Главная > Автореферат диссертации


Раздел 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным сопротивлением p, которое возрастает с увеличением температуры. Хорошая электропроводность обусловлена большим количеством свободных электронов, способных покинуть атомы. Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Если в проводнике создается электрическое поле, то под действием этого поля электроны приобретают ускорение, пропорциональное напряженности, в результате чего возникает направленное движение электронов, течет электрический ток.

К проводниковым относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах очень мало.

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делят на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным относятся пары веществ и газы при таком значении напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало процесса ионизации молекул. В ионизированном газе перенос электрических зарядов осуществляется как электронами, так и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, плазму. Проводимость газов используется в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относятся различные растворы солей, кислот, щелочей и др. веществ, а также их расплавы, проводящие электрический ток и называемые электролитами. Жидкими проводниками являются также расплавы металлов. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Твердыми проводниками материалами являются металлы и их сплавы. Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами, поэтому твердые и жидкие металлы часто называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот, щелочей, проводящие электрический ток, называют проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на металлы высокой проводимости ( p≤ 0,1 мкОм*м) и сплавы высокого сопротивления (p≥ 0,3 мкОм*м).

Металлы высокой проводимости (серебро, медь, алюминий, железо, золото и др.) используют для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, в контактных материалах и припоях.

Кроме того, в настоящее время находят большое применение сверхпроводники, обладающие ничтожно малым удельным сопротивлением при очень низких температурах (алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном, цирконием и др.).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов и резистивных элементов различных типов и назначения. Распространены: медно-марганцевые сплавы (манганины), медно-никелевые сплавы (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихром).

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов

Рисунок 3.1 – Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Кристалл представляется в виде пространственной решетки, узлы которой заняты положительными ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны, то есть электроны «стягивают» ионы, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами. Электроны постоянно переходят от одного атома к другому, вращаясь то вокруг одного, то другого атомного ядра. Ввиду того, что обобществленные электроны не связаны с определенными ионами, под влиянием даже небольшой разности потенциалов они приобретают преимущественное направление движение, то есть возникает электрический ток. Следовательно, высокая электропроводность металлов является следствие наличия в них свободных электронов («электронного газа»).

Ионы в узлах кристаллической решетки с металлической связью не являются абсолютно неподвижными и совершают хаотические колебания. При нагреве колебания ионов увеличиваются, и как следствие, затрудняется свобода движения электронов. Поэтому при нагреве металлов их электропроводность падает. Очевидно, что электропроводность является характеристикой материала, зависит от его структуры (агрегатного состояния, дефектов, примесей и т.д.), зависит от температуры и внешних воздействий (магнитного поля, облучения, напряженности электрического поля и т.д.). Определяющей составляющей в электропроводности является подвижность носителей зарядов в материале.

Высокая теплопроводность металлов объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами (обусловлена движением электронного газа и его плотностью), поэтому металлы с хорошей электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла.

Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца – Лорентца:

γт/γ = LoT,

где γткоэффициент теплопроводности, Вт/м К; γ – удельная проводимость металла, См* м-1, величина обратная ρ; Loчисло Лорентца, равное 2,45*10-8 В22; Т – абсолютная температура металла, К.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, которое допускает скольжение одних слоев относительно других под воздействием внешнего воздействия.

При контакте двух металлов возникает термоэлектродвижущая сила, что объясняется следующим образом:

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа. Величина U для различных пар металлов колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, а другой до t2, то в цепи возникает термо-ЭДС

U = К (t1- t2),

где К – коэффициент термо-ЭДС, постоянный для данной пары проводников, В/К.

В общем случае термопара состоит из термоэлектродной пары (пары проволок из разнородных материалов, сваренных с одного конца) и удлинительных (компенсационных) проводов, подсоединяемых к свободным концам термопары.

Рисунок 3.5 – Устройство термопары

Сверхпроводимость

Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений. При температурах близких к абсолютному нулю становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных (куперовских) пар. Они обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергией между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным 0. При повышении температуры куперовские пары распадаются и сверхпроводимость исчезает.

Криопрводимость

При охлаждении проводника примерно до -173оС тепловое движение электронов и тепловые колебания атомной решетки замедляется. Число соударений электронов и атомов сокращается, и сопротивление проводника падает. При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металла возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Но сверхпроводимость не наступает.

Свойства проводниковых материалов

К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

1) удельное электрическое сопротивление проводника с сопротивлением R. постоянным поперечным сечением S и длиной l вычисляется по формуле

ρ = RS/l Ом* м;

Значение ρ у металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

ρ ≤ 0,1 мкОм*м –металлы высокой проводимости;

ρ ≥ 0,3 мкОм*м – сплавы высокого сопротивления;

При возрастании температуры сопротивление проводника увеличивается и может быть определено:

R2 = R1[1 + α(t2 – t1)],

где R2 – сопротивление проводника при температуре t2 ;

R1 – сопротивление проводника при температуре t1 ;

α –температурный коэффициент сопротивления;

(t2 – t1)].- повышение температуры.

