Металлические материалы высокой электропроводности. Требования и их общая характеристика.
Межатомное взаимодействие. Влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов.
Между двумя атомами действует сила притяжения. Она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Помимо силы притяжения, между атомами действует и сила взаимного отталкивания, которая обратно пропорциональна расстоянию в степени n, где n больше 2. Складывая силы притяжения и отталкивания, получаем результирующую силу взаимодействия двух атомов рис а). При расстоянии между атомами, равном rО силы притяжения и отталкивания взаимно компенсируют друг друга, результирующая сила взаимодействия равна нулю, и это расстояние является наиболее устойчивым.
Из рисунка видно, что при минимальной энергии потенциального взаимодействия расстояние между соседними ионами равно rО. Увеличение энергии системы двух атомов (например, за счет роста тепловой энергии) ведет к появлению возможности взаимного смещения атомов относительно друг друга, причем с ростом энергии системы амплитуда колебаний возрастает. Другой интересной особенностью влияния температуры на свойства материалов является термическое расширение. Изменение линейных размеров тела при нагреве описывается коэффициентом теплового расширения: *Т = (1/L)(dL/dT). Как видно из рис б), коэффициент теплового расширения снижается при увеличении глубины потенциальной ямы.
В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы, Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции.
|
|
|
Увеличение глубины потенциальной ямы ведет к росту напряжения течения при пластической деформации, увеличению модуля упругости, повышению температур плавления и испарения, к снижению коэффициента теплового расширения. Таким образом, зная одни свойства материала, можно прогнозировать другие свойства.
__________________________________
3. Типы химических связей между атомами. Влияние типа химической связи на свойства материалов.
Основными типами химической связи являются: ковалентная, ионная, металлическая и поляризационная связь (связь Ван-дер-Ваальса).
Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H2 ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами.
Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление.
|
|
|
Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.
Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.
|
|
|
Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ). Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна.
Поляризационная связь образуется при сближении молекул или атомов инертных газов.
7. Поверхностные дефекты кристаллических решеток и их влияние на свойства материалов.
К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.
Дефект упаковки. При движении обычной полной дислокации атомы последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки. Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций.
В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.
|
|
|
Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Ширина границ зерен, как правило, составляет 1,5-2 межатомных расстояния. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена. Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллических решеток соседних зерен. При малых углах (до 50) разориентации энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. При углах разориентировки, превышающих 50, плотность дислокаций на границах зерен становится настолько высокой, что ядра дислокаций сливаются.
При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается – специальные границы. Углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна - специальные углы. Измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.
9. Определение индексов Миллера плоскостей и направлений в кристаллах.
В методе индексов (метод Миллера) положение любой грани кристаллов в трехосной системе координат определяется тройкой целых, как правило, небольших, взаимно-простых чисел – индексов h, k, l, представляющих собой отношение обратных величин параметров. Тогда грань, параллельная плоскости XOY будет иметь индексы h:k:l=1/¥:1/¥:1/1=0:0:1. Индексы грани заключают в круглые скобки, не разделяя их друг от друга никакими знаками. Следовательно, рассмотренная выше грань имеет символ (001).
В кристаллографической практике метод индексов Миллера получил широкое распространение. Следует иметь в виду, что параллельные грани имеют один и тот же символ, соответствующий грани ближайшей к началу координат.
Благодаря высокой симметрии кубических кристаллов, их индицирование (определение индексов всех граней) осуществляется достаточно просто. Единичная грань кубического кристалла должна составлять с координатными осями равные углы и отсекать на них равные отрезки. Легко видеть, что такой гранью может быть выбрана грань октаэдра или тетраэдра, через которую проходит поворотная ось третьего порядка.
11. Влияние пластической деформации на свойства металлических материалов: механические, электрические, магнитные.
В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относит других. После снятия нагрузки исчезает только упругая составляющая деформации. Пластичность (способность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию) является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности возможна обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что снижает опасность разрушения. Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу Þ процесс пластической деформации представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относит другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.
Пластическая деформация способствует упрочнению металлов, уменьшению плотности, увеличению электрического сопротивления, уменьшению теплопроводности, снижению устойчивости против коррозии.
Металлические материалы высокой электропроводности. Требования и их общая характеристика.
К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; высокая механическая прочность; технологичность - то есть способность к сварке, пайке, высокая пластичность; высокая коррозионная стойкость; низкая стоимость.
Очевидно, что высокой электропроводностью будут обладать чистые непереходные металлы с ГЦК решеткой (Ag, Cu, Al, Au).
Высокой механической прочностью будут обладать металлы с низкой энергией дефекта упаковки или сплавы металлов. Однако в случае образования твердого раствора помимо роста прочности увеличивается и удельное электросопротивление. Поэтому для материалов высокой электропроводности используют лишь такое легирование, когда компоненты не растворяются друг в друге. Так, например, алюминий легируют магнием и кремнием, которые образуют интерметаллидное соединение, или легируют плохорастворяющимся в алюминии марганцем.
У всех металлов с ГЦК решеткой высокая пластичность, следовательно, из них легко получаются изделия методами обработки давлением. Поэтому проблема технологичности сводится в легкости пайки и сварки.
Серебро Наибольшую электропроводность из всех ме. имеет серебро. При комнатной t его ρ 0,0150 мкОм*м. Ag пластично – относ. удлинение при растяжении порядка 50%. Ag обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью. У Ag высокая плотность - 10,49 Мг/м3, в сочетании с плотноупакованной ГЦК решеткой свид-ет о малом радиусе иона. Поэтому Ag активно диффундирует в керамику, что позволяет создавать прочные покрытия керамики серебром (керамические конденсаторы).
К недостаткам Ag его стоимость, взаимодействие с S с образованием Ag2S. Образование сульфида Ag повышает электрическое сопротивление поверхностных слоев, недопустимо в высокочастотной технике. Но в определенных условиях кристаллы сульфида Ag растут в виде тонких усов и в ходе роста могут замыкать участки электрической цепи. Не рекомендуется применять Ag по соседству с эбонитом, резиной и другими материалами, содержащими S.
Медь обладает достаточно малым ρ (0,0168 мкОм*м), пластична и обладает высокой прочностью. Хотя Cu относится к той же подгруппе что и Ag и Au, но она более активна и образует соединения с О2, СО2, Н2О. Поэтому при пайке и сварке Cu приходится использовать флюсы – вещества, удаляющие с поверхности материала оксиды. Химические соединения меди нестойки и удаляются простейшим флюсом – раствором канифоли в спирте или ацетоне. Поэтому медь достаточно технологична.
Наибольшее распространение получила медь марок М1 (99,90% Cu) и М0 (99,95% Cu). Основной примесью в меди является кислород, присутствующий в виде закиси меди. В электровакуумной технике применяют безкислородную медь.
Алюминий
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 658; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!