ref-15470 (739708), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В вакуумных печах получают медь, содержащую 99.99% меди. Эта медь имеет электропроводность примерно равную электропроводности Ag. Из специальной меди изготавливают детали магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и генераторов; ее используют для изготовления фольгированного гетинакса, в микроэлектронике в виде осажденных на подложке пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Алюминий почти в 3.5 раза легче меди. Марка А97 (0.03% примесей) используется для изготовления алюминиевой фольги и электродов. А999 (0.001% примесей). Оксидная пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое сопротивление в местах спайки, что затрудняет пайку обычными методами. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной изоляции, но при большой толщине Al₂O₃ уменьшается гибкость, и увеличивается гигроскопичность.

(3) Тугоплавкие металлы

Температура плавления более 1700°С. Основными тугоплавкими металлами являются металлы, стоящие в середине периода, у которых наряду с металлическими связями есть еще и ковалентные

W

(n-1)d^Sns¹

Cr

Mo

Один электрон участвует в металлической связи, т.е. делокализован, обобществлен всем кристаллом, а остальные d электроны принимают участие в ковалентной связи. Ковалентная связь прочна. Кристаллическая решетка имеет высокую энергию связи, и требуются высокие температуры, чтобы эту связь разрушить. Для этих металлов характерна высокая твердость, но в то же время они обладают низкой пластичностью. К металлам с высокой температурой плавления относятся W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Re, Zr; температура плавления [1700;3500]°C. W самый тугоплавкий. Имеет высокую механическую прочность. Используется в качестве нитей в лампах, электронных лампах, в рентгеновских трубках, используется при глубоком вакууме. Недостатки: трудная обрабатываемость и образование оксидных пленок.

(4) Благородные металлы

Не взаимодействуют (почти) с окружающей средой в связи со своей химической стойкостью

Au 99.998%

Ag 99.9999%

Pt 99.9998%

Pd 99.94%

Au – является контактным материалом для коррозионно стойких покрытий

Ag с высокой проводимостью используется в качестве высоких контактов в качестве электродов, производстве конденсаторов

Pt – для изготовления термопар, чувствительных приборов

Pd – заменитель платины (дешевле в 4-5 раз)

(5) Металлы со средним значением температуры плавления.

Fe, Ni, Co

(6) Металлы с невысокими температурами плавления.

Стоят они в нижней части периодической системы: имеют большой радиус, и, как правило, у них нет свободных (не спаренных) d-электронов, и для них характерна металлическая связь. Pb, Sn, Ga, In, Hg. Hg применяется в качестве жидких катодов.

1.8 Сплавы

Одним из важнейших свойств металлов является образование сплавов. Расплавленные металлы растворяются друг в друге, образуя при отвердевании твердые смеси – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза или комплекс фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения металлических свойств: электро- и теплопроводность. В металлических сплавах сохраняются связи, т.е. и наличие свободных электронов. Если образуются ковалентные связи, то образуются интерметаллические неорганические соединения.

Все металлы по величине диаметра атомов делятся на:

1. при диаметре 2.2-3Å металлы образуют между собой непрерывные твердые растворы. (Mn, Fe, Ni)

2. при диаметре >3Å – не смешиваются с металлами середины длинных периодов. (K, Ca, Si)

3. при диаметре <2Å (не металлы) – образуют ограниченные твердые растворы или фазы внедрения. (Ti, V, Cr)

3-х компонентные системы представляют собой треугольник Гиббса, вершины которого – чистые вещества А, В, С. Соответствующие свойства – в области, перпендикулярной к треугольнику.

Существуют 3-7 компонентные сплавы

Сплавы высокой проводимости.

1) Бронзы – сплавы на основе Cu. Помимо чистой Cu применяют сплавы, содержащие небольшое количество олова (Sn), кремния (Si), фосфора (P), бериллия (Be), хрома (Cr), магния (Mg), кадмия (Cd). При этом ρ увеличивается, зато сплавы обладают более высокими механическими свойствами. Предел при растяжении = 8350 Па. Особенно удачен Cd. При малом уменьшении σ, приводит к значительному увеличению прочности. Еще больше прочности у бериллиевой бронзы.

Латуни – повышенное значение относительного удлинения при увеличении предела прочности. Это обеспечивает технологические преимущества (изготовление токопровдящих деталей).

2) Сплавы алюминия.

Альдрей – содержит 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si, 0.2-0.3% Fe; сохраняет лёгкость алюминия, близок ему по сопротивлению, приближен по механической прочности к твердотянутой меди.

Сплавы для электровакуумных приборов.

На основе металлов со средней температурой плавления (Fe,Ni) созданы сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях, т.к. они обладают α_L – коэффициент линейного температурного расширения, позволяют получать сокращенные металлические конструкции и спаи со стеклом.

Инвар (Н36) – сплав Fe и 36% Ni

α_L = 1*10^-6 К^-1 при Т = (-100)-100°С.

Ковар – Fe + 29% Ni + 17% Сo

α_L = 4.8*10^-6 К^-1

ρ = 0.5 ρ инвара.

