Матведответ

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим видам испытаний. Для определения ударной вязкости используют стандартные образцы с надрезом U- или V-образной формы, который служит концентратором напряжений. В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU или KCV. Образец устанавливают на маятниковом копре так, чтобы удар маятника был нанесен по стороне образца, противоположной надрезу, раскрывая его. Маятник поднимают на высоту Ль при падении он разрушает образец

иподнимается на высоту h2. hx > h2, так как часть запасенной при подъеме энергии тратится на разрушение образца. Таким образом, работа разрушения составит: А = mG (hx — h2), кДж. Ее значение считывается со шкалы маятникового копра. Ударная вязкость — это относительная работа разрушения, т. е. работа удара, отнесенная к площади поперечного сечения образца F. Таким образом, KCU (KCV) = A/F, кДж/ м². У многих металлов

исплавов, в первую очередь имеющих ОЦК и ГПУ решетки, с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал, в котором происходят эти изменения, называется порогом

хладноломкости или критической температурой хрупкости. В зависимости от структурного состояния металла и уровня прочности переход к хрупкому разрушению может быть плавным или резким. На рис. 3.16 показана температурная зависимость порога хладноломкости крупнозернистой и мелкозернистой сталей.

1.1.1.1.1.1.1.1.2122. Порог хладноломкости. Определение трещиностойкости.

Хладноломкость. Различают верхнюю tB и нижнюю tH границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Г50. Чем выше порог хладноломкости, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению; например, если он выше 20 °С, металл хрупко разрушается при комнатной температуре. Изделия следует эксплуатировать при температурах выше порога хладноломкости, когда хрупкое разрушение исключается. На порог хладноломкости оказывают влияние величина зерна, химической состав, масштабный фактор (размеры изделия), концентраторы напряжений, скорость нагружения и т.д. Для эксплуатации в северных условиях необходимы детали из сталей с низким порогом хладноломкости — северного исполнения. Снижение порога хладноломкости достигается легированием никелем. Определение

трещиностойкости. Трещиностойкостъ характеризует способность материала сохранять свою работоспособность (не разрушаться) при наличии трещины. Трещина в материале может возникнуть в результате усталости, быть следствием металлургического дефекта и т.п. Трещина является концентратором напряжений, напряжения в ее вершине значительно превосходят средние аср, т.е. расчетные, следовательно, они тем больше,

чем длиннее и острее трещина. Если напряжения в устье трещины таковы, что вызывают ее распространение, происходит разрушение материала, даже если расчетные напряжения ниже предела текучести. Трещиностойкостъ оценивается критерием Къ. Коэффициент трещиностойкости Kicсвязывает величину разрушающих напряжений, воздействующих на деталь, и длину трещины:Kic = 2арл/тс, где ар — разрушающие напряжения, которые следует учитывать в прочностных расчетах, при известной длине трещины. Таким образом, размерность коэффициента — МПа м1/2. Коэффициент трещиностойкости является характеристикой материала. Его определяют на специальных образцах с заранее образованной трещиной при внецентровом растяжении.

1.1.1.1.1.1.1.1.2223.Электротехнические материалы, классификация и область применения.

Электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения. Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы и диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре. В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и

их сплавы. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах. Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы. Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС. Электропроводность характеризует способность вещества проводить электрический ток. Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля. Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.). К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом•см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН). Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла. Поляризацией диэлектрика называют возникновение в нем при внесении во внешнее электрическое поле макроскопического собственного электрического поля, обусловленного смещением заряженных частиц, входящих в состав молекул диэлектрика. Диэлектрик, в котором возникло такое поле, называетсяполяризованным. Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела. Используют для изготовления электрических машин, аппаратов и приборов, для сооружения электрических установок и монтажа электрических линий.

1.1.1.1.1.1.1.1.2324.Особенности зонно-энергетической структуры металлов.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. Металлы — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы. Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала. Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также проводимость можно увеличить, создав разрёшенный энергетический уровень в запрещённой зоне путём легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в

электричество), диоды,транзисторы, твердотельные лазеры и другие.,Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессом рекомбинации.

