыпредставляют собой неметаллические магнитные материалы, изготовленные из смесиспециально подобранных окислов металлов с окисью железа. Название ферритаопределяется названием двухвалентного металла, окисел которого входит в составферрита. Так, если в состав феррита входит окись цинка, то феррит называетсяцинковым; если в состав материала добавлена окись марганца — марганцевым.
Втехнике находят применение сложные (смешанные) ферриты, имеющие более высокиезначения магнитных характеристик и большее удельное сопротивление по сравнениюс простыми ферритами. Примерами сложных ферритов являются никель-цинковый,марганцево-цинковый и др.
Всеферриты — вещества поликристаллического строения, получаемые из окисловметаллов в результате спекания порошков различных окислов при температурах1100-1300° С. Ферриты могут обрабатываться только абразивным инструментом. Ониявляются магнитными полупроводниками. Это позволяет применять их в магнитныхполях высокой частоты, т. к. потери у них на вихревые токи незначительны.
Списокиспользованной литературы:
1. Барановский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника (свойства материалов). Справочник. — Киев: Наукова думка, 1975. – 704 с.
2. Воробьев Г.А., Диэлектрические свойства электроизоляционных материалов. – Томск:. Изд-во Томского университета, 1984. – 126 с.
3. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. – Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1983. – 160