Инвар и ковар применяют для герметизации изделий путём сварки со стеклом, для изготовления конденсаторов с переменной ёмкостью.

Платинид (Н47) – Fe и 47% Ni

α_L≈ α_L Pt и стекол.

Используется как вводы в стеклянные баллоны

Припои – сплавы для пайки.

Температура плавления припоя < температуры плавления соединения.

На границе металл – припой: припой смачивает металл, растекается и заполняет зазоры, при этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, следовательно образуется промежуточная прослойка. Припои делят на мягкие и твердые: мягкие - температура плавления 300°С. Механическая прочность мягких припоев 16-100 МПа, у твердых 100-500 МПа. Мягкие припои – оловянно-свинцовые, твердые – Cu, Zn, Ag с добавлением вспомогательных материалов.

Вспомогательные материалы (флюсы):

1. растворять и удалять оксиды из спаиваемых металлов.

2. защищать в процессе пайки поверхность от окисления.

3. уменьшать поверхностные натяжения

4. уменьшать растекаемость и смачиваемость припоя

По оказываемому действию:

1. активные (кислотные: HCl, ZnCl₂, хлористые и фтористые металлы) – интенсивно растворяют оксидную пленку, но после пайки вызывают коррозию, следовательно, нужна тщательная промывка. При монтажной пайке применение активных флюсов запрещено.

2. Бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на ее основе с добавлением спирта и глицерина.

3. Активированные – канифоль + активаторы (солянокислый диметиламин) – пайка без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.

4. Антикоррозийные флюсы на основе H₂PO₃ с добавлением контактол

Контактолы:

1. Ag, Ni, Pd, в порошкообразном виде используют в качестве проводящей фазы в пасте.

2. Высокомолекулярные вещества. Применяются для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов, экранирования от помех…

Керметы

Металлоэлектрические композиции с неорганическими связующими для резисторов, волноводных нагрузок с повышенным значением ρ.

Сплавы высокого сопротивления

Для электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов, электронагревательных приборов.

Среди большого количества сплавов наиболее распространены сплавы на медной основе: манганин и константан. Хромоникелевые и железо-хромо-алюминивые сплавы.

Манганин: Mg – 12%, Ni – 2%, Cu – 86%

Константан: Cu – 60%

max ρ и min α_ρ ≈ 0 или < 0. При нагреве образуется пленка оксида – оксидная изоляция. Константан в паре с Fe или Cu дает термо-ЭДС.

Хромоникелевые сплавы – изготовление нагревательных элементов, резисторов.

Fe-Cr-Ni (фехроль, хромель) – дешевые сплавы для мощных нагревательных устройств. Недостаток – хрупкость и твердость.

Резистивные сплавы: РС 37-10 – Cr 37%, Fe 10%, Ni 53%. РС 37-01 - Cr 37%, Fe 1%, Ni 69%.

Сплавы для термопар:

1. капель – 56% Cu, 44% Ni

2. олимель – 95% Ni, 5% Al, Si, Mg

3. хромель – 90% Ni, 10% Cr

4. платинородий – 90% Pt, 10% Rd

Наибольшую термо-ЭДС имеют 1) и 2).

Глава 2

Не металлические материалы (полупроводники, диэлектрики и т.д.)

2.1 Атомная (ковалентная) кристаллическая решетка

В узлах решетки находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом ковалентной связью (общей электронной парой), т.е. перекрывание электронных облаков. Ковалентная связь обладает насыщаемостью и направленностью и поэтому координационное число определяется именно этими факторами. Наиболее типична ковалентная связь для алмаза, кремния и карбида кремния

Si … 3s²3p²

Si* … 3s¹3p² – возбужденное состояние => Sp³ гибридизация => выравнивание электронных орбиталей.

Плотноупакованные тетраэдры ( кубическая сингония) к = 4 – координационное число

Ковалентная связь является прочной => ковалентные кристаллы обладают высокой температурой плавления (3500°С – алмаз, 1400°С – Si), высокой твердостью, но отсутствием пластичности => хрупкость. Между частицами (атомами) имеется определенная электрическая плотность, т.к. электроны между атомами обобществлены => есть предпосылки для проводимости, но электронная пара локализована между атомами, поэтому эти электроны не могут участвовать в проводимости. Для того чтобы они были носителями тока, нужно их делокализовать, т.е. разорвать химические связи, поэтому при низких температурах эти кристаллы являются диэлектриками. При нагревании возможна делокализация, и тогда такие кристаллы могут обладать проводимостью, т.е. быть полупроводниками.

С точки зрения зонной теории, в результате расщепления валентных энергетических уровней образуется валентная зона. Все электроны В.З. участвуют в химической связи (Sp³ гибридизация), электронные уровни возбужденного состояния образуют зону проводимости (4S), которая при низких температурах практически пуста. Между этими зонами имеется энергетический барьер, который называется запрещенной зоной (ЗЗ), и если этот барьер велик (ΔЕ >5эВ), т.е. прочные ковалентные связи, то такие твердые тела будут обладать диэлектрическими свойствами (алмаз). Если ΔЕ = 0.1-4 эВ, который отнасительно легко преодолеть, тотакие твердые тела будут обладать полупроводниковыми свойствами (Si, Ge), т.е. менее прочная ковалентная связь.

