Материал: 1 Классификация и основные свойства материалов

Дефекты кристаллов.

Все реальные кристаллические тела не идеальны:

В них в огромных количествах существуют нарушения структуры, которые называются дефектами.

Дефекты структуры оказывают влияние на многие свойства кристалла - прочность, электропроводность, гистерезисные потери в ферромагнитных материалах.

Дефекты подразделяются на две группы:

1. энергетические дефекты.

2. кристаллографические дефекты.

Кристаллографические можно разделить:

1. точечные дефекты

- вакансии

- примесные атомы (атомы замещения или внедрения)

2. линейные дефекты – дислокации

3. поверхностные дефекты (наружная поверхность твердого тела).

4. объемные дефекты: поры, трещины

К энергетическим дефектам относятся фононы - временные искажения регулярности решетки кристалла, вызванные тепловыми колебаниями атомов или ионов в узлах этой решетки, а также временные несовершенства решетки (возбужденные состояния), вызванные воздействием различных радиаций: рентгеновское или γ-излучения, α- излучение, потока нейтронов.

Вакансии - отсутствие атома или иона. Различают два вида вакансий:

1. По Френкелю. При этом оторвавшийся атом занимает положение в междоузлии. Этот вид вакансий наблюдают в рыхлых кристаллах.

2. Более вероятно образование вакансий по Шоттки при котором атомы, покидая свои места в решетке, уходят на какие-нибудь стоки. Стоками вакансий могут служить дислокации, трещины, поверхность кристалла.

Как всякий точечный дефект, вакансии приводят к нарушению внутреннего периодического поля в кристалле - при этом возникают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне.

Примесные атомы. Чужеродные примесные атомы могут образовывать с основным материалом либо твердые растворы замещения, либо твердые растворы внедрения.

Атомы замещения находятся в узлах кристаллической решетки, атомы внедрения – в междоузлиях.

Кол-во источников рассеяния электронов в металлах - определяют их сопротивления.

Наличие примесных атомов вызывает появление локальных энергетических уровней в запрещенной зоне.

Дислокации (смещения) - нарушение правильной структуры вдоль некоторой линии в кристалле.

Наличие дислокаций приводит к появлению системы уровней внутри запрещенной зоны или даже к непрерывному энергетическому спектру.

Поверхностные дефекты. Существование самой поверхности является нарушением периодичности и как любое нарушение приводит к возникновению локальных уровней внутри запрещенной зоны – уровней Тамма.

Очень важное значение кристаллографические дефекты имеют для полупроводниковых материалов. Такой вид дефектов, как примесные атомы , используется для изменения свойств полупроводникового материала.

Тема 2. Тепловые свойства радиоматериалов.

Тепловые свойства радиоматериалов включают следующие понятия:

- нагревостойкость

- морозостойкость

- теплопроводность

- тепловое расширение

1. Нагревостойкость - способность материалов выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации изделия, без разрушений и недопустимого ухудшения основных параметров (т.е. без ухудшения эксплуатационной надежности).

Для органических диэлектриков нагревостойкость определяют по изменению механических параметров (механической прочности, эластичности и т.д.), - для неорганических диэлектриков, полупроводников и проводников - по изменению электрических параметров.

Количественно величину нагревостойкости оценивают значением температуры.

Тепловое старение - изменение свойств материалов при длительном воздействии температуры за счет медленно протекающих химических процессов. Выражается в увеличении хрупкости органических пленок, в увеличении удельного сопротивления тонкопленочных резисторов, в усилении процесса электромиграции в тонкопленочных проводниках, в полупроводниковых схемах.

Стойкость к тепловым импульсам (термоударам) – важная тепловая характеристика для хрупких материалов (стекла, керамика).

По ГОСТу для изоляционных материалов установлены классы нагревостойкости при длительном воздействии температур.

2. Морозостойкость - способность материала работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах (-60/-70 С).

Оценка морозостойкости по изменению механических параметров часто определяется при одновременном воздействии низких температур и вибрации.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло.

Процесс передачи тепла в газах и жидкостях обусловлен конвекцией - направленным перемещением холодных и теплых слоев. В чистых металлах движением свободных электронов. В диэлектриках и полупроводниках обычно - фононами (колебаниями узлов кристаллической решетки). В сплавах и металлах с большим содержанием примесей кроме электро-. и теплопроводности существует и фононная.

