15

Лекция 1,2

КЛАССИФИКАЦИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ.

Электротехническими являются специальные материалы, из кото­рых изготавливают электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок. Наука, которая зани­мается изучением свойств материалов, называется материаловедением и насчитывает тысячелетия. Следует отметить, что научно-технический прогресс в технике, в том числе в электротехнике и приборостроении, связан, прежде всего, с разработкой и использованием новых более совер­шенных материалов. Особенно это справедливо для радиоэлектроники и микроэлектроники, являющихся в настоящее время наиболее быстро развивающимися областями техники.

Надежность, чувствительность, избирательность , быстродействие, диапазон допустимых при эксплуатации температур, стойкость к ударам, вибрациям, ионизирующим излучениям и другие важнейшие параметры радиотехнических и радиоэлектронных устройств в конечном счете опре­деляются не столько конструкцией или электрической схемой изделия, сколько используемыми и нем материалами.

Качественный скачек в развитии радиоэлектроники и микро-электроники возможен лишь за счет новых материалов или новых (физи­ческих принципов использования известных материалов. Так, внедрение в 50х годах ферритов позволило создать первые переносные радиоприем­ники и электронные вычислительные машины - ЭВМ с большим объемом памяти.

Подлинная революция в радиоэлектронике произошла с внедрени­ем полупроводников. Семидесятые годы характеризуются широким использованием сверхпроводников и активных диэлектриков. Большой интерес предоставляют материалы, создаваемые на основе веществ, обла­дающих фотоэлектрическим. термоэлектрическим, парамагнитным и диамагнитным эффектами.

Создание новых материалов, обладающих специальными физико-механическими и химическими свойствами, требует разработки новых

прогрессивных технологий их обработки, обеспечивающих не только высокие технико-экономические показатели, но и сохранение их спе­циальных свойств. Поэтому в курсе будут рассматриваться вопросы физической сущности явлений в электротехнических материалах при их взаимодействии с электромагнитным полем; параметров, характеризующих свойства материалов. закономерностей, определяющих зависи­мость этих параметров от различных факторов. Будут разобраны от­дельные вопросы технологии производства конкретных видов элект­ротехнических материалов и технологические вопросы изготовления деталей из этих материалов(вопросы их обработки),т.к. технология и производство являются конечными стадиями создания приборов и машин из рассматриваемых материалов, обеспечивающими придание им определенных свойств и технических возможностей.

Материалы, используемые в различных отраслях электротехни­ки можно разделить на конструкционные и электротехнические.

Из конструкционных материалов изготавливают основные кор­пусные детали электрических машин и вспомогательные детали и элементы приборов, выполняющих, в основном, роль восприятия механи­ческих нагрузок. К ним можно отнести: корпусы, шасси, элементы уп­равления и т.п.

Электротехнические материалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, электродвигателей и генераторов, магнитов, волно­водов, антенн, изоляторов, а также таких радиоэлементов как дио­ды, транзисторы, электронные лампы, резисторы, конденсаторы и других.

В различных случаях при работе машин и приборов на электро­технические материалы воздействуют электрические и магнитные по­ля, отдельно, так и в совокупности. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на три класса: проводнико­вые, полупроводниковые и диэлектрические, а по поведению в магнит­ном поле - на магнитные и немагнитные.

Для рационального выбора электротехнических материалов при создании электрооборудования и приборов необходимо знать свойс­тва материалов и их изменение под воздействием электрического напряжения, механических нагрузок, температуры и других факторов. Величины, с помощью которых оценивают те или иные свойства мате­риалов называют характеристиками (параметрами). Чтобы полностью оценить свойства того или иного электротехнического материа­ла, необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики. У магнитных материалов необхо­димо знать и магнитные характеристики, оценивающие их магнитные свойства.

Все металлы и металлические сплавы имеют кристаллическую структуру, т.е. атомы (ионы) вещества расположены закономерно, в отличие от аморфных веществ, в которых атомы расположены хаотично. Металлы представляют собой поликристаллические тела, составленные из большого числа мелких (10^-1... 10^-5 см), различно ориентирован­ных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются зернами.

Металлы в твердом и, отчасти, в жидком состоянии обладают ря­дом характерных свойств:

- высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;

- положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления (с повышением температуры электрическое сопротив­ление чистых металлов возрастает).большое число металлов (~30%)обладает сверхпроводимостью;

-термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;

- хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском.

Наличие этих свойств и характеризует так называемое металли­ческое состояние вещества.

Чистые металлы (понятие условное, т.к. под этим понимают ме­талл с чистотой 99,99...99,999%) в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. На­иболее широко используются сплавы. Сплавы получаются сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Хими­ческие элементы, образующие сплав, называются компонентами. Сплав может состоять из двух или более компонентов.

Атомарно- кристаллическая структура металлов.

Под атомарно-кристаллической структурой е материаловедении понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.

В твердом состоянии металл представляет собой постройку, состоя-щую из положительно заряженных ионов, омываемых "газом" из свобод-ных коллективизированных электронов. Связъ в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизиро­ванными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такая связь называется металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и притяжения. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого (а_о), при котором энергия взаимодействия минимальна, а положения остаются фиксированными, в виде решетки.

Сближение атомов (ионов) на расстояние, меньшее а_о, или уда­ление их на расстояние, большее а_о, осуществимо лишь при соверше­нии определенной работы против сил отталкивания иди притяжения.

Поэтому атомы в металле располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Большинство металлов образует одну из следующих высокосим-метричных решеток с плотной упаковкой атомов:

- кубическую объемно центрированную (ОЦК);

- кубическую гранецентрированную (ГЦК):

гексагональную (ГПУ-гексагональная плотная упаков­ка; (рис.1).

Рис.1.Кристаллические решетки металлов:

а - ОЦК; б - ГЦК; в - ГПУ.

Кубическую объемно-центрированную решетку имеют Pb, K, Na, Li, Ti_, Ta, V, W, Fe_, Cr и др.

Кубическую гранецентрированную решетку имеют Ag, Au, Pt, Cu, Co_, Ca_, Fe_ и др.

В гексагональной решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома - в средней плоскости призмы. Такую упаковку имеют Mg, Ti_, Cd, Re, Zn, Co_ и др.

Расстояния "а","в","с" между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называют периодом решетки. Период решетки из­меряют в нанометрах (1 нм = 10^-9 см) и для большинства металлов он находится в пределах 0,1 ... 0,7 нм.

Xapaктep кристаллической решетки определяется периодами ре­шетки и углами  между осями решетки.

Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур (Fe,Ti,Co и др.) называется полиформизмом.

Различные структурные модификации одного и того же металла называют еще аллотропическими модификациями, а такие превращения под воздействием температуры или давления называют аллотропичес­кими превращениями.

Полиформизм распространен среди многих металлов и имеет важное значение для техники, так как оказывает влияние на поведе­ние металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время тер­мической обработки к при .эксплуатации деталей в машинах.

Полиморфные модификации, происходящие при самых низких тем­пературах, обозначаются символом " ".при более высоких – символом "", при еще более высоких - символом " " и т.д.

Полиморфизмом обладают железо (Fe_ ><F⁰_) .кобальт (Со_ ><Со_) титан (Ti_ >< Ti_ ), олово (Sn_ ><Sn_ ) и др.

Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества .В результа­те полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение также называют перекристаллизацией

Рис.2.Кривая охлаждения металла, имеющего две полиморфные формы:  - с решеткой ГЦК и  - с решеткой ГПУ.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изме­нением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплопроводности, электрической проводимости механических и химических свойств.