Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Луганский университет имени Тараса Шевченко

Кафедра пищевых технологий, товароведения и экспертизы товаров

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Материаловедение»

Вариант 4

Выполнил студент Герасимов Р.В.

Группа 3ТК (МС)

Проверил Сердюкова Е.Я.

Луганск - 2015 г.



Содержание

металл статический прочность полимер

Введение

1. Механические свойства металлов, определяемые при статических испытаниях. Основные понятия, методы определения

2. Старение полимеров

3. Материалы микро- и наноэлектроники

Выводы

Список использованных источников



Введение

Материаловедение - наука, в которой изучаются закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки. Свойства материалов определяются не только химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико- термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов помимо этого оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.

Материаловедение базируется на научных основах физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Знание основ материаловедения необходимо каждому специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно обоснованно выбрать их для использования, правильно разработать технологический процесс обработки.

Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем бронзовым и железным веками.

Научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлургического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки. После открытия бензола началось развитие новой отрасли промышленности, вырабатывавшей красители, медикаменты и множество синтетических машиностроительных материалов. На основе теории химического строения вещества разработаны и получены полимеры. Новый материал бакелит стал первым продуктом промышленности пластических масс.

В XX веке разрабатываются и бурно развиваются новые технологические процессы: кислородно-конвертерный, электрометаллургия стали и ферросплавов; электросварка; термомеханическая обработка металлов и многие другие.

Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет число сплавов, обладающих специфическими свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми магнитными, «памятью» механической формы и т.д.; создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники и др.

Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной техники.

Целью данной работы является представление и раскрытие следующих тем:

· Механические свойства металлов, определяемые при статических испытаниях. Основные понятия, методы определения

· Старение полимеров (Деструкция полимеров)

· Материалы микро- и наноэлектроники

Задача работы - изучение теоретических основ материаловедения и получение навыков по применению полученных знаний в профессиональной деятельности.

1. Механические свойства металлов, определяемые при статических испытаниях. Основные понятия, методы определения

Статические испытания. Виды статических испытаний

Во многих случаях металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания, которые проводятся с применением разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Статические испытания осуществляются путем плавного возрастающего нагружения стандартного образца вплоть до его полного разрушения. Скорость деформации составляет от 10^-4 до 10^-1 с^-1. При этом в любой момент можно определить с достаточной точностью значения усилия, приложенного к образцу с помощью преобразователя силы, а также измерить деформацию при помощи преобразователя перемещения или деформации.

По способу приложения нагрузок различают следующие статические испытания:

· на растяжение;

· сжатие;

· изгиб;

· кручение;

Растяжение.

Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения - график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной - напряжение (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Диаграммы растяжения

При растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1.1 представлены кривые деформация - напряжение для двух материалов разной пластичности: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный - пройдя через свой предел прочности. (Пластичность - это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как одной, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда сплавов, представлены в табл. 1.1. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.

Таблица 1.1 Значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда сплавов

Металлы и сплавы	Состояние	Предел текучести, МПа	Предел прочности на растяжение, МПа	Удлинение, %
Малоуглеродистая сталь (0,2% С)	Горячекатанная	300	450	35
Среднеуглеродистая сталь (0,4% С, 0,5%Mn)	Упрочненная и отпущенная	450	700	21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn, 1,5% Si, 2,0% Cr, 0,5% Мo)	Упрочненная и отпущенная	1750	2300	11

Испытание на растяжение.

Испытание на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов - сравнительно легко подвергаются анализу, позволяют по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материалов, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов.

Методы испытаний на растяжение стандартизованы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497), при повышенных до 1473 К (ГОСТ 9651) и пониженных от 273 до 173 К (ГОСТ 11150) температурах.

Образцы и машины для испытаний на растяжение.

Для испытаний на растяжение используют образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержня с прямоугольным сечением (плоские образцы). Помимо основной рабочей части, большинство образцов имеет головки различной конфигурации для крепления в захватах.

