позволяющих объекту вернуться на Землю без разрушений. Для разработки РПТЗМ использовались фундаментальные науки, такие как физика, теплофизика, аэродинамика, электродинамика, химия, механика. И проблема входа в плотные слои атмосферы Земли без разрушения искусственных космических аппаратов и баллистических межконтинентальных ракет была, как известно, успешно решена, в том числе за счет создания новых ЭТМ, к которым относятся РПТЗМ.
Радиоэлектроника. В данной области основной задачей является миниатюризация радиоэлектронных изделий (табл. 1.1), то есть уменьшение размеров, массы, потребления энергии и повышение надежности.
Таблица 1.1
Хронология развития радиоэлектронных изделий
|
Плотность |
|
Годы |
монтажа |
Изделие |
|
изделий в см3 |
|
|
|
|
До 1945 |
1 |
Радиолампа |
|
|
|
1950 |
2 |
Транзистор |
|
|
|
1990 |
меньше 106 |
Сверхбольшие интегральные схемы |
|
|
на основе микротехнологий (СБИС) |
2005 |
меньше 109 |
СБИС (предел современной микро- |
|
|
технологии) |
После 2015 |
меньше 109 |
Ультрабольшие интегральные схемы |
|
|
на основе нанотехнологий (УБИС) |
Электротехника. В данной области основной задачей является сокращение потерь электроэнергии, обусловленных, в первую очередь, наличием электрического сопротивления у проводников. Уменьшению потерь энергии, таким образом, будет способствовать применение сверхпроводников (СП) у которых при критической температуре перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и
8
обратно (Тс) удельное электрическое сопротивление (ρ) становится равным нулю. (По крайней мере, сейчас с учетом существующих прецизионных методов измерений для СП ρ меньше 10- 24 Ом·м при температуре ниже Тс). Критическая температура Тс вплоть до 1987 года составляла 23 К, что требовало использования в качестве хладагента дорогостоящего гелия для перевода материала в сверхпроводящее состояние. Это ограничивало сферу применения сверхпроводников. В конце 80-х годов ХХ века были созданы новые электротехнические материалы — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Тс больше, чем 77,4 К — температуры испарения жидкого азота. Это открыло большие перспективы для широкого использования сверхпроводимости в технике, в результате в настоящее время во многих промышленно развитых странах, включая Россию, разработаны опытные и промышленные образцы силовых кабелей, трансформаторов, двигателей, в конструкции которых используются ВТСП.
Данные, иллюстрирующие развитие сверхпроводников, начиная с момента их открытия, представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Хронология развития сверхпроводниковых материалов
Год |
Тс, К |
Материал |
|
|
|
1911 |
4,2 |
Традиционные сверхпроводники |
|
|
|
1973 |
23,2 |
|
|
|
|
1986 |
35 – 40 |
|
|
|
Высокотемпературные сверхпроводники |
1987 |
93 |
|
|
|
|
1993−2008 |
135 |
|
|
|
|
Таким образом, подводя итог на основе приведенных примеров, следует констатировать, что электротехнические материалы действительно играют очень важную роль в науке и технике, во многом обеспечивая современный уровень цивилизации.
9
Исходные компоненты ЭТМ получают в основном из Земной коры, а также из атмосферы и океанской воды путем переработки с помощью металлургической или химической промышленности. Изготовление электротехнических материалов и изделий из исходных компонентов осуществляется на предприятиях, как вышеприведенных областей промышленности, так и в рамках других отраслей (электротехника, радиотехника, полупроводниковое производство и др.).
Основные требования к ЭТМ:
высокая степень чистоты (низкое содержание примесей); контролируемое введение примесей для целенаправленного из-
менения свойств.
Ученые, занимавшиеся разработкой ЭТМ. Первыми, по крайней мере, в пределах Европы, были древние греки. В частности,
Фалес Милетский (V век до н. э.). |
|
|
|
|
|
В ХХ веке — это следующие ученые. |
|
|
|||
Российские |
ученые: |
П. Л. Капица*, |
Н. Н. Семенов*, |
||
И. В. Курчатов*, |
А. Ф. Иоффе* |
(работали |
в |
СПбГПУ), |
|
Ж. И. Алферов* |
(работает в |
|
СПбГПУ), |
Н. П. Богородицкий, |
|
А. Н. Абрикосов* и многие, многие другие. (*— |
нобелевские лауреа- |
||||
ты). |
|
|
|
|
|
Зарубежные ученые: Х. Камерлинг-Оннес (Голландия), открывший явление сверхпроводимости, П. Дебай (Голландия), Э. Резерфорд (Англия), А. Хиппель (США) и многие другие.
Центры разработок электротехнических материалов: Физикотехнический институт РАН (ФТИ РАН), Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ), СанктПетербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Московский государственный университет (МГУ), Московский энергетический институт (МЭИ), Массачусетский технологический институт (MTI) и многие другие организации, как в России, так и во всем мире.
10
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Существует три вида классификации ЭТМ, дополняющие друг друга: по поведению в электрическом поле; по поведению в магнитном поле; по применению в технике.
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПОВЕДЕНИЮ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
По поведению в электрическом поле все ЭТМ подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Критерием для классификации является величина удельной электропроводности (γ) или обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление (ρ). Электропроводность — способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля. Электропроводность связана с направленным движением носителей электрического заряда, обусловленным воздействием электрического поля.
По этому признаку ЭТМ подразделяются на три класса. Проводники — материалы с высокой и ярко выраженной элек-
тропроводностью и с учетом этих свойств они используются в технике.
Представители проводников:
твердые тела: металлы (серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al) и др.) и сплавы;
жидкие тела: расплавы и электролиты; газообразные тела: ионизированные газы (плазма).
Применение проводников определяется, в первую очередь, передачей электрической энергии.
11
Диэлектрики — материалы, основным свойством которых является способность к поляризации, и в которых могут существовать электростатические поля. Электропроводность у диэлектриков очень низкая. Реальный диэлектрик тем ближе к идеальному, чем ниже его электропроводность.
Представители диэлектриков:
твердые тела: оксиды металлов (Al2O3, MgO, SiO2, ВеО и др.), высокомолекулярные вещества /полимеры/ (полиэтилен, политетрафторэтилен /фирменные названия: в РФ — фторопласт-4; за рубежом — тефлон, фторлон/, полиэтилентерефталат, полипропилен, полиметилметакрилат (органическое стекло), древесина, шелк, шерсть), керамика, стекло и другие;
жидкие тела: нефть, нефтяные масла (кабельное, конденсаторное, трансформаторное), синтетические масла (углеводородные и кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости), бензин, бензол, сжиженные газы и другие.
газообразные тела: все газы (неионизированные).
Диэлектрики применяются, в первую очередь, в качестве электроизоляционных материалов.
Полупроводники — материалы, у которых величины электропроводности и электрического сопротивления находятся между проводниками и диэлектриками.
Представители полупроводников: кремний (Si), из него в настоящее время изготавливаются приблизительно 95 % всех полупроводниковых электронных приборов; германий (Ge); карбид кремния (SiC); арсенид галлия (AsGa) и другие.
Применение — изготовление полупроводниковых электронных приборов, таких как: транзисторы, тиристоры, микропроцессоры, солнечные элементы и другие.
Количественная оценка ЭТМ производится по параметрам: γ — удельная электропроводность, [γ] = Ом- 1·м- 1 = См/м;
ρ — удельное электрическое сопротивление, ρ = 1/ γ, [ρ] = Ом·м.
12