- •1. Полупроводниковые материалы
- •1.1. Характеристика основных свойств
- •1.2 Классификация.
- •3. Подвижность свободных носителей заряда ( n и p)
- •5. Относительная диэлектрическая проницаемость.
- •6. Плотность материала.
- •7. Удельное сопротивление собственных полупроводников.
- •1.3.1. Кремний Si.
- •1.3.2. Германий Ge.
- •1.4. Сложные полупроводники.
- •1.4.1. Соединения группы а2b6.
- •1.4.2. Соединения группы а4в4.
- •1.4.3. Окисные полупроводники.
- •1.4.4. Поликристаллические полупроводники.
- •1.4.5. Аморфные полупроводники.
- •1.5. Параметры полупроводниковых материалов
- •1.6. Классификация полупроводниковых материалов
- •1.7. Полупроводниковый кремний как конструкционный материал
- •1.8. Вопросы и задачи
- •2. Проводниковые материалы
- •2.1. Определение и свойства проводников
- •2.2. Зависимость электрических свойств проводниковых материалов от внешних факторов
- •2.2.1. Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников
- •2.2.2. Зависимость удельного сопротивления проводниковых материалов от давления
- •2.2.3. Сопротивление проводников на высоких частотах
- •2.2.4 Свойства материалов в виде тонких плёнок.
- •2.3 Материалы высокой проводимости.
- •2.4 Металлы высокого сопротивления.
- •2.5 Монометаллические резистивные материалы.
- •2.6 Металлические сплавы
- •2.7. Металло-окисные резистивные материалы.
- •2.8. Интерметаллические сплавы.
- •2.9. Механические композиции.
- •2.10. Материалы для толстоплёночных гис.
- •2.11. Сплавы специального назначения.
- •2.12 Биметаллы.
- •2.13. Вопросы и задачи
- •3. Диэлектрические материалы
- •3.1. Определение, основные свойства
- •3.1. Графики зависимости диэлектрической проницаемости
- •3.2. Параметры диэлектриков
- •3.2.1. Электрические параметры
- •3.2.2. Тепловые параметры
- •3.2.3. Физические параметры
- •3.3. Обзор диэлектрических материалов.
- •3.4. Функции пассивных диэлектриков в рэа.
- •3.5. Классификация пассивных диэлектриков.
- •3.6. Газообразные диэлектрики.
- •3.7. Жидкие диэлектрики.
- •3.8. Твердеющие диэлектрики.
- •3.9.1. Лаки.
- •3.9.2. Эмали.
- •3.9.3. Компаунды.
- •3.10. Полимеры.
- •3.11.1. Природные полимеры.
- •3.11.2. Линейные полимеры.
- •3.11.3. Полимеры, получаемые поликонденсацией.
- •3.12. Композиционные пластмассы и слоистые пластики.
- •3.13. Полимерные клеи и адгезивы.
- •3.14. Стекла.
- •3.14.1 Способы аморфизации материалов.
- •3.14.2. Общая характеристика стекол.
- •3.14.3. Химический состав и свойства оксидных стекол.
- •3.14.4. Техническое назначение стекол.
- •3.14.5. Кварцевое стекло высокой чистоты.
- •1.10. Стеклокристаллические материалы – ситаллы.
- •3.16. Техническая керамика.
- •3.16.1. Общая характеристика.
- •3.16.2. Виды керамики, применяемые в рэа.
- •3.17. Кварцевое стекло
- •3.18. Вопросы и задачи
- •4.2. Прецизионные сплавы
- •4.3. Вопросы
- •5. Магнитные материалы
- •5.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •5.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •5.3. Виды магнитных материалов
- •5.4. Влияние состава, механической и термической обработки на магнитные свойства ферромагнетиков.
- •5.5. Магнитомягкие материалы.
- •5.5.1. Требования к магнитомягким материалам.
- •5.5.2. Классификация магнитомягких материалов.
- •5.5.3. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.
- •5.5.4. Высококачественные магнитомягкие материалы.
- •5.6. Магнитотвердые материалы.
- •5.6.1. Мтм для постоянных магнитов.
- •5.6.2. Мтм для магнитных лент.
- •5.7. Магнитные материалы специального назначения.
- •5.7.1. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ппг)
- •5.7.2. Магнитострикционные материалы.
- •5.7.3. Магнитные пленки.
- •5.7.4. Свч ферриты.
- •5.8. Вопросы
5.5. Магнитомягкие материалы.
5.5.1. Требования к магнитомягким материалам.
Магнитомягкие материалы характеризуются способностью намагничиваться до насыщения в слабых полях и малыми потерями на перемагничивание. К ним предъявляются следующие требования:
1. Узкая петля гистерезиса, т.е. малое значение коэрцитивной силы HC и большая величина магнитной проницаемости ;
2. Большая индукция насыщения BS, т.е. при заданной площади поперечного сечения магнитопровода должно обеспечиваться прохождение максимального потока;
3. Минимальные потери мощности при работе в переменных полях, так как потери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимого значения.
Материалы, отвечающие перечисленным требованиям, обеспечивают высокий энергетический КПД и необходимую рабочую индукцию при заданной температуре перегрева, что позволяет уменьшить габариты и массу устройств.
5.5.2. Классификация магнитомягких материалов.
В иды магнитомягких материалов представлены на рис.5.20.
5.5.3. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.
Основные параметры низкочастотных магнитомягких материалов приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1. Основные параметры НЧ магнитомягких материалов.
Материал |
Магнитная проницаемость |
HC, А/м |
Bδ, Тл |
ρ, мкОм·м |
|
НАЧ |
MAX |
||||
1. Монокристалл чистейшего Fe |
20000 |
1430000 |
0,8 |
– |
0,097 |
2.Низкоуглеродистая сталь |
250-400 |
3000-5000 |
32-95 |
2,18 |
0,1 |
3.Электролитическое Fe |
600 |
15000 |
30 |
2,18 |
0,1 |
4. Карбонильное Fe |
2000-3000 |
20000-21500 |
6,4 |
2,18 |
0,1 |
5. Кремнистая сталь |
200-600 |
3000-8000 |
10-65 |
1,95-2,02 |
0,25-0,6 |
6. Пермаллои: |
|
|
|
|
|
низконикелевый |
1500-4000 |
15000-60000 |
5-32 |
1-1,6 |
0,45-0,9 |
высоконикелевый |
7000-100000 |
50000-300000 |
0,65-0,5 |
0,65-1 |
0,16-0,9 |
супермаллой |
100000 |
600000-1500000 |
0,3 |
0,79 |
0,6 |
7. Аморфные сплавы: |
|
|
|
|
|
80% Fe, 20% B |
десятки тысяч |
сотни тысяч |
3,2 |
1,6 |
1,4 |
80% Fe, 16% P |
десятки тысяч |
сотни тысяч |
4,0 |
1,49 |
1,5 |
Частотный диапазон применения ММ в значительной степени определяется их удельным электрическим сопротивлением. При низком ρ велики потери на вихревые токи, а значит и потери на перемагничивание, возраставшее с увеличением частоты, поэтому, чем больше ρ ММ, тем на более высоких частотах он может использоваться. В постоянных и НЧ (до единиц кГц) полях применяют металлические магнитные материалы: технически чистое Fe, кремнистые электротехнические стали, пермаллои, альсиферы, аморфные сплавы (рис.5.20, табл. 5.1).
Технически чистое Fe – это железо, содержащее ограниченное число примесей (прежде всего углерода, кислорода и серы), которые оказывает особенно сильное влияние на магнитную проницаемость.
Широко применяются следующие виды технически чистого Fe: низкоуглеродистая электротехническая сталь, полученная после горячей или холодной прокатки; электролитическое железо; карбонильное железо, полученное путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5. Карбонильное Fe, изготавливаемое в виде порошка, применяют в качестве ферромагнитной среды магнитодиэлектриков.
Рассматривая перспективы повышения качества железа, следует отметить, что главнейшая характеристика Fe – Bδ, обусловленная величинами атомных магнитных моментов и обменным взаимодействием, не может быть увеличена. Рост μ в слабых и сильных полях и уменьшение HC можно достичь для Fe с меньшей концентрацией примесей и дефектов (для сравнения в табл.5.1 приведены параметры полученного в лабораторных условиях монокристалла чистейшего железа).
Кремнистые электротехнические стали – это твердый раствор Si в Fe. Легирование технически чистого Fe кремнием позволяет значительно повысить удельное сопротивление. Выпускаются электротехнические стали различной степени легирования (увеличение параметра или усиление свойства в зависимости от степени легирования показано стрелками):
–слаболегированные |
(0,8–1,8% Si), |
|
–среднелегированные |
(1,8–2,8% Si), |
|
–повышеннолегированные |
(2,8–3,8% Si), |
|
–высоколегированные |
(3,8–4,8% Si), |
Значительного улучшения магнитных свойств кремнистых сталей удалось достичь путем образования магнитной текстуры при холодной прокатке с последующим отжигом. В результате получают текстурованную кремнистую сталь, у которой элементарные кристаллические ячейки ориентированы так, что ребра кубов – осей легкого намагничивания – расположены параллельно направлению прокатки. Такую текстуру называют ребровой. Применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. В стали с кубической текстурой наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки.
Пермаллои – это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшую магнитную проницаемость в слабых полях. Поэтому они применяются в РЭА, когда нужно иметь значительные как постоянные, так и переменные магнитные потоки при малых напряженностях поля, что особенно важно в связи с миниатюризацией РЭА (на частотах до нескольких десятков кГц). В табл.5.1 приведены параметры низконикелевых (40–50% Ni), высоконикелевых (72-80% Ni) пермаллоев и супермаллоя (79% Ni, 15% Fe, 5% Mn, 0,5% Mn).
Наряду с основными достоинствами – высоким значением μH и малым значением HC – пермаллоям присущи следующие недостатки:
–большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальной защиты;
–высокие магнитные свойства получают лишь в результате отжига готовых изделий после их механической обработки;
–пониженные значения Bδ;
–сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельных компонентов (прежде всего никеля).
В качестве заменителя пермаллоев был разработан тройной сплав альсифер, оптимальный состав которого 9,6% Si, 5,4% Al, остальное – Fe. Этот сплав при точном соблюдении состава в лабораторных условиях имеет μH=35400, у промышленного альсифера μH=6000÷7000. Альсифер применяют в основном в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.
Магнитомягкие аморфные сплавы, называемые металлостеклами или метглассами, содержат один или несколько переходных металлов – Fe, Со, Ni – в количестве 75–85% и стеклообразователь – В, С, Si, P – в количестве 15–20%, а также легирующие металлы Cr, V, Mn и др.
Аморфные сплавы (см. также п.3.14.1, рис.3.16) формируются в результате такой высокой скорости охлаждения жидкостей, при которой частицы не успевают выстроиться в правильную кристаллическую структуру. Поэтому их получают быстрой закалкой расплавов ("выстреливанием" раскаленного расплава на перемещающуюся холодную подложку). Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоев близки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокой коррозионной стойкостью, прозрачностью и твердостью при сохранении пластичности. Аморфные сплавы весьма перспективны, из них изготавливают небольшие трансформаторы, магнитофонные головки и др.