1.1.1.1.1.1.1.1.2425.Физическая природа электропроводности металлов

Если считать, что все атомы в металлах ионизированы однократно, то концентрация свободных электронов будет равна концентрации атомов и может быть рассчитана по формуле: (d/A)·NA. В соответствии с атомнокинетической теорией идеальных газов средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой: (m0·UCP2)/2 = (3/2)·k·T. Приложение внешнего напряжения приводит к увлечению электронов в направлении действующих сил поля, т.е. электроны получают некоторую добавочную скорость направленного движения, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока в проводнике определяется выражением: J = e·n·VCP. В промежутках между столкновениями с узлами решетки электроны при воздействии электрического поля движутся с ускорением a = (e·E)/m0. Максимальная скорость дрейфа, приобретаемая электроном к концу свободного пробега, VMAX = a·t0. После столкновения для большинства электронов скорость направленного движения падает до нуля, т.е. накопленная кинетическая энергия передается атомам решетки. Поэтому среднее значение скорости дрейфа за время свободного пробега равно половине максимального VCP = (е·Е·t0)/(2m0). Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности тока приводит к следующему результату: J = [(e2·n·lCP)/(2m0· UCP)]·E = ·E. Средняя дрейфовая скорость электронов окажется вдвое больше. С учетом этой поправки выражение для

удельной проводимости принимает следующий вид: = (e2·n·lCP)/(2m0· UCP). Удельное сопротивление ρ = 1/ [Ом·мм2/м]

1.1.1.1.1.1.1.1.2526.Факторы, влияющие на удельное сопротивление металлов

Температурный коэффициент (ТК) какого-либо параметра z материала - это логарифмическая производная этого параметра по температуре: TKz=(1/z)*(dz/dT)=(d/dT)*lnz [К-1]. Удельное сопротивление металлов при повышении температуры возрастает. Следовательно, температурный коэффициент удельного сопротивления С

понижением температуры могут уменьшаться частоты колебаний. Поэтому в области низких

температур рассеяние электронов тепловыми колебаниями узлов кристаллической решетки становится не эффективным. Взаимодействие электрона с колеблющимися атомами лишь незначительно изменяет импульс электрона. В теории колебаний атомов решетки температуру оценивают относительно некоторой характеристической температуры, которую называют температурой Дебая (ѲД). Температура Дебая определят максимальную частоту тепловых колебаний, которые могут возбуждаться в кристалле ѲД = hvmax/k. Эта температура зависит от сил связи между узлами кристаллической решетки и является важным параметром твердого тела. При Т > ѲД удельное сопротивление металлов изменяется линейно с температурой ρ = ВТ. Примеси и другие структурные дефекты. Дефекты структуры подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные). Динамические дефекты возникают при механических, тепловых или электромагнитных, воздействиях на Кристалл, При прохождении через него потока частиц высокой энергии и т. п. Наиболее распространенным видом динамические дефектов являются фононы - временные искажения регулярности решетки, вызванные тепловым движением атомов. Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и протяженные несовершенства. Атомные дефекты могут проявляться в виде незанятых узлов решетки — вакансий, в виде смещений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К протяженным дефектам относятся дислокации, трещины, поры, границы зерен, микровключения другой фазы Причинами рассеяния электронных волн в металле являются и статические дефекты структуры, которые также нарушают периодичность потенциального поля кристалла. Поэтому при приближении температуры к абсолютному нулю сопротивление реальных кристаллов стремится к некоторому постоянному значению, называемому остаточным сопротивлением. Отсюда вытекает правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления ρ = ρТ + ρОСТ, Исключение из этого правила составляют сверхпроводящие металлы, в которых сопротивление исчезает ниже некоторой критической температуры. Любая примесная добавка приводит к повышению ρ, даже если она обладает повышенной проводимостью по

