Основы материаловедения

Основы материаловедения

Материал – один из видов вещества, который идёт на изготовление изделия и представляет собой промежуточный продукт переработки вещества в изделие.… Пример. Вещество – железо, медь, кремний, полиэтилен, глинозём

Конструкционные материалы приборостроения

Сталь – сплав на основе железа Fe с углеродом С – основной материал для изготовления приборов и РЭС. Достоинства: 1. Высокий модуль упругости, обуславливающий жёсткость

Титан Ti

· небольшая плотность · высокая удельная прочность · коррозионная стойкость

Алюминий Al

По техническим свойствам алюминиевые сплавы делятся на 2 группы: 1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой (зерновая… 2. Деформируемы сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Общие закономерности токопрохождения в радиоэлектронных материалах

Сущность зонной теории сводится к тому, что каждый электрон в одиночном возбужденном атоме находится на определённом дискретном энергетическом… Электроны располагаются вокруг атома в оболочках, которые состоят из…

Материалы электронной техники.

В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. В физике, химии и технике проводящие материалы (как и все… Приведём одну из возможных классификаций по нескольким признакам: состав,…

Медь Cu.

1. Малое удельное сопротивление (занимает второе место после серебра); 2. Достаточно высокая механическая прочность; 3. Удовлетворительная стойкость к коррозии;

Алюминий Al.

Алюминий чаще встречается в природе и значительно более дёшев. Недостатки: 1. Низкая (относительно меди) механическая прочность, высокая ломкость;

Золото Au и серебро Ag

1. Низкое удельное сопротивление; 2. Высокая химическая стойкость; 3. Очень высокая технологичность: хорошо паяются, свариваются; пластичны.

Углерод С

Используется в дискретных резисторах в виде тонких плёнок на керамическом основании. Получают путём термического разложения тяжёлого углеводорода (гептан С₇Н₁₆). При температуре около 1400К происходит разложение с выделением пиралитического углерода, который близок к графиту: ρ=1 мОм·см, ТКρ=(-2…-4)10^-4 1/К. Обладает высокой стабильностью, низким ТКρ и низкой стоимостью. Но номинал таких резисторов не превышает 100 кОм.

Стабильность ТКρ повысить путём легирования бором (2-5%). Боруглеродистые резисторы являются прецизионными с отклонением номинала 0,5%.

Ограничение применения: углерод никогда не используют в качестве материала интегральных резисторов, так как он обладает низкой адгезией: даже при очень высоких температурах давление собственных паров в вакууме мало.

Только с появлением углеродистых паст он вернулся в толстоплёночную технологию (чип-резисторы).

 

Тантал Та

Тугоплавкий переходный металл в чистом виде обладающий низким удельным сопротивлением. Удельное сопротивление тантала резко повышается при его насыщении азотом и может достигать 250 Ом·см. Немаловажно, что ТКρ≤10^-5 1/К.

При окислении тантала получим отличный диэлектрик Та₂О₅.

В микроэлектронике тантал довольно часто применяется в комплексной танталовой технологии.

 

Хром Cr

Главное достоинство – высокие адгезионные характеристики. Обладает одним из самых высоких удельным сопротивлением для чистых металлов, химически стоек, широко распространён в природе.

Хром - основной резистивный материал для изготовления низкоомных резисторов в микроэлектронике.

Плёнки хрома получают путём вакуумного испарения из вольфрамовых и молибденовых лодочек.

Ом/□ [Ом делённый на квадрат].

Образует сплошную плёнку толщиной 0,1-0,5 мкм.

ТКρ≤10^-4 1/К.

 

Хромсилицидные сплавы и композиции

В технологии микроэлектроники предпочтительно использовать один резистивный материал на всю микросхему. Однако зачастую это невозможно (если разброс… Промышленность выпускает около 15 силицидов. Наибольшее распространение… РС3001 30% Cr, 1% Fe, остальное – Si;

Манганин

86% Cu, 12% Mn, 2% Ni

ρ≤0,48 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (-100…200˚С) составляет 5∙10^-6 1/К.

Это сплав с желтоватым оттенком хорошо обрабатываемый механически: можно вытянуть в проволоку диаметром до 0,02 мм.

Для стабилизации параметров его подвергают обжигу после изготовления в вакууме.

Является основным материалом для изготовления катушек стрелочных измерительных приборов, прецизионных проволочных резисторов.

 

Константан

60% Cu, 40% Ni

ρ ≤ 0,52 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (до 500˚С) составляет - 5∙10^-6 1/К.

Содержание никеля соответствует примерно максимуму ρ и минимуму ТКρ.

Хорошо обрабатывается, так же пластичен как манганин.

ТКρ имеет низкое значение и знак «-» (так как не чистый металл, а сплав).

Применяется для изготовления реостатов, как материал в особо нагруженных резисторах

На поверхности константана при нагреве образуется оксидная плёнка, обладающая электроизоляционными свойствами.

 

Ещё большую рабочую температуру имеют сплавы никеля и хрома – нихромы.

Марка Х20Н80 содержит 20-23% Cr, 75-78% Ni, 1,5% Mn, небольшой процент Fe. Рабочая температура достигает 1100˚С. Область применения – электронагревательные приборы.

 

Сплавы для термопар

  Температура плавления не является главным фактором применения сплава. Главными же являются:

Полупроводниковые материалы

Полупроводники – материалы с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых лежит в пределах между удельными сопротивлениями металлов и… С точки зрения зонной теории твёрдого тела, полупроводника имеют неширокую…  

Германий Ge

В настоящее время получают при побочной переработке материалов других производств: при выплавке медно-свинцово-цинковых руд, из отходов коксования… GeCl4+2H2O → GeO2+4HCl; GeO2+2H2 → Ge+2H2O.