Параметр- коэффициент теплопроводности

λ=(Q*∆l) /(t* ∆Т *S) [Вт/м*К], [Вт/м*рад], [ккал/м*ч*К]

где: Q – величина тепловой энергии,

∆T /∆l – градиент температуры,

S – площадь поперечного сечения,

t – время.

Значения теплопроводности для разных групп материалов:

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепловой энергии, переданной через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры, равном единице. ∆T/∆l

Тепловое расширение- характерно для всех материалов.

Параметр, с помощью которого оценивают это явление называется температурным коэффициентом линейного расширения

Коэффициентом линейного расширения называется величина, показывающая на какую долю от начальной длины удлиняется тело, взятое при температуре 0⁰ С при нагревании его на 1⁰ К.

ТКЛР = α_e=(l_t-l₀)/ l₀*t [1/град], где

l₀ -длина при 0⁰ К, l_t – длина при t ⁰ К, тогда l_t= l₀ *(1+ α_e*t)

Монокристаллы обладают анизотропией теплового расширения, следовательно по разным направлениям ТКЛР будет иметь разные значения.

Знание ТКЛР особенно важно при сопряжении деталей из разных материалов.

Примеры величин ТКЛР.

Кроме вышесказанного, тепловые свойства материалов характеризуются температурными коэффициентами различных параметров. (ТКС, ТКЕ).

При определении ТКЛР в диапазоне температур (не от 0⁰ К).

l₁= l₀ *(1+ α_et₁ ), l₂= l₀ *(1+ α_et₂ ), исключая l₀ получим

l₂ = l₁ *(1+ α_e t₂ )/( 1+ α_e t₁)≈ l₁ (1+ α_e(t_2- t₁)),

тогда α_e≈( l_2- l₁)/ l₁ (t_2- t₁) , т.е. α_e=(1/l)*(dl/dT)

Коэффициентом объемного расширения называется величина, показывающая на какую долю начального объема увеличивается объем тела, взятого при Т=0⁰ К, при нагревании его на 1 градус.

α_v=(V_t- V₀)/ V₀*t; V_t= V₀(1+ α_v*t); α_v =(1/V)*dV/dt; α_v =( V₂- V₁)/ V₁ (t_2- t₁)

Коэффициент объемного расширения равен приблизительно утроенному коэффициенту линейного расширения: α_v≈3* α_e

Тема 3. Физические свойства радиоматериалов.

Влагостойкость – способность материалов сохранять свои параметры в заданных пределах при работе во влажной среде.

Влагостойкость оценивается следующими понятиями:

• гигроскопичность

• водопоглощаемость

• влагопроницаемость

• смачиваемость

1. Гигроскопичность – способность материалов абсорбировать влагу из окружающей среды в условиях 27% относительной влажности.

Гигроскопичность материала определяется структурой и химическим составом материала. Наибольшей гигроскопичностью обладают сложные и пористые материалы.

2. Водопоглощаемость – способность материала абсорбировать влагу при длительном погружении в воду.

3. Влагопроницаемость – способность материала пропускать сквозь себя водяной пар, при наличии разности давлений водяного пара с двух сторон материала. Коэффициент удельной влагопроницаемости можно определить из следующей формулы:

4. Смачиваемость (адсорбция) – явление, связанное с образованием пленки воды на поверхности. Это явление характерно для негигроскопичных материалов. Степень адсорбции зависит от соотношения сил сцепления молекул воды друг с другом и с поверхностью материала.

По степени смачивания материалы подразделяются:

• смачиваемые (гидрофильные)

• несмачиваемые (гидрофобные)

Высокой влагостойкостью обладают нейтрально органические диэлектрики.

Наименьшей влагостойкостью характеризуются волокнистые материалы (особенно на основе целлюлозы).

Для предохранения материалов от воздействия влаги применяют разные методы влагозащиты деталей и узлов:

1. покрытие или пропитка лаками

2. пропитка или заливка компаундами

3. герметизация - помещение деталей или узлов во влагонепроницаемые металлические, керамические или пластиковые корпуса.

Тема 4. Химические свойства материалов.

Химические свойства материалов обычно характеризуются:

1. химической стойкостью

2. растворимостью или растворяемостью

3. кислотностью

4. стойкостью против облучения

Химическая стойкость – стойкость материалов к разъеданию (корозии) различными активными веществами (газами, водой, кислотами и т.д.).

