I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ К Неметаллическим Материалам Относятся Разнообразные По Природе И Строению Ма...
К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло, бумага, дерево, слюда, керамика, пластмассы, композиционные материалы, резины, клеи, герметики, лаки и т.д.
Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех электрических устройствах, машинах и летательных аппаратах.
С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники – это вещества, в которых имеется большое количество свободных носителей заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого материала. Например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе. Из-за этого такие материалы имеют малое значение удельного электрического сопротивления. Так у металлов оно составляет величину r = 10–8 ¸10–6 Ом·м.
Диэлектрики – это вещества, в которых практически нет свободных носителей заряда, то есть нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться внутри диэлектрика. Вследствие чего у таких материалов удельное электрическое сопротивление очень велико r = 108 ¸1018 Ом·м
Полупроводникиимеют значение удельного электрического сопротивления промежуточное между проводниками и диэлектриками r = 10–5 ¸107 Ом·м. Их проводимость обусловлена перемещением некоторого количества подвижных носителей заряда (электронов, ионов и др.), возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагревом, облучением, наложением сильного электрического поля и т.д.).
Столь значительные различия в электрических свойствах материалов обусловлены различием в строении электронных энергетических зон (рис.1.). Нижние, заполненные электронами, разрешенные уровни энергии в кристалле называют валентной зоной. Верхние свободные энергетические уровни – зоной проводимости.
У диэлектриков зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков Eg > 3 э.в. (элекрон-вольт). Электроны не могут преодолеть столь значительный потенциальный барьер и поэтому не могут перемещаться в кристалле.
Диэлектрик Полупроводник Проводник
Рис. 1. Строение энергетических зон кристаллических твердых тел
У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая Eg » 1 э.в. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной зоны, электрон переходит в свободную зону проводимости и получает возможность перемещаться. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место – дырка. Таким образом, при возбуждении атома (за счет нагрева или облучения) в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка.
У проводников запрещенная зона отсутствует, т.е. валентная зона и зона проводимости сливаются друг с другом. В этом случае при малейшем нагреве в зоне проводимости всегда содержится огромное число электронов, что и объясняет хорошую проводимость металлов.
Строение и свойства проводников металлов уже рассматривались ранее. Теперь изучим диэлектрики.
1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ
Диэлектрическими называют материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому практически не проводящие электрический ток. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012– 1025раз выше, чем у проводников и характеризуется величинами r = 108 ¸1018 Ом·м. Энергия, необходимая для возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта.
По химической природе и строению диэлектрические материалы весьма разнообразны (рис. 2).
Тип химической связи зависит от природы взаимодействующих атомов, о чем говорилось ранее. Агрегатное состояние вещества может меняться в зависимости от температуры. Поясним некоторые новые термины.
Органическими называют вещества, содержащие в своей основе углерод и водород. Кроме того, в них может входить некоторое количество кислорода, азота, серы и других элементов. Неорганические вещества разнообразны по химическому составу и могут состоять из любых элементов периодической таблицы Менделеева.
Кристаллические тела характеризуются правильным периодическим расположением атомов. У аморфных тел атомы или молекулы распределены неупорядоченно, хаотично.
По строению молекул различают мономеры и полимеры. Мономеры – вещества, молекулы которых состоят из относительно небольшого числа атомов, обычно <100. Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся звеньев. Количество атомов входящих в такую макромолекулу, очень велико от 1000 до 1 000 000.
По происхождению материал может быть природным, т.е содержаться в окружающей среде, а может быть получен искусственным или синтетическим путем.
Рис. 2. Классификация диэлектриков
По электронному строению молекул различают полярные и неполярные вещества. У неполярных диэлектриков электроны распределены симметрично и поэтому в отсутствии внешнего электрического поля собственного дипольного момента у молекул нет. У полярных диэлектриков, напротив, молекулы являются электрическими диполями. Дипольный момент у молекул возникает из-за несимметричного распределения электронов в пространстве. Причиной могут быть атомы галогенов или сильных окислителей, которые притягивают электроны. Например, группы –Cl, –F, –OH и др..
Например, алмаз можно охарактеризовать как твердый по агрегатному состоянию диэлектрик, с ковалентной связью, неорганический, кристаллический по структуре, по происхождению может быть как природным, так и синтетическим, неполярный. Поливинилхлорид – это твердый аморфный диэлектрик, органический, с ковалентной связью в углеродной цепочке, с поляризационной связью между молекулами, синтетический по происхождению, полярный из-за наличия атомов хлора.
Разнообразие диэлектриков приводит к большим различиям в их свойствах. Рассмотрим основные электрические характеристики диэлектриков.
Все темы данного раздела:
Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле
При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре основных процесса:
1) Электропроводность;
2) Поляризация;
3) диэлектрические потери
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имее
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. П
Электронная поляризация
Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляют со
Ионная поляризации
Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество состоит из ионов. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую р
Дипольная поляризация
Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотич
Спонтанная поляризация
Рис. 8. Спонтанная поляризация:
а – электрическое поле отсутствует,
сб
Активные диэлектрики
Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами – с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятс
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери – это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропров
Зависимость тангенса угла потерь от температуры
Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и п
Для неполярных
При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энер
Для полярных
В полярных диэлектриках дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потер
Пробой диэлектриков
Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлек
Электрический пробой
Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?
