Материаловедение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

Материалы с особыми электрическими свойствами
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Примеси элементов V группы в германии и кремнии определяют электронный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника четыре электрона, а пятый становится носителем электрического тока. Такие примеси называют донорными. Для германия ими являются мышьяк и сурьма, а для кремния — фосфор и мышьяк. Полупроводники, в которых преобладают донорные примеси, называются электронными или п-типа.
...
Примеси элементов III группы обусловливают дырочный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника только три электрона. В кристалле образуются незаполненные связи-«дырки», что вызывает ряд последовательных перемещений соседних электронов. В результате дырка перемещается подобно положительному заряду. Такие примеси называют акцепторными. Для германия ими служат галлий и индий, для кремния-бор и алюминий. Полупроводники с преобладанием акцепторных примесей называются дырочными или р-типа.
...
Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Потенциал ионизации у примесей меньше, чем у полупроводников, поэтому уже при температуре 20-25 °С практически все атомы примесей ионизированы. Благодаря этому концентрация примесных носителей электрического тока обычно выше концентрации собственных носителей. При содержании 1020 атомов примесей в 1 м3 полупроводника, что составляет всего 10~7%, собственное удельное электрическое сопротивление германия снижается от 0,5 до 0,15 Ом-м (рис. 17.10).
...
Помимо концентрации примесных носителей электрического тока большое влияние на проводимость оказывает их подвижность. Для германия подвижность электронов и дырок при 20 °С соответственно равна 0,38 и 0,18 м2/(В-с). Дефекты кристаллической решетки, примеси и тепловые колебания атомов вызывают рассеяние носителей, снижая тем самым их подвижность. Все это приводит к неконтролируемым изменениям проводимости полупроводника, но может быть частично устранено применением монокристаллов, в которых плотность дефектов кристаллической структуры значительно ниже.
...
Важной характеристикой полупроводников является также время жизни примесных носителей электрического тока. В полупроводнике одновременно с процессом возникновения «свободных» электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между этими двумя процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого «живет» носитель до своей рекомбинации, называют временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной. Некоторые примеси и дефекты уменьшают время жизни носителей электрического тока и тем самым ухудшают работу прибора. Для хорошей работы полупроводникового прибора время жизни носителей должно быть не меньше, чем 10"5 с.
...
Таким образом, к основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся электрическое сопротивление1, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.
...
Материалы с особыми электрическими свойствами 345
...
кристаллы германия и кремния высокой степени чистоты и совершенной кристаллической структуры. Для получения нужного типа проводимости, кристаллы легируют в строго контролируемых микродозах.
...
Кроме химически чистых элементов в полупроводниковой технике используют сложные полупроводниковые соединения. Это промежуточные фазы элементов разных групп периодической таблицы: соединения элементов четвертой группы AIVBIV; третьей и пятой АШВУ, а также второй и шестой группы AnBVI
...
Основной представитель соединения типа Alv Blv — карбид кремния SiC. В гексагональной кристаллической решетке карбида кремния, как и в кубической решетке алмаза, каждый атом кремния (или углерода) имеет четырех соседей (тетраэдрическое окружение), с которыми он вступает в ковалентную связь. Атомы углерода занимают тетраэдри-ческие поры. Карбид кремния является фазой строго стехиометрического состава, поэтому его проводимость определяют точечные дефекты структуры, частичная раз-упорядоченность атомов в кристаллической решетке или примеси. Примеси III и II групп для него являются акцепторными, а примеси
...
определенного стехиометрического состава не являются чисто ковалентными кристаллами, так как из-за различия в валентности элементов в них наряду с ковалентными возникают и ионные связи. Кристаллографическая решетка таких соединений аналогична решетке алмаза. Из соединений типа АШВУ применяют соединения с сурьмой (антимо-ниды), например ZnSb, и с мышьяком (арсе-ниды), например GaAs. Они имеют определенный химический состав, поэтому неосновные носители электрического тока возникают из-за примесей, точечных дефектов и разупорядоченности. Примеси III и
...
Применение находят также соединения типа AnBVI. К ним относятся сульфиды (соединения с серой) и оксиды (соединения с кислородом). В таких соединениях преобладает ионный тип связи, и они имеют переменный состав. Избыток ионов металла
...