Для определения химической стойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, по возможности близкие к эксплуатационным (концентрация химически активной среды, температура и др.) и затем определяют изменение внешнего вида образцов и характеристик.

Растворимость

Это свойство важно для подбора растворителей лаков.

Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством вещества, переходящем в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающегося с растворителем. Растворимость материала зависит от химической природы вещества и от химических свойств растворителя и растворяемого материала. Так, полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, нейтральные в нейтральных. При повышении температуры растворимость обычно сильно увеличивается.

Кислотность материала характеризуется кислотным числом, которое показывает какое количество миллиграммов щелочи (КОН) необходимо для нейтрализации химически свободных кислот в одном грамме данного материала. Его необходимо знать при использовании диэлектриков в качестве изоляции проводов, при применении смол и т.д., т.к. наличие кислот в материале может вызвать процесс коррозии в металле и ускорить старение.

Радиационная стойкость радиоматериалов.

Радиационной стойкостью материалов называется степень сохранения электрических, механических и других свойств после воздействия на материал корпускулярных или квантовых радиоактивных излучений высокой энергии.

Виды излучений:

1. корпускулярные - быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, α-частицы, β-лучи.

2. квантовые- γ-лучи, жесткое и мягкое рентгеновское излучение.

Единица измерения: [рентген]

Источники излучений:

1. космическое излучение

2. рентгеновские трубки, ускорители, кинескопы и т.д.

3. ядерные реакторы

1. Основными компонентами космического излучения являются:

- первичное космическое излучение (поступающие из галактического пространства потоки протонов и α-частиц)

- солнечное космическое излучение, возникающее при вспышках на солнце (состоит, в основном, из протонов α-частиц и γ-лучи малой интенсивности)

- излучение естественных радиационных поясов земли – это обширные области околоземного космического пространства, в которых существуют потоки элементарных частиц- электронов и протонов, обладающих большой энергией.

- излучение искусственных поясов земли (образуются в результате высотных ядерных и термоядерных взрывов; состав: преимущественно электроны).

2. Эта группа является источником рентгеновского излучения, которое оказывает сильное ионизирующее воздействие при проникновении в радиоматериалы.

3. Ядерные реакторы являются источниками α-частиц, β и γ-лучей и нейтронов.

α - частицы вследствие малых скоростей имеют небольшую глубину проникновения.

β – излучение - ионизирующая способность β частиц в несколько раз меньше, чем α частиц той же энергии, но значительно больше чем у γ- излучения.

γ- лучи – ионизирующее действие γ излучения обусловлено, главным образом, вторичными электронами, которые выбиваются γ квантами при прохождении через вещество.

Нейтронное излучение - обладает самой высокой проникающей способностью, что обусловлено отсутствием у частиц электрического заряда.

Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере проникновения в глубину по закону:

При бомбардировке материала заряженными частицами нарушение его структуры происходит, в основном, в поверхностном слое; лишь при бомбардировке быстрыми нейтронами разрушение структуры происходит на значительную глубину.

Воздействия перечисленных излучений на радиоматериалы приводит к обратимым и к необратимым изменениям их характеристик.

Воздействие излучений может вызвать в материалах следующие явления:

в диэлектриках

- ионизацию

- химические реакции

- полимеризацию

- выделение газа

- увеличение электропроводности

- уменьшение теплопроводности и т.д.

в металлах - нарушение структуры кристаллической решетки (электропроводность уменьшается)

в полупроводниках - нарушение структуры кристаллической решетки (электропроводность увеличивается)

Диэлектрики:

Воздействие излучения вызывает:

в газах - усиленный процесс ионизации

в жидкостях – происходит ускоренное старение и выход из строя диэлектриков в результате необратимого накопления продуктов радиационно-химических реакций.

в органических полимерах - выделение газа, ухудшение механических характеристик, увеличивается tgσ (наибольшей радиационной стойкостью обладает «фторопласт 4»).

в пластмассах – снижение механической прочности, ухудшение изоляционных свойств, повышение водопоглощения.

в сложных пластмассах – выделение газов, уменьшение ρ_v, ρ_{s ,} Е_пр, в фольгированных пластмассах возможно отслаивание и отрыв металлизированного слоя, в результате выделения газов (наибольшей радиационной стойкостью обладает стеклотекстолит).