2. Вольфрам

- температура плавления — 3695 K (3422 °C)

- плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³

 - твердость по Бринеллю 488 кг/мм²

 - удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10⁻⁹ Ом·м, при 2700 °C — 904·10⁻⁹ Ом·м

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов^[3]. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Применение

Применение чистого металла и вольфрамсодержащих сплавов основано, главным образом, на их тугоплавкости, твердости и химической стойкости. Чистый вольфрам используется для изготовления нитей электрических ламп накаливания и электронно-лучевых трубок, в производстве тиглей для испарения металлов, в контактах автомобильных распределителей зажигания, в мишенях рентгеновских трубок; в качестве обмоток и нагревательных элементов электрических печей и как конструкционный материал для космических и других аппаратов, эксплуатируемых при высоких температурах. Быстрорежущие стали (17,5–18,5% вольфрама), стеллит (на основе кобальта с добавлением Cr, W, С), хасталлой (нержавеющая сталь на основе Ni) и многие другие сплавы содержат вольфрам. Основой при производстве инструментальных и жаропрочных сплавов является ферровольфрам (68–86% W, до 7% Mo и железо), легко получающийся прямым восстановлением вольфрамитового или шеелитового концентратов. «Победит» – очень твердый сплав, содержащий 80–87% вольфрама, 6–15% кобальта, 5–7% углерода, незаменим в обработке металлов, в горной и нефтедобывающей промышленности.

Вольфраматы кальция и магния широко используются во флуоресцентных устройствах, другие соли вольфрама используются в химической и дубильной промышленности. Дисульфид вольфрама представляет собой сухую высокотемпературную смазку, стабильную до 500° С. Вольфрамовые бронзы и другие соединения элемента применяются в изготовлении красок. Многие соединения вольфрама являются отличными катализаторами.

ЗАДАЧА 4

1. Укажите свойства заданных проводниковых материалов, область применения, кратко опишите материалы.

2. Приведите числовые значения основных параметров заданных материалов

Дано:

Фосфор

Фосфид галлия

Решение:

Фосфор

Фо́сфор (от др.-греч. φῶς — свет и φέρω — несу; φωσφόρος — светоносный; лат. Phosphorus) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации —главной подгруппы пятой группы) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева; имеет атомный номер 15. Элемент входит в группу пниктогенов. Фосфор —один из распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Концентрация в морской воде 0,07 мг/л. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит Ca5(PO4)3 (F,Cl,OH), фосфорит и другие. Фосфор входит в состав важнейших биологических соединений — фосфолипидов. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни. Фосфор имеет несколько аллотропных модификаций – белый, красный, чёрный, коричневый, фиолетовый фосфор и др. Первые три из названных наиболее изучены. Белый фосфор – бесцветное, с желтоватым оттенком кристаллическое вещество, светящееся в темноте. Его плотность 1,83 г/см3. Не растворяется в воде, хорошо растворяется в сероуглероде. Имеет характерный чесночный запах. Температура плавления 44°С, температура самовоспламенения 40°С. Чтобы защитить белый фосфор от окисления, его хранят под водой в темноте (на свету идёт превращение в красный фосфор). На холоде белый фосфор хрупок, при температурах выше 15°С становится мягким и режется ножом. Молекулы белого фосфора имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся молекулы Р4, имеющие форму тетраэдра.

Каждый атом фосфора связан тремя σ-связями с другими тремя атомами.

Белый фосфор ядовит и даёт труднозаживающие ожоги.

Красный фосфор – порошкообразное вещество тёмно-красного цвета без запаха, в воде и сероуглероде не растворяется, не светится. Температура воспламенения 260°С, плотность 2,3 г/см3. Красный фосфор представляет собой смесь нескольких аллотропных модификаций, отличающихся цветом (от алого до фиолетового). Свойства красного фосфора зависят от условий его получения. Не ядовит.

Чёрный фосфор по внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь, обладает полупроводниковыми свойствами. Плотность 2,7 г/см3.

Красный и чёрный фосфоры имеют атомную кристаллическую решётку.

