Главная > Автореферат диссертации


Кадмиевая бронза (0,9% Cd); бронза (0,8% Cd, 0,6 Sn); бериллиевая бронза БрБ (2% Be); фосфористая бронза БрОФ (6,5 Sn, 0,15% P).

Латунь Л68 (68% Cu, остальное Zn), латунь Лс59-1 (59% Cu, 1% Pb, остальное Zn).

Алюминий. Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий — металл серебристо-белого цве­та, важнейший из так называемых легких. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удель­ного сопротивления меди, но алюминий 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 2 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 техни­ке.

Недостатком алюминия является его низкая механическая проч­ность. Отожженный алюминий в 3 раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.

Алюминий получают электролизом глинозема Аl2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при температуре 950 ºС.

Марки алюминия. Для электротехнических целей исполь­зуется алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5 % примесей. Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре (350 ± 20) °С проволока обладает при 20°С удельным сопротивлением не более 0,0280 мкОм • м. Алюминий высокой чи­стоты А97 (не более 0,03 % примесей) применяется для изготовле­ния алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитиче­ских конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 содержание примесей не превышает 0,001 %. Чистоту его контролируют по зна­чению остаточного удельного сопротивления при температуре жид­кого гелия, которое не должно превышать 4 • 10-6 мкОм * м. Чистый алюминий мягче меди. Хорошо прокатывается в тонкие листы. По твердости различают две марки: алюминий твердый неотожженный (АТ), алюминий мягкий отожженный (АМ). Промышленность выпускает следующие марки алюминиевой проволоки: АТП, АТ, АПТ, АМ – соответственно твердая повышенной прочности, твердая, полутвердая и мягкая.

Разные примеси в различной степени снижают удельную про­водимость алюминия. Добавки таких примесей, как никель, крем­ний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количе­стве 0,5 % снижают удельную проводимость алюминия в отожжен­ном состоянии не более чем на 2...3 %. Более заметное действие на удельную проводимость оказывают примеси меди, серебра и магния, снижающие ее на 5... 10 % при том же процентном содер­жании по массе. Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки ванадия, титана и марганца. Можно сказать, что примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, в отличие от заметно ее снижающих примесей, образующих с алюминием твер­дые растворы; исключением является цинк. Закалка увеличивает сопротивление алюминия в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость при нагревании. В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят аналогич­но соответствующим операциям для меди. Из алюминия путем прокатки можно получать очень тонкую (6...7 мкм) фольгу, при­меняемую в качестве обкладок в конденсаторах, или пластины конденсаторов переменной емкости.

Свойства поверхности алюминия. Алюминий актив­но окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивле­ние в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невоз­можным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для пай­ки алюминия применяются специальные пасты-припои или ис­пользуются ультразвуковые паяльники. Более толстый слой окси­да, который создает надежную электрическую изоляцию на срав­нительно высокие напряжения, получают с помощью электрохи­мической обработки алюминия.

Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).

Из оксидированного алюминия изготовляют различные катушки без дополнительной межвитковой или междуслойной изоляции. Недостатками оксидной изоляции проводов являются ее ограни­ченная гибкость (особенно при большой толщине слоя оксида) и заметная гигроскопичность (в тех случаях, когда не требуется боль­шой нагревостойкости оксидной изоляции, ее покрывают лаком).

Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в конденсаторах; ее используют также в некоторых типах выпрями­телей и разрядников.

На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальва­нической коррозии в местах контакта алюминия и меди. Если об­ласть контакта подвергается воздействию влаги, то возникает ме­стная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхно­сти контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевы­ми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покры­вают лаками и т. п.).

Пленки алюминия широко используются в интегральных мик­росхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обес­печивают связь между отдельными элементами схемы и внешние присоединения. Нанесение пленок на кремниевые пластинки обычно производится методом испарения и конденсации в вакууме. Требу­емый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитогра­фии. Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко конденсируется на подложку, обла­дает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемой в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. К тому же алюминий образует хорошие контакты с кремнием.

Недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединений.

Сплавы

Это сплавы содержащие магний (до 0,5%) и кремний (до 0,7%), железо (до 0,3%). Например, сплав АД31, который по прочности приближается к меди. Его удельное сопротивление – 0,0317 Х 10-6 Ом м.

Серебро

В нормальных условиях имеет самое малое удельное сопротивление (ρ = 0,016 Х 10-6 Ом м), устойчиво против окисления. Имеет высокие механические свойства, что позволяет изготовлять из него проводники различного диаметра до микропроводов диаметром от 20 мкм и менее. Существуют марки особо чистого серебра с содержанием примесей не более 0,001%. Как проводник, серебро широко используется в виде гальванических покрытий в ответственных ВЧ- и СВЧ-устройствах.