Основные размеры образца рис. 1.2:

1) рабочая длина l - часть образца между его головками или участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;

2) начальная расчетная длина l_о - участок рабочей длины, на котором определяется удлинение;

3) начальный диаметр рабочей части d_о для цилиндрических или начальная толщина а_о и ширина b_o рабочей части для плоских чертежей.

Рис. 1.2 Образец для испытания на одноосное растяжение

Машины для испытаний на растяжение разнообразны. Многие из них универсальны и могут быть использованы при проведении других статических испытаний. Современные машины высшего класса представляют собой сложные автоматизированные устройства, они оснащаются ЭВМ, которые позволяют проводить расчет любых характеристик свойств в процессе испытаний или сразу по его окончании.

Сжатие

Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 1.3). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения и сжатия

Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (а = 2) по сравнению с растяжением (а = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких сплавов.

Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рис. 1.4 Испытания проводят на тех же машинах, что и растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например шарового вкладыша в верхнем захвате (рис. 1.4,а).

Рис. 1.4 Схема (а) и формы образцов (б - г) для испытания на сжатие

По мере сжатия на торцовых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму (рис. 1.4,а), а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2, например, возникает схема объемного сжатия, а в точке 3-- разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния образца в практике не учитывают, рассчитывая прочностные характеристики при сжатии по тем же формулам, что и при растяжении. Это придает дополнительную условность определяемым свойствам. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца, что достигают обычно одним из следующих способов или их сочетанием:

1. введением различных смазок (вазелин, солидол) и прокладок (тефлон, пропитанная парафином фильтровальная бумага) между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами;

2. использованием подкладок и образцов с конической поверхностью на торцах (рис. 1.4, в). Углы конусности Ј подбирают так, чтобы tg Ј был равен коэффициенту трения;

3. помимо конусности, в образце делают центральное отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса (рис. 1.4, г).

Но полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение всего испытания линейное напряженное состояние в образце не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие.

Чем меньше отношение высоты образца к диаметру, тем сильнее контактное трение влияет на результаты испытаний. С этих позиций следовало бы проводить испытания на возможно более длинных образцах. Но при сжатии длинных образцов трудно избежать их продольного изгиба. Как показывает опыт, оптимальной для цилиндрического образца является величина отношения h₀/d₀ в пределах 1-3.

Для определения модуля нормальной упругости при сжатии, пределов упругости и пропорциональности иногда используют плоские образцы в виде пластин толщиной 2--5 мм, длиной 100 и шириной 20 мм. Они испытываются в специальных приспособлениях, обеспечивающих их продольную устойчивость.

Значения прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, обычно значительно выше, чем при растяжении. Например, по данным Е. М. Савицкого, предел прочности, МПа, редкоземельных металлов при сжатии в 2--3 раза выше, чем при растяжении, что видно из следующих данных:

Таблица 1.2 Предел прочности, МПа, редкоземельных металлов при сжатии

Металл	Растяжение	Сжатие
Иттрий	230	800
Лантан	130	293
Церий	110	300

Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. Стандартизованы пробы на осадку (ГОСТ 8817--73) и расплющивание (ГОСТ 8818--73). С их помощью по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.

Испытания на изгиб

Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкостью по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластичное. При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах:

1. нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами;

2. нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор.

Экспериментально первую схему реализовать гораздо проще, поэтому она и нашла наибольшее распространение. Следует учитывать, что вторая схема «чистого изгиба» во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении, как при использовании первой схемы.

В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние, зависящее от геометрии образца и способа нагружения. При чистом изгибе узких образцов с прямоугольным сечением напряженное состояние в каждой точке можно считать линейным. В широких образцах (с отношением ширины к высоте сечения более трех) при обеих схемах изгиба создается двухосное напряженное состояние из-за затруднения поперечной деформации. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя -- сжатой. К тому же напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца. Максимальные напряжения возникают вблизи поверхности. Все это затрудняет оценку средних истинных напряжений и деформаций, строго характеризующих механические свойства при изгибе.

Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Это еще одно преимущество по сравнению с растяжением, так как изготовление образцов с головками, особенно из хрупких материалов, значительно сложнее. На изгиб испытывают прямоугольные или цилиндрические стержни. Для определения свойств отливок из чугуна используют цилиндрические образцы диаметром 30±1 и длиной 340 или 650 мм (при растяжении между опорами 300 и 600 мм соответственно). Для исследовательских целей испытания на изгиб обычно ведут на цилиндрических образцах с d₀ = = 2-10 мм и расстоянием между опорами l > d₀ или плоских образцах с высотой b=1-3, шириной h=3-15 мм и t?10h. Для оценки характеристик конструкционной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения до 30Ч30 мм.

Испытания на изгиб можно проводить на любой универсальной испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, крепящимся в верхнем захвате машины. Для уменьшения трения опоры, на которых лежит образец, часто делают из роликоподшипников. Образец изгибается при опускании верхнего или подъеме нижнего захвата.

Простота испытания на изгиб и наглядность получаемых при этом характеристик пластичности привели к разработке ряда технологических проб, которые применяются в заводских условиях. Задача всех этих проб -- оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки и др.). ГОСТ 14019-- 80 «Методы испытаний на изгиб» предусматривает изгиб сосредоточенной силой плоских образцов из проката, поковок и отливок, помещаемых на две опоры. Критерием годности продукции может быть: а) заданный угол загиба образцов Я (см. рис. 1.6, б) появление первой трещины после загиба на угол Я, равный или больший заданного; в) возможность загиба пластины до параллельности (см. рис. 1.6, в) или соприкосновения сторон (см. рис. 1.6, г). Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число перегибов либо количество перегибов, после которых появились трещины или образец разрушился.

Рис. 1.6 Технологическая проба на изгиб: а - образец перед испытанием; б - загиб до определенного угла; в - загиб до параллельности сторон; г - загиб до соприкосновения сторон.

2. Старение полимеров

В ходе эксплуатации, полимерные композиции подвергаются различным внешним воздействия, приводящим к изменению свойств и характеристик материала. Кроме того, как и любые сложные молекулы, полимеры подвержены термодиструктивному распаду. Комплексное изменение свойств полимерной матрицы под действием всех внешних и внутренних факторов, принято называть - старение полимеров.

Внешние разрушающие факторы можно поделить на: окисление под действием молекулярного кислорода и озона, фотолиз, термодиструкцию, механические нагрузки, гидролиз и воздействие агрессивных химических веществ. Механическое повреждение абразивными материалами и высокими нагрузками, хотя и влияют на старение полимера, но, не имеют химического механизма действия, поэтому, не рассматриваются в данном разделе.

Разрушение полимера под действием проникающей радиации, как солнечной, так и искусственной природы (нейтрино, гамма-кванты, рентгеновское излучение и пр.), обычно не относят к естественному старению полимера. Если есть необходимость, то, данные факторы учитывают отдельно (например, для материалов, работающих в АЭС и используемых для создания компонентов термоядерного оружия).

Некоторую сложность вызывает принятие общей, единой, взаимовоспроизводимой шкалы старения полимеров. Так как, в разных странах, для различных типов полимерных материалов, в различных отраслях, приняты свои методики определения устойчивости полимеров к различным воздействиям и шкалы для отражения данных показателей.

Поэтому, большинство экспериментального материала на эту тему носит относительный характер и применимо лишь для примерной оценки устойчивости различных материалов к тем или иным воздействиям.

В зависимости от вида доминирующего внешнего воздействия, резко меняется устойчивость материала к старению и методика оценки. Например, пленочные и тканевые материалы, из-за большой удельной площади поверхности и небольшой толщины, наиболее подвержены фотохимическим превращениям и термоокислительному разрушению. Массивные, нагруженные изделия из пластиков больше всего подвержены термодеструктивному распаду и накоплениям внутренних напряжений из-за медленной релаксации течения. Изделия, эксплуатируемые в влажном климате, сильно подвержены гидролизу. Композиции, применяемые в ДВС испытывают окисление при высоких температурах и усиленный термодеструктивный распад (вулканиты, парониты и пр.). Используемые для изготовления химического оборудования полимерные композиции, должны, в первую очередь, выдерживать воздействие агрессивных сред.

