Радиотехнические материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по связи и информатизации

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

факультет вечернего и заочного обучения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Химия радиоматериалов»

Вариант 3

Архангельск 2008

Содержание

Введение

1. Металлы и сплавы. Понятие о металлических сплавах и их свойства

2. Назначение и виды отпуска сталей

3. Понятие ферромагнитных материалов

4. Основные виды поляризации диэлектриков

5. Примесная проводимость полупроводников

Список литературы

Введение

металлический сплав сталь ферромагнитный

Для создания электронных приборов необходим целый арсенал материалов и уникальных и тонких технологических процессов. Современная радиотехника и особенно высокочастотная техника (радиосвязь), приборы и аппаратура радиоэлектроники требуют большого количества конструкционных и специальных радиотехнических материалов, свойства которых должны удовлетворять самым разнообразным условиям их применения. Под радиотехническими материалами принято понимать материалы, которые обладают особыми свойствами по отношению к электрическому, магнитному и электромагнитному полям. Они разделяются на 4 группы:

1) Проводники.

2) Диэлектрики.

3) Полупроводники.

4) Магнитные материалы.

Требования, которым должны удовлетворять радиоматериалы:

ь обладать высокими электрическими (магнитными) характеристиками.

ь нормально работать при повышенных, а иногда при низких температурах.

ь иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, устойчивостью к тряске, вибрации, ударам.

ь обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью, стойкостью к облучениям.

ь не иметь заметно выраженного старения.

ь удовлетворять технологичности, т.е. сравнительно легко обрабатываться.

ь быть недорогими и не дефицитными.

1. Металлы и сплавы. Понятие о металлических сплавах и их свойства

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

ь механические смеси;

ь химические соединения;

ь твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 1).



Рис. 1. Схема микроструктуры механической смеси

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

ь Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm;

ь Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 2);

ь Ярко выраженные индивидуальные свойства;

ь Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

Рис. 2. Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы - это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 3).

Рис. 3. Схема микроструктуры твердого раствора

Классификация сплавов твердых растворов.

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:

ь с неограниченной растворимостью компонентов;

ь с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 4)



Рис. 4. Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации - точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Диаграмма состояния системы А-В с неограниченной взаимной растворимостью компонентов друг в друге (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма состояния LL+

Пример Cu-Ni.

Если существует непрерывный ряд твёрдых растворов, то это означает, что взаимодействие атомов разного сорта сильнее взаимодействия атомов одного сорта. Рассмотрим двухкомпонентные изоморфные системы.

Каждая точка диаграммы состояния одновременно характеризует и температуру, и химический состав (концентрации компонентов А и В). Твёрдые фазы обозначаются буквами греческого алфавита (,, и т. д.), жидкие - буквой L (Ж). Ось ординат - это ось температур, где комнатной температуре соответствует ось абсцисс. На оси абсцисс располагаются составы сплавов, начиная от чистого компонента А и заканчивая чистым компонентом В.

Диаграмма состояния позволяет анализировать не только фазовые равновесия, но и равновесные процессы фазовых превращений, в данном случае - процесс равновесной кристаллизации твёрдого раствора.

Правило Юм-Розери для неограниченной растворимости компонентов раствора друг в друге:

ь Близкое расположение в таблице Менделеева;

ь Одинаковые кристаллические решётки;

ь Отношение радиусов атомов меньше 0,15.

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений. Точка А соответствует чистому компоненту А, точка В соответствует чистому компоненту В.

2. Назначение и виды отпуска сталей

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300 °С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру - мартенсит отпуска.

Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450 °С.

Получают структуру - троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45 HRC c хорошей упругостью и вязкостью.

Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650 °С.

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) - сорбит отпуска.

Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью (рис. 6).

Рис.6. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 °С. Она не зависит от скорости охлаждения.

Это явление связано с неравномерностью превращения опущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 °С.

При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому эффекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого охлаждения.

Определить структуру стали, содержащей 0,8 % углерода, после отпуска при температурах 180 и 600 °С.

Отпуск при температуре 180 °С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру - мартенсит отпуска.

Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

Отпуск при температуре 600 °С.

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) - сорбит отпуска.

Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

3. Понятие ферромагнитных материалов

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 102-105. Например, у стали м ? 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков.

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы - ферриты.

Ферромагнетики сильно втягиваются в область более сильного магнитного поля.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков значительно выше нуля.

При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Ферромагнетики в основном кристаллизуются в трех типах решеток: кубической пространственной, кубической объемно-центрированной и гексагональной, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7. Строение ферромагнетиков.

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис.8).

Рисунок 8. Петля гистерезиса ферромагнетика

Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0 внешнего магнитного поля.

Из рис. 8 видно, что при |B₀ |> B_os наступает магнитное насыщение - намагниченность образца достигает максимального значения.

Если теперь уменьшать магнитную индукцию B0 внешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность - поле внутри образца будет равно Br. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукцию B₀ до значения -B0c, которое принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рис. 5.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы B_0c невелико - петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10-²-10-⁴ см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля В₀ происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение. Рис. 9 может служить качественной иллюстрацией процесса намагничивания ферромагнитного образца.



Рисунок 9. Намагничивание ферромагнитного образца. (1) B₀ = 0; (2) B₀ = B₀₁; (3) B₀ = B₀₂ > B₀₁.

4. Основные виды поляризации диэлектриков

Поляризация диэлектриков -- явление концентрации связанных зарядов в диэлектрике под воздействием внешнего электрического поля. Поляризацией также называют направление вектора электрической индукции E для статического поля.

Различают три вида поляризации диэлектриков:

- электронная (деформационная) поляризация диэлектриков с неполярными молекулами (N₂, H₂, O₂). Возникает за счёт деформации электрических полей.

- ориентационная (дипольная) поляризация. Заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (H₂O, NH₃, CO).

- ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллами - заключается в том, что происходит смещение от кристаллической решётки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных против поля, приводящих к возникновению дипольного момента (NaCl, KCl).

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.

Характер температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости:



5. Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость полупроводников -- электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике малого количества примесей.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь - это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n=4 донорной примесью является мышьяк с валентность n=5. Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь - это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество “дырок”. Проводимость будет “дырочной”, а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n=3. Каждый атом индия приведёт к образованию лишней “дырки”.

Список литературы

1. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов, 2001.

2. Е.И. Бочаров конспект курса «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника» часть 1, 1999.

3. Сибирская Государственная Геодезическая Академия, В.П. Перминов, В.А. Неронов. Учебно-методическое пособие для студентов всех форм обучения «Материаловедение и технология материалов», Новосибирск 2007.

4. Электронная энциклопедия www.ru.wikipedia.org.

5. Электронная энциклопедия www.xumuk.ru/encyklopedia/

6. Статьи химической энциклопедии www.chemport.ru

Размещено на Allbest.ru

...