Его особенностью является его способность образовывать при вжигании или напылении прочные покрытия на диэлектриках. Это свойство серебра широко используется в производстве конденсаторов, например, слюдяных – марок КСО, СГМ, керамических – марок КГК, КОМ и др.

К недостаткам можно отнести: способность образовывать пленки сернистых соединений, имеющих повышенное удельное сопротивление, что делает необходимым покрытие лаком или очень тонким слоем более стойкого металла, например палладия.

Используется также в слаботочных контактах. Является остродефицитным материалом.

Сверхпроводники и криопроводники

Криопроводимость. При охлаждении проводника тепловое дви­жение электронов и тепловые колебания атомной решетки замед­ляются, 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 металлов возрастает в сотни и тысячи раз (криопро­водимость) по сравнению с проводимостью при нормальной темпе­ратуре.

Для достижения особо высоких значений криопроводимости при заданной температуре охлаждения необходима высокая чисто­та и минимальное число искажений кристаллической решетки ме­талла. Влияние этих факторов на удельную проводимость металла сказывается при криогенных температурах значительно сильнее, чем при нормальной температуре.

Сверхпроводимость относится к одному из фундаментальных свойств вещества. Она проявляется при достаточно низких темпе­ратурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений (на 14 порядков и более). Это явление обнаружил в 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес при охлаждении кольца ртути до температуры 4,2К. Крити­ческую температуру охлаждения, при которой у данного материала наблюдается переход в сверхпроводящее состояние, называют тем­пературой сверхпроводникового п е р е х од а Ткр. Пе­реход в сверхпроводящее состояние является обратимым, т. е. с повышением температуры до Т>Ткр удельное сопротивление сверхпроводника вновь приобретает определенное значение. Ряд элементов переходит в сверхпроводящее состояние только при низ­ких температурах и высоких давлениях (кремний, германий, вис­мут и др.).

Явление сверхпроводимости по своей физической сущности принципиально отличается от явления криопроводимости, хотя оба явления выражаются в резком снижении удельного сопротивления материала при глубоком охлаждении. У криопроводников, напри­мер у меди, серебра, получить сверхпроводящее состояние не уда­ется даже при самых низких температурах, достигнутых в настоя­щее время. У сверхпроводников по мере понижения температуры сначала наблюдается явление криопроводимости, которое затем переходит в состояние сверхпроводимости.

Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то при дости­жении критического значения напряженности Нкр состояние сверх­проводимости разрушается. Это может быть вызвано также маг­нитным полем критического тока Iкр, проходящего по сверхпровод­нику. Чем больше значение Нкр сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные характеристики, тем при больших плотностях тока его можно использовать, не нарушая сверхпроводящего со­стояния.

Очень важным свойством сверхпро­водников является эффект вытеснения постоянного магнитного поля из объ­ема сверхпроводника.

В зависи­мости от поведения в магнитном поле выделяют два основных типа сверх­проводников. Сверхпроводники I рода (мягкие) характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние при одном значении Нкр. При этом происходит полное вытесне­ние магнитного поля из объема сверх­проводника. Мягкие сверхпроводники (бериллий, алюминий, олово, ртуть и свинец). Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение Нкр, что ограничивает предельные значения токов Iкр, пропускаемых по сверхпроводникам.

Сверхпроводники II рода (твердые) характеризуются при пе­реходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Нкр1 и Нкр2 (Нкр1> Нкр2). Область Нкр1 - Нкр2 соответствует смешанному состоянию проводимости материала (сверхпроводимости и криопроводимости) и частичному вытесне­нию магнитного поля из объема сверхпроводника. Необходимо от­метить, что термины «мягкий» и «твердый» сверхпроводник не озна­чают их механической твердости, а связаны с малыми значениями Нкр у «мягких» сверхпроводников (I рода) и высокими значениями Нкр у «твердых» сверхпроводников (II рода). Твердые сверхпроводники (сплавы ниобий-титан, галлид ванадия, станнид ниобия, германид ниобия), пленочные (бериллий, алюминий, олово, галлид ванадия, станнид ниобия).