в соединении создает электронную проводимость. При избытке неметаллических ионов соединение приобретает дырочную проводимость. В соединении типа АПВ преобладания электронной или дырочной проводимости можно добиться изменением состава, нагревая кристаллы в парах одного из элементов.
...
Полупроводниковые соединения, которые имеют большие значения ширины запрещенной зоны, применяют в приборах при более высоких рабочих температурах.
...
Наиболее перспективным полупроводником является арсенид галлия ОаАв, несмотря на сложность технологии получения. Значительно большая, чем в в!, скорость движения электронов позволяет использовать его в быстродействующих системах.
...
Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. Химические методы получения простых полупроводников и чистых элементов, используемых при легировании и в производстве сложных полупроводниковых материалов, обеспечивают высокую степень очистки. Дистилляция (испарение жидкой фазы) удаляет легкоиспаряю-щиеся примеси, ректификация (многократное испарение и конденсация)-примеси, имеющие невысокие температуры плавления, испарения и большой интервал жидкого состояния. Сублимацией (испарение твердой фазы) очищают от механических примесей и газов и получают монокристалл, применяя ампулу с концом конической формы (рис. 17.11).
...
Рис. 17.11. Схема процесса получения монокристалла методом сублимации (Д/ — разность температур между поверхностями испарения и конденсации)
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
На этом конце из-за более низкой температуры образуется центр кристаллизации, на котором и растет монокристалл (см. гл. 2). Перечисленными методами можно получать монокристалл с высоким значением удельного электрического сопротивления. Например, монокристалл германия при р = = 0,10 Омм
...
Схема диаграммы состояния для германия и примеси, которая при малых концентрациях образует с ним твердый раствор, показана на рис. 17.12. Если общее содержание примесей составляет №/а,
...
Материалы с особыми электрическими свойствами 347
...
При медленном росте кристалла, лишенного дефектов, атомам примеси трудно внедряться в кристаллическую решетку основного элемента, и монокристалл получается химически чистым.
...
Германий помещают в тигель и расплавляют в вакууме, а затем поддерживают расплав при температуре несколько выше температуры плавления. В расплав опускают затравку, которая представляет собой брусок сечением 5x5
...
После оплавления затравку медленно вытягивают из расплава, который вследствие адгезии приподнимается над поверхностью, охлаждается и затвердевает.
...
При методе зонной очистки (рис. 17.14) пруток химически очищенного германия помещают в вакуум и при помощи индуктора ТВЧ расплавляют узкую зону /, в которой и скапливаются примеси, имеющие К < 1. Вместе с перемещением индуктора и расплавленной зоны примеси сгоняются к правому концу-
...
Процесс повторяют многократно либо используют сразу несколько индукторов и через них проталкивают графитовую лодочку с прутком германия. После окончания процесса правый конец прутка отрезают.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Метод бестигельной зонной очистки, применяемый для кремния, включает основные принципы ранее описанных методов (рис. 17.17).
...
Пруток технически чистого кремния укрепляют вертикально. В нижней части прутка укрепляют затравку монокристалла. Нагрев производят индуктором ТВЧ, который слегка оплавляет затравку, а затем медленно поднимается вверх. На затравке кристаллизуется монокристалл. Примеси скапливаются в жидкой расплавленной зоне и перемещаются к верхнему концу прутка, который после окончания процесса отрезают. Процесс повторяют многократно.
...
Помимо описанных методов, позволяющих получать крупные объемные монокристаллы германия, кремния, а также некоторых полупроводниковых соединений, разработана принципиально новая технология-эпитаксиальное (ориентированное) выращивание кристалла на подложке.
...
Метод эпитаксии позволяет создавать высокоомные (более чистые) пленки кремния и германия, исключает трудную технологическую операцию разрезки монокристаллов на тонкие пластины; дает возможность получать сложные полупроводниковые материалы (например, карбид кремния), производство которых в виде объемных монокристал-
...
Рис. 17.16. Зависимость коэффициента распределения К донорной и акцепторной примесей от скорости вытягивания V
...
Для лучшего перемешивания затравку и тигель вращают либо с разными скоростями, либо в разные стороны. Скорость вытягивания должна быть небольшой, порядка 0,1 мм/с, а частота вращения-не менее 60 мин-1.
