- •1 Физико-химические основы материаловедения 5
- •2 Проводниковые материалы 39
- •3 Полупроводниковые материалы 114
- •4 Диэлектрические материалы 136
- •5 Магнитные материалы 188
- •Введение
- •1 Физико-химические основы материаловедения
- •1 .1 Общие сведения о строении вещества
- •1.1.1 Типы химических связей
- •1.1.2 Агрегатные состояния вещества
- •1.1.3 Кристаллическое строение вещества
- •1.1.4 Анизотропия кристаллов. Индексы Миллера
- •1.1.5 Процесс кристаллизации веществ
- •1.1.6 Полиморфизм (аллотропия)
- •1.1.7 Виды дефектов в кристаллах
- •1.1.8 Влияние термической обработки на структуру свойства материалов
- •1.1.9 Влияние пластической деформации на структурные свойства материалов
- •1.2 Основные cbeдения о сплавах
- •1.2.1 Понятие о сплавах
- •1.2.2 Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.2.3 Диаграмма "состав-свойство"
- •1.2.4 Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.
- •1.3.Основные свойства и параметры материалов.
- •1.3.1 Механические и технологические свойства материалов и методы их определения
- •1.3.1.1 Определение твердости металлов и сплавов
- •1.3.2 Тепловые характеристики
- •1.3.3 Физико-химические характеристики
- •1.3.4 Электрофизические характеристики
- •1.3.5 Зонная структура твердых тел
- •2 Проводниковые материалы
- •2.1 Классификация проводниковых материалов
- •2.2 Электрические свойства проводниковых материалов
- •2.3 Материалы с высокой проводимостью
- •2.3.1 Медь и ее сплавы
- •2.3.2 Алюминий и его сплавы
- •2.3.3 Натрий
- •2.4 Материалы с высоким сопротивлением
- •2.4.1 Проволочные резистивные материалы
- •2.4.2. Пленочные резистивные материалы
- •2.4.3. Материалы для термопар
- •2.5 Проводниковые материалы и сплавы различного применения
- •2.5.1 Благородные металлы
- •2.5.2 Тугоплавкие металлы
- •2.5.3 Ртуть Hg
- •2.5.4. Легкоплавкие металлы
- •2.6 Сверхпроводники и криопроводники
- •2.6.1 Сверхпроводники
- •2.6.2 Криопроводники
- •2.7 Неметаллические проводниковые материалы
- •2.7.1 Материалы для электроугольных изделий
- •2.7.2 Проводящие и резистивные композиционные материалы
- •2.7.3 Контактолы
- •2.8 Материалы для подвижных контактов
- •2.8.1 Материалы для скользящих контактов
- •2.8.2 Материалы для разрывных контактов
- •2.9 Припои
- •2.10 Металлокерамика
- •2.11 Металлические покрытия
- •2.12 Проводниковые изделия
- •2.14 Порошковые конструкционные материалы
- •2.15 Композиционные конструкционные материалы
- •2.16 Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
- •3 Полупроводниковые материалы
- •3.1 Собственная и примесная электропроводность полупроводников
- •3.2 Примеси в полупроводниках
- •3.3 Основные параметры полупроводников
- •3.3.2 Удельное электрическое сопротивление - параметр, характеризующий способность материала проводить электрический ток:
- •3.3.6. Концентрация носителей заряда.
- •3.4 Влияние различных факторов на электропроводность полупроводников
- •3.4.1 Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •3.4.2 Зависимость электропроводности полупроводников от внешнего электрического поля.
- •3.4.3 Влияние деформации на проводимость полупроводников
- •3.4.4 Влияние света на проводимость полупроводников
- •3.5 Производство полупроводниковых материалов
- •3.5.1. Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского
- •3.5.2. Зонная плавка кремния и германия
- •3.6 Свойства полупроводниковых материалов и их применение
- •3.6.1 Классификация полупроводниковых материалов
- •3.6.2 Применение полупроводниковых материалов
- •3.6.3 Германий
- •3.6.4 Кремний
- •3.6.5 Карбид кремния
- •3.6.6. Полупроводниковые соединения aiii bv
- •3.6.7. Соединения aiibvi и другие халькогенидные полупроводники
- •4 Диэлектрические материалы
- •4.1 Общие сведения о диэлектриках
- •4.2 Поляризация диэлектриков
- •4.2.1 Электронная поляризация
- •4.2.2 Ионная поляризация
- •4.2.3 Дипольно-релаксационная поляризация
- •4.2.4 Ионно-релаксационная поляризация
- •4.2.5 Самопроизвольная (спонтанная) поляризация
- •4.3 Классификация диэлектриков по виду поляризации
- •4.4 Диэлектрическая проницаемость
- •4.4.1 Зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков
- •4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков
- •4.4.3 Зависимость ε от влажности
- •4.4.4 Зависимость ε от частоты f
- •4.5 Электропроводность диэлектриков
- •4.6 Диэлектрические потери
- •4.6.1 Виды диэлектрических потерь
- •4.7 Пробой диэлектриков
- •4.7.1 Основные понятия пробоя диэлектрика
- •4.7.2 Виды пробоев в диэлектриках
- •4.8 Физико-химические свойства диэлектриков
- •4.8.1 Теплопроводность
- •4.8.2 Химические свойства диэлектриков
- •4.9 Газообразные диэлектрические материалы
- •4.10 Жидкие диэлектрические материалы
- •4.11 Активные диэлектрики
- •4.11.1 Сегнетоэлектрики
- •4.11.2 Пьезоэлектрики
- •4.11.3 Электреты
- •4.11.4 Диэлектрики для оптической генерации
- •4.11.5 Электрооптические материалы
- •4.11 Твердые органические диэлектрики
- •4.11.1 Основные понятия о высокомолекулярных соединениях (полимерах)
- •4.11.2 Пластмассы
- •4.11.3 Компаунды
- •4.11.4 Лаки
- •4.11.5 Эпоксидные смолы
- •4.11.6 Клеи
- •4.12 Твердые неорганические диэлектрики
- •4.12.1 Неорганические стёкла
- •4.12.1.1 Классификация неорганических стекол
- •4.12.1.2 Кварцевое стекло
- •4.12.2 Ситаллы
- •4.12.3 Керамика, свойства, типы, применение
- •4.13 Диэлектрические материалы в микроэлектронике.