2) температурный коэффициент удельного сопротивления – ТКρ или α;

α = (1/ ρ)*(dρ/dT)

Характеризует относительное изменение электросопротивления при изменении температуры на один градус, т.е. является мерой чувствительности сопротивления к температуре, или, напротив, мерой его термической стабильности. ТКС для металлов положителен и в среднем составляет 4*10-3 К-1

Для проводников высокого сопротивления ТКС должен быть как можно меньшим.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации и тепловые колебания собственных атомов, Поэтому удельное сопротивление

ρ = ρтепл+ ρост,

ρтепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки;

ρост, - удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов кристаллической решетки.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.3.2.


Т


Рисунок 3.2 – Зависимость удельного сопротивления металла от температуры.

Кривая 1 – идеальная характеристика.

Однако на практике такая кривая не реализуется, а обычно получается кривая 2, т.к. полностью исключить примеси и избежать искажений кристаллической решетки не удается. При низкой температуре начинает сказываться сопротивление, обусловленное наличием даже малого количества примесей в металле. Некоторые вещества имеют аномальную зависимость  = (Т) и при температуре <Тс практически не имеют сопротивления и называются сверхпроводниками (кривая 3).

Характер зависимости  от температуры для большинства металлов резко изменяется при переходе из твердого состояния в жидкое.

Рисунок 3.4 – Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди (а) и при низких температурах для меди и алюминия (б).

При достижении Тпл увеличивается объем металла, т.е. уменьшается его плотность, а вместе с ней и концентрация носителей. В результате сопротивление меди возрастает примерно в 2,4 раза. Для металлов, уменьшающих свой объем при плавлении (галлий, висмут, сурьма), значение  имеет тенденцию к уменьшению.

3) коэффициент термо-э.д.с.;

Коэффициент термо-э.д.с проводников для термопар подбирается большим по величине, постоянным в широком температурном диапазоне и стабильным во времени. Там где наличие термо-ЭДС нежелательно – минимальный коэффициентт относительно медных проводов.

4) коэффициент теплопроводности – γт прямо пропорционален удельной проводимости γ. Теплоотводящие устройства изготовляют из материалов с высокой электрической проводимостью – медь, алюминий и сплавы на их основе.

5) Из механических свойств наиболее важными являются предел прочности при растяжении – σр и относительное удлинение – Δl/l. Сильно зависят от режимов механической и термической обработки.

Характер влияния металлической примеси на величину удельного сопротивления данного металла зависит от типа образуемого сплава. Если взять сплав любого химического состава, со структурой твердого раствора, он всегда будет состоять из однородных зерен, в узлах кристаллической решетки которых будут находиться атомы металлов А и В в разных соотношениях в зависимости от состава сплава. Наличие разнородных атомов приведет к искажению кристаллической решетки. Если пропускать ток , то сопротивление движению электронов будет тем больше, чем больше будет искажена эта решетка в зернах сплава. Максимальное искажение, очевидно, будет тогда, когда в сплаве содержится 50% атомов А и 50% атомов В. В этом случае удельное сопротивление будет максимальным. При этом тем меньше будет величина температурного коэффициента удельного электрического сопротивления сплава.

Поэтому при создании металлического сплава с повышенным удельным электрическим сопротивлением необходимо подбирать компоненты сплава таким образом, чтобы они взаимно растворялись друг в друге и максимально искажали кристаллическую решетку.

Если оба компонента не растворяются друг в друге, то сплав имеет структуру механической смеси и состоит из зерен, каждое из которых содержит атомы только одного компонента ( металла А или металла В). В этом случае, в каком бы направлении ни протекал электрический ток, он всегда будет протекать попеременно по зернам металлов А и В, а характеристики будут усредняться, поэтому свойства сплавов находятся между свойствами составляющих металлов.

В случае химического соединения двух металлов зависимость удельного сопротивления и его температурного коэффициента от содержания компонентов будет сложной, зависящей от характера соединений, образующихся при разных составах сплава.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации, и тепловых колебаний собственных атомов.

Тема 3.3 Материалы высокой проводимости

К материалам высокой проводимости предъявляют следующие требования: минимальное удельное сопротивление – ρ; достаточно высокие механические свойства; способность легко обрабатываться; способность давать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения; коррозионная стойкость.

К материалам этой группы относятся: медь, алюминий, серебро и сплавы на основе этих металлов.

Медь и ее сплавы

Медь – металл красноватого цвета, очень дефицитный, его содержание в земной коре составляет не более 4,7 *10-3%. Этот металл получил широкое распространение в качестве проводникового металла, так как обладает рядом технически ценных свойств: малое удельное сопротивление; высокая механическая прочность; удовлетворительная коррозионная стойкость даже в условиях повышенной влажности. Кроме того, медь хорошо обрабатывается, легко прокатывается в ленты, фольгу, проволоку; хорошо паяется и сваривается.

Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов, 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.

Методом холодной протяжки полу­чают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий пре­дел прочности при растяжении и малое относительное удлине­ние, а также твердость и упругость при изгибе; проволока из твер­дой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), которая сравнительно пла­стична, обладает малой твердостью и небольшой прочностью, но весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой удельной проводимостью. Отжиг меди производят в спе­циальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, по отношению к которой выражают в про­центах удельные проводимости металлов и сплавов в отожженном состоянии при 20 °С, имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. р = 0,0172 мкОм * м.

