- •Москва 2010 Оглавление
- •1. Введение.
- •2. Структура твёрдых тел.
- •2.1. Механизм кристаллизации.
- •2.2. Термодинамика кристаллизации.
- •2.3. Правило фаз Гиббса, фазовые диаграммы.
- •2.4. Процессы структурообразования.
- •2.5. Надмолекулярная структура полимеров.
- •3. Основные свойства материалов.
- •3.1. Механические свойства материалов.
- •3.1.1. Особенности структуры и свойств полимерных материалов.
- •3.2. Теплофизические свойства материалов.
- •3.2.1. Теплоёмкость.
- •3.2.2. Теплопроводность.
- •3.2.3. Температуропроводность
- •3.2.4. Тепловое расширение.
- •3.2.5.Температуры фазовых переходов.
- •3.3. Электрические свойства.
- •3.3.1. Проводники, полупроводники и диэлектрики.
- •3.3.2. Основные электрические характеристики материалов.
- •Эта величина носит название температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
- •3.4. Магнитные свойства материалов.
- •4. Металлические материалы.
- •4.1. Сплавы железо – углерод
- •4.2. Легированные стали.
- •4.3. Термическая и химико-термическая обработка металлов.
- •4.3. Металлические проводниковые материалы.
- •4.3.1. Материалы высокой проводимости.
- •4.3.2. Материалы высокого удельного сопротивления.
- •Металлические материалы для приборов измерения температуры, основанных на тепловом расширении веществ.
- •4.4. Сверхпроводники и криопроводники.
- •4.5. Металлические магнитные материалы.
- •5. Диэлектрические материалы.
- •5.1. Стёкла, ситаллы.
- •5.2. Ситаллы.
- •5.3. Техническая керамика.
- •6.1. Традиционная электротехническая керамика.
- •6.2. Оксидная керамика
- •6.2.1. Керамика на основе ВеО (брокерит, броммелитовая керамика).
- •6.2.2. Керамика на основе МgО (периклазовая керамика).
- •6.2.3. Керамика из оксида алюминия – корундовая керамика.
- •6.2.4. Кварцевая керамика.
- •6.2.5. Керамика из диоксида циркония ZrO2
- •6.2.6. Керамика из оксида иттрия y2o3.
- •6.3. Керамика из бескислородных соединений.
- •6.3.1. Карбиды и карбидная керамика
- •6.3.1.1. Керамика на основе карбида кремния.
- •6.3.1.2. Карбид бора в4с.
- •6.3.1.3. Керамика на основе карбидов d – элементов.
- •6.3.2. Нитридная керамика.
- •6.3.2.2. Нитрид алюминия.
- •6.3.2.3. Керамика на основе нитрида кремния Si3n4
- •6.3.3. Боридная керамика.
- •6.3.4. Силицидная керамика.
- •6.4. Конденсаторная керамика - на основе диоксида титана, титанатов, цирконатов и других соединений с подобными свойствами.
- •6.5. Магнитная керамика
- •7. Полимерные материалы
- •7.1. Термопластичные полимеры.
- •7.1.1. Полиэтилен (пэ).
- •7.1.3. Полистирол (пс)
- •7.1.4. Полиметилметакрилат (пмма).
- •7.1.5. Поливинилхлорид (пвх).
- •7.1.6. Фторопласты.
- •7.1.9. Полиуретаны (пу).
- •7.1.10. Полиимиды (пи).
- •7.1.11. Эфиры целлюлозы (этролы, целлулоид).
- •7.2. Термореактивные полимеры – реактопласты.
- •7.2.1 Фенопласты.
- •7.2.2. Аминопласты (карбамидные пластики).
- •7.2.3. Эпоксидные смолы.
- •7.2.4. Ненасыщенные полиэфирные смолы (пн).
- •7.2.5. Эластомеры (каучуки и резины).
- •7.3. Герметики
- •7.3.1. Вулканизирующиеся, отверждаемые герметики (ог).
- •7.3.2. Высыхающие герметики (вг).
- •7.4. Тепло- и термостойкие полимеры.
- •7.4.1. Карбоциклические полимеры и связующие.
- •7.4.2. Гетероциклические полимеры и связующие.
- •7.5. Полимерные композиционные материалы (пкм).