сравнению с основным металлом. Примесное рассеяние ограничивает длину свободного пробега электронов, которая в реальном проводнике определяется соотношением: 1/lср= 1/lсрт + 1/lсрп. Чем выше потенциал, тем сильнее различаются валентности примесных атомов и металла-растворителя (основы). Помимо есть собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зерен. Концентрация точечных дефектов экспоненциально возрастает с температурой и может достигать высоких значений вблизи точки плавления. Кроме того, вакансии и междоузельные атомы легко возникают в материале при его облучении частицами высокой энергий, например, нейтронами из реактора или ионами из ускорителя. По измеренному значению сопротивления можно судить о степени радиационного повреждения решетки. Таким же образом можно проследить и за восстановлением (отжигом) облученного образца = ρ300/ρ4,2. Деформация ρ = ρ0(1 s ), изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются» при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов обуславливает уменьшение подвижности носителей зарядов и, как следствие, возрастание ρ. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению ρ.Пластическая деформация, как правило, повышает ρ металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) ρ может быть вновь снижено до первоначального значения. Иногда наблюдающееся при деформациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объясняется вторичными явлениями – уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т.д. При воздействии высоких гидростатических давлений характер изменения ρ у различных металлов может быть весьма различным: при этом могут наблюдаться повышения, понижения и обусловленные полиморфическими переходами (изменениями кристаллической структуры вещества) скачкообразные изменения ρ. Такие скачки ρ (висмута, бария, таллия, свинца и др.) при изменении гидростатического давления используют в качестве реперных точек при измерениях высоких давлений.

1.1.1.1.1.1.1.1.2627.Электрические свойства металлических сплавов

Статическое распределение атомов различных сортов по узлам кристаллической решетки вызывает значительные флуктуации периодического поля кристалла, что, в свою очередь, приводит к сильному рассеянию электронов. Как и в случае металлов, полное сопротивление сплава можно выразить в виде суммы двух слагаемых: ρСПЛ = ρТ + ρОСТ, Специфика твердых растворов состоит в том, что остаточное сопротивление может существенно (во много раз) превышать тепловую составляющую. ρОСТ = С·ХА·ХВ = С·ХВ·(1–ХВ) Это соотношение получило название закона Нордгейма. Из него следует, что в бинарных твердых растворах А-В остаточное сопротивление увеличивается как при добавлении атомов А к металлу В, так и при добавлении атомов В к металлу А. Причем это изменение характеризуется симметричной кривой. Закон Нордгейма довольно точно описывает изменение удельного сопротивления непрерывных твердых растворов в том случае, если при изменениях состава не наблюдается фазовых переходов и ни один из компонентов не принадлежит к числу переходных или редкоземельных элементов. Примером подобных систем могут служить сплавы Аu – Аg, Сu – Ag Сu – Аu, W – Мо и др. Чем больше удельное сопротивление сплава, тем меньше его ТКρ. Это вытекает из того, что в твердых растворах остаточное сопротивление, как правило, существенно превышает тепловое сопротивление и не зависит от температуры. В соответствии с определением температурного коэффициента:

проводимости их обуславливается не только изменением длины свободного пробега электронов, но и частичным возрастанием концентрации носителей заряда при повышении температуры. Сплав, у которого уменьшение длины свободного пробега с увеличением температуры компенсируется возрастанием концентрации носителей заряда, имеет нулевой температурный коэффициент удельного сопротивления. Линейная зависимость между остаточным сопротивлением и концентрацией примесных атомов в металле: ρост = С·ХВ, Некоторые сплавы имеют тенденцию образовывать упорядоченные структуры или интерметаллические соединения, если при их изготовлении выдержаны определенные пропорции в составе. Упорядочение структуры происходит ниже некоторой характеристической температуры ТКР, называемой температурой Курнакова. Например, сплав, содержащий 50ат.% Сu и 50 ат.% Zn ( -латунь), обладает объемноцентрированной кубической структурой. При Т>360°С атомы меди и цинка распределены по узлам решетки случайным образом, статистически. Ниже этой критической температуры сплав упорядочивается таким образом, что атомы меди располагаются в вершинах куба, а атомы цинка - в центре кубических ячеек. В системе Сu-Аu упорядочение

