Проводниковые материалы и сплавы различного применения: ферромагнитные металлы

Из металлов этой группы наибольшее значение в приборострое­нии имеют металлы группы железа, обладающие ферромагнитными свойствами— железо, никель и кобальт, а также их сплавы. Для этих металлов характерно также повышенное зна­чение температурного коэффициен­та удельного сопротивления.

Железо (сталь) обладает вы­сокой механической прочностью, наиболее дешево и доступно.

Железо, как ферромагнитный ме­талл, является основным и наи­более дешевым компонентом маг­нитных материалов. Повышенное удельное сопротивление (ρ≈0,1 мкОм·м) ограничивает воз­можности применения железа (ста­ли) как проводникового материала, хотя предел прочности при растяжении даже у мягкой стали достигает высоких значений 700-750 МПа. Железо применяют в электровакуумных приборах как материал для анодов, экра­нов и других элементов, работающих при температурах до 500° С.

Никель - ферромагнитный металл, широко используемый в качестве одного из главных компонентов во многих типах магнит­ных материалов. Выпускается ряд марок никеля НО, H1, Н2 и т. д., отличающихся содержанием примесей, видом изделий (полосы, ленты, проволока, порошок и др.).

Чистый никель - весьма прочный, вязкий и пластичный (в от­ожженном состоянии) металл. Удельное сопротивление ни­келя в 4,2 раза выше, чем у меди. Он входит в состав многих резистивных сплавов и сплавов для термопар.

Никель достаточно стоек к окислению и поэтому его используют для покрытий как антикоррозийный материал.

Кобальт - один из основных ферромагнитных металлов. Имеет удовлетворительные механические свойства: σρ≈500 МПа, ∆l/l>5%. В химическом отношении кобальт мало активен. Исполь­зуют кобальт главным образом в качестве составной части многих магнитных сплавов, а также нагревостойких резистивных сплавов.

Сплавы ферромагнитных металлов широко используются в каче­стве магнитных материалов и имеют большой диапазон магнитных свойств. Ряд их свойств оказался ценным для полу­чения прочных и герметичных спаев металла со стеклом и керами­кой, что необходимо в полупроводниковом и электровакуумном производстве.

Припой

Припоиподразделяют на мягкие с температурой плавления Т_пл<300°С и твердые Т_пл≥300°С (табл. 9.1).

Эти группы при­поев существенно различаются по удельному сопротивлению и ме­ханическим свойствам: например, мягкие припои имеют предел прочности при растяжении σ_Р=16-100 МПа, а твердые - до 500 МПа. В последнее время мягкие припои подразделяют на низ­котемпературные с Т_пл<145°С и легкоплавкие с Т_пл<300°С.

Особую группу твердых припоев составляют электровакуумные припои, применяемые при пайке узлов электронных приборов, ра­ботающих в вакууме при высоких температурах.

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово - О, свинец - С, алюми­ний - Л, серебро - Ср, сурьма - Су, медь - М, цинк - Ц, вис­мут - Ви, кадмий - К и т. д.).

Если в припой входит драгоценный или редкий металл, его обо­значение присутствует в названии марки припоя даже при малых количествах этого металла в сплаве.

Твердые припои.В электровакуумной промышленности твердые припои применяют для пайки различных узлов электронных ламп, электровакуумных устройств и т. д. Такие припои, называемые электровакуумными.

По допустимой температуре прогрева Т_пр эти припои делят на две группы: для приборов с Т_пр=450°С и для приборов с Т_пр=700°С.

Припои для приборов с Т_пр=450°С представляют собой сплавы систем Ag—Cu—Sn и Ag—Cu—In. Такие припои используют часто в порошке, поскольку им свойственна хрупкость.

Припои для приборов с Т_пр=700°С представляют собой сплавы на основе меди, золота и отчасти палладия и никеля.

Флюсы. Флюсы являются вспомогательными материалами для получения ка­чественной и надежной пайки. Флюс должен отвечать следующим требованиям: хорошо смачивать поверхности металла и припоя; защищать спаи­ваемые поверхности и припой от окисления, образуя при пайке жидкую или газообразную защитную зону; снижать поверхностное натяжение расплавлен­ного припоя для улучшения смачивании им основного металла.

Контактолы

Контактолы обладают высокой прочностью и эластичностью, хоро­шими антикоррозионными свойства, низкой плотностью. Удельное сопро­тивление контактолов выше, чем у мягких припоев, в 5-100 раз и более. В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют кон­тактолы, содержащие серебро, палладий, никель, золото, посереб-еный никель и др.

Серебросодержащие контактолы —пасты (марок К-8, К-13, К-17 и др.) обладают высокой удельной проводимостью (р=1-6 мкОм·м), хорошей адгезией к различным материалам (при отрыве σотр=4-18 МПа). Они обладают высокой стабиль­ностью свойств при климатических и механических воздействиях и широко применяются для монтажа элементов схем различного назначения.

Контактолы-пасты, содержащие палладий (ма­рок КП-1, КП-2 и др.), обеспечивают высокую стабильность кон­тактных соединений (ρ=10-20 мкОм·м) практически со всеми металлами, применяемыми для изготовления контактов, а также с рядом полупроводниковых материалов (σотр=15—30 МПа).