- •7.6. Полимеры со специфическими свойствами
- •7.6.1. Полимеры со специфическими электрическими свойствами
- •7.6.1.1. Антистатические полимерные материалы.
- •7.6.1.2. Полимерные электреты.
- •7.6.1.3. Полимерные полупроводники и проводники.
- •7.6.2. Флуоресцирующие полимеры.
- •7.6.3. Оптические полимеры.
- •7.6.4. Светочувствительные полимерные материалы.
- •7.6.5. Ионнообменные полимеры.
- •7.6.6. Биодеструктируемые полимеры.
- •7.6.7. Полимерные материалы триботехнического назначения.
- •8. Углеродные материалы и композиции.
- •8.1. Углеродные волокна (ув).
- •8.2. Углепластики (уп).
- •8.3. Композиционные материалы на основе ув и углеродной матрицы
- •9. Полупроводниковые материалы.
- •9.1. Элементарные полупроводники.
- •9.2. Полупроводниковые соединения.
- •10. Технология конструкционных материалов.
- •10.1. Технология металлических материалов.
- •10.1.1. Характеристика литейного произвдства.
- •10.1.2. Обработка металлов давлением (омд).
- •10.1.2.1. Виды обработки металлов давлением.
- •10.1.3. Сварка и пайка металлов и сплавов.
- •10.2. Переработка полимерных материалов
- •10.3. Технология стеклянных материалов.
- •10.3.1. Вытягивание.
- •10.3.2. Прокат.
- •10.3.3. Растекание (флоат – способ).
- •10.3.4. Выдувание.
- •10.3.5. Прессование.
- •10.3.6. Центробежное формование.
- •10.4. Технология керамических материалов.
- •10.4.1. Прессование на механических прессах.
- •10.4.2. Гидростатическое прессование.
- •10.4.3. Литьё в пористые формы.
- •10.4.4 Формование способом выдавливания (пластический способ).
4.3.1. Материалы высокой проводимости.
По величине проводимости проводники подразделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К материалам высокой проводимости относятся серебро Аg, медь Cu и её сплавы – бронзы и латуни, алюминий Аℓ, железо Fe и его сплавы, а также золото Аu, платина Рt, хром Сr и ряд других. Они используются для изготовления проводов и кабелей.
Самой высокой проводимостью обладает серебро: ρ = 0,016 мкОм.м, ТКρ = 3,6.10-3, Тпл = 960 оС, плотность 10500 кг/м3, до 200 оС устойчиво к окислению. Для предохранения от коррозии серебро покрывают лаком или другим металлом – палладием Рd. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мкм, использующейся при небольших токах. Предел прочности при растяжении σр ≈ 200 МПа, удлинение при разрыве ≈ 50%. Серебро по сравнению с медью и алюминием находит ограниченное применение: в сплавах с медью, никелем или кадмием – для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр – 10; ПСр – 25 и др., в виде пасты для непосредственного нанесения на диэлектрики.
Проводниковая медь. Электролитическая медь красновато-оранжевого цвета, чистотой 99,9 (марка М1) и температурой плавления Тпл = 1083 оС имеет ρ = 0,018 мкОм.м. Выпускают тонкие проволоки диаметром до 0,03 – 0,01мм, а также тонкие ленты. Медь достаточно устойчива к атмосферным воздействиям, но при температурах выше 800 оС происходит интенсивное окисление. В присутствии СО2 продуктом окисления является основной карбонат меди по составу близкий малахиту. Иногда для борьбы с коррозией медь покрывают серебром.
В зависимости от метода получения проволоки её свойства могут существенно отличаться. При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь (МТ), которая, благодаря влиянию наклёпа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малые относительное удлинение перед разрывом (0,5 – 2,5 %), твёрдость и упругость при изгибе. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твёрдость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но большое удлинение при разрыве (18 – 35 %) и более высокую удельную проводимость.
Медные электротехнические сплавы – это бронзы и латуни.
Бронзы обозначают буквами Бр, а латуни – буквой Л. Компоненты сплава обозначают так: А – алюминий, О – оово, Ц – цинк, Мц – марганец, Мг – магний, Ж – железо, Б – бериллий, Х – хром, Ф – фосфор, С – свинец.
