Механические, электрические и магнитные свойства материалов. Учебное пособие

В

Н

Рис. 1.4. Основная кривая намагничивания и семейство гистерезисных циклов

В переменных магнитных полях магнитное состояние образца периоди-

чески повторяется и его магнитная индукция зависит от величины намагничи-

вающего поля, направления и частоты его изменения. Форма петли гистерезиса при неизменной частоте зависит от предельных значений напряженности поля.

Семейство таких симметричных петель изображено на рис. 1.4. Сплошная кри-

вая, проходящая по вершинам петель, называется нормальной или основной кривой индукции.

Причинами гистерезиса являются необратимые смещения границ доме-

нов, необратимые процессы вращения и задержка роста зародышей перемагни-

чивания, под которыми понимают небольшие объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной ориента-

ции намагниченности образца. Ферромагнетики характеризуются большими положительными значениями и (до сотен тысяч и миллионов), а также сложной нелинейной зависимостью этих параметров от напряженности внеш-

него магнитного поля (рис. 1.5,а).

21

м

н

Рис. 1.5. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (а) и температуры (б)

При температурах выше точки Кюри Тк, определенной для каждого мате-

риала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 1.5,б)

вследствие того, что хаотическое тепловое движение атомов нарушает парал-

лельную ориентацию их магнитных моментов и, следовательно, доменное строение ферромагнетика. Точки Кюри чистого железа составляет 768 С, ни-

келя – 631 С, кобальта – 1404 С [1].

Антиферромагнетики – это вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, поэтому имеет место их взаимная компенсация. Магнитная восприимчи-

вость антиферромагнетиков мала и составляет 10-5 - 10-3. В слабых полях

(и ) практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в

сильных является сложной функцией напряженности поля. В некоторой степе-

ни свойства антиферромагнетиков схожи со свойствами парамагнетиков. Пара-

и антиферроманитные вещества объединяет положительная магнитная воспри-

имчивость и компенсация магнитных моментов атомов. Различие заключается в том, что спиновые моменты парамагнетиков ориентированы хаотически, а ан-

тиферромагнетиков – параллельно друг другу.

По мере повышения температуры от 0 К растет, достигая максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает уменьшаться,

подчиняясь на этом участке закону Кюри–Вейсса.

22

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы – Ce, Pr, Nd,

Sm и Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, сульфиды, карбонаты пере-

ходных элементов, например на основе марганца: MnO, MnCl2, MnF2, MnS2 и

др., аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr и др. [1].

Ферримагнетиками (или нескомпенсированными антиферромагнетика-

ми) называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодей-

ствуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, однако ве-

личины этих магнитных моментов имеют различные значения, благодаря чему результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты, представляющие собой магнит-

ную керамику, состоящую из смеси окиси железа Fe2O3 с окислами других ме-

таллов. Структурная формула ферритов MeO Fe2O3, где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и др.) Многие свойства ферримагнетиков качественно аналогичны свойствам ферромагнетиков, однако имеются и суще-

ственные различия.

Например, ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей ве-

личиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависи-

мость основных магнитных параметров.

Преимущества ферритов при работе в ВЧ- и СВЧ-диапазонах обусловле-

ны тем, что их удельное электрическое сопротивление в 106 - 1011 раз превыша-

ет удельное сопротивление металлических ферромагнетиков, так как они явля-

ются оксидными материалами, а не металлами. По значению удельного элек-

трического сопротивления они относятся к классу полупроводников или ди-

электриков. Вследствие этого вихревые токи (и соответствующая мощность магнитных потерь) в ферритах очень малы и они применяются в качестве маг-

нитного материала при частотах до сотен мегагерц, тогда как металлические магнитные материалы применяются при частотах до нескольких десятков мега-

герц.

23

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость ферримагнети-

ков ниже, чем у ферромагнетиков, достигают значений нескольких десятков тысяч.

Диа-, пара- и антиферромагнетики объединяются в группу слабомагнит-

ных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных (см.

рис. 1.1).