Применение

Белый фосфор широкого применения не имеет, обычно его используют для образования дымовых завес, красный фосфор используют в производстве спичек, черный фосфор применяют очень редко. Оксид фосфора является осушителем газов и жидкостей, используется для производства фосфорной кислоты, применяется в производстве поверхностно-активных веществ, фосфатных стекол и др.

Фосфорная кислота применяется для получения фосфорных и комплексных удобрений, кормовых фосфатов, синтетических моющих средств и водоумягчающих средств. В металлообрабатывающей промышленности фосфорная кислота применяется для фосфатирования поверхности металлов, в текстильной – для обработки и крашения шерсти, натуральных и синтетических волокон. Фосфорная кислота также используется в медицине и пищевой промышленности.

Фосфид галлия

При нормальных условиях жёлтые, немного оранжевые кристаллы или мелкокристаллический жёлтый порошок. Крупные нелегированные монокристаллы светло-оранжевые, при легировании приобретают более тёмный цвет.

Кристаллизуется в кубической структуре типа цинковой обманки. пространственная группа T2d-F-43m, постоянная решётки 0,5451 нм.

Температура плавления 1447 °C. При атмосферном давлении разлагается на элементы, не достигнув температуры кипения, при этом фосфор улетучивается в виде паров. Плотность 4,138 г/см3.

Не растворим в воде.

Является непрямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 2,27 эВ при 300 K. Подвижность электронов 250 см2/(В·с) при 300 K. При легировании монокристаллов серой или теллуром приобретает электронный тип проводимости, легирование цинком придаёт дырочный тип проводимости.

Показатель преломления 4,3; 3,45; 3,18 для длин волн 262 нм (ультрафиолетовое излучение), 550nbsp;нм (зелёный свет) и 840 нм (ближний инфракрасный диапазон) соответственно.

Применение

Начиная с 1960-х годов используется для изготовления недорогих светодиодов. Недостаток этого материала — относительно быстрая деградация световой эмиссии при высоких плотностях протекающего тока и чувствительность к повышенной температуре. Иногда используется в гетероструктурах совместно с арсенидом-фосфидом галлия.

Светодиоды, изготовленные из чистого фосфида галлия, излучают зелёный свет с максимумом на длине волны 555 нм, при легировании азотом максимум спектра излучения сдвигается в жёлтую часть видимого спектра (560 нм), легирование цинком ещё более сдвигает излучение в длинноволновую часть спектра (700 нм).

Так как фосфид галлия хорошо прозрачен для жёлтого света, светодиодные структуры из фосфида галлия на арсениде-фосфиде галлия более эффективны, чем структуры из фосфида галлия на арсениде галлия.

ЗАДАЧА 5

Дано:

Марка материала – Железо особо чистое (кабонильное)

Номер варианта (предпоследняя цифра учебного шифра)	Наименование магнитомягкого материала	Параметры	Значения H, кА/м; В, Тл
5	Железо особо чистое (кабонильное)	H	0.01; 0.02; 0.03; 0.05; 0.07; 0.1
		B	1.18; 1.30; 1.38; 1.48; 1.55; 1.60

Марка материала – Сплав ЮНД24

Номер варианта (предпоследняя цифра учебного шифра)	Наименование магнитомягкого материала	Параметры	Значения H, кА/м; В, Тл
2	Сплав ЮНД24	H	0; 10; 20; 30; 40; 44
		B	1.23; 1.22; 1.17; 1.03; 0.8; 0

Требуется:

1. Назовите основные параметры заданных магнитных материалов и кратко поясните их физический смысл.

2. Приведите примерные числовые значения основных параметров заданных магнитных материалов.

3. Назовите основные области использования данных материалов.

4. Рассчитайте и постройте зависимость относительной магнитной проницаемости μ_r от напряженности магнитного поля Н для магнитомягкого материала.

5. Рассчитайте и постройте зависимость магнитной энергии магнитной индукции от магнитной индукции для магнитотвердого материала, совместив график с зависимостью B=f(H).