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками 1-го рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов дл электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Из всех элементарных веществ наивысшей температурой перехода к сверхпроводимости обладает ниобий (Тсв = 9,2 К). Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками при нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, ceрeбро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее число наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2 000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам 2-го рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Лю-бой сверхпроводник 1-го рода можно превратить в сверхпроводник 2-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свой­ства сверхпроводников при низких температурах. Примером мо­жет служить титанат стронция SrTiO3, относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверх­проводящее состояние добавкой большой концентрации легиру­ющих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ас­сортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различ­ных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими меха­ническими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теп­лопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно боль­шой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обы­чно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофаз­ной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких ни­тей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тон­кую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Установлено, что тонкие пленки целого ряда сверхпроводя­щих металлов и сплавов имеют более высокие критические пара­метры, нежели объемные образцы. Для создания туннельных кон­тактов Джозефсона наиболее часто применяют пленки ниобия, свинца, а также сплавов РЬ — Bi, Pb — In—Аu и др. В качестве раз­делительных материалов используются либо оксидные пленки са­мих сверхпроводников, либо прослойки полупроводниковых ма­териалов или металлов в резистивном состоянии. Несмотря на ши­рокую номенклатуру сверхпроводящих сплавов и соединений, ниобиевые пленки постепенно вытесняют другие материалы в пле­ночных приборах криоэлектроники. Это обусловлено успехами технологии изготовления тонкопленочных структур из ниобия, имеющих стабильные воспроизводимые характеристики при на­несении их на различные диэлектрические и полупроводниковые подложки.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых раз­личных областях науки и техники. Разработаны крупномасштаб­ные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с по­лучением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряжен­ностью свыше 107 А/м в достаточно большой области простран­ства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешнего источника пи­тания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении на­учных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в зна­чительной мере уменьшить габаритные размеры и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термо­ядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобра­зователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индук­тивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем.

Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверх­проводников позволяет исключить из машин сердечники из элек­тротехнической стали, благодаря чему в 5 - 7 раз уменьшаются их масса и габаритные размеры при сохранении мощности. Эконо­мически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки – сотни ме­гаватт). Значительное внимание в разных странах уделяется разра­ботке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использоваться сверхпроводящие объемные резонаторы, облада­ющие благодаря ничтожно малому электрическому сопротивле­нию очень высокой добротностью (Q > 108). Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля поло­жен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Нарушение сверхпроводимости материала внешним магнитным полем используется в конструкции прибора, который называют криотроном.

На основе криотронов могут быть выполнены быстродействующие элементы логики и памяти ЭВМ. В этом случае единица информации (бит) представляется электрическим током, цирку­лирующим в сверхпроводящем контуре. Наилучшие параметры криотрона удается реализовать при использовании туннельных контактов Джозефсона, обладающих максимальной чувствитель­ностью к магнитному полю.

Схематическое изображение пленочной сверхпроводниковой базовой ячейки для криоэлектронных цифровых микросхем пред­ставлено на рис. 3.5. Действие ячейки основано на изменении кри­тической силы тока через туннельный контакт с помощью магнит­ного поля, создаваемого током через управляющий электрод. При отсутствии управляющего сигнала сила тока в вентильной шине меньше критического значения, благодаря чему туннельный кон­такт сохраняет открытое состояние. В этом случае информация ко­дируется наличием или отсутствием квантов магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Джозефсоновские контакты позволяют создавать ячейки памяти с энергией переключения менее 10-16 Дж и временем срабатывания менее 0,1 нс. Благодаря малым размерам пленочного криотрона и низкой тепловой нагрузке можно обеспе­чить плотность упаковки элементов до 106 см-2.

Одним из наиболее перспективных применений эффекта Джо­зефсона является детектирование и преобразование электромаг­нитных колебаний, особенно в миллиметровом и субмиллимет­ровом диапазонах спектра. На основе сверхпроводников реализо­ван целый ряд других приборов, относящихся к технике СВЧ, среди которых можно отметить параметрические усилители, ге­нераторные и смесительные устройства, фазовращатели, фильт­ры и линии задержки, а также элементы антенно-фидерных уст­ройств.

Широкой областью применения сверхпроводников является измерительная техника. Практическое освоение сверхпроводящих квантовых интерферометров привело к созданию нового поколе­ния метрологических средств, которые по своим возможностям существенно дополняют имеющиеся измерительные приборы.

1 – контакт Джозефсона; 2 вентильная шина; 3 – управляющий электрод; 4 обводное сверхпроводящее кольцо.

Рисунок 3.5 – Схема пленочного криотрона с вентилем на основе туннельно­го контакта Джозефсона.

Наибольшее распространение СКВИДы получили в физике, ме­дицине и дефектоскопии. С помощью различных входных конту­ров, трансформаторов магнитного потока удается преобразовать измеряемые физические величины в изменение магнитного пото­ка. На этом принципе работают индикаторы сверхмалых напряже­ний с порогом чувствительности 10-16В, высокочувствительные амперметры для измерения токов до 10-11 А, измерители магнит­ной восприимчивости и др. Круг таких приборов непрерывно рас­ширяется.



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..