наблюдается у составов СuАu и Сu3Аu. Образование упорядоченной структуры сопровождается снижением удельного сопротивления твердого раствора, причем весьма. В том случае, когда компоненты бинарной системы не обладают взаимной растворимостью в твердом состоянии, структура застывшего после кристаллизации сплава представляет собой смесь двух фаз. Удельное сопротивление таких гетерофазных сплавов в первом приближении линейно изменяется с изменением состава, т.е. возрастает пропорционально содержанию металла с большим значением р. Однако в силу значительной структурной чувствительности электрических свойств неоднородных материалов возможны заметные отклонения от простой аддитивности, вызванные размерами частиц, их формой, распределением в материале. Например, если одна из фаз образует непрерывно связанную матричную основу, в которую вкраплены несоприкасающиеся между собой частицы другой фазы, то удельную проводимость смеси следует рассчитывать по формуле:

1.1.1.1.1.1.1.1.2728.Сопротивление проводников на высоких частотах

На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводников: плотность тока максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта (или скин-эффекта). Сцепленный с проводом магнитный поток пропорционален току: Ф = L·i ,

Э.д.с. самоиндукции имеет направление, противоположное току в проводе и тормозит его изменение в соответствии с законом Ленца. При прохождении переменного тока

переменное магнитное поле возникает как вне проводника, так и внутри него, причем по отношению к этому

центральных частях проводника и в меньшей степени у поверхности. С ростом частоты «вытеснение» тока к поверхности проводника проявляется сильнее, так как э.д.с. самоиндукции пропорциональна частоте. Если радиус кривизны поверхности велик по, сравнению с глубиной, на которой сосредоточена основная часть тока, то его можно рассматривать как бесконечное полупространство; заполненное веществом. Уравнение распределения тока но сечению проводника: JX(z) = J0exp(-z/ ), Плотность тока изменяется по тому же закону, что и напряженность электрического поля, т. к. J = ·E. По мере удаления от поверхности изменяется не только амплитуда поля, но и фаза электромагнитных колебаний на -z/ , т.е. внутри проводящей среды колебания запаздывают по фазе по отношению к колебаниям на поверхности. Резкость проявления поверхностного эффекта усиливается не только при увеличении частоты, но и при увеличении магнитной проницаемости и удельной проводимости материала. Это объясняется тем, что увеличение вызывает увеличение потока внутри провода, т.е. приводит к возрастанию индуктивности проводника L, а увеличение усиливает влияние э.д.с. самоиндукции. Связь глубины проникновения поля с физическими характеристиками вещества определяется выражением: В случае сильно выраженного поверхностного эффекта значения тока рассчитываются по формуле: Поскольку центральная часть сечения проводника почти не используется, активное сопротивление провода R1 при прохождении по нему переменного тока больше, чем его активное сопротивление R0 при постоянном токе. Коэффициент увеличения сопротивления kR цилиндрического провода круглого сечения S0 рассчитывают по формуле:RS = ρ/ ,

JП J 0 2exp( z / )dz1 J 0 П ,

0 0 f 0 ,

1.1.1.1.1.1.1.1.2829.Электрофизические свойства тонких металлических пленок

Металлические пленки широко используются в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов, магнитных и резистивных элементов интегральных схем. Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов исходных проводниковых материалов. Одной из причин такого различия является разнообразие структурных характеристик тонких пленок, получаемых методом конденсации молекулярных пучков в вакууме. При варьировании условий конденсации структура образующихся пленок может изменяться от предельно неупорядоченного мелкодисперсного состояния (аморфный конденсат) до структуры весьма совершенного монокристаллического слоя. Другая причина изменения свойств материала в пленочном состоянии связана с