Достаточно уникальная ситуация для циклически нагруженных эластомеров. Ярчайший пример - камеры и покрышки транспортных средств. Во-первых, они испытывают высокие статические и динамические нагрузки, что приводит к деформациям течение и постепенным разрывам ММ. Во-вторых, циклические нагрузки при большой частоте приводят к большим значениям внутреннего трения, которое нагревает материал, вызывая термодеструктивный распад. Это особенно актуально в местах концентрации нагрузки (обычно, в местах сцепления с кордом (арматурой) и на границе механических примесей (песка, металлических стружек)). Эластомеры построены на основе сшитых каучуков, в которых остается еще предостаточно двойных связей. Как мы помним, двойные связи достаточно легко подвергаются окислению атмосферным кислородом, особенно в присутствии соединений переходных металлов, уже при 40-60^оС. Это приводит к появлению в полимерной цепи полярных группировок (гидроксильных групп, карбоксильных и кетонных групп), которые могут приводить к несанкционированной сшивке ММ. При этом повышается жесткость отдельных участков на поверхности полимерного материала, что приводит к появлению трещин при деформации.

Кроме того, двойные связи легко присоединяют озон (трехатомная молекула кислорода, легко распадается с выделением атомарного кислорода), который образуется от атмосферного электричества в грозу, при окислении терпенов в хвойном лесу, электрических разрядах в воздухе (например, искрение в распределителе зажигания автомобиля) и по др. причинам.

При присоединении озона по двойным связям ММ, почти всегда происходит разрыв цепи, что снижает прочность материала и изменяет его свойства. Главным образом, снижая жесткость и вязкость. При этом, не последнее место в старении резин занимают гидролиз, экссудация и улетучивание пластификаторов иантиоксидантов, термическая сшивка и фотолиз.

Наибольшее воздействие на полимеры оказывает ультрафиолетовое излучение с длинной волны 0,3-0,35 мкм. Более длинноволновое излучение, в основном нагревает материал, а коротковолновое - отражается. Следует учитывать, что цвет полимерного материала влияет на степень его разрушения солнечным и иным светом. При этом, резины и некоторые пластики содержат значительное количество газовой сажи, предназначенной для физической сшивки полимерной матрицы. Усиление фотохимического распада резин под действием света, в данном случае компенсировано модифицирующим действием сажи.

В случае обрыва цепи под действием УФ облучения или нагрева, радикальные центры на поверхности частичек сажи улавливают радикальные центры в месте обрыва цепи, производя некоторое скрепление. Подробнее о влиянии сажи на свойства полимерных материалов мы поговорим в другой раз.

В отличие от сажи, минеральные наполнители (соли, оксиды металлов и пр.) образуют физическую сетку меньшей прочности, более жесткую и только между собой, по отношению к полимерным молекулам они практически инертны. Хотя, в прилегающем к поверхности частичек минерального наполнителя слоях полимера происходит некоторая ориентация ММ и их частичная поляризация. Но, в отношении к старению полимера, это упрочнение играет только отрицательную роль, так как, делает материал еще более хрупким.

Наиболее подвержены различным превращения и негативным превращениям более полярные группировки, в том числе, концевые группы ММ. В продуктах распада полимерных материалов доминируют фрагменты ОВИС. Более полярные полимеры, содержащие двойные связи, более подвержены всем видам старения. Исключение составляют тефлон и подобные ему фторопроизводные. Также, высокой стойкостью к старению обладают силиконы и боропластики.

Для повышения светостойкости полимерных материалов используют три основных метода: введение отражателей света (например, алюминиевый порошок), создающих на поверхности материала зеркальный слой, введение химических систем "ремонта” ММ (выполняющих также, функцию ловушек свободных радикалов), например, бензофенон или бензтриазол, а так же использование газовых саж.

Для оценки стойкости материала к старению, обычно используют величину изменения того или иного эксплуатационного параметра в ходе эксплуатации. Для проведения испытания используют стендовую экспозицию в реальных условиях, продолжительностью 1-5 лет или искусственно созданные условия в специальных камерах. Второй вариант более быстрый, а значит более дешевый и предпочтительный. Но, данные полученные "камерным” методом отличаются низкой точностью и пригодны только для относительной оценки стойкости материала. Для использования абсолютной величины, полученной таким методом, необходимо иметь обширную базу данных по стойкости самых разных полимерных материалов, полученную в данных условиях.