Бронзы содержат небольшие количества олова Sn, кремния Si, фосфора P, бериллия Be, хрома Cr, магния Mg, кадмия Cd, алюминия А1 и др. Они обладают более высокой прочностью (800 -1350 МПа), но меньшей проводимостью, чем медь. Марки бронз обозначают буквами Бр., за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие добавки и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, Бр.ОФ6,5-0,15 содержит 6 – 7 % олова и 0,15 % фосфора.
Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твёрдость при незначительном снижении проводимости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Самую большую прочность имеет бериллиевая бронза (2 % Ве) - 1350 МПа, но проводимость по сравнению с медью уменьшается в 5 – 10 раз.
Из проводниковых бронз изготавливают провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.
Латуни – это медные сплавы, содержащие до 45 % цинка и малые количества Al, Fe, Mn, Si, Sn, Pb. Латуни, содержащие около 90 % меди, остальное цинк, называются томпак, от 79 до 86 % меди – полутомпак. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрой, указывающей %%-ное содержание меди, например, Л90. Если кроме цинка латунь содержит другие элементы, то в марке после буквы Л указывается буква, обозначающая добавленный элемент, а затем цифры, обозначающие содержание меди и дополнительного элемента, при этом содержание цинка не указывают. Например, латунь ЛС-59-1 содержит от 57 до 60 % меди, от 0,8 до 1,5 % свинца, а остальное – цинк. Все добавляемые к латуням элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий. Прочность латуней по сравнению с медью увеличивается приблизительно в 2 раза, а удельное сопротивление – приблизительно на 40 %.
Алюминий обладает достаточно высокой проводимостью (ρ = 0,028 мкОм.м) и стойкостью к коррозии, которая обеспечивается самопроизвольным образованием защитной оксидной плёнки Аℓ2О3 с большим электрическим сопротивлением. Плотность алюминия (2700 кг/м3) в 3,5 раза меньше, чем плотность меди, а ρ больше всего, в 1,63 раза, поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины использовать алюминий выгоднее, чем медь, - его требуется меньше. Удельное сопротивление алюминия резко возрастает в присутствии примесей Мg, Mn, Fe, прочность при растяжении – 90 – 170 МПа и удлинение при разрыве 0,5 – 25%.
Достоинство алюминия, заключающееся в наличии на поверхности защитного оксидного слоя, является и его недостатком, т.к. создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта, затрудняет пайку обычными методами. С другой стороны, этот слой оксида позволяет использовать алюминиевую проволоку без изолирующего лакового покрытия в слаботочных трансформаторах.
К недостаткам алюминия относится также и значительная термо-ЭДС в контакте с медью.
Алюминиевые сплавы подразделяются на 2 группы: литейные и деформируемые обработкой. Деформируемые подразделяются на 1) не упрочняемые термообработкой и
2) упрочняемые термообработкой.
Не упрочняемые термообработкой АМц содержат 1,0 - 1,6% Mn, АМг содержат 2,0 – 2,8 Mg, 0,2 – 0,4 Mn, АМг5 – 4,0 – 5,5 Mg 0,3 – 0,6 Mn. Структура – твёрдый раствор.
Упрочняемые – дюралюмины и авиаль. Содержат 3 – 6 компонентов. Дюралюмины – это сплавы Al - Cu – Mg + Mn. Марки Д1, Д16, Д18… Авиаль, например В95, содержат Zn (6%), Mg (2,3%), Cu (1,7%), Mn (0,4%), Cr (0,2%). Марки АК4, АК6, АК8, АК4-1.
Литейных алюминиевых сплавов много. Марки АЛ (алюминиевый литейный) АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 (силумины Al - Si), АЛ-3, АЛ-5, АЛ-6, АЛ-32 (Al-Si-Cu), АЛ-7, АЛ-19 (Al-Cu), АЛ-8, АЛ-13, АЛ-22 (Al-Mg), АЛ-1, АЛ-11, АЛ-24. Наиболее известны силумин и сплавы алюминия с медью. Типичный силумин – АЛ-2 содержит 10 – 13% кремния.
Железо (стали) имеют ρ ≈ 0,1 мкОм.м, но зато высокую прочность (σр = 1200 – 1500 МПа) и используется для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, биметаллической проволоки типа «ядро – оболочка» с медной оболочкой.
Для повышения электростабильности, коррозионной стойкости, снижения термо-ЭДС в радиоэлектронике и микроэлектронике в качестве материалов высокой проводимости используют также золото, платину, хром.