4) хорошая обрабатываемость (прокатывается в листы, в ленту, протягивается в проволоку)
Содержание примесей влияет на различные свойства меди. Медь марки М1 содержит 99.90% меди, примеси 0.10%, медь марки М0 содержит 99.95% меди, примеси 0.05%. Если в примесях Zn, Cd, Ag, то они снижают электропроводность на 5%, а Ni, Snили Al– на 25 – 40%. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Siи P, которые снижают электропроводность на 55% и более. Поэтому медь очищают различными способами: до 99.97% электролитическим способом.
В вакуумных печах получают медь, содержащую 99.99% меди. Эта медь имеет электропроводность примерно равную электропроводности Ag. Из специальной меди изготавливают детали магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и генераторов; ее используют для изготовления фольгированного гетинакса, в микроэлектронике в виде осажденных на подложке пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.
Алюминий почти в 3.5 раза легче меди. Марка А97 (0.03% примесей) используется для изготовления алюминиевой фольги и электродов. А999 (0.001% примесей). Оксидная пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое сопротивление в местах спайки, что затрудняет пайку обычными методами. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной изоляции, но при большой толщине Al2O3 уменьшается гибкость, и увеличивается гигроскопичность.
Температура плавления более 1700°С. Основными тугоплавкими металлами являются металлы, стоящие в середине периода, у которых наряду с металлическими связями есть еще и ковалентные
WCr
Mo
Один электрон участвует в металлической связи, т.е. делокализован, обобществлен всем кристаллом, а остальные d электроны принимают участие в ковалентной связи. Ковалентная связь прочна. Кристаллическая решетка имеет высокую энергию связи, и требуются высокие температуры, чтобы эту связь разрушить. Для этих металлов характерна высокая твердость, но в то же время они обладают низкой пластичностью. К металлам с высокой температурой плавления относятся W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Re, Zr; температура плавления [1700;3500]°C. W самый тугоплавкий. Имеет высокую механическую прочность. Используется в качестве нитей в лампах, электронных лампах, в рентгеновских трубках, используется при глубоком вакууме. Недостатки: трудная обрабатываемость и образование оксидных пленок.
(4) Благородные металлы
Не взаимодействуют (почти) с окружающей средой в связи со своей химической стойкостью
Au 99.998%
Ag 99.9999%
Pt 99.9998%
Pd 99.94%
Au– является контактным материалом для коррозионно стойких покрытий
Ag с высокой проводимостью используется в качестве высоких контактов в качестве электродов, производстве конденсаторов
Pt – для изготовления термопар, чувствительных приборов
Pd – заменитель платины (дешевле в 4-5 раз)
(5) Металлы со средним значением температуры плавления.
Fe, Ni, Co
(6) Металлы с невысокими температурами плавления.
Стоят они в нижней части периодической системы: имеют большой радиус, и, как правило, у них нет свободных (не спаренных) d-электронов, и для них характерна металлическая связь. Pb, Sn, Ga, In, Hg. Hg применяется в качестве жидких катодов.
1.8 Сплавы
Одним из важнейших свойств металлов является образование сплавов. Расплавленные металлы растворяются друг в друге, образуя при отвердевании твердые смеси – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза или комплекс фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения металлических свойств: электро- и теплопроводность. В металлических сплавах сохраняются связи, т.е. и наличие свободных электронов. Если образуются ковалентные связи, то образуются интерметаллические неорганические соединения.
Все металлы по величине диаметра атомов делятся на:
1) при диаметре 2.2-3Å металлы образуют между собой непрерывные твердые растворы. (Mn, Fe, Ni)
2) при диаметре >3Å – не смешиваются с металлами середины длинных периодов. (K, Ca, Si)
3) при диаметре <2Å (не металлы) – образуют ограниченные твердые растворы или фазы внедрения. (Ti, V, Cr)
3-х компонентные системы представляют собой треугольник Гиббса, вершины которого – чистые вещества А, В, С. Соответствующие свойства – в области, перпендикулярной к треугольнику.
Существуют 3-7 компонентные сплавы
Сплавы высокой проводимости.
1) Бронзы – сплавы на основе Cu. Помимо чистой Cu применяют сплавы, содержащие небольшое количество олова (Sn), кремния (Si), фосфора (P), бериллия (Be), хрома (Cr), магния (Mg), кадмия (Cd). При этом ρ увеличивается, зато сплавы обладают более высокими механическими свойствами. Предел при растяжении = 8350 Па. Особенно удачен Cd. При малом уменьшении σ, приводит к значительному увеличению прочности. Еще больше прочности у бериллиевой бронзы.