За последние полвека накоплена обширнейшая база данных по миллионам марок полимерных материалов, полученная как экспозицией в естественных условиях, так и при форсированных испытаниях в атмосферных камерах. Использование современного программного обеспечения и творческий подход к составлению математического алгоритма определения доминирующих факторов, влияющих на старение данного полимера в данных условиях эксплуатации, позволяет добиться хороших результатов в стандартизации показателей.

3. Материалы микро- и наноэлектроники

Важнейшая область применения полупроводниковых материалов -- наноэлектроника. Основным материалом современной электроники является кремний. В 2011 г. доля работ по применению кремния в микро - и наноэлектронике составила порядка 40% от суммарного массива по этому веществу. На основе кремния создаются большие и сверхбольшие интегральные схемы. В последние годы достижения в технологии позволили существенно повысить их быстродействие. В больших масштабах используют полупроводниковые материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы).

В 2006 году японскими учеными была разработана технология получения «жидкого» (аморфного) кремния. «Жидкий» кремний можно распылять по подложке для получения тонкой пленки, готовой для последующей обработки, и использовать в струйных принтерах для печати транзисторов. Такая технология позволяет значительно удешевить и ускорить процесс. Считается также, что этот способ окажет значительное влияние на методы изготовления полупроводниковых чипов в будущем. Другими возможными областями использования данной технологии могут стать производство OLED-экранов и солнечных элементов. Кроме того, уже сегодня один из видов нового процесса используется при производстве ЖК-панелей для проекторов. Высокая пространственная точность печати с использованием струйных технологий привела к появлению 3D-принтеров, способных «распечатывать» детали для бомбардировщиков, живые ткани и даже самих себя, создавая собственные копии - новые принтеры. Однако до последнего времени возможности создания новых устройств методами струйной печати ограничивались невозможностью создания таким образом полноценных электронных схем с кремниевыми полупроводниками. Технология, основанная на использовании «жидкого» кремния, вероятно, позволит преодолеть и этот барьер.

Основным элементом полупроводниковой наноэлектроники в ближайшем будущем предстанет нанотранзистор на кремнии. Появление проблем, обусловленных нанометровыми размерами транзисторов и других элементов интегральных схем, стимулирует поиск новых, отличных от объемного кремния материалов и конструкций полевых транзисторов. Единственной альтернативой объемному кремнию в настоящее время являются структуры кремний-наизоляторе (КНИ) со слоями кремния субмикронной и нанометровой толщины. Важной особенностью транзисторов на КНИ структурах является их повышенная температурная и радиационная стойкость, что также делает данную технологию весьма востребованной.

Еще одна инновация, связанная с кремнием, - получение черного кремния. Черный кремний получают с использованием новой технологии лазерной модификации поверхности, которая радикально изменяет светопоглощающие свойства материала. Технология позволяет в два раза увеличить количество поглощаемого кремнием света.

Чрезвычайно сильное поглощение попадающих на поверхность нового материала лучей происходит не только с видимым светом, но также и инфракрасным, невидимым для обычного кремния, что позволяет говорить о значительном расширении возможностей применения кремния и конструировании новых типов цифровых светочувствительных детекторов и улавливания солнечной энергии.

Запатентованный SiOnyx процесс фемтосекундной лазерной гравировки позволяет создавать на поверхности различных материалов светопроводящий слой толщиной 300 нм, применяемый в создании детекторов и фотоэлектрических источников тока.

Если процесс производства черного кремния окажется выгодным, он будет легко внедрен в инфраструктуру производства полупроводниковых устройств, обеспечивая появление новых компактных светочувствительных и эффективных дополнений к их функциям.

Следующий важнейший проводник - германий. Германий используется в производстве инфракрасной и волоконной оптики, и, помимо полупроводниковых диодов и триодов, в производстве терморезисторов, фотоэлементов с запирающим слоем, термоэлементов, пленочных сопротивлений.