...
При вытягивании монокристалла с постоянной скоростью из расплава, поддерживаемого при определенной температуре, степень очистки по длине кристалла неодинакова, так как по мере вытягивания расплав обогащается примесями. Для того чтобы устранить этот дефект, в расплав добавляют германий либо постепенно уменьшают скорость вытягивания, меняя тем самым коэффициент распределения К (рис. 17.16). Анализ формулы (17.3) показывает, что при увеличении /Уж
...
Для кремния рассмотренные методы не приемлемы из-за его высокой химической активности и высокой температуры плавления (£пл = 1414 °С). При такой высокой температуре кремний загрязняется материалом тигля. Кроме того, коэффициент распределения у кремния со многими примесями больше, чем у германия, а с примесью бора, так же как у германия, близок к единице (К
...
Материалы с особыми электрическими свойствами 349
...
лов затруднено вследствие высокой стоимости процесса. Последнее обусловлено либо низкой производительностью, либо высокой температурой плавления и химической активностью компонентов, либо летучестью одного из компонентов соединения (АШВ¥, АПВ¥1). Применение тонких пленок толщиной 15-20 мкм улучшает параметры прибора. Излишняя толщина пластин ухудшает частотные свойства приборов из-за роста потерь. При резке объемных монокристаллов нельзя получить пластины тоньше, чем 100-200 мкм.
...
Эпитаксиальные пленки выращивают на подложке из монокристалла того же или другого материала. В первом случае эпитаксиальный слой при правильной технологии становится естественным продолжением подложки. Если подложка из другого материала, то эпитаксиальная пленка полупроводника будет монокристаллической только в том случае, если между кристаллографическими решетками имеется структурное и размерное соответствие, т. е. межатомные расстояния будут отличаться не более чем на 25 %.
...
Наиболее прост и технологически управляем процесс получения эпитак-сиальных пленок методом водородного восстановления хлоридов (рис. 17.18).
...
Такой метод используют для получения высокоомных пленок германия и кремния на монокристаллических низ-коомных подложках.
...
Хлориды кремния или германия испаряются, транспортируются потоком водорода к подложке и восстанавливаются по реакции
...
Этот же метод положен в основу получения легированных и сложных полупроводниковых веществ. Помимо хлоридов основного элемента в камеру
...
Легирование полупроводников и получение р-п-переходов. Чистый беспримесный полупроводник-исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный р-и-переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т. д.
...
Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает 10~5-10-7%.
...
Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т. е. равномерное распределение легирующей примеси.
...
Метод зонного выравнивания (рис. 17.19) применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине.
...
Очищенный монокристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь.
...
Из формулы (17.3) следует, что постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К,
...
Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электрического сопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину Ь.
...
Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 17.7. Первая цифра в марке указывает значение электрического сопротивления, а вторая-диффузионную длину Ь.
...
обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.
...
Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания (см. рис. 17.16). Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости юх.
...
Материалы с особыми электрическими свойствами 351
...
При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси-фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора.
...
На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).
...
Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет его использовать в серийном производстве. Кроме этого, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с р-проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает г>-п-переход (рис. 17.20). Меняя температуру процесса и время выдержки, можно получать р-и-переход на любой глубине.
...
Метод диффузии позволяет получать сразу несколько р-п-переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную Л/п, и акцепторную Nр примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее. На рис. 17.21 показана диффузия в дырочный германий акцепторной (Оа) и донорной (8Ь) примесей. Скорость диффузии донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном р-слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около р-п-перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора. Этих недостатков лишен р-и-р-переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффу-зионным методом.
...
При сплавно-диффузионном методе на пластину германия с р-проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор)
...
352 Материалы, применяемые в машине- и приборостроении
...
годаря большей диффузионной подвижности сурьмы в пластинке германия создается зона п-проводимости, что в итоге приводит к образованию двух переходов типа р-п-р.
...
При ионном легировании используют тлеющий разряд, в котором газовая фаза, содержащая легирующую примесь, ионизируется.
...
Ионы легирующего элемента внедряются в кристалл. В зависимости от энергии иона внедрение происходит на определенном расстоянии от поверхности (рис. 17.23), что позволяет создавать несколько р-п-переходов.