проявлением размерных эффектов, т.е. с возрастающей ролью поверхностных процессов по сравнению с объемными Тонкие пленки на ранних стадиях конденсации имеют островковую структуру, т.е. при малом количестве осажденного металла его частицы располагаются на диэлектрической подложке в виде отдельных разрозненных зерен – островков. Электропроводность пленки возникает при некотором минимальном количестве осажденного металла, однако, еще до образования соединительных мостиков между островками металла. При приложении электрического поля (в плоскости пленки) происходит переход электронов через узкие диэлектрические зазоры между соседними островками. Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование; в частности, туннелировать могут электроны, расположенные выше уровня Ферми. Переход электронов облегчается при повышении температуры. Кроме того, сопротивление пленки островковой структуры во многом определяется поверхностным сопротивлением участков подложки, на которых нет зерен металла. А поверхностное сопротивление диэлектриков с увеличением температуры падает. Эти причины и обуславливают отрицательный ТКρ пленок малой толщины. При увеличении количества осажденного металла величина зазоров между островками уменьшается, проводимость пленок растет, отрицательный ТКρ становится меньше по модулю, а затем меняет знак. Значение толщины пленки, при которой происходит смена знака ТКρ зависит от рода металла, условий формирования пленки, концентрации примесей, состояния поверхности подложки и в реальных условиях составляет несколько нанометров (нм). В процессе дальнейшей конденсации вещества на подложке происходит слияние островков и образование сначала проводящих цепочек и каналов, а затем – сплошного однородного слоя. Но и в сплошной пленке удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление исходного проводника, что является следствием высокой концентрации дефектов - вакансий, дислокации, границ зерен, образующихся при срастании островков. Большое влияние на свойства пленок оказывают примеси, поглощаемые из остаточных газов. Примесные атомы, захваченные в пленку во время ее осаждения, могут впоследствии мигрировать к границам зерен, где имеется большая вероятность выпадения их в отдельную фазу. Хорошо известно, что диффузия по границам зерен протекает на несколько порядков быстрее, чем по объему пленки. Пленки, подвергшиеся окислению по границам зерен, не являются электрически непрерывными, даже если физически они оказываются сплошными. Окисленные границы зерен увеличивают отрицательный температурный коэффициент сопротивления почти так же, как это происходит в островковых пленках. Увеличению удельного сопротивления пленки способствует и размерный эффект, т. е. сокращение длины свободного пробега электронов вследствие их отражения от поверхности образца. Полагая (основываясь на правиле Маттиссена), что процессы рассеивания электронов в объеме и на поверхности статистически независимы, аддитивны, для длины свободного пробега l электронов в пленке запишем: 1/l = 1/l + 1/lS,

свободного пробега электронов в объеме материала существенно возрастает, влияние размерных эффектов проявляется при гораздо больших толщинах пленок.

Ограничения длины свободного пробега вызывают лишь те столкновения с поверхностью пленки, которые носят неупругий характер, являются незеркальными. При таком отражении направление, в котором движется электрон после столкновения, не зависит от его первоначальной траектории.

параметром сопротивление квадрата R□ (или сопротивление на безразмерный квадрат или удельное поверхностное сопротивление), численно равным сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки: R□ = ρ / . В виду того, что R□ не зависит от величины квадрата, сопротивление тонкопленочного резистора легко рассчитать по формуле: R = R□·l0/d0, Для изготовления тонкопленочных

тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал, рений, хром) и сплав никеля с хромом. Пленочные резисторы из чистых металлов имеют то преимущество, что они Постоянны по составу и поэтому легче обеспечивается однородность их структуры. А это, в свою очередь, приводит к повышенной стабильности электрических пленок.