Контактолы-клеи (ТПК-1, ЭНКС-2 и др.) используют для соединения металлизированных поверхностей, поверхностей, покры­тых тонкими металлическими и лакосажевыми пленками, пленками композиционных материалов; применяют также для создания электрического и теплового контакта с полупроводниковыми мате­риалами.

Поляризация диэлектриков

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. Электроизоляционными называют материалы, применяе­мые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры. Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подраз­деляют на твердые, жидкие и газообразные. В особую группу мож­но выделить твердеющие материалы, которые в исходной состоя­нии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твер­дые вещества, например лаки, компаунды.

По химической основе диэлектрические материалы подразделя­ют на органические, неорганические и элементоорганические — промежуточные по своему составу между первыми двумя.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих в своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравне­нию с неорганическими, но они, за небольшим исключением, менее нагревостойки.

Поляризация — это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля. Положитель­ные заряды смещаются в направлении вектора напряженности по­ля E, отрицательные — в обратном направлении (рис. 10.1).

Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного вектор­ной сумме дипольных электрических мо­ментов молекул диэлектрика µ.

Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицатель­ные заряды взаимно компенсируются, некомпенсированные элект­рические заряды останутся только на поверхности диэлектрика.

Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов.

Если увеличивать напряженность электрического поля, то по­верхностная плотность электрических зарядов будет также возра­стать, следовательно, будет увеличиваться и поляризованность диэлектрика. Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Та­кие диэлектрики называют линейными. К ним относят все при­меняемые в современной радиоэлектронике электроизоляционные материалы. У некоторых диэлектриков, в частности у сегнетоэлектриков, прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они в последнее время находят все более широкое применение, поскольку позволяют управлять элект­рическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т. д.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость ε.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассмат­ривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q0 конденсатора, между обкладками которого вакуум, и Q_д, который обусловлен поляризацией диэлектрика:

                                       (10.4)

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же кон­фигурации электродов, при том же напряжении:

                            (10.5)

Из выражения (10.5) следует, что относительная диэлектриче­ская проницаемость любого вещества больше единицы (равна еди­нице только в вакууме).

Относительная диэлектрическая проницаемость (в дальнейшем будем называть ее просто диэлектрической проницаемостью) без­размерная величина, которая количественно определяет способ­ность диэлектриков поляризоваться н образовывать электрическую емкость. Величина ε газов близка к единице. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, ε. которых в определен­ных условиях может иметь весьма высокое значение — порядка десятков тысяч.

Основные виды поляризации

Различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную (спонтанную) и др.

Электронная поляризация представляет собой смешение центра заряда электронного облака относительно центра по­ложительно заряженного ядра под действием внешнего элект­рического ноля (рис. 10.2).

Смещению противодействует кулоновское притяжение элек­тронов к ядру. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков.

Ионная поляризация возникает вследствие упругого смешения связанных иоинов из положения равновесия на расстояние, мень­шее постоянной кристаллической решетки (рис. 10.3). С повыше­нием температуры поляризованность возрастает, поскольку тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действую­щие между ними силы взаимодействия. Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упа­ковкой ионов.

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего элект­рического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего элект­рического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис. 10.4).

Время релаксации — это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля умень­шается вследствие теплового движения молекул в е≈2,72 раза от первоначальной. Этот вид поляризации свойствен всем поляр­ным диэлектрикам.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического по­ля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической ре­шетки. При этом виде поляризации возникают потери энергии и по­ляризация заметно усиливается с повышением температуры. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических кристаллических диэлектриках ионной структуры с неплотной упа­ковкой ионов.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в техничес­ких диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т. п. При внесении неоднородных ма­териалов в электрическое поле свободные электроны и ионы прово­дящихся и полупроводящих включений наминают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области. Процессы установления и снятия миграционной поляризации срав­нительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Этот вид поляризации обычно возможен лишь на низких час­тотах.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

Неполярные диэлектрики. Неполярным ди­электрикам свойственна электронная поляризация. Они применяются как высококачественные электроизоляционные мате­риалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относят полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4), бензол, воздух и др.

Полярные диэлектрики. В эту группу входят диэлектри­ки, содержащие электрические диполи, которые способны к пере­ориентации во внешнем электрическом поле. В полярных диэлектри­ках кроме электронной наблюдают и дипольно-релаксационную поляризацию. К ним можно отнести поливинилхлорид, эпоксидные смолы, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), полиэтилентерефталат (лавсап), полиметилметакрилат (органическое стекло) и др.

Диэлектрики с ионной структурой. В эту группу входят твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. Здесь выделяют две подгруппы материалов в зависимости от величины потерь электрической энергии, расходуемой на поляризацию:

1) диэлектрики с электронным и ионным видами поляризации, при которых потерь электрической энергии практически нет. К ним относят кварц, слюду, корунд (Al2O3), рутил (TiO2) и др.;

Диэлектрики с электронным, ионным и релаксационным видами поляризации, при которых имеются существенные потери электрической энергии. Например, неорганические стекла, керамика,микалекс и др.

Сегнетоэлектрики. В эту группу входят материалы, обла­дающие прежде всего спонтанной поляризацией. К ним можно от­нести сегнетову соль, титанат бария (ВаТiO₃), титанат стронция (SrTiO₃) и др.