В исходном состоянии диэлектрик не проводит электричес
Электротепловой пробой
Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла
Электрохимический пробой
В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разл
Кривая жизни диэлектрика
С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материа
Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов: германий, кремний, селен, теллур и др., и многие химические соединения: а
Примесные полупроводники
Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примесные атомы имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах
Применение полупроводников
Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переход
Полупроводниковый диод
Рассмотрим полупроводниковый диод на основе p-n перехода. Если к диоду приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности напряжения. Эта зависимость то
Стабилитрон
Стабилитрон устроен практически так же, как и диод. То есть имеется p-n-переход, но напряжение в нем включается в обратной полярности. В этом случае переход запирается, то есть образуется изолирующ
Варикап
Приложим к p-n переходу обратное напряжение. В результате образуется изолирующий слой некоторой толщины d. Причем толщина этого слоя будет зависеть от приложенного напряжения: чем больше вел
Светодиод
Светодиод – устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении (рис.31.). В э
Фотодиод
Фотодиод представляет собой p-n-переход, включенный в обратном направлении (рис. 34). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.
Если на изолирующий с
Терморезистор
Терморезистор – это полупроводниковый материал, к которому присоединено два контакта (рис. 32). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется экспоненциальной формулой (17):
Фоторезистор
Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может также свет (рис. 33).
При облучении светом энергия фотонов передается электронам, и они могут переходить в зону проводимости.
II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
2.1. Диаграмма растяжения
Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрик
III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов
3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла
При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на
Рекристаллизация
При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Тпл) начинается рекристаллизация (рис. 43). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенн
Цементация
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом С.
При
Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH3), который под действием высокой температуры диссоциирует,
Нитроцементация
Нитроцементация – процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака.
Условия протекания процесса:
t
Цианирование
Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN.
Условия протекания процесса:
t = 820 - 920 ˚C
τ = 0,5– 1 ч
∆ =
Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз
Дробеструйный наклеп.
Мощный вентилятор создает поток воздуха, который разгоняет маленькие стальные шарики или дробинки до бол
Центробежный шариковый наклеп.
В этом случае поверхность металла обрабатывается шариками, которые прикреплены к вращающемуся инструменту (барабану, диску) и могут выдвигаться из него (рис. 50). Барабан раскручивается до большой
IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления д
Критерии оценки конструкционной прочности материалов
Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Критерии прочности материала выбирают
Углеродистая сталь
Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими св
Легированные стали
Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указываю
Медные сплавы
Медь – металл желтого цвета, высокотехнологичный, хорошо сваривается, паяется, обрабатывается давлением, обладает отличной пластичностью, характеризуется высокими теплопроводностью и электропровод
Алюминиевые сплавы
Алюминий – очень легкий серебристо-белый металл, его плотность 2.7 г/см3, т.е. он в три раза легче меди. Алюминий обладает высокой пластичностью, хорошими теплопроводностью и электропро
Магний и его сплавы
Магний – сверхлегкий металл, легче алюминия, плотность 1,74 г/см3 , температура плавления 651 оС. Химически чрезвычайно активен, при нагреве на воздухе воспламеняется и горит
Титан и его сплавы
Титан – тугоплавкий металл серого цвета, с температурой плавления t = 1665 оС, с высокой прочностью sв = 250 МПа и пластичностью d = 70% . При этом плотность его небольшая r =
Химический состав
В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи, к которой
Строение полимеров
Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. М
Термомеханическая кривая полимера
Если термопластичный полимер подвергнуть постоянной механической нагрузке, то он будет деформироваться.
При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину.
Термопласты
Полиэтилен – продукт полимеризации этилена, структура (–СН2–СН2–)n, один из самых распространенных полимеров, обладает достаточной прочностью, стой
Реактопласты
Фенолформальдегидные смолы являются основой большого количества пластмасс, лаков и клеев. В результате нагрева смолы происходит химическая реакция, и получается полимер бакелит. Са
Полимеры с наполнителями
Полимеры с наполнителями являются композиционными материалами, которые подробнее мы рассмотрим в следующих разделах. Здесь же приведем свойства некоторых из них.
Гетинакс
Эффективность применения полимеров
Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обт
Ситаллы
Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30–90%, размеры крис
Керамика
Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот тер
Керамика на основе оксидов
В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (корунд), SiO2, ZrO2, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых ок
Бескислородная керамика
К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отлич
Дисперсноупрочнённые композиционные материалы
Дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленных в неё мелких частиц 10–500 нм (рис. 58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение ди
Волокнистые композиционные материалы.
Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (рис. 59). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно
Борноволокнистые материалы
Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью σв = 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см3, выдерживает длительный нагрев до температу
Новости и инфо для студентов