Коэффициент теплопроводности λ металлов много больше, чем у диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость металла, тем больше его коэффициент теплопроводности λ. При повышении температуры; когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной электрической проводимости λ/ должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана – Франца – Лоренца: λ/ = L0/T, Закон Видемана – Франца – Лоренца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальным или несколько повышенных. Температурный коэффициент линейного расширении проводников

зависят от механической и термической обработки, от наличия примесей и т.п. Отжиг приводит к существенному уменьшению и увеличению 1/1, Термоэлектродвижущая сила. При соприкосновении двух различных металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием значений работ выхода электронов и различным значением концентраций свободных электронов соприкасающихся металлов. Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой.При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим током. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах, разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебека. Как показывает опыт, в относительно небольшом температурном интервале термо-э.д.с. пропорциональна разности температур контактов (спаев):U = Т(Т2–Т1), Вторая составляющая термо-э.д.с. обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Средняя энергия электронов в металле хотя и немного, но все же изменяется с температурой. Электроны, сосредоточенные на горячем конце, обладают несколько большей кинетической энергией и большей скоростью движения по сравнению с носителями холодного конца. Поэтому они в большем числе диффундируют в направлении температурного градиента, чем в обратном. Диффузионный поток, унося отрицательный заряд из горячего конца в холодный, создает между ними разность потенциалов. Третья составляющая термо-э.д.с. возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами). Их поток также распространяется к холодному концу. Все составляющие термо-э.д.с. определяются небольшой концентрацией электронов, расположенных на энергетических уровнях близких к уровню Ферми, и отстоящих от него на величину порядка kТ. Поэтому удельная термо-э.д.с. для металлов оказывается очень небольшой. Квантовая теория дает следующее выражение для удельной термо-э.д.с. одновалентных металлов:

1.1.1.1.1.1.1.1.2931.Классификация проводниковых материалов по функциональному значению.

Медь (Сu).Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:малое удельное сопротивление ( = 0,0172 мкОм·м), Из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее = 0,016 мкОм·м, достаточно высокая механическая прочность, удовлетворительная

вбольшинстве случаев стойкость к коррозии (даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах), хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы, ленты и протягивается

впроволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра, относительная легкость пайки и сварки.Получение меди.Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и отжигов медь, предназначаемую для электротехнических целей, обязательно подвергают электролитической очистке. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требуемого поперечного сечения. Марки меди. В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99,9% Си, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Наличие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше

0,02% кислорода.При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении, если удлинение мало, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит. Если медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим отжигом, то получится мягкая (отожженная) медь ММ, которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большее удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость. Электропроводность меди весьма чувствительна к наличию примесей. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость к истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств и т. п. Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в виде токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения. Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфатных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки с металлом невелика.Водородная болезнь меди. Водородной болезнью меди называют нарушение структуры, которое наблюдается в электротехнической меди. Так как удельное электрическое сопротивление меди при механической обработке возрастает свыше допустимой границы, ее нужно после такой обработки отжигать, чтобы вернуть ей первоначальные свойства. Чтобы ограничить окисление, медь отжигают в защитной атмосфере. Если эта атмосфера содержит водород или углеводороды, водород при высоких температурах проникает путем диффузии в медь и в ней реагирует с кислородом, который содержится в окиси меди, в результате чего образуется вода. Молекулы воды не могут диффундировать в меди. Водяной пар создает высокое давление, которое вызывает возникновение Пор и трещин в меди. Медь, пораженная водородной болезнью, становится хрупкой и легко ломается;Алюминий (Al).Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий — металл серебристо - белого цвета, важнейший из так называемых легких металлов. Удельное сопротивление Al в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но Al в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т.е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью. Отмеченные обстоятельства обусловливают широкое применение алюминия в электротехнике. Недостатком алюминия является его низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в 3 раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.Al получают электролизом из глинозема Al2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при температуре 950 °С.Для электротехнических целей используют алюминий марки А1, содержащий не более 0,5 % примесей. Еще более чистый А1 марки АВ001 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 содержит не более 0,004 % примесей.Из Al может прокатываться тонкая (до 6–7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.Al на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные пасты - припои или используют ультразвуковые паяльники.Пленки Al широко используются в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обеспечивают связь между отдельными элементами схемы и внешние присоединения. Нанесение пленок на кремниевые пластины обычно производят методом испарения и конденсации в вакууме. Требуемый рисунок межсоединения создается с помощью фотолитографии. Преимущества А1 как контактного материала состоит в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2. Недостатком Al является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединения.Сплавы.Бронзы: представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые) и с другими легирующими элементами. Проводимость бронзы составляет примерно 15-30 % от проводимости чистой меди (в зависимости от состава примесей). Бронзы хорошо обрабатываются резанием, давлением и паяются. Из бронз изготавливают полуфабрикаты ленты, полосы, проволоку, листы и трубки, из которых производят пружинящие контакты, токопроводящие пружины, контактные части для штепсельных разъемов и других конструкционных деталей в радиоаппаратах. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости дает существенное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Латунь –