1.5. Стойкость материалов к различным воздействиям

Весьма важной является способность материала сохранять свои функцио-

нальные свойства при воздействии разных факторов внешней среды.

Среди тепловых свойств материалов отметим теплопроводность, тепло-

емкость, нагревостойкость, холодостойкость, термостабильность, стойкость к термоударам [1-3]. Как правило, материалы, имеющие высокую теплопровод-

ность и прочность (металлы), обладают и высокой стойкостью к термоударам.

Среди неметаллов этими свойствами обладают кварцевое стекло, стекло марки

“Сиал” и бериллиевая керамика – брокерит, имеющая очень высокую тепло-

проводность [1].

Влажностные свойства материалов характеризуются гигроскопично-

стью, т.е. способностью сорбировать влагу из окружающей среды, и влагопро-

ницаемостью, т.е. способностью пропускать влагу. Гидрофильность – это спо-

собность материала смачиваться водой. Гидрофобность – неспособность мате-

риала смачиваться водой. Гидрофобные материалы (многие металлы, некото-

рые полимеры) называют также водоотталкивающими.

Растворимость материалов оценивается их стойкостью к действию раз-

личных жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются. Растворимость определяется количеством материала, переходящим в раствор за единицу вре-

мени с единицы поверхности материала, или по концентрации насыщенного раствора [2].

24

Светостойкость проявляется в отсутствии изменения функциональных свойств материала под действием световых и особенно ультрафиолетовых лу-

чей, которые вызывают различные химические реакции и старение ряда орга-

нических материалов (резина, капрон). Под действием светового облучения не-

которые материалы теряют механическую прочность и эластичность, в резуль-

тате чего в них появляются трещины [2].

Радиационная стойкость характеризует способность материала функци-

онировать, не теряя основных свойств в условиях облучения или после радиа-

ционного воздействия. Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма), электроны высоких энергий, тяжелые заряженные частицы (протоны,

альфа-частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая различного рода радиационные дефекты, приводящие к изменению свойств материалов. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, по-

падающих на единицу площади вещества и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристики, например нейтрон/м2.

Полупроводниковые материалы и приборы заметно повреждаются реак-

торным излучением дозой в 1018 нейтрон/м2. Многие диэлектрики обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдерживая дозы до 1022 нейтрон/м2.

В ряде случаев радиационное воздействие на материалы вызывает полез-

ные изменения структуры, придает им новые свойства (радиационная сшивка полимеров, ионное легирование полупроводников и др.).

2.СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

2.1.Классификация диэлектриков

Кдиэлектрикам относится чрезвычайно широкий круг материалов как ор-

ганического (синтетические смолы, каучуки, волокнистые материалы), так и неорганического (стекла, керамика) происхождения. Синтетическими называют

25

материалы, полученные с помощью синтеза – реакции полимеризации из ве-

ществ-мономеров. Эти материалы носят также названия: полимеры, пластиче-

ские массы, синтетические смолы. К искусственным относятся материалы, по-

лученные химической переработкой сырья природного происхождения (целло-

фан, бумага, вискоза, ацетат). Существует также множество композиционных материалов самого разнообразного состава, включающие в себя как синтетиче-

ские, так и искусственные компоненты (целлулоид, слоистые пластики, фено-

пласты, аминопласты).

Выделим ряд основных групп диэлектрических материалов: синтетиче-

ские смолы (пластмассы, полимеры); эластомеры; волокнистые материалы;

слоистые пластики; стекла; керамика.

В настоящее время из диэлектрических материалов выполняются много-

численные изделия технического и бытового назначения. Рассмотрим основные физические свойства диэлектрических материалов, определяющие их примене-

ние.

2.2. Электропроводность диэлектриков

Основными свойствами, определяющими применение диэлектриков в электро- и радиотехнической аппаратуре, являются их изолирующие качества, а

также способность создавать электрическую емкость за счет существования внутреннего электрического поля, то есть поляризации.

Для выполнения функции электрической изоляции диалектические мате-

риалы должны препятствовать прохождению электрического тока путями, не-

желательными для работы прибора. С этой точки зрения основной характери-

стикой диэлектриков является величина удельной электропроводности или удельного сопротивления.

Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является то,

что ввиду их большого удельного сопротивления ток через объем диэлектрика сравним с током по поверхности (рис. 2.1), поэтому общий ток изоляции

26

K

абс

Рис. 2.1. Виды электрического тока в образце диэлектрика

При характеристике диэлектрика различают объемную и поверхностную

удельные электропроводности ( v и s). Величины, обратные электропроводно-

сти, – удельные объемное и поверхностное сопротивления ( v и s).

Удельным объемным сопротивлением ( v) называют сопротивление куба диэлектрика с ребром, равным единице длины, если ток протекает через две противоположные грани. Значение v большинства диэлектриков находится в пределах 106 - 1016 Ом м.

Удельным поверхностным сопротивлением ( s) называют сопротивление квадрата поверхности диэлектрика с любой стороной, если ток протекает через две противоположные стороны. Значение удельного поверхностного сопротив-

ления, как правило, на порядок выше объемного, т.е. 107 - 1017 Ом, но оно в сильной степени зависит от величины и состояния поверхности (наличия влаги,

проводящих веществ) и не является характеристикой материала.

Сопротивление изоляции диэлектрика определяется как результирующее двух сопротивлений (Rv и RS), включенных параллельно:

27

откуда можно определить v.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков яв-

ляется постепенное спадание тока со временем (рис. 2.2), после включения по-

стоянного напряжения (замыкания контакта К на рис. 2.1). С течением времени ток достигает некоторой постоянной величины, называемой током сквозной проводимости (Iскв), величина которого определяется наличием в диэлектрике свободных носителей заряда. Спадающая часть тока называется током абсорб-

ции (Iабс) (рис. 2.1 и 2.2), обусловленным наличием в диэлектрике замедленных видов поляризации.

Рис. 2.2. Зависимость тока в диэлектрике от времени

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо ис-

ключить. Для этого образец выдерживают под напряжением некоторое время, в

течение которого завершаются процессы поляризации (обычно одну минуту).

Объемное сопротивление в этом случае определяется по формуле

28

электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной

зоны Е в диэлектриках велика и лишь ничтожное количество электронов мо-

жет отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки (особенно примесные) и под действием тепловой энергии становятся свободными. Например, в кристалле

NaCl E = 6 эВ, и несмотря на то, что иона < электрона, ионная > элек-

тронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов.

Удельная электропроводность твердых диэлектриков увеличивается с ро-

где W0 – энергия активации ионной проводимости.

Однако эта зависимость определяется не температурной зависимостью концентрации носителей, а ростом подвижности. Это связано с тем, что дрей-

фовая подвижность ионов мала и их движение осуществляется путем перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным барьером высотой W0, со-

ответствующим энергии активации ионов (так называемая прыжковая прово-

димость).

В качестве ловушек для ионов могут выступать различные дефекты структуры, например вакансии, характеризующиеся незавершенными химиче-

скими связями вследствие отсутствия атома на “положенном” месте в структу-

ре. Вероятность таких перескоков под действием тепловой энергии прямо про-

порциональна exp(W0/kT) (рис. 2.3).

В широком диапазоне температур зависимость ln= f(1/T) состоит из двух прямолинейных участков (рис. 2.4) с различными углами наклона к оси

абсцисс. При температуре выше точки перегиба А электропроводность опреде-

29

ляется в основном собственными ионами (собственная электропроводность).

Ниже перегиба, в низкотемпературной области, зависимость более пологая и определяется наличием в диэлектрике ионов примеси (примесная электропро-

водность). По углам наклона участков прямых зависимости ln = f(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Рис. 2.3. Модель ионной проводимости твердых диэлектриков: а – без внешнего поля; б – понижение потенциального барьера W0 на величину q x при наложе-

нии электрического поля напряженностью (W1 – глубина междоузельной потенциальной ямы)

.

ln

A

1/T

Рис. 2.4. Температурная зависимость электропроводности диэлектриков

30