Латуни – повышенное значение относительного удлинения при увеличении предела прочности. Это обеспечивает технологические преимущества (изготовление токопровдящих деталей).
2) Сплавы алюминия.
Альдрей – содержит 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si, 0.2-0.3% Fe; сохраняет лёгкость алюминия, близок ему по сопротивлению, приближен по механической прочности к твердотянутой меди.
Сплавы для электровакуумных приборов.
На основе металлов со средней температурой плавления (Fe,Ni) созданы сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях, т.к. они обладают αL – коэффициент линейного температурного расширения, позволяют получать сокращенные металлические конструкции и спаи со стеклом.
Инвар (Н36) – сплав Fe и 36% Ni
αL = 1*10-6 К-1 при Т = (-100)-100°С.
Ковар – Fe + 29% Ni + 17% Сo
αL = 4.8*10-6 К-1
ρ = 0.5 ρ инвара.
Инвар и ковар применяют для герметизации изделий путём сварки со стеклом, для изготовления конденсаторов с переменной ёмкостью.
Платинид (Н47) – Fe и 47% Ni
αL≈ αLPtи стекол.
Используется как вводы в стеклянные баллоны
Припои – сплавы для пайки.
Температура плавления припоя < температуры плавления соединения.
На границе металл – припой: припой смачивает металл, растекается и заполняет зазоры, при этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, следовательно образуется промежуточная прослойка. Припои делят на мягкие и твердые: мягкие - температура плавления < 300°С, твердые - температура плавления > 300°С. Механическая прочность мягких припоев 16-100 МПа, у твердых 100-500 МПа. Мягкие припои – оловянно-свинцовые, твердые – Cu, Zn, Agс добавлением вспомогательных материалов.
Вспомогательные материалы (флюсы):
1) растворять и удалять оксиды из спаиваемых металлов.
2) защищать в процессе пайки поверхность от окисления.
3) уменьшать поверхностные натяжения
4) уменьшать растекаемость и смачиваемость припоя
По оказываемому действию:
1) активные (кислотные: HCl, ZnCl2, хлористые и фтористые металлы) – интенсивно растворяют оксидную пленку, но после пайки вызывают коррозию, следовательно, нужна тщательная промывка. При монтажной пайке применение активных флюсов запрещено.
2) Бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на ее основе с добавлением спирта и глицерина.
3) Активированные – канифоль + активаторы (солянокислый диметиламин) – пайка без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.
4) Антикоррозийные флюсы на основе H2PO3 с добавлением контактол
Контактолы:
1) Ag, Ni, Pd, в порошкообразном виде используют в качестве проводящей фазы в пасте.
2) Высокомолекулярные вещества. Применяются для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов, экранирования от помех…
Керметы
Металлоэлектрические композиции с неорганическими связующими для резисторов, волноводных нагрузок с повышенным значением ρ.
Сплавы высокого сопротивления
Для электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов, электронагревательных приборов.
Среди большого количества сплавов наиболее распространены сплавы на медной основе: манганин и константан. Хромоникелевые и железо-хромо-алюминивые сплавы.
Манганин: Mg – 12%, Ni – 2%, Cu – 86%
Константан: Cu – 60%
maxρ и minαρ ≈ 0 или < 0. При нагреве образуется пленка оксида – оксидная изоляция. Константан в паре с Feили Cu дает термо-ЭДС.
Хромоникелевые сплавы – изготовление нагревательных элементов, резисторов.
Fe-Cr-Ni(фехроль, хромель) – дешевые сплавы для мощных нагревательных устройств. Недостаток – хрупкость и твердость.
Резистивные сплавы: РС 37-10 – Cr 37%, Fe 10%, Ni 53%. РС 37-01 - Cr 37%, Fe 1%, Ni69%.
Сплавы для термопар:
1) капель – 56% Cu, 44% Ni
2) олимель – 95% Ni, 5% Al, Si, Mg
3) хромель – 90% Ni, 10% Cr
4) платинородий – 90% Pt, 10% Rd
Наибольшую термо-ЭДС имеют 1) и 2).
Глава 2
Не металлические материалы (полупроводники, диэлектрики и т.д.)
2.1 Атомная (ковалентная) кристаллическая решетка
В узлах решетки находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом ковалентной связью (общей электронной парой), т.е. перекрывание электронных облаков. Ковалентная связь обладает насыщаемостью и направленностью и поэтому координационное число определяется именно этими факторами. Наиболее типична ковалентная связь для алмаза, кремния и карбида кремния