сплавы меди с цинком. Они обладают достаточно высокой пластичностью. Из латуни изготавливают различные зажимы, контакты и крепежные детали для радиоаппаратуры. Марки латуней обозначаются буквой Л, за которой следуют буквы и цифры, указывающие содержание меди и других компонентов. Серебро. Серебро относится к группе благородных металлов – это белый, блестящий металл, стойкий к окислению при нормальной температуре. От других металлов отличается наименьшим удельным сопротивлением. Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теплоемкости, теплопроводности и электрической проводимости серебра обеспечивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев контактов и быстрый отвод теплоты от контактных точек,Серебро применяют также для непосредственно нанесения на диэлектрики, в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Из серебра выполняют защитные слои на медных жилах радиомонтажных проводов, используемых при температурах до 250 С .Золото.Золото – блестящий металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью, не окисляется на воздухе даже при высоких температурах. Au = 0,024 мкОм·м. Из золота получают фольгу до 0,005 мм и проволоку до 0,01 мм. Применяется как контактный материал, материал для коррозийно устойчивых покрытий, для электродов фотоэлементов, в качестве межсоединений и контактных площадок в пленочных микросхемах.

1.1.1.1.1.1.1.1.3032.Контактные материалы

Наиболее ответственными контактами являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные, а также скользящие контакты). Материалы для разрывных контактов должны обеспечивать высокую надежность: не допускать возможности эрозии (обгорания) контактирующих поверхностей, приваривания их друг к другу под действием возникающей в случае разрыва контакта электрической дуги при малом переходном электрическом сопротивлении контакта в замкнутом состоянии. В качестве контактных материалов для разрывных контактов помимо тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) широко применяют материал системы Аg-СdO при содержании СdО ~ 12-20 мас. %, кроме того, применяют следующие композиции. Аg с Со, Ni, Сr, Мо, W, Та; Сu с W и Мо; Аи с W и Мо – для разрывных контактов в установках большой мощности. В качестве материалов для скользящих контактов, которые должны обладать высокой стойкостью к истиранию, используют твердую медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Аg-СаО.

1.1.1.1.1.1.1.1.3133.Сплавы высокого сопротивления

1. Манганин (от марганца — латинское manganum) – его примерный состав - Сu - 85 %; Мn - 12 %; Ni - 3 %, желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение манганина 0,42 - 0,48 мк0м·м;ТК = (6- 50)·10-6 К-1; коэффициент термо-э.д.с. в паре, с медью всего лишь 1-2 мкВ/К.Манганин применяют при производстве резисторов высокого класса.ТКР =18·10-6 1/°С.TПЛ = 960°С. 2. Константан - сплав серебристожелтого цвета, содержащий Сu-60 %, Ni - 40 % – название «константан» – объясняется значительным постоянством при изменении температуры т. е. малым ТК = -(5-25)·10-4 K-1 . При нормальной температуреKOHCT = 0,48-0,52 мкОм·м. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450°С. Существенным отличием от манганина является высокая термо-э.д.с. константана в паре с медью, а также железом; его коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью составляет 41-55 мкВ/к. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах. Так как при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э.д.с., которые могут явиться источниками ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах. Однако константан с успехом может быть применен при изготовлении термопар.ТПЛ= 1260 °С; ТКР=14·10-6 1/°С.

1.1.1.1.1.1.1.1.3234.Жаростойкие проводниковые материалы.