Марки меди. Из выпускаемых в стране марок стандартной меди в качестве проводникового материала используются медь Ml и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в ос­новном металле. Так, медь Ml содержит 99,90 % Сu, а в общем числе примесей (0,10 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механи­ческие и технологические свойства меди, а также затрудняется пайка и лужение. Медь, содержащая более 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением, т.е. обладает крас­ноломкостью. Лучшими механическими свойствами обладает медь М0 (99,95 % Сu), в составе которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Такую медь получают путем специального режима плавки. Из меди М0 может быть изготовлена наиболее тонкая проволока.

Специальные сорта меди. В электровакуумной технике применяются сорта меди, не содержащие кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в защитной атмо­сфере восстановительного газа СО. Выделяющийся при нагревании меди кислород вступает в реакцию с закисью углерода и удаляет­ся в виде углекислого газа. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % Сu. Еще более чистым металлом является вакуумная медь, выплавленная в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении газа порядка 10-3 Па. Она может содержать 99,99 % Сu. Свободная от кислорода медь по механиче­ской прочности и электрической проводимости мало отличается от электролитической меди, переплавленной обычным способом. Ее существенным преимуществом является высокая пластичность.

Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чув­ствительна к наличию примесей. Так, при содержании в меди 0,5 % примеси Zn, Cd или Ag удельная проводимость ее снижается на 5 %. При том же содержании Ni, Sn или Аl удельная проводимость меди уменьшается на 25...40 %. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si или Р, снижающие ее удельную проводимость на 55 % и более. В то же время присадки многих металлов повышают механическую проч­ность и твердость меди как в холоднотянутом, так и отожженном состояниях.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок. Ско­рость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной пленки с металлом неве­лика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных кон­тактов. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металличе­ское отслаивание и термическое разложение оксидной пленки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказы­вает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшиться в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присут­ствующего в технической меди в виде оксида Сu2О. Водород, лег­ко проникая вглубь металла при повышенных температурах, всту­пает в реакцию:

Сu2О + Н2 = 2Сu + Н2O

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначительной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, на­рушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хруп­кость и ломкость. В производстве это явление называют «водород­ной болезнью».

В меди, содержащей менее 0,001 % кислорода, «водородной болезни» практически нет. Однако и в бескислородной меди по­сле термообработки в водороде может наблюдаться ухудшение пла­стичности при повышенных температурах (300...800°С). Дело в том, что при нагревании происходит распад твердого раствора водорода в меди. Выделяющийся газ, находясь под большим дав­лением, разрывает металл и скапливается главным образом по границам зерен. При растяжении эти места становятся слабыми участками.

Применение меди. Медь применяется в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных ус­тройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токо-ведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используются в качестве экра­нов кабелей. Твердая медь употребляется в тех случаях, когда не­обходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например для изготов­ления неизолированных проводов. Если же требуется хорошая гиб­кость и пластичность, а предел прочности на растяжение не име­ет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (на­пример, для монтажных проводов и шнуров). Из специальных элек­тровакуумных сортов меди изготовляют детали клистронов, маг­нетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии СВЧ-приборов, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кро­ме того, медь используется для изготовления фольгированного гетинакса и стеклотекстолита и применяется в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений меж­ду функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол медь применя­ется для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом заме­чательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и вы­сокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному элек­троду придается специальная форма в виде тонкого рантика, бла­годаря чему такие спаи называются рантовыми.

Сплавы меди

Если требуется повышенная прочность, а также стойкость к истиранию, то используют сплавы меди – латунь и бронзу, хотя они имеют более высокое удельное сопротивление. Латунь представляет собой сплав меди с цинком, содержащий иногда некоторые добавки (Mn,Fe) в количестве до 1 – 2%.

Бронза – сплав меди главным образом с оловом, кадмием и бериллием.

Высокими механическими свойствами при хорошей электропроводности обладает кадмиевая и бериллиевая бронзы. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть i ) кредиты 3 аннотация дисциплины

    Документ
    ... ансамблей. Физико-химический анализ дисперсных систем. Модуль 2. Явления на границе раздела фаз. Общие ... – 17 часов. Составила доцент Г.А. Чиганова Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть II) Кредиты ...
  2. Раздел «молекулярная физика» в школьном курсе физики § 1 значение место и особенности раздела «молекулярная физика»

    Задача
    ... этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение ... , но и в электрических, магнитных, химических и др. В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия ...
  3. Физико-химические основы технологии строительных материалов

    Документ
    ... Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно-строительного материаловедения, активационно- ... создания бездефектных материалов 86 1.4.6. Физико-химические основы технологии производства асфальтобетонных смесей и ...
  4. Материаловедение и технология конструкционных материалов

    Учебно-методический комплекс
    ... – дать основы материаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических ... группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют ...
  5. Евгений петрович прокопьев ( rus )( eng ) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

    Документ
    ... . Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. - Деп. в ... процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ...

Другие похожие документы..