1.2. Старіння матеріалів

Старінням матеріалів називають необоротні процеси відносно повільної зміни фізичних властивостей в умовах тривалого зберігання й експлуатації. Старінню піддаються метали, сплави, діелектрики і напівпровідники.

При старінні властивості матеріалів можуть як погіршуватися, так і поліпшуватися. Іноді відбувається поліпшення одних властивостей при погіршенні інших. Часто застосовують штучне старіння матеріалів для поліпшення або стабілізації деяких їхніх властивостей. Наприклад, у діелектриках з електронною структурою це відбувається в результаті електрохімічного очищення за рахунок переміщення іонів домішок з діелектрика на його поверхню при протіканні наскрізного струму. У діелектриках з іонною структурою, навпаки, електропровідність може збільшитися до електричного пробою за рахунок електрохімічного старіння, що полягає в тому, що іони структури приймають участь у процесі електропровідності.

Однак характеристики більшості матеріалів у результаті старіння погіршуються. Наприклад, деталі зі сталі, латуні і бронзи втрачають властивості пружності. Поверхня матеріалів окислюється і стає нерівною, міцність металів падає.

Найбільш активним фізичним фактором, що викликає прискорення процесів старіння, є тепло. Швидкість старіння матеріалів росте за експонентним законом із збільшенням температури. Зміна властивостей матеріалів у процесі старіння призводить до поступових і раптових відмов елементів.

З діелектриків найбільше старінню піддаються полімери і пластичні маси на їхній основі. Тому цінні властивості технічних полімерів можуть досить швидко погіршуватися в процесі експлуатації.

У результаті старіння в діелектрику збільшуються діелектричні втрати, зменшується опір ізоляції, електрична і механічна міцність.

Істотний вплив на надійність елементів при їхньому старінні робить зменшення пробою діелектрика в часі. Іноді пробій, що відбувається в результаті старіння діелектриків, називають електрохімічним, тому що при цьому спостерігаються два процеси: фізико-хімічні зміни властивостей діелектрика (старіння), що знижує його електричну міцність, і власне тепловий або електричний пробій.

Старіння матеріалів приводить також до дрейфу їх параметрів. Так погіршення з часом параметрів і характеристик напівпровідникових приладів зумовлено фізико-хімічними процесами в напівпровіднику, механізм яких визначається головним чином двома особливостями напівпровідників: високою чутливістю їхньої поверхні до фізичної і хімічної природи навколишнього середовища і залежністю параметрів напівпровідників від домішок, неоднорідностей і дефектів структури. Навіть при значному захисті поверхні напівпровідника від навколишнього середовища через певний час на його поверхню потрапляють атоми різних елементів, які проникають в напівпровідник. Різного роду навантаження на напівпровідник (особливо при підвищеній температурі) сприяють збільшенню дефектів у ньому. Все це створює додаткові центри рекомбінації, що приводять до зміни часу життя носіїв зарядів й інших параметрів напівпровідника.