Кремний Si

В 1911 году впервые получен в элементарном виде. Природное месторождение находится в Малайзии. Получают восстановлением из оксид SiO2 по схеме: SiO2+С Si+CО2.

Диэлектрики

  Электропроводность диэлектриков При подаче постоянного напряжения электропроводность диэлектриков можно представить графиком:

Фторопласт

Структура аналогична полиэтилену     F F

Ситаллы

Стеклокристаллические материалы, получаемые путём стимулированной кристаллизации стёкол специального состава. Они занимают промежуточное состояние между стеклом (аморфное) и керамикой (полимер).

Недостатком стёкол считается процесс местной кристаллизации – «расстекловывание». Он приводит к уменьшению однородности и к ухудшению свойств. Поэтому к стёклам, склонным к спонтанной кристаллизации добавляют специальные вещества, служащие центрами кристаллизации. В результате получаются ситаллы. Они имеют однородную, очень мелкокристаллическую структуру. Благодаря этому, ситаллы позволяют в результате механической обработки получить очень гладкие поверхности с равномерным распределением свойств. Ситаллы благодаря этому используются в качестве подложек плёночных и гибридных микросхем, обладают лучшей теплопроводностью, чем стекло и немного худшими электроизоляционными свойствами. Редко используются в качестве конденсаторных материалов.

 

Керамика

Керамические диэлектрики обладают огромным количеством достоинств, отличающих их от других материалов: 1.Высокая нагревостойкость; 2.Отсутствие у большинства керамических материалов гигроскопичности;

Активные диэлектрики

Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а так же запоминание и преобразование… К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо-, пироэлектрики,… Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только кристаллические, но также жидкое и газообразные вещества…

Магнитные материалы

. При неравномерном намагничивании оценивают величину Jm: .

Магнитомягкие материалы

Они отличаются высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией насыщения и малой коэрцитивной силой. График зависимости магнитной индукции от…  

Кремнистая электротехническая сталь

Находит гораздо большее применение, чем железо. Представляет собой основной магнитомягкий материал массового потребления, то есть все магнитопровода трансформаторов делаются из неё.

Введением в состав стали кремния добиваются повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи. Кроме того, введение кремния в железо способствует выделению из него углерода и кислорода. При этом углерод выделяется в виде графита, в кислород – в виде оксида кремния.

В результате, такая операция приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости и к снижению потерь на перемагничивание. Наилучший эффект достигается при содержании кремния 6,8%, однако в промышленно выпускаемых марках стали, редко превышает 5%, так как введение кремния приводит к охрупчиванию сталей.

Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Поэтому механическая обработка в виде прокатки стали существенно улучшает магнитные характеристики стали.

 

 

Рисунок 51

 

Прокатанная сталь называется структурированной. Применяется изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов. Кроме того, использование лент или пластин необходимо для снижения потерь на вихревые токи. Поверхности этих лент обычно покрывают изоляцией, и при наборе пачки мы получаем относительно тонкие металлические слои, изолированные друг от друга, что препятствует возникновению сильных токов. Толщина ленты определяет частоту, на которой может быть использован данный магнитопровод: чем тоньше, тем выше частота.

 

Пермаллои

Делятся на высоконикелевые (содержание Ni – 72…80%) и низконикелевые (содержание Ni – 40…50%). Очень лёгкое намагничивание в слабых магнитных полях объясняется отсутствием… Свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим воздействиям и к изменению состава. Кроме того их…

Альсиферы

Оптимальный состав: 9,5% Si, 5,6% Al, остальное – железо. Очень твёрды и одновременно очень хрупкий, вследствие чего не может быть…  

Магнитотвёрдые материалы

Отличаются от магнитомягких большей коэрцитивной силой.

 

 

Рисунок 52

 

 

Следовательно, площадь петли гистерезиса у твердых значительно больше, чем у мягких.

 

 

По применению их можно разделить на материалы для постоянных магнитов, материалы для магнитной записи информации, и материалы специального назначения.

 

Литые высококоэрцитивные сплавы

Состав: 28%Ni, 14%Al, остальное – Fe. Помимо кобальта в качестве добавок используют Cu, Ti, Nb. Добавки улучшают… Используются в основном для изготовления постоянных магнитов. Чтобы обеспечить именно кристаллизацию проводят в…

Магнитотвёрдые ферриты

В отличие от магнитомягких материалов, он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку и как следствие, одноосную анизотропию.… Технология изготовления аналогична технологии изготовления магнитомягких… Большей температурной стабильностью обладают кобальтовые ферриты, но они существенно дороже.

Металлические и неметаллические материалы для магнитной записи информации

Любой магнитный носитель информации тем меньше подвержен саморазмагничиванию, чем выше коэрцитивная сила материала. С ростом коэрцитивной силы… В настоящее время наибольшее применение находят носители на полимерной основе,… Содержание магнетика в лаке 30-40% объема. Частицы порошка должны иметь игольчатую форму, причем ориентация этих…

Вакуумное осаждение металлов на поверхности пленки

Электролитическое осаждение металлов на поверхности пленки

Чистые металлы в виде порошковых сплавов

(совмещение двух материалов, обеспечивающее качество записи информации как НЧ, так и ВЧ)   Co+CrO2