2.2 Ионная кристаллическая решетка

В узлах решетки находятся положительные и отрицательные ионы, связанные друг с другом кулоновским взаимодействием. Ионная связь не направлена и не насыщаема, поэтому количество партнеров (координационное число) не зависит от свойств атомных орбиталей, а определяется относительными размерами положительно и отрицательно заряженных ионов. В кристаллических решетках NaCl координационное число = 6, SeF = 8, ZnS = 4. Структура Cl – ОЦК образуется, если отношение радиусов аниона и катиона = 1 – 1.37. Структура NaCl – ГЦК решетка, отношение радиусов = 1.37 – 2.44. Структура ZnS – тетраэдрическая, отношение радиусов = 2.44 – 4.44. Кулоновское взаимодействие обладает высокой энергией => все ионные кристаллы имеют высокую температуру плавления. Ионные кристаллы растворяются в полярных растворителях (H₂O), и растворимость зависит от энергии кристаллической решетки, т.е. зарядов аниона и катиона. По своим электрическим свойствам ионные кристаллы должны обладать диэлектрическими свойствами. Чистая ионная связь встречается крайне редко, за чисто ионную связь принимают , в остальных случаях – доли ионной связи. Всякое отступление от чисто ионной связи приводит к появлению носителей тока => к полупроводниковым свойствам. Расплавленные (растворенные) ионные кристаллы являются электролитами => проводниками электрического тока 2-го рода, при этом носителями тока являются ионы.

2.3 Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах решетки находятся нейтральные молекулы, связанные друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия. Эти силы, в зависимости от состава и строения молекулы, делятся на:

1) Ориентационное взаимодействие – между полярными молекулами, когда они ориентируются относительно друг друга

U_op = (-2μ⁴)/(3r⁶kT), μ – дипольный момент.

2) Индукционное взаимодействие – между полярной и неполярной молекулами => возникновение индуцированного дипольного момента => деформация молекулы:

U_инд = (-2αμ²)/(r⁶)

3) Дисперсионное взаимодействие – возникает между неполярными молекулами за счет возникновения мгновенных дипольных моментов в результате движения электронов внутри молекулы.

U_дис = (-3α²hν₀)/(4r⁶); hν₀ – энергия колебания атомов.

2.4 Ван-дер-ваальсовое взаимодействие.

W_BB = αw_op + βw_инд + γw_дис

α+β+γ=100%

Ar (аргон) – 100% w_дис

Дисперсионные силы – это физическое взаимодействие, энергия которого очень мала – в сотни раз слабее, чем химическая связь, поэтому вещества, имеющие молекулярную решетку с участием ван-дер-ваальсовых сил, отличаются очень низкими механико-техническими характеристиками и очень низкими температурами плавления (возгоняются при комнатной температуре). Неорганические соединения в обычных условиях не образуют молекулярную решетку => твердых тел с такой решеткой практически не существует (исключение I₂). В основном органические вещества, поэтому они имеют довольно низкие температуры плавления и очень непрочные кристаллические решетки. В органических веществах кроме ван-дер-ваальсовых сил значительное влияние оказывает так называемая водородная связь – связь между молекулами, содержащими H, связанный с очень электроотрицательными элементами внутри молекулы. Водород стремится внедриться в оболочку соседней молекулы, создавая полимеры за счет водородной молекулы (HF)_n.

Кислород в значительной мере стягивает электронную оболочку водорода (H₂O)_­n­. Молекулы H₂O полимерны (ди- три- меры) => аномально поведение воду относительно температуры кипения.

Водородная связь в кристаллических решетках полимеров проявляет себя настолько сильно, что механическая прочность и температура плавления определяется прочностью водородной связи и при механических нагрузках или нагревании происходит разрыв неводородной связи (в 10 раз прочнее чем ван-дер-ваальсовое взаимодействие, и слабее, чем ковалентная связь). С точки зрения электрических свойств, электронная плотность между молекулами практически отсутствует => молекулярные кристаллы – диэлектрики. Однако диэлектрические свойства выражены по-разному – быть либо высоко- либо низкочастотными, в зависимости от состава и структуры молекулы. Есть небольшая группа полупроводниковых соединений – это полимеры с сопряженными связями.

2.5 Введение в химию полупроводников

П/п. в системе Д.И.Менделеева (элементарные/простые полупроводники)

С увеличением радиуса атома ширина запрещенной зоны уменьшается, т.к. ослабляются химические связи. В элементарных п/п характер химической связи, в основном, ковалентный. Электронная пара локализована между атомами и при температуре абсолютного нуля все эти простые полупроводники являются диэлектриками.

Кристаллическая решетка алмазоподобных полупроводников представляет собой плотно упакованные тетраэдры (вытекает из структуры атомов). Участие в связи принимают и гибридные орбитали, направленные к вершине. Вся валентная зона заполнена. Зона проводимости (4S) – эта зона еще более возбужденного состояния – практически пустая.

Характеристики

Список файлов реферата