Жаростойкими проводниковыми материалами являются сплавы на основе никеля хрома и некоторых других компонентов. Жаростойкость этих сплавов, т.е. их неокисляемость даже при высоких (до 900-1200 °С) температурах обусловлена образованием на их поверхности пленки большой плотности, исключающей доступ

кислорода к сплаву (окись хрома Сr2О3 и закись никеля NiO), которые не испаряются с поверхности сплава при высоких температурах.

Жаростойкие проводниковые материалы на основе никеля и хрома называются нихромами, а на основе железа, хрома и алюминия - фехралями (при большом содержании железа) и хромалями. В зависимости от состава 1-1,4 мкОм·м.

Областями применения жаростойких сплавов и изделий из них (голая и изолированная проволока и ленты) являются проволочные резисторы и нагревательные элементы. Кроме того, их применяют ИС с целью получения тонкопленочных резисторов.

1.1.1.1.1.1.1.1.3335.Сплавы для термопар.

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (44% Ni и 56% Сu), алюмель (95% Ni, остальное Аl, Si, Мg), хромель (90% Ni и10% Сr), платинородий (90% Рt и10% Rh). Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий – платина (до 1600 °С), медь – константан, медь – копель ( до 350 °С), железо – константан, железо – копель, хромель – копель (до 600 °С), хромель - алюмель (до 900 - 1000 °С). Для измерения криогенных температур можно использовать железо – золото.

36.Сверхпроводящие металлы и сплавы Это исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости

материала, было названо сверхпроводимостью, а критическая температура охлаждения, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, - температурой сверхпроводниковою перехода ТКР. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; с повышением температуры до ТКР материал приобретает нормальное (не сверхпроводящее) состояние с конечным значением удельной проводимости . В дальнейшем были обнаружены помимо ртути и многие другие материалы, причем не только чистые металлы, но и различные сплавы и химические соединения, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние. Такие материалы получили название сверхпроводников. Известно более 27 простых сверхпроводников (чистых металлов) или сверхпроводников I рода и более 1000 сложных (сплавов и соединений) или сверхпроводников II рода. Однако многие вещества, в том числе и такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при самых низких достигнутых в настоящее время температурах перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Следует отметить, что сверхпроводниками могут быть соединения и сплавы не только сверхпроводниковых металлов друг с другом, но и сверхпроводниковых элементов с несверхпроводниковыми и даже соединения, в молекулы которых входят атомы исключительно несверхпроводниковых элементов. Так, соединение CuS - сверхпроводник с ТКР - 1,6 К, хотя ни медь Сu, ни сера S не являются сверхпроводниками. Электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энергии извне (если не учитывать неизбежного расхода энергии для работы охлаждающего устройства); это контур подобно постоянному магниту создает в окружающем Пространстве магнитное поле. Таким образом, обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой «сверх проводниковый электромагнит», не требующий питания током. Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит неизменно заканчивались неудачей. Каждому значению температуры данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение ВКР. Наибольшее возможное значение температуры переход Ткр0 (критическая температура перехода) данного сверхпроводникового материала достигается лишь при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. в случае сверхпроводникового электромагнита при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Наибольшее возможное значение магнитной индукции перехода Вкр0 (критическая магнитная индукция) также соответствует температуре сверхпроводника, лишь ничтожно отличающейся от абсолютного нуля. Зависимость ВКР от температуры во многих случаях выражается формулой ВкрТ = Вкр0[1- (Т/Ткр0)2],Широкие перспективы применения сверхпроводников открывает измерительная техника. Дополняя возможности имеющихся измерительных средств, сверхпроводящие элементы позволяют регистрировать очень тонкие физические эффекты, измерять с высокой точностью и обрабатывать большое количество информации. Уже сейчас на основе сверхпроводимости созданы высокочувствительные болометры для регистрации ИК-излучения, магнитометры Для измерения слабых магнитных потоков, индикаторы сверхмалых напряжений и токов. Кроме сверхпроводниковых электромагнитов, которые производят в большом количестве