Кроме того, на основе германиевых наноструктур, европейскими учеными был создан наноматериал, который может применяться в суперкомпьютерах для охлаждения микрочипов. Этот материал обладает минимальной теплопроводностью. Эффективность чипов на базе этого наноматериала получается сравнимой с современными кремниевыми устройствами.

4.3 Из традиционных материалов микроэлектроники на третьем месте по своему значению держится арсенид галлия (GaAs). Он используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах, мобильных телефонах.

Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами Al_xGa_1-xAs (гетероструктуры) можно вырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Из-за практически идеального согласования постоянных решёток слои имеют малые механические напряжения и могут выращиваться произвольной толщины.

Характерной особенностью развития микро- и наноэлектроники в наши дни является широкое использование двойных полупроводниковых соединений, типа GaN, ZnO, CdS. Все три материала активно используются в лазерной технике.

Нитрид галлия (GaN) широко используется для создания светодиодов, сверхвысокочастотных транзисторов. Кроме того, корпорация BAE Systems получила заказ на разработку твердотельного усилителя мощностью 160 ватт. Его предполагается использовать в новейших радиолокаторах, системах связи, устройствах для создания радиопомех и других видах электронной аппаратуры, генерирующей высокочастотные радиосигналы микроволнового диапазона. В более далекой перспективе такие устройства можно будет применять для создания направленных излучателей микроволн, которые иногда называют электромагнитными пушками.

Для генерации микроволновых сигналов мощностью в сотни ватт применяются не полупроводниковые, а вакуумные устройства, лампы бегущей волны. Усилитель, который должна разработать фирма BAE Systems, будет использовать транзисторы на нитриде галлия. Нитрид галлия выдерживает куда большие температуры, нежели арсенид галлия, и сохраняет работоспособность при более высоком электрическом напряжении. Поэтому он хорошо подходит для использования в мощных выпрямителях микроволнового диапазона.

Все эти преимущества известны уже давно, однако до сих пор транзисторы на нитриде галлия используются лишь в маломощных устройствах, например, в лазерных диодах для дисковых проигрывателей. Для создания твердотельного выпрямителя с требуемыми параметрами необходимо разработать технологию выращивания высококачественных монокристаллов нитрида галлия с заданными электрическими свойствами, а это очень непростая задача.

Следующее соединение, используемое в микро- и наноэлектронике, - оксид цинка (ZnO). Оксид цинка, имеющий близкую к GaN ширину запрещенной зоны, характеризуется рекордной энергией связи экситона (60 мЭв), обладает высокой стойкостью к облучению, податлив к химическому травлению и относительно дешев, что делает его привлекательным для применения в микроэлектронике. Благодаря своим уникальным оптическим, акустическим и электрическим свойствам оксид цинка широко изучался. Он нашел применение при изготовлении прозрачных электродов в солнечных элементах, в газовых сенсорах, в варисторах, в устройствах генерации поверхностных акустических волн.

Сульфид кадмия (CdS) полезен в оптоэлектронике, он используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его применяют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности). Монокристаллы сульфида кадмия используются как детекторы элементарных частиц. Сульфид кадмия также является основным материалом солнечных батарей.

Большой интерес представляют молекулярные соединения - фуллерены, как относительно новая форма существования углерода в природе. Данное соединение является высокосимметричным и состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр, и напоминает футбольный мяч. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником, и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. По этой причине были проведены исследования возможности использования фуллерена в качестве нового материала в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Преимуществом фуллерена является малое время фотоотклика (единицы наносекунд). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость пленок фуллеренов, и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях.

Углеродные нанотрубки являются одной из самых интригующих наноструктур. Они существуют в двух основных формах - одностенные и многостенные нанотрубки. Одностенная углеродная нанотрубка может быть представлена как лист из графита моноатомной толщины, свернутый в трубку, такой листовой графит называют графен. Многостенные нанотрубки состоят из нескольких одностенных трубок, концентрически вставленных одна в другую, их типичный размер составляет 10-40 нм. Нанотрубки имеют обширный перечень привлекательных свойств. Они могут вести себя как полупроводники и проводники, проводят электричество лучше меди, имеют теплопроводность лучше, чем у алмаза, по механической прочности составляют конкуренцию многим известным материалам. Нанотрубки могут использоваться как отдельные функциональные элементы (T-, Y- образные нанотрубки могут работать как транзисторы). Комбинируя нанотрубки и снабжая их управляющими полевыми электродами, можно создавать разнообразные наноэлектронные приборы. Изготовлены прототипы выпрямительных диодов на контакте металлической и полупроводниковой нанотрубок, полевых транзисторов на полупроводниковых нанотрубках, одноэлектронных транзисторов на металлических нанотрубках. Кроме того, они имеют широкое применение в оптоэлектронике при изготовлении недорогих дисплеев, которые отличаются повышенной четкостью изображения и более низким энергопотреблением, что является особенно важным фактором при производстве портативных устройств.