Магнитотвердыми называют материалы с большой коэрцитивной силой. Такие материалы обладают значительной остаточной индукцией и сравнительно малой магнитной проницаемостью. Основное применение магнитотвердые материалы нашли для изготовления постоянных магнитов. Магнитотвердые материалы обычно характеризуются кривой размагничивания. Кривая размагничивания - зависимость В=f(H), получаемая при размагничивании материала от индукции насыщения (второй квадрант петли гистерезиса).

Основными количественными характеристиками магнитотвердых материалов являются:

- коэрцитивная сила Hс;

- остаточная индукция Br;

- максимальная удельная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство Wd.

Марка материала – Железо особо чистое (кабонильное)

Чистое железо содержит не более 0,6% примесей, в том числе углерода не более 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера и фосфор. Особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита.

Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его достоинства – высокие показатели индукции насыщения (Br = 2,18 Тл), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки – низкое удельное сопротивление (p = 1•10-7 Ом•м) и, как следствие этого, большие потери на вихревые токи. Поэтому чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде магнитной фазы в магнитодиэлектриках.

Номер варианта (предпоследняя цифра учебного шифра)	Наименование магнитомягкого материала	Параметры	Значения H, кА/м; В, Тл
5	Железо особо чистое (кабонильное)	H	0.01; 0.02; 0.03; 0.05; 0.07; 0.1
		B	1.18; 1.30; 1.38; 1.48; 1.55; 1.60

Н	В
0,01	1,18	9,39
0,02	1,30	5,17
0,03	1,38	3,66
0,05	1,48	2,35
0,07	1,55	1,76
0,1	1,60	1,27

Марка материала – сплав ЮНДК24

Это тройные сплавы системы Fe—Al—Ni. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов достигается при концентрации никеля 20—33% и алюминия 11—17%. Применяют в основном легированные Cu и Co. Высококобальтовые сплавы с содержанием Со более 15% используют обычно с магнитной и кристаллической текстурой. Намагничивание этих сплавов происходит главным образом за счет процессов вращения векторов намагничивания. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому магниты из них изготавливают методом литья. Обрабатываются шлифовкой, в том числе с применением алмазного инструмента, ультразвука и др.

Маркировка буквы Ю и Н, означают алюминий и никель соответственно, затем идут буквы легирующих элементов: Д — медь, К — кобальт, С — кремний, Т — титан, Б — ниобий. После буквы идет цифра, указывающая % содержание данного элемента. Буква А означает столбчатую кристаллическую структуру; АА — монокристаллическую структуру.

Легирование кобальтом приводит к увеличению В_s, H_с и коэффициента выпуклости. Легирование медью способствует увеличению H_с , при этом улучшаются механические свойства, но падает В_r.

Магнитные характеристики: B_r≥0,5—1,4 Тл, H_с≥36—110 кА/м, W≥3,6—32 кДж/м³. У монокристаллических образцов B_r≥0,7—1,05 Тл, H_с≥110–145 кА/м, W_м≥ 18–40 кДж/м³.

Для улучшения магнитных свойств эти сплавы подвергают направленной кристаллизации, проводимой при особых условиях охлаждения, при этом образуется микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов и  улучшаются все магнитные характеристики; магнитная энергия W_M увеличивается на 60—70% по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м3.

Самые дешевые бескобальтовые сплавы ЮНД и другие, но магнитные свойства у них относительно низки. ЮНДК-15 и ЮНДК-18 магнитноизотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами. Сплавы ЮНДК- 24 имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке. ЮНДК-35Т5БА обладают наибольшей энергией W_max=35–40 кДж/м³ и их  можно использовать для изготовления малогабаритных магнитов. ЮНДК-40Т8 — титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых системах (с большим зазором), т.к. имеет наиболее высокую H_с.

 

Номер варианта (предпоследняя цифра учебного шифра)	Наименование магнитомягкого материала	Параметры	Значения H, кА/м; В, Тл
2	Сплав ЮНД24	H	0; 10; 20; 30; 40; 44
		B	1.23; 1.22; 1.17; 1.03; 0.8; 0

B	H	W
1,23	0	0
1,22	10	6,1
1,17	20	11,7
1,03	30	15,45
0,8	40	16,0
0	44	0

В, Тл

W, кДж/м³

W_max

Н_С

H, кА/м

В_r