- •5 Магнитные материалы
- •5.1 Природа магнетизма
- •5.2 Основные параметры магнитных веществ
- •5.3 Классификация магнитных материалов
- •5.3.1 Слабомагнитные вещества
- •5.3.2 Сильномагнитные вещества
- •5.4 Магнитомягкие материалы
- •5.4.1 Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)
- •5.4.2 Пермаллои
- •5.4.3 Аморфные магнитные материалы
- •5.4.4 Магнитодиэлектрики
- •5.4.5 Ферриты
- •5.5 Магнитотвёрдые материалы
- •5.5.1 Литые высококоэрцитивные сплавы
- •5.5.3 Магнитотвердые ферриты
- •5.5.4 Сплавы на основе редкоземельных металлов
- •5.5.5 Другие магнитотвердые металлы
- •5.6 Материалы специального назначения
2.5.3 Ртуть Hg
Ртуть – единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Он обладает следующими свойствами:
- легко испаряется даже при комнатной температуре, и пары ее очень вредны;
- применение паров ртути в газоразрядных приборах обусловлено более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами;
- чистая ртуть и ее соединения относятся к ядовитым веществам;
- в ртути хорошо растворяются щелочные и редкоземельные металлы (магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро, золото);
- слабо растворяются в ртути медь и никель;
- не растворяются в ртути железо и титан.
Получают ртуть металлургическим способом, подвергая ее многократной очистке. Завершающей операцией является вакуумная перегонка при температуре примерно 200 °С.
Применяют ртуть в лампах дневного света, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах.
Основные свойства ртути приведены в таблице 2.7.
Таблица 2.7 – Основные свойства металлов различного применения
Параметр |
Hg |
Ga |
In |
Sn |
Cd |
Pb |
Zn |
Плотность D, кг/м3 |
13550 |
5910 |
7280 |
7310 |
8650 |
1140 |
7140 |
Температура плавления Тпл, °С |
38,9 |
29,7 |
156 |
232 |
321 |
327 |
420 |
Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм·м |
0,958 |
0,56 |
0,09 |
0,12 |
0,076 |
0,21 |
0,059 |
Температурный коэффициент, К-1: |
|
|
|
|
|
|
|
ТКρ |
9·10-4 |
– |
47·10-4 |
44·10-4 |
42·10-4 |
37·10-4 |
40·10-4 |
ТКl |
61·10-6 |
183·10-6 |
25·10-6 |
23·10-6 |
30·10-6 |
29·10-6 |
31·10-6 |
2.5.4. Легкоплавкие металлы
К легкоплавким металлам относятся металлы, у которых температура плавления не более 500˚С. Основные их параметры приведены в таблице 2.7.
Галлий Ga. Галлий – металл, который плавится почти при комнатной температуре.
Применяют галлий в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия, он входит в состав низкотемпературных припоев. Сплавы индия с галлием с температурой плавления ниже комнатной используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также в качестве жидкого контакта в установках шовной контактной сварки при герметизации корпусов микросхем.
Индий In. Индий – серебристо-белый металл с низкой температурой плавления.
Используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых приборов, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жидких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки).
Олово Sn. Олово – серебристо-белый металл, имеет ярко выраженное крупнокристаллическое строение. Он обладает следующими свойствами:
- при изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга;
- при нормальной температуре олово на воздухе не окисляется;
- под действием воды не изменяется;
- разведенные кислоты действуют на олово медленно;
- устойчиво при температуре выше 13,2°С.
Олово, кристаллизующееся в тетрагональную систему с плотностью 7310 кг/м3, называют белым оловом. Белое олово обладает следующими свойствами:
- предел прочности изменяется от 16 до 38 МПа;
- при низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение второй модификации серого олова с плотностью 5600 кг/м3), которые называют оловянной чумой;
- при нагревании серое олово снова переходит в белое;
- если нагреть олово до температуры выше 160°С, то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.
Олово является мягким, тягучим металлом, из которого в результате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в олово вводят присадки (до 15% свинца и до 1% сурьмы). Тонкую оловянную фольгу (6...8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конденсаторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20...40 мкм применяют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.
Кадмий Cd. Кадмий – серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при получении цинка. Как и цинк, кадмий подвергается электролитической очистке. Наиболее чистый металл содержит 99,997% кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз.
Применяется для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя.
Свинец Рb. Свинец – мягкий металл сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами:
- на свежем срезе имеет сильный металлический блеск, но быстро тускнеет на воздухе вследствие поверхностного окисления;
- высокая пластичность;
- низкая прочность (предел прочности при растяжении σр примерно 14 МПа при относительном удлинении ∆l/l более 55%);
- высокая коррозионная стойкость (свинец не пропускает воду);
свинец и его соединения ядовиты.
Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги. Его используют также для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.
Цинк Zn. Цинк – пластичный металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами:
- при нормальной температуре сравнительно стойкий к коррозии;
- при нагревании до температуры 200°С становится хрупким.
Получают металлургическими методами с последующей электролитической очисткой. Высокоочищенный металл содержит 99,99% цинка.
Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения цинка в вакууме при температуре примерно 600°С.