Одна из основных технологий физики полупроводниковой электроники - молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Благодаря возможности метода МЛЭ были созданы полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), которые отличаются от обычных полосковых полупроводниковых лазеров расположением брэгговских зеркал лазерного резонатора параллельно плоскости полупроводниковой пластины. В настоящее время ЛВР демонстрируют предельные возможности не только полупроводниковых излучателей, но и всей лазерной техники: ЛВР характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции -- десятки гигагерц и сверхминиатюрностью.

Важнейшим фактором, определяющим качество современных вычислительных средств, является скорость передачи данных в пределах персонального компьютера (ПК) на уровне плата - плата, чип - чип. Наиболее перспективным вариантом увеличения скорости является использование быстродействующих оптических систем, обеспечивающих скорости передачи до 10 Гбит/с и выше. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации в пределах ПК. В рамках широкого международного сотрудничества разработаны и изготовлены ЛВР, обеспечивающие скорости передачи данных 20 Гбит/с. Использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических информационных систем с быстродействием на уровне 1 Тбит/с.



Выводы

Изучение механических свойств металлических материалов необходимо для обеспечения требуемого качества продукции. Как я считаю, вопрос качества продукции стал очень актуальным в настоящее время. Предприятия-изготовители занимаются постоянным изучением требований потребителей, для удовлетворения их потребностей и их предвосхищения. Проведение испытаний, имитирующих условия эксплуатации, с помощью современного оборудования позволяет с необходимой точностью определять механические свойства материалов. Результаты испытаний используются для дальнейшего применения в производстве, других испытаниях. Всё это помогает быть уверенными в надежности той или иной конструкции, улучшать структуру материалов, прогрессировать в этом направлении всё интенсивней.

Мы видим, что в настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности стабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства.Защитить от старения полимер можно также путем изменения его физической структуры. Для этого полимер подвергают специальной механический или термической обработке или вводят в него добавки - структурообразователи.

Развитие современной полупроводниковой электроники включает применение нанотехнологий, которые определяются как наука и техника создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях. Нанотехнологии должны обладать атомной точностью при получении полупроводниковых наносистем с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

Развитие нанотехнологий было стимулировано разработкой полупроводниковых наноструктур, изучения и использования материалов, в чём большая заслуга материаловедения, и специалистов в данной, совершенно новой и развивающейся технологии.



Список использованных источников

1 Новые материалы [Текст] / В.Н. Анциферов [и др.]; под ред. Ю.С. Карабасова. - М.: МИСИС, 2002.

2 Дриц, М.Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение [Текст]: учебник / М.Е. Дриц, И.А. Москалев. - М.: Высш. шк., 1990.

3 Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974

4 М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.

5 Виноградов, В.Н. Износостойкость деталей и сплавов [Текст]: учеб. пособие / В.Н. Виноградов, Г.М. Соровин. - М.: Нефть и газ, 1994.

6 Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности

[Текст] / А.П. Жихарев [и др.]; под ред. А.П. Жихарева. - М.: ИЦ «Академия», 2004.

7 Дриц, М.Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение [Текст]: учебник / М.Е. Дриц, И.А. Москалев. - М.: Высш. шк., 1990.

8 «Базовые методы и средства измерений и испытаний в технике» Корчевский В.В. Румановский И.Г.

9«Методы исследования материалов» Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. 2004

10«Механические испытания металлов» Жуковец И.И. М., 1986

Размещено на Allbest.ru

...