...
Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 1012-1020 Ом-м. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость е. Она оценивается отношением емкостей Сд/С0 конденсатора. Емкость Сд определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а емкость С0-
...
и сурьмы (донор) и нагревают до 760 °С. При этой температуре сплав расплавляется, и примесь растворяется в германии. Ее растворимость определяется точкой а'
...
В процессе длительной (10 ч) выдержки при 720 °С происходит диффузия галлия и сурьмы из образовавшейся р-зоны в основную пластинку р-германия. Бла-
...
Материалы с особыми электрическими свойствами
...
видов поляризации, которые в сумме определяют величину е и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение е-до 10-12. Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения е, чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков е меняется от 12-15 до 100000.
...
Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, ди-польно-релаксационная (рис. 17.24) и самопроизвольная (спонтанная).
...
Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляризации ничтожно мало (10~15 с), и поэтому она не зависит от частоты.
...
Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы-в
...
Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют е. У неполярных диэлектриков
...
несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.
...
При нагреве диэлектрическая проницаемость е изменяется, температурный коэффициент е (ТКе) принимает значения от -1300 до + 3000- 10~6оС-1.
...
Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослаб-
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
ление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.
...
Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков—сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от + Е
...
ков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение е достигается около точки Кюри.
...
Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями.
...
Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением - объемным ру
...
Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление (р^^ДО12 Ом-м). При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов.
...
Поверхностное электрическое сопротивление рх зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия-лаки и эмали.
...
Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.
...
Материалы с особыми электрическими свойствами
...
Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10~7-10~8 с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
...
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность Епр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Епр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении те-плоотвода.
...
Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.
...
По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим-слюда, керамика, стекло, си-таллы.
...
По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).
...
Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагре-востойкость, т. е. способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По на-гревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов (ГОСТ 8865-70), обозначенных У, А, Е, В, ¥, Н, С. В классе У объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90 °С. Самыми нагревостой-кими являются материалы класса С-слюда, керамика, стекло, ситаллы,
...
Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование то-копроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончиться пробоем. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности-бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Диаметр молекулы воды равен всего 2,5-10"10 м, и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, защищают поверхности лаками, глазурью и т. п.
...
Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло и ситаллы-наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочность на сжатие в несколько раз больше прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен 30—300 МПа, увеличиваясь до 500 МПа у ряда ситаллов. Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышают 8-10~боС-1, у легкоплавких стекол он равен (15-^30)-10~боС~\
...
става - (-4н-31,5) • 10-6оС-'. Особенно велико тепловое расширение органических диэлектриков [а, = = (60н-100)10~6оС~1], но в пластмассах с неорганическими наполнителями оно примерно такое же, как у металлических сплавов. Кроме того, органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.
...
Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации: Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки РЬО и Вао увеличивают стойкость стекла против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганиче-ские пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокера-мика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства (табл. 17.8), почти не подвержена старению и устойчива к нагреву.
...
Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т. п. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.
...
Для работы при низких частотах используют электрофарфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки-большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200 °С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора
...
Материалы с особыми электрическими свойствами
...
358 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
и обозначают ерев), и ее значение определяется соотношением напряженностей полей. Чем больше напряженность постоянного поля, тем лучше ориентированы домены и слабее действие переменного поля на поляризацию. Заданное значение е получают соответствующим выбором постоянного и переменного напряжений, приложенных к конденсатору. Изменяя постоянное или переменное напряжение, можно изменить емкость конденсатора в несколько раз (в пределах, определяемых коэффициентом нелинейности). Вариконды используют в усилителях, делителях, умножителях частоты и других устройствах.
...
Пьезоэлектрики- вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). К пьезоэлек-трикам относятся поляризованные сет-нетоэлектрики с остаточной поляризацией, а также кристаллы, не имеющие центра симметрии. В основе пьезоэф-фекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем-зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы. Обычно измеряют так называемый продольный пьезомодуль й33 по заряду на поверхности, перпендикулярной направлению поляризации, когда нагрузка приложена перпендикулярно этой же поверхности. От пьезо-электриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери. Сегнето-керамика имеет пьезомодули около 6-
...
ТЮ2. Чем больше содержание Ті02 в керамике, тем выше значения є и ТКе. Основная область применения тикон-дов - теромкомпенсирующие конденсаторы. Термоконды наряду с ТЮ2 содержат Zr02 и другие добавки. Они имеют низкие значения ТКе и используются для конденсаторов высокой стабильности.
...
Лучшая конденсаторная керамика, применяемая при низких частотах,-сег-нетокерамика, так как велики значения е. Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность. Сегнетокерамику подразделяют на материалы с небольшой и большой нелинейностью. У материалов первой группы є во всем интервале рабочих температур и напряженностей поля изменяется не более чем на 30% (рис. 17.27). Различные марки керамики этой группы отличаются друг от друга значением є = 1000 4- 7500 и положением температурного максимума е. У материалов второй группы зависимость є от напряженности поля характеризуется коэффициентом нелинейности К.
...
Материалы с большой нелинейностью используют в варикондах-конденсаторах переменной емкости. При одновременном действии постоянного и переменного полей є становится изменчивой (ее называют реверсивной
...
Материалы с особыми электрическими свойствами
...
Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы и сверхтвердые материалы-алмаз и кубический нитрид бора. Наиболее обширную и важную в практическом отношении группу составляют инструментальные стали. Они предназначены для изготовления инструментов четырех типов: 1) режущих; 2) измерительных; 3) штампов холодного деформирования; 4) штампов горячего деформирования.
...
Номенклатура и условия работы инструментов каждого типа отличаются большим разнообразием. Только режущих инструментов существует более тысячи типоразмеров. Характерным условием для эксплуатации инструментов (особенно режущих и штамповых) являются высокие контактные давления на рабочую кромку, вызывающие их изнашивание. Оно в большинстве случаев сопровождается разогревом контактной поверхности до нескольких сотен градусов Цельсия. В связи с этим важнейшее условие работоспособности инструментов-высокая износостойкость материала, из которого они изготовлены. Для того чтобы исключить пластическое течение рабочих кромок, инструментальный материал должен обладать высокой твердостью (в 2-3 раза большей, чем у обрабатываемого материала) и теплостойкостью. Под теплостойкостью понимают способность материала сохранять высокую твердость при повышенных температурах. Для сталей теплостойкость определяется сопротивлением разупрочнению при отпуске. Она оценивается наибольшей температурой нагрева, до которой сохраняется мартенситная структура и свойственные
...
ей высокие твердость и износостойкость. Работе многих инструментов сопутствуют также высокие статические напряжения, чаще всего изгиба или кручения. Для того чтобы исключить поломку инструментов от этих напряжений, материал должен обладать высокой прочностью.
...
Необходимый уровень каждого из основных свойств (износостойкость, теплостойкость, прочность и вязкость) для инструментов различных типов различен. Причем требуемое сочетание отдельных свойств (например, высокой твердости и вязкости) во многих случаях трудно обеспечить. Предпочтение отдается одному или нескольким основным свойствам, которые в наибольшей степени отвечают за работоспособность инструментов данного типа.
...
Кроме служебных свойств для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемость.
...
Для инструментов различных типов применяют разные материалы. В большинстве случаев это высокоуглеродистые стали - заэвтектоидные и ледебу-ритные, сложного состава, обрабатываемые на высокую твердость (НЯС
...
Условия работы инструментов зависят от режимов резания и свойств обрабатываемого материала. Чем больше скорость резания, сечение снимаемой стружки, а также прочность и вязкость обрабатываемого материала, тем выше температура нагрева режущей кромки инструментов. При этих условиях работоспособность инструментов определяется высокой «горячей» твердостью и способностью материала сохранять ее при длительном нагреве, т. е. теплостойкостью. От теплостойкости материала, таким образом, зависит производительность резания.
...
Углеродистые стали. Углеродистые стали (ГОСТ 1435 — 74) производят качественными У7, У8, У9, У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А,У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра-среднее содержание углерода в десятых долях процента. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (НВ
...
Заэвтектоидные стали используют также для изготовления измерительных инструментов (калибры простой формы и невысоких классов точности) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.
...
Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для инструментов, подвергающихся ударам : деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а также пуансонов, матриц и др. После полной закалки их отпускают на структуру троостита при 275-325 °С (ЯКС 48-55) или при 400-450 °С (НЯС
...
Марганец (1-2%) обеспечивает минимальное изменение размеров инструментов при закалке. Интенсивно снижая интервал температур мартенситного превращения, он способствует сохранению в структуре повышенного количества остаточного аустенита (15-20%), который частично или полностью компенсирует увеличение объема в результате образования мартенсита. Кремний (1-1,5%) несколько повышает сопротивление отпуску и способствует образованию легко отделяющейся окалины. Вольфрам (1-5%) повышает износостойкость.
...
По структуре низколегированные стали относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше точки А1
...
кость. Однако из-за низкой теплостойкости низколегированные стали имеют практически одинаковые с углеродистыми сталями эксплуатационные свойства. Их применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200-260 °С. В отличие от углеродистых они меньше склонны к перегреву и позволяют изготовлять инструменты больших размеров и более сложной формы.
...
Сталь ХВ4 отличается особо высокой твердостью и износостойкостью благодаря тому, что в ней кроме легированного цементита присутствуют карбиды вольфрама типа М6С, которые практически не растворяются при температуре закалки. Из-за высокой твердости (Ш?С 67-69) ее называют алмазной и применяют для чистовой обработки твердых материалов.
...
Стали X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ закаливаются в масле и относятся к сталям глубокой прокаливаемое™. Сталь 9ХС в отличие от стали X (1,5% Сг) имеет более высокую устойчивость к разупрочнению при отпуске (до 260 °С), повышенные эксплуатационные свойства и применяется для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных и других инструментов с поперечным сечением до 35 мм. Недостаток стали 9ХС-склонность к обезуглероживанию. Сталь ХВГ характеризуется малой деформацией при закалке и применяется для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки и т. п.) с поперечным сечением до 45 мм. Сложнолегированная сталь ХВСГ сочетает в себе лучшие свойства сталей 9ХС и ХВГ и используется для изготовления инструментов большого поперечного сечения (до 100 мм).
...
Быстрорежущие стали. К ним относят высоколегированные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности.
...
Материалы для режущих и измерительных инструментов
...
введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидо-образующими элементами: молибденом, хромом, ванадием.
...
Вольфрам и молибден в присутствии хрома связывают углерод в специальный труднокоагулируемый при отпуске карбид типа М6С и задерживают распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов, которое происходит при повышенных температурах отпуска (500-600 °С), вызывает дисперсионное твердение мартенсита-явление вторичной твердости (см. рис. 5.30,6). Особенно эффективно вторичная твердость и теплостойкость повышаются при введении нескольких сильных карбидообра-зователей, например, вольфрама (одного или совместно с молибденом) и ванадия. При отпуске ванадий, выделяясь в виде карбидов, усиливает дисперсионное твердение, а вольфрам (молибден), сохраняясь в мартенсите, задерживает его распад.
...
Увеличению теплостойкости способствует также кобальт. Он не образует карбидов, но, повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов и увеличивает их дисперсность.
...
В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твердость до 560-640 °С и допускают в 2-4 раза более производительные режимы резания, чем инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.
...
Быстрорежущие стали (см. табл. 18.1) обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание (в процентах) вольфрама-основного легирующего элемента (ГОСТ 19265-73). Содержание ванадия (до 2%) и хрома, количество которого примерно 4%
...
мер, Р6М5, Р10К5Ф5). ГОСТ 19265-73 предусмотрено 14 марок быстрорежущих сталей, которые по эксплуатационным свойствам делятся на две группы: нормальной и повышенной производительности.
...
Группу сталей нормальной производительности образуют вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолиб-деновые (Р6МЗ, Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже HRC
...
К группе сталей повышенной производительности относятся стали, содержащие кобальт и повышенное количество ванадия: Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630 640 °С), твердости (HRC
...
Быстрорежущие стали, особенно второй группы, отличаются высокой стоимостью. Для уменьшения расхода дорогих и дефицитных элементов, особенно вольфрама, преимущественно используют экономно-легированные стали. Из них наиболее широкое применение имеет сталь Р6М5. Разрабатываются безвольфрамовые быстрорежущие стали.
...

Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Материаловедение