МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Л.Г.ПЕТРОВА, М.А.ПОТАПОВ, О.В.ЧУДИНА

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ (ГТУ)

МОСКВА 2008

ВЕДЕНИЕ

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенствование применяемых материалов является необходимым условием успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электротехника и радиоэлектроника, для которых именно качество материалов становится ключом к разработке сложных инженерных решений и созданию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые в этих областях металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материалов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и эксплуатационных факторов позволяет специалисту не только грамотно выбирать материал при проектировании электротехнических устройств, но и грамотно эксплуатировать их.

История целенаправленного применения специализированных материалов для электротехники началась в 1802 г. при создании академиком В.В.Петровым в качестве источника электрической энергии большой гальванической батареи. В 1832 г. русский ученый П.Л.Шиллинг в опытах по созданию электромагнитного телеграфа использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, каучук и шелковую пряжу. В 1872 г. изобретатель А.Н.Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания, а инженер П.Н.Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу». В этих изобретениях были использованы проводники, электрическая изоляция и магнитные материалы, которые были объединены в большую группу электротехнических материалов.

Наука об электротехнических материалах приобретала все большее значение по мере развития радиотехники, в частности, с изобретением радио великим русским ученым А.С.Поповым.

Электротехническое материаловедение базируется на основах классического материаловедения, для которого исключительным вкладом явилось открытие Д.И.Менделеевым (1834-1907) периоди-

3

ческой системы элементов, ставшей теоретическим фундаментом для развития физики и химии материалов.

Значительное место среди электротехнических материалов занимают металлы и сплавы. Большой вклад в развитие отечественного металловедения внесли русские и советские ученые Д.К.Чернов, В.С.Курнаков, С.С.Штейнберг, Н.А.Минкевич, Г.В.Курдюмов, А.М.Бочвар, А.А.Бочвар, В.Д.Садовский, И.И.Сидорин, Ю.М.Лахтин.

С разработкой пластмасс, синтетических смол и других полимерных материалов группа электротехнических материалов значительно расширилась. Создание этих материалов связано с развитием химии высокомолекулярных соединений, основы которой были заложены выдающимся русским ученым А.М.Бутлеровым. В разработку таких неорганических материалов, как стекла и керамика, внесли вклад советские ученые В.А.Каргин, К.А.Андрианов, Н.П.Богородицкий. Благодаря фундаментальным исследованиям в области ферромагнетизма Н.С.Акулова, С.В.Вонсовского, существенно увеличился спектр магнитных материалов различного назначения. Работы академика А.Ф.Иоффе позволили разработать новый класс полупроводниковых материалов.

Существенный скачок в разработке материалов был связан с увеличивающимися потребностями радиоэлектроники в послевоенные 40-50-е годы прошлого века. Собираемая из множества деталей электронная аппаратура была громоздкой и тяжелой. Плотность монтажа среднего телевизора составляла 0,05 деталей на 1 см2, а надежность электронной аппаратуры была невысока. Техническая задача сокращения размеров и массы аппаратуры, увеличения ее надежности и долговечности логически привела к интенсивному развитию микроэлектроники, которая основана на минимизации энергетических процессов в электронных схемах, что потребовало разработки новой элементной базы и технологий.

В настоящее время с использованием планарной технологии формирования интегральных схем на подложке в 1 см2 удается разместить до 600 тысяч функциональных элементов.

Достижения последних лет в области разработки новых электротехнических материалов весьма значительны. Для их изготовления применяют разнообразные методы химического синтеза, искус-

4

ственного выращивания монокристаллов, нанесения тонких пленок (высокопроводящих, резистивных и магнитных) на подложку, способы глубокой очистки от примесей, ионно-плазменную обработку, воздействие на материалы электромагнитным полем, ионизирующими излучениями и т.д.

На основе современных электротехнических материалов изготовляются принципиально новые электротехнические и радиоэлектронные устройства: многочисленные полупроводниковые приборы, твердые схемы, нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами, выпрямители, усилители, стабилизаторы тока и напряжения, преобразователи энергии, устройства для хранения и считывания информации; квантовые генераторы, усилители-лазеры, жидкие кристаллы, ферритные устройства для управления электромагнитной энергией СВЧ, датчики ЭДС Холла, термоэлектрические генераторы с высоким КПД, аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.

В учебном пособии рассмотрены основные группы электротехнических материалов: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы, а также материалы с особыми свойствами теплового расширения и особыми упругими свойствами. По каждой группе материалов рассмотрены: физическая сущность явлений, происходящих в материалах при взаимодействии с электромагнитным полем, основные электрофизические характеристики материалов и влияние на них различных факторов, особенности технологии получения материалов и их применение в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, элементах автоматики и приборах.

5