Основы металловедения

Цивилизация и материаловедение по определению американского ученого Хиппеля — это каменный век 10⁶ лет до нашей эры (палеолит, мезолит, неолит), медный век 1800 лет до нашей эры, бронзовый век 700 лет до нашей эры, железный век наша эра, ХХ век, век бумаги и пластмасс.

Наука об электроматериалах изучает свойства, состав и структуру, чтобы влиять на различные факторы материала и прогнозировать материалы с учетом качества и срока службы для надежности оборудования. Электротехнический материал в широком смысле — любой материал в производстве электротехнических изделий, в узком смысле —имеющий специальные свойства в отношении электромагнитного поля.

Строение вещества

Все известные вещества состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, электроны заполняют оболочки атома, комплектуя + заряд ядра. В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией, обладающей в изолированном атоме сферической симметрией, так что заряд электрона диффузно распределен, образуя радиальное облако.

В веществах объединение нескольких атомов в молекулу достигается за счет электронов, становящихся общими для всех атомов, При этом плотность электронного облака между положительно заряженными ядрами становится наибольшей, что связывает их молекулу — это ковалентная связь. В соответствии с симметричным и асимметричным строением молекулы с ковалентной связью могут быть нейтральные рисунок 1.1 и полярные (дипольными) рисунок 1.2. Если центры положительных и отрицательных зарядов в электрическом поле совпадают по направлению силовых линий, то молекулы нейтральные. Если центры зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Эти молекулы характеризуются величиной дипольного момента равного произведению заряда на расстояние между центрами + и – зарядов.

Рисунок 1.1. Нейтральная ковалентная связь
Рисунок 1.2. Полярная ковалентная связь

С ковалентной связью, например, молекула хлора Сl2, наблюдается эта связь и у кристаллических веществ неорганического происхождения, решетки которых построены из атомов, например алмаз.

Рисунок 1.3. Плотная упаковка ионной связи
Рисунок 1.4. Не плотная упаковка ионной связи

Ионная связь — определяется силами притяжения между ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Таковыми являются коллоидные соли щелочных металлов. В структуре хлорного натрия плотная упаковка ионов рисунок 1.3, а у хлорного цезия — не плотная упаковка рисунок 1.4.

Рисунок 1.5. Металлическая связь
Рисунок 1.6. Связь Вандер-Ваальса

Металлическая связь, приводящая также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы рассматриваются как системы, построенные из  ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и удерживающие среду свободных электронов рисунок 1.5. Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металла при срезе. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев ионов. Некоторые одновалентные металлы кристаллизуются в гексагональной и кубической решетках.

Наиболее слабой связью является остаточная связь или связь Вандер-Ваальса рисунок 1.6. Это вещества, как парафин, имеющий низкую температуру плавления, с непрочной кристаллической молекулярной решеткой.

По зонной теории строения вещества все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, полупроводников и проводников. Энергетическая диаграмма зонной теории твердых тел наглядно показывает различие между ними по рисункам 1.7. — 1.9. Если отсутствует электрическое поле, то нет наклона уровней энергетических зон: зоны проводимости 1, нормальной зоны 2 и широкий потенциальный барьер, что характерно для диэлектриков рисунок 1.7. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то чем выше напряженность поля, тем выше наклон уровней зон и уже потенциальный барьер рисунок 1.8, причем минимальна энергия электрона, когда он находится на нижнем уровне зоны проводимости или на верхнем уровне нормальной зоны. Свободным электроном (способным возбудить нейтральную молекулу до акта ионизации) считают тот электрон, который в результате столкновений в электрическом поле достиг верхнего уровня зоны проводимости 1 или нижнего уровня нормальной зоны 3. Для полупроводников характерен узкий потенциальный барьер рисунок 1.9, а для проводников — нет потенциального барьера, поэтому электроны в металле свободны и могут переходить с уровня нормальной (заполненной) зоны на незанятые уровни зоны проводимости (свободной) под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

Классификация материала

Диэлектрики различают на газообразные, жидкие и твердые, которые могут быть природными и синтетическими, а также органическими и неорганическими. По размерам молекул делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные, по форме молекул и поведению при температуре — на термопластические и термореактивные, по электрическим свойствам классифицируются на полярные и неполярные, из-за широкой запрещенной зоны нет электронной электропроводности.

Проводники могут быть классическими, криопроводниками и сверхпроводниками, в которых система кристаллической решетки состоит из узлов с + ионом, находящихся в среде свободных электронов, последние определяют высокую электропроводность и теплопроводность проводников.

Полупроводники классифицируются на химические элементы (простые) и химические соединения (сложные), причем последние по количеству составляющих могут быть: двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные; по типу электропроводности: типа n — электронная проводимость, типа p — «дырочная» проводимость; различают органические и неорганические, а по характеру электропроводности — электронные и ионные; по структуре — кристаллические и аморфные.

Магнитные материалы по своим физическим свойствам делятся на ферромагниты и фирримагниты (фирриты), по применению — магнитотвердые и магнитомягкие, последние выделяются с прямоугольной петлей гистерезиса и с постоянной магнитной проницаемостью; слабомагнитные материалы – это диамагнетики m £ 1 и парамагнетики m^³ 1, сильномагнитные m>> 1, которые зависят от напряженности магнитного поля (железо, никель, кобальт, сплавы (хром-марганец и т.п.)) и с m <<1, не зависящие от магнитного поля (медь, цинк, серебро, золото, висмут, ртуть).

Классификация электротехнических материалов

Материал — это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное.

Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Материаловедение — наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение — это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

Материалы играют определяющую роль в энергетике. Например, изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом — появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения — это изоляторы из кремнийорганической резины.

Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.

Таким образом, 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.

Проводниковые материалы

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.

Полупроводниковые материалы

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).

Диэлектрические материалы

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, называется поляризованным.

Магнитные материалы

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

Композиционные материалы — это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Электротехнические материалы, классификация, основные свойства.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехнические материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления деталей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересующей нас области техники должны обладать вполне определенным набором свойств, благодаря которым они находят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических материалов является набор их свойств по отношению к электромагнитному полю. При взаимодействии с электромагнитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «электротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) называются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ — электропроводности — электротехнические материалы делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделяется на подгруппы по количественным параметрам, характеризующим их основные свойства. Это позволяет представить классификацию радиоматериалов в виде обобщенной схемы (рис. 1.10).

Рисунок 1.10. Классификация электротехнических материалов

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, технологические и другие характеристики отвечали определенным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

Физико-химическая природа материалов

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элементов. Любое вещество (материал) состоит из огромного количества электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер химических элементов, которые и определяют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств материалов, позволяющие использовать часть макроскопических характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, образующих вещество, учитываются интегрально или автоматически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере распределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопоставляя между собой расположение атомов в структуре вещества, электронную конфигурацию этих атомов, тип химической связи между ними, можно ответить на ряд важных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничиванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются силами электростатического взаимодействия между электронами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхождения весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между атомами вещества предполагает, что полная энергия Е^V_n частиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е_к и потенциальной U_n Е^Vn = N (Е^V_k+ U^V_n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в свободном состоянии Е^с_n= N (Е^с_к + U^c_n). Разность этих энергий Е^с_n – Е^V_n = Е_св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала определяются характером связи и количественным значением энергии связи Е_св.

По характеру взаимодействия между частицами, составляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

• ковалентная неполярная;
• ковалентная полярная, или гомеополярная;
• ионная, или гетерополярная;
• донорно-акцепторная;
• металлическая;
• межмолекулярная.

Ковалентная неполярная связь возникает при объединении одноименных атомов в молекулы, например Н₂, О₂, Cl₂, N₂, алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обобществление валентных электронов, что приводит к дополнению внешней электронной оболочки до устойчивого состояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула — неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отличный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по величине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связь возникает при объединении разноименных атомов, например Н2О, СН4, СН3С1, СС14 и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент. Тем не менее молекула в целом может быть нейтральной или полярной.

Рисунок 1.11. Структура молекул с гомеополярной связью

Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические материалы) и полупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связь возникает при образовании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, например NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраивая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокие механическую прочность, температуру плавления и испарения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связь по сути своей является разновидностью ионной связи и возникает при образовании материала элементами различных групп таблицы Д.И. Менделеева, например соединения AIII BV — GaAs и т.д.; соединения AIII BV - ZnS, CdTe и т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Благодаря взаимодействию электронного газа и ионов возникает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связь характерна для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низкие температуру плавления и механические характеристики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов связи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергетический спектр электронов атомов, составляющих вещество.

Общие сведения о строении материалов

В электронике используются материалы, находящиеся в различном агрегатном состоянии: газообразном, жидком, твердом и плазменном. Наибольшую группу составляют твердые материалы, находящиеся в кристаллическом состоянии.

Кристаллы — твердые тела в виде выпуклых многогранников с более или менее плоскими гранями и прямолинейными ребрами. Материальные частицы расположены в кристаллическом пространстве строго закономерно или периодически наподобие пространственной или кристаллической решетки. Следовательно, для кристаллов характерно решеточное строение.

Благодаря периодичности внутренней структуры кристаллы обладают симметрией, т.е. закономерной повторяемостью в пространстве равных фигур или равных частей одной и той же фигуры.

Основные свойства кристаллов:

• однородность;
• дискретность;
• анизотропия;
• способность